Chương 1 1.1.Phân tích yêu cầu công nghệ 1.2 Liệt kê các phương pháp đo 1.3.Trình bày nguyên lý đo tần số trong bài 1.4 Các linh kiện cần dùng trong bài. Chương 2 : 2.1.Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài 2.2.Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế 2.3.Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu ra từ (010V). 2.4.Trình bày sơ đồ chân,bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch sử dụng 2.6. Thuyết minh nguyên lý hoạt động 2.5.Sơ đồ nguyên lý của mạch 2.7.Xây dựng mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus và chạy thử. Chương 3 : 3.1.Các kết quả đạt được 3.2.Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo 3.3.Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục.
Trang 1Trường ĐHCN Hà Nội
BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA
Bài Tập LớnMÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ-VI MẠCH SỐ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TẦN SỐ
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Hà
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Trung (08141240140)
độ LM335 để giám sát nhiệt độ(dải đo từ 0 độ C đến (100+n) =106 độ C
Trang 2BÀI TẬP LỚN
BỘ MÔN : Vi Mạch Tương Tự & Vi Mạch Số
ĐỀ TÀI : thiết kế mạch đo tần số Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Hà Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Trung
Trang 4MỤC LỤC:
Chương 1
1.1.Phân tích yêu cầu công nghệ
1.2 Liệt kê các phương pháp đo
1.3.Trình bày nguyên lý đo tần số trong bài
1.4 Các linh kiện cần dùng trong bài
Chương 2 :
2.1.Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài\
2.2.Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế \
2.3.Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu ra từ (0-10V) \
2.4.Trình bày sơ đồ chân,bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch sử dụng \
2.6 Thuyết minh nguyên lý hoạt động\
2.5.Sơ đồ nguyên lý của mạch \
2.7.Xây dựng mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus và chạy thử
Chương 3 :
3.1.Các kết quả đạt được
3.2.Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo
3.3.Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục
Chương 4 : kết luận ……… 30
Trang 5CHƯƠNG 1 Trình bày về mạch chức năng sử dụng trong hệ thống
1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ
Đối tượng đo là xung vuông , dải đo từ 0Hz ÷9999Hz.
Yêu cầu dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số để thiết kế Hệ thống gồm hai nút START và STOP để khởi động và dừng hệ thống, 4 Led 7 thanh để hiển thị giá trị đo tần số.
Khi ấn nút START, hệ thống thực hiện đo và hiển thị kết quả với thang Hz
1.2 LIỆT KÊ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TẦN SỐ
1 ĐO TẦN SỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI THẲNG
Ưu Điểm:Phương pháp này có cấu tạo đơn giản, bền
Nhược Điểm: Giới hạn đo hẹp khoảng 45÷55Hz hay (450÷550Hz) sai số của phép
đo thường là ±(1,5÷2,5)%
Chú ý: Không sử dụng được ở nơi có độ rung lớn và thiết bị di chuyển
Trang 6Loại này có thể chế tạo tần số kế đo tần số cao hơn đến 2500Hz
B- Tần số kế dùng lô gômet điện từ
Về cấu tạo lô gômet điện từ có hai cuộn dây Cuộn thứ nhất được nối với R1 và điện cảm L1
Cuộn thứ hai được nối với điện trở R2, L2, C2 Tức là 2 cuôn dây có đặc tính tải khác nhau Khi tần số cần đo của tín hiệu thay đổi các dòng điện I1 và I2 sẽ thay đổi không giống nhau vì đặc tính điện trở của chúng khác nhau
Giả sử khi fx tang thì dòng I1 giảm còn I2 tăng như vậy tỉ số giữa hai dòng (I2/I1)
sẽ tang và do đó mà góc lệch α tỉ lệ với tần số
1.3: Tần số kế điện tử
a- tần số kế điện dung dùng đổi nối điện tử
nguyên lý của tần số kế điện tử dựa trên việc đo giá trị trung bình của dòng phóng
I của tụ điện, phóng nạp có chu kỳ cùng nhịp với tần số cần đo fx
Để mở rộng thang đo tần số ta phải làm sao cho hằng số thời gian nạp và phóng của tụ điện sẽ nhỏ hơn nửa chu kỳ của tần số cao nhất Điều này đạt được bằng cách thay đổi điện dung của tụ điện , còn điện trở của mạch nạp và phóng luôn không thay đổi
Giới hạn trên của tần số cần đo được xác định bởi độ nhạy của cơ cấu chỉ thị Còn giới hạn dưới tần số cần đo là tần số mà ở đó xuất hiện dao động cơ cấu chỉ thị
Trang 7b- Tần số kế điện dung dùng chỉnh lưu
Nhờ mạch tạo xung điện áp có tần số cần đo fx được biến thành xung vuông khi xung còn tồn tại tụ C được nạp qua điốt D1 Trong khoảng phóng qua D2 và cơ cấu chỉ thị từ điện
Góc lệch α của cơ cấu chỉ thị sẽ tỉ lệ với dòng điện trung bình
α = S1I=S1qfx=S1CUmfx
Dòng trung bình tỉ lệ thuận với fx, do vậy mà góc lệch α tỉ lệ thuận với tần số cần
đo fx với điều kiện độ nhạy của cơ cấu chỉ thị S1, tụ C và biên độ xung Um không đổi
Tần số kế kiểu này có ưu điểm là có khả năng đo trực tiếp ở dải tần số rộng
Sai aoos tương đối của phép đo tần số được tính như sau :
Thành phần phụ thuộc vào tỉ số giửa thời gian đo và chu kỳ của tín hiệu đo Tx =
2 ĐO TẦN SỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SO SÁNH
2.1: Tần số kế trộn tần
Phương pháp đo trộn tần là phương pháp so sánh giửa tần số của tín hiệu khảo sát
vớ tần số của máy phát công suất nhỏ có tần số đã định trước khi đó tns hiêu có tần số cần đo fx và tín hiệu f0 của máy chuẩn được đua vào bộ trộn tần
Trang 8Trạng thái dao động được phát hiện theo chỉ số cao nhất của bộ chỉ thị cộng hưởng
tỉ lệ với dòng ( hay áp ) trong hệ thống giao động Tần số cần đo được khác độ ngay trên núm vặn của thiết bị dò tìm dao động hoặc sử dụng bảng số hay đồ thị Bộ vào để hòa hợp giử tần số kế và nguồn tín hiệu cần đo
Trang 9Tần số kế bao gồm 3 phần :
- Phần 1 bao gồm các bộ biến đổi chu kỳ hay độ dài xung tín hiêu vào Ux(t) thànhkhoảng thời gian
- Phần 2 : bao gồm vác bộ biến đổi chu kỳ và độ dài xung thành mãsố
- Phần 3 : bao gồ các vi xử lý cài đặt vào tần số kế
Đẻ tạo bộ chia tàn số với tàn số kế thay đổi người ta dùng timer chương trình hóa Phần được lối với các phần khác bằng các “BUS” dữ liệu, địa chỉ và điều khiển
II TRÌNH BÀY VỀ NGUYÊN LÝ ĐO TẦN SỐ TRONG BÀI
Khoảng thời gian cần để đo xung
Số lần dao động của xung trong khoảng thời gian cần đoHình 2 số xung dao động trong 1 khoảng thời gianKhi đó có thể đếm được số xung dao động trong khoảng thời gian 1s
1.4 Các linh kiện dùng trong bài
Trang 10- IC NE 5555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian.
- Điện trở 1k,217.0475 k
- Tụ điện (0.01 uF tụ thường) ,(0.001 ph
- IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân
- Nguồn tín hiệu cần đo : Cho 1500H
- SEG 7Vạch cathode chung,
Chương 2:Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ.
2.1 Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài
Mạch cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá 86 độ C:
Bộ tạo
xung 1Hz
Bộ đếm 4 chỉ số BCD
Nguồn t/
h cần đo
Start Stop
4 bộ giải
mã 7Seg
Hiển Thị Led 7Seg
Trang 112.2.Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế
-Sử dụng các linh kiện đã liệt kê ở mục 1.4
Nguồn
Cảm biến và khuếch đại đo lường
So sánh
Cảnh báo
Trang 122.3.Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu ra từ (0-10)V
- Khối nguồn :cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động , tất cả thiết bị chỉ ở một trong ba nguồn +12v hoặc - 12v hoặc +5v.
-Khối cảm biến và khuếch đại đo lường : cảm biến nhiệt độ biến nhiệt thành điện ở mức vài mV
và được cho vào bộ khuếch đại để cho về điện áp chuẩn.
-Khối này ta dùng mạch khuếch đại vi sai cải tiến,áp dụng các công thức cho mạch vi sai cải tiến,ta được sơ đồ chuẩn hóa điện áp
U O = (U 12 - U 11)
Với điều kiện:R 7 R 4 =R 6 R 5
Trang 132.4.Trình bày sơ đồ chân,bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch sử dụng
1 IC 555
Là IC tạo dao động tần số cấp xung nhịp cho IC 74ls190 đếm giây
- Chân 1 (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung.
- Chân 2 (TRIGGER) : đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp Mạch so sanh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc.
- Chân 3 (OUTPUT) : chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cáo nó tương ứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng trong thực tế nó không được ở mức 0V mà nó trong khoảng ( 0.35-
>0.75V).
- Chân 4 (RESET) : dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường nối chân này lên Vcc.
- Chân 5 ( CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC
555 theo các mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF->0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
- Chân 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu.
- Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khóa này đóng lại , ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch R_C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động.
- Chan 8 (VCC): đây là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2->18V.
Trang 14Mạch tạo xung :
Có tần số dao động có công thức : f=1/T=1/0.69(R1+2R2)C
Bài này ta chọn mạch tạo xung có tần số f=1Hz để đếm dao động thực hiện trong 1s.
Trang 152 IC đếm thập phân 4017 (chia tần số)
- Chân 13(E): Tích cực mức thấp.
- Chân 15(MR): Chân reset, mỗi khi kích lên mức cao, IC được reset.
Trang 16Chân 12 (CO): Trong 5 xung đầu ( từ Q0 - Q4 lần lượt lên mức cao) CO ở mức cao,
5 xung tiếp theo (từ Q5 – Q9 lần lượt lên mức cao) CO ở mức thấp.
Bảng chân lý của IC7447 ứng với led 7 thanh.
Mạch dùng IC 4017 tạo ra bộ đếm :
Trang 173 IC đếm BCD 74ls190
Là IC tích hợ bộ đếm thập phân đồng bộ, đầu ra song song Nó có chức năng đếm thuận hoặc nghịch.Đặc biệt có thể đặt trước giá trị đếm với chân điều khiển giá nạp giá trị.
Trang 18Chức năng các chân:
Chân cấp nguồn : 16 (VCC) và chân 8(GND).
Nhóm chân dữ liệu nạp vào : A(15) B(1) C (10) D(9) Nhóm chân dữ liệu đầu ra : Qa (3) Qb(2) Qc(6) Qd(7) Chân cấp xung clock CLK :14
Chân chọn chế độ đếm thuận nghịch D/U :5
Chân cho phép đếm Enable :4
Chân nạp giá trị load :11
Chân xung đếm ra RCO :13
Bảng trạng thái các chân chức năng đặc biệt :
Trang 194 IC giải mã 74hc4511
- Đây là một IC giải mã , nó làm nhiệm vụ giải mã từ mã nhị phân logíc (dạng 0,1) sang mã của led 7 vạch để xuất ra led 7 vạch về cấu tạo nó là một tập hợp các mạch tổ hợp gồm cách linh kiện số logic như các cổng and , or , việc thiết kế một mạch như vậy không hẳn là quá khó ,chỉ cần xây dựng mạch
tổ hợp lả chúng ta hoàn toàn có thể làm được ,nhưng điều đó khiến chúng ta mất thời gian ,không đảm bảo chất lượng sử dụng , =>dùng IC tích hợp cho tiện
- Chúng ta tìm hiểu sơ đồ chân của nó như sau :
-Chú ý là loại này dùng cho seg 7 vạch loại cathot chung có nghĩa là tất cả cathot của led nốí chung với nhau và nối với đất ,như vậy dữ liệu đẩy vào led sẽ tích cực ở mức cao tức là mức 1 thì mới làm led sang
- 4511 Có 16 chân
- Chân 16 luôn là chân nối với nguồn dương (5 v ), chân số 8 nối với đất
- Chân 1,2,7,6 là chân đưa dữ liệu đầu vào ,chúng ta có thể chọn dữ liệu loại này là dữ liệu logic tức là dạng 1,0,1,0…
- 7 chân đầu ra là chân 9 ,10,11,12,13,14,15.sẽ xuất ra dữ liệu của dạng 7 vạch
Trang 20- Chân số 5 là chân dùng để điều khỉên tế bào nhớ ,chần này = 0 thì IC hoạt động bình thường , còn = 1 thì dữ nguyên trạng thái ở các đầu ra ,và dữ cho đến khi nó trở về chân này được chuyển về 0 thì đầu
ra lại tiếp tục hoạt động (nếu hiểu sâu sa thì chúng ta hiểu khi IC hoạt động thì dữ liệu tại đầu ra sẽ luân phiên nhau được nhớ trong tế bào 4 bít ,vậy khi chân số 5 này ở mức 0 giả sự gọi là đóng cửa thì
IC hoạt động bình thường không vấn đề gì ,nhưng khi nó = 1 tức là mở cửa thì dữ liệu trong tế bào nhớ trào ra và đẩy liên tục vào cửa ra nên giữ tại đầu ra một mức dữ liệu cố định ).
- Trong sơ đồ mạch chúng ta nối nó với đất
- Chân số 3 nếu =0 thì tất cả đầu ra sẽ là mức logic 1.(dùng kiểm tra led 7 đoạn ,bất chấp đầu vào là thế nào )
- Chân số 4 thì có tác dụng ngược lại chân số 3.
Bảng chân lí
Trang 215.Hiển thị( Led 7 thanh)
Led 7 thanh: là 7 con led xếp với nhau thành một hình, nhằm thể hiện các con số Một chân của các con led được nối với nhau ( Katot chung hoặc Anot chung), các chân còn lại được đưa ra nhằm phân cực các con led.
Trong đề tài này chọn led Cathode chung.
2.5.Sơ đồ nguyên lý của mạch
Trang 222.6.Thuyết minh nguyên lý hoạt động của mạch
1. Khi ta ấn nut START mạch hoạt động IC 555 cấp xung cho bộ đếm thời gian và nguồn tín hiệu cần đo cấp xung cho bộ đếm xung hoat động
Khối tín hiệu cho phép đếm và dừng đếm
Trang 23Khi mạch đếm chưa hết tần số thì đầu ra của cổng 7408 vẫn ở mức thấp mạch hoạt động khi đạt hết quá trình đếm xung thì đầu ra của 7408 đạt mức cao hệ thống ngừng đếm Và đó chính là kết quả đo tần sô của nguồn tín hiệu cần đo.
Khi ta muốn đo lại ta ấn nút START mach sẽ về trạng thái 0 Muốn tiếp tục đo ta ấn START lần 2 Khi muốn dùng mạch ta ấn nút STOP mạch sẽ dừng lại cả khối đếm xung và đếm thời gian đều dừng lại.
2.7.Xây dựng mạch mô phỏng trên Proteus và chạy thử
File mạch đã được gửi kèm theo bài.
Chương 3:Kết luận
3.1.Các kết quả đạt được
-Dưới sự hướng dẫn của giảng viên,em đã thiết kế được mạch đo tần số thang đo 0-9999Hz hiển thị kết quả trên led 7 thanh và mạch cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá 86 độ C.
3.2.Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo
-Sai số có thể có do khi thiết kế mạch tạo xung vuông dùng IC 555 chọn các giá trị điện trở làm tròn,nên tần số xung không thực sự chính xác giá trị 1Hz.
3.3.Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục
-Do chưa có điều kiện để làm mạch thực tế và thời gian có hạn,chỉ có thể dùng các kiến thức lý thuyết để thiết kế mạch nên còn chưa lường trước được các hạn chế khi chọn loại linh kiện và trị số của các linh kiện.
-phương hướng khắc phục:
