Xây dựng bộ bài thí nghiệm mô phỏng cho môn học cấu kiện điện tử

g là công cụ giúp cho sinh viên, nghiên cứu sinh ngành điện tử viễn thông tiếp cận với việc mô phỏng mạch điện tử, thiết kế mạch in một cách trực quan và dễ dàng. Hiện nay, nhà sản xuất DesignSoft cũng đã thương mại hoá nhiều phiên bản TINA khác nhau với giá thành khác nhau để phục vụ cho các đối tượng khác nhau… 1.3. Cấu hình máy tính yêu cầu Để sử dụng được phần mềm TINA, người sử dụng phải có cấu hình máy tính tối thiểu như sau: CPU Pentium II hoặc cao hơn. 64 MB bộ nhớ (RAM). Ổ cứng còn trống ít nhất 100 MB. Ổ CD-ROM. Màn hình màu SVGA. Hệ điều hành: Windows 9x, Windows NT/ME/XP, Windows 2000. Để bắt đầu chương trình TINA, người dùng có thể làm theo các cách sau: Từ thanh Start lần lượt chọn: Start -> Programs -> Tina -> Tina.exe. Bấm vào Biểu tượng trên Desktop: Lưu ý: Sử dụng phím F1 để có thể xem Hướng dẫn theo các chủ đề. CHƯƠNG 2. HƯỚNG DẪN CƠ BẢN SỬ DỤNG PHẦN MỀM Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu các Giao diện và Cấu trúc tổ chức phần mềm. Từ đó từng bước làm quen với việc sử dụng phần mềm. 2.1. Giao diện chính của phần mềm Sau khi khởi động, giao diện chính của chương trình sẽ xuất hiện: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Hình 2.1 – Giao diện chính của chương trình 1 Menu Bar: Trình đơn hiển thị danh sách các lệnh. 2 The Cursor or Pointer: Con trỏ - được sử dụng để lựa chọn các lệnh và chỉnh sửa sơ đồ nguyên lý. Ta chỉ có thể di chuyển con trỏ bằng con chuột máy tính. Phụ thuộc vào mỗi chế độ hoạt động mà con trỏ có các dạng sau: hình mũi tên trong cửa sổ chính của chương trình. hình cây bút khi ta thực hiện nối dây. hình bàn tay khi ta trỏ vào linh kiện hoặc đang đưa linh kiện vào cửa sổ chính. 3 The Schematic window: cửa sổ làm việc chính của chương trình, cho phép chỉnh sửa, mô phỏng sơ đồ nguyên lý của mạch trực tiếp. Cửa sổ này thực tế là một bản vẽ lớn. Ta có thể di chuyển thanh cuộn nếu vùng soạn thảo vượt quá màn hình chính. 4 The Toolbar: Thanh công cụ. Người dùng có thể chọn hầu hết các lệnh để chỉnh sửa mạch trên Thanh công cụ này. Lưu ý rằng các lệnh trên Thanh công cụ cũng nằm trong Trình đơn hoặc có thể sử dụng bằng các phím tắt. Sau đây là chi tiết các lệnh trên Thanh công cụ. Mở một tập tin sơ đồ nguyên lý sẵn có trong máy tính (.TSC hoặc .SCH), mở một Marco (.TSM) Lưu sơ đồ nguyên lý đang sử dụng. Người dùng sẽ thuận lợi hơn nếu thường xuyên lưu trữ lại mạch đang làm nhằm tránh tình trạng mất dữ liệu khi máy tính tắt đột xuất. Đóng sơ đồ nguyên lý đang sử dụng. Sao chép các linh kiện hoặc các chữ được lựa chọn. Dán các linh kiện hoặc chữ đã sao chép vào nơi cần dùng. Khi nút này được nhấn vào, người dùng có thể sử dụng con trỏ để di chuyển các linh kiện, dây nối hoặc các chữ, thuận lợi trong việc sắp xếp lại sơ đồ nguyên lý theo ý muốn. Lấy thêm 1 bản sao của linh kiện trước đó mà bạn đã chọn với cùng các tham số. Sử dụng nút lệnh này để vẽ dây nối cho sơ đồ nguyên lý Thêm các chú thích vào sơ đồ nguyên lý hay kết quả phân tích. Cho phép cắt 2 dây dẫn chéo qua hoặc nối với nhau. Đảo chiều một góc 900 các linh kiện được lựa chọn. Lấy đối xứng các linh kiện được lựa chọn. Phím tắt: [CTRL-L] hoặc [*]. Hiển thị cửa sổ chính ở dạng lưới hoặc không. Phóng to sơ đồ nguyên lý để có thể nhìn rõ các linh kiện. cho phép thay đổi tỷ lệ phóng to theo ý muốn từ 10% đến 200%. Lựa chọn danh sách các Chế độ Mô phỏng: Chế độ DC. Chế độ AC. Chế độ mô phỏng tức thời lặp lại liên tục. Chế độ mô phỏng tức thời không lặp lại. Người dùng có thể điều chỉnh thời gian mô phỏng trong phần Analysis Transient. Chế độ Số. Chế độ VHDL Nếu nút lệnh này được chọn, chương trình sẽ cho phép hiển thị trình trạng lỗi của linh kiện, người dùng có thể thay đổi tình trạng lỗi của từng linh kiện trong bản Thuộc tính (Properties Editor). Chuyển đổi sơ đồ nguyên lý sang dạng 3 chiều hoặc 2 chiều. Phím nóng: [F6]. Đây là một đặc điểm nổi bật ở phần mềm TINA có từ phiên bản 7 mà các phiên bản cũ hay các phần mềm khác không thể thực hiện được. Ở chế độ này, các linh kiện được hiển thị một cách sống động, giúp người sử dụng quan sát mạch trực quan hơn. Hình 2.2 – Chuyển đổi giữa dạng 2D hoặc 3D Chuyển sơ đồ nguyên lý trực tiếp sang mạch in. Tìm kiếm các linh kiện. Một hộp thoại Tìm kiếm sẽ hiện lên cho phép người dùng tìm các linh kiện theo tên như mong muốn. Tuy nhiên chương trình có hạn chế là không thể hiện trước hình dạng linh kiện mà ta lựa chọn nên gây rất nhiều khó khăn cho người sử dụng. Hình 2.3 – Cửa sổ tìm kiếm các linh kiện Người dùng cũng có thể lựa chọn các linh kiện trong danh sách này. Đây là danh sách các linh kiện đầy đủ nhất của chương trình. 5 The Component Bar - Thanh Linh kiện: Các linh kiện được sắp xếp thành các nhóm. Mỗi khi 1 nhóm được lựa chọn, các linh kiện trong nhóm đó sẽ xuất hiện trên thanh công cụ. Khi nhấn chuột trái vào linh kiện mong muốn, con trỏ đổi sang hình bàn tay và ta có thể bỏ linh kiện đó vào mạch. Các linh kiện có thể được quay hoặc đảo chiều trước khi đưa vào mạch bằng cách sử dụng các phím [+/-] : quay 90o và phím [*]: lấy đối xứng. Khi đã hiệu chỉnh xong vị trí cũng như hướng của linh kiện, nhấn chuột trái 1 lần nữa để đặt linh kiện vào mạch. 6 Find component Tool – Công cụ tìm kiếm linh kiện: hỗ trợ tìm kiếm nhanh các linh kiện theo tên có trong cơ sở dữ liệu của phần mềm. 7 Open files tab - Thẻ mở các tập tin: hỗ trợ mở nhiều mạch hoặc nhiều phần của một mạch điện (Macro) cùng một lúc, và công cụ này dùng để chuyển đổi giữa các tập tin đã được mở. Chỉ cần nhấn chuột vào Thẻ để chuyển đến mạch ta cần. 8 The TINA Task bar - Thanh tác vụ: nằm ở phía dưới của màn hình, có chức năng cung cấp nút tắt cho các dụng cụ đo khác nhau hay các máy ảo sử dụng trong chương trình. Khi các máy ảo được kích hoạt (trong phần T&M) thì sẽ xuất hiện 1 cửa sổ mới tương ứng với mỗi loại. Người sử dụng chọn nút LOCK (Khóa) để đặt cửa sổ chính của chương trình luôn nằm phía dưới các cửa sổ của máy ảo khác. Điều này thuận lợi cho việc quan sát mô phỏng. Tuy nhiên người sử dụng cũng có thể làm ngược lại bằng các chọn UNLOCK (Không khóa). 9 The Help line - Dòng trợ giúp: nằm ở phía dưới cùng của cửa sổ có chức năng cung cấp những dòng giải thích ngắn gọn hoặc các phím tắt khi người dùng di chuyển con trỏ qua các nút lệnh. 2.2. Sử dụng chuột Đây là một số phương pháp sử dụng chuột cơ bản để chỉnh sửa sơ đồ. Hình 2.4 – Các lệnh khi nhấn chuột phải vào cửa sổ soạn thảo 2.2.1. Sử dụng chuột phải Khi bấm chuột phải vào chương trình thì sẽ xuất hiện 1 menu gồm các chức năng sau: Cancel Mode: Hủy bỏ linh kiện (hoặc dây nối) đang lựa chọn. Last Component: Lấy lại linh kiện cuối cùng đã sử dụng. Wire: Chuyển sang chế độ Nối dây. Trong chế độ này, con trỏ có hình dạng cây viết và ta có thể vẽ dây nối. Delete: Xóa linh kiện được lựa chọn. Rotate Left, Rotate Right, Mirror: Quay hoặc đảo chiều linh kiện đang được lựa chọn. Ta có thể sử dụng tổ hợp phím [CTRL-L] hoặc [CTRL-R] để quay các linh kiện. Properties: Sử dụng lệnh này ta có thể hiệu chỉnh các thuộc tính của linh kiện như giá trị, nhãn… và có thể thiết lập các tham số cho linh kiện. Khi hộp thoại Properties xuất hiện ta có thể dùng phím F9 để sao chép các giá trị đặt làm Tên của linh kiện. 2.2.2. Sử dụng chuột trái Selection (Lựa chọn): khi nhấn chuột phải vào linh kiện, ta sẽ lựa chọn linh kiện mong muốn và bỏ lựa chọn các linh kiện không mong muốn. Multiple selection (Lựa chọn nhiều linh kiện): để lựa chọn 1 lúc nhiều linh kiện thì giữ phím SHIFT trong khi bấm chuột và các linh kiện mong muốn. Nếu linh kiện đã được lựa chọn, khi ta bấm chuột vào nó 1 lần nữa thì nó sẽ không lựa chọn linh kiện đó nữa. Việc lựa chọn nhiều linh kiện 1 lúc sẽ thuận lợi trong việc nhóm các linh kiện và di chuyển chúng… Selection of all objects: Dùng tổ hợp phím CTRL-A để lựa chọn tất cả các linh kiện trong mạch. Moving objects: các linh kiện có thể được di chuyển bằng cách nhấn chuột trái vào linh kiện đó và kéo thả đến nơi mong muốn. Parameter modification: Khi bấm 2 lần vào linh kiện hộp thoại thay đổi thông số của linh kiện sẽ xuất hiện, cho phép thay đổi các thông số mong muốn. Crossing wires: Nối các dây chéo nhau. Block : Đặt linh kiện vào mạch. 2.3. Các đơn vị đo Khi thay đổi các tham số hay các giá trị cho một linh kiện, các chữ viết tắt có định dạng như sau có thể sử dụng: Ví dụ: người sử dụng có thể nhập giá trị 1 điện trở là: 1M (ohm) thay vì phải nhập 1.000.000 (ohm). Lưu ý: khi nhập giá trị sử dụng các chữ viết tắt cần phải phân biệt chữ hoa và chữ thường, đồng thời không có khoảng trống giữa chữ và số trước đó. 2.4. Cách nối dây – Đặt các linh kiện 2.4.1. Cách đặt các linh kiện vào mạch Các linh kiện được lấy ra từ Thanh Linh kiện và biểu tượng của chúng được di chuyển bởi con trỏ đến nơi cần đặt. Khi nhấn chuột trái, chương trình sẽ tự động đặt linh kiện vào bản mạch chính. Các linh kiện có thể được định vị thẳng đứng hoặc nằm ngang hoặc có thể quay một góc 900 theo chiều kim đồng hồ bằng cách bấm phím [+] hoặc tổ hợp phím [Ctrl-R], hay quay ngược chiều kim đồng hồ bằng cách bấm phím [-] hoặc tổ hợp phím [Ctrl-L]. Hơn nữa, một số linh kiện (như Transitor) có thể đảo chiều bằng cách sử dụng phím [*]. Một cách khác là sử dụng các nút hoặc nhấn chuột phải vào linh kiện và chọn Rotate Left/Rotate Right/Mirror. Hình 2.5 – Bảng thiết lập các thuộc tính cho linh kiện Sau khi các linh kiện đã được định vị và đặt vào mạch, nếu nhấp đôi chuột trái vào linh kiện, một hộp thoại sẽ hiện lên cho phép thay đổi các tham số, các giá trị của linh kiện. (Hình 2.5) 2.4.2. Cách nối dây Để vẽ một dây nối, chuột được di chuyển vào điểm cuối cùng của linh kiện, nơi sẽ bắt đầu 1 dây nối. Khi đó con trỏ sẽ biến đổi thành hình cây viết. Tùy thuộc vào việc tùy chọn của chương trình mà có 2 cách nối dây như sau: Từ điểm bắt đầu nối dây, ta nhấn chuột trái, sau đó di chuyển cây bút và chương trình sẽ tự động vẽ dây theo hướng đi. Trong khi vẽ dây, ta có thể di chuyển bất cứ hướng nào và dây nối cũng sẽ tự động đi theo. Để kết thúc việc nối dây, ta bấm chuột trái một lần nữa. Đây là chế độ nối dây mặc định trong các phiên bản TINA từ trước tới nay và nó có ưu điểm là tương đối dễ sử dụng, tạo ra đường nối dây đẹp. Chọn chế độ nối dây: hoặc bấm phím tắt [SHIFT], sau đó nhấn chuột trái vào điểm cần nối và di chuyển cây bút. Để kết thúc việc nối dây, ta bấm chuột trái một lần nữa. Nếu muốn hủy bỏ dây nối khi đang di chuyển cây bút thì chỉ cần bấm nút [ESC]. Khi đang nối dây, nếu ta nhấn và giữ phím [CTRL] thì con trỏ di chuyển đến đâu, dây nối sẽ tự động vẽ trực tiếp vào mạch đến vị trí của con trỏ. Đoạn dây nối được tạo ra luôn nằm ngang hoặc thẳng đứng. Tuy nhiên ta cũng có thể có được những đoạn dây nối nằm nghiêng khi việc sử dụng các linh kiện tạo ra mạch cầu trong Thanh linh kiện đặc biệt. CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU CÁC MÁY ĐO ẢO VÀ CÁC LOẠI NGUỒN MÔ PHỎNG 3.1. Giới thiệu các loại máy đo ảo 3.1.1 Máy tạo sóng chức năng (Function Generator): Hình 3.1 – Máy tạo sóng chức năng Máy tạo sóng chức năng (function generator): là một máy đa năng và có thể được sử dụng làm: Một nguồn tham chiếu: tạo ra một sóng hình sin có biên độ, tần số, pha và điện áp một chiều (DC offset ) cụ thể. Một máy tạo sóng chức năng: tạo ra nhiều dạng sóng với biên độ, tần số, pha, và điện áp một chiều (DC offset ) nào đó. Một máy quét (sweep generator): tạo ra sự quét tần số lôga và tuyến tính. : Nút tăng, giảm :Nút chọn lựa hàng giá trị : Nút này cho phép xác lập những giá trị, dạng sóng đã chọn lựa cho nguồn (source). : Chọn dạng sóng (since ,cosine, xung…) : Bật hoặc tắt chế độ sweep. : Những phím này cho phép xem, hay thay đổi tần số bắt đầu, tần số kết thúc, thời gian quét … : Thiết lập mode quét là đơn hay liên tục. : Chọn lựa mode quét là tuyến tính hay logarithmic. Parameters: Các phím này cho phép xem, thay đổi các thông số của nguồn. : Tần số, biên độ, DC, pha của nguồn. : Nút start và stop. : Nút chọn lựa kênh ra (output channel). 3.1.2. Máy đo đa năng số (Digital Multimeter - DMM) Chức năng: cho phép đo điện áp và dòng điện DC, AC, điện trở, hoặc tần số trên mạch điện giữa đầu vào và ra (input và output). Hình 3.2 – Máy đo đa năng số Chức năng: : đo điện áp một chiều DC : đo điện áp xoay chiều AC : đo dòng điện một chiều DC : đo dòng điện xoay chiều AC : đo điện trở : đo tần số Input: được sử dụng để kết nối với DMM để đo dòng, áp, điện trở, tần số. Đầu vào HI thì dương hơn đầu cuốI LO, và LO thì cách ly so với đất. 3.1.3. Máy ghi dạng sóng XY (XY Recorder) Chức năng: dùng để hiển thị dạng của một hay nhiều dạng sóng. Hình 3.3 – Máy XY Recorder Các thiết lập cho trục hoành (X): : chọn kênh nguồn cho trục X là input. Nếu đặt một Vôn mét trong mạch thì ta có thể đo được điện áp nhánh của nó. : thay đổi tỷ lệ trục X theo thứ tự 1-2-5. : dịch chuyển tín hiệu theo trục X . Các thiết lập cho trục tung (Y): : chọn kênh nguồn cho trục Y là output. Nếu đặt một Vôn mét trong mạch thì ta có thể đo được điện áp nhánh của nó. : tắt hoặc mở kênh. : thay đổi tỷ lệ trục Y theo thứ tự 1-2-5. : dịch chuyển tín hiệu theo trục Y. Các phím điều khiển: : bắt đầu hiển thị : ngừng hiển thị : xóa màng hình hiển thị : tự động thiết lập tỷ lệ trục XY để hiển thị tốt nhất tín hiệu vào 3.1.4. Máy hiện sóng ảo ( Oscilloscope) Chức năng: dùng để hiển thị dạng sóng trên màn hình. Hình 3.4 – Máy hiện sóng Oscilloscope Các thiết lập cho trục X: HORIZONTAL: tăng, giảm thời gian theo các hệ số 1-2-5. POSITION: dịch trái, phải tín hiệu theo trục X. Mode: chọn lựa mode hiển thị cho tín hiệu ra. X source: chọn lựa kênh nguồn X theo mode X-Y. Các thiết lập cho trục Y: : chọn lựa kênh đầu vào (input channel), bật hoặc tắt. : thay đổi tỷ lệ chiều dọc theo hệ số 1-2-5, di chuyển tín hiệu theo chiều dọc Trigger : cho phép chọn lựa chế độ kích khởi hoặc nguồn, thay đổi mức kích khởi, và chọn lựa sườn lên, xuống của tín hiệu đối với kích khởi. Các phím chức năng: : bắt đầu hiển thị dạng tín hiệu. : ngừng hiển thị. : thu thập dữ liệu và dạng sóng ở thời điểm gần nhất. : xoá màng hình hiển thị. : chức năng tự động chọn tỷ lệ hiển thị, giúp cho tín hiệu đầu vào máy hiện sóng (oscilloscope) được tốt nhất. : các con trỏ đo giá trị của sóng ra. : chuyển dạng sóng sang chế độ đồ thị. 3.1.5. Máy phân tích tín hiệu (Signal Analyzer) Chức năng: phân tích tín hiệu ở miền tần số Hình 3.5 – Máy phân tích tín hiệu Thiết lập kênh đầu vào (input channel): : các nút này cho phép chọn lựa kênh đầu vào, kết hợp các tín hiệu khác với dạng sóng ra, và bật, tắt kênh. Để hiển thị dạng sóng ở đầu ra (output) thì ta đặt một điểm kiểm tra (Test point) tại một điểm tương ứng trên mạch. : tăng, giảm biên độ đầu vào (input amplitude) theo hệ số 1-2-5. Đơn vị biên độ có thể chuyển đổi qua lại giữa dB và Volts bằng nút : dụng cụ đo tự động chọn lựa dãy giá trị hợp lý nhất để đo tín hiệu đầu vào. : dụng cụ đo sẽ làm việc ở dãy giá trị đo thông thường. : các nút này dùng để thiết lập tần số bắt đầu, tần số kết thúc. : độ phân giải (X/log -nếu nút được chọn X/linear -nếu nút được chọn). : chọn lựa kiểu phân tích (Lin magnitude,Log magnitude, dB magnitude, phase, Bode, biểu đồ Nyquist và Group Delay). : cho phép xác định tỷ lệ chiều dọc theo dB. : cho phép chọn lựa các mode đo như: quét sin (Swept-sine), phổ biên độ (Amplitude spectrum), mật độ phổ biên độ (Amplitude spectral density), phổ công suất (Power spectrum) và mật độ phổ công suất (Power spectral density). Trong chế độ quét sin (Swept-sine), máy tạo sóng chức năng (function generator) có thể tạo ra các dạng quét loga hoặc tuyến tính với việc chọn lựa tần số bắt đầu, tần số kết thúc và độ phân giải (resolution). : cho phép chọn mode kích khởi hoặc nguồn, thay đổi mức kích khởi và chọn sườn lên hoặc xuống để bắt đầu cho máy phân tích tín hiệu. : cho phép thay đổi mức tham chiếu, mức tham chiếu là biên độ công suất hoặc biên độ điện áp bởi đường thẳng 0 dB. : chọn lựa hàm cho window như: uniform, Flat top… 3.1.6. Máy phân tích phổ (Spectrum Analyzer) Chức năng: phân tích phổ của tín hiệu Hình 3.6 – Máy phân tích phổ Các nút chức năng giống như máy phân tích tín hiệu (signal analyzer) ngoại trừ các nút. : có đơn vị đo là vôn (còn máy phân tích tín hiệu là dB). 3.1.7. Máy phân tích mạng (Network Analyzer) Chức năng: dùng để đo hiệu suất điện của các thiết bị, các mạch được sử dụng trong các hệ thống phức tạp. Dựa trên sự phản xạ sóng trở về của các các thiết bị đo đặt trong máy phân tích khi có một tín hiệu chuẩn gửi đến chúng mà ta có thể biết được chúng là các phần tử thụ động hay tích cực, và cả các thông số S (S-parameter). Hình 3.7 – Máy phân tích mạng : để hiển thị đầu ra của một mạch, ta cần phải các port 1,2 đến các điểm tương ứng. : dùng để khởi tạo tần số bắt đầu, tần số kết thúc và độ phân giải. : dùng để tăng hoặc giảm biên độ theo Vôn hoặc dB. : cho phép chọn lựa kiểu phân tích để hiển thị như: Lin magnitude, log magnitude, dB magnitude, phase, Bode, polar, smith and group delay. : cho phép chọn chế độ đo như: hệ số truyền đạt, hệ số phản xạ, trở kháng, các thông số S, Z,Y,H. 3.1.8. Máy phân tích logic (Logic Analyzer) Chức năng: dùng cho các mạch tín hiệu số . Hình 3.8 – Máy Phân Tích Logic Các thông số đo: : cho phép chọn lựa mode giới hạn (threshold) thích hợp với các họ Logic khác nhau bao gồm TTL và CMOS. : cho phép chọn nguồn xung clock trong hoặc bên ngoài. : cho phép xác định chu kỳ clock. : cho phép xác định nhanh chóng vị trí bắt đầu trong bộ nhớ. : cho phép chon lựa mode kích khởi hoặc nguồn. : lựa chọn nhóm kênh được biên tập. : cho phép chọn lựa chế độ hiển thị, cho phép điều chỉnh tỷ lệ trục tung và dịch chuyển hệ trục toạ độ thông qua các nút : cho phép kết hợp các kênh thành một nhóm và được phân biệt với nhau bởi các nhãn. 3.1.9. Máy tạo tín hiệu số (Digital Signal Generator) Chức năng: tạo ra các mẫu kiểm tra số cho việc mô phỏng các mạch số. Hình 3.9 – Máy tạo tín hiệu số : cho phép chèn, lặp lại, và xoá một mẫu các bít giữa vị trí của con trỏ A và B. : chọn lựa nhóm kênh để soạn thảo. : cho phép thiết lập chu kỳ đồng hồ (clock) và chiều dài của nó. : cho phép chuyển đổi giữa thời gian tuyệt đối và tỷ lệ chu kỳ đồng hồ. : cho phép chọn lựa chế độ đầu ra của dữ liệu (data output mode) theo các bước riêng rẽ, đồng loạt, hay liên tục. : nguồn clock, trigger có thể là máy phân tích Logic bên trong hoặc bên ngoài. 3.2. Nguồn tương tự và nguồn số Trên thanh linh kiện sẽ hiển thị ra các loại nguồn khi ta nhấn chuột trực tiếp lên thẻ Sources: Hình 3.10 – Thanh linh kiện gồm các nguồn mô phỏng 3.2.1. Nguồn tương tự Được sử dụng để mô phỏng trong các mạch tương tự. voltage source : là nguồn điện áp một chiều. Sau khi lấy linh kiện ra ta nhấp đúp vào linh kiện, bảng sau sẽ hiện ra: Hình 3.11 – Bảng thiết lập thuộc tính cho nguồn điện áp 1 chiều Label: là tên kí hiệu của linh kiện sẽ hiện ra trên giao diện Footprint name: là tên của linh kiện khi ta vẽ mạch in Voltage[V] ta chỉnh mức điện áp một chiều nếu không ghi đơn vị thì đơn vị mặc định là vôn. Ngoài ra còn có các bội số khác: m (mili vôn), k(kilo vôn)… Nếu muốn cho hiển thị ra ngoài thì ta dánh dấu vào ô vuông bên cạnh. Internal resistance: là điện trở trong của nguồn IO state : cho phép xác định nguồn hoặc bộ tạo sóng một cách trực tiếp như đầu vào. Sau khi chọn xong nhấn OK current source: là nguồn dòng một chiều. Sau khi lấy linh kiện ra ta nhấp đôi vào linh kiện bảng sau sẽ hiện ra: Hình 3.12 – Bảng thiết lập thuộc tính cho nguồn dòng 1 chiều Các thông số cũng tương tự như nguồn áp ở trên. Chỉ khác ở chỗ thông số ở Current là ta phải ghi giá trị cho dòng điện. battery: đây là nguồn pin một chiều. Sau khi lấy linh kiện ra ta nhấp đôi vào linh kiện bảng sau sẽ hiện ra: Hình 3.13 – Bảng thiết lập thuộc tính cho nguồn pin 1 chiều Ta phải chỉnh các thông số tương tự như trên nguồn áp. voltage generator: là một nguồn áp. Với linh kiện này ta có thể tạo được một nguồn tín hiệu bất kì như mong muốn. Sau khi lấy linh kiện ra ta nhấp đôi vào linh kiện bảng sau sẽ hiện ra: Hình 3.14 – Bảng thiết lập thuộc tính cho nguồn áp Dc level [v] :là mức điện áp một chiều Signal : cho phép xác định được dạng của tín hiệu. Nhấn chuột trái vào phần chữ màu xanh của ô này thì sẽ xuất hiện ,ta nhấn vào nút này sẽ hiện ra bảng sau: Hình 3.15 – Bảng thiết lập dạng tín hiệu Dựa vào bảng này ta xác định được dạng của tín hiệu . pulse: tín hiệu dạng xung unit step: tín hiệu dạng bước nhảy sinusodial: tín hiệu dạng hình sin cosinusodial: tín hiệu dang cosin square: tín hiệu dạng xung vuông triangle: tín hiệu dạng xung tam giác general: tín hiệu dạng hình thang User defined: tín hiệu theo một hàm nào đó do người dùng tạo ra. Khi nhấn vào thẻ này sẽ xuất hiện cửa sổ sau: Hình 3.16 – Bảng thiết lập dạng tín hiệu người dùng tự định nghĩa Ta có thể ghi tín hiệu dưới dạng một hàm số với biến t. Sau đó nhấn Test để kiểm tra hình dạng của tín hiệu. Sau đó nhấn OK. Chú ý: khi ghi tín hiệu dạng hàm bậc 2 trở lên ta phải ghi dạng hàm mũ. Ví dụ: với hàm bậc 2 : t^2 chứ ta không được ghi là t*t current generator : là một nguồn tạo tín hiệu dạng dòng điện. Sau khi lấy linh kiện ra ta nhấp đôi vào linh kiện sẽ hiện ra bảng như sau: Hình 3.17 – Bảng thiết lập thuộc tính cho nguồn tạo tín hiệu dạng dòng điện Cách thiết lập các thông số giống như trên nguồn áp. I(U): là nguồn dòng được điều khiển bằng điện áp. Hình 3.18 – Bảng thiết lập thuộc tính cho nguồn dòng được điều khiển bằng điện áp Giá trị nguồn dòng tạo ra được tính bằng giá trị nguồn áp điều khiển đưa vào nhân với hệ số trong mục transconductance [S]. U(U): nguồn áp được điều khiển bằng điện áp. Hình 3.19 – Bảng thiết lập thuộc tính cho nguồn áp điều khiển bằng áp Giá trị nguồn áp tạo ra được tính bằng giá trị nguốn áp điều khiển đưa vào nhân với hệ số trong voltage amplication. U(I): nguồn áp được điều khiển bằng dòng điện. Hình 3.20 – Bảng thiết lập thuộc tính cho nguồn áp điều khiển bằng dòng điện Giá trị nguồn áp tạo ra được tính bằng giá trị dòng điện điều khiển đưa vào nhân với hệ số trong transresistance [ohm] I(I): là nguồn dòng được điều khiển bằng dòng điện. Hình 3.21 – Bảng thiết lập thuộc tính cho nguồn dòng được điều khiển bằng dòng điện Giá trị nguồn dòng tạo ra được tính bằng giá trị dòng điện điều khiển đưa vào nhân với hệ số trong current amplication. 3.2.2 Nguồn số pulse source: là nguồn xung trong các mô phỏng số. Điểm đặc biệt của loại nguồn này là ta có thể chọn được kiểu xung như mong muốn ở dạng tuần hoàn hay không tuần hoàn. Ta có thể thay đổi chiều rộng của xung như mong muốn. Sau khi lấy linh kiện ra ta nhấp đôi vào linh kiện sẽ hiện ra bảng như sau : Hình 3.22 – Bảng thiết lập thuộc tính cho nguồn xung Các thông số tương tự như ở phần trên. Ngoài ra cò có các thông số khác như : Pattern : khi ta nhấn vào ô này sẽ hiện ra đấu ta nhấn vào đây sẽ hiện ra bảng sau : Hình 3.23 – Bảng thiết lập Moments&Level Add new : thêm vào dạng xung. Khi ấn vào đây phía bên phải cửa sổ sẽ xuất hiện như sau : Default: là dạng mặc định ở mức thấp. Nhưng ta có thể thay đổi được. Moment #1: là khoảng thời gian bắt đầu xảy ra sự kiện 1. Level #1 : cho phép ta hiệu chỉnh mức điện áp cao hay thấp tại thời điểm ta chỉ ra ở trên moment #1. Có bốn mức tuỳ chọn như hình vẽ. Chú ý : ta có thể tạo ra nhiều sự kiện như vậy bằng cách Add new nhiều lần. Chúng ta có thể tạo ra xung tuần hoàn hay không tuần hoàn bằng cách đánh đấu hoặc không đánh đấu vào ô repeat. Remove last: loại bỏ đi sự kiện được chọn ở Add new. Clear: xoá hết về dạng lúc đầu khi chưa thiết lập thông số. Load: cho phép ta có thể tạo được nguồn xung mà đã được tạo sẵn trước đây và đã được lưu vào ở đâu đó. Lúc này ta chỉ cần chỉ đến đường dẫn để thiết lập nguồn xung. Save as: lưu dạng của nguồn xung để sau này có thể lấy ra sử dụng lại khi cần thiết. Sau khi thiết lập các thông số xong ta nhấn OK. clock : cho phép chúng ta tạo ra tín hiệu xung tuần hoàn. Khi lấy được linh kiện ra ta nhấp đôi vào nó sẽ hiện ra bảng thông số sau : Hình 3.24 – Bảng thiết lập tín hiệu xung tuần hoàn Các thông số Label, Pootprint name, Parameter thiết lập như trên. Frequency: là tần số của xung. Duty cycle: là tỉ số giữa thời gian lúc đầu(T1) với chu kì của xung. Odd state [T1]: xác định mức điện áp trong khoảng thời gian T1. Even state [T2]: xác định mức điện áp trong khoảng thời gian T2. Start time, Stop time: là giới hạn thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc. Start state, Stop state: là trạng thái bắt đầu và kết thúc của xung. rise time: thời gian cần thiết để thay đổi mức trạng thái. Thời gian này càng nhỏ càng tốt. Thường ta để ở dạng mặc định chứ không nên thay đổi. Sau khi thiết lập các thông số xong ta nhấn OK. Pulse 2 : tương tự như công cụ pulse. Clock 2 : tương tự như clock. Digital voltage source : nguồn một chiều cho mô phỏng số. Hình 3.25 – Bảng thiết lập thuộc tính nguồn 1 chiều mô phỏng số Output voltage : thiết lập giá trị điện áp cho nguồn. Để hiển thị giá trị này trên giao diện ta đánh dấu vào ô vuông bên cạnh. Digital high source : nguồn số ở mức cao. Tạo mức điện áp chuẩn để quy định mức cao. Hình 3.26 – Bảng thiết lập thuộc tính nguồn số ở mức cao Digital low source : nguồn số ở mức thấp, tạo mức điện áp chuẩn để quy định mức thấp. Hình 3.27 – Bảng thiết lập thuộc tính nguồn số ở mức thấp data generator 4-bit : là nguồn phát 4 bit cho chế độ mô phỏng số mà đầu ra có thể thay đổi là mức cao hay mức thấp. Hình 3.28 – Bảng thiết lập thuộc tính nguồn phát 4 bit Các thông số label, footprint name, parameter thiết lập như trên. Pattern : cho phép hiệu chỉnh dạng tín hiệu phát ra ngoài. Khi nhấn vào sẽ hiện ra cửa sổ sau : Hình 3.29 – Bảng thiết lập dạng tín hiệu Tổng cộng có 256 địa chỉ có nghĩa là có thể tạo ra được 256 dạng các tín hiệu phát ra trên 4 đầu ra của thiết bị. Affected address (low) : xác định số thứ tự của xung phát bắt đầu để fill Affected address (high) : xác định số thứ tự của xung phát kết thúc để fill. khi nhấn Fill sẽ hiện ra bảng sau : Hình 3.30 – Bảng điền nhanh số 0 hoặc 1 Fill with 0 : điền đầy số 0. Fill with 1 : điền đầy số 1. Shift 1 left : dịch số 1 sang trái. Shift 1 right : dịch số 1 sang phải. Shift 0 left : dịch số 0 sang trái. Shift 0 right : dịch số 0 sang phải. Count up : đếm lên. Count down : đếm xuống. Intial value : giá trị ban đầu. Ngoài ra ta có thể thay đổi giá trị trực tiếp trên phần bên trái cửa sổ này trong phần Value. Step time : thời gian cho mỗi bước nhảy. Start address : địa chỉ bắt đầu cho phát tín hiệu. Stop address : địa chỉ kết thúc cho phát tín hiệu. Repeat pattern : lặp lại chu kì khi phát. Bin : cho phép ta viết ở cột value là số dạng nhị phân. Hex : cho phép ta viết ở cột value là số dạng thập lục phân. Sau khi thiết lập xong các thông số ta nhấn OK. Data generator 8-bit : là nguồn phát cho chế độ mô phỏng số mà đầu ra có thể thay đổi là mức cao hay mức thấp cho 8 ngõ ra của thiết bị. Các thông số được hiệu chỉnh tương tự Data generator 4-bit. CHƯƠNG 4. CÁC BÀI THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG CHO MÔN HỌC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BÀI SỐ 1: ĐIỐT I. Chuẩn bị thí nghiệm a. Nội dung kiến thức lý thuyết cần ôn tập. - Định nghĩa, cấu tạo và ký hiệu của điốt trong sơ đồ mạch. - Nguyên lý hoạt động của điôt bán dẫn. - Đặc tuyến Vôn-Ampe của điốt bán dẫn. - Các tham số tĩnh của điốt. - Phân loại điốt và ứng dụng. b. Các câu hỏi chuẩn bị: - Nguyên hoạt động của điôt bán dẫn? - Đặc tuyến Vôn-Ampe của điốt chỉnh lưu? - Đặc tuyến Vôn-Ampe của điốt Zener? - Các sơ đồ tương đương của điốt bán dẫn?- c. Các thiết bị, linh kiện dùng trong thí nghiệm: Để sử dụng được phần mềm TINA, bạn phải có cấu hình máy tính tối thiểu như sau: CPU Pentium II hoặc cao hơn. 64 MB bộ nhớ (RAM). Ổ cứng còn trống ít nhất 100 MB. Ổ CD-ROM. Màn hình màu SVGA. Hệ điều hành: Windows 9x, Windows NT/ME/XP, Windows 2000 hoặc Win7. Phần mềm TINA 7 hoặc TINA 8. II. Qui trình các bước thí nghiệm a. Trình tự các bước: Thiết kế mạch dùng phần mềm TINA Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Chạy mô phỏng mạch. So sánh kết quả chạy mô phỏng và phân tích lý thuyết. b. Các mạch điện: Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng 1 điốt như sau: Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 5V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0. Điện trở tải R = 1k. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ (dùng 2 điốt): Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng 2 điốt như sau: Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 10V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0. Tụ điện có C = 47uF (47 mF); điện trở tải R = 1k. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ (dùng 4 điốt mắc theo kiểu cầu): Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng 4 điốt mắc theo kiểu cầu như sau: Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 10V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0. Tụ điện có C = 10 uF (10 mF); điện trở tải R = 10k. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? Mạch hạn chế biên độ một phía Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch hạn chế biên độ một phía như sau: Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 10V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0. V1 = 6V. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? Bước 5: Có thể thay dạng điện áp đầu vào là xung tam giác, xung vuông với biên độ, tần số, pha ban đầu khác nhau; thay V1 bằng các giá trị khác nhau (chú ý: V1< Um ) và chạy mô phỏng để xem kết quả. Bài tập về nhà: SV tự vẽ mạch và chạy mô phỏng cho mạch dịch mức (dịch lên, dịch xuống). Gợi ý: SV có thể tham khảo sơ đồ mạch trong Bài giảng Cấu kiện điện tử. BÀI SỐ 2: ĐIỐT và BJT I. Chuẩn bị thí nghiệm a. Nội dung kiến thức lý thuyết cần ôn tập. - Đặc tuyến Vôn-Ampe của điốt bán dẫn. - Ứng dụng của điốt trong mạch hạn chế biên độ hai phía và mạch ổn áp. - Cấu tạo và ký hiệu của Transistor lưỡng cực trong các sơ đồ mạch. - Các cách mắc BJT và họ đặc tuyến tương ứng. - Định thiên cho BJT. - Ứng dụng của BJT. b. Các câu hỏi chuẩn bị: - Đặc tuyến Vôn-Ampe của điốt Zener? - Phân biệt sự khác nhau giữa BJT NPN và PNP? - Các cách mắc BJT? - Các họ đặc tuyến của BJT? - Các kiểu định thiên của BJT? c. Các thiết bị, linh kiện dùng trong thí nghiệm: Để sử dụng được phần mềm TINA, bạn phải có cấu hình máy tính tối thiểu như sau: CPU Pentium II hoặc cao hơn. 64 MB bộ nhớ (RAM). Ổ cứng còn trống ít nhất 100 MB. Ổ CD-ROM. Màn hình màu SVGA. Hệ điều hành: Windows 9x, Windows NT/ME/XP, Windows 2000 hoặc Win7. Phần mềm TINA 7 hoặc TINA 8. II. Qui trình các bước thí nghiệm a. Trình tự các bước: Thiết kế mạch dùng phần mềm TINA Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Chạy mô phỏng mạch. So sánh kết quả chạy mô phỏng và phân tích lý thuyết. b. Các mạch điện: Mạch hạn chế biên độ 2 phía Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch hạn chế biên độ hai phía như sau: Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 10V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0. V1 = 7 V; V2 = 5V. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? Bước 5: Có thể thay dạng điện áp đầu vào là xung tam giác, xung vuông với biên độ, tần số, pha ban đầu khác nhau; thay V1, V2 bằng các giá trị khác nhau (chú ý: V1< Um ; V2< Um ) và chạy mô phỏng để xem kết quả. Mạch ổn áp dùng điốt Zener Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch ổn áp đơn giản dùng điốt Zener như sau: Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 10V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0. Chọn điốt Zener loại 1N2805 (Type: 1N2805). Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? Bước 5: Có thể thay dạng điện áp đầu vào là xung tam giác, xung vuông với biên độ, tần số, pha ban đầu khác nhau và chạy mô phỏng để xem kết quả. Vẽ đặc tuyến ra của BJT Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch điện như sau: Chú ý: nguồn dòng IB lấy các giá trị thay đổi theo bước. Thực hiện việc này bằng cách: từ menu Analysis chọn Select Control Object (hoặc chọn nhanh bằng cách nhấp chuột vào nút trên thanh công cụ), sau đó kích chuột vào cấu kiện cần thay đổi giá trị (trong trường hợp này là nguồn dòng IB). Cửa sổ IB-Current Generator xuất hiện. Gõ 100u vào phần ô trắng bên cạnh dòng *DC Level [A] trong cửa sổ đó. Nhấp chuột vào dấu ... bên cạnh dòng *DC Level [A] trong cửa sổ IB-Current Generator, thấy xuất hiện cửa sổ (hình bên phải), chọn Start value: 0; End value: 120u; Number of cases: 13; sweep type: Linear; rồi chọn OK. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem đặc tuyến ra của BJT, từ menu Analysis, chọn DC Analysis -> DC Transfer Characteristic. Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? Mạch khuếch đại dùng BJT Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch khuếch đại dùng BJT mắc E chung như hình vẽ sau. Đặt các thông số cho mạch điện: Uin là điện áp xoay chiều có giá trị cực đại =1mV & thành phần một chiều bằng 0V; R1 = 62kW; R2= 9.1kW; RC = 3.9kW; RE = 680W; R4 = 10kW; C1=C2=C3=1mF; điện áp Vcc = 16V. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Dùng các thiết bị đo ảo (Multimeter-Máy đo đa năng số; Oscilloscope- máy hiện sóng; Function Generator-Máy tạo sóng chức năng) để quan sát tín hiệu vào/ra của mạch điện. Chọn Multimeter từ menu T&M trên thanh công cụ và ấn nút ~V để đo điện áp ra. Chọn Oscilloscope từ menu T&M trên thanh công cụ và ấn nút Run để xem dạng sóng ở đầu ra. (chú ý: đặt Time/Div = 500ms hoặc 1ms; sau đó chỉnh Volts/Div = 100mV hoặc 200mV, sao cho dạng sóng hiện trên màn của ôxilô đủ lớn để quan sát). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? Bước 5: BJT trong chế độ chuyển mạch Thay đổi giá trị của RC và quan sát sự thay đổi của dạng sóng đầu ra. Giải thích kết quả quan sát. Xác định giá trị RC để BJT hoạt động ở chế độ bão hòa. Thay dạng điện áp đầu vào là xung vuông và chạy mô phỏng để xem hoạt động của mạch ứng với RC vừa tìm được. Bài tập về nhà: SV tự vẽ mạch và chạy mô phỏng cho mạch ứng dụng khác của Điốt và BJT. Gợi ý: SV có thể tham khảo sơ đồ mạch trong Bài giảng Cấu kiện điện tử. BÀI SỐ 3: FET I. Chuẩn bị thí nghiệm a. Nội dung kiến thức lý thuyết cần ôn tập. - Cấu tạo và ký hiệu của các loại FET trong các sơ đồ mạch. - Nguyên lý hoạt động của JFET và MOSFET. - Định thiên cho FET. - Ứng dụng của FET. b. Các câu hỏi chuẩn bị: - Có mấy loại định thiên cho BJT? - Nêu một số ứng dụng của BJT? - Các họ đặc tuyến của FET? - Các kiểu định thiên cho JFET, EMOSFET và DMOSFET? c. Các thiết bị, linh kiện dùng trong thí nghiệm: Để sử dụng được phần mềm TINA, bạn phải có cấu hình máy tính tối thiểu như sau: CPU Pentium II hoặc cao hơn. 64 MB bộ nhớ (RAM). Ổ cứng còn trống ít nhất 100 MB. Ổ CD-ROM. Màn hình màu SVGA. Hệ điều hành: Windows 9x, Windows NT/ME/XP, Windows 2000 hoặc Win7. Phần mềm TINA 7 hoặc TINA 8. II. Qui trình các bước thí nghiệm a. Trình tự các bước: Thiết kế mạch dùng phần mềm TINA Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Chạy mô phỏng mạch. So sánh kết quả chạy mô phỏng và phân tích lý thuyết. b. Các mạch điện: Vẽ đặc tuyến ra của NMOSFET Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch điện như sau: Chú ý: nguồn áp Vgs lấy các giá trị thay đổi theo bước. Thực hiện việc này bằng cách: từ menu Analysis chọn Select Control Object (hoặc chọn nhanh bằng cách nhấp chuột vào nút trên thanh công cụ), sau đó kích chuột vào cấu kiện cần thay đổi giá trị (trong trường hợp này là nguồn áp Vgs). Cửa sổ Vgs-Battery xuất hiện. Gõ 3.5 vào phần ô trắng bên cạnh dòng Voltage [V] trong cửa sổ đó. Nhấp chuột vào dấu ... bên cạnh dòng Voltage [V] trong cửa sổ Vgs-Battery, thấy xuất hiện cửa sổ (hình bên phải), chọn Start value: 0; End value: 3.5; Number of cases: 8; sweep type: Linear; rồi chọn OK. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem đặc tuyến ra của BJT, từ menu Analysis, chọn DC Analysis -> DC Transfer Characteristic. Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? 2. Sơ đồ khuếch đại dùng JFET kiểu source chung. Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch khuếch đại dùng JFET mắc S chung như hình vẽ sau. Đặt các thông số cho mạch điện: Uin là điện áp xoay chiều có giá trị cực đại =100mV & thành phần một chiều bằng 0V; R1= 110MW; R2 = 5MW; RD = 30kW; RS = 150W; RL= 100M; C1=C2=1mF; điện áp VDD = 18V. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Dùng các thiết bị đo ảo (Multimeter-Máy đo đa năng số; Oscilloscope- máy hiện sóng; Function Generator-Máy tạo sóng chức năng) để quan sát tín hiệu vào/ra của mạch điện. - Chọn Multimeter từ menu T&M trên thanh công cụ và ấn nút ~V để đo điện áp ra. - Chọn Oscilloscope từ menu T&M trên thanh công cụ và ấn nút Run để xem dạng sóng ở đầu ra. (chú ý: đặt Time/Div = 5ms ; sau đó chỉnh Volts/Div = 100mV hoặc 200mV, sao cho dạng sóng hiện trên màn của ôxilô đủ lớn để quan sát). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? CÁC BÀI THÍ NGHIỆM 3+4 Môn: Cấu kiện điện tử (dùng phần mềm TINA) PHẦN 1: ĐIỐT Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng 1 điốt như sau: Nháy kép vào VG1, (Chọn … trong mục Signal để đến bảng thay đổi tham số Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 5V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0). Điện trở tải R = 1k. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? giải thích? Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ (dùng 2 điốt): Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng 2 điốt như sau: Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 10V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0. Tụ điện có C = 47uF (47 mF); điện trở tải R = 1k. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ (dùng 4 điốt mắc theo kiểu cầu): Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng 4 điốt mắc theo kiểu cầu như sau: Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 10V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0. Tụ điện có C = 10 uF (10 mF); điện trở tải R = 10k. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? giải thích? Mạch hạn chế biên độ một phía Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch hạn chế biên độ một phía như sau: Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 10V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0. V1 = 6V. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? giải thích? Bước 5: Có thể thay dạng điện áp đầu vào là xung tam giác, xung vuông với biên độ, tần số, pha ban đầu khác nhau; thay V1 bằng các giá trị khác nhau (chú ý: V1< Um ) và chạy mô phỏng để xem kết quả. Mạch hạn chế biên độ 2 phía Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch hạn chế biên độ hai phía như sau: Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 10V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0. V1 = 7 V; V2 = 5V. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? Bước 5: Có thể thay dạng điện áp đầu vào là xung tam giác, xung vuông với biên độ, tần số, pha ban đầu khác nhau; thay V1, V2 bằng các giá trị khác nhau (chú ý: V1< Um ; V2< Um ) và chạy mô phỏng để xem kết quả. Mạch ổn áp dùng điốt Zener Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch ổn áp đơn giản dùng điốt Zener như sau: Lần 1: Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 2 V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0, thành phần 1 chiều DC: 10V Chọn điốt Zener loại 1N2805 (Type: 1N2805). Lần 1: Bộ tạo điện áp đầu vào tạo điện áp hình sin có biên độ cực đại Um = 2V; tần số = 50Hz; pha ban đầu = 0, thành phần 1 chiều DC: 2V Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? Bước 5: Có thể thay dạng điện áp đầu vào là xung tam giác, xung vuông với biên độ, tần số, pha ban đầu khác nhau và chạy mô phỏng để xem kết quả. PHẦN 2 - BJT Vẽ đặc tuyến ra của BJT Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch điện như sau: Chú ý: nguồn dòng IB lấy các giá trị thay đổi theo bước. Thực hiện việc này bằng cách: từ menu Analysis chọn Select Control Object (hoặc chọn nhanh bằng cách nhấp chuột vào nút trên thanh công cụ), sau đó kích chuột vào cấu kiện cần thay đổi giá trị (trong trường hợp này là nguồn dòng IB). Cửa sổ IB-Current Generator xuất hiện. Gõ 100u vào phần ô trắng bên cạnh dòng *DC Level [A] trong cửa sổ đó. Nhấp chuột vào dấu ... bên cạnh dòng *DC Level [A] trong cửa sổ IB-Current Generator, thấy xuất hiện cửa sổ (hình bên phải), chọn Start value: 0; End value: 120u; Number of cases: 13; sweep type: Linear; rồi chọn OK. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem đặc tuyến ra của BJT, từ menu Analysis, chọn DC Analysis -> DC Transfer Characteristic. Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? Mạch khuếch đại dùng BJT Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch khuếch đại dùng BJT mắc E chung như hình vẽ sau. Đặt các thông số cho mạch điện: Ui là điện áp dạng hình sin có biên độ =1mV & thành phần một chiều bằng 1V; Ec = 12V. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Phân tích chế độ DC để xác định điểm làm việc : chạy Analysic->DC Analysic->Table of DC result, bảng giá trị dòng, áp một chiều ở các điểm trong mạch hiện lên, xác định điểm làm việc của BJT. BJT làm việc ở chế độ nào? Bước 4: Phân tích chế độ AC: Thực hiện 2 lần Lần 1; K đóng Lần 2: K mở Để xem dạng sóng ở đầu ra, chạy Transient từ menu Analysis trên thanh công cụ. (Chú ý: chế độ DC hoặc AC đều không thích hợp cho việc phân tích mạch này nên SV nên sử dụng chế độ Transient hoặc sử dụng Ôxilô). Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? PHẦN 3 – FET 1. Vẽ đặc tuyến ra của NMOSFET Bước 1: Dùng phần mềm TINA xây dựng một mạch điện như sau: Chú ý: nguồn áp Vgs lấy các giá trị thay đổi theo bước. Thực hiện việc này bằng cách: từ menu Analysis chọn Select Control Object (hoặc chọn nhanh bằng cách nhấp chuột vào nút trên thanh công cụ), sau đó kích chuột vào cấu kiện cần thay đổi giá trị (trong trường hợp này là nguồn áp Vgs). Cửa sổ Vgs-Battery xuất hiện. Gõ 3.5 vào phần ô trắng bên cạnh dòng Voltage [V] trong cửa sổ đó. Nhấp chuột vào dấu ... bên cạnh dòng Voltage [V] trong cửa sổ Vgs-Battery, thấy xuất hiện cửa sổ (hình bên phải), chọn Start value: 0; End value: 3.5; Number of cases: 8; sweep type: Linear; rồi chọn OK. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Để xem đặc tuyến ra của BJT, từ menu Analysis, chọn DC Analysis -> DC Transfer Characteristic. Kết quả chạy mô phỏng như hình vẽ dưới đây. Bước 4: So sánh kết quả chạy mô phỏng với phân tích lý thuyết ở bước 2 xem có phù hợp không? PHẦN 5 – PHÂN TÍCH BJT, FET TRONG CHẾ ĐỘ CHUYỂN MẠCH 1. BJT trong chế độ chuyển mạch Chỉ sử dụng điện áp điều khiển 5V để điều khiển đóng mở bóng đèn sợi đốt Light điện áp cao (220V). Bước 1: Vẽ mạch điều khiển sử dụng Relay RL1 12V kiểu thường mở Nháy đúp vào mỗi linh kiện để đặt giá trị như mạch đã cho dưới đây. Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Chọn chế độ mô phỏng tương tác: Interactive->DC Bước 4: Chạy chế độ mô phỏng tương tác: Interactive->Start Bước 5: Kích vào công tác K để thay đổi trạng thái của nó, nhận xét UCE, chế độ làm việc của BJT, trạng thái đóng mở của Rơ le, Sự sáng tối của bóng đèn trong mỗi trường hợp K đóng/mở. 2. E_MOSFET trong chế độ chuyển mạch Chỉ sử dụng điện áp điều khiển 5V để điều khiển đóng mở bóng đèn sợi đốt Light điện áp cao (220V). Bước 1: Vẽ mạch điều khiển sử dụng Relay RL1 12V kiểu thường mở Nháy đúp vào mỗi linh kiện để đặt giá trị như mạch đã cho dưới đây. Xác định điện áp ngưỡng của E_MOSFET Bước 2: Phân tích hoạt động của mạch (lý thuyết). Bước 3: Chọn chế độ mô phỏng tương tác: Interactive->DC Bước 4: Chạy chế độ mô phỏng tương tác: Interactive->Start Bước 5: Kích vào công tác K để thay đổi trạng thái của nó, nhận xét UDS, và chế độ làm việc của E_MOSFET, trạng thái đóng mở của Rơ le, Sự sáng tối của bóng đèn trong mỗi trường hợp K đóng/mở. 3. Thiết kế và mô phỏng mạch có chức năng giống 2 mạch trên nhưng sử dụng pJFET và pD_MOSFET KẾT LUẬN Tài liệu đã giới thiệu được một công cụ mô phỏng rất mạnh hiện nay, đó là bộ phần mềm thiết kế TINA 8 với đầy đủ các tính năng từ thiết kế mạch, chạy mô phỏng đến thiết kế mạch in. Phần mềm này hỗ trợ cho cả thiết kế mạch điện tương tự, mạch số và mạch hỗn hợp (kết hợp cả số và tương tự). Ngoài ra phần mềm thiết kế TINA 8 có một số ưu điểm nổi bật so với các phần mềm thiết kế khác hiện nay đó là hỗ trợ tính năng bo mạch 3D như mạch thật, cung cấp các máy đo ảo, và hỗ trợ thêm phần cứng TINALab II. Đề tài này đã đưa ra được một bộ bài thí nghiệm gồm 03 bài thí nghiệm hoàn chỉnh cho môn học Cấu kiện điện tử. Tài liệu thí nghiệm này đã được thử nghiệm cho các lớp D08DT1, D08DT2, D08DT3, D09VT4, D09VT5, C09VT2 và đã nhận được những phản hồi tích cực. Dự kiến trong thời gian tới sẽ đưa bộ bài thí nghiệm này vào trong chương trình chính thức. Các bài thí nghiệm mô phỏng kết hợp với các bài thí nghiệm trên kít thí nghiệm sẽ góp phần giúp sinh viên củng cố được kiến thức lý thuyết, có thêm kỹ năng thiết kế mạch bằng phần mềm trước khi đưa mạch thiết kế ra thực tế.