Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch 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 Giáo viên hướng dẫn : Phạm Thị Hồng Hạnh Sinh viên thực : Lớp Nguyễn Trung Hiếu Vũ Minh Hiếu Đinh Khắc Hoàng Nguyễn Đăng Huy Hoàng Lê Văn Hinh Nguyễn Mạnh Hùng Lê Quang Hòa Đặng Quang Huy Đào Văn Hoan Đặng Quốc Huynh : ĐH Điện 8_K10 Tháng 12 năm 2017 NHĨM TRANG Trường ĐHCN Hà Nội Mơn Vi mạch tương tự vi mạch số GIỚI THIỆU BÀI TẬP LỚN Đề Tài: Thiết Kế Mạch Đo Tần Số Nội Dung - Thiết kế mạch đo tần số dùng Led để hiển thị giá trị đo tần số.Đối tượng đo xung vng tín hiệu xoay chiều - Tính tốn giá trị linh kiện dùng IC timer Mở rộng - Cho phép chọn chế độ đo khác (Hz, KHz, MHz…) NHÓM TRANG Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số LỜI MỞ ĐẦU Như biết, khoa học công nghệ phát triển cách nhanh chóng năm gần đây, đặc biệt ngành kỹ thuật điện-điện tử Sự xuất vi mạch, IC số tổng hợp giúp cho kích thước mạch nhỏ gọn, tiện lợi Trải qua phát triển khoa học công nghệ, chế tạo nhiều loại tần số, phục vụ ngành điện tử viễn thơng, cơng nghệ thơng tin, tự động hóa Máy đo tần số thiết bị cho phép biết tần só tín hiệu cách xác, góp phần vào việc đo điều khiển tín hiệu Với kiến thức học lớp tìm hiểu thực tế Trong thời gian u cầu nhóm em hồn thành đồ án mơn học với nội dung “Mạch Đo Tần Số” Do kiến thức chuyên ngành thiếu nhiều thực tế nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót, mong thầy góp ý kiến để đồ án hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thu Hà giúp đỡ nhóm em hồn thành tập lớn này! NHĨM TRANG Trường ĐHCN Hà Nội Mơn Vi mạch tương tự vi mạch số Mục lục Chương 1: Trình bày mạch chức sử dụng hệ thống 1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ 1.2 Liệt kê phương pháp đo tần số .6 1.3 Trình bày nguyên lý đo tần số 1.4 Các mạch chức cần dùng .7 1.4.1 Mã hóa mạch giải mã 1.4.2 Mạch dãy 1.4.3 Bộ đếm .10 1.4.4 Mạch dao động 10 Chương 2: Thiết kế mạch đo tần số .11 2.1 Sơ đồ khối bố trí linh kiện 11 2.2 Liệt kê linh kiện sử dụng thiết kế 11 2.3 Xây dựng mạch phát xung chuẩn cung cấp cho đếm dùng timer 555 .11 2.4 Sơ đồ chân, bảng chân lý ứng dụng vi mạch sử dụng 12 2.4.1 IC 555 12 2.4.2 IC 4017 14 2.4.3 IC đếm BCD 74ls190 .17 2.4.4 IC 74LS47 18 2.4.5 Hiển thị (Led thanh) 21 2.4.6 Khối tín hiệu cho phép đếm dừng đếm 22 2.4.7 Cổng NOT (inverter - đảo) 22 2.4.8 Cổng AND .23 2.4.9 Khối tín hiệu cần đo 23 2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch 23 2.6 Thuyết minh nguyên lý hoạt động mạch .25 2.7 Xây dựng mạch mô phần mêm proteus chạy thử .26 A Mạch chưa ấn nút start 26 NHĨM TRANG Trường ĐHCN Hà Nội Mơn Vi mạch tương tự vi mạch số B Mạch sau ấn nút start 27 Chương 3: Tổng kết 28 3.1 Các kết đạt 28 3.2 Sai số nguyên nhân sai số thiết bị đo .28 3.3 Các hạn chế tồn phương hướng khắc phục .28 A Hạn chế 28 B Phương hướng khắc phục : 28 3.4 Kết luận chung 28 Chương 4: Một số mạch tham khảo thêm 30 NHĨM TRANG Trường ĐHCN Hà Nội Mơn Vi mạch tương tự vi mạch số Chương 1: Trình bày mạch chức sử dụng hệ thống 1.1 Phân tích u cầu cơng nghệ Đối với mạch đo tần số, đối tượng đo xung vuông tín hiệu xoay chiều, 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.Khi ấn Stop, hệ thống dừng Sử dụng thiết bị đo để kiểm tra cần thiết 1.2 Liệt kê phương pháp đo tần số Tần số thơng số quan trọng q trình giao động có chu kì Tần số xác định số chu kì lặp lại thay đổi tín hiệu dơn vị thời gian Chu kì khoảng thời gian nhỏ mà giá trị tín hiệu lặp lại độ lớn chiều biến thiên Khoảng tần số sử dụng lĩnh vực khác như: vơ tuyến điện tử, tự động hóa, thơng tin liên lạc, tự động hóa từ phần Hz đến hàng ngìn GHz Việc lựa chọn phương pháp đo tần số xác định theo khoảng đo, theo độ xác yêu cầu, theo dạng đường cong cơng suất nguồn tín hiệu có tần số cần đo số yếu tố khác Để đo tần số tín hiệu điện ta sử dụng hai phương pháp biến đổi thẳng phương pháp so sánh Tần số mét dụng cụ để đo tần số phương pháp biến đổi thẳng tiến hành loại tần số mét cộng hưởng, tần số mét điện, tần số mét tụ điện, tần số mét thị số đo tần số phương pháp so sánh thực nhờ ôsilôscốp, cầu xoay chiều phụ thuộc tần số, tần số mét đổi tần, tần số mét cộng hưởng, … 1.3 Trình bày nguyên lý đo tần số Trong chúng em đo tần số phương pháp so sánh Chúng em dùng IC 555 phát xung chuẩn có tần số Hz Như chu kỳ T=1/f=1/1=1 (s) NHÓM TRANG Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số Giả sử xung cần đo có tần số x (Hz) Như chu kỳ 1/x (s) Như ta thấy giây IC 555 thực chu kỳ ( tức lần lặp lại tín hiệu) xung cần đo thực x chu kỳ( Tức x lần lặp lại tín hiệu) Ta đưa lúc giá trị tần số lúc vào phần tử logic AND, đầu AND đưa vào mạch đếm Xung Hz khống chế cho phát xung chu kỳ tức s Ta thấy 1s xung 1Hz thực chu kỳ xung x Hz thực x chu kỳ Khi hết s xung 1Hz ngừng cấp xung vào đầu AND đầu AND (khơng có tín hiệu), mạch đếm dừng đếm Lúc mạch đếm đếm tần số xung x Hz Hay nói dễ hiểu: Chốt số xung đếm 1s giá trị tần số cần đo 1.4 Các mạch chức cần dùng 1.4.1 Mã hóa mạch giải mã 1.4.1.1 Mã hóa Mã hóa giải mã khơng có xa lạ tất yếu đời sống Nó dùng để dễ nhớ, dễ đặt, dễ làm… quy ước chung phổ biến bí mật Chẳng hạn dùng chữ để đặt tên cho đường, cho người, dùng số mã số sinh viên, thi đấu thể thao, quy ước đèn xanh, đỏ, vàng tương ứng cho phép đứng, dừng giao thông, viết thư sử dụng chữ viết tắt, kí hiệu riêng để giữ bí mật hay phức tạp phải mã hố thơng tin dùng tình báo, … Trong hệ thống số kể viễn thơng, máy tính, đường điều khiển tuỳ chọn hay liệu truyền hay xử lí phải dạng số hệ gồm 0, có nhiều đường tín hiệu có bit đường điều khiển mở nguồn cho mạch mức 1, có nhiều đường địa nhiều bit chẳng hạn 110100 để CPU xác định địa nhớ, liệu dạng hex gửi xuống máy in cho in kí tự Tất tổ hợp bit gọi mã số (code) hay mã Và mạch tạo mã số gọi mạch mã hố (lập mã: encoder) - Bộ mã hóa nhị phân – thập phân (bộ mã hoa BCD) Bộ mã hóa nhị-thập phân mạch điện có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số hệ thập phân thành mã hệ nhị phân Dạng mã gọi mã BCD -Bảng chân lí mã hóa BCD: NHĨM TRANG Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số 1.4.1.2 Mạch giải mã Mạch giải mã mạch có chức ngược lại với mạch mã hố tức có mã số áp vào ngõ vào tương ứng có ngõ tác động, mã ngõ vào thường mã ngõ Tất nhiên ngõ vào cho phép phải bật lên cho chức giải mã Mạch giải mã ứng dụng ghép kênh liệu, hiển thị led đoạn, giải mã địa nhớ Giải mã BCD sang led đoạn Một dạng mạch giải mã khác hay sử dụng hiển thị led đoạn mạch giải mã BCD sang led đoạn Mạch phức tạp nhiều so với mạch giải mã BCD sang thập phân nói phần trước mạch phải cho tổ hợp có nhiều ngõ lên cao xuống thấp (tuỳ loại đèn led anode chung hay cathode chung) để làm đoạn led cần thiết sáng tạo nên số hay kí tự Trước hết xem qua cấu trúc loại đèn led đoạn số đèn cấu tạo đoạn led có chung anode (AC) hay cathode (KC); xếp hình số vng (như hình trên) ngồi có led đặt làm dấu phẩy thập phân cho số thị; điều khiển riêng biệt không qua mạch giải mã Các chân led xếp thành hàng chân hàng chân A chung hay K chung Thứ tự xếp cho loại trình bày đây: NHÓM TRANG Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số Hình 2.3 Cấu trúc chân dạng led đoạn Để đèn led hiển thị số led tương ứng phải sáng lên, đó, led phải phân cực điện trở khoảng 180 đến 390 ohm với nguồn cấp chuẩn thường 5V IC giải mã có nhiệm vụ nối chân a, b, …g led xuống mass hay lên nguồn (tuỳ A chung hay K chung) 1.4.2 Mạch dãy Mạch dãy mạch logic có phần tử nhớ tạo mạch lật mạch logic biến mạch không phụ thuộc vào tổ hợp biến vào mà phụ thuộc vào trạng thái mạch Thanh ghi ghi dịch Thanh ghi dãy mạch nhớ có chức lưu giữ dưc liệu biến đổi liệu số từ nối tiếp sang song song ngược lại Mỗi mạch lật lưu giữ bit, ghi dài bit phải tạo từ nhiêu mạch lật Thanh ghi nhận liệu song song Mạch chốt liệu: NHÓM TRANG Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số Bộ ghi dịch: 1.4.3 Bộ đếm Bộ đếm thiết bị đếm số xung cửa vào, đầu đếm số lượng xung đếm • Bộ đếm nhị phân đồng • Bộ đếm thập phân đồng 1.4.4 Mạch dao động Mạch dao động ứng dụng nhiều thiết bị điện tử, mạch dao động nội khối RF Radio, kênh Tivi mầu, Mạch dao động tạo xung dòng, xung mành Tivi, tạo sóng hình sin cho IC Vi xử lý hoạt động v v có loại mạch doa động: - Mạch dao động hình Sin - Mạch dao động đa hài - Mạch dao động nghẹt - Mạch dao động dùng IC NHÓM TRANG 10 Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số • Đây IC đơn giản dùng để chuyển tín hiệu từ số nhị phân ngõ vào sang led đoạn • Mạch giải mạch có chức ngược lại với mạch mã hố Mục đích sử dụng phổ biến mạch giải mã làm sáng tỏ đèn để hiển thị kết dạng chữ số Do có nhiều loại đèn hiển thị có nhiều loại mã số khác nên có nhiều mạch giải mã khác • IC74LS47 loại IC giải mã BCD sang led đoạn Mạch giải mã BCD sang led đoạn mạch giải mã phức tạp mạch phải cho nhiều ngõ lên cao xuống thấp (tuỳ vào loại đèn led anode chung hay catod NHÓM TRANG 19 Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số chung) để làm đèn cần thiết sáng nên số ký tự IC 74LS47 loại IC tác động mức thấp có ngõ cực thu để hở khả nhận dòng đủ cao để thúc trực tiếp đèn led đoạn loại anod chung IC 7447 hoạt động mức thấp • Do ta có bảng chân lý • Để IC hoạt động ta kết nối chân 16(Vcc) với nguồn 5V, chân nối với mas.Ngõ vào có chân 7,1,2,6 tương ứng với A,B,C,D NHÓM TRANG 20 Trường ĐHCN Hà Nội Tên chân Môn Vi mạch tương tự vi mạch số Chức VCC GND Nguồn 0V A, B, C, D Ngõ vào BCD a, b, c, d, e, f, g Ngõ mã đoạn LT Chân kiểm tra đoạn LED BI/RBO 2.4.5 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 NHÓM TRANG 21 Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số Với yêu cầu đề tài để phù hợp với đầu IC 74LS47 ta chọn led Anode chung 2.4.6 Khối tín hiệu cho phép đếm dừng đếm Khối tín hiệu sử dụng băng cổng AND 7408 mạch chế độ hoạt đông đầu cổng mức thấp đạt mức cao mạch dừng 2.4.7 Cổng NOT (inverter - đảo) Ngõ Q mức cao ngõ vào A đảo (Not) mức cao, ngõ đảo (ngược lại) ngõ vào : Q = NOT A Cổng NOT có ngõ Một cổng NOT gọi đảo NHĨM TRANG 22 Trường ĐHCN Hà Nội Mơn Vi mạch tương tự vi mạch số 2.4.8 Cổng AND Ngõ Q mức cao ngõ vào A "AND" ngõ vào B mức cao (giống nhân A với B): Q= A AND B Một cổng AND có hai nhiều ngõ vào Ngõ mức cao tất ngõ vào mức cao 2.4.9 Khối tín hiệu cần đo Nguồn tín hiệu cần đo tín hiệu xung vng xoay chiều Tại bài: Ta chọn tín hiệu vng tần số 1234Hz 2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch NHÓM TRANG 23 Trường ĐHCN Hà Nội NHÓM Môn Vi mạch tương tự vi mạch số TRANG 24 Trường ĐHCN Hà Nội NHĨM Mơn Vi mạch tương tự vi mạch số TRANG 25 Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số 2.6 Thuyết minh nguyên lý hoạt động mạch - Khi ta ấn nút START/STOP mạch hoạt động IC 555 cấp xung cho đếm thời gian nguồn tín hiệu cần đo cấp xung cho đếm xung hoat động Khi mạch đếm chưa hết tần số đầu cổng AND1(U1) mức cao mạch hoạt động đạt hết trình đếm xung đầu AND1(U1) đạt mức thấp, đồng thời đầu AND2(U6) mức thấp hệ thống ngừng đếm Và kết đo tần số nguồn tín hiệu cần đo - Khi ta muốn đo lại ta ấn nút RESET mạch trạng thái Muốn tiếp tục đo ta ấn RESET lần - Khi muốn dùng mạch ta ấn nút START/STOP mạch dừng lại khối đếm xung đếm thời gian dừng lại NHÓM TRANG 26 Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số 2.7 Xây dựng mạch mô phần mêm proteus chạy thử A Mạch chưa ấn nút start NHÓM TRANG 27 Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số B Mạch sau ấn nút start NHÓM TRANG 28 Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số Chương 3: Tổng kết 3.1 Các kết đạt Mạch đáp ứng yêu cầu đề tài là: Đo tần số xung vng có dải đo từ 0Hz÷9999Hz Mạch thiết kế sử dụng vi mạch số vi mạch tương tự học, phù hợp với nội dung học phần Thiết kế mạch đơn giản, dễ hiểu, độ xác tương đối cao Trong q trình thiết kế chúng em tiếp cận với nhiều linh kiện hiểu sơ đồ chân nguyên lý hoạt động chúng giúp ích lớn cho kiến thức sau Hiểu logic, tính kết hợp vi mạch với 3.2 Sai số nguyên nhân sai số thiết bị đo Trong trình đo xảy sai số - Ngun nhân sai số chủ yếu nguồn phát xung 1Hz tạo IC 555 Khi ta tính tốn giá trị R1, R2 tròn nên khơng thể đáp ứng xác tuyệt đối Bên cạnh nhiễu xung ta cấp đồng thời xung Hz xung x Hz vào AND 3.3 Các hạn chế tồn phương hướng khắc phục A Hạn chế • Mạch sử dụng linh kiện đơn giản nên thiết kế trở nên phức tạp cồng kềnh, gây lãng phí tài đồng thời chưa đảm bảo tính linh động tính xác tuyệt đối Một số chức vi mạch chưa sử dụng cách triệt để B Phương hướng khắc phục : Sử dụng linh kiện hợp lý cao cấp như: bảng LED gồm led tích hợp giải mã, mạch trở nên đơn giản nhiều, Đồng thời tính tốn lại giá trị điện trở mạch phát xung lấy giá trị cách xác 3.4 Kết luận chung Sau thời gian tìm hiểu tài liệu kiến thức có mơn « Vi mạch tương tự vi mạch số » hướng dẫn giáo Phạm Thi Hồng Hạnh nhóm chúng em hồn thành tập lớn đề tài « Mạch đo tần số » NHÓM TRANG 29 Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số song kiến thức hạn chế chưa có kinh nghiệm nên mạch thiết kế nhiều thiếu sót Chúng em mong thầy giáo thơng cảm, bỏ qua giúp đỡ chúng em để làm hoàn thiện, chúng em xin chân thành cảm ơn! Cuối chúng em xin chúc thầy, cô giáo sức khỏe dồi dào, thành công nghiệp trồng người Chúng em xin chân thành cảm ơn! NHÓM TRANG 30 Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số Chương 4: Một số mạch tham khảo thêm Dưới số mạch đo tần số mà nhóm tham khảo Nhưng kiến thức chun mơn thời gian khơng đủ để nghiên cứu nhóm chưa tìm hiểu hết nguyên lý Nhóm đưa vào để bạn tham khảo biết thêm số mạch khác ngồi mạch nhóm thực Mạch đo thang đo Hz, KHz, Mhz khoảng từ 1Hz-60 MHz NHÓM TRANG 31 Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số Mạch đo tần số đo nguồn cách chuyển cơng tắc sau bấm reset NHĨM TRANG 32 Trường ĐHCN Hà Nội NHĨM Mơn Vi mạch tương tự vi mạch số TRANG 33 ...Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số GIỚI THIỆU BÀI TẬP LỚN Đề Tài: Thiết Kế Mạch Đo Tần Số Nội Dung - Thiết kế mạch đo tần số dùng Led để hiển thị... kiến để đồ án hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn Nguyễn Thu Hà giúp đỡ nhóm em hồn thành tập lớn này! NHĨM TRANG Trường ĐHCN Hà Nội Môn Vi mạch tương tự vi mạch số Mục lục Chương 1: Trình... ngõ vào mức cao 2.4.9 Khối tín hiệu cần đo Nguồn tín hiệu cần đo tín hiệu xung vng xoay chiều Tại bài: Ta chọn tín hiệu vuông tần số 1234Hz 2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch NHÓM TRANG 23 Trường ĐHCN Hà