Đang tải... (xem toàn văn)
Chương 1 1.1.Phân tích yêu cầu công nghệ 1.2 Liệt kê các phương pháp đo 1.3.Trình bày nguyên lý đo tần số trong bài 1.4 Các linh kiện cần dùng trong bài. Chương 2 : 2.1.Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài 2.2.Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế 2.3.Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu ra từ (010V). 2.4.Trình bày sơ đồ chân,bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch sử dụng 2.6. Thuyết minh nguyên lý hoạt động 2.5.Sơ đồ nguyên lý của mạch 2.7.Xây dựng mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus và chạy thử. Chương 3 : 3.1.Các kết quả đạt được 3.2.Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo 3.3.Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục.
Trường ĐHCN Hà Nội BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HĨA Bài Tập Lớn MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ-VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TẦN SỐ Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Hà Sinh viên thực : Nguyễn Đức Trung (08141240140) Phùng văn Thành Tống khác Thành Hoàng Văn Thủy Đỗ Thành Trung Lớp : ĐH Tự động hóa K8 Nhóm 15 Nội dung: Thiết kế mạch đo tần số giám sát nhiệt độ.Hệ thống gồm nút Start Stop để khởi động dừng hệ thống,4 led để hiển thị giá trị đo tần số-thang đo Hz,(dải đo từ 0Hz-9999Hz),đối tượng đo xung vng tín hiệu xoay chiều.Một cảm biến nhiệt độ LM335 để giám sát nhiệt độ(dải đo từ độ C đến (100+n) =106 độ C BÀI TẬP LỚN BỘ MÔN : Vi Mạch Tương Tự & Vi Mạch Số ĐỀ TÀI : thiết kế mạch đo tần số Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Hà Sinh viên thực : Nguyễn Đức Trung Phùng văn Thành Tống khác Thành Hoàng Văn Thủy Đỗ Thành Trung Lớp : ĐH Tự động hóa K8 Nhóm 15 MỤC LỤC: Chương 1.1.Phân tích yêu cầu cơng nghệ 1.2 Liệt kê phương pháp đo 1.3.Trình bày nguyên lý đo tần số 1.4 Các linh kiện cần dùng Chương : 2.1.Sơ đồ khối bố trí linh kiện bài\ 2.2.Liệt kê linh kiện sử dụng thiết kế \ 2.3.Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu từ (0-10V) \ 2.4.Trình bày sơ đồ chân,bảng chân lý ứng dụng vi mạch sử dụng \ 2.6 Thuyết minh nguyên lý hoạt động\ 2.5.Sơ đồ nguyên lý mạch \ 2.7.Xây dựng mạch mô phần mềm Proteus chạy thử Chương : 3.1.Các kết đạt 3.2.Sai số nguyên nhân sai số thiết bị đo 3.3.Các hạn chế tồn thiết kế phương hướng khắc phục Chương : kết luận ………………………………………………………………………… 30 CHƯƠNG Trình bày mạch chức sử dụng hệ thống 1.1 Phân tích u cầu cơng nghệ Đối tượng đo xung vuông , dải đo từ 0Hz ÷9999Hz Yêu cầu dùng vi mạch tương tự vi mạch số để thiết kế Hệ thống gồm hai nút START STOP để khởi động dừng hệ thống, Led để hiển thị giá trị đo tần số Khi ấn nút START, hệ thống thực đo hiển thị kết với thang Hz 1.2 LIỆT KÊ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TẦN SỐ ĐO TẦN SỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI THẲNG 1.1:Tần số kế cộng hưởng điện từ Để đo tần số lưới điện công nghiệp người ta thường sử dụng tần số kế cộng hưởng kiểu điện từ Cấu tạo tần số kế điện từ bao gồm nam châm điện, Các thép đươc gắn chặt đầu, đầu dao động tự Các thép có tần số riêng khác Tần số riêng hai lần tần số nguồn điện cần đo Dưới tác dụng từ trường nam châm điện kim loại hai lần chu kỳ hút vào nam châm nên kim loại dao động Thanh có biên độ dao động lớn có tần số riêng lần tần số cần đo Trên mặt dụng cụ đo ta thấy biên độ dao động kim loại lớn ứng với tần số khắc mặt số Ưu Điểm:Phương pháp có cấu tạo đơn giản, bền Nhược Điểm: Giới hạn đo hẹp khoảng 45÷55Hz hay (450÷550Hz) sai số phép đo thường ±(1,5÷2,5)% Chú ý: Khơng sử dụng nơi có độ rung lớn thiết bị di chuyển 1.2:Tần số kế điện a- tần số kế điện động sắt điện động: Cơ cấu thị lôgômet điện động sắt điện động sử dụng để chế tạo tần số kế Về cấu tạo, lôgômet điện động có cuộn tĩnh A mắc nối tiếp với cuộn động B2 mắc nối tiếp với phần tử R2 L2 C2 cuộn động B1, mắc nối tiếp với C1 Các thông số cuộn tĩnh A cuộn động nối tiếp B2 chọn cho tạo cộng hưởng điện áp mạch có tần số giá trị trung bình khoảng tần số đo Ta có góc lệch α lơ gômet điện động hàm tần số fx2 thang đo khắc độ trực tần số Loại chế tạo tần số kế đo tần số cao đến 2500Hz B- Tần số kế dùng lô gômet điện từ Về cấu tạo lơ gơmet điện từ có hai cuộn dây Cuộn thứ nối với R1 điện cảm L1 Cuộn thứ hai nối với điện trở R2, L2, C2 Tức cn dây có đặc tính tải khác Khi tần số cần đo tín hiệu thay đổi dòng điện I1 I2 thay đổi khơng giống đặc tính điện trở chúng khác Giả sử fx tang dịng I1 giảm I2 tăng tỉ số hai dịng (I2/I1) tang mà góc lệch α tỉ lệ với tần số 1.3: Tần số kế điện tử a- tần số kế điện dung dùng đổi nối điện tử nguyên lý tần số kế điện tử dựa việc đo giá trị trung bình dịng phóng I tụ điện, phóng nạp có chu kỳ nhịp với tần số cần đo fx Để mở rộng thang đo tần số ta phải cho số thời gian nạp phóng tụ điện nhỏ nửa chu kỳ tần số cao Điều đạt cách thay đổi điện dung tụ điện , điện trở mạch nạp phóng ln khơng thay đổi Giới hạn tần số cần đo xác định độ nhạy cấu thị Còn giới hạn tần số cần đo tần số mà xuất dao động cấu thị b- Tần số kế điện dung dùng chỉnh lưu Nhờ mạch tạo xung điện áp có tần số cần đo fx biến thành xung vng xung cịn tồn tụ C nạp qua điốt D1 Trong khoảng phóng qua D2 cấu thị từ điện Góc lệch α cấu thị tỉ lệ với dịng điện trung bình α = S1I=S1qfx=S1CUmfx Dịng trung bình tỉ lệ thuận với fx, mà góc lệch α tỉ lệ thuận với tần số cần đo fx với điều kiện độ nhạy cấu thị S1, tụ C biên độ xung Um khơng đổi Tần số kế kiểu có ưu điểm có khả đo trực tiếp dải tần số rộng 1.4 :Tần số kế thị số Nguyên lý tần số kế thị số điếm số xung N tương ứng với số chu kỳ tần số cần đo fx khoảng thời gian gọi thời gian đo Tđo N= = =K Thời gian đo có giá trị 1s số xung N (túc slaf số chu kỳ ) tần số cần đo fx nghĩa fx = N Sai aoos tương đối phép đo tần số tính sau : Thành phần phụ thuộc vào tỉ số giửa thời gian đo chu kỳ tín hiệu đo Tx = ĐO TẦN SỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SO SÁNH 2.1: Tần số kế trộn tần Phương pháp đo trộn tần phương pháp so sánh giửa tần số tín hiệu khảo sát vớ tần số máy phát cơng suất nhỏ có tần số định trước tns hiêu có tần số cần đo fx tín hiệu f0 máy chuẩn đua vào trộn tần fx =F +f0 Hình Các bước đo trộn tần Tần số kế trộn đo tần số cở từ 100Hz đến 20GHz kỹ thật vô tuyến đện 2.2 Tần số kế cộng hưởng điện Tần số kế sư dụng cọng hưởng điện hên thống giao động hiệu chỉnh cộng hưởng vớ tần số cần đo cảu nguồn tín hiệu Trạng thái dao động phát theo số cao thị cộng hưởng tỉ lệ với dòng ( hay áp ) hệ thống giao động Tần số cần đo khác độ núm vặn thiết bị dị tìm dao động sử dụng bảng số hay đồ thị Bộ vào để hòa hợp giử tần số kế nguồn tín hiệu cần đo TẦN SỐ KẾ VẠN NĂNG SỬ DỤNG VI SỬ LÝ Là tần số kế đại ó thể đo nhiề đại lượng : đo tần số , đ dộ dài xung đo chu kỳ dãy xung tín hiệu vào Để thực việc đo đại lượng cần phải thực điều khiển thông qua hay máy tính đơn phiến Tần số kế bao gồm phần : - Phần bao gồm biến đổi chu kỳ hay độ dài xung tín hiêu vào Ux(t) thành khoảng thời gian Phần : bao gồm vác biến đổi chu kỳ độ dài xung thành mãsố Phần : bao gồ vi xử lý cài đặt vào tần số kế Đẻ tạo chia tàn số với tàn số kế thay đổi người ta dùng timer chương trình hóa Phần lối với phần khác “BUS” liệu, địa điều khiển II TRÌNH BÀY VỀ NGUYÊN LÝ ĐO TẦN SỐ TRONG BÀI Khái niệm: Tần số dòng điện số lần dòng điện đổi chiều đơn vị thời gian(s) Ký hiệu tần số : f Đơn vị : Hz Nguyên tắc đo tần số Nguyên tắc đo tần số : cách đếm số xung dao động dao động cần đo tần số khoảng thời gian 1s Khoảng thời gian cần để đo xung Số lần dao động xung khoảng thời gian cần đo Hình số xung dao động khoảng thời gian Khi đếm số xung dao động khoảng thời gian 1s 1.4 Các linh kiện dùng - IC NE 5555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian - Điện trở 1k,217.0475 k - Tụ điện (0.01 uF tụ thường) ,(0.001 ph - IC 4017 để tạo đếm thập phân - Nguồn tín hiệu cần đo : Cho 1500H - SEG 7Vạch cathode chung, - Ic 74ls190 Ic 74hc4511,7408 - Cổng NOT, AND - Điện trở băng rx8(180) - Switch (Chuyển mạch cổng ) -LM335 -Transistor 2N1711,buzzer Chương 2:Thiết kế mạch đo tần số giám sát nhiệt độ 2.1 Sơ đồ khối bố trí linh kiện Nguồn t/h cần đo Start Stop Bộ đếm số BCD Bộ tạo xung 1Hz Mạch cảnh báo nhiệt độ vượt 86 độ C: 10 bộ giải mã 7Seg Hiển Thị Led 7Seg Nguồn Cảm biến khuếch đại đo lường So sánh Cảnh báo 2.2.Liệt kê linh kiện sử dụng thiết kế -Sử dụng linh kiện liệt kê mục 1.4 2.3.Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu từ (0-10)V 11 - Khối nguồn :cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động , tất thiết bị ba nguồn +12v - 12v +5v -Khối cảm biến khuếch đại đo lường : cảm biến nhiệt độ biến nhiệt thành điện mức vài mV cho vào khuếch cho điện áp chuẩn -Khối ta dùng mạch khuếch đại vi sai cải tiến,áp dụng công thức cho mạch vi sai cải tiến,ta sơ đồ chuẩn hóa điện áp UO= (U - U ) 12 11 Với điều kiện:R7R4=R6R5 2.4.Trình bày sơ đồ chân,bảng chân lý ứng dụng vi mạch sử dụng 12 IC 555 Là IC tạo dao động tần số cấp xung nhịp cho IC 74ls190 đếm giây - Chân (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân gọi chân chung - Chân (TRIGGER) : chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp Mạch so sanh dùng transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc - Chân (OUTPUT) : chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức 1 mức cáo tương ứng gần Vcc (PWM=100%) mức tương đương với 0V thực tế khơng mức 0V mà khoảng ( 0.35>0.75V) - Chân (RESET) : dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức cao trạng thái ngõ phụ thuộc vào điện áp chân chân Nhưng mà mạch để tạo dao động thường nối chân lên Vcc - Chân ( CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biển áp hay dùng điện trở nối GND Chân khơng nối để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF->0.1uF tụ lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định - Chân (THRESHOLD): chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt liệu - Chân (DISCHAGER): xem chân khóa điện tử chịu điều khiển tầng logic chân Khi chân mức điện áp thấp khóa đóng lại , ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch R_C lúc IC 555 dùng tầng dao động - Chan (VCC): chân cung cấp áp dịng cho IC hoạt động khơng có chân coi IC chết Nó cấp điện áp từ 2->18V 13 Mạch tạo xung : Có tần số dao động có cơng thức : f=1/T=1/0.69(R1+2R2)C Bài ta chọn mạch tạo xung có tần số f=1Hz để đếm dao động thực 1s 14 IC đếm thập phân 4017 (chia tần số) IC 4017 để tạo đếm thập phân - Sơ đồ chân: - Chân 14( CLK) nhận xung 15 - Chân (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 10, 9) (Q0-Q9) đưa liệu ngồi, lần kích xung vào, chân sé đưa lên mức cao cách tuần tự, chân lại mức thấp - Chân 13(E): Tích cực mức thấp - Chân 15(MR): Chân reset, kích lên mức cao, IC reset Chân 12 (CO): Trong xung đầu ( từ Q0 - Q4 lên mức cao) CO mức cao, xung (từ Q5 – Q9 lên mức cao) CO mức thấp Bảng chân lý của IC7447 ứng với led Mạch dùng IC 4017 tạo đếm : 16 IC đếm BCD 74ls190 Là IC tích hợ đếm thập phân đồng bộ, đầu song song Nó có chức đếm thuận nghịch.Đặc biệt đặt trước giá trị đếm với chân điều khiển giá nạp giá trị 17 Chức chân: Chân cấp nguồn : 16 (VCC) chân 8(GND) Nhóm chân liệu nạp vào : A(15) B(1) C (10) D(9) Nhóm chân liệu đầu : 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 RCO :13 Bảng trạng thái chân chức đặc biệt : 18 IC giải mã 74hc4511 - Đây IC giải mã , làm nhiệm vụ giải mã từ mã nhị phân logíc (dạng 0,1) sang mã led vạch để xuất led vạch cấu tạo tập hợp mạch tổ hợp gồm cách linh kiện số logic cổng and , or , việc thiết kế mạch khơng q khó ,chỉ cần xây dựng mạch tổ hợp lả hồn tồn làm ,nhưng điều khiến thời gian ,không đảm bảo chất lượng sử dụng , =>dùng IC tích hợp cho tện - Chúng ta tìm hiểu sơ đồ chân sau : -Chú ý loại dùng cho seg vạch loại cathot chung có nghĩa tất cathot led nốí chung với nối với đất ,như liệu đẩy vào led tích cực mức cao tức mức làm led sang - 4511 Có 16 chân - Chân 16 chân nối với nguồn dương (5 v ), chân số nối với đất - Chân 1,2,7,6 chân đưa liệu đầu vào ,chúng ta chọn liệu loại liệu logic tức dạng 1,0,1,0… - chân đầu chân ,10,11,12,13,14,15.sẽ xuất liệu dạng vạch 19 - Chân số chân dùng để điều khỉên tế bào nhớ ,chần = IC hoạt động bình thường , cịn = ngun trạng thái đầu ,và trở chân chuyển đầu lại tếp tục hoạt động (nếu hiểu sâu sa hiểu IC hoạt động liệu đầu luân phiên nhớ tế bào bít ,vậy chân số mức giả gọi đóng cửa IC hoạt động bình thường khơng vấn đề ,nhưng = tức mở cửa liệu tế bào nhớ trào đẩy liên tục vào cửa nên giữ đầu mức liệu cố định ) - Trong sơ đồ mạch nối với đất - Chân số =0 tất đầu mức logic 1.(dùng kiểm tra led đoạn ,bất chấp đầu vào ) - Chân số có tác dụng ngược lại chân số Bảng chân lí 20 5.Hiển thị( Led thanh) Led thanh: led xếp với thành hình, nhằm thể số Một chân led nối với ( Katot chung Anot chung), chân lại đưa nhằm phân cực led Trong đề tài chọn led Cathode chung 2.5.Sơ đồ nguyên lý mạch 21 2.6.Thuyết minh nguyên lý hoạt động mạch Khi ta ấn nut START mạch hoạt động IC 555 cấp xung cho đếm thời gian ng̀n tín hiệu cần đo cấp xung cho đếm xung hoat động Khối tín hiệu cho phép đếm dừng đếm 22 Khi mạch đếm chưa hết tần sơ đầu cổng 7408 mức thấp mạch hoạt động đạt hết trình đếm xung đầu 7408 đạt mức cao hệ thống ngừng đếm Và kết đo tần sơ của ng̀n tín hiệu cần đo Khi ta muốn đo lại ta ấn nút START mach trạng thái Muốn tếp tục đo ta ấn START lần Khi muốn dùng mạch ta ấn nút STOP mạch dừng lại khối đếm xung đếm thời gian dừng lại 2.7.Xây dựng mạch mô Proteus chạy thử File mạch gửi kèm theo Chương 3:Kết luận 3.1.Các kết đạt -Dưới hướng dẫn giảng viên,em thiết kế mạch đo tần số thang đo 0-9999Hz hiển thị kết led mạch cảnh báo nhiệt độ vượt 86 độ C 3.2.Sai số nguyên nhân sai số thiết bị đo -Sai số có thiết kế mạch tạo xung vuông dùng IC 555 chọn giá trị điện trở làm trịn,nên tần số xung khơng thực xác giá trị 1Hz 3.3.Các hạn chế tồn thiết kế phương hướng khắc phục -Do chưa có điều kiện để làm mạch thực tế thời gian có hạn,chỉ dùng kiến thức lý thuyết để thiết kế mạch nên chưa lường trước hạn chế chọn loại linh kiện trị số linh kiện -phương hướng khắc phục: 23 ... tương tự vi mạch số để thiết kế Hệ thống gồm hai nút START STOP để khởi động dừng hệ thống, Led để hiển thị giá trị đo tần số Khi ấn nút START, hệ thống thực đo hiển thị kết với thang Hz 1 .2 LIỆT... giử tần số kế nguồn tín hiệu cần đo TẦN SỐ KẾ VẠN NĂNG SỬ DỤNG VI SỬ LÝ Là tần số kế đại ó thể đo nhiề đại lượng : đo tần số , đ dộ dài xung đo chu kỳ dãy xung tín hiệu vào Để thực vi? ??c đo đại... tần số cần đo fx với điều kiện độ nhạy cấu thị S1, tụ C biên độ xung Um khơng đổi Tần số kế kiểu có ưu điểm có khả đo trực tiếp dải tần số rộng 1.4 :Tần số kế thị số Nguyên lý tần số kế thị số