Thiết kế mạch đo tốc độ bằng Encoder

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
VI MẠCH TƯƠNG TỰ
&
VI MẠCH SỐ
Nhóm
Nhóm
7
7
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER
Giáo viên hướng dẫn
Giáo viên hướng dẫn
:
:


Nguyễn Văn Vinh
Nguyễn Văn Vinh
Sinh viên thực hiện
Sinh viên thực hiện
: Lương Đức Lợi
: Lương Đức Lợi
MSSV
MSSV
: 0641240176
: 0641240176
Lớp
Lớp
: ĐH TĐH3 – K
: ĐH TĐH3 – K

6
6
Hà nội, Dec 2012
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN

( Dán tờ thầy phát vào đây  )
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
ef
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn
GVC.Th.S NGUYỄN VĂN VINH
Mục Lục
Lời mở đầu 3
1.Khái niệm mạch dãy. 5
III. Mạch dao động 6
1. Khái niệm 6
2. Điều kiện dao động. 7
3. Kết luận. 8
Chương 2: Thiết kế sơ đồ mạch 8
I. Sơ đồ khối. 8
II. Hoạt động của từng khối 9
1. Khối tạo xung: 9
1.1khối tạo xung mở cổng 9
1.2. Khối reset 10
1.3. Động cơ và encoder 10
1.4. Khối cổng 10
2.Khối đếm ( IC 74L90) 11
3. Khối giải mã (IC 74LS47) 11
4. Khối hiển thị. 11
II. Sơ đồ nguyên lí 11
2.Nguyên lí làm việc. 12
3.tính toán thông số. 12
1.chọn thiết bị 12
Sau đó ta sẽ vẽ mạch như hình sau: 13
Kết Luận 13
Lời mở đầu
Trong thời đại ngày nay, việc tự động hoá trong quá trình sản xuất và ứng dụng
mang một ý nghĩa hết sức to lớn, có thể nói ngành tự động hoá là ngành đánh

giá sự phát triển công nghiệp của thế giới nói chung và một quốc gia nói riêng.
Sự tự động hoá trong sản xuất làm tăng năng suất, giảm giá thành, nâng cao chất
lượng sản phẩm và tiếp cận thâu tóm thị trường. Những chỉ số đó là những mục
tiêu mà các doanh nghiệp luôn muốn hướng đến và cải thiện.
Vì tầm quan trọng quá to lớn như vậy nên là sinh viên chuyên ngành tự
động hoá, chúng tôi càng phải trau dồi kiến thức cho mình để có nền tảng phát
huy tính sáng tạo sau này phát triển đất nứơc.
Động cơ là một thiết bị phổ biến , được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh
vực, chính vì thế việc đo tốc độ động cơ là vô cùng quan trọng để tính toán sử
dng ng c. Sau mt thi gian lm vic, nghiờn cu, tham kho chỳng em ó
hon thnh ti O TC BNG ENCODER trờn c s lý thuyt.
Chỳng em cng chõn thnh cm n n thy : Th.s Nguyn Vn Vinh.
ó ging dy chỳng em kin thc b ớch v b mụn Vi mch tng t v
vi mch s
Tuy vy nhng do lng kin thc cú hn ,trong thi gian ngn nờn ti
ca nhúm em cũn nhiu thiu sút, kớnh mong thy cụ giỳp thờm .
Chỳng em xin chõn thnh cm n !
Sinh viờn Thc hin ỏn
Lng c Li
Chng 1. Tỡm hiu chung v mch t hp,mch dóy v
mch dao ng.
I.Mch t hp
1.Khỏi quỏt
Mạch logic tổ hợp là mạch logic ở đó giá trí logic của các tín hiệu ra không phụ
thuộc vào trạng thái cũ của mạch, mà hoàn toàn xác định bởi giá trị logic của các
cửa vào của mạch ở thời điểm đó.
Khi tổng hợp mạch logic tổ hợp ta cần tuân thủ các bớc dới đây:
- Lập bảng chức năng logic của mạch. Đó là bảng chân lí hay bảng trạng
thái, là bảng giá trị các biến ra tơng ứng với tng tổ hợp của các biến vào.
- Từ bảng trạng thái xác định biểu thức hàm logic hoặc bảng Các nô.

- Tiến hành tối thiểu hoá hàm logic và đa về dạng thuận lợi để triển khai
hàm thông qua các mạch logic cơ bản.
1.1 Cỏc phng phỏp ti thiu húa hm logic
- Tối thiểu hoá hàm logic bằng cách sử dụng các định luật cơ bản của đại số
logic.
- Tối thiểu hoá hàm logic bằng biểu đồ Các nô.
1.2 Tng hp hm logic rng buc
Khỏi nim v hm logic rng buc
Hàm số n biến có 2
n
tổ hợp biến, tơng ứng với mỗi tổ hợp biến đó hàm số có
giá trị 1 hoặc 0. Nhng cũng có những trờng hợp với một số tổ hợp biến số hàm số
của các biến đó không xác định đợc giá trị theo một điều kiện nào đó.
Phần tử ràng buộc hay số hạng ràng buộc là tổ hợp biến tơng ứng với trờng
hợp hàm số không xác định, số hạng ràng buộc luôn bằng 0.
Điều kiện ràng buộc là biểu thức logic tạo bởi tổng các phần tử ràng buộc.
Vậy điều kiện ràng buộc cũng luôn bằng 0.
Hàm logic ràng buộc là hàm số logic xác định với điều kiện ràng buộc.
Tối thiểu hoá hàm logic ràng buộc có 2 cách: tối thiểu hoá bằng công thức
hoặc bằng bảng các nô.
2.b mó húa v b gii mó
2.1 b mó húa nh - thp phõn ( b mó húa BCD )
B mó húa nh thp phõn l b mó húa cú nhim v chuyn 10 ch s thp phõn
thnh mó h nh phõn . Dng mó ny cũn c gi l mó BCD ( Binary Code
Decimal ).

Mó thp phõn Mó nh phõn
Bng chõn lý b mó húa BCD theo mó 8421 (sgk t121)
S nguyờn lý b mó húa nh thp phõn (sgk t121)
2.2 B gii mó nh -thp phõn ( b gii mó BCD)

B gii mó BCD cú 4 ca vo l 4 bit nh phõn , ký hiu chỳng theo trng s
gim dn l D,C,B,A. cú cỏc ca ra l 10 sụ h thp phõn ( s 0 n s 9 ), kớ
hiu chỳng l y0,y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8,y9. ng vi mi t hp bin vo ch
cú 1 bin ra xut hin . Quy nh mc thp ( mc 0 ) l mc tớch cc ca bin
ra .
Bng chõn lý b gii mó BCD theo mó 8421 (sgk t.122 )
S nguyờn lý b gii mó BCD (sgk t.124)
II,Mch dóy
1. Khỏi nim mch dóy.
+, Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ đợc tạo bởi các mạch lật, các
mạch cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biến vào
mà còn phụ thuộc cả vào trạng thái hiện tại của mạch.
+, Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lu giữ dữ liệu hoặc biến đổi dữ liệu
số từ nối tiếp sang song song và ngợc lại. Mỗi mạch lật chỉ lu giữ đợc một bit.
Vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải đợc tạo tử bấy nhiêu mạch lật.
Thanh ghi nhn d liu song song
(sgk t 131)
B mó
húa
(BCD)
Thanh ghi nhận dữ liệu song song dài 4 bit có 4 mạch lật kiểu D kí hiệu theo thứ tự
F0-F3 .4 bit dữ liệu đến ngõ vào D của 4 mạch lật D0-D3 . Q0-Q3 là ngõ ra của 4
mạch lật cũng là ngõ ra của thanh ghi .
Q3Q2Q1Q0 = D3D2D1D0
Bộ ghi dịch
(Hình sgk t 132)
2. Bộ đếm
Là thiết bị đếm được số xung đến cửa vào , đầu ra của bộ đếm là số lượng dung
đếm được . Bộ đếm rất đa dạng , ở đây ta xét 2 loại là Bộ đếm nhị phân đồng bộ
và bộ đếm thập phân đồng bộ

-, Bộ đếm nhị phân đồng bộ
Số xung đếm được là N= 2^n
( hình 7.34 t.132)
Gồm 4 mạch lật kiểu Jk kí hiệu từ F0-F3 ,sử dụng 4 mạch NAND tạo mạch logic
tổ hợp điều khiển .Xung đồng bộ đồng thời cấp đến cả 4 mạch lật. cửa vào J,K
mạch lật thứ nhất (F0) đều có mức “1” Q0-Q3 là các ngõ ra của bốn mạch lật
cũng là ngõ ra giữ liệu của bộ đếm.
Giản đồ thời gian (7.35 t 133)
-,Bộ đếm thập phân đồng bộ
Bộ đếm thập phân đồng bộ là bộ đếm 4 bit chỉ đếm 10 xung CP . nội dung bộ
đếm là mã nhị phân của 10 chữ số thập phân 0-9 ,gọi là mã BCD. Vậy mạch tạo
bởi 4 mạch lật và các mạch cổng logic. Một trong số các bộ đếm thập phân đồng
bộ theo mã BCD 8421 có sơ đồ như hình (7.36 t133)
Mạch có 4 mạch lật kiểu JK đc kí hiệu từ F0-F3 và sử dụng 5 mạch AND xung
đồng thời cấp cả đển 4 mạch lật . cửa vào J,K của mạch lật thứ nhât (mạch F0)
đều có mức” 1” Q0-Q3 là các ngõ ra của 4 mạch lật cũng là ngõ dữ liệu của bộ
đếm. C là đầu ra nhớ hàng thập phân cao hơn của bộ đếm.
Ta thực hiện việc phân tích bộ đếm theo các bước dưới đây
B1: Xác định các loại phương trình ( phương trình định thời, phương trình đầu
ra,phương trình kích)
B2: Xác định phương trình trạng thái
B3: Xây dựng bảng tính toán.
B4: Lập bảng trạng thái, vẽ sơ đồ hình trạng thái
Đồ thị dạng sóng của bộ đếm thuận thập phân đồng bộ với mã BCD 8421 ( hình
7.38 t.136)
III. Mạch dao động.
1. Khái niệm
M¹ch dao ®éng lµ m¹ch ®iÖn tö t¹o ra tÝn hiÖu ®æi theo chu kú. Dùa vµo d¹ng
tÝn hiÖu do m¹ch dao ®éng t¹o ra, ngêi ta chia m¹ch dao ®éng ra lµm: m¹ch dao
động hình sin (dao động điều hoà) và mạch dao động tạo xung. Mạch dao động

tạo đợc tín hiệu có tần số từ vài Hz đến hàng nghìn MHz.
Các mạch dao động sử dụng các phần tử tích cực là: tranzitor ( loại lỡng cực
hoặc FET), điốt-tuynen, mạch tích hợp KĐTT hoặc các mạch tích hợp với các
chức năng khác.
Các tham số cơ bản của mạch dao động gồm: tần số tín hiệu ra, công suất ra
và hiệu suất của mạch.
Ta thờng gặp các nguyên tắc dao động nh: tạo dao động bằng hồi tiếp dơng
và t o dao động bằng phơng pháp tổng hợp mạch.
2. iu kin dao ng.
Ta xét sơ đồ khối mạch dao động mô tả nh trên hình 1.1. Trong đó, ta kí hiệu
và gọi X

I
- tín hiệu vào dạng phức, X

O
tín hiệu ra dạng phức và X

F
tín hiệu
phản hồi dạng phức.

X

I
a
X

F
a

X

O
2

Hình 1.1: Mô tả cách xác định điều kiện dao động
Khối 1: khối khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức:
K

= Ke
j

K

Với K là môđun hàm truyền đạt khối khuếch đại và
K
là góc pha đầu hàm
truyền đạt khối khuếch đại. Khối 2 là khối hồi tiếp khuch đại có hàm truyền đạt
dạng phức:
K

= K
F
e
j

F
Với K
F

là mô đun hàm truyền đạt khối phản hồi và
F
là góc pha đầu hàm
truyền đạt khối phản hồi.
Giả định có tín hiệu vào dạng phức là X

I
, tích các hệ số khuếch đại vòng
KK

F
=1, thì tín hiệu phản hồi và tín hiệu vào bằng nhau cả về biên độ góc pha,
nghĩa là: X

F
= X

I
. Khi đó 2 điểm a và a

có thể nối đợc với nhau mà tín hiệu ra
X

O
không thay đổi. Vậy mạch tạo dao động đợc tín hiệu ra mà không cần có
kích thích cửa vào. Ta suy ra điều kiện để duy trì dao động là tích các hệ số
khuếch đại dạng phức vòng kín bằng 1.
Hay có thể viết:
KK

F
=KK
F
e
j(

K
+

F
) (1.1)
Có thể tách điều kiện (1.1) ra làm 2 biểu thức:
Điều kiện cân bằng biên độ: KK
F
= 1
Điều kiện cân bằng các góc pha:



K
+

F
= 2n với 0,+1,-1,
1
3. Kt lun.
Mạch dao động là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng phản hồi dơng ra quay
lại đu vào. Năng lợng tự dao động lấy từ nguồn một chiều đợc cung cấp. Mạch
phải bảo đảm cân bằng biên độ và cân bằng pha. Mạch dao động chứa ít nhất
một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lợng một chiều thành xoay

chiều. Mạch dao động chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để
bảo đảm cho biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập.
Chng 2: Thit k s mch.
I. S khi.

Kh i t o xung Kh i m Khi gii mó Kh i
hi n th
Khi to
xung dựng
IC555
Mch m
hng n
v dựng
IC74LS90
Mch gii
mó BCD
dựng
IC74LS47
Hin th
hng n
v qua led
7 thanh
Mch m
hng chc
dựng
IC74LS90
Mch gii
mó BCD
dựng
IC74LS47

Hin th
hng chc
qua led 7
thanh
Mch m
hng trm
dựng
IC74LS90
Mch gii
mó BCD
dựng
IC74LS47
Hin th
hng
trm qua
led 7
thanh
Khi
m
cng
v
reset
Khi
cng
ng c
v
encoder
Mch m
hng nghỡn
dựng

IC74LS90
Mch gii
mó BCD
dựng
IC74LS47
Hin th
hng
nghỡn
qua led 7
thanh
* Nhiệm vụ các khối:
Khối tạo xung: là 1 IC 555 để tạo xung vuông với tần số phù hợp.
Khối đếm: Gồm các IC7490 được ghép nối với nhau để tạo thành các hệ
đếm phù hợp.
Khối giải mã: Gồm các IC7447 để giải mã BCD để đưa ra khối hiển thị.
Khối hiển thị: Hiển thị tín hiệu sau giải mã qua LED 7 đoạn
Ngoài ra có 2 nút ấn :
+ Nút bấm : gồm 1 nút ấn, để khi ấn cấp xung từ IC 555 cho IC
74LS90
+ Nút Reset : cho toàn bộ hệ thống về thời điểm ban đầu
II. Hoạt động của từng khối.
1. Khối tạo xung:
1.1khối tạo xung mở cổng


Khối xung tạo mở cổng
Khối tạo xung mở cổng gồm 1 mạch tạo xung dùng ic 555, một ic chia
tần số 4017, các hàm logic AND, NOT. Và một số linh kiện phụ khác.
1.2. Khối reset.

Nhiệm vụ của khối reset là reset lại bộ đếm để hiển thị về 0 và cho reset để
cấp xung lại cho 4017.
Chúng ta cần nút bấm cấp nguồn 1 1 đầu được nốt với nguồn +5v đầu còn lại
nối chia làm 2 nhánh: 1 nối với các chân reset của các ic đếm, và 1 nối với chân
số 15 của IC chia tần của ic 4017.
1.3. Động cơ và encoder.

Một trong những thành phần không thể thiếu trong mạch đo tốc độ chính là
động cơ, với những yêu cầu đo thực tế ta có các loại động cơ khác nhau.
Trong thị trường có nhiều loại encoder, nhưng với yêu cầu bài toán ban đầu
chúng em xin chọn loại encoder có số xung trên vòng là : 100xung/1 vòng, tức
là khi động cơ quay được 1 vòng thì ở chân A,B của encoder sẽ cấp ra 100 xung.
Encoder : 100xung/ vòng
Chọn encoder của hãng omron, seria: ENH -100-2-L-5, 24
ENCODER( ENH)
Loại Incremental
ENH -100-2-L-5, 24
Độ phân giải: 100 xung/ vòng
Pha ra tạo xung bù: A, B
Ngõ ra: Line driver
Nguồn cung cấp: 5VDC
1.4. Khối cổng.
Nhiệm vụ: chỉ cho tín hiệu đi qua trong một đơn vị thời gian nào đó, tín
hiệu mở cổng được lấy từ khối xung mở cổng
Chọn linh kiện: AND, Not.


Khối cổng
Khi tín hiệu ở 2 chân của hàm AND ở mức 1 sẽ cho tín hiệu đi qua vào bộ đếm.
2.Khối đếm ( IC 74L90)

3. Khối giải mã (IC 74LS47)
IC74LS47 là loại IC giải có chức năng ngược lại với mạch mã hoá. Mục đích
sử dụng phổ biến nhất của mạch giải mã là làm sáng tỏ các đèn để hiển thị kết
quả ở dạng chữ số. Do có nhiều loại đèn hiển thị và có nhiều loại mã số khác
nhau nên có nhiều mạch giải mã khác nhau.
4. Khối hiển thị.
Hiển thị dùng led 7 đoạn loại anode chung do đầu ra của IC 7447 có mức tích
cực là mức 0 ( mức thấp).
Ở loại anode chung ( anode của đèn được nối lên +5V, đoạn náo sáng ta nối
đầu cathode của đoạn đó xuống mức thấp thông qua điện trở để hạn dòng.
II. Sơ đồ nguyên lí.
1. Sơ dồ nguyên lí

Động cơ
Khối cổng, đếm ,
giải mã.
Tốc độ
Vòng/phút
O 1
encoder
Led 7 thanh
Nút Đo/reset
2.Nguyên lí làm việc.
Nguyên lí đo tốc độ động cơ:
Nhấn nút “START” để bắt đầu quá trình( không nên đo ngay khi vừa
khởi động mạch vì các phần tử khởi động chưa hoạt động ổn định kết quả
đo không chính xác). Lúc này xung đi ra từ mạch tạo xung sẽ được đi qua
IC 4017 tạo thành xung mở cổng đến 1 chân của hàm logic AND tại đây
kết hợp với tín hiệu ra của encoder và cổng AND tín hiệu đi qua vào khối
đếm, giải mã và hiển thị trên bộ led 7 thanh chính là tốc độ của động cơ.

Muốn thu được kết quả chính xác ta nên đo lại nhiều lần
Khi đo lại chúng ta nhấn nút “reset” để lặp lại quá trình.
Yêu cầu công nghệ: đưa ra được tốc độ với đơn vị là vòng/phút. ở đây ta sử
dụng encoder 100xung/vòng. Vì vậy Bản chất của mạch đo tốc độ này là đếm
xung encoder trong 1 phút. Tốc độ đo được cần hiển thị là số xung encoder đếm
được chia cho 100 được kết quả vòng/phút. (1 vòng có 100 xung). Phân tích bài
toán ta thấy thời gian đo 1 lần để có được kết quả mất 1 phút, như vậy sẽ rất tốn
thời gian, không phù hợp với nhu cầu thực tế. Vì vậy ta đếm xung encoder trong
0.6s, số xung đếm được chính là tốc độ động cơ đơn vị vòng/phút.
3. tính toán thông số.
T= 0,6s
t.on= 2 toff=0.4s
RA=RB=10k
T= 0.69(Ra+ 2Rb )C
Suy ra C = 28.9uF
Chương 3: xây dựng chương trình mô phỏng
ở đây chúng ta sẽ xây dựng mô hình mô phỏng trên mạch proteus.
1. chọn thiết bị
Nhấn chuột trái vào biểu tượng P(pick from libraries) chương trình sẽ hiện
ra 1 màn hình chọn linh kiện, ta gõ tên linh kiện cần tìm vào ô trống vào ok
để lấy linh kiện, bài của chúng ta cần dùng các linh kiện sau:
NGUỒN
IC 7490, IC 7447, IC 7404(not), IC7408(And), 7seg-anot (led 7 thanh), IC
555, IC 4017, Điện trở 3wat10k, tụ điện CAP, nút bấm BUTTON, công tắc
SWITCH, motor-encoder, RESPACK-7(Trở thanh).
Sau đó ta sẽ vẽ mạch như hình sau:
Sau khi vẽ xong chúng ta nhấn play để thực hiện mô phỏng.
Ấn công tắc start để đo tốc độ động cơ, ấn reset để đo lại. Ta thu được kết
quả như sau.
Tốc độ thực của động cơ n= 180v/phút

Trong quá trình đo có thể xuất hiện sai số, sai số trong mức không ảnh hưởng
quá lớn đến độ chính xác, nên có thể chấp nhận được.
Kết Luận.
Nhiệm vụ đo tốc độ là vô cùng quan trọng trong quá trình điều khiển các
máy móc có chuyển động quay, vì vậy khâu đo tốc độ cần phải đảm bảo độ kế
của thiết bị, tránh được những hậu quả những tác hại xấu do không kiểm soát
được tốc độ làm việc của máy móc chính xác cao để đảm bảo được hiệu suất của
quá trình sản xuất, đúng với thiết.
Sau một thời gian tìm hiểu tài liệu và kiến thức có được của môn vi mạch
số và vi mạch tương tự, được hướng dẫn của thầy giáo bộ môn. Em đã hoàn
thành bài tập lớn Đo tốc độ động cơ dùng encoder 100 xung, do kiến thức về
mạch điện tử, chưa có kinh nghiệm nên trong quá trính thiết kế vẫn dựa nhiều
vào lí thuyết nên khi áp dụng vào thực tế có những sai sót ngoài ý tưởng ban
đầu. Nên mong muốn nhận được tư vấn góp ý của thầy giáo và các bạn sinh viên
kĩ thuật để bài của em được hoàn thiện hơn.
Một lưu ý nhỏ, với ý tưởng xây dựng khả năng đo được tốc độ của các loại
động cơ với n< 9999 vòng/phút. Và đo chính xác khi tốc độ động cơ ổn định