Giáo trình hướng dẫn phân tích phạm vi ứng dụng nguyên lý mạch dao động dùng cổng logic p4 potx

Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
45

 Chọn hệ số khuếch đại của mạch là A
1
= 100 và A
2
= 3
 Điện áp ngõ ra của tầng thứ 1: V
01
= A
1
x V
in

 Điện ra của tầng thứ 2: V
02
=A
2
x V
01

 Khi điện áp vào là V
in
= 10 mV thì điện áp ngõ ra V
02
= 3 V với
biên độ tín hiệu này mạch đếm đã hoạt động.
 Đối với những tín hiệu có tần số thấp dung kháng X

C1
rất lớn so
với điện trở R
1
và hệ số khuếch đại giảm. Khi tần số tín hiệu tăng
thì dung kháng X
C1
giảm làm cho hệsố khuếch đại tăng lên. Giới
hạn tần số thấp được xác đònh theo công thức:
f
gh
=
1
2
2 1

rR C


R
2
=1k  ,

C
1
= = 0.1 F

Hệ số của mạch khuếch đại không đảo A = 1 +
R
R

3
1

1 +
R
R
3
2
= 100

R
3
= 99 R
2


R
3
= 99 k 
Chọn R
1
= R
2
để nhằm mục đích bù ảnh hưởng của dòng ngõ vào,
tương tự tính cho tầng khuếch sau với hệ số khuếch đại A
2
= 3

1 +
R

R
4
5
= 3

R
4
= 2 R
5
= 2 k 
Thông số kỹ thuật vi mạch 741 tại điện áp cung cấp 15 V

Điện áp offset 1 mV(max 5 mV)
Dòng điện offset 20 nA (max 200 nA )
Dòng điện phân cực 80 n ( max 500 ma )
Tổng trở ngõ ra 75 
Common mode rejection 90 db ( min 70 db )
Slew rate 0.5
.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
46
Có mạch bổ chính tần số bên trong, không cần thêm RC bên ngoài.
Có khả năng bảo vệ ngắn mạch, dòng ngõ ra tới hạn tại 25 mA.
Điện áp sai biệt tối đa giữa hai ngõ vào là 30 V.
Có mạch chỉnh điện áp offset ngõ ra.

2 . Mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào:
Khi biên độ tín hiệu ngõ vào lớn hơn 5V

p-p
thì mạch không thể hoạt
động, trong mạch này giới hạn biên độ tín hiệu cao nhất cho phép là 15V.
Tín hiệu ngõ vào vi mạch số có biên độ là 5V, dòng ngõ vào là 10 mA.

Khi tín hiệu ngõ vào là V
i
= 15 V

R
1
=
V V
I
i
L

0
=
15 5
10

= 1K
Khi tín hiệu ngõ vào là V
i
= 10 V

R
2
=

5
10
= 500 

Biên độ tín hiệu ngõ vào ta không mở rộng lên giới hạn cao hơn vì
trong thí nghiệm đo lường điện thường làm việc với mức điện áp thấp từ 15 V
trở xuống. Ba led phát quang chỉ báo có tín hiệu ngõ vào đồng thời giới hạn
mức điện áp tín hiệu ngõ vào là 5V. Diode zener xen các thành phần nhiễu
có biên độ vượt quá 5V
p-p

Như vậy trong mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào có 4 cấp giới
hạn 15V - 10V - 5V -10mV. Chúng ta có thể ước lượng biên độ tín hiệu cần
đo tần số để chọn cấp giới hạn cho phù hợp.

3 . Mạch chỉnh dạng xung tín hiệu ngõ vào:
Mạch đếm làm việc với tín hiệu dạng xung có hai mức logic phân
biệt rõ ràng nên tín hiệu cần đo tần số có dạng sin hoặc những tín hiệu xung
bò méo dạng cần được chỉnh dạng cho thành xung vuông trước khi đưa vào
mạch đếm. Ở đây ta dùng cổng nảy schmitt trigger CMOS có hai mức ngưỡng
giao hoán để chỉnh dạng sóng tín hiệu ngõ vào.
Trigger schmitt bộ có cấu tạo phổ biến nhất và thường tỏ ra hiệu quả
đối với các ứng dụng hiện nay, trigger schmitt được cấu thành từ một cổng
logic với hai mức ngưỡng chuyển mạch.

.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
47

Biên độ cuả các vượt mức tín hiệu cần sưả đổi sẽ cao hơn độ trễ cuả
các tín hiệu ngõ vào, song ta cũng có thể ứng dụng thông tin dạng số ngõ ra
để trigger một mạch số khác như mạch đếm hoặc mạch đa hài đơn ổn.
Đối với cổng đảo, khi điện thế vào nhỏ ứng với mức thấp thì ngõ ra
là điện thế lớn ứng với mức cao. Khi điện thế tăng đến ngưỡng +V
T
(đối với
CMOS là khoảng 50% V
DD
) sự giao hoán bắt đầu và ngõ ra chuyển xuống
mức thấp. Nếu điện thế ngõ vào giảm thấp thì đường giao hoán khi điện thế
giảm trùng với đường giao hoán khi điện thế tăng.
Đối với cổng schmitt trigger ngưỡng giao hoán khi điện thế ngõ vào
tăng là +V
T
và ngưỡng giao hoán khi điện thế ngõ vào giảm là –V
T
không
trùng nhau khiến đường giao hoán khi điện thế vào tăng và đường giao hoán
khi điện thế vào giảm không trùng nhau, sai biệt giữa hai ngưỡng +V
T
đến -
V
T
được gọi là độ trễ. Kết quả là ta có dạng xung vuông ở ngõ ra mạch nảy
schmitt trigger, dạng sóng gồm dúng hai xung (xung hướng dương và xung
hướng âm) như dạng xung cuả tín hiệungõ vào mặc dầu dạng sóng vào rất
méo dạng và có lẫn nhiễu.

Trong mạch này ta chọn cổng schmitt trigger thuộc họ CMOS
CD40106 có 6 cổng schmitt trigger có đảo, dùng công nghệ CMOS cổng
silicum để đạt được tốc độ cao tương tự như TTL-LS nhưng công suất tiêu thụ
thấp.

Sơ đồ chân cuả IC 40106:

.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
48


Một số đặc điểm cuả IC 40106:
Số fan out: 10 tải TTL-LS
Khoảng nhiệt độ làm việc rộng: 40 đến 85 C
Thời gian trì hoãn và thời gian chuyển tiếp cân xứng
Thời hằng tăng và thời hằng giảmcuả tín hiệu vào không giới hạn
Điện áp nguồn cung cấp từ 3V đến 10V
Độ miễn nhiễu mức thấp 37% V
CC
, ở mức cao 51% V
CC
, khi V
CC
= 5V

V./ MẠCH ĐẾM VÀ GIẢI MÃ:
1./ Mạch đếm:

Trong mạch này chọn IC 4518B để kết nối mạch đếm, IC này thuộc
họ CMOS bao gồm hai mạch đếm thập phân đồng bộ bên trong. Mỗi mạch
đếm có hai ngõ vào xung clock, một ngõ tác động cạnh xuống, một ngõ tác
động cạnh lên, tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà ta chọn ngõ vào xung tác động
cạnh lên hay tác động cạnh xuống.
Bảng trạng thái:

CP
0
CP
1
MR kiểu hoạt động

H L Đếm lên
L L Đếm lên
X L Không đổi
X L Không đổi
L L Không đổi
H L Không đổi
X X H RESET

.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
49


 Chức năng các của IC 4518B:
- CP

0a
,CP
0b
: ngõ vào xung clock tác động cạnh lên.
- CP
1a
, CP
1b
: ngõ vào xung clock tác động cạnh xuống.
- Mr
a
,Mr
b
: đặt lại (Reset).
- Q
0a
đến Q
3a
: ngõ ra BCD.
- Q
0b
đến Q
3b
: ngõ ra BCD.

Trong mạch đo tần số này dùng 4 LED để hiển thò như vậy số lớn
nhất có thể hiển thò được là 9999 HZ.Để được kết quả này ta phải sử dụng 4
mạch đếm 10 ghép lại với nhau IC 4518B gồm hai mạch đếm 10 nên chỉ
dùng 2 IC là có thể đáp ứng được số đếm yêu cầu, sử dụng IC4581B mạch trở
nên đơn giản hơn. Bộ đếm này, có công suất tiêu tán thấp, độ miễn nhiễu cao

45% V
dd
:
- Điện áp cung cấp 3 đến 18V
DC
.
- Dòng điện tónh là 5nA ở mức điện áp cung cấp là 5V
DC
.
- Dạng mạch được kết nối như sau:


.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
50

Chân 7, 15 (Reset ) của IC
1
và IC
2
nối chung với nhau và được nối đến
đường tín hiệu reset . Khi cho tín hiệu xung clock vào chân 2 cuả IC
1
, ngõ
vào reset ở mức thấp mạch đếm bình thường ngõ ra Q
0a
(chân 6) được nối đến
chân 10 làm xung clock cho mạch đếm thứ hai. Ngõ ra Q

3b
của IC
1
được nối
đến ngõ vào chân (2) của IC
2
để mạch đếm tiếp, số lớn nhất mà mạch đếm
được là 9999 HZ.
Các thông số của IC 4518B:


Kí hiệu Giá trò Đơn vò
Điện thế cung cấp V
dd
5- 18 V
DC

Điện thế ngõ vào V
in
0.5 - V
dd
+0.5 V
DC

Dòng ra mỗi chân I 10 mA
Nhiệt độ làm việc
Loại AL T
a
55 –125 C
Loại CL/CP 40 –45 C

Nhiệt độ bảo quản Tstg 60 – 150 C

2 . Mạch giải mã:
Ngõ ra của IC đếm là mã số BCD để hiển thò ra LED 7 đoạn thì cần
phải mạch giải mã từ số BCD sang LED 7 đoạn. Trong mạch này sử dụng IC
4511B làm mạch giải mã, IC 4511B là Ic thuộc họ CMOS có 4 ngõ vào, ba
ngõ vào điều khiển vàø ngõ ratừ O
a
đến O
g
nguyên lý hoạt động được giải
thích dựa trên bảng trạng thái.
Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong của IC 4511B: cấu trúc bên trong
của IC gồm có 3 phần LATCHES, DECODER, DRIVER
D
A
đến D
D
: ngõ vào nhận tín hiệu từ IC đếm 4518B:

.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
51

EL : cho phép chốt ngõ vào, ở mức thấp cho phép tín hiệu giải mã ra LED,
ở mức cao chốt kết quả vừa hiển thò.
BI ngõ vào xóa số 0 tác dộng ở mức thấp.
LT :ngõ vào thử đèn.

O
a
đến O
g
7 ngõ ra sang LED 7 đoạn.
Decoder: giải mã.
Driver: mạch đệm.
Latches: Bộ nhớ trung gian để nhớ kết quả trong thời gian ngắn (mạch
chốt)
Bảng trạng thái của IC 4511B:













.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
52
Ngõ vào ( input ) Ngõ ra ( output) Display

LE BI LT D C B A a b c d

E

g f
X X L X X X X H

H

H

H

H

H

H


X L H X X X X L L

L

L

L

L

L

Blank
L H H L L L L H

H

H

H

H

H

L

0
L H H L L L H L H

H

L

L

L

L

1
L H H L L H L H

H

L

H

H

L

H

2
L H H L L H H H

H

H

L

L

L

H

3
L H H L H L L L H

H

L

L

H

H

4
L H H L H L H H

L

H

H

L

H

H

5
L H H L H H L L L

H

H

H

H

H

6
L H H L H H H H

H

H

L

L

L

L

7
L H H H L L L H

H

H

H

H

H

H

8
L H H H L L H H

H

H

L

L

H

H

9
L H H H L H L L L

L

L

L

L

L

Blank
L H H H L H H L L

L

L

L

L

L

Blank
L H H H H L L L L

L

L

L

L

L

Blank
L H H H H L H L L

L

L

L

L

L

Blank
L H H H H H L L L

L

L

L

L

L

Blank
L H H H H H H L L

L

L

L

L

L

Blank
H H H X X X X (* )

Trong mạch hiển thò ta cần phải tắt số 0 vô nghiã,ví dụ như kết quả
đo làø 10 thì phải hiển thò làø 10 không phải là 0010. Như chúng ta đã biết IC
4511B có ngõ vào BI khi tác động ở mức thấp thì đèn tắt, khi các ngõ ra của
IC đếm là 0000 (BCD) thì ngõ vào BI ở mức thấp, một ngõ ra lên trạng thái
[1] thì ngõ vào BI ở mức cao.
Dạng mạch kết nối như sau:
.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
53

VI./ MẠCH HIỂN THỊ:
Mạch đo tần số này không là một thiết bò đo thực dụng mà là một mô
hình hoạt động được dùng trong giảng dạy môn đolường điện, có thể dùng
làm thiết bò đo trong phòng thí nghiệm đo lường điện. Đối với mô hình dùng
để dạy học nên cần phần hiển thò thật rõ để người ở góc có thể quan sát được,
với những yêu đó ta chọn phần hiển thò là LED 7 đoạn loại lớn, loại đèn này
tiêu tốn năng thấp hơn các loại đèn cathod lạnh hay đèn tim, nguồn cung cấp
cho đèn LED thường thấp.
Thông số loại LED
Điện áp cung cấp : 6 V
Dòng điện tối đa : 20mA
Kích cở : ( 3. 7 x 5. 5) cm
Kích thước mỗi đoạn : 3 cm
Loại màu trắng khi phát sáng cho ánh sáng màu đỏ
Điện áp và dòng diện các ngõ ra của IC 4511B không đủ kích cho
LED sáng vì vậy cần thêm mạch kéo dòng cho LED. Ta dùng linh kiện rời
TRANSISTOR để làm mạch thúc, khi ngõ ra của IC 4511B ở trạng thái mức
cao thì LED sáng, ở trạng thái mức thấp thì LED tắt nên ta sử dụng transistor
loại PNP.


.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
54

Điện áp cấp cho LED là 6V và dòng điện qua tối đa là 15mA. Khi
chân B ở mức cao thì transistor ngưng dẫn dòng điện chạy qua R
C

và R
1
qua
LED làm cho đèn phát sáng, lúc này điện áp rơi trên LED là 0.7V.

Điện trở R
C
=
LED
CCC
I
VV



R
C
=
mA
15
612

= 400 
R
1
=
mA
15
7.06


= 330 

Để transistor làm việc trong vùng bảo hoà thì điện trở R
B
= 10 R
C

R
B
= 4 K
Khi chân B ở mức thấp thì transistor dẫn dòng điện đổ từ nguồn V
CC

= 12V qua mối nối CE xuống mass lúc này V
CE
= 0.2V làm cho LED tắt.

VII./ MẠCH NGUỒN:
Trong phần mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào và phần hiển thò
đã sử dụng nguồn cung cấp là 12V, nguồn cung cấp cho các loại IC đếm trong
mạch là 5V. Như vậy mạch nguồn cho ra 3 cấp điện áp +12 V, -12V, + 5V.
Để đơn giản cho việc chọn lựa nguồn và linh kiện ổn áp cho mạch ta
chỉ chú trọng đến các phần tử tiêu hao dòng đáng kể nhất trong mạch.
Các cổng CMOS đều là loại có dòng tiêu thụ lớn nhất I
d
= 50 mA ở
mức điện nguồn cung cấp là 5V.
Dòng điện tổng qua các CMOS là :6 x 50mA = 300 mA
IC đếm bao gồm: IC 4518B x 3, 4017B x 4, IC 4040B dòng điện tiêu
thụ mỗi IC là 10 mA. Dòng điện tổng là: (8 x 10)mA = 80mA

Tổng dòng điện qua các LED là : (4 x 7 x 15) mA = 420 mA
Tổng dòng điện toàn mạch là: (300 + 420 + 80 ) = 800 mA
Tổng dòng điện trong nguồn cung cấp + 5 V là: (300 + 80) = 380 mA
Chọn IC 7805 để tạo nguồn ổn áp + 5 V, các thông số của IC 7805:
Dòng điện ngõ ra: I
0
= 1 A
.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
55
Điện áp ngõ vào: V
in
= 8  35 V
Điện áp ngõ ra: V
0
= 4.8  5.2 V
Chọn IC LM 317 và LM 337 để tạo nguồn ổn áp + 12V , -12 V
Thông số kỹ thuật của IC LM317:
Dòng điện ra đònh mức : I
0
= 1.5A
Điện áp ngõ ra V
0
= V
in
- 1.2
Điện áp ngõ vào : V
in

= 1.2  37V
Thông số kỹ thuật của IC LM 337
Dòng điện ra đònh mức : I
0
= 1.5A
Điện áp ngõ ra :V
0
= V
in
+ 1.2
Điện áp ngõ vào : V
in
= 1.2  37 V
Trong mạch cần nguồn đối xứng 12V nên chọn biến áp có điểm giữa,
điện áp vào là 220 V
AC
, điện áp lấy ra 12 V
AC


Tụ 10F nối từ chân ADJ xuống mass để triệt tiêu độ gợn điện áp, tụ
0.1F dùng lọc nhiễu tần số cao làm cho điện áp ngõ ra có dạng phẳng hơn.
Điện trở R = 120 và biế trở VR = 2 k tạo thành cầu phân áp để điều chỉnh
điện áp cho chân ADJ nhằm điều chỉnh điện áp ngõ ra.
 Giải thích nguyên lý hoạt động của toàn mạch:
Chức năng các linh kiện trong mạch
IC 7805 dùng ổn áp nguồn 5V cung cấp cho các IC đếm
IC 317 vàø IC 337 dùng ổn áp nguồn +12V, -12V cung cấp cho khuếch
đại đầu vào và mạch nguồn cho LED hiển thò
IC 40106B chỉnh dạng sóng tín hiệu ngõ vào, một phần dùng lắp mạch

dao động chuẩn.
IC 4518B (1), IC 4040B và IC 4081(1) dùng để chia tần số xung 32 KHZ
xuống tần số xung chuẩn 1HZ.
IC 4017B (1) khống chế mạch đếm trong 1 giây, giữ kết quả trong 2
giây và reset mạch đếm trong 1 giây.
IC 4518B ( 2,3) đếm BCD đồng bộ.
.