Mạch tạo chuỗi xung tần số 1Hz chuẩn từ mạch dao động ĐH phi ổn dùng thạch anh kết hợp cổng logic Đây là bài báo cáo về thiết kế mạch tạo chuỗi xung 1Hz chuẩn từ mạch dao động đa hài phi ổn dùng thạch anh kết hợp cổng logic. Mạch gồm hai khối: khối mạch dao động đa hài phi ổn mắc theo kiểu song song và khối mạch chia tần số dùng IC 4060 và IC 4013.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
Khoa Công Nghệ
BÁO CÁO ĐỒ ÁN MẠCH XUNG
Nhóm 8 (GVHD: Phạm Duy Nghiệp)
Đề tài: Mạch tạo chuỗi xung tần số 1Hz chuẩn từ mạch dao động
ĐH phi ổn dùng thạch anh kết hợp cổng logic
Tóm tắt: Đây là bài báo cáo về thiết kế mạch tạo chuỗi xung 1Hz chuẩn từ mạch
dao động đa hài phi ổn dùng thạch anh kết hợp cổng logic Mạch gồm hai khối: khối mạch dao động đa hài phi ổn mắc theo kiểu song song và khối mạch chia tần
số dùng IC 4060 và IC 4013
Sinh Viên Thực hiện:
Trang 2I.GIỚI THIỆU:
Với mục đích khảo sát lại lí thuyết về mạch dao động tạo tần số và thực hành ráp mạch điện tử căn bản Qua đó giúp củng cố kiến thức về lý thuyết cũng như nâng cao
kỹ năng thực hành Mục tiêu thiết kế của đề tài là một mạch dao động xung vuông tần số 1Hz
II.PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN:
1 Tổng quát mạch dao động sử dụng tính chất cộng hưởng song song của thạch anh:
Tinh thể thạch anh dùng trong mạch dao động là một lát mỏng được cắt ra từ tinh thể Tùy theo mặt cắt mà lát thạch anh có đặc tính khác nhau Lát thạch anh có diện tích từ nhỏ hơn 1cm2
đến vài cm2 được mài rất mỏng, phẳng (vài mm) và 2 mặt thật song song với nhau Hai mặt này được mạ kim loại và nối chân ra ngoài
để dễ sử dụng
Mạch tương đương của thạch anh dùng trong phân giải:
Tinh thể thạch anh cộng hưởng ở hai chế độ khác nhau:
Trang 3
Loại mạch dao động được gợi ý trong tài liệu là Pierce oscillator, dạng mạch dao động phổ biến nhất của thạch anh được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vi điều khiển Mạch đơn giản, sử dụng ít linh kiện, nếu việc thiết kế tốt sẽ cho đáp ứng có
độ ổn định cao
Mạch nguyên lý đơn giản chỉ gồm 2 tụ, 1 cổng đảo, 1 điện trở
2 Mạch nguyên lý được bổ sung và hiệu chỉnh:
Trang 4a) Rf:
Rf là điện trở phân cực / hồi tiếp cho IC đảo hoạt động trong vùng tuyến tính của nó, đồng thời giá trị của Rf cũng phải phù hợp với tần số, Rf càng lớn khi tần số càng nhỏ và ngược lại Để chọn giá trị của Rf ta thực hiện các bước sau:
• Kiểm tra datasheet để biết bên trong IC có điện trở hồi tiếp chưa, hoặc cấp nguồn cho IC và đo giữa 2 chân in-out, nếu V = Vcc/2 thì có điện trở tích hợp sẵn bên trong, còn giá trị là 0 hoặc 1 thì chưa có trở hồi tiếp Điều này giúp ta quyết định giá trị thực khi chọn Rf
• Thử bằng biến trở, sau đó vẽ lại đặc tuyến điện trở - tần số của Rf so với f Dựa vào đó quyết định chọn giá trị tối ưu cho Rf
Tần số Khoảng giá trị của
Rf ≤ 32.768Khz 10 – 15MΩ 32.768Khz -
1Mhz
5 - 10MΩ
1Mhz - 10Mhz 1 – 5MΩ 10Mhz - 20Mhz 470KΩ - 1MΩ
Bảng giá trị điện trở hồi tiếp thường dùng cho họ CMOS
Từ đó với yêu cầu thiết kế mạch đa hài phi ổn f = 32.768Khz, ta chọn Rf = 10MΩ để phân cực khuếch đại tại Vcc/2 để đạt độ khuếch đại tốt nhất
b) IC 4060:
IC 4060 là một bộ đếm/bộ chia (Counter/Divider) nhị phân không đồng bộ với 14 tầng Flip-Flop Mạch dao động của nó gồm 3 chân được nối
ra ngoài là: RS, RTC, CTC; tất cả các ngõ ra (10 ngõ ra từ O3~O9, O11~O13) đều được đệm sẵn từ bên trong trước khi đưa ra ngoài Quan trọng hơn hết là chân Master Reset (MR) dùng để cấm mạch dao động làm việc và reset mạch đếm Khi chân MR ở mức logic cao, nó sẽ reset mạch đếm làm tất cả các ngõ ra của bộ đếm đều ở mức logic thấp, việc reset này hoàn toàn độc lập với các ngõ vào khác (bất chấp trạng thái logic ở các ngõ vào còn lại)
Trang 5Cấu trúc các phần tử trong mạch dao động của 4060 cho phép thiết
kế mạch dao động hoặc làm việc với tụ - điện trở (mạch dao động R-C) hoặc làm việc với thạch anh Ngoài ra, ta cũng có thể thay thế mạch dao động bên trong bằng một tín hiệu xung đồng hồ từ bên ngoài đưa vào chân
RS, khi dùng xung Ck từ bên ngoài thì bộ đếm sẽ hoạt động khi có cạnh xuống của xung tác động
Ta có thể thu được lần lượt các tần số sau:
2048Hz tại chân ra Q4 của IC 4060 (mạch chia 16) 1024Hz tại chân ra Q5 của IC 4060 (mạch chia 32) 512Hz tại chân ra Q6 của IC 4060 (mạch chia 64)
256Hz tại chân ra Q7 của IC 4060 (mạch chia 128)
128Hz tại chân ra Q8 của IC 4060 (mạch chia 256)
64Hz tại chân ra Q9 của IC 4060 (mạch chia 512) 32Hz tại chân ra Q10 của IC 4060 (mạch chia 1024)
16Hz tại chân ra Q11 của IC 4060 (mạch chia 211)
8Hz tại chân ra Q12 của IC 4060 (mạch chia 212) 4Hz tại chân ra Q13 của IC 4060 (mạch chia 213)
2Hz tại chân ra Q14 của IC 4060 (mạch chia 214)
Để có tần số 1Hz (chu kỳ 1s), ta dùng thêm 1 D Flip Flop nữa (IC 4013) để chia tần số thạch anh thêm 2 lần nữa
c) IC 4013:
Trang 6IC4013 là loại D flip-lop với bên trong là 2 flip-lop loại D với hai trạng thái
ổn định Sử dụng đầu vào kích để thay đổi trạng thái 0 và 1
d) C 1 , C 2 và thạch anh X1:
Về ý tưởng tổng quát, thạch anh X1 cùng tụ C1, C2 và Rs tạo ra một mạng lưới dịch pha thêm -1800, nhằm thỏa điều kiện dao động
Thường tụ C1, C2 được chọn bằng nhau, nhưng trong một số điều kiện đặc biệt có thể tăng tụ C2 để thay đổi cầu phân áp điện dung thay đổi điện áp ngõ ra, cũng như thay đổi độ lợi và điều chỉnh tần số xê dịch quanh giá trị trung tâm Đặc biệt khi mắc thêm IC đệm sửa dạng tín hiệu thì phải điều chỉnh lại C1 để đáp ứng tần số chính xác
Thạch anh trong mạch hoạt động ở vùng điện cảm tương đương với 1 cuộn cảm L, Thạch anh tạo dao động trong vùng điện cảm của nó được gọi là thạch anh song song
III – THIẾT KẾ CHI TIẾT:
Trang 7- Đầu tiên, tra bảng trên ta thấy Rf nên nằm trong khoảng 5M-10MΩ, chọn Rf
= 10MΩ
- Tụ C1, C2 sẽ được chọn sao cho trùng với tải điện dung của thạch anh, trong trường hợp này thạch anh được sử dụng thuộc dòng HC-49/S có tải điện dung CL
= 20pF Vậy ta chỉ cần tính toán sao cho điện dung tương đương của C1, C2 bằng 20pF là được Nhưng thực tế cần phải xét đến các vấn đề nảy sinh khác như:
• Tụ ngõ vào, ngõ ra của IC đảo thường có giá trị Cin = 4 – 7pF, Cout = 7 – 12pF
• Tụ ký sinh trên mạch ước lượng Cs = 2 – 3pF
Chọn Cin = 5.5pF, Cout = 9.5pF và C1 = C2 = C Vẽ lại sơ đồ mạch điện và phân giải ta có được công thức tính điện dung tương đương CP:
CP = + CS
Cp = + 2.5
Để đạt điều kiện dao động thì Cp = CL hay:
20 = + 2.5
C2 – 20C – 210.25 = 0
Trang 8Giải ra phương trình trên, chọn nghiệm dương ta được C > 27pF, chọn C1 = C2 = C
= 220pF
IV – MẠCH THỰC TẾ:
Tín hiệu ngõ ra đáp ứng tần số tốt nhưng dạng sóng chưa vuông, điện áp đỉnh đối đỉnh Vpp còn lớn Ta có giải pháp điều chỉnh tín hiệu:
• Vì tần số dao động khá cao và trị số tụ nhỏ nên nhạy cảm với tụ ký sinh, khi nối mass trên mạch cố gắng đảm bảo sao cho đường mass đến các chân tụ và
IC là ngắn nhất có thể
Trang 9Mạch hoàn chỉnh và dạng tín hiệu ngõ ra:
Trang 10V NHẬN XÉT VÀ RÚT KINH NGHIỆM:
- Hạn chế: Khi làm mạch thực tế tần số 1Hz bị nhi ễu, tạo ra tín hiệu không vuông vắng - Ưu điểm: Mạch tạo được xung có tần số chuẩn 1 Hz như đề bài yêu cầu - Kinh nghiệm: + Hiểu được thêm về mạch đa hài phi ổn + Tích luỹ kinh nghiệm làm mạch điện tử đơn giản Tài liệu tham khảo: • Giáo trình mạch tương tự • Giáo trình kỹ thuật xung • datasheet trong: datasheet-pdf.com IC4060 : http://www.datasheet-pdf.com/PDF/CD4060BCN-Datasheet-FairchildSemiconductor-109206 IC4013 : http://www.datasheet-pdf.com/PDF/4013-Datasheet-Fairchild-500197 MỤC LỤC trang T ÓM TẮT 1
I.GIỚI THIỆU: 1
II.PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN: 1
II.1– Tổng quát mạch dao động sử dụng tính chất cộng hưởng song song của thạch anh 1
II.2 – Mạch nguyên lý được bổ sung và hiệu chỉnh 2
III – THIẾT KẾ CHI TIẾT: 5
IV – MẠCH THỰC TẾ: 7
V NHẬN XÉT VÀ RÚT KINH NGHIỆM 9
