Thiết kế mạch điện tạo xung vuông và xung tam giác

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬBỘ MÔN ĐIỆN TỬ ---o0o---ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM MẠCH TẠO XUNG VUÔNG VÀ TAM GIÁC GVHD: abc TP... Mạch tạo xung cũng là mạch điện cơ bản thuờng đuợc giao ch

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

-o0o -ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM

MẠCH TẠO XUNG VUÔNG VÀ TAM GIÁC

GVHD: abc

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 03 NĂM 2019

LỜI NÓI ĐẦU

Mạch tạo xung là một mạch điện tử cơ bản và quan trọng trong kĩ thuật điện tử cũng nhutrong sản xuất công nghiệp, là một mạch điên không thể thiếu trong sản xuất máy thu hình,đài FM

Mạch tạo xung cũng là mạch điện cơ bản thuờng đuợc giao cho sinh viên thiết kế, trong cácmôn thực hành cũng nhu đồ án ở các truờng đại học, Cao đẳng giúp sinh viên lắm đuợc nhữngbuớc cơ bản trong thiết kế một mạch điện tử thực tê và qua đó cũng lãm cho sinh viên hiểu rõhơn nguyên lý hoạt động của các mạch điện tử nói chung mạch tạo xung nói riêng

Sau đây là bài báo cáo môn học thiết kế mạch tuơng tự của nhóm sinh viên chúng em: Thiết

kế mạch điện tạo xung vuông và xung tam giác

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy khoa Điện tử - Viễn thông, VIỆN ĐẠI HỌC MỞ

HÀ NỘI đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành môn học Trong quá trình thiết kế và trìnhbầy chúng em không tránh khỏi những khó khăn, sai sót vì vậy mong các thầy chỉ bảo, giúp

đỡ chúng em để chúng em có kết quả tốt hơn trong môn học

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 .

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này trình bày về …

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH DAO ĐỘNG TẠO XUNG VUÔNG VÀ XUNG TAM GIÁC SỬ DỤNG IC 555

1.1 Mạch dao động

Mạch dao động là mạch sử dụng các linh kiện để phát ra tín hiệu xung dao động cụthể để điều khiển các thiết bị Có nhiều dạng tín hiệu xung đuợc phát ra từ mạch dao động,nhu xung sine, xung vuông, xung tam giác

1.2 Mạch tạo xung vuông và xung tam giác

Có nhiều cách để tạo ra xung vuông và xung tam giác: nhu thiết kế mạch dùngtransistor, thiết kế mạch dùng Opamp để tạo ra xung vuông Thiết kế mạch tích phân để tạo

ra xung tam giác

Ở đây chúng ta chọn thiết kế mạch dao động tạo xung vuông và xung tam giác dùngICNE555

Theo như sơ đồ khối sau đây:

Hình 1–1 Sơ đồ khối mạch tạo xung vuông

Dựa vào sơ đô khối ta có thê nhận ra rằng để tạo đuợc xung vuông ta chỉ cần IC 555

và một số linh kiện phổ biến như R, C

Chú ý: ở đây ta tạo đồng thời xung tam giác lấy ra ở chân số 6

1.3 Lý do chọn mạch tạo xung vuông sử dụng IC NE555 N

 Chân số l (GND): cho nối masse để lấy dòng cấp cho IC

 Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và đượcdùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp Mạch so áp dùng cáctransistor PNP Mức áp chuẩn là

 Chân số 3(OUTPUT): ngõ ra, trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo mức volt cao(gần bằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân 1)

 Chân số 4 (RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối massethì ngõ ra ở mức thấp, còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ratùy theo mức áp trên chân 2 và 6

 Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong

IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối masse Tuynhiên trong hầu hết các mạch ứng dụng chân số 5 nối masse qua 1 tụ từ 0.01

µF  0.1 µF, các tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu, giữ cho mức áp chuẩn ổn định

 Chân số 6 (THRESHOLD): ngõ vào của một tầng so áp khác, mạch so sánhdùng các transistor NPN mức chuẩn là

 Chân số 7 (DISCHAGER): có thể xem như một khóa điện cho 1 mạch R-C lúc

IC 555 dùng như 1 tầng dao động

 Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC Nguồn nuôi cấp cho

IC 555 trong khoảng +5V  +15V và mức tối đa là +18 V

Cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động của IC 555:

và Flip-flop đuợc kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 Vcc, chân R của Flipflop = [1] và Flip flop đuợc reset

Bảng chức năng các chân của IC 555

Bảng các đặc tính khuyên dùng của IC 555

b Giải thích sự hoạt động:

Hình 1–4 Hoạt động của IC 555

Ký hiệu 0 là mức thấp (L) bằng 0V, 1 là mức cao (H) gần bằng Vcc Mạch FF làloại RS Flip flop

Khi S = [1] thì Q = [1] và = [0]

Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = [0]

Khi R = [1] thì Q = [1] và = [0]

Tóm lại: khi S = [1] thì Q = [1] và khi R =[1] thì Q = [0], transistor mở dẫn, cực Cnối đất, cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vuợt quá V2,

do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, Flip flop không reset

Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra + Rb)C

- = 1  transistor dẫn điện áp trên chân 7 xuống 0V

- Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C

- Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuốngduới

- Trong quá trình hoạt động bình thường của IC 555, điện áp trên tụ C chỉ daođộng quanh điện áp 

- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là , và kết thúc nạp ở thời điểmđiện áp trên C bằng , với thời hằng là (Ra+Rb)C

- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là , và kết thúc xả ở thời điểm điện

áp trên C bằng , với thời hằng là Rb.C

- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện

Đồ thị điện áp và dòng điện ngõ ra

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính các giá trị trong mạch:

- Để tính chu kì dao động T của 1 mạch dao động tạo xung ta cần phải tính đượcthời gian ngưng dẫn của tụ khi nạp và xả

- Ta có sơ đồ mạch đơn giản để tính thời gian ngưng dẫn khi tụ nạp xả

Hình 1–5 Mạch tương đương đơn giản

Từ mạch tương đương suy ra:

Xác định t để vB = 0.7V:

Thường Vcc >> 0.7, nên: t ≈ = 0,693 ≈ 0,7

 Tính thời gian ngưng dẫn của T2, chính là thời gian T1 bắt đầu dẫn đến khi T1

ngưng dẫn Tương tự, thời gian ngưng dẫn của T2 là: t ≈ = 0,693 ≈ 0,7 Vậy chu kỳ dao động của mạch được tính:

Giả sử RB1 = RB2 = R; C1 = C2 = C thì chu kỳ dao động của mạch trở thành:

Và tần số dao động:

Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian ngưng dẫncủa transistor là:

Thời gian ngưng dẫn ở mức áp cao cũng là lúc tụ C2 nạp dòng qua R1 + R2:

Thời gian ngưng dẫn ở mức áp thấp cũng là lúc tụ C2 xả dòng qua R2:

Như vậy chu kỳ của tín hiệu sẽ là: T = Tn +Tx

2 THIẾT KẾ MẠCH THỰC TẾ

Trong bài toán yêu cầu tạo xung có tần số biến đổi từ 500 Hz đến l kHz, như vậy ta

có 3 phương án thực hiện:

+ Điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi điện trở R1, R2.

+ Điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi tụ điện C2

+ Điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi đồng thời tụ điện và điện trở

 Để đơn giản, chúng ta điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi điện trở R1, R2 (dùngbiến trở)

Sơ đồ thiết kế mạch:

Ta dùng thêm diode D1 để có thể điều chỉnh xung vuông tại chân OUT(3) là đối xứng, sở dĩdiode này có tác dụng như vậy là vì lúc tụ nạp thì dòng chi qua R1 nhờ diode D1 Khi đó, thờigian nạp là Tn = tl = ln2 R1C2 Và khi tụ xả cũng vậy, nhờ có D1 mà dòng xả chi qua R2 dophân cực nghịch diode và thời gian xả là Tx = t2 = ln2 R2C2 Để thu được Duty cycle =50% tachỉ cần điều chỉnh biến trở R1 = R2 sẽ thu được Tn = Tx

Hình Quá trình nạp và xả cho tụ C2

Lúc này, theo sơ đồ thiết kế, các thông số của mạch được tính là:

Thời gian nạp và xả của tụ:

Muốn xung đối xứng tương ứng với độ rộng xung 50% ta sẽ điều chỉnh R1 = R2

Như vậy mạch được thiết kế như sau:

Hình 2–6 Mạch tạo dao động xung vuông dung IC 555

Ngõ ra : - Xung vuông ở chân số 3 và xung tam giác ở chân số 6 của IC 555

- Tần số và độ rộng có thể thay đổi nhờ vào thay đổi điện trở ( ở đây ta khảo sátvới độ rộng xung 50% và tần số 500 Hz và 1kHz

- Led báo điện áp ngõ ra

Mô phỏng hoạt động

Sơ đồ khối chi tiết thiết kế:

Khoảng điều chỉnh điện trở :

Chọn C2 = 10 nF thay vào công thức

Với f theo yêu cầu bài toán là thay đổi từ 500 - 1KHz

Ta được 284 kΩ < (R1 +R2) < 142 kΩ

Khoảng điều chỉnh với tổng 2 điện trở như trên sẽ cho ta thu được 500Hz < f <1kHz

Các linh kiện khác trong mạch

R3 chỉ là tải giả mắc vào chân 3 của IC 555, để mô phỏng chọn khoảng vài kΩ

Khi lấy xung răng cưa trên chân 2, 6 để làm tín hiệu thử mạch, Bạn phải chú ý đến ảnhhưởng của mạch ngoài lên mạch định tần với R1, R2 và các tụ C1, C2, nội trở của mạch ngoài sẽlàm thay đổi tần số của tín hiệu, Ta sẽ dùng thêm tầng khuếch đại đệm để cách ly trở kháng củamạch thử với mạch định tần của ic 555

R5 cũng là điện trở đệm ngõ ra của IC 555 với ngõ vào của C1585 là trán đệm(buffer) ngõ ra, thường lắp theo kiểu cực thu chung (CC), đặc điểm của cách lắp này cho ta

ta ghép các tầng phía sau C1815 sẽ không ảnh hưởng đến các tham số của mạch ta chọnkhoảng vài trăm kΩ.

Ở đây ta chọn điện trở R1 = R2 =142kΩ để thu được tần số xung vuông ngõ ra là500Hz và Duty cycle 50%

Chạy mô phỏng và kiểm tra kết quả so với tính toán

Sử dụng công cụ OSCILLOSCOPE để xem kết quả mô phỏng:

Hình Chọn công cụ OSCILLOSCOPE trong proteus

Chạy mô phỏng :

Hình Kết quả mô phỏng

Dùng Cursors để kiểm tra lại độ rộng xung, ứng với thông số mạch, ta có Tn =Tx = 1ms

Thông số Tn và Tx đo được

Ta thu được trên phần mềm với Tn = 1.05 ms và Tx = 1ms

Duty cycle = 51.22%

Biên độ điện áp là 14.75V

Kiểm tra tần số với công cụ COUNTER TIMER

Tần số dao động thu được khi mô phỏng là 492Hz

Sai số so với tính toán lí thuyết :

Tương tự với tần số 1kHz Ta điều chỉnh điện trở R1 =R2 = 71kΩ

Thu được kết quả:

Sơ đồ layout PCB để thực hiện mạch in:

3 KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Trong phần này, sinh viên mô tả:

 Trình bày cách thức đo đạc, thử nghiệm

o Ghi rõ các thiết bị sử dụng và sơ đồ kết nối trong việc thử nghiệm

o Ghi rõ các phần mềm sử dụng trong việc viết và thực thi chương trình

o Ghi rõ cách bước tiến hành thử nghiệm (phần cứng và phần mềm)

 Trình bày số liệu đo đạc

o Thực hiện thu thập số liệu trong nhiều trường hợp

o Ghi rõ số liệu đo đạc thu được dưới hình thức bảng biểu, đồ thị …

 Giải thích và phân tích về kết quả thu được

o Cần giải thích rõ ràng số liệu thu được trên các bảng biểu, đồ thị, dạng sóng …

o Phân tích các số liệu để biết kết quả đã thực hiện là phù hợp, đạt yêu cầuNếu những bảng số liệu và kết quả mô phỏng quá nhiều, sinh viên có thể trình bày đưa vàophần Phụ Lục

Ví dụ về hình minh họa: (dùng chức năng Insert Caption để tạo liên kết cho Danh sách hình

minh họa)

Hình 5–7 Kết quả thi công

Hình 5–8 Kết quả mô phỏng

Ví dụ về Bảng số liệu

Bảng 1 Thông số hệ thống

4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

4.1 Kết luận

Sinh viên tóm tắt những điều rút ra được từ kết quả đề tài, những kinh nghiệm có

được sau khi thực hiện đề tài Ưu và khuyết điểm của kết quả nghiên cứu đề tài cũng được

trình bày trong mục này Sinh viên cần so sánh với mục tiêu đặt ra trong chương 1

4.2 Hướng phát triển

Sinh viên trình bày hướng phát triển và khả năng ứng dụng của đề tài

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trong mục này, sinh viên liệt kê những tài liệu đã tham khảo khi thực hiện đề tài luậnvăn Những nội dung trình bày ở mục trên có tham khảo tài liệu thì sinh viên cần ghi chúbằng chỉ số (ví dụ [1], [2]) Chỉ số này cần tương ứng danh mục tài liệu tham khảo Sinh viênxem thêm hướng dẫn cách viết trích dẫn kiểu IEEE

[1] Tống Văn On, “Thiết kế mạch số với VHDL & Verilog”, Nhà xuất bản Lao động Xã Hội,2007.

[2] Altera Corp., “SDRAM Controller for Altera’s DE2/ DE1 boards”, www.altera.com

6 PHỤ LỤC

Trong phần này, sinh viên có thể trình bày:

 Những kết quả nghiên cứu bổ sung mà trong phần Kết quả luận văn chưa trình bàyhết

 Phần mã nguồn chương trình, sinh viên cũng có thể trình bày trong mục này Để ngắngọn, sinh viên chỉ đưa những mã nguồn chính vào phần Phụ lục

 Sơ đồ toàn mạch chi tiết