Thiết kế mạch đo và hiển thị tốc độ

Thiết kế mạch đo và hiển thị tốc độ

Yêu cầu về b cục n i dung :

Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch tổ hợp, mạch dãy và mạch dao động Chương 2: Thiết kế mạch đo và hiển thị tốc độ

Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN



………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

G á ớng dẫn GVC.Th.S: NGUYỄN VĂN VINH

I ĐẦ

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện

tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp Trong lĩnh vực điều khiển, từ khi công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹ thuật điều khiển hiện đại có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạch điều khiển lắp ráp bằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy, công suất tiêu thụ nhỏ, dễ dàng bảo dưỡng, sửa chữa khi gặp sự cố

Một trong những máy móc thông dụng là động cơ, 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 chúng em đã hoàn thành đề tài ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Bài làm còn dựa nhiều trên cơ sở lý thuyết, vì vậy chúng em đang hoàn thiện và thực hiện trong thực tế

Nh m em xin chân thành cảm ơn Thầy NGUYÊN VĂN VINH và các thầy cô trong bộ môn đã giúp nh m em hoàn thành đồ án này

Thực hiện đồ án

NHÓM 7

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1:TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH TỔ HỢP, MẠCH DÃY VÀ MẠCH

DAO ĐỘNG 6

I.TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH TỔ HỢP 6

1.Khái niệm và mô hình toán học của mạch tổ hợp 6

1.1.Khái niệm 6

1.2.Mô hình toán học 6

1.3.Phân tích mạch tổ hợp 6

1.4.Tổng hợp mạch tổ hợp 7

1.5 Một số mạch tổ hợp thường gặp trong hệ thống 7

2 Tìm hiểu về một số mạch tổ hợp 7

2.1.Mạch mã hóa 7

2.1.1.Mạch mã hóa 2n đường sang n đường 7

2.1.2.Mạch tạo mã BCD cho số thập phân 8

2.1.3.Mạch chuyển mã 9

2.2.Mạch giải mã .10

II MẠCH DÃY 13

1 Khái quát chung về mạch dãy 13

1.1 Khái niệm 13

1.2 Mô hình toán học 13

1.3 Phân loại mạch dãy 13

2 Ứng dụng của mạch dãy 18

III MẠCH DAO ĐỘNG 20

1.Khái quát về mạch dao động 20

1.1 Khái niệm 20

2.2 Điều kiện và đặc điểm của mạch dao động 20

2 Một số mạch dao động 22

2.1 Mạch dao động dùng cầu Viên 22

2.2 Mạch tạo xung dùng IC 555 24

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 25

A.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 25

1.Hệ chuyển mã: 25

2.Hệ đếm 28

2.1: Khái niệm: 28

2.2: Hệ đếm bất kỳ: 29

2.3: Ghép các hệ đếm: 30

B.THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH 30

I.SƠ ĐỒ MẠCH 30

1 Sơ đồ khối mạch số 1 30

2 Sơ đồ khối mạch số 2 31

II HOẠT ĐỘNG CỦA TỪNG KHỐI 32

1.Khối tạo xung: 32

2 Khối đếm 37

3 Khối giải mã 38

4 Khối hiển thị: 42

5.Khối cổng .43

6.Khối tạo xung mở cổng và khối reset .43

7 Khối reset .46

8 Động cơ và encoder .47

III THIẾT KẾ MẠCH 48

1.Sơ đồ nguyên lí .48

2.Nguyên lí làm việc .49

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH 53

MÔ PHỎNG 53

V KẾT LUẬN 56

Khi phân tích mạch tổ hợp ta cần tuân thủ các bước dưới đây:

 Bước 1: Phân tích yêu cầu xác định biến vào biến ra và mối quan hệ giữa chúng

 Bước 2: Lập bảng chân lý:

 Liệt kê thành bảng về mối quan hệ tương ứng với nhau giữa trạng thái tín hiệu đầu vào và trạng thái hàm số đầu ra Bảng này gọi là bảng chân lý

 Tiến hành thay giá trị (0,1) cho trạng thái đ ta được bảng chân lý

1.4.Tổng hợp mạch tổ hợp

Khi tổng hợp mạch tổ hợp ta cần tuân thủ các bước dưới đây:

 Bước 1: Lập bảng chức năng logic của mạch Đ là bảng chân lý hay bảng trạng thái, là bảng giá trị các biến ra tương ứng với từng tổ hợp của các biến vào

 Bước 2: Từ bảng trạng thái xác định biểu thức hàm logic hoặc bảng

Các-nô

 Bước 3: Tiến hành tối thiểu h a hàm logic và đưa về dạng thuận lợi để triển khai hàm thông qua các mạch logic cơ bản từ đ xây dựng sơ đồ mạch điện

1.5 Một số mạch tổ hợp thường gặp trong hệ thống

Các mạch tổ hợp hiện nay thường gặp là:

 Mạch mã hóa( mã hóa nhị phân, mã hóa BCD) thập phân, ưu tiên

 Mạch giải mã( giải mã nhị phân, giải mã BCD_led 7 đoạn) bộ giải mã hiển thị ký tự

 Khái niệm: Mã hóa là gán các ký hiệu cho các đối tượng trong một tập hợp

để thuận tiện cho việc thực hiện một yêu cầu cụ thể nào đ Thí dụ mã BCD gán số nhị phân 4 bit cho từng số mã của số thập phân (từ 0 đến 9) để thuận tiện cho máy đọc một số có nhiều số mã; mã Gray dùng tiện lợi trong việc tối giản các hàm logic Mạch chuyển từ mã này sang mã khác gọi là mạch chuyển mã, cũng được xếp vào loại mạch mã hóa Thí dụ mạch chuyển số nhị phân 4 bit sang số Gray là một mạch chuyển mã

2.1.1.Mạch mã hóa 2 n đường sang n đường

Một số nhị phân n bit cho 2n tổ hợp số khác nhau Vậy ta có thể dùng số n

2.1.2.Mạch tạo mã BCD cho số thập phân

 Mạch gồm 10 ngã vào tượng trưng cho 10 số thập phân và 4 ngã ra là 4 bit của số BCD Khi một ngã vào (tượng trưng cho một số thập phân) được tác động bằng cách đưa lên mức cao các ngã ra sẽ cho số BCD tương ứng

 Bảng sự thật của mạch:

Không cần bảng Karnaugh ta có thể viết ngay các hàm xác định các ngã ra:

A0 = 1 + 3 + 5 + 7 + 9 ; A1 = 2 + 3 + 6 + 7 ; A2 = 4 + 5 + 6 + 7; A3 = 8 + 9

Để tạo mã BCD ưu tiên cho số lớn, ta viết lại bảng sự thật và dùng phương pháp đại số để đơn giản các hàm xác định các ngã ra A3 , A2 , A1 , A0

2.1.3.Mạch chuyển mã

Mạch chuyển từ một mã này sang một mã khác cũng thuộc loại mã hóa Mạch chuyển mã nhị phân sang Gray Thử thiết kế mạch chuyển từ mã nhị phân sang mã Gray của số 4 bit Trước tiên viết bảng sự thật của số nhị phân

và số Gray tương ứng Các số nhị phân là các biến và các số Gray sẽ là hàm

và kết quả cho ở hình dưới đây:

2.2.Mạch giải mã

2.2.1.Mạch giải mã 2 đường sang 2 n đường

2.2.1.1.Giải mã 2 đường sang 4 đường

Thiết kế mạch Giải mã 2 đường sang 4 đường c ngã vào cho phép (cũng được dùng để nối mạch) Để đơn giản, ta xét mạch giải mã 2 đường sang 4 đường có các ngã vào và ra đều tác động cao

Bảng sự thật, các hàm ngã ra và sơ đồ mạch:

Y0 = G ̅̅̅ ̅̅̅

Y1 = G ̅̅̅ A0 Y2 = G.A1 ̅̅̅

Khi một tổ hợp các đọan cháy sáng sẽ tạo được một con số thập phân từ 0 – 9:

- Loại anod chung (b), dùng cho mạch giải mã c ngã ra tác động thấp

2.2.2.2.Mạch giải mã BCD sang 7 đoạn

Mạch có 4 ngã vào cho số BCD và 7 ngã ra thích ứng với các ngã vào a, b, c, d,

e, f, g của led 7 đọan, sao cho các đọan cháy sáng tạo được số thập phân đúng với mã BCD ở ngã vào

Bảng sự thật của mạch giải mã 7 đoạn, c ngã ra tác động thấp:

Dùng Bảng Karnaugh hoặc có thể đơn giản trực tiếp với các hàm chứa ít tổ hợp ta

Từ các kết quả ta có thể vẽ mạch giải mã 7 đoạn dùng các cổng logic

Hai IC thông dụng dùng để giải mã BCD sang 7 đọan là:

- CD 4511 (loại CMOS, ngã ra tác động cao và c đệm)

- 7447 (loại TTL, ngã ra tác động thấp, cực thu để hở)

 Mạch dãy còn được gọi là mạch có nhớ.

 Để thực hiện được mạch dãy, nhất thiết phải có phần tử nhớ Ngoài ra còn có thể có các phần tử logic cơ bản

1.2 Mô hình toán học

Mô hình của mạch dãy được dùng để mô tả mạch dãy thông qua tín hiệu vào, tín hiệu ra và trạng thái của mạch mà không quan tâm đến cấu trúc bên trong của mạch

1.3 Phân loại mạch dãy

Mạch dãy có 2 loại:

 Mạch dãy đồng bộ: là mạch dãy mà khi làm việc cần có 1 tín hiệu đồng

bộ để giữ nhịp cho toàn bộ mạch hoạt động

 Mạch dãy không đồng bộ: không cần tín hiệu này để giữ nhịp chung cho toàn bộ mạch hoạt động

Mạch dãy không đồng bộ chia làm 2 loại:

 Kiểu xung: tín hiệu vào là các xung

 Kiểu điện thế: tín hiệu vào là các nút điện thế

Mạch dãy đồng bộ nhanh hơn mạch dãy không đồng bộ tuy nhiên lại có thiết

kế phức tạp hơn, bởi vì phải chuẩn bị các cổng logic ngõ để đ n xung

1.4 Các phần tử nhớ cơ bản (Flip – Flop):

Phần tử cơ bản của hệ dãy chính là các phần tử nhớ hay còn gọi là các trigơ

Mạch dãy

 Trigơ đồng bộ: đầu ra của trigơ thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu vào và tín hiệu đồng bộ

1.4.1 Trigơ SR (Set - Reset)

Nhờ vào vòng phản hồi (hồi tiếp) làm cho hệ có tính chất nhớ

Trigơ là phần tử cơ bản của hệ dãy Hệ dãy được chia thành 2 loại: đồng bộ

và không đồng bộ, thì trigơ cũng c thể hoạt động theo 2 kiểu: đồng bộ và không đồng bộ Trigơ SR hoạt động được ở cả hai chế độ đồng bộ và không đồng bộ

Biểu đồ thời gian khảo sát trigơ RS hoạt động theo chế độ không đồng bộ:

Biểu đồ thời gian khảo sát trigơ RS hoạt động theo chế độ đồng bộ:

1.4.2 Trigơ D (Delay)

Trigơ D c một đầu vào là D và hoạt động ở 2 chế độ đồng bộ và không đồng bộ Ở đây ta chỉ xét trigơ D hoạt động ở chế độ đồng bộ

a)Trigơ D không đồng bộ b)Trigơ D Đồng bộ theo mức (Chốt D)

c) Trigơ D đồng bộ theo sườn (xúc phát sườn)

Biểu đồ thời gian của chốt D (kích hoạt mức cao

Biểu đồ thời gian khảo sát hoạt động của xúc phát sườn dương (kích hoạt sườn dương:

1.4.3 Trigơ JK (Jordan và Kelly)

Trigơ JK chỉ hoạt động ở chế độ đồng bộ

Sơ đồ khối: Trigơ JK kích hoạt mức cao, sườn dương, sườn âm

Copy D Nghỉ giữ nguyên Copy D

Bảng chuyển trạng thái trigơ D:

 Bộ đếm đồng bộ: bộ đếm c xung đếm đồng thời là xung đồng

hồ clock đưa vào tất cả các trigơ của bộ đếm

 Thanh ghi: Thanh ghi có cấu tạo gồm các trigơ nối với nhau

Chức năng:

 Để lưu trữ tạm thời thông tin

 Dịch chuyển thông tin

 Thanh ghi và thanh ghi d ch

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 1 bit, vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải được tạo từ bấy nhiêu mạch lật

Thanh ghi nhận dữ liệu song song

Sơ đồ bộ ghi dịch nhận dữ liệu nối tiếp dài 4 bit

B m

Bộ đếm là thiết bị đếm được số xung đến cửa vào, đầu ra của bộ đếm là số

lượng xung đếm được Bộ đếm rất đa dạng Bộ đếm có thể phân loại theo cách thức hoạt động làm bộ đếm đồng bộ hay bộ đếm không đồng bộ, hoặc phân loại theo hệ số đếm của nó làm bộ đếm nhị phân, bộ đếm thập phân và bộ đếm N

phân

Bộ đếm nhị phân đồng bộ

Sơ đồ bộ đếm thuận nhị phân đồng bộ 4 bit

Mạch có 4 mạch lật kiểu JK, sử dụng 4 mạch NAND tạo mạch logic tổ hợp điều khiển

Bộ đếm thập phân đồng bộ

Bộ đếm thập phân đồng bộ là bộ đếm 4 bit chỉ đếm 10 xung CP Nội dung 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

Sơ đồ bộ đếm thuận thập phân đồng bộ theo mã BCD8421

Mạch có 4 mạch lật kiểu JK,và 1 mạch AND Xung đồng thời cấp đến cả 4

mạch lật cửa vào J,K của mạch lật thứ nhất đều có mức “1” Q0÷Q3 là các ngõ

ra của 4 mạch lật, cùng là ngõ ra dữ liệu của bộ đếm

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 tạo dao động sử dụng các phần tử tích cực là, tranzito (loại lưỡng cực hoặc FET),đi- ốt tuy-nen, 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, biên độ tín

hiệu ra,độ ổn định của tần số tín hiệu ra, công suất ra và hiệu suất của mạch

Ta thường gặp các nguyên tắc tạo dao động động như:tạo dao động bằng hồi tiếp dương và tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch

2.2 Đ ều kiệ ặ m của m ch ng

2.2.1 Điều kiện mạch dao động

Ta xét sơ đồ khối mạch dao động mô tả như trên như hình dưới đây Trong đ , ta

Hay có thể viết : K KF KKFej( K F)







Có thể tách điều kiện trên ra làm 2 biểu thức :

Điều kiện cân bằng biên độ: K = 1

Điều kiện cân bằng góc pha: + =2 n

Với n=0, 1…

1

2

a a’

2 M t s m ng

2.1 M ng dùng cầu Viên

2.1.1 Bộ dao động hàm sin dùng cầu Viên trong mạ

ch hồi tiếp

Bộ dao động dùng cầu Viên

Điều kiện biên độ để c dao động tích cực là tích hê số khuếch đại và hệ số hồi tiếp tạo thành mạch kín KKF=0 Vậy hệ số khuếch đại mạch chính K=3 Điều kiện pha được bảo đảm nhờ cầu Viên là mạch phản hồi dương và ở tần số riêng, cầu có góc , vậy tín hiệu phản hồi UF và tín hiệu ra UO của mạch lệch nhau một góc Vậy đã đảm bảo điều kiện để mạch trên duy dao động điều hòa

K K

Trong đ , K0-hệ số khuếch đại mạch hở của KĐTT, K F - hệ số phản hồi của mạch

phản hồi âm tạo bởi R1,R2 Hay ta có: 3

)/1

K

lớn, vậy 1/  3

F K

R U

U K

O

F F

Vậy ta có quan hệ: R1=2R2

Nhận xét: Đây là điều kiện cân bằng, nhưng khi đ điện áp vi sai giữa 2 lối của

KĐTT UD=0, vậy ban đầu không thể dao động được, thường phải có R2<R1/2 một lượng nhỏ nào đ Nhưng khi dao động đã ổn định lại phải bảo đảm R2=R1/2

Trong mạch dao động dùng phần tử tích cực có hệ số khuếch đại K0 càng lớn, thì sự ổn định tần số tốt hơn Nên mạch dao động thường dùng KĐTT

Thực tế thường chọn R1 và R2 theo biểu thức:

R R

ε-là lượng nhỏ cần lựa chọn Đây là vấn đề khó thực hiện Vậy trong bộ dao động phải có mạch tự động điều chỉnh tương quan giữa R1 và R2

2.1.2 Bộ tạo dao động dùng cầu Viên và mạch tự động điều chỉnh

Sơ đồ nguyên lý trên hình là Bộ dao động dùng cầu Viên và mạch tự động điều chỉnh Các nhóm RC của cầu viên c liên động cơ khí để đồng chỉnh cho phép chọn tần số dao động trong khoảng từ tần số 10Hz đến 1MHz Nối tiếp vơi R2 cos Tranzito T mà nội trở RDS (giữa cực máng D và cực nguồn S) của nó phụ thuộc vào điện áp ra uO(t) Nhóm R3,R4,R5,C1,C2,D1,D2 có nhiệm vụ chỉnh lưu thành phần xoay chiều của uO(t) thành UG cấp đến cực cổng G tranzito T

Khi mạch đã c uO(t) ổn định, sẽ đạt được điều kiện cân bằng:

R2+RDS=R1/2 Khi mới cấp nguồn, tín hiệu ra uO(t)=0V Vậy điện áp cực G của tranzito T là UG cũng là 0V Vậy điện trở tiếp giáp D-S nhỏ nhất (RDS=RDSMIN) Nghĩa là c R2+RDS<R1/2, điện áp vi sai (UD) tăng dần, uO(t) và cả tần số của n cũng tăng,

U âm hơn, R tăng dần Tại tần số riêng của cầu Viên c dao động u (t) xác lập,

2.2 Mạch tạo xung dùng IC 555

2.3

Mạch dao động tạo xung bằng IC 555

Vcc cung cấp cho IC có thể sử dụng từ 4,5V đến 15V , đường mạch mầu đỏ là dương nguồn, mạch mầu đen dưới cùng là âm nguồn

Tụ 103 (10nF) từ chân 5 xuống mass là cố định và bạn có thể bỏ qua ( không lắp cũng được )

Khi thay đổi các điện trở R1, R2 và giá trị tụ C1 bạn sẽ thu được dao động có tần

số và độ rộng xung theo ý muốn theo công thức:

Ts : thời gian điện mức thấp

Chu kỳ toàn phần T bao gồm thời gian c điện mức cao Tm và thời gian c điện mức thấp Ts

Từ các công thức trên ta có thể tạo ra một dao động xung vuông c độ rộng Tm và

Ts bất kỳ

Sau khi đã tạo ra xung có Tm và Ts ta có: T = Tm + Ts và f = 1/ T

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN

*Giải mã s BCD sang mã LED 7 thanh:

LED 7 thanh: là loại đèn LED dùng để hiển thị các số thập phân(từ 0 đến 9)

Các s thập p â c hi n th bởi LED 7 thanh

Ngoài ra, LED 7 thanh còn hiển thị được 1 số chữ cái và các kí tự đặc biệt

Có 2 loại LED 7 thanh: Anot chung và cathode chung

C u g A u g

Mạch giải mã số BCD sang LED 7 thanh:

Mạch c 4 ngõ vào tương ứng với tổ hợp BCD và 7 ngõ ra tương ứng 7 thanh của LED

Xây dựng hệ giả ã n cathode chung

2.Hệ

Ở xung thứ 10, QB và QD lên 1, lợi dụng hai trạng thái này ta dùng 1 cổng NAND 2 ngã vào để x a các FF

Mạch đếm kiểu reset c khuyết điểm như sau:

- C một trạng thái trung gian trước khi đạt số đếm cuối cùng

- Ngã vào CI không được dùng cho chức năng x a ban đầu

- Kiểu reset: trong kiểu reset các ngã vào của các FF sẽ được đặt trước thế nào

để khi mạch đếm đến trạng thái thứ N thì tất cả các FF tự động quay về không

- Khảo sát IC 74LS190

2.1: Khái niệm:

Hệ đếm nối tiếp: xung đếm chỉ đưa vào một FF

Hệ đếm song song: xung đếm được đưa vào tất cả các phần tử đếm