Giáo trình phân tích phạm vi ứng dụng của mạch chia tần số theo nguyên lý mạch dao động đa hài dùng cổng logic p3 ppt

Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
34
Khi muốn CMOS thúc tải có yêu cầu dòng lớn ta dùng Transistor
Darlington có h
fe
tương đương rất lớn thường là trên 1000.
Khi tải hoạt động ở thế lớn thì phải thêm Transistor cách ly cao thế
khỏi mạch CMOS sau đó ta có thể dùng Transistor Darlington công suất. Khi
tải có yêu cầu dòng lớn ta có thể theo hình V.2.b.


3./ Giao tiếp giữa CMOS với Triac và Thyristor:
Khi tải hoạt động với điện xoay chiều, chủ yếu là mạng điện 50HZ với
điện áp là 110V hay 220V, bộ phận thúc tải trực tiếp là Triac hay Thyristor,
tất nhiên là phải có thên Transistor làm trung gian giữa mạch Logic và Triac
hay Thyristor.
Có nhiều đặc tính kỹ thuật liên quan đến Triac hay Thyristor, quan
trọng nhất là dòng điện tối đa, điện áp đỉnh mà không bao giờ vượt quá.
Dòng này tối thiểu phải áp dụng ở cửa thay đổi vài trăm ở Thyristor, Triac
nhạy, chủ yếu là loại công suất thấp, đến vài chục mA ở công suất lớn. Ở
trường hợp mạch TTL hay CMOS có thể thúc trực tiếp cửa Thyristor hay
Triac, còn phải dùng Transistor làm trung gian.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
35


Hình V.3a

Hình V.3a trình bày giao tiếp mạch Logic với Triac hay Thyristor để
điều khiển hoạt động ở mạch điện xoay chiều.


Hình V.3b

4./ TTL tác động mức thấp với tải hoạt động ở mức cao, dòng thấp:
Tải điển hình nhất trong trường hợp này là Led có dòng tiêu biểu là
10mA và có điện thế hoạt động (1,7 – 2,1)V, khi ngõ ra Y thấp (hình V.4)
Transistor T
0
ngưng dẫn, T
1
bão hòa và nhận dòng tối đa 16mA nên có thể
tách được Led, phải thêm điện trở giới hạn dòng.

Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
36
mAI
V
V
V
R
Led
CCsatddCC
10
3
,

1
_
7
,
1
_
5
=
_
_
=

=>R=300



Hình V.4

5./ TTL tác động ở mức cao:
Vấn đề cơ bản nhất là khi ngõ ra ở mức cao mạch TTL chỉ có thể cung
cấp dòng điện rất hạn chế 400mA, ở TTL loại thường, dòng điện không chỉ
đủ sáng ngay cả đèn led. Ta có thể thêm cửa để lật trạng thái và dùng khả
năng dòng lớn ở mức thấp để hoạt động tải. Ta cũng có thể dùng Transistor
giao tiếp như hình (H.V.5)


Hình V.5
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

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

37

6./ TTL tác động ở mức thấp



Hình V.6
Khi tải tiêu thụ dòng thấp, nhưng thế cao mới hoạt động được như
Rơle, đèn Neon, mạch giao tiếp còn có nhiệm vụ cách ly cao thế không tác
động lên Transistor bên ngoài mạch.




Hình V.6c

Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
38

Chương III

THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM TẦN SỐ

I./ KHỐI TOÀN SƠ ĐỒ MẠCH:
1./ Sơ đồ khối toàn mạch:

2./ Trình bày nguyên lí toàn mạch
a Khối dao động chuẩn 32KHZ: Tạo dao động có tần số ổn đònh, từ dao
động này chia xuống để được dao động có tần số xung là 1HZ.
b Khối chia: Để tạo xung điều khiển có tần số 1HZ từ dao động chuẩn.
c Khối khống chế 1 giây: Tạo sự đồng bộ cho mạch làm việc.
d Khối chia tần: Nhằm mở rộng giới hạn tần số cần đo.
e Khối đếm: là mạch đếm xung của tín hiệu vào dưới dạng mã BCD.
f Khối giải mã: Chuyển đổi mã số từ khối đếm sang mã số của khối hiển thò
tương ứng, cụ thể là bộ đếm là mã BCD còn hiển thò là LED 7 đoạn thì
cần dùng IC giải mã BCD sang LED 7 đoạn. Khi số lượng LED hiển thò
nhiều thì người ta dùng kỹ thuật chỉ báo đa hợp để giải mã.
g Khối chỉnh dạng xung: Mạch đếm chỉ làm việc với tín hiệu có dạng xung
vuông, khối này chỉnh dạng sóng cho đúng yêu cầu của mạch đếm.
h Khối giảm biên độ tín hiệu ngõ vào nhằm hạn chế biên độ tín hiệu cho
phù hợp với mạch đo.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
39
i Khối nguồn: Cung cấp nguồn nôi cho toàn mạch hoạt động.

3./ Đặc điểm và yêu cầu mạch thiết kế:
a./ Yêu cầu cuả mạch:
– Tần số làm việc của mạch nằm trong dãy tần số âm tần từ 5 đến 20KHZ.
– Độ miễn nhiễu phải cao.
– Mạch phải có công suất tiêu tán thấp.
– Từ những đặc điểm và yêu cầu này ta chọn IC làm việc thuộc họ CMOS
là loại IC có những đặc điểm phù hợp với yêu cầu.

b./ Đặc điểm của họ CMOS:
– Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi từ 3 V đến 15V, thông số kỹ thuật cho
trong sổ tay thường áp dụng nguồn 5V đến 10 V, cũng có một số vi mạch
cho phép nguồn ở 15 V, thông thường điện áp nguồn nuôi cho họ CMOS
là 5 V.
– Công suất tiêu tán cho mỗi cửa cổng rất thấp, 5nW ởnguồn nuôi là 5V.
– Giữa họ 40xx và họ 74xx có cùng điện áp nguồn là 5V nhưng các mức
điện áp vào ra và cả lề nhiễu cuả hai cũng không giống nhau, lề nhiễu
của CMOS là 1V và TTL là 0.4 V.
– Độ miễn nhiễu cao thường 45% điện thế nguồn cung cấp V
DD
.
– Tốc độ giao hoán thấp vào khoảng 5 MHZ.
– Dòng điện ngõ vào nhỏ khoảng 10 nA.
– Tổng trở ngõ vào rất lớn
10
11
 mắc song song với tụ điện 5 pF.
– Tổng trở ngõ ra nhỏ khoảng vài trăm OHM.
– CMOS không thể thúc trực một đèn LED ngay cả khi hoạt động ở 15 V.
– Các CMOS đệm có khả năng dòng khá lớn.
– Do tổng trở vào mạch logic CMOS lớn nên số fan out cũng lớn trên 50.
– Rất ít nhạy cảm với nhiệt độ.
– Nhiệt độ làm việc:
– Thương mại: 40 C đến 85 C.
– Trong quân đội: 55C đến 125 C.
– Thời gian trễ đối với mạch logic CMOS là không đáng kể.

II./ MẠCH DAO ĐỘNG CHUẨN:
1./ Mạch dao động chuẩn tần số 32 khz:

Mạch đo tần số hoạt động dựa trên nguyên tắc là đế xung tín hiệu
vào trong thời gian 1 giây. Trong thiết bò đo lường điện thì độ chính xác của
thiết bò được đặt lên hàng đầu vì vậy mạch dao động chuẩn này được tạo ra từ
mạch dao động dùng thạch anh có tần số là 32 KHZ.

Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
40


Cổng NOT N
1
, N
2
kết hợp với điện trở R
1
, R
2
tụ điện C và thạch anh
XTAL để tạo mạch dao động có tần số dao động đúng bằng tần số của thạch
anhlà 32 KHZ.
Cổng NOT N
3
là cổng đệm nhằm phân cách tải với mạch dao động
đồng thời tăng khả năng dòng và đònh dạng sóng của nguồn tín hiệu dao
động. Xung mở cổng and để đưa tín hiệu cần đo vào mạch đếm trong thời
gian là 1 giây nghóa là tần số xung mở cổng là 1 HZ, do đó cần phải có mạch
chia tần số chuẩn 32 KHZ xuống tần số thấp là 1 HZ.

2./ Mạch chia tần số tạo dao động có tần số 1hz
Trong mạch này ta sử dụng các loại IC đếm thập phân để tạo thành
mạch chia, để dao động 1 HZ từ dao động chuẩn 32 KHZ thì cần mạch chia
32000.
Dạng mạch chia như sau:



IC đếm 4518B bao gồm hai bộ đếm 10 bên trong ta kết nối lại để được
bộ chia 100 chân 7, 15 là ngõ vào reset mạch đếm tác dộng ở mức cao, để
mạch đếm bình thường nên được nối xuống mass. Chân 6, 10 nối chung lại
với nhau để đưa tín hiệu từ tầng trước sang tầng sau. Chân 1, 9 là ngõ vào
xung clock tác động ở cạnh sau được nối mass. Tín hiệu xung được đưa vào
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
41
chân 2 là ngõ vào xung clock tác động ở cạnh trước, tín hiệu xung lấy ra ở
chân 14 có tần số là 320 HZ được đưa tiếp vào mạch 320.
Bộ chia 327 sử dụng IC 4040B là loại IC đếm nhò phân có 12 ngõ ra
từ 0
0
đến 0
11
, số đếm tối đa là 2048 nhưng do yêu cầu là mạch chỉ chia đến
327 nên cần sử dụng các cổng and để tổng hợp các ngõ ra để được mạch chia
327. Số thập phân 327 được mã hóa theo số nhò là 101000111, các ngõ ra ở
mức cao [1] được đưa vào các ngõ vào của cổng and, ngõ ra cuối cùng của
cổng and A
4

là tín hiệu xung có tần số 1 HZ, đồng thời tín hiệu này cũng được
đưa về chân 11 của IC 4040B reset lại mạch chia.

III./ MẠCH CHIA TẦN SỐ NGÕ VÀO VÀ MẠCH KHỐNG CHẾ THỜI
GIAN ĐẾM TRONG 1 GIÂY:
1. Mạch chia tần số:
Do mạch hiển thò chỉ dùng 4 LED nên kết quả đo có thể hiển thò được
là 9999 HZ, nhưng yêu cầu đặt ra khi thiết kế là thiết bò phải đáp ứng được
tần số 20000 HZ vì vậy cần có mạch chia tần số tín hiệu ngõ vào nếu như khi
đo tín hiệu có tần số lớn hơn 9999 HZ thì ta chuyển sang giai đo nhân 10 hay
nhân 100 để dễ đọc kết quả hơn.
 Từ những yêu cầu đặt ra ta thiết kế dạng mạch chia như sau:
Dùng hai IC 4017B là loại IC đếm 10 thuộc họ CMOS và công tắc 3 vò
trí để tạo các giai đo. Trong mạch này sử dụng IC 4017B làm phần tử chia để
đơn giản cho việc thiết kế mạch in hơn là dùng IC đếm 4518B nhưng phải
dùng đến hai IC mới có được bộ chia 100.


Tín hiệu cần đo tần số đưpợc đưa vào chân 14 của IC
1
, ngõ ra 0
9

(chân 11) được nối qua chân 14 của IC
2
để được chia tiếp dồng thời tín hiệu
cũng được lấy ra làm giai đo nhân 10 vì tần số đã được chia đi 10 lần so với
tín hiệu tại ngõ vào.Tại chân 11 của IC
2
tín hiệu cũng được lấy ra lam giai đo

nhân100 vì tín hiệu đã được chia 100 lần so với tần số tín hiệu tại ngõ vào
chân 14 của IC
1
, ngay ngõ vào này cũng lấy tín hiệu ra làm giai đo (x1)
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
42
Khi công tắc ở vò trí (1) thì kết quả hiển thò trên màn hình ta đọc bình
thường, nghóa là kết quả hiển thò trên màn LED là 150 thì đọc kết quả của
phép đo là 150 HZ. Khi công tắc ở vò trí ( 2 ) giả sử trên phần hiển thò là 15
thì kết qủa của phép đo đọc là 15 x 10 =150 HZ nghiã là có 10 xung vào thì
mới có một xung ra, cứ như thế có 100 xung vào thì có 10 xung ra như vậy
điểm này tương với giai đo nhân 10. Khi công tắc ở vò trí (3) có 100 xung vào
ở chân 14 của IC
1
thì có 1 xung ra ở chân 11 của IC
2
hay có 1000 xung vào thì
có 10 xung ra như vậy vò trí này tương ứng với giai đo nhân 100. Tóm lại, kết
quả của phép đo bằng kết qủa hiển thò nhân với giai đo.

2 . Mạch khống chế thời gian đếm trong 1 giây:
Như đã trình bày trong phần 2 là mạch hoạt động dựa trên nguyên tắc
là mạch đếm xung trong 1 giây. Ta cần mạch mở cổng cho tín hiệu cần đo tần
số vào mạch đếm trong 1 giây sau đó đóng không tín hiệu qua. Mạch đếm và
giải mã hiển thò kết quả trên LED, kết quả này được lưu giữ lại trong suốt
thời gian reset mạch đếm và chu kì đếm lần sau. Dựa vào bảng trạng thái của
cổng and có thể đáp ứng được yêu cầu của mạch khóa tín hiệu ngõ vào:

Bảng trạng thái

A B Y ( ngõ ra)

0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

Tín hiệu điều chính là dao khiển động chuẩn có tần số 1 HZ






Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
43




IC đếm 4017 B có các ngõ ra thay đổi trạng thái lần lượt theo tín hiệu
xung 1 HZ nghiã là mỗi thời điểm chỉ có một ngõ ra ở mức cao còn các ngõ
ra khác đều ở mức thấp. Lúc đầu, ngõ ra 0
0
= [1] cổng and được mở cho phép
tín hiệu vào mạch đếm sau thời gian 1 giây 0

0
chuyển sang trạng thái mức
thấp cổng and được khoá không cho tín hiệu vào mạch đếm và lúc này ngõ ra
0
1
ở trạng thái mức cao thông qua cổng NOT trạng thái được đảo lại là mức
thấp cho phép mạch giải mã xuất kết quả đếm lên màn LED cũng sau thời
gian 1 giây ngõ ra 0
1
chuyển sang trạng thái mức thấp ở ngõ ra cổng NOT là
mức cao cho phép mạch chốt kết quả vừa hiển thò, ngõ ra 0
2
chuyển trạng
thái tứ mức thấp sang mức cao reset lại toàn bộ mạch đếm và ngay cả IC
4017B làm cho ngõ ra 0
0
chuyển trạng thái từ mức thấp sang mức cao mạch
bắt đầu hoạt động như chu kì đầu là đếm xung tín hiệu vào - chốt kết quả
hiển thò - reset lại mạch đếm.
Dạng sóng mô tả nguyên lý hoạt động cuả mạch:


Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
44


IV./ MẠCH GIỚI HẠN BIÊN ĐỘ TÍN HIỆU NGÕ VÀO:
Mạch đo tần số sử dụng vi mạch số, như đã giới thiệu IC số chỉ làm

với tín hiệu ở dạng xung có hai mức ngưỡng phân biệt rõ ràng. Giới hạn biên
độ tín hiệu cho phép mạch có thể làm việc được là phải lớn hơn 2V
p-p
và nhỏ
hơn 5 V
p-p
, nếu như biên độ tín hiệu quá nhỏ thì cần có mạch khuếch đại và
ngược lại biên độ quá lớn thì cần mạch hạn chế biên độ tín hiệu ngõ vào:

1 . Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ vào:
Để đáp ứng được các tín hiệu có biên độ thấp từ hàng mV thì cần
mạch khuếch đại để nâng biên độ lên hàng volt mới đáp ứng được biên độ tín
hiệu ngõ vào mạch đếm. Trong mạch này ta dùng IC 741 làm phần tử khuếch
đại, hệ số khuếch đại của mạch phải cao nhưng nếu dùng một tầng khuếch
đại thì mạch làm việc không ổn đònh và không đáp ứng được dải tần số tín
hiệu cần đo. Vì vậy ta thiết kế mạch dùng hai tầng khuếch đại, ngưỡng biên
độ tín hiệu thấp nhất là 10 mV. Dạng mạch khuếch đại như sau: