Bài tập lớn Vi mạch (1)

ừng dụng vi mạch để đo tần số là 1 việc rất thông dụng trong cuộc sống hàng ngày. Thông qua việc đếm số xung và qua các thiết bị logic ta sẽ thu được tần số..............................................................................................

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

*********

BÀI TẬP LỚN MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TẦN SỐ

Tháng 12 năm 2017

GIỚI THIỆU BÀI TẬP LỚN

- Tính toán giá trị các linh kiện dùng trong IC timer

Mở rộng

- Cho phép chọn các chế độ đo khác nhau (Hz, KHz, MHz,…)

LỜI MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết, khoa học công nghệ đang phát triển một cách nhanh chóng trong những năm gần đây, đặc biệt là ngành kỹ thuật điện-điện tử

Sự xuất hiện của các vi mạch, IC số tổng hợp đã giúp cho kích thước mạch nhỏ gọn, tiện lợi hơn

Trải qua sự phát triển của khoa học công nghệ, giờ đây chúng ta đã chế tạo ra rất nhiều loại tần số, phục vụ trong ngành điện tử viễn thông, công nghệ thông tin, tự động hóa

Máy đo tần số là 1 thiết bị cho phép chúng ta biết được tần só của tín hiệu

1 cách chính xác, góp phần vào việc đo và điều khiển tín hiệu

Với những kiến thức được học trên lớp và tìm hiểu thực tế Trong thời gianyêu cầu nhóm em đã hoàn thành đồ án môn học với nội dung “Mạch Đo TầnSố” Do kiến thức chuyên ngành còn thiếu nhiều thực tế nên đồ án không tránhkhỏi những sai sót, mong các thầy cô góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thu Hà đã giúp đỡ nhóm emhoàn thành bài tập lớn này!

M c l c ụ ụ

Chương 1: Trình bày về các mạch chức năng sử dụng

trong hệ thống

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ

Đối với mạch đo tần số, đối tượng đo là xung vuông hoặc tín hiệu xoay chiều,

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.Khi ấn Stop, hệ thống dừng Sử dụng các thiết bị đo để kiểm tra khi cần thiết

1.2 Liệt kê các phương pháp đo tần số

Tần số là một trong các thông số quan trọng nhất của quá trình giao động có chu

kì Tần số được xác định bởi số các chu kì lặp lại của sự thay đổi tín hiệu trong một dơn vị thời gian

Chu kì là khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại độ lớn và chiều biến thiên

Khoảng tần số được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: vô tuyến điện

tử, tự động hóa, thông tin liên lạc, tự động hóa từ một phần Hz đến hàng ngìn GHz

Việc lựa chọn phương pháp đo tần số được xác định theo khoảng đo, theo độ chính xác yêu cầu, theo dạng đường cong và công suất nguồn tín hiệu có tần số cần đo và một số yếu tố khác

Để đo tần số của tín hiệu điện ta sử dụng hai phương pháp biến đổi thẳng và phương pháp so sánh

Tần số mét là dụng cụ để đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng được tiến hành bằng các loại tần số mét cộng hưởng, tần số mét cơ điện, tần số mét tụ điện, tần số mét chỉ thị số đo tần số bằng phương pháp so sánh được thực hiện nhờ ôsilôscốp, cầu xoay chiều phụ thuộc tần số, tần số mét đổi tần, tần số mét cộng hưởng, …

1.3 Trình bày về nguyên lý đo tần số trong bài.

Trong bài này chúng em đo tần số bằng phương pháp so sánh

Chúng em dùng IC 555 phát ra 1 xung chuẩn có tần số 1 Hz Như vậy chu kỳ T=1/f=1/1=1 (s)

Giả sử xung cần đo có tần số là x (Hz) Như vậy chu kỳ sẽ bằng 1/x (s)

Như vậy ta thấy trong 1 giây IC 555 thực hiện được 1 chu kỳ ( tức 1 lần lặp lạitín hiệu) thì xung cần đo sẽ thực hiện được x chu kỳ( Tức x lần lặp lại tín hiệu)

Ta sẽ đưa cùng 1 lúc 2 giá trị tần số này cùng một lúc vào một phần tử logic AND, đầu ra của con AND sẽ đưa vào mạch đếm Xung 1 Hz sẽ được khống chế sao cho chỉ phát ra xung trong 1 chu kỳ tức 1 s

Ta thấy trong 1s xung 1Hz thực hiện được 1 chu kỳ thì xung x Hz thực hiện được x chu kỳ

Khi hết 1 s xung 1Hz sẽ ngừng cấp xung vào 1 đầu con AND như vậy đầu ra của con AND sẽ bằng 0 (không có tín hiệu), mạch đếm sẽ dừng đếm Lúc này mạch đếm sẽ đếm được tần số của xung x Hz

1.4 Các mạch chức năng cần dùng trong bài

1.4.1 Mã hóa và mạch giải mã.

1.4.1.1 Mã hóa

Mã hóa và giải mã không có gì xa lạ và là tất yếu trong đời sống chúng ta Nóđược dùng để dễ nhớ, dễ đặt, dễ làm… là quy ước chung cũng có thể phổ biếncũng có thể bí mật Chẳng hạn dùng chữ để đặt tên cho 1 con đường, cho 1 conngười, dùng số trong mã số sinh viên, trong thi đấu thể thao, quy ước đèn xanh,

đỏ, vàng tương ứng là cho phép đi đứng, dừng trong giao thông, rồi viết bức thư

sử dụng chữ viết tắt, kí hiệu riêng để giữ bí mật hay phức tạp hơn là phải mãhoá các thông tin dùng trong tình báo, …

Trong các hệ thống số kể cả viễn thông, máy tính, các đường điều khiểntuỳ chọn hay dữ liệu được truyền đi hay xử lí đều phải ở dạng số hệ 2 chỉ gồm 1

và 0, có nhiều đường tín hiệu chỉ có 1 bit như đường điều khiển mở nguồn chomạch ở mức 1, rồi có nhiều đường địa chỉ nhiều bit chẳng hạn 110100 để CPUxác định địa chỉ trong bộ nhớ, rồi dữ liệu dạng hex gửi xuống máy in cho in ra

kí tự Tất cả các tổ hợp bit đó được gọi là các mã số (code) hay mã Và mạch tạo

ra các mã số gọi là mạch mã hoá (lập mã: encoder)

- Bộ mã hóa nhị phân – thập phân (bộ mã hoa BCD)

Bộ mã hóa nhị-thập phân là mạch điện có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số hệ thập phân thành mã hệ nhị phân Dạng mã này còn được gọi là mã BCD

-Bảng chân lí bộ mã hóa BCD:

1.4.1.2 Mạch giải mã

Mạch giải mã là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá tức là nếu có 1

mã số áp vào ngõ vào thì tương ứng sẽ có 1 ngõ ra được tác động, mã ngõ vào thường ít hơn mã ngõ ra Tất nhiên ngõ vào cho phép phải được bật lên cho chức năng giải mã Mạch giải mã được ứng dụng chính trong ghép kênh dữ liệu,hiển thị led 7 đoạn, giải mã địa chỉ bộ nhớ

Giải mã BCD sang led 7 đoạn

Một dạng mạch giải mã khác rất hay sử dụng trong hiển thị led 7 đoạn đó là mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch này phức tạp hơn nhiều so với mạch giải mã BCD sang thập phân đã nói ở phần trước bởi vì mạch khi này phải cho

ra tổ hợp có nhiều ngõ ra lên cao xuống thấp hơn (tuỳ loại đèn led anode chung hay cathode chung) để làm các đoạn led cần thiết sáng tạo nên các số hay kí tự

Trước hết hãy xem qua cấu trúc và loại đèn led 7 đoạn của một số đèn được cấu tạo bởi 7 đoạn led có chung anode (AC) hay cathode (KC); được sắp xếp hình

số 8 vuông (như hình trên) ngoài ra còn có 1 led con được đặt làm dấu phẩy thập phân cho số hiện thị; nó được điều khiển riêng biệt không qua mạch giải

mã Các chân ra của led được sắp xếp thành 2 hàng chân ở giữa mỗi hàng chân

là A chung hay K chung Thứ tự sắp xếp cho 2 loại như trình bày ở dưới đây:

Hình 2.3 Cấu trúc và chân ra của 1 dạng led 7 đoạn

Để đèn led hiển thị 1 số nào thì các thanh led tương ứng phải sáng lên, do đó,các thanh led đều phải được phân cực bởi các điện trở khoảng 180 đến 390 ohmvới nguồn cấp chuẩn thường là 5V IC giải mã sẽ có nhiệm vụ nối các chân a, b,

…g của led xuống mass hay lên nguồn (tuỳ A chung hay K chung)

1.4.2 Mạch dãy

Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ được tạo bởi các mạch lật và các mạch logic cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biến vào mà còn phụ thuộc vào cả trạng thái hiện tại của mạch

Thanh ghi và thanh ghi dịch

Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lưu giữ dưc liệu hoặc biến đổi

dữ liệu số từ nối tiếp sang song song và ngược lại Mỗi mạch lật chỉ lưu giữ được 1 bit, vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải tạo từ bấy nhiêu mạch lật

Thanh ghi nhận dữ liệu song song

động tạo xung dòng, xung mành trong Tivi, tạo sóng hình sin cho IC Vi xử lý hoạt động v v

Mạch dao động hình Sin

Mạch dao động đa hài

Mạch dao động nghẹt

Mạch dao động dùng IC

1.4.5 Mạch khuếch đại vi sai đo lường.

Khuếch đại vi sai là bộ khuếch đại hiệu 2 điện áp vào Hiện nay, thường sửdụng khuếch đại thuật toán với sơ đồ đảo và không đảo để xây dựng mạch vàdùng phản hồi âm để ổn định hệ số khuếch đại

Có 2 loại mạch khuếch đại vi sai cơ bản là:

• Mạch khuếch đại vi sai đơn giản

• Mạch khuếch đại vi sai cải tiến

1.4.6 Mạch so sánh tương tự

Mạch so sánh tương tự có nhiệm vụ so sánh 1 điện áp vào (U1) với mộtđiện áp chuẩn (Uch) Trong mạch so sánh tín hiệu ra(Uo)chỉ có hai mức,mức điện áp cao(mức H-tương ứng mức logic 1 của số 1 hệ nhị phân) vàmức điện áp thấp(mức L-tương ứng mức logic 0,số 0 hệ nhị phân)

Chương 2: Thiết kế mạch đo tần số

2.2. Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế

- IC NE 555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian

Bộ đếm 4chỉ sốBCD

Sơ đồ khối 555 :

• 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 Trạngthái 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 => 0.75 V)

• 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 chịuđiều 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

2.4.2 IC 4017

IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân

- Sơ đồ chân:

Hoạt động:

- Chân 14(CLK) nhận xung

- Chân (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 10, 9) (Q0-Q9) đưa dữ liệu ra ngoài, mỗi lần kích một xung vào, một chân sé được đưa lên mức cao một cách tuần tự, các chân còn lại ở mức thấp

- Chân 13(E): Tích cực mức thấp

- Chân 15(MR): Chân reset, mỗi khi kích lên mức cao, IC được reset

- Chân 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.

Sơ đồ xung ra ở các chân:

Mạch dùng IC 4017 tạo ra bộ đếm:

2.4.3 IC đếm BCD 74ls190

Là IC tích hợ bộ đếm thập phân đồng bộ, đầu ra song song Nó có chức năngđếm thuận hoặc nghịch.Đặc biệt có thể đặt trước giá trị đếm với chân điều khiển giá nạp giá trị

Chức 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:

Giản đồ xung của 74ls190:

2.4.4 IC 74LS47

• Đây là IC khá đơn giản dùng để chuyển tín hiệu từ số nhị phân ở ngõ vào sang led 7 đoạn.

• Mạch giải là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá Mục đích sửdụng phổ biến nhất của mạch giải mã là làm sáng tỏ các đèn để hiển thị kết quả ở dạng chữ số Do có nhiều loại đèn hiển thị và có nhiều loại mã

số khác nhau nên có nhiều mạch giải mã khác nhau

• IC74LS47 là loại IC giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn là mạch giải mã phức tạp vì mạch phải cho nhiều ngõ ra lên cao hoặc xuống thấp (tuỳ vào loại đèn led là anode chung hay catod

chung) để làm các đèn cần thiết sáng nên các số hoặc ký tự IC 74LS47 làloại IC tác động ở mức thấp có ngõ ra cực thu để hở và khả năng nhận dòng đủ cao để thúc trực tiếp các đèn led 7 đoạn loại anod chung IC

7447 hoạt động ở mức thấp

• Do đó ta có bảng chân lý

• Để IC hoạt động ta kết nối chân 16(Vcc) với nguồn 5V, chân 8 nối với mas.Ngõ vào có 4 chân là 7,1,2,6 tương ứng với A,B,C,D

Tên chân Chức năng

2.4.5 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

Với yêu cầu đề tài ta chọn led Anode chung.

2.4.6 Khối tín hiệu cho phép đếm và dừng đếm

Khối tín hiệu được sử dụng băng cổng AND 7408 khi mạch ở chế độ hoạt đông đầu ra của cổng là mức thấp 0 và khi đạt mức cao thì mạch sẽ dừng

2.4.7 Cổng NOT (inverter - bộ đảo)

Ngõ ra Q ở mức cao khi ngõ vào A là đảo (Not) của mức cao, ngõ ra là đảo (ngược lại) của ngõ vào : Q = NOT A Cổng NOT chỉ có thể có một ngõ ra Mộtcổng NOT cũng có thể được gọi là bộ đảo

2.4.8 Cổng AND

Ngõ ra Q ở mức cao nếu ngõ vào A "AND" ngõ vào B đều ở mức cao (giống như nhân A với B): Q= A AND B Một cổng AND có thể có hai hoặc nhiều ngõ vào Ngõ ra của nó ở mức cao nếu tất cả các ngõ vào ở mức cao

2.4.9 Khối tín hiệu cần đo.

Nguồn tín hiệu cần đo tín hiệu xung vuông hoặc xoay chiều

Tại bài: Ta chọn tín hiệu vuông tần số 1234Hz

2.6 Thuyết minh nguyên lý hoạt động của mạch.

- Khi ta ấn nút START/STOP mạch hoạt động IC 555 cấp xung cho bộ đếm thờigian và nguồn tín hiệu cần đo cấp xung cho bộ đếm xung hoat động Khi mạch đếm chưa hết tần số thì đầu ra của cổng AND1 vẫn ở mức cao mạch hoạt động khi đạt hết quá trình đếm xung thì đầu ra của AND1 đạt mức thấp, đồng thời đầu ra của AND2 cũng ở mức thấp hệ thống ngừng đếm Và đó chính là kết quả

đo tần số của nguồn tín hiệu cần đo

- Khi ta muốn đo lại ta ấn nút RESET mạch sẽ về trạng thái 0 Muốn tiếp tục đo

ta ấn RESET lần 2

- Khi muốn dùng mạch ta ấn nút START/STOP mạch sẽ dừng lại cả khối đếm xung và đếm thời gian đều dừng lại

2.7. Xây dựng mạch mô phỏng trên phần mêm proteus và chạy thử.

A Mạch khi chưa ấn nút start.

B Mạch khi sau khi đã ấn nút start.

Thiết kế mạch đơn giản, dễ hiểu, độ chính xác tương đối cao.

Trong quá trình thiết kế chúng em đã được tiếp cận với nhiều linh kiện và hiểu được sơ đồ chân và nguyên lý hoạt động của chúng giúp ích rất lớn cho kiến thức sau này Hiểu được sự logic, tính kết hợp của các vi mạch với nhau

3.2. Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo

Trong quá trình đo có thể xảy ra sai số.

- Nguyên nhân sai số chủ yếu là nguồn phát xung 1Hz tạo bởi IC 555 Khi ta tính toán các giá trị R1, R2 đã là tròn nên không thể đáp ứng được sự chính xác tuyệt đối Bên cạnh đó còn do sự nhiễu xung khi ta cấp đồng thời xung 1 Hz và xung x Hz vào 1 con AND

3.3. Các hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục

A Hạn chế

• Mạch sử dụng các linh kiện khá đơn giản nên thiết kế trở nên phức tạp và cồng kềnh, gây lãng phí về tài chính đồng thời chưa đảm bảo được tính linh động và tính chính xác tuyệt đối

Một số chức năng của các vi mạch chưa được sử dụng một cách triệt để

B Phương hướng khắc phục :

Sử dụng những linh kiện hợp lý và cao cấp hơn như: bảng LED gồm 4 led 7 thanh tích hợp giải mã, khi đó mạch sẽ trở nên đơn giản hơn rất nhiều, Đồng thời tính toán lại các giá trị điện trở của mạch phát xung và lấy giá trị một cách chính xác nhất

3.4. Kết luận chung