Đề tài Thiết kế bộ đo tần hiển thị số

phần I: Giới thiệu đề tài và yêu cầu của đề tài 1.Đề tài Thiết kế bộ đo tần hiển thị số 2.Yêu cầu -Đối với tín hiệu vào: +Biên độ đạt từ 5 mV đến 50 mV +Tín hiệu vào có thể hình sin, xung vuông, xung tam giác. +Tần số từ 0 đến 9999 Hz -Kết quả ra: phải ở dạng hiện số ra Led 7 thanh 3. Kết quả đã đạt được -Đối với tín hiệu vào: +Biên độ nhỏ nhất có thể là một vài mV cho đến một vài Vôn. +Tín hiệu vào có thể là hình sin, xung vuông, xung tam giác. +Tần số hiển thị cực đại cho phép lên đến 999999 Hz(1 Mhz theo sơ đồ nguyên lý). Tần số đo được thực tế khoảng vài chục KHz. phần II: phân tích mạch 1.Phân tích để tạo sơ đồ khối -Do yêu cầu của tín hiệu vào có biên độ rất nhỏ, do đó phải có một bộ tiền khuếch đại ở đầu vào. -Do yêu cầu hiển thị số nên phải có một bộ đếm ở đầu ra làm nhiệm vụ đếm tần số và hiển thị ra Led 7 thanh -Vì đầu vào tương tự ở dạng hình sin, xung vuông, xung tam giác đầu ra là một mạch đếm số do đó phải có một mạch sửa dạng tín hiệu chuyển tất cả tín hiệu về dạng xung vuông để các mạch số có thể làm việc được. 2.Sơ đồ khối của bộ đo tần số Kết quả quả Uvào Mạch đếm Sửa dạng Khuếch đại 3.Yêu cầu cho từng khối -Tầng khuếch đại: +Giữ nguyên tần số tín hiệu +Có thể khuếch đại điện áp vào ít nhất từ 5 mV trở lên +Điện áp ra phải từ khoảng 1V trở lên -Tầng sửa dạng: với mọi tín hiệu ở đầu vào phải cho đầu ra ở dạng xung vuông có đủ tiêu chuẩn cho một mạch số ở tầng sau. -Mạch đếm: đủ khả năng phản ứng với tốc độ biến đổi xung ở đầu vào, cho kết quả tương ứng chính xác ở đầu ra. phần III: Thiết kế các khối A.Thiết kế phần gia công tín hiệu nhỏ tương tự 1.Khối tiền khuếch đại -Do sự hạn chế về thiết bị đo lường các tín hiệu tương tự (Oxilô, máy hiện dạng sóng, đồng hồ đo...) nên mạch khuếch đại phải đạt yêu cầu đơn giản, dễ điều chỉnh, dễ tính toán. Do đó mạch khuếch đại dùng IC khuếch đại thuật toán được chọn. Loại dùng phổ biến rất dễ mua là HA17741 do hãng Hitachi sản xuất. -Một số thông số điển hình của IC HA17741 Điện áp cung cấp (nguồn) 5 đến 18 V Khả năng khuếch đại điện áp 108 dB Công suất ra tải 670 mW Điện áp ra khuếch 13V -Sơ đồ mạch khuếch đại được sử dụng là sơ đồ khuếch đại không đảo (giữ nguyên pha, tần số của tín hiệu vào): -Để đáp ứng được yêu cầu biên độ tín hiệu vào của bộ tiền khuếch đại là 5mV, điện áp ra tương ứng với nó chọn khoảng 2 đến 2,5V ta tính được hệ số khuếch đại là(các phép tinh coi như gần đúng khi giả sử hệ số khuếch đại vi sai vô cùng lớn): Ku=2,5/5.10-3=500 -Do đó chọn mạch hồi tiếp có giá trị gần nhất là: R1=1k R2=560k =>Ku=560 -Do các mạch số chỉ hoạt động với tín hiệu một cực tính nên ta chủ động cắt bỏ phần âm của tín hiệu bằng cách chỉ cung cấp nguồn một cực tính cho HA17741 (trên hình vẽ). -Với biên độ tín hiệu vào nhỏ hơn 0.8*Vcc/Ku=0.8*8/560 khoảng 10mA thì tín hiệu ra khỏi tầng không méo. Dạng và tần số tín hiệu ra giống như tín hiệu vào. -Qua chương trình mô phỏng trên máy tính ELECTRONICS WORKBENCH 5.12 ta có dạng sóng tại cửa vào và cửa ra tại các biên độ điện áp khác nhau của tín hiệu vào như hình vẽ: -Tín hiệu vào hình sin biên độ 5mV tần số 1KHz: -Tín hiệu vào là xung tam giác biên độ 5mV tần số 1KHz: -Tín hiệu vào là xung vuông 5mV 1KHz: -Khi biên độ tín hiệu đầu vào lớn hơn 0.8*Vcc/Ku thì đầu ra có méo dạng nhưng tần số không thay đổi. Tuy nhiên sự méo dạng này lại rất có ích và có thể cho đó là quá trình sửa dạng sơ bộ vì tín hiệu cuối cùng chúng ta cần là xung vuông. -Khi để tín hiệu vào là 25mV hình sine tần số 1KHz ta thu được dạng sóng: -Tín hiệu là xung tam giác 25mV 1KHz: -Tín hiệu là xung vuông 25mV 1KHz: 2.Khối sửa dạng Sau khi đã khuếch đại tín hiệu ta tiến hành sửa dạng tín hiệu thành dạng xung vuông như mong muốn để đưa vào tầng đếm số. Khối này phải đáp ứng được các yêu cầu khi đưa các tín hiệu có dạng sine, xung răng cưa hay xung vuông vào đầu vào thì đầu ra phải có dạng xung vuông mang đầy đủ các chỉ tiêu để các mạch số có thể làm việc được. Ta có thể đáp ứng các yêu cầu trên với một bộ so sánh dùng IC thuật toán: Nguyên lý làm việc của mạch trên như sau: -Khi Vin lớn hơn 0V thì Vout = +Vcc -Khi Vin nhỏ hơn hoặc bằng 0V thì Vout = 0V Với nguyên lý làm việc như trên mạch so sánh có thể đáp ứng được các yêu cầu về sửa dạng xung một cực tính ở tầng ra của bộ khuếch đại. Thực hiện mô phỏng trên ELECTRONICS WORKBENCH 5.12 lấy các tín hiệu ở đầu ra của bộ khuếch đại làm đầu vào của bộ so sánh ta được các kết quả tương ứng với những trường hợp đã đo ở phần thiết kế bộ khuếch đại. -Khi tín hiệu tầng vào đầu tiên là hình sin 5mV-1 KHz: -Khi tín hiệu tầng vào đầu tiên là xung tam giác 5mV-1 KHz: -Khi tín hiệu tầng vào đầu tiên là xung vuông 5mV-1 KHz: -Khi tín hiệu tầng vào đầu tiên là hình sin 25mV-1 KHz: -Khi tín hiệu tầng vào đầu tiên là xung tam giác 25mV-1 KHz: -Khi tín hiệu tầng vào đầu tiên là xung tam giác 5mV-1 KHz: Ta nhận thấy khi tín hiệu của tầng vào đầu tiên nhỏ ( ứng với trường hợp chưa bị méo) thì mạch so sánh tiến hành sửa dạng rất hiệu quả còn khi tín hiệu qua tầng khuếch đại đã bị méo thì mạch sửa dạng không còn hiệu quả lắm do dạng tín hiệu đã gần giống với xung vuông. Do đó ta thấy khi tín hiệu cần đo tần có biên độ đủ lớn thì mạch khuếch đại có thể kiêm luôn chức năng sửa dạng. Tiến hành đo thử với tín hiệu đầu vào hình sin 1V-1KHz: Rõ ràng là tín hiệu đầu vào và đầu ra của mạch sửa dạng lúc này là rất giống nhau. Vì vậy mạch sửa dạng chỉ có tác dụng dự phòng khi ta sử dụng thiết bị để đo các tín hiệu có biên độ nhỏ 3.Nhận xét chung: Trong hai tầng gia công tín hiệu trên ta đều dùng các IC khuếch đại thuật toán để gia công tín hiệu vào. Các chỉ tiêu của bộ đo tần sẽ phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng gia công tín hiệu của hai tầng này. Về mặt tần số: do các IC này có thời gian trễ khá lớn khoảng us/V nên không thể làm việc được khi tần số tín hiệu vào cao (chỉ khoảng vài chục KHz trở xuống). Để khắc phục nhược điểm này ta có thể thay thế bằng các IC có tốc độ phản ứng nhanh hơn nhiều(cỡ ns) như uA710, A110, LM310-339 hoặc NE521... Trong đề tài này do yêu cầu tần số không cao(dưới 10 KHz) và do linh kiện sẵn có nên để tiết kiệm các IC HA17741 đã được sử dụng. Các IC này có đủ khả năng đáp ứng được dải tần số yêu cầu. B.Bộ đếm 1.Giới thiệu về bộ đếm BCD 3 chữ số MC14553 của hãng Motorola Sơ đồ chân của MC14553 -Trong MC14553 có 3 bộ đếm BCD hoàn chỉnh, một mạch quét để phục vụ hiển thị kết quả tại cùng một cổng ra. -Các chân DS1, DS2, DS3(Digit Select) chọn các Led 7 thanh hiển thị kết quả, tích cực ở mức thấp -Các chân A,B,C,D là đầu ra mã BCD để đưa vào bộ giải mã Led 7 thanh, tích cực mức cao -LE (Latch Enable) cho phép chốt tích cực ở mức cao. Khi đưa tín hiệu mức 1 vào chân này thì trạng thái của ba bộ đếm sẽ được chốt -CLK(Clock) đưa xung đếm vào bộ đếm, tích cực sườn xuống -MR (Master Reset): Khởi động lại bộ đếm mỗi khi có tín hiệu mức 1 -DIS (Disable): Vô hiệu hoá xung vào CLK(Clock) khi được đưa lên mức 1 -OF (Over Flow): Tràn, mỗi khi có tràn sẽ có 1 xung ra -C1,C2: Nối vào một tụ để tạo dao động quét cho mạch quét. Khi cấp nguồn 10V thì tần số quét được tính fosc=4.2/C (Hz) tụ C tính ra uF Bảng sự thật x=Don’t care Đây là bộ đếm dùng công nghệ MOS rất đa năng, gọn nhẹ có dải tần đến 1 vài MHz. Điện áp cung cấp từ 5 đến 18 V, có thể ghép nối TTL 2.Sơ đồ bộ đếm Dùng 2 IC MC14553 kết hợp với hai bộ giải mã, 6 Led 7 thanh, và một mạch ngoài ta có sơ đồ bộ đếm 6 Digit Trong đó CLKin là chân đưa tín hiệu cần đếm vào CLK 1Hz đưa tín hiệu 1Hz để Reset lại bộ đếm sau 1s và chốt đầu ra để hiển thị kết quả. Nguyên lý: -Dãy xung đếm được đưa vào chân CLKin (chân 12 của IC14553 thứ nhất). Mỗi khi tràn bộ đếm này thì sẽ có 1 xung ra chân OF(chân 14) gửi sang bộ đếm thứ hai. -Hai IC 4511 làm nhiệm vụ giải mã để đưa ra Led 7 thanh -Tại chân CLK 1s : sẽ có dãy xung vào có dạng 1s 5s 1s -Trong thời gian 1s không có xung, cả chân LE(Latch) và chân MR(Reset) đều ở mức 0. Bộ đếm đếm số xung vào chân CLK -Tại 5s có xung tiếp theo, chân LE sẽ có xung 1 trước để chốt đầu ra của bộ đếm. Qua hai cổng NAND của IC4511, mức 1 được đưa vào trễ hơn chân LE một chút để Reset lại bộ đếm sau khi đã được chốt. Kết quả sẽ được đưa ra hiển thị trong 5s(đủ thời gian để người sử dụng đọc kết quả). -Tại 1s tiếp theo, mức được đưa vào để bỏ chốt trước(LE về 0) sau đó cho phép bộ đếm được đếm lại từ 0(MR về 0). -Hai bộ đếm MC14553 sẽ nối chung tụ tại chân 3 và 4 để chúng đồng bộ với nhau về tốc độ cũng như thời gian quét đầu ra. -Các chân DS1,DS2,DS3 của 1 trong 2 IC14553 được nối qua 3 Transitor để cho hai đèn Led sáng trong cùng 1 thời điểm. 3.Mạch tạo xung cho chân CLK 1Hz dùng IC 555 Đây là mạch được lắp theo sơ đồ có thể điều khiển được độ rộng xung ra dựa vào việc điều chỉnh thời gian phóng nạp cho tụ C2 0.7R2C2 0.7R3C2 -Khi điều giá trị của R2 và R3 hợp lý ta sẽ có được thời gian đếm xung là 1s và thời gian hiển thị kết quả có thể chọn theo ý muốn. Việc điều chỉnh sẽ dễ dàng khi ta đưa vào đầu vào một xung chuẩn có tần số biết trước. Phần IV: Sơ đồ mạch hoàn chỉnh và phần mạch in 1.Sơ đồ mạch hoàn chỉnh: 2.Sơ đồ thiết kế mạch in hai lớp a.Lớp trên 3.Sơ đồ lớp dưới