Thiết kế logic mạch số

1
đại học bách khoa hà nội
khoa điện tử - viễn thông
THIếT Kế LOGIC MạCH Số
Đề Tài: Đo tốc độ động cơ điện có tốc độ 1000vòng/phút với sai số 1%
và có chỉ thị chiều quay của động cơ.

Nhóm thực hiện:
Hà Mạnh Cờng
Nguyễn Phú Dũng
Lớp: ĐTVT1-K44
Giáo viên h ớng dẵn :
TS. Nguyễn Nam Quân

MụC LụC
TRang
I. mở đầu
Ii. nhiệm vụ
iii. lý thuyết thực hiện
1. Sơ đô khối mạch đô tốc độ
2. Sơ đồ khối mạch hiển thị chiều quay
a. phần 1: đo tốc độ động cơ
1. Khối chuyển vòng quay sang xung điện
2. Khối khuyếch đại và tạo dạng tín hiệu
3. Khối cổng
4. Khối xung mở cổng, xoá và reset
5. Khối đếm giải mã và hiển thị
B. phần 2: hiển thị chiều quay
1. Dùng mạch đồng bộ
2. Dùng mạch không đồng bộ
V. phần nguồn

VI. mạch nguyên lý
1. Mạch đo tốc độ
2. Mạch hiển thị chiều quay
V. Kết luận
2
I.Mở ĐầU
Trong sự phát triển của kỹ thuật điện tử ngày nay, kỹ thuật số đang dần chiếm u
thế về số lợng các ứng dụng của nó trên nhiều thiết bị điện tử từ dân dụng cho đến
chuyên dụng, trong nhiều lĩnh vực nh đo lờng, điều khiển, v.v nhờ vào nhiều u điểm
của nó. Có thể nói, nền tảng của kỹ thuật số là các mạch logic số dựa trên sự kết hợp của
các cổng logic cơ bản mà ngày nay đã đợc tích hợp trong các IC số.
Trên cơ sở những kiến thức đã đợc học trong môn học: Kỹ thuật số và trong
khuôn khổ của một đồ án môn học: Thiết kế mạch logic số, chúng tôi đã thiết kế mạch
logic số với đề tài là: Thiết kế hệ thống đo tốc độ động cơ có hiển thị chiều quay
Với mục đích là tìm hiểu thêm về lĩnh vực kỹ thuật số, nâng cao kiến thức của mình.
Song kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không đợc nhiều nên đề tài của
chúng tôi còn rất nhiều sai sót, hạn chế. Mặc dù đã cố gắng phần nào thiết kế và tính
toán một các chi tiết các mạch, các thông số nhng đôi khi còn mang tính lý thuyết, cha
thực tế. Chúng tôi mong có sự góp ý và sửa chữa để đề tài này có tính khả thi hơn về cả
phơng diện kinh tế cũng nh kỹ thuật.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Nam Quân đã hớng dẫn và
giúp đỡ chúng em thiết kế và hoàn thành đề tài này.
II.NHIệM Vụ:
Vấn đề nêu trên đặt ra cho ta 2 nhiệm vụ cần thực hiện:
1.Đo(chỉ thị) tốc độ của động cơ điện với sai số cho phép(sai số cho phép trong đề tài chọn
là 1%).
2.Hiện(chỉ thị) chiều quay của động cơ điện.
III.Lý THUYếT THựC HIệN:
Sơ đồ khối để thực hiện nhiệm vụ nêu trên:
1.Phần chỉ thị tốc độ:

2.Phần chỉ thị chiều quay của động cơ:
3
Xung mở cổng
Reset 0
Đếm
Khuếch
đại tín
hiệu xung
điện và tạo
dạng
Cổng
Chuyển
vòng quay
sang xung
điện
Giải
mã
Chỉ thị
IV.CáC PHƯƠNG áN :
A.Phần chỉ thị tốc độ động cơ:
1.Khối chuyển vòng quay sang xung điện:
*Phơng án 1(phơng pháp cơ):
Mỗi vòng quay,vấu cam trên trục đóng công tắc vào một lần và tạo thành một xung điện.Đếm
số xung điện <-->đếm số vòng quay.
vấu cam
*Phơng án 2(Phơng pháp dùng cảm biến):
Một cảm biến thích hợp đợc đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận một cách ngắt quãng
mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần nh vậy nó cung cấp một tín hiệu xung có biên độ
tỉ lệ với +E.
Cảm biến từ:

4
Khuếch
đại tín
hiệu và tạo
dạng
Lấy tín
hiệu chiều
quay
Mạch xử lí
Chỉ thị
đầu từ
M ẩu băng từ
Mối 1 vòng quay,mẩu băng từ đợc dán trên trục động cơ quét qua đầu từ ,gây sự biến thiên từ
thông ỉ trên cuộn dây của đầu từ,tạo trên cuộn dây một suất điện động có biên độ E.Khi
động cơ quay tạo trên cuộn dây những xung suất điện động có tần số <--> tốc độ quay của
động cơ.Đếm số xung suất điện động <--> đếm số vòng quay của động cơ.

Hoặc ta có thể thay mẩu băng từ bằng một đĩa quay làm bằng vật liệu từ tính có khía
răng(hoặc bánh răng) gắn lên trục động cơ :
v ấ u t ừ
k h e t ừ
Hoặc ngợc lại ta dùng một vật trung gian là một đĩa chắn từ một cách tuần hoàn giữa một
nam châm cố định và một cảm biến từ :
5
nam châm
cố định
vấu chắn từ
khe từ
Biên độ suất điện động của cuộn dây E phụ thuộc chủ yếu 2 yếu tố:
+Khoảng cach giữa cuộn dây(đầu từ) và vật trung gian.Khoảng cách(khe từ) này lớn thì E

nhỏ.
+Tốc độ quay của động cơ:E tỉ lệ với tốc độ quay.Khi tốc độ quay quá bé,E sẽ nhỏ để có
thể phát hiện đợc và đây là vị trí tốc độ quay chết.
Cảm biến quang:
nguồn phát sáng nguồn phát sáng
đầu thu quang
đầu thu quang
a>
b>
Thấu kính

Cảm biến quang dùng 1 nguồn phát sáng thích hợp cùng với 1 cảm biến quang khi 1 vật
trung gian quay có các lỗ,đờng vát,hoặc mặt phản xạ.
+Nguồn sáng: LED,IR-LED,LAZER...
+Cảm biến quang: PHOTODIODE,PHOTOTRANSISTOR,PHOTO-JFET,
6
PHOTORESISTOR,PHOTOTHYRISTOR
Khi động cơ quay,ánh sáng gặp lỗ(hình a>),gặp mặt phản xạ(hình b>) sẽ tới đợc đầu thu
quang.Khi đó trên đầu thu quang ta sẽ thu đợc 1 xung điện.Biên độ xung điện chủ yếu phụ
thuộc:
+Thông lợng ánh sáng ỉ tới đợc đầu thu quang: ỉ càng lớn thì biên độ xung điện càng lớn.
+Độ nhậy của đầu thu quang.
KL:
Chọn phơng án: Dùng cảm biến quang hình a>
+Nguồn phát quang: IR-LED hồng ngoại phát sóng hồng ngoại gần
+Cảm biến quang: PHOTOTRANSISTOR
IR-LED, PHOTOTRANSISTOR đợc lấy thực tế trong mạch là IR-LED,
PHOTOTRANSISTOR của mạch Mouse máy tính.
Không biết cảm biến quang mạch Mouse có phải là PHOTOTRANSISTOR không,hay là
PHOTO-JFET

2.Khối khuếch đại tín hiệu xung điện và tạo dạng:
*Tín hiệu xung thu đợc ở khối chuyển vòng quay sang xung là nhỏ,do đó cần phải
khuếch đại tín hiệu này lên để có thể sử dụng đợc.
Một mạch khuếch đại tín hiệu số cho đầu ra ở mức logic 1 khi có xung và mức 0 khi
không có xung .
Do đây là thiết kế Logic nên phần tơng tự không cần quan trọng lắm ---> không thiết kế
chi tiết.
*Tín hiệu thu đợc ban đầu cha hẳn đã ở dạng xung vuông chuẩn,vì vậy tín hiệu cần qua
bộ tạo dạng để trở thành xung vuông chuẩn.Đơn giản ta chọn là một mạch OR(tạo từ phần tử
NOR của IC SN7402): Tạo dạng dùng Smith-Trigo là chuyên dụng hơn!

*Tín hiệu ra khối khuếch đại tín hiệu xung điện và tạo dạng là tín hiệu ra mạch tạo dạng.
KL:
Do Mouse đã chuuyển vòng quay sang xung điện và đa vào máy tính nên tín hiệu ra của
nó là tín hiệu logic.Nh vậy toàn bộ 2 khối chuyển vòng quay sang xung điện,khối khuếch đại
và tạo dạng đợc tận dụng từ Mouse.Tín hiệu tốc độ quay vào khối cổng lúc này là tín hiệu ra
đợc câu ra từ mạch Mouse.
3.Khối cổng:
Khối cổng có nhiệm vụ chỉ cho tín hiệu xung qua trong một đơn vị thời gian nào đó.Tín
hiệu mở cổng lấy từ khối xung mở cổng.
ở đây chọn khối cổng đơn giản là 1 mạch AND 2 đầu vào( tạo từ phần tử NAND của IC
SN7400):
7
4.Khối Xung Mở Cổng:
Là khối dao động đa hài tạo xung vuông có biên độ xung ở mức logic 1 và độ rộng xung
bằng đơn vị thời gian mở cổng(tx).
a>Đa hài dùng Transistor: tx=0,7.Rb.Cb
b>Đa hài dùng Khuếch đại thuật toán:
tx=R.C.Ln(1+2R1/R2)
Chọn R1=0,86R2 ---> tx=R.C.1,0006

8
c>Đa hài dùng bộ định thời 555:

t1 = 0.693*( VR + R )*C1
t2 = 0.693*R*C1
f = 1.44 / [( VR + 2*R)*C1 ]
Khi xét tới tx ta phải xét luôn cả phần sai số đo và hệ số nhân khi đo tốc độ với đơn vị
vòng/phút.Trong bài này ta sử dụng số lỗ đục trên tấm bìa để thể hiện sai số phép đo và hệ số
nhân.
*Xét tx=1phút:
9