Đồ án Thiết kế mạch điện tử mạch phân tích phổ âm tần

PHAÀN I: GIÔÙI THIEÄU SÔ ÑOÀ KHOÁI VAØ NGUYEÂN LYÙ HOAÏT ÑOÄNG I. Sô ñoà khoái cô baûn maïch phaân tích phoå aâm taàn: Ngaõ vaøo Boä loïc taàn 1 Boä loïc taàn 2 Boä loïc taàn n Maïch VU-LED (n maïch) Hieån thò. Sô ñoà khoái cô baûn cuûa maïch phaân tích phoå aâm taàn 1. Sô ñoà khoái: 2. Nguyeân lyù hoaït ñoäng: Tín hieäu töø ngaõ vaøo ñöôïc ñöa vaøo töøng boä loïc taàn. Boä loïc taàn duøng loaïi maïch loïc tích cöïc daûi thoâng. Maïch chæ ñeå cho caùc tín hieäu trong moät daûi taàn qui ñònh ñi qua vaø loïc boû caùc thaønh phaàn khaùc. Coù theå duøng transistor keát hôïp vôùi caùc tuï ñieän vaø ñieän trôû ñeå hình thaønh neân maïch loïc tích cöïc hoaëc duøng caùc OP-AMP keát hôïp vôùi caùc linh kieän thuï ñoäng beân ngoaøi ñeå coù maïch loïc tích cöïc. Soá maïch loïc caøng nhieàu thì boä phaân tích phoå taàn caøng coù ñoä phaân giaûi taàn soá caøng cao, ñöôïc theå hieän trong chæ tieâu chaát löôïng cuûa maïch cao hôn. Maïch VU-LED duøng ñeå hieån thò möùc bieân ñoä cuûa tín hieäu sau khi qua boä loïc taàn. Maïch naøy coù theå duøng linh kieän rôøi hoaëc duøng caùc IC chuyeân duïng. Caùc ñöôøng ra caøng nhieàu thì maïch coù ñoä phaân giaûi bieân ñoä caøng lôùn. Trong sô ñoà treân ta thaáy moãi boä loïc taàn caàn coù moät maïch VU-LED cho vieäc hieån thò, caøng nhieàu boä loïc taàn (ñoä phaân giaûi taàn soá cuûa maïch caøng cao) thì caøng duøng nhieàu maïch VU-LED. Ñieàu naøy seõ gaây cho maïch söï keát noái phöùc taïp. Ñeå khaéc phuïc nhöôïc ñieåm cuûa sô ñoà treân ta xeùt nhöõng caûi tieán trong sô ñoà khoái sau: II. Sô ñoà khoái maïch phaân tích phoå aâm taàn duøng hieån thò daïng queùt (multiplex): 1. Sô ñoà khoái: Maïch VU-LED Ngaõ vaøo Boä loïc taàn 1 Boä loïc taàn 2 Boä loïc taàn n Chuyeån maïch ñieän töû. Ma traän hieån thò. Maïch ñeám & giaûi maõ. Maïch thuùc Maïch dao ñoäng Sô ñoà khoái cuûa maïch phaân tích phoå aâm taàn duøng hieån thò daïng queùt 2. Nguyeân lyù hoaït ñoäng: Sô ñoà naøy theå hieän öu ñieåm laø chæ duøng moät maïch VU-LED baát keå soá löôïng maïch loïc laø bao nhieâu, soá ñöôøng noái daây ra maïch hieån thò cuõng ñôn giaûn hôn do vieäc söû duïng ma traän hieån thò laø söï keát hôïp giöõa haøng vaø coät. Soá löôïng coät töông öùng vôùi soá löôïng maïch loïc taàn, coøn soá haøng chính laø soá löôïng ñaàu ra cuûa maïch VU-LED. Sô ñoà naøy cuõng bao goàm n boä loïc taàn, caùc ngoõ ra cuûa caùc boä loïc taàn ñöôïc ñöa vaøo boä chuyeån maïch, taïi töøng thôøi ñieåm chuyeån maïch chæ cho tín hieäu cuûa moät boä loïc taàn ra maø thoâi. Ñieàu khieån boä chuyeån maïch ñöôïc thöïc hieän bôûi maïch ñeám & giaûi maõ, tín hieäu xung clock cuûa maïch dao ñoäng ñöa vaøo maïch ñeám & giaûi maõ, soá ngoõ ra cuûa maïch ñeám & giaûi maõ töông öùng laø n. Ngoõ ra cuûa maïch ñeám & giaûi maõ cuõng ñoàng thôøi ñöôïc ñöa ñeán maïch thuùc ñeå queùt caùc coät. Neáu taàn soá xung clock ñuû nhanh thì maét ta seõ bò ñaùnh löøa cho caûm giaùc ñoàng thôøi caùc coät ñeàu saùng nhöng thöïc ra taïi moät thôøi ñieåm thì chæ coù moät coät saùng. PHAÀN II: CAÙC MAÏCH LOÏC I. Giôùi thieäu caùc maïch loïc: Thöôøng trong caùc thieát bò ñieän hoaëc ñieän töû caàn chaën hoaëc caàn cho qua nhöõng taàn soá naøo ñoù ngöôøi ta thöôøng duøng boä loïc taàn soá. Tröôùc kia noù ñöôïc döïng chuû yeáu baèng nhöõng phaàn töû ñieän caûm L vaø ñieän dung C. Ngaøy nay IC khueách ñaïi thuaät toaùn (OP AMP) coù kích thöôùc nhoû, coù nhieàu ñaëc tính öu vieät, giaù thaønh haï, tính toaùn thieát keá ñôn giaûn neân ñöôïc öa chuoäng ñeå döïng caùc boä loïc tích cöïc RC. Coù nhieàu loaïi maïch loïc tích cöïc khaùc nhau chaúng haïn nhö maïch Butterworth vaø Chebyshev. Tröôùc khi xeùt ñeán caùc boä loïc ta caàn xeùt ñeán baäc cuûa boä loïc. Baäc cuûa boä loïc xaùc ñònh ñoä doác ñöôøng caét. Soá baäc caøng cao, ñöôøng caét caøng doác. Baäc loïc gia taêng theo 6dB/oct. Maïch loïc tích cöïc ñôn giaûn nhaát laø maïch loïc baäc nhaát vôùi ñoä doác laø 6db/oct. Caùc maïch loïc tích cöïc cao caáp hôn coù theå coù baäc cao hôn, ví duï moät boä loïc baäc hai coù ñoä doác ñöôøng caét laø 12dB/oct. Phaàn döôùi, do yeâu caàu cuûa ñeà taøi, trình baøy chuû yeáu veà maïch loïc daûi thoâng. Sau ñaây laø giôùi thieäu caùc loaïi maïch loïc: 1. Maïch loïc thoâng thaáp: Bieân ñoä Taàn soá Fc (taàn soá caét) Maïch loïc Butterworth ñöôïc thieát keá ñeå coù ñaùp öùng bieân taàn phaúng trong daûi thoâng vaø coù ñaëc tính ñöôøng cong trôn tru. Hình döôùi trình baøy bieåu ñoà ñaùp öùng taàn soá cuûa moät maïch loïc Butterworth baäc nhaát ñieån hình. Fc Moät loaïi phoå bieán khaùc cuûa ñaùp öùng loïc ñöôïc theå hieän bôûi maïch loïc Chebyshev. Bieåu ñoà ñaùp öùng bieân taàn cuûa moät maïch loïc thoâng thaáp Chebyshev ñöôïc trình baøy ôû hình döôùi. Ñaùp öùng bieân taàn cuûa maïch loïc khoâng phaúng ôû taàn soá thaáp hôn taàn soá caét nhö trong boä loïc Butterworth. Trong boä loïc Chebyshev, coù moät söï giaûm veà bieân ñoä ôû phía tröôùc taàn soá caét vaø bieân ñoä laïi taêng trôû laïi tröôùc khi ñöôøng suy giaûm baét ñaàu. Thuaän lôïi chuû yeáu cuûa maïch loïc Chebyshev laø coù ñaëc tính ñöôøng suy giaûm raát doác. Caùc maïch dieän thöïc söï cuûa maïch loïc Butterworth vaø Chebyshev thöôøng thì khaù gioáng nhau. Thoâng thöôøng, söï khaùc bieät duy nhaát trong hai maïch loïc laø giaù trò caùc linh kieän thöïc söï ñöôïc söû duïng. 2. Maïch loïc thoâng cao: Veà maët chöùc naêng, moät maïch loïc thoâng cao ñoùng vai troø ñoái laäp vôùi moät maïch loïc thoâng thaáp. Neáu boû qua ñöôøng cong suy giaûm, nhöõng caùi ñöôïc cho qua bôûi maïch loïc thoâng thaáp seõ bò chaën laïi bôûi maïch loïc thoâng cao vaø ngöôïc laïi. Caùc maïch loïc tích cöïc thoâng cao khaù gioáng caùc maïch loïc tích cöïc thoâng thaáp. ngoaïi tröø vò trí cuûa moät soá linh kieän bò thay ñoåi. Cuõng gioáng nhö maïch loïc tích cöïc thoâng thaáp, moät maïch loïc tích cöïc thoâng cao cuõng coù caû ñaùp öùng Butterworth laãn ñaùp öùng Chebyshev ñöôïc trình baøy döôùi ñaây. Bò chaën Fc Cho qua Fc Cho qua Bò chaën 3. Maïch loïc daûi thoâng: Noùi chung caùc maïch loïc daûi thoâng phöùc taïp hôn nhieàu so vôùi caùc maïch loïc thoâng thaáp vaø thoâng cao. Theo moät maët naøo ñoù, caùc maïch loïc thoâng thaáp vaø thoâng cao cuõng laø moät loaïi maïch loïc daûi thoâng. Trong moät maïch loïc thoâng thaáp, taàn soá caét döôùi laø moät ñieåm töôûng töôïng naèm döôùi 0Hz. Ñoái vôùi maïch loïc thoâng cao, taàn soá caét treân ñöôïc xaùc ñònh bôûi ñaùp öùng taàn soá cuûa OP-AMP (hay caùc linh kieän tích cöïc khaùc) ñöôïc duøng trong maïch loïc. Moät maïch loïc daûi thoâng coù theå ñöôïc taïo ra baèng caùch maéc noái tieáp maïch loïc thoâng thaáp vaø maïch loïc thoâng cao. Caùc maïch loïc daûi thoâng phöùc taïp hôn vì coù nhieàu thoâng soá hôn vaø vì theá linh hoaït hôn. Caùc thoâng soá bao goàm nhö: ñoä lôïi (K), baäc loïc (n), taàn soá trung taâm (Fc), vaø baêng thoâng (BW) ngoaøi ra coøn coù moät thoâng soá nöõa laø heä soá phaåm chaát Q, ñöôïc suy ra töø Fc vaø BW. Fl Fc Fh 4. Maïch loïc daûi chaën: Moät maïch loïc daûi chaën cho haàu heát moïi taàn soá ñi qua noù ngoaïi tröø nhöõng taàn soá naèm trong moät khoaûng ñöôïc xaùc ñònh (thöôøng laø heïp). Caùc maïch loïc daûi chaën thöôøng ñöôïc duøng ñeå loaïi boû nhöõng thaønh phaàn taàn soá khoâng mong muoán. Caùc taàn soá cao hôn vaø thaáp hôn daûi chaën ñeàu ñöôïc maïch loïc daûi chaën cho qua deã daøng. Trong ñoà thò ñaùp öùng bieân taàn ta thaáy coù moät loã hoång hay loõm xuoáng vì theá maïch naøy thöôøng ñöôïc goïi laø maïch loïc Notch. Fl Fc Fh II. Chi tieát veà maïch loïc daûi thoâng: Maïch loïc daûi thoâng cô baûn ñöôïc minh hoïa beân döôùi: Sô ñoà nguyeân lyù cuûa moät maïch loïc daûi thoâng cô baûn Maïch naøy coù theå ñöôïc thieát keá ñeå cho ñoä lôïi töø thaáp tôùi trung bình vaø giaù trò Q coù theå cao tôùi 20, giaù trò thaáp hôn cuûa Q coù theå ñöôïc choïn löïa baèng caùch duøng caùc giaù trò linh kieän thích hôïp. Trong maïch choïn C1 = C2 = C ñeå deã tính toaùn. Caùc thoâng soá cho tröôùc laø taàn soá trung taâm (Fc), ñoä lôïi (K) vaø Q. Trong haàu heát caùc tröôøng hôïp, giaù trò Q coù theå ñöôïc suy ra töø taàn soá trung taâm vaø baêng thoâng cuûa boä loïc daûi thoâng. Vôùi caùc thoâng soá cho tröôùc, ta coù caùc coâng thöùc ñeå tính R1, R2 vaø R3: Ñoä lôïi ñöôïc xaùc ñònh baèng tæ soá giöõa R1 vaø R3: Moät haïn cheá quan troïng cho maïch naøy laø neáu coù ñoä lôïi (K) cao thì Q cuõng phaûi cao. Khoâng theå thieát keá maïch loïc vôùi ñoä lôïi cao vaø Q thaáp bôûi vì giaù trò cuûa R2 seõ aâm. Trong maïch, baäc loïc ñöôïc xaùc ñònh bôûi giaù trò Q. Giaù trò Q caøng cao, ñöôøng caét caøng doác. Khi cho tröôùc C, R1, R2, R3, coù theå tính ñöôïc: Q = pFc.C.R3. PHAÀN III: CAÙC MAÏCH VU-LED I. Caùc maïch VU-LED duøng linh kieän rôøi: 1. Maïch duøng transistor: Input Maïch VU-LED duøng transistor Trong sô ñoà treân, Q1 vaø Q2 taïo thaønh boä khueách ñaïi hai taàng. Khi ôû ñaàu vaøo khoâng coù tín hieäu, Q1 haàu nhö ñoùng (traïng thaùi naøy ñöôïc xaùc ñònh bôûi bieán tôû R4), ñoä suït aùp treân R2 nhoû, khoâng ñuû môû Q2 bôûi vaäy treân cöïc C cuûa Q2 khoâng coù doøng ra, caùc LED taét. Khi coù ñieän aùp döông ñaët ôû ñaàu vaøo, Q1 môû, ñieän aùp vaøo caøng lôùn, Q1 môû caøng nhieàu. Do ñoù Q2 cuõng ôû vaø coù doøng ñieän ra ôû cöïc C. Doøng ñieän naøy caøng lôùn khi ñieän aùp ñaàu vaøo caøng maïnh. Khi coù doøng ñieän thì caùc LED laàn löôït saùng, baét ñaàu töø LED cuoái cuøng (LED7) Khi coù doøng ñieän töø cöïc C cuûa Q2 thì doøng ñieän naøy haàu nhö hoaøn toaøn ñi qua R12 vaø LED7 vaø taïo neân suït aùp treân ñoaïn naøy (taïi anod LED6 so vôùi mass). Vôùi moät doøng ñieän xaùc ñònh LED7 saùng vaø ñieän aùp suït treân noù khoaûng 1,8 ¸ 2V. Trong quaù trình doøng ñieän taêng leân, ñieän aùp naøy khoâng ñoåi. Moät caùch khaùc LED7 ñoùng vai troø cuûa moät oån aùp. Nhöng doøng ñieän taêng daãn ñeán vieäc taêng ñieän aùp taïi anod LED6. Khi ñieän aùp naøy ñaït giaù trò baèng toång ñieän aùp suït treân LED7 vaø diode môû D6 (0,7V) töùc laø khoaûng 2,5 ¸ 2,7V thì LED6 phaùt saùng. LED5 seõ saùng tieáp theo khi doøng cöïc C cuûa Q2 tieáp tuïc taêng, khi maø ñieän aùp taïi anod LED5 ñaït ñeán giaù trò baèng toång ñieän aùp suït treân LED ñang saùng vaø caùc diode môû D5, D6. Toùm laïi LED tieáp theo chæ saùng khi taêng ñieän aùp anod cuûa chuùng (so vôùi mass) leân khoaûng 0,7V so vôùi ñieän aùp treân anod cuûa LED tröôùc ñoù. Khi doøng ñieän ra treân cöïc C cuûa Q2 giaûm thì caùc LED taét theo thöù töï töø treân xuoáng döôùi. Ñoä tuyeán tính cuûa LED chæ baùo phuï thuoäc vaøp vieäc choïn löïa chính xaùc caùc ñieän trôû R7 ¸ R12 cuõng nhö caùc tham soá gioáng nhau cuûa caùc LED. Maïch naøy khoâng chæ laøm vieäc ñöôïc vôùi nguoàn tín hieäu ñieän aùp khoâng ñoåi ôû ñaàu vaøo maø coøn vôùi nguoàn tín hieäu laø aâm taàn. Trong tröôøng hôïp naøy, maïch chæ laøm vieäc vôùi caùc nöûa chu kì döông cuûa tín hieäu. 2. Maïch duøng caùc OP-AMP: Maïch chæ thò möùc ñieän aùp Trong maïch, caùc ñaàu vaøo khoâng ñaûo ñaõ ñöôïc noái vaøo maïch phaân aùp ñeå laáy möùc ñieän aùp maãu, trong khi ñoù ñieän aùp tín hieäu vaøo cuøng luùc ôû caùc ñaàu vaøo ñaûo. Maïch so aùp seõ so saùnh caùc möùc ñieän aùp vaøo vaø laøm saùng caùc LED töông öùng. II. Giôùi thieäu caùc IC VU-LED chuyeân duøng: 1. AN 6884: AN 6884 laø loaïi IC VU-LED coù 9 chaân, hieån thò daïng vaïch. Caùc chaân ñeàu ñöôïc ñaët ôû moät beân. IC naøy coù 5 ñöôøng ra, doøng ra coù tính haèng. Ñieän aùp nguoàn nuoâi Vcc = 3,5 ¸16V, coâng suaát tieâu taùn cöïc ñaïi PDmax = 1100mW, doøng cung caápIcc = 18mA, doøng ra Io = 15mA, nhieät ñoä hoaït ñoäng Topr = -20 ¸ 75oC. Tín hieäu vaøo tröïc tieáp coù theå laø DC hoaëc AC. Sô ñoà chaân cuûa AN 6884: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 AN 6884 Chöùc naêng caùc chaân nhö sau: - Caùc chaân 1, 2, 3, 4, 6 laø caùc ñöôøng ra. - Chaân 5 noái mass, chaân 9 noái vôùi nguoàn +Vcc. - Chaân 8 laáy tín hieäu vaøo. - Chaân 7 maéc boä loïc laáy taàn thaáp R vaø C. Maïch öùng duïng AN 6884: Vcc input Sô ñoà VU LED AN6884 2. LM 3914: LM 3914 laø moät IC ñôn khoái coù theå ñieàu khieån hieån thò 10 LED chuyeån bieán theo moät ñieän aùp vaøo töông töï. Hieån thò cuûa noù laø tuyeán tính vaø noù coù moät chaân cho pheùp choïn phöông thöùc hieån thò baèng ñieåm (dot) hoaëc baèng thanh (bar). Caùc thoâng soá kyõ thuaät: voû DIL 18 chaân, coù toång coâng suaát tieâu taùn PDmax = 1365mW vôùi nhieät ñoä tieáp giaùp cöïc ñaïi100oC, khoaûng ñieän aùp laøm vieäc Vcc = 3 ¸18V. LM 3914 ñöôïc söû duïng raát linh ñoäng, caùc ñaàu ra ñöôïc oån doøng vaø chöông trình hoùa neân traùnh ñöôïc vieäc duøng moät ñieän trôû haïn doøng truyeàn thoáng cho caùc LED. Ñaëc ñieåm naøy cho pheùp caáp nguoàn IC vôùi ñieän aùp thaáp ñeán 3V. LM 3914 coù nguoàn ñieän aùp chuaån 1,25V neân cho pheùp chænh töø 1,2 ¸ 12V vaø ñònh doøng cho caùc LED trong phaïm vi töø 2 ¸ 30mA. O1 V- V+ RLO IN RHI REFOUT REFADJ MODE O2 O3 O4 O5 O6 O7 O8 O9 O10 Sô ñoà chaân Chöùc naêng caùc chaân nhö sau: - Chaân 2,3 : chaân nguoàn V-, V+. - Chaân 1, 10-28: caùc ngoõ ra. - Chaân 4, 6: laø caùc ngoõ ra cuûa maïch chia volt. - Chaân 7: ngoõ ra cuûa nguoàn aùp chuaån. - Chaân 8: chænh ñieän aùp chuaån. - Chaân 9: choïn cheá ñoä hieån thò. Khi ñöôïc noái vaøo chaân 11 thì caùc LED saùng theo daïng ñieåm, khi noái vaøo nguoàn V+ thì caùc LED saùng theo daïng vaïch. Ñieän aùp chuaån coù saün ôû chaân 7 thöôøng ñöôïc gaén vaøo boä chia aùp 10 taàng ñònh thieân ñaàu vaøo khoâng ñaûo cuûa caùc boä so saùnh ñieàu chænh caùc ñaàu ra. Ñieän aùp ñieàu khieån ñöôïc ñöa vaøo boä khueách ñaïi ñeäm ñeå baûo veä quaù aùp vaø aùp nghòch baèng moät ñieän trôû vaø moät diode. Boä ñeäm vaøo coù trôû khaùng cao, doøng ñònh thieân nhoû neân IC hoaït ñoäng ñöôïc vôùi nhöõng tín hieäu gaàn möùc zero. Möôøi boä so saùnh beân trong ñöôïc ñieàu khieån töøng caùi moät baèng boä ñeäm, ñieàu naøy cho pheùp chæ baùo chính xaùc ñeán 0,5% trong moâi tröôøng nhieät ñoä cao. Sau ñaây laø sô ñoà öùng duïng cuûa LM 3914: Sô ñoà öùng duïng cuûa LM3914 PHAÀN IV: THIEÁT KEÁ MAÏCH PHAÂN TÍCH PHOÅ AÂM TAÀN I. Sô ñoà khoái, choïn löïa thoâng soá: Trong ñoà aùn naøy, maïch phaân tích phoå aâm taàn coù ñoä phaân tích laø taàn soá 10, ñoä phaân tích bieân ñoä cuõng laø 10. Trong maïch söû duïng maïch hieån thò daïng queùt ñeå maïch goïn nheï, caùc ñöôøng keát noái ít cuõng nhö soá löôïng caùc linh kieän ñöôïc giaûm. Maïch VU-LED Ngaõ vaøo Boä loïc taàn 1 Boä loïc taàn 2 Boä loïc taàn 10 Chuyeån maïch ñieän töû. Ma traän hieån thò. Maïch ñeám & giaûi maõ. Maïch thuùc Maïch dao ñoäng Sô ñoà khoái cuûa maïch phaân tích phoå aâm taàn Chia maïch thaønh caùc phaàn chính nhö sau: khoái maïch loïc vôùi caùc chuyeån maïch ñieän töû; khoái maïch dao ñoäng, ñeám, thuùc vôùi maïch VU LED; vaø khoái maïch ma traän LED hieån thò. 1. Khoái maïch loïc vaø chuyeån maïch ñieän töû: ngaõ vaøo tín hieäu ngaõ ra tín hieäu nguoàn nuoâi ngaõ vaøo döõ lieäu c/maïch Maïch loïc Chuyeån maïch V+ GND V- Tín hieäu töø ngaõ vaøo ñöôïc ñöa ñoàng thôøi vaøo taát caû caùc boä loïc, taïi ngaõ ra cuûa caùc boä loïc naøy ñöôïc ñöa vaøo chuyeån maïch ñieän töû vôùi caùc ngaõ vaøo döõ lieäu ñieàu khieån chuyeån maïch. Taïi moät thôøi ñieåm chæ coù tín hieäu ra cuûa moät boä loïc. Ñieàu naøy ñöôïc thöïc hieän baèng caùch ñöa vaøo caùc döõ lieäu chuyeån maïch thích hôïp. ngaõ vaøo nguoàn nuoâi Maïch VU-LED V+ GND ngaõ ra haøng ngaõ ra coät ngaõ ra döõ lieäu c/maïch Maïch dao ñoäng Maïch ñeám & giaûi maõ Maïch thuùc 2. Khoái maïch dao ñoäng, ñeám, thuùc vôùi maïch VU LED: Trong khoái naøy, maïch VU LED laø ñoäc laäp vôùi nhöõng phaàn khaùc nhöng ñeå cho goïn neân ñöôïc goäp chung vaøo phaàn naøy. Tín hieäu ñöôïc ñöa vaøo maïch VU LED ñeå coù ñöôïc döõ lieäu töông öùng ôû ngaõ ra haøng. Maïch dao ñoäng taïo xung clock caáp cho maïch ñeám keát hôïp vôùi maïch giaûi maõ, caùc ngaõ ra cuûa maïch giaûi maõ chính laø caùc ngaõ ra döõ lieäu chuyeån maïch cho boä chuyeån maïch, ñoàng thôøi caùc ngaõ ra naøy cuõng ñöôïc ñöa vaøo maïch thuùc ñeå cho ra caùc ngaõ ra coät duøng ñeå queùt caùc coät. 3. Khoái maïch ma traän LED hieån thò: Khoái naøy laø khoái ñôn giaûn nhaát so vôùi caùc khoái. Ñaây laø moät ma traän goàm caùc haøng vaø caùc coät. Giao ñieåm cuûa haøng vaø coät chính laø LED ñöôïc gaén vaøo. Döõ lieäu ñöôïc ñöa vaøo haøng taïi töøng thôøi ñieåm töông öùng vôùi coät ñöôïc choïn ñeå hieån thò. ngaõ vaøo haøng ngaõ vaøo coät II. Thieát keá, tính toaùn: 1. Khoái maïch loïc vaø chuyeån maïch ñieän töû: a. Maïch loïc: Tuøy theo töøng caáp maùy, ta coù theå gaëp caùc maïch phaân tích phoå aâm taàn ñöôïc phaân chia thaønh nhöõng taàn soá trung taâm cuûa caùc boä loïc nhö 20Hz, 30Hz, 60Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1KHz, 2KHz, 4KHz, 8KHz, 16KHz, 20KHz, .... ÔÛ caùc maïch phaân tích phoå aâm taàn ñôn giaûn hôn, ta coù theå gaëp taàn soá trung taâm cuûa caùc boä loïc chæ coù 5 taàn soá, moät soá loaïi chuyeân duïng, soá taàn soá trung taâm leân ñeán 10, 15, 16, 32,... vaø dó nhieân soá löôïng taàn soá trung taâm caøng nhieàu thì maïch caøng coù chaát löôïng caøng cao. Thoâng thöôøng, caùc taàn soá trung taâm ñöôïc bieán thieân theo qui luaät Octave (taàn soá taêng gaáp ñoâi), chính laø do vaán ñeà xöû lyù haøi (harmonic). Ñieàu naøy quyeát ñònh raát lôùn ñoái vôùi ñoä roõ, chaát löôïng cuûa caùc nguoàn aâm ña daïng nhö caùc baøi nhaïc hoøa taáu vôùi nhieàu loaïi nhaïc cuï khaùc nhau. Ví duï nhö: thoâng thöôøng ta phaân bieät ñöôïc noát La ôû cuøng baùt ñoä cuûa moät ñaøn guitar vaø cuûa piano ñöôïc chính laø nhôø caùc haøi ôû caùc baùt ñoä cao hôn cuûa noát La chuaån maø ta phaân bieät ñöôïc ôû hai nhaïc cuï. Ta coù theå dieãn taû moät soá taàn soá maø loaïi nhaïc cuï coù theå ñaït ñöôïc nhö sau: - ÔÛ taàn soá 30Hz: thöôøng nghe ôû caùc loaïi Bass violin, Bass Tuba, Contrebass,... - ÔÛ taàn soá 60Hz: thöôøng nghe ôû caùc loaïi Trombone, Bassoon, Cello,... - ÔÛ taàn soá 100Hz: thöôøng nghe ôû caùc loaïi Viola, gioïng noùi con ngöôøi, Kettle drum, caùc guitar bass, troáng,... - ÔÛ taàn soá 330Hz: thöôøng nghe ôû ña soá caùc aâm cô baûn cuûa caùc nhaïc cuï vaø gioïng noùi con ngöôøi. - ÔÛ taàn soá 1KHz: vuøng taäp trung caùc aâm thanh cuûa caùc loaïi nhaïc cuï, caùc aâm cao cuûa con ngöôøi. - ÔÛ taàn soá 3,3KHz: taäp trung caùc aâm thanh do caùc loaïi ñaøn daây taïo ra, roõ neùt ôû daõy taàn soá laân caän naøy. - ÔÛ taàn soá 10KHz: taäp trung haøi baäc cao cuûa aâm cô baûn cuûa caùc loaïi nhaïc cuï, tieáng xì cuûa baêng töø gaây ra. - ÔÛ taàn soá cao hôn 10KHz: haøi baäc cao cuûa caùc aâm cô baûn vaø cuûa moät soá nhaïc khí ñaëc bieät. Töø caùc thoáng keâ töông ñoái ôû treân, ta coù ñöôïc moät soá yù nieäm veà coâng duïng cuûa caùc boä loïc. Vieäc thieát keá boä loïc coù theå phaân chia thaønh nhieàu boä loïc daûi thoâng ñoäc laäp coù taàn soá trung taâm rieâng bieät ñeå tính toaùn. Moät boä loïc daûi thoâng loaïi tích cöïc duøng OP-AMP, ta coù theå söû duïng caùc coâng thöùc sau laø keát quaû cuûa haøm truyeàn ñaït maïch: Taàn soá trung taâm Fc ñöôïc xaùc ñònh vôùi tuï C1 = C2. Ñieän trôû R1, R2 xaùc ñònh trôû khaùng vaøo cuûa maïch: Z = R1 + R2. Ñoä lôïi ñieän aùp cuûa maïch ñöôïc xaùc ñònh baèng: Heä soá phaåm chaát: Q = pFc.C.R3. Taàn soá trung taâm ñöôïc xaùc ñònh baèng coâng thöùc: Caùc giaù trò R1, R2, R3 ñöôïc tính toaùn baèng coâng thöùc: Khi tính toaùn boä loïc, coù theå choïn tröôùc moät vaøi thoâng soá, sau ñoù suy ra caùc giaù trò coøn laïi nhôø vaøo caùc coâng thöùc treân. Trong thieát keá, choïn Av =12dB laø ñoä lôïi cuûa maïch töông öùng vôùi K = 4, heä soá phaåm chaát Q = 2, ñieän trôû R1 = R2 = 120K, ta suy ra caùc thoâng soá khaùc nhö: R2 = 120KW; Þ R3 = 960KW (choïn R3 = 1MW) Q = pFc.C.R3. Þ Þ Ñeå ñaït ñöôïc caùc taàn soá trung taâm khaùc nhau cho caùc boä loïc, ta coù theå thay soá Fc ñeå tính ra giaù trò C1 = C2 = C. Trong thieát keá, ta choïn 10 boä loïc vôùi caùc taàn soá trung taâm nhö sau: 32Hz, 64Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1KHz, 2KHz, 4KHz, 8KHz, 16KHz. Keát quaû tính toaùn ñöôïc cho ôû baûng sau: Fc (Hz) C1 = C2 (lyù thuyeát) C1 = C2 (thöïc teá) 32 19,87 nF 22 nF 64 9,93 nF 10 nF 125 5,08 nF 4,7 nF 250 2,54 nF 2,2 nF hoaëc 2,7 nF 500 1,27 nF 1,2 nF hoaëc 1,5 nF 1K 636 pF 620 pF 2K 318 pF 330 pF 4K 159 pF 160 pF 8K 79,5 pF 82 pF 16K 39,7 pF 39 pF Trôû khaùng vaøo cuûa OP AMP cao neân caùc boä loïc haàu nhö raát ít phuï thuoäc vaøo soá hieäu OP AMP (ngoaïi tröø ñaùp öùng taàn soá). Trôû khaùng vaøo cuûa boä maïch loïc naøy laø (do coù 10 maïch loïc rieâng leû gheùp song song). Caùc OP AMP trong maïch söû duïng loaïi nguoàn ñoâi. Vì coù 10 maïch loïc neân söû duïng 2 vi maïch coù 4 OP AMP beân trong vaø 1 vi maïch coù 2 OP AMP. Caùc vi maïch ñöôïc söû duïng laø TL084 (4 OP-AMP) vaø TL082 (2 OP-AMP). Sau ñaây laø caùc ñaëc tính kyõ thuaät cuûa hai vi maïch naøy: - Daûi ñieän aùp laøm vieäc: ±3 ¸ ±18V. - Ñieän aùp offset Vos(max): 15mV. - Doøng tónh ngaõ vaøo IB(max): 400pA. - Ñoä roäng daûi khueách ñaïi: 3MHz. - Ñieän aùp ngaõ vaøo vi sai cöïc ñaïi: ±30V. - Toác ñoä taêng ñieän aùp: 13V/ms. - Ñieän trôû ngaõ vaøo: >1012W. - Doøng tieâu thuï(max): 5,6mA ñoái vôùi TL082 vaø 11,2mA ñoái vôùi TL084. Caùc thoâng soá khi ñöôïc thöû vôùi Vcc = ±15V, nhieät ñoä T = 25oC. - Ñoä lôïi voøng hôû: 106dB. - Doøng phaân cöïc ngaõ vaøo: 30pA. - Bieân ñoä ra ±13,5V. Ta coù sô ñoà cuûa toaøn boä 10 maïch loïc nhö sau: Fc1 Fc2 Fc3 Fc4 Fc5 Fc6 Fc7 Fc8 Fc9 Fc10 dB f Ñaùp tuyeán taàn soá - bieân ñoä cuûa caùc maïch loïc Vì ñeå coù ñieän aùp trung bình ñeå ñöa ñeán caùc chuyeån maïch ñieän töû neân taïi ngoõ ra cuûa caùc boä loïc phaûi coù theâm maïch chænh löu. Töø maïch loïc daûi thoâng Ñeán chuyeån maïch ñieän töû Tuï C1 ñöôïc choïn baèng thöïc nghieäm ñeå coù ñöôïc söï hieån thò toái öu (toác ñoä leân vaø xuoáng cuûa coät ñeøn phaûi khoâng ñöôïc nhanh quaù cuõng nhö chaäm quaù so vôùi tieáng nhaïc, thoâng thöôøng choïn C1 = 1uF). Do möùc DC taïi ngoõ ra cuûa caùc maïch loïc coi nhö laø 0V, khi qua maïch chænh löu seõ bò suït aùp 0,6V treân diode chænh löu. Vì theá ngoõ ra cuûa caùc maïch loïc phaûi ñöôïc naâng möùc DC leân 0,6V ñeå buø laïi söï suït aùp khi qua maïch chænh löu. Ñieàu naøy ñöôïc thöïc hieän nhö sau: b. Chuyeån maïch ñieän töû: Phaân cöïc: VC > VB > VE VB = VE + 0,6V Ta coù caùc tröôøng hôïp ñeå xeùt ñieàu kieän taét/daãn cuûa transistor nhö sau: Trong caùc maïch ñieän töû, caùc chuyeån maïch hay coøn ñöôïc goïi laø khoùa ñieän (SW) ñöôïc söû duïng khaù ña daïng. Caùc chuyeån maïch naøy coù theå duøng diode, transistor, ... Phaàn naøy chæ trình baøy veà caùc chuyeån maïch duøng transistor. Caùc sô ñoà treân chæ cho ngoõ ra laø ñoùng hoaëc ngaét laø so vôùi möùc nguoàn (hay vôùi mass). Yeâu caàu maïch cuûa ta laø coù ñöôøng vaøo vaø ñöôøng ra rieâng. Ta xeùt sô ñoà sau: Ngoõ ñieàu khieån khi ôû möùc ñieän aùp cao seõ laøm cho transistor daãn, laøm thoâng maïch giöõa ñöôøng vaøo vaø ñöôøng ra. Ñieän trôû R phaûi ñöôïc choïn ñeå doøng IB ngaõ vaøo khoâng aûnh höôûng ñeán ngoõ ra (IE) khi khoâng coù tín hieäu vaøo taïi ngaõ vaøo. R ñöôïc choïn baèng thöïc nghieäm. Q laø transistor coâng suaát nhoû ñeå coù b lôùn. Ta coù sô ñoà nguyeân lyù hoaøn chænh cuûa khoái maïch loïc vaø chuyeån maïch ñieän töû nhö sau: Sô ñoà nguyeân lyù caùc maïch loïc daûi thoâng vaø chuyeån maïch ñieän töû 2. Khoái maïch dao ñoäng, ñeám & giaûi maõ, thuùc vôùi maïch VU LED: a. Maïch dao ñoäng: Maïch dao ñoäng taïo xung clock coù theå ñöôïc taïo töø hai coång ñaûo. Maïch coù sô ñoà nhö sau: Trong maïch duøng hai taàng ñaûo IC1A vaø IC1B raùp thaønh moät maïch dao ñoäng ña haøi ñeå phaùt ra daïng xung vuoâng. Ngaõ ra cuûa taàng IC1B cho lieân laïc thaúng vaøo taàng IC1B. Tuï C1 taïo ñöôøng hoài tieáp thuaän giöõa taàng IC1A veà taàng IC1B. R1 vaø C1 laø maïch ñònh thôøi. Vôùi maïch dao ñoäng naøy, taàn soá ra ñöôïc tính theo coâng thöùc: Trong maïch, xung nhòp kieåm soaùt toác ñoä queùt cuûa chuyeån maïch vaø hieån thò. Trong moät chu kì xung nhòp thì chæ coù moät taàn soá ñöôïc so saùnh bieân ñoä vaø chæ coù moät coät LED saùng vôùi chieàu cao töông öùng vôùi bieân ñoä. Neáu ta cho coät LED saùng hôn hoaëc baèng 25 laàn trong 1 giaây thì maét ta khoâng caûm nhaän ñöôïc söï nhaáp nhaùy cuûa coät LED töùc laø taàn soá cuûa maïch dao ñoäng ña haøi taïo xung phaûi lôùn hôn hoaëc baèng 10 x 25 = 250Hz. b. Maïch ñeám & giaûi maõ: Maïch ñeám coù nhieàu loaïi, trong thieát keá do yeâu caàu caàn 10 ñöôøng ra. Ta coù theå duøng moät IC ñeám BCD roài töø caùc ngoõ ra BCD naøy ñöa vaøo moät IC giaûi maõ BCD ra töøng ñöôøng rieâng bieät nhöng ñeå cho goïn nheï ta duøng thaúng moät IC coù chöùc naêng ñeám laãn chöùc naêng giaûi maõ. IC naøy chæ caàn xung clock vaøo vaø cho ra caùc ñöôøng. Ñoù laø IC 4017. 4017 laø moät IC ñôn phieán ñöôïc cheá taïo theo coâng ngheä CMOS, coù 16 chaân. Trong IC coù 5 taàng ñeám Johnson, IC duøng ñeám caùc xung vaøo theo heä cô 10. Caùc ñaëc tính cuûa 4017: - Möùc nguoàn laøm vieäc 3 ¸ 18V. - Toác ñoä laøm vieäc coù theå leân ñeán 12MHz. - ÔÛ ngaõ vaøo duøng moät coång NAND trigger neân khoâng caàn chuaån hoùa daïng xung kích ngaõ vaøo. Sô ñoà chaân: 5 1 0 2 6 7 3 VSS VDD RST CLK INH CO 9 4 8 Chöùc naêng caùc chaân nhö sau: - Chaân 14: xung clock vaøo, xung naøy daãn vaøo moät coång NAND daïng trigger, do vaäy noù khoâng caàn caùc xung vaøo coù caùc ñoä doác leân vaø xuoáng quaù thaúng, nghóa laø khoâng caàn phaûi vuoâng hoùa caùc xung kích thích baèng caùch theâm maïch ngoaøi. - Chaân 13: laø ngaõ vaøo cuûa moät taàng ñaûo, ngaõ ra cuûa taàng ñaûo noái vaøo moät coång vaøo cuûa coång NAND. Nhö vaäy khi chaân naøy ôû möùc cao, noù seõ ñaët moät coång vaøo cuûa taàng NAND ôû möùc thaáp, ñieàu naøy seõ khoùa coång NAND vaø voâ hieäu caùc xung ñeám ñöa vaøo treân chaân 14. Luùc hoaït ñoäng bình thöôøng, chaân naøy ñöôïc noái mass. - Chaân 15: laø ngaõ vaøo cuûa moät taàng ñaûo vaø ngaõ ra cuûa taàng naøy cho noái vaøo caùc chaân R\ (caùc chaân laøm phuïc nguyeân caùc taàng FF). Nhö vaäy khi chaân 15 ôû möùc cao, noù seõ taïo möùc logic thaáp treân chaân R\ cuûa caùc FF vaø coù taùc duïng phuïc nguyeân. Luùc thöôûng, chaân naøy phaûi ôû möùc thaáp hay thöôøng ñöôïc noái mass. - Caùc chaân ra ñöôïc laáy theo thöù töï töø chaân 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11. Treân caùc ñöôøng ra naøy ñeàu coù taàng khueách ñaïi ñeäm, nhôø vaäy doøng ngaõ ra coù theå laáy cao ñeán 10mA. Caùc chaân naøy ra taùc ñoäng möùc cao. - Chaân 12: laø ngoõ ra traøn soá. Luùc môùi caáp ñieän, IC caàn phaûi ñöôïc RESET, ñeå ñöôïc RESET moät caùch töï ñoäng, ta caàn moät maïch AUTO-RESET nhö sau: Thôøi haèng T = RC. Sô ñoà maïch cuûa 4017 nhö sau: Caùc ñöôøng ra ñöôïc ñöa tôùi chuyeån maïch ñieän töû ñoàng thôøi ñöôïc ñöa ñeán maïch thuùc ñeå queùt caùc coät. c. Maïch thuùc: Maïch thuùc coù taùc duïng naâng doøng ngaõ ra ñeå ñieàu khieån caùc LED. Cung caáp doøng töø Vcc cho caùc coät LED. Caùc coång ñaûo duøng ñeå caùch ly vôùi taàng tröôùc cuõng nhö ñeå ñaûo pha döõ lieäu ra töø maïch ñeám & giaûi maõ. d. Maïch VU-LED: Maïch VU–LED söû duïng vi maïch LM3914 ñaõ ñöôïc xeùt ôû phaàn treân. Sau ñaây laø sô ñoà nguyeân lyù hoaøn chænh cuûa khoái maïch dao ñoäng, ñeám & giaûi maõ, vaø maïch VU-LED: Sô ñoà nguyeân lyù maïch dao ñoäng, ñeám & giaûi maõ vaø maïch VU-LED  3. Khoái maïch ma traän LED hieån thò: Ma traän LED bao goàm 10 haøng vaø 10 coät. Coù sô ñoà nguyeân lyù nhö sau: Sô ñoà nguyeân lyù ma traän LED III. Thieát keá maïch in: 1. Maïch loïc taàn vaø chuyeån maïch: Maïch in Sô ñoà laép linh kieän 2. Maïch dao ñoäng, ñeám & giaûi maõ, vaø maïch VU-LED: Maïch in lôùp treân Maïch in lôùp döôùi Sô ñoà laép linh kieän 3. Ma traän LED: Sô ñoà laép linh kieän Lôùp döôùi Lôùp treân Keát luaän Maïch phaân tích phoå taàn ñaõ ñöôïc raùp thöû vaø hoaït ñoäng khaù oån ñònh, ñaùp öùng ñöôïc nhöõng yeâu caàu cuûa moät maïch phaân tích phoå taàn chuyeân duøng. Tuy nhieân vieäc hieån thò chöa theå hieän tính thaåm myõ vì vieäc söû duïng caùc LED, neáu duøng ma traän hieån thò tinh theå loûng thì vieäc hieån thò seõ coù keát quaû toát hôn. Neáu keát hôïp maïch phaân tích phoå aâm taàn vôùi moät maïch ñieàu chænh aâm saéc (tone equalizers) thì ta seõ coù moät thieát bò ñieàu chænh aâm saéc daïng ñoà thò (Graphic Equalizer). Thieát bò naøy ñöôïc söû duïng khaù phoå bieán trong caùc daøn aâm thanh töø trung tôùi cao caáp. Vieäc keát hôïp hai maïch cuõng chính laø höôùng phaùt trieån cho ñeà taøi vaø ngöôøi vieát cuõng mong moûi ñaây laø moät taøi lieäu boå ích cho nhöõng ngöôøi quan taâm ñeán ñeà taøi naøy.