Bài tập lớn môn học vi mạch số và vi mạch tương tự của trường đại học công nghiệpthiết kế mạch đo tốc độ sử dụng encoder (100 xungvòng),hiển thị tốc độ đo được trên led 7 thanhChương 1: tìm hiểu chung về mạch dãy mạch tổ hợp, mạch dao động2.2, bộ giải mã nhị thập phân (bộ giải mã BCD)chương 2: thiết kế sơ đồ mạch chương 3,Xây dựng mạch mô phỏng.
Trang 1z
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI MẠCH TƯƠNG TỰ
&
VI MẠCH SỐ
Nhóm 7
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER
Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện : MSSV :
Hà nội, Dec 2012
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
Trang 2NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Giáo viên hướng dẫn
Trang 3Mục Lục
Lời mở đầu 6
Chương 1: tìm hiểu chung về mạch dãy mạch tổ hợp, mạch dao động
I,Mạch tổ hợp
1, khái quát
1.1 các phương pháp tối thiểu hóa hàm logic
1.2 tổng hợp hàm logic ràng buộc
2, bộ mã hóa và bộ giải mã
2.1, bộ mã hóa nhị - thập phân (bộ mã hóa BCD)
2.2, bộ giải mã nhị thập phân (bộ giải mã BCD)
II,Mạch dãy
1, khái niệm mạch dãy
2 bộ đếm
III, mạch dao động
1 khái niệm
2, điều kiện dao động
3, kết luận
chương 2: thiết kế sơ đồ mạch
I Sơ đồ khối
II Hoạt động của từng khối
1 Khối tạo xung:
1.1 Khối tạo xung mở cổng
1.2, Khối reset
1.3 Động cơ và encoder
1.4 Khối cổng
2 Khối đếm ( IC 74L90)
3 Khối giải mã (IC 74LS47)
4 Khối hiển thị
II Sơ đồ nguyên lí
1 Sơ dồ nguyên lí
2 Nguyên lí làm việc
3 Chọn linh kiện và tính toán thông số
chương 3,Xây dựng mạch mô phỏng.
I Mạch Proteus
Kết Luận.
Trang 4LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại ngày nay, việc tự động hoá trong quá trình sản xuất và ứng dụng mang một ý nghĩa hết sức to lớn, có thể nói ngành tự động hoá là ngành đánh giá sự phát triển công nghiệp của thế giới nói chung và một quốc gia nói riêng Sự tự động hoá trong sản xuất làm tăng năng suất, giảm giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm và tiếp cận thâu tóm thị trường Những chỉ số đó là những mục tiêu mà các doanh nghiệp luôn muốn hướng đến và cải thiện
Vì tầm quan trọng quá to lớn như vậy nên là sinh viên chuyên ngành tự động hoá chúng tôi càng phải trau dồi kiến thức cho mình để có nền tảng phát huy tính sáng tạo, sau này phát triển đất nước
Động cơ là một thiết bị phổ biến, được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực, chính vì thế việc đo tốc độ động cơ là vô cùng quan trọng để tính toán sử dụng động cơ Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu, tham khảo tôi đã hoàn thành đề tài ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER trên cơ sở lý thuyết
Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy ………… đã giảng dạy tôi kiến thức
bổ ích về bộ môn “Vi mạch tương tự và vi mạch số” Tuy vậy, do lượng kiến thức và thời gian có hạn nên đề tài của tôi còn nhiều thiếu sót, kính mong thầy
cô giúp đỡ thêm
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện đồ án
Trang 5CHƯƠNG I TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH TỔ HỢP, MẠCH DÃY
VÀ MẠCH DAO ĐỘNG
I – Mạch tổ hợp
1 Khái quát
Mạch logic tổ hợp là mạch logic ở đó giá trí logic của các tín hiệu ra không phụ thuộc vào trạng thái cũ của mạch, mà hoàn toàn xác định bởi giá trị logic của các cửa vào của mạch ở thời điểm đó
Khi tổng hợp mạch logic tổ hợp ta cần tuân thủ các bước dưới đây:
B1: Lập bảng chức năng logic của mạch Đó là bảng chân lí hay bảng trạng thái,
là bảng giá trị các biến ra tương ứng với tổng tổ hợp của các biến vào
B2: Từ bảng trạng thái xác định biểu thức hàm logic hoặc bảng Các nô
B3: Tiến hành tối thiểu hoá hàm logic và đưa về dạng thuận lợi để triển khai hàm thông qua các mạch logic cơ bản
1.1 Các phương pháp tối thiểu hóa hàm logic
- Tối thiểu hoá hàm logic bằng cách sử dụng các định luật cơ bản của đại số logic
- Tối thiểu hoá hàm logic bằng biểu đồ Các nô
1.2 Tổng hợp hàm logic ràng buộc
Khái niệm về hàm logic ràng buộc
Hàm số n biến có 2n tổ hợp biến, tương ứng với mỗi tổ hợp biến đó hàm số
có giá trị 1 hoặc 0 Nhưng cũng có những trường hợp với một số tổ hợp biến số hàm số của các biến đó không xác định được giá trị theo một điều kiện nào đó Phần tử ràng buộc hay số hạng ràng buộc là tổ hợp biến tương ứng với trường hợp hàm số không xác định, số hạng ràng buộc luôn bằng 0
Điều kiện ràng buộc là biểu thức logic tạo bởi tổng các phần tử ràng buộc Vậy điều kiện ràng buộc cũng luôn bằng 0
Hàm logic ràng buộc là hàm số logic xác định với điều kiện ràng buộc
Tối thiểu hoá hàm logic ràng buộc có 2 cách: tối thiểu hoá bằng công thức hoặc bằng bảng các nô
2 Bộ mã hóa và bộ giải mã
2.1 Bộ mã hóa nhị - thập phân ( bộ mã hóa BCD )
Bộ mã hóa nhị thập phân là bộ mã hóa có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số thập phân thành mã hệ nhị phân Dạng mã này cũng được gọi là mã BCD (Binary Code Decimal )
Mã thập phân Mã nhị phânBộ mãhóa
(BCD)
Trang 6Bảng chân lý bộ mã hóa BCD theo mã 8421 (sgk t121)
Sơ đồ nguyờn lý bộ mã hóa nhị thập phân (sgk t121)
2.2 Bộ giải mã nhị -thập phân ( bộ giải mã BCD)
Bộ giải mã BCD có 4 cửa vào là 4 bit nhị phân, ký hiệu chúng theo trọng
số giảm dần là D,C,B,A Có các cửa ra là 10 số hệ thập phân ( số 0 đến số 9), kớ hiệu chúng là y0, y1, y2, y3, y4, y5, y6, y7, y8, y9 Ứng với mỗi tổ hợp biến vào chỉ có 1 biến ra xuất hiện Quy định mức thấp ( mức 0) là mức tích cực của biến ra
Bảng chân lý bộ giải mã BCD theo mã 8421 (sgk t.122 )
Sơ đồ nguyên lý bộ giải mã BCD (sgk t.124)
II – Mạch dây
1 Khái niện mạch dây
- Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ được tạo bởi các mạch lật, các mạch cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biến vào mà còn phụ thuộc cả vào trạng thái hiện tại của mạch
- Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lưu giữ dữ liệu hoặc biến đổi dữ liệu số từ nối tiếp sang song song và ngược lại Mỗi mạch lật chỉ lưu giữ được một bit Vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải được tạo tử bấy nhiêu mạch lật
Thanh ghi nhận dữ liệu song song
(sgk t 131)
Thanh ghi nhận dữ liệu song song dài 4 bit có 4 mạch lật kiểu D kí hiệu theo thứ tự F0-F3 4 bit dữ liệu đến ngõ vào D của 4 mạch lật D0-D3 Q0-Q3 là ngõ ra của 4 mạch lật cũng là ngõ ra của thanh ghi
Q3Q2Q1Q0 = D3D2D1D0
Bộ ghi dịch
(Hỡnh sgk t 132)
2 Bộ đếm
Là thiết bị đếm được số xung đến cửa vào, đầu ra của bộ đếm là số lượng dung đếm được Bộ đếm rất đa dạng , ở đây ta xét 2 loại là bộ đếm nhị phân đồng bộ và bộ đếm thập phân đồng bộ
- Bộ đếm nhị phân đồng bộ
Số xung đếm được là N= 2^n
( hỡnh 7.34 t.132)
Trang 7Gồm 4 mạch lật kiểu Jk kí hiệu từ F0-F3, sử dụng 4 mạch NAND tạo mạch logic tổ hợp điều khiển Xung đồng bộ đồng thời cấp đến cả 4 mạch lật Cửa vào J, K mạch lật thứ nhất (F0) đều có mức “1” Q0-Q3 là các ngõ ra của 4 mạch lật cũng là ngõ ra dữ liệu của bộ đếm
Giản đồ thời gian (7.35 t 133)
- Bộ đếm thập phân đồng bộ
Bộ đếm thập phân đồng bộ là bộ đếm 4 bit chỉ đếm 10 xung CP Nội dung bộ đếm là mã nhị phân của 10 chữ số thập phân 0-9, gọi là mã BCD Vậy mạch tạo bởi 4 mạch lật và các mạch cổng logic Một trong số các bộ đếm thập phân đồng
bộ theo mã BCD 8421 có sơ đồ như hình (7.36 t133)
Mạch có 4 mạch lật kiểu JK đc kí hiệu từ F0-F3 và sử dụng 5 mạch AND xung đồng thời cấp cả đển 4 mạch lật Cửa vào J, K của mạch lật thứ nhất (mạch F0) đều có mức “1” Q0-Q3 là các ngõ ra của 4 mạch lật cũng là ngõ dữ liệu của
bộ đếm C là đầu ra nhớ hàng thập phân cao hơn của bộ đếm
Ta thực hiện việc phân tớch bộ đếm theo các bước dưới đây
B1: Xác định cỏc loại phương trình ( phương trình định thời, phương trình đầu
ra, phương trình kích)
B2: Xác định phương trình trạng thái
B3: Xây dựng bảng tính toán
B4: Lập bảng trạng thái, vẽ sơ đồ hình trạng thái
Đồ thị dạng súng của bộ đếm thuận thập phân đồng bộ với mã BCD 8421 ( hỡnh 7.38 t.136)
III – Mạch dao động.
1 Khái niệm:
Mạch dao động là mạch điện tử tạo ra tín hiệu đổi theo chu kỳ Dựa vào dạng tín hiệu do mạch dao động tạo ra, người ta chia mạch dao động ra làm: mạch dao động hình sin (dao động điều hoà) và mạch dao động tạo xung Mạch dao động tạo được tín hiệu có tần số từ vài Hz đến hàng nghìn MHz
Các mạch dao động sử dụng các phần tử tích cực là: tranzitor ( loại lưỡng cực hoặc FET), điốt-tuynen, mạch tích hợp KĐTT hoặc các mạch tích hợp với các chức năng khác
Các tham số cơ bản của mạch dao động gồm: tần số tín hiệu ra, công suất ra
và hiệu suất của mạch
Ta thường gặp các nguyên tắc dao động như: tạo dao động bằng hồi tiếp dương và tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch
2 Điều kiện dao động:
Trang 8Ta xét sơ đồ khối mạch dao động mô tả như trên hình 1.1 Trong đó, ta kí hiệu và gọi X’
I – tín hiệu vào dạng phức, X’
O – tín hiệu ra dạng phức và X’
F – tín hiệu phản hồi dạng phức
X’
I a
X’F a’ X’ O
2
Hình 1.1: Mô tả cách xác định điều kiện dao động Khối 1: khối khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức:
K’ = Kejỏ
K Với K là môđun hàm truyền đạt khối khuếch đại và ỏK là góc pha đầu hàm truyền đạt khối khuếch đại Khối 2 là khối hồi tiếp khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức:
K’ = KFejỏ
F
Với KF là mô đun hàm truyền đạt khối phản hồi và ỏF là góc pha đầu hàm truyền đạt khối phản hồi
Giả định có tín hiệu vào dạng phức là X’
I, tích các hệ số khuếch đại vòng K’K’
F =1, thì tín hiệu phản hồi và tín hiệu vào bằng nhau cả về biên độ góc pha, nghĩa là: X’
F = X’
I Khi đó 2 điểm a và a’ có thể nối được với nhau mà tín hiệu ra
X’
O không thay đổi Vậy mạch tạo dao động được tín hiệu ra mà không cần có kích thích cửa vào Ta suy ra điều kiện để duy trì dao động là tích các hệ số khuếch đại dạng phức vòng kín bằng 1
Hay có thể viết:
K’K’
F =KKFej(ỏ
K + ỏ
F) (1.1)
Có thể tách điều kiện (1.1) ra làm 2 biểu thức:
- Điều kiện cân bằng biên độ: KKF = 1
- Điều kiện cân bằng các góc pha: ỏ
K + ỏ
F = 2ðn với 0,+1,-1,…
3 Kết luận:
Mạch dao động là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng phản hồi dương ra quay lại đầu vào Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn một chiều được cung cấp Mạch phải bảo đảm cân bằng biên độ và cân bằng pha Mạch dao động chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng một chiều thành xoay chiều Mạch dao động chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để bảo đảm cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH
I – Sơ đồ khối:
1
Trang 9Khối tạo xung Khối đếm Khối giải m ã Khối hiển thị
- Nhiệm vụ các khối:
+ Khối tạo xung: là 1 IC 555 để tạo xung vuông với tần số phù hợp
+ Khối đếm: Gồm các IC7490 được ghép nối với nhau để tạo thành các hệ đếm phự hợp
+ Khối giải mã: Gồm các IC7447 để giải mã BCD để đưa ra khối hiển thị
+ Khối hiển thị: Hiển thị tín hiệu sau giải mã qua LED 7 đoạn
Ngoài ra cú 2 nút ấn:
+ Nút bấm : gồm 1 nút ấn, để khi ấn cấp xung từ IC 555 cho IC 74LS90
+ Nút Reset : cho toàn bộ hệ thống về thời điểm ban đầu
II - Hoạt động từng khối:
Khối tạo xung dựng
IC555
Mạch đếm hàng đơn
vị dựng IC74LS90
Mạch giải
mó BCD dựng IC74LS47
Hiển thị hàng đơn
vị qua led
7 thanh
Mạch đếm hàng chục dựng IC74LS90
Mạch giải
mó BCD dựng IC74LS47
Hiển thị hàng chục qua led 7 thanh
Mạch đếm hàng trăm dựng IC74LS90
Mạch giải
mó BCD dựng IC74LS47
Hiển thị hàng trăm qua led 7 thanh
Khối
mở cổng
và reset
Khối cổng
Động cơ
và
encoder
Mạch đếm hàng nghỡn dựng IC74LS90
Mạch giải
mó BCD dựng IC74LS47
Hiển thị hàng nghỡn qua led 7 thanh
Trang 101 Khối tạo xung
1.1 Khối tạo xung mở cổng:
Khối xung tạo mở cổng
Khối tạo xung mở cổng gồm 1 mạch tạo xung dựng IC 555, một IC chia tần số 4017, các hàm logic AND, NOT và một số linh kiện phụ khác
1.2 Khối reset:
Nhiệm vụ của khối reset là reset lại bộ đếm để hiển thị về 0 và cho reset
để cấp xung lại cho 4017
Chúng ta cần nút bấm cấp nguồn 1 1 đầu được nốt với nguồn +5v, đầu còn lại nối chia làm 2 nhánh: 1 nối với các chân reset của các IC đếm và 1 nối với chân số 15 của IC chia tần của IC 4017
1.3 Động cơ và encoder:
Một trong những thành phần không thể thiếu trong mạch đo tốc độ chính là động cơ Với những yêu cầu đo thực tế ta có các loại động cơ khác nhau
Trong thị trường có nhiều loại encoder, nhưng với yêu cầu bài toán ban đầu tôi xin chọn loại encoder có số xung trên vòng là: 100xung/1 vòng, tức là khi động cơ quay được 1 vòng thì ở chân A, B của encoder sẽ cấp ra 100 xung Encoder : 100xung/ vòng
Chọn encoder của hóng omron, seria: ENH -100-2-L-5, 24 ENCODER( ENH)
Loại Incremental
ENH -100-2-L-5, 24
Độ phân giải: 100 xung/ vòng
Pha ra tạo xung bù: A, B
Trang 11Ngõ ra: Line driver
Nguồn cung cấp: 5VDC
1.4 Khối cổng:
Nhiệm vụ: chỉ cho tín hiệu đi qua trong một đơn vị thời gian nào đó, tín hiệu mở cổng được lấy từ khối xung mở cổng
Chọn linh kiện: AND, Not
Khối cổng
Khi tín hiệu ở 2 chân của hàm AND ở mức 1 sẽ cho tín hiệu đi qua vào bộ đếm
2 Khối đếm ( IC 74L90)
IC74LS47 là loại IC giải có chức năng ngược lại với mạch mã hóa Mục đích
sử dụng 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
4 Khối hiển thị:
Hiển thị dùng led 7 đoạn loại anode chung do đầu ra của IC 7447 có mức tích cực là mức 0 ( mức thấp)
Ở loại anode chung ( anode của đèn được nối lên +5V, đoạn nào sáng ta nối đầu cathode của đoạn đó xuống mức thấp thông qua điện trở để hạn dòng
II – Sơ đồ nguyên lí.
1 Sơ dồ nguyên lí
phút
O 1 encoder
Led 7 thanh
NGUỒN
Nút Đo/reset
Trang 122 Sơ đồ nguyên lí:
Nguyên lí đo tốc độ động cơ:
Nhấn nút “START” để bắt đầu quá trình( không nên đo ngay khi vừa khởi
động mạch vì các phần tử khởi động chưa hoạt động ổn định, kết quả đo không chính xác) Lúc này xung đi ra từ mạch tạo xung sẽ được đi qua IC 4017 tạo thành xung mở cổng đến 1 chân của hàm logic AND Tại đây kết hợp với tín hiệu ra của encoder và cổng AND tín hiệu đi qua vào khối đếm, giải mã và hiển thị trên bộ led 7 thanh chính là tốc độ của động cơ
Muốn thu được kết quả chính xác ta nên đo lại nhiều lần
Khi đo lại, ta nhấn nút “reset” để lặp lại quá trình
Yêu cầu công nghệ: đưa ra được tốc độ với đơn vị là vòng/phút Ở đây, ta sử dụng encoder 100xung/vòng Vì vậy, bản chất của mạch đo tốc độ này là đếm xung encoder trong 1 phút Tốc độ đo được cần hiển thị là số xung encoder đếm được chia cho 100 được kết quả vòng/phút (1 vòng có 100 xung ) Phân tích bài toán ta thấy thời gian đo 1 lần để có được kết quả mất 1 phút, như vậy sẽ rất tốn thời gian, không phù hợp với nhu cầu thực tế Vì vậy, ta đếm xung encoder trong 0.6s, số xung đếm được chính là tốc độ động cơ đơn vị vòng/phút
T= 0,6s
t.on= 2 toff=0.4s
RA=RB=10k
T= 0.69(Ra+ 2Rb )C
Suy ra C = 28.9uF