Giáo trình hướng dẫn tìm hiểu sự hình thành của máy đo tần số và vi mạch số phần 1 pps

Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
12


Hình II.4:
Sơ đồ mạch chia tần số
Điện áp U
x
có tần số f
x
cần đo được khuếch đại thành điện áp U
1
, sau
đó đưa qua mạch tạo xung để sửa thành dạng xung vuông cũng có tần số là f
x

(U
2
). Xung này được đưa qua cổng logic trong khoảng thời gia T
n
để vào
mạch đếm xung (U
6
) kết quả xung được đếm đưa qua bộ hiển thò sẽ cho biết
tần số tín hiệu U
x
.
x
x

f
N
NTT
n
==
=>
n
x
T
N
f =

Với T
n
là chu kỳ của xung chuẩn (U
4
) và cũng là thời gian mở cổng
logic. Ở đây xung chuẩn (U
4
) do mạch dao động thạch anh tạo ra, vì tần số
lớn (f
o
từ 100KHz  1MHz), nên sau khi sửa thành dạng xung vuông (U
3
) cần
cho qua mạch chia tần số để thành U
4
có tần số f
n
. xung chuẩn (U

4
) tác động
vào Flip – Flop theo nguyên lý kích thích bằng cạnh trước (ký hiệu FF) tạo ra
xung mở cổng (U
5
) trong thời gian T
n
. Sai số của xung được đếm trong thời
gian cổng mở là 1 xung. Vì thế khi tần số f
x
cần đo thấp thì cần thay đổi
thời gian mở cổng T
n
. Trong thực tế chu kỳ xung chuẩn (T
n
) thường có các
mức điều chỉnh 0,1s, 1s, 10s.

Giáo trình hướng dẫn tìm hiểu sự hình
thành của máy đo tần số và vi mạch số
.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
13

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ LUẬN

I/ GIỚI THIỆU VỀ VIMẠCH SỐ:
1/Khái niệm về vi mạch số:
Mạch số (digital circuit) xử lý tín hiệu ở dạng xung. Các xung chỉ có
thể ở 1 trong hai trạng thái, mức điện thế đònh trước gọi là mức thấp ví dụ
(0V) và mức cao (4V). Số mức điện thế có thể lớn hơn hai nhưng cũng có thể
là một số hữu hạn.
Hệ thống số gồm nhiều loại như hệ thống số thập phân, nhò phân,
BCD, Hexa, .v.v Nhưng hệ thống số nhò phân gồm1 và 0 thuận tiện cho việc
xử lý bởi các mạch điện tử, nhưng mạch không xử lý trực tiếp các con số mà
xử lý các dạng sóng. Ta biểu thò số nhò phân bằng bằng dạng sóng nhò phân
chỉ có hai mức điện thế, một mức biểu thò số 0 và một mức biểu thò số 1.
Hai mức điện thế này cách xa nhau đủ xa để mạch logic có thể phân
biệt được hai mức. Khi xử lý tín hiệu nhò phân các ngỏ vào và ra của bản thân
các mạch logic cũng phát hiện ở một trong hai mức điện thế đó.
Vi mạch số gồmcó hai loại: - Một loại thuộc họ TTL được cấu tạo từ
các transistor – Một loại thuộc họ CMOS được cấu tạo từ các transistor
trường.

2/ Ưu điểm của vi mạch số:
– Ít bò ảnh hưởng bởi nhiễu âm (noise).
– Dễ được chế tạo thành mạch tích hợp (IC) và trong thực tế đã có rất nhiều
mạch tích hợp số được sản xuất cho nhiều chức năng khác nhau.
– Thiết kế và phân tích mạch đơn giản hơn.
– Thuận tiện cho việc điều khiển tự động lưu trữ và xử lý dữ liệu (data), kết
hợp với các loại máy tính.

3/ Nhược điểm:
Tín hiệu được xử lý phải là dạng xung có hai mức logic rõ rệt. Vì vậy
khi xử lý tín hiệu tương tự cần phải có bộ chuyển đổi từ tương tự sang số.

4/ Phạm vi ứng dụng của vi mạch số:
Vi mạch số được ứng dụng trong nhiều lónh vực như quân sự, các dụng
cụ y tế, các loại máy móc trong sản xuất.

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

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
14
II/ CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG:
Mạch dao động tạo xung đóng vai trò quan trọng trong các mạch số.
Xung đồng bộ giúp cho các phần trong thiết bò làm việc theo thứ tự đồng bộ
với nhau, vì vậy xung đồng bộ không thể thiếu được. Mạch dao động có rất
nhiều dạng, dùng linh kiện rời hay linh kiện tích hợp.


1/ Mạch dao động đa hài dùng cổng logic:



Hai cổng Nand (hay 2 cổng Not) mắc chéo như FlipFlop có hai trạng
thái bền nên không phải là mạch dao động (mạch không có trạng thái bền).
Muốn mạch dao động được ta phải gắn thêm tụ trên đường hồi tiếp. Các điện
trở được chọn để duy trì điện thế ở ngõ vào của cổng gần thềm logic nên khi
tụ nạp điện và xả điện, điện thế ở ngõ vào dao động trên dưới mức thềm
logic khiến ngõ ra dao động giữa hai mức logic 1 và 0.

Tần số dao động là:
( )
CRR
f
L
+2
1
=
Dạng sóng ra ở Q và
Q
đối pha nhau, mạch này không hoạt động ở
tần số thấp (dưới vài chục Hz) vì phải dùng tụ điện có điện dung lớn (trên vài
chục F).

2/ Mạch dao động đa hài dùng cổng Nand:

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

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
15


Điện trở R
1
, R
2
và biến trở R
3

phân cực cho hai cổng Nand gần thềm
logic, các điện trở này phải nhỏ hơn điện trở ngõ vào của cổng, thường dưới
1K.
Nguyên lý hoạt động: Giả sử ngõ vào của N
1
vừa xuống ngưỡng mức
thấp (0V) để ngõ ra Q lên ngưỡng mức cao (1V). Sự thay đổi logic của tia
được tụ C
2
nạp truyền về ngõ vào của N
2
khiến cho ngõ ra
Q
xuống mức
thấp (0V), và mức logic này được tụ C
1
chuyển về ngõ vào của N
1
, mạch
được xem như đạt trạng thái ổn đònh. Nhưng dòng điện trong N
1
đổ ra ở ngõ
vào nạp điện cho C
1
khi C
1
càng dương. Trong lúc đó tụ C
2
xã điện qua R
2

và
R
3
nên điện thế trên tụ càng giảm dần. Nếu điều kiện điện trở như đã nói, tụ
C
1
và C
2
không khác nhau thì tụ C
2
xả điện nhanh hơn là C
1
nạp điện, nên
điện thế ở ngõ vào N
2
nhanh chóng đạt mức logic thấp làm ngõ ra
Q
lên
mức cao (1), ngõ vào N
1
cũng đạt đến ngưỡng mức cao. Ngõ ra Q xuống mức
thấp (0), sau đó tụ C
1
xả điện qua R
1
, R
3
để đổi trạng thái của mạch trở lại
như trong quá trình C
1

xả điện. Điện trở R
3
nằm trên đường xả điện của C
1
và
C
2
có thể thay đổi giá trò để cho tần số mạch thay đổi. Khi mạch đối xứng
nghóa là C
1
= C
2
; R
1
= R
2
, tần số ra của mạch là:

RC
f
2
1
=

Để có tần số dao động thấp (vài Hezt) ta có thể dùng tụ lớn đến vài
ngàn F, nếu không cần dạng sóng ổn đònh cao về tần số giới hạn trên, tần số
của mạch khoảng 10MHz. Nếu sử dụng mạch logic CMOS có thể tạo được
mạch dao động có tần số thấp do tổng trở vào của CMOS rất lớn nên cho
phép dùng điện trở bên ngoài lớn.
Có nhiều IC tạo xung, là hai họ IC loại TTL và loại họ CMOS được

chế tạo sẵn và chỉ cần đưa thêm một vài linh kiện bên ngoài để xác đònh tần
số như 555, 556, 4047, v.v… Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền nhưng độ
chính xác không cao do phụ thuộc vào các phần tử xác đònh tần số ở bên
ngoài.
.
.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
16

3/ Phương pháp tạo dao động từ lưới điện nguồn:
Phương pháp này đơn giản và tiện sử dụng cho các mạch dùng nguồn
cấp điện xoay chiều của lưới điện và không đòi hỏi về độ chính xác thật cao.



Biến áp T
1
dùng để hạ mức điện áp lưới cho phù hợp với nguồn nuôi
của IC cổng. Nguyên lý của mạch lấy dao động của lưới điện là mạch sửa
dạng sóng từ dạng sóng sin sang dạng sóng vuông có tần số là tần số của lưới
điện.

4/ Mạch dao động dùng vi mạch tích hợp:
Mạch tích hợp 555 (NE555, NC555) được chế tạo lần đầu tiên, khoảng
15 năm trước đây và được sử dụng phổ biến. Khả năng cần dòng ra lớn
(200mA) hoạt động với 1 quãng điện thế rộng từ 4,5V đến 16V.
Độ ổn đònh nhiệt là 0,005% cho mỗi độ C mạch làm việc cho ra tần số
thay đổi được nhờ các linh kiện bên ngoài, độ ổn đònh của tần số không cao.

5./ Phương pháp dùng dao động thạch anh.
.
.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
17
Thạch anh là một tinh thể có tính áp điện. Nếu ta đặt một điện thế giữa
hai đầu bản cực của thạch anh thì sẽ cho ra dao động cơ học và ngược lại cho
tác dụng lực cơ học thì xuất hiện điện thế ngõ ra ở hai bả cực.
Với tính chất đặc biệt này, thạch anh có nhiều ứng dụng trong lónh vực
điện tử. Ứng dụng quan trọng nhất là dùng thạch anh tạo dao động chuẩn.
Nhưng thạch anh hiện có trên thò trường có thể do tần số dao động rất cao từ
hàng MHz đến hàng trăm MHz với độ chính xác cao và giá thành tương đối
thấp. Đây là loại dao động rất được tin cậy để chọn làm dao động chuẩn.
Nhưng với mỗi mạch đòi hỏi tần số dao động chuẩn thật thấp (Hz 
chục Hz) nên sử dụng dao động thạch anh làm tần số chuẩn rồi chia xuống
tần số yêu cầu thì mạch sẽ trở nên phức tạp và tốn kém.

10MHZ
47P
1k 1k
22k
20P
40pF

III./ CẤU TẠO MẠCH ĐẾM:
Mạch đếm chiếm một vò trí khá quan trọng trong kỹ thuật điện tử nói
chung và trong các thiết bò nói riêng. Mạch đếm được xem như là một công
cụ đếm các xung điện để xuất ra kết quả đếm. Mạch đếm được sử dụng trong
việc điều khiển tự động trong dây chuyền đếm sản phẩm.
Khi nói đến mạch đếm, ta không thể không nghó đến mạch đếm tần số,
đây là ứng dụng quan trọng của mạch đếm tần số. Ta có thể dụa vào ba đặc
điểm sau để phân biệt các loại mạch đếm:
 Cách đưa tín hiệu vào các Flip-Flop (FF)
Tùy theo việc đưa tín hiệu vào các Flip-Flop mà người ta chia ra mạch
đếm đồng bộ hay mạch đếm không đồng bộ.
 Căn cứ vào mã số của mạch đếm:
Xuất phát là hệ nhò phân mà người ta có nhiều mạch đếm với các loại mã
khác nhau, như mạch đếm thập phân, mạch đếm nhò phân.
.
.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
18
 Dựa vào hướng dẫn:
Người ta chia ra mạch đếm có ba cách:
– Đếm lên.
– Đếm xuống.
– Đếm vòng.

1./ Mạch đếm không đồng bộ:
Trong mạch đếm không đồng bộ, xung đếm được đưa vào đầu vào nhòp
xung của FF thứ nhất. Còn xung của FF tiếp theo sau phụ thuộc vào ngõ ra
của FF phía trước.

Hình (H.III.1a) là mạch đếm không đồng bộ dùng các FF – JK – MS
(Flip Flop – JK – Master Slave). Bốn FF được mắc nối tiếp, ngõ vào JK được
nối chung lại với nhau tạo FF-T và ngõ vào T được mắc lên cao (hay để hở).
Xung đếm được đưa vào FF đầu tiên là FF
A
, Hình (H.III.1b) trình bày các
dạng sóng của mạch đếm.



Hình III.1a




Hình III.1.b
Các FF sẽ đổi trạng thái khi xung vào cổng Clock đổi từ 1 xuống 0.
Như vậy Q
A
của FF
A
sẽ đổi trạng thái ở cạnh sau của xung vào đầu bằng
.
.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
19
phân nửa. Dạng sóng của Q
A

có tác dụng như xung đồng hồ đối với FF
B
nên
tần số ra ở Q
B
bằng phân nũa tần số Q
A
. Tương tự tần số ở Q
D
bằng phân nữa
tần số ở Q
C
.
Như vậy tác dụng của mạch là chia tiếp tần số, nên sau bốn tầng tần số
của dạng sóng vào được chia cho 2
4
= 16. Điều quan trọng là trong hệ thống
nhò phân sự chia đôi tần số liên tiếp lại là sự đếm tần số. Mạch có 4 tần FF
như trên gọi là mạch đếm nhò phân 4 bit hay mạch đếm Modulo 16 (2
4
) hay
mạch chia cho 16. Mạch đếm từ 0000 = 0
10
(Nếu được xóa trước khi có xung
vào) lên tối đa 1111 = 15
10
rồi tự động quay về đếm lại từ 0000 = 0
10
, bảng
Hình (H.III.1.c) chỉ ra.

Trạng thái ra ngay sau khi có xung
vào
Số xung
vào
Q
D
Q
C
Q
B
Q
A

Số thập phân tương ứng
với số nhò phân
Xóa
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

13
14
15
16
17
18
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1

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

0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7

8
9
10
11
12
13
15
15
0
1
2
Hình III.1.c
 Ưu điểm:
Ưu điểm của mạch đếm không đồng bộ là cấu trúc đơn giản.
 Nhược điểm:
Thời gian trễ khá lớn, thời gian trể tỉ lệ với số tăng của mạch đếm.
- Tính chống nhiễu kém, xung nhiểu có thể tác động vào từng nhòp vào của
FF và có thể làm sai lệch kết quả đáng kể.
.
.
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
20

2./ Mạch đếm đồng bộ:
Đặc tính của mạch đếm đồng bộ là xung đếm được đưa vào các tầng
đếm một cách song song. Để tạo ra mạch đếm đồng bộ cơ bản người ta dùng
loại JF, MS, FF (Hình III. 2.b) là mạch đếm đồng bộ 4 bit, xung vào được đưa
đến tất cả các ngõ vào CK. Để phân tích mạch đếm đồng bộ 4 bit ta xét thời

gian trễ của hai loại mạch đếm không đồng bộ và mạch đếm đồng bộ (H.
III.2.a)




Hình III.2a

Ở mạch đếm không đồng bộ thời gian trễ của 1FF là t
FF
và thời gian
trễ của toàn mạch sẽ là t. Nếu mạch đếm được tạo từ 4 FF thì thời gian trễ
sẽ là t

= 4t
FF
. Như vậy mạch đếm không đồng bộ có thời gian trễ rất lớn so
với mạch đếm đồng bộ, đây là nhược điểm của mạch đếm không đồng bộ.
Ta xét mạch đếm đồng bộ 4 bit sau đây Hình(H. III.2b)

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

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
21



FF

A
đổi trạng thái của nó theo mỗi xung đếm, sau xung đếm thứ nhất Q
A
=
1 cũng như FF
A
, FF
B
,FF
C
, FF
D
đã nhận ra xung đếm thứ nhất ở đầu vào Clock
của nó vì Q
A
= Q
B
= Q
C
= Q
D
= 0 nên khi này đầu vào JK của các FF
B
, FF
C
,
FF
D
tức là Q
B

= Q
C
= Q
D
= 0. Đến xung thứ hai thì J và K của FF
B
= 1 và hai
đầu này được nối với Q
A
còn J và K của FF
C
và FF
D
cũng bằng 0, còn FF
B
đổi
trạng thái từ Q
B
= 0 lên Q
B
= 1, Q
C
và Q
D
vẫn giữ nguyên trạng thái. Ở xung
thứ ba thì Q
B
, Q
C
, Q

D
không đổi trạng thái vì J và K của chúng bằng 0, Q
A
đổi
trạng thái từ 0 – 1 (Q
A
= 1, Q
B
= 1), ở xun g đếm thứ tư J và K của FF
D
bằng
0, còn J và K của FF
A
, FF
B
, FF
C
đều bằbg 1 nên chúng đổi trạng thái Q
A
= 0,
Q
B
= 0, Q
C
= 1,…Xung đếm thứ 17 thì Q
A
= Q
B
= Q
C

= Q
D
= 0.

 Ưu điểm:
- Ít bò nhiễu so với mạch đếm không đồng bộ.
 Nhược điểm:
- Đối với mạch đếm nhiều bit thì các mạch liên kết logic cho các đầu vào
trở nên phức tạp.

3./ Mạch đếm vòng (Ring Counter)
Mạch đếm vòng là loại mạch dựa vào sự phân chia nhò phân, mà dựa
vào sự di chuyển vòng quanh của một ghi chuyển có hồi tiếp gọi là mạch
đếm vòng. Các mạch đếm vòng không hữu hiệu bằng mạch đếm nhò phân
nhưng do đơn giản hơn và có đặc tính riêng biệt nên đôi khi được sử dụng.
Đặc biệt là các mạch này hoạt động đồng bộ nên có tốc độ giao hoán cao.
Hình(H. III.3a) là sơ đồ cấu tạo của mạch đếm vòng.
.
.