Giáo trình hướng dẫn tìm hiểu nguyên lý chu kỳ xung chuẩn với cổng logic phần 4 pdf

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:


.
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:

.