THI CÔNG THIẾT KẾ MẠCH TẠO TÍN HIỆU

MỤC LỤCTrangI.GIỚI THIỆU...................................................................................1II.THIẾT KẾ CHỨC NĂNG.............................................................2III.THIẾT KẾ CHI TIẾT3A.Giới thiệu các linh kiện liên quan1)Điện trở...................................................................32)Tụ điện....................................................................53)Diode........................................................................64)Biến áp....................................................................85)Led 7 đoạn..............................................................106)IC ổn áp..................................................................117)IC 555.....................................................................128)IC 74164.................................................................15B.Thiết kế mạch nguyên lý1)Mạch nguồn...........................................................182)Mạch tạo xung dùng IC 555................................223)Mạch điều khiển led bằng IC 74164...............................26C.Sơ đồ nguyên lý tổng quan sau thiết kế...................27IV.LẮP RÁP – THI CÔNG..................................................28V.ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ..........

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

Khoa Công Nghệ Điện Tử

ĐỒ ÁN 1

TÊN ĐỀ TÀI:

THI CÔNG, THIẾT KẾ MẠCH TẠO TÍN HIỆU

Sinh viên thực hiện: Lê Văn Hòa

Lớp: DHDT6B

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Ngọc

Bộ Môn: Điện tử Công nghiệp

NĂM 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

Khoa Công Nghệ Điện Tử

ĐỒ ÁN 1

TÊN ĐỀ TÀI:

THI CÔNG , THIẾT KẾ MẠCH TẠO TÍN HIỆU

Sinh viên thực hiện: Lê Văn Hòa

Lớp: DHDT6B

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Ngọc

Bộ Môn: Điện tử Công nghiệp

NĂM 2014

MỤC LỤC

Trang

I. GIỚI THIỆU 1

II. THIẾT KẾ CHỨC NĂNG 2

III. THIẾT KẾ CHI TIẾT 3 A. Giới thiệu các linh kiện liên quan 1) Điện trở 3

2) Tụ điện 5

3) Diode 6

4) Biến áp 8

5) Led 7 đoạn 10

6) IC ổn áp 11

7) IC 555 12

8) IC 74164 15

B. Thiết kế mạch nguyên lý 1) Mạch nguồn 18

2) Mạch tạo xung dùng IC 555 22

3) Mạch điều khiển led bằng IC 74164 26

C. Sơ đồ nguyên lý tổng quan sau thiết kế 27

IV. LẮP RÁP – THI CÔNG 28

V. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 29

I. GIỚI THIỆU

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trên thế giới hiện nay đã tácđộng mạnh mẽ và ảnh hưởng to lớn đến đời sống, khoa học công nghệ Trong đó,nghành điện tử đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra thiết bị công nghệ phục vụviệc nghiên cứu chế tạo và ảnh hưởng đến sự phát triển của các ngành khác

Việc thực hiện Đồ án 1 do khoa Công nghệ điện tử - Trường Đại Học CôngNghiệp TP.HCM tổ chức là bước đầu nhằm giúp sinh viên vận dụng kiến thức họcđược vào thực hành, để thấy được ứng dụng của của các linh kiện điện tử tạo ranhững thiết bị từ đơn giản đến phức tạp cũng như thấy được những hạn chế, khókhăn khi làm trên thực tế so với lý thuyết, đồng thời qua đó sinh viên tích lũy thêmkinh nghiệm, thấy rõ những điểm còn thiếu trong kiến thức từ đó tích cực học tậprèn luyện bổ xung thêm

Trong quá trình thực hiện, dù đã rất cố gắng nhưng do trình độ còn hạn chế vàkinh nghiệm còn ít nên không thể tránh khỏi sai sót Em mong nhận được sự chỉ bảogiúp đỡ và ý kiến đóng góp của các thầy cô trong khoa để việc thực hiện những Đồ Án

kế tiếp của chúng em đạt kết quả tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, ngày tháng 5 năm 2014

5

II. THIẾT KẾ CHỨC NĂNG

Nội dung: Thiết kế thi công mạch điều khiển chữ HELLO (trên LED 7 đoạn)lần lượt trên sáng dần và tắt dần sử dụng IC NE555 và IC 74164 cho phép hoạtđộng độc lập/điều khiển từ Vi điều khiển PIC

Sơ đồ khối chức năng của mạch thiết kế

- Khối PORT kết nối với PIC: kết nối ngõ ra của PIC bằng 1 PORT nào đó kếtnối với IC 74164 bằng chương trình tạo xung thay thế cho xung tạo từ IC

555 ( chuyển điều khiển bằng JUMPER)

III. THIẾT KẾ CHI TIẾT

A. Giới thiệu các linh kiện liên quan

1) Điện trở

- Điện trở là loại linh kiện thụ động đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chấtcản trở dòng điện, tạo sụt áp để thực hiện chức năng tùy theo vị trí của điệntrở trong mạch

Ký hiệu:

Biểu thức xác định giá trị: R = (1.1)

Trong đó:

U: là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng Volt (V)

I: là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn đo bằng Ampe (A)

R: là điện trở, đo bằng Ohm (Ω)

- Phân loại:

Có 3 loại điện trở chính (theo cấu tạo):

• Than ép: có công suất nhỏ hơn 3W và hoạt động ở tần số thấp

• Màn than: có công suất lớn hơn 3W và hoạt động ở tần số cao

• Dây quấn: có công suất lớn hơn 5W và hoạt động ở tần số thấp

- Đặc điểm của điện trở:

Điện trở làm việc phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó trị số thay đổi khi có dòngchạy qua làm cho năng lượng điện biến đổi thành năng lượng nhiệt trênthan điện trở

• Công suất của điện trở: P = UI = RI2

(1.2)Với:

P: công suất (W)

U: là hiệu điện thế(V)

I: là cường độ dòng điện(A)

R: là giá trị của điện trở(Ω)

• Giá trị của điện trở còn thay đổi theo thời gian hay trong những điều kiệnđặc biệt theo tần số tín hiệu xoay chiều tác động lên nó

• Khi có hai hay nhiều điện trở R1, R2, R3,…Rn mắc nối tiếp nhau thì điệntrở tổng cộng bằng tổng các điện trở:

Hình 1 Hình dạng môt số loại điện trở

- Phân loại tụ điện:

Có nhiều cách phân loại tụ điện, ở đây ta dựa vào chất chế tạo bên trong tụđiện thì có các loại sau:

• Nhóm tụ mica, selen, tụ ceramic: nhóm này làm việc ở tần số cao tần

• Nhóm tụ sứ, sành, giấy dầu: nhóm này làm việc ở tần số trung bình

• Nhóm tụ hóa : nhóm này làm việc ở tần số thấp

- Đặc điểm của thụ điện:

• Dùng để tích điện và xả điện, chỉ cho dòng xoay chiều đi qua, ngăndòng một chiều

• Khả năng nạp xả điện phụ thuộc vào điện dung C của tụ

• Đơn vị đo điện dung của tụ là: pF(pico Fara), nF(nano Fara), uF(microFara)

• Các tụ C1, C2, C3, , Cn ghép nối tiếp thì điện dung tương đương của tụlà:

1/Ctd = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 +…+1/Cn (2.2)

• Các tụ C1, C2, C3, , Cn ghép song song thì điện dung tương đương của

tụ là:

Ctd = C1 + C2 + C3 +…+ Cn (2.3)

3) Diode

- Diode bán dẫn có cấu tạo gồm một lớp chuyển tiếp P – N với hai điện cực,điện cực nối ra từ miền P gọi là Anode(A), điện cực nối ra từ miền N gọi làCathode(K)

Ký hiệu và hình dạng:

- Cấu tạo bên trong

• Khi Diode có điện thế Anode lớn hơn điện thế Cathode, ta nói Diodeđược phân cưc thuận hay Diode dẫn điện

• Khi Diode có điện thế Anode nhỏ hơn điện thế Cathode, ta nói Diodeđược phân cực nghịch hay Diode ngưng dẫn

trường do UAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc tức là UAK lớnhơn UTX Khi đó một phần của điện áp UAK dùng để cân bằng với điện áptiếp xúc( khoảng 0,6V), phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận quaDiode.

• Khi UAK > 0, ta nói Diode phân cực thuận, và dòng qua Diode gọi là dòngđiện thuận Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì Diode trở nêndẫn điện rất tốt, tức la điện trở của Diode lúc đó thấp Do vậy phần điện

áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện ápdung để cân bằng với UTX Thông thường phần điện áp dung để tạo ra cânbằng với UTX khoảng 0,6V và phần điện áp tạo ra dòng thuận khoảng0,1V – 0,5V Như vậy giá trị của UAK đủ để có dòng qua Diode khoảng0,6V – 1,1V Ngưỡng 0,6V là ngưỡng bắt đầu dẫn và UAK = 0,7V thìdòng qua Diode khoảng vài chục mA

• Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chiều ngược K – A Nhưngthực tế vẫn có dòng ngược khi có hiệu điện thế lớn, tuy nhiên dòngngược rất nhỏ cỡ uA nên thường không cần quan tâm tới các ứng dụngcông nghiệp

• Mọi Diode đều không dẫn điện theo chiều ngược, nhưng nếu điện ápngược quá lớn thì Diode sẽ bị đánh thủng, dòng qua Diode tăng nhanh và

sẽ đốt cháy Diode, Diode sẽ bị đánh thủng

• Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ hai nguyên tắc sau:

+ Dòng điện thuận qua Diode không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép.+ Điện áp UAK không được lớn hơn VBR (một ngưỡng đánh thủng)

- Đặc tuyến Volt – Ampe của Diode bán dẫn:

Đặc tuyến Volt – Ampe của Diode bán dẫn được chia làm 3 vùng

- Ứng dụng:

• Diode được dung nhiều trong các mạch chỉnh lưu, ổn định điện áp

• Dùng hạn biến tín hiệu tránh được nhiễu

• Dùng để tách song tín hiệu ra khỏi song mang cao tần

- Máy biến áp có thể thay đổi hiệu điện thế xoay chiều, tăng thế hoặc hạ thế,đầu ra cho một hiệu điện thế tương ứng với nhu cầu sử dụng Máy biến thếrất quan trọng trong truyền tải điện năng

Hình 3 Biến áp

- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

• Cấu tạo:

+ Gồm có hai cuộn dây: cuộn sơ cấp có N1 vòng, cuộn thứ cấp có N2

vòng Lõi sắt gồm nhiều lá thép ghép cách điện với nhau để tránhdòng Fu-co và tăng từ thông qua mạch

+ Số vòng dây hai cuộn phải khác nhau, tùy thuộc nhiệm vụ của máy

mà N1 > N2 hoặc ngược lại

+ Cuộn sơ cấp nối với mạch điện xoay chiều, còn cuộn thứ cấp nối vớitải tiêu thụ

• Nguyên tắc hoạt động:

+ Đặt điện áp xoay chiều có tần số f vào hai cuộn sơ cấp Nó gây ra sự

biến thiên từ thông trong hai cuộn dây Gọi từ thông này là φ =

Hình 4 Led 7 đoạn

- LED 7 đoạn có 2 loại đó là :

+ Chân Anode chung (chân + các led mắc chung lại với nhau )

+ Chân Catode chung (Chân - các led được mắc chung với nhau )

- Đối với loại Anode (cực +) chung :

+ Chân 3 và 8 là 2 chân Vcc, vậy muốn led nào đó sáng thì chỉ việc nối châncatot xuống mass

+ Điện áp giữa Vcc và mass phải lớn hơn 1.3 V mới cung cấp đủ led sáng,tuy nhiên không được cao quá 3V

- Đối với loại Cathode (cực -) chung:

+ Đầu chung này được nối xuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng

để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặtvào các chân này ở mức 1

- Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, do đó khi kết nối cần đảm bảodòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led.

- Nếu kết nối với nguồn 5V có thể hạn dòng bằng điện trở trước các chân nhậntín hiệu điều khiển

6) IC ổn áp

Giới thiệu chung về IC:

IC là một mạch điện tử mà các thành phần tác động và thụ động đều được chếtạo trong hoặc trên một đế không thể tách rời nhau được Đế này là một phiếnbán dẫn(thường là Si) hoặc một phiến cách điện Một IC thường có kích thướcrộng cỡ vài trăm đến vài ngàn micro, dày cỡ vài trăm micro được đựng trongmột vỏ bằng kim loại hoặc bằng plastic Những IC như vậy thường là một bộphận chức năng tức là một bộ phận có khả năng thực hiện một chức năng điện

tử nào đó Sự kết tụ của các thành phần trong mạch điện tử cũng như các bộphận cấu thành của một hệ thống điện tử vẫn là hướng tìm tòi và theo đuổi từlâu trong ngành điện tử

IC dùng trong Đồ Án: IC ổn áp 7805 thuộc họ 78XX

+ Họ 78XX là họ cho ổn định điện áp đầu ra là dương Còn XX là điện áp đầu

ra như 5V, 9V,…

+ Giới hạn nguồn vào 7-20V

+ Điều kiện: điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào 3V

+ IC 7805 có 3 chân:

Chân 1 : nguồn đầu vào – Input

Chân 2 : là chân nối đất – GND

Chân 3 : nguồn đầu ra – Output

+ Đảm bảo điện áp đầu ra ổn định trong

Cấu tạo vi mạch NE555:

Chân 1: GND (nối đất)

Chân 2: Trigger Input (ngõ vào xung nảy) kjl

Chân 3: Output ( ngõ ra)

Chân 4: Reset (hồi phục)

Chân 5: Control Voltage ( điện áp điều khiển)

Chân 6: Threshold (Thềm –ngưỡng)

Chân 7: Dirchage ( xả điện)

Chân 8: +VCC ( nguồn dương)

Hình 6 Cấu trúc của IC 555

• Cấu tạo:

- Vi mạch định thì 555 có 8 chân, có nguồn nuôi trong khoảng từ +5V đến+15V và mức áp tối đa là +18V Bên trong vi mạch 555 có hơn 20Transistor và nhiều điện trở thực hiện chức năng như trong hình b gồm:

- Cầu phân áp gồm 3 điện trở 5kΩ nối từ nguồn +VCC xuống mass cho ra haiđiện áp chuẩn là 1/3VCC và 2/3VCC

- Op-amp (1) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In- nhận điện áp chuẩn2/3VCC còn ngõ In+ thì nối ra ngoài chân 6 Tùy thuộc điện áp của chân 6 sovới điện áp chuẩn 2/3 VCC mà Op-amp (1) có điện áp mức cao hay thấp đểlàm tín hiệu R (Reset) điều khiển Flip-Flop(F/F)

- Op-amp (2) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In+ nhận điện áp chuẩn1/3VCC còn ngõ In- thì nối ra ngoài chân 2.Tùy thuộc điện áp chân 2 so vớiđiện áp chuẩn 1/3 VCC mà Op-amp (2) có áp thế ra mức cao hay thấp để làmtín hiệu S (Set) điều khiển Flip –Flop (F/F).

- Mạch Flip-Flop (F/F) là loại mạch lưỡng ổn kích một bên Khi chân Set(S) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F là ngõ Q lênmức cao và ngõ xuống mức thấp Khi ngõ Set đang ở mức cao xuống thấpthì mạch F/F không đổi trạng thái Khi chân Reset (R) có điện áp cao thìđiện áp này kích đổi trạng thái của F/F làm ngõ lên mức cao và ngõ Qxuống mức thấp Khi ngõ Reset đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/Fkhông đổi trạng thái

- Mạch OUTPUT là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòngcấp cho tải Đây là mạch khuếch đại đảo có ngõ vào là chân của F/Fnên khi ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp (~0v) vàngược lại khi ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao(~VCC).

- Transistor T1 có chân E nối vào 1 điện áp chuẩn khoảng 1,4 V và loạiTransistor PNP nên khi cực B nối ra ngoài bởi chân 4 có điện áp caohơn 1,4V thì T1 ngưng dẫn nên T1 không ảnh hưởng đến hoạt động củamạch khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp (nối mass) thì T1 dẫnbão hòa đồng thời làm mạch OUTPUT cũng dẫn bão hòa và ngõ raxuống thấp Chân 4 được gọi là chân Reset có nghĩa là nó Reset IC 555 bấtchấp tình trạng ở các ngõ vào khác, do đó chân Reset dùng để kết thúc xung

ra sớm khi cần Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên VCC đểtránh mạch bị Reset do nhiễu

- Transistor T2 là Transistor có cực C để hở nối ra chân 7 (Discharge =xả) Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra của F/F nên khi ở mứccao thì T2 bão hòa và cực C của T2 coi như nối mass, lúc đó ngõ ra chân 3cũng ở mức thấp Khi ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn cực C của T2 bị hở, lúc

đó ngõ ra chân 3 có điện áp cao Theo nguyên lý trên cực C của T2 ra chân

7 có thể làm ngõ ra phụ có mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân4

• Nguyên lý hoạt động

Flip Flop bên trong IC 555 là SR-FF Bảng trạng thái như sau:

 Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C

 Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C nhảyxuống dưới 2Vcc/3

 Q = 0  Transistor không dẫn -> chân 7 không nối mass nữa và tụ

C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3

 Kết quả: Ngõ ra out có dạng sóng vuông chu kỳ ổn định.

8) IC 74164

• Giới thiệu

IC 74164 là IC dịch 8 bit vào nối tiếp ra song song hoạt động ở điện áp4,5V-5,5V, làm việc ở tần số cao nhờ sử dụng Diode Schottky bên trong Dữliệu nối tiếp được nhập vào thông qua cổng AND 2 ngõ vào, việc nhập nàyđồng bộ với cạnh lên xung Ck

Chân Clear (Clr) tác động không đồng bộ với xung Ck, khi chân này tácđông thì thanh ghi dịch sẽ bị xóa, tất cả các ngõ ra của nó sẽ bị kéo xuốngmức thấp

Về mặt giao tiếp với các IC khác thì IC 74164 tương thích hoàn toàn vớicác IC thuộc họ TTL

Sơ đồ chân IC 74164:

Hình 8 Sơ đồ chân IC 74164

Chức năng:

- Chân A,B: ngõ vào dữ liệu nối tiếp của IC 74164, đây là 2 ngõ vào củamột cổng AND 2 ngõ vào Dữ liệu muốn đến được Flip-Flop đầu tiên đểbắt đầu quá trình ghi dịch thì tín hiệu phải được đưa vào cổng NAND 2ngõ này, khi hoạt động 1 trong 2 chân phải kéo lên mức 1, muốn đổi trạngthái ngõ ra chỉ cần thay đổi mức logic ở ngõ này

- Chân 8 Clock: chân nhận xung clock ( tác động cạnh lên) Dữ liệu ở 2 ngõvào A, B được đưa đến ngõ ra (đồng thời dữ liệu ở các ngõ ra dịch phải 1bit) đồng bộ với xung để đưa vào chân này Điều này có nghĩa là IC sẽthực hiện việc ghi dịch mỗi khi có cạnh lên xung clock tác động

- Chân 9 Clear: chân reset IC, chân này tác động ở mức thấp Khi chân Clr ởmức logic cao thì IC được phép hoạt động bình thường (ghi dịch), nhưngkhi chân này đưa xuống mức logic thấp thì IC bị reset ngay lập tức: tất cảngõ ra của nó đều bị kéo xuống mức logic thấp Việc reset này không đồng

bộ với xung clock đưa vào IC, nghĩa là ở bất kì trạng thái nào xung clock(dù ở mức logic cao hay thấp hoặc đang chuyển trạng thái) ta đều thựchiện được việc reset IC bằng cách đưa vào chân Clr mức logic thấp

- QA ~ QH: cácngõ ra song song của IC Các ngõ ra này được lấy ra cùng lúchoặc từng ngõ theo yêu cầu

- Vcc (14), GND (7): dùng để cấp nguồn cho IC

Hình 9 Sơ đồ bên trong IC 74164Bảng trạng thái hoạt động:

• Nguyên lý hoạt động:

Khi có cạnh lên xung Ck đầu tiên tác động vào chân Clk thì dữ liệu ngõ vào (A, B) sẽ được dịch đến ngõ ra đầu tiên QA, trạng thái logic của tất cả các ngõ ra khác không thay đổi

Khi xung Ck thứ hai tác động thì dữ liệu từ ngõ ra đầu tiên QA sẽ dịch đến ngõ ra thứ hai QB, dữ liệu ngõ vào được dịch đến ngõ ra đầu tiên, trạngthái logic của tất cả các ngõ ra còn lại không thay đổi

Cứ tương tự như thế cho đến khi xung thứ 8 tác động thì dữ liệu đầu tiên

đã được dịch đến ngõ ra cuối cùng QH Dữ liệu ở ngõ vào dịch đến ngõ ra

QA, dữ liệu từ QA dịch sang QB,…Như vậy dữ liệu đưa vào nối tiếp đã được lấy ra song song ở cả 8 ngõ ra sau 8 xung Ck tác động

Khi có xung thứ 9 tác động thì dữ liệu từ ngõ vào được chuyển đến ngõ

ra đầu tiên, trạng thái logic ở các ngõ ra khác sẽ được dịch phải 1 bit, trạng thái logic ở ngõ ra cuối cùng sẽ tự động biến mất