Bài Tập Lớn MÔN VI MẠCH TƯƠNG TỰVI MẠCH SỐ: Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ.Hệ thống gồm 2 nút Start và Stop để khởi động và dừng hệ thống,4 led 7 thanh để hiển thị giá trị đo tần sốthang đo Hz,(dải đo từ 0Hz9999Hz),đối tượng đo là xung vuông

Trường ĐHCN Hà Nội
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN-TỰ ĐỘNG HÓA

Bài Tập Lớn
MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ-VI MẠCH SỐ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TẦN SỐ
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Hà
Sinh viên thực hiện
: Nguyễn Đức Trung (08141240140)
Phùng văn Thành
Tống khác Thành
Hoàng Văn Thủy
Đỗ Thành Trung
Lớp : ĐH Tự động hóa 2 K8
Nhóm 15
Nội dung:
Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ.Hệ thống gồm 2 nút Start và Stop để khởi
động và dừng hệ thống,4 led 7 thanh để hiển thị giá trị đo tần số-thang đo Hz,(dải đo từ
0Hz-9999Hz),đối tượng đo là xung vuông hoặc tín hiệu xoay chiều.Một cảm biến nhiệt
độ LM335 để giám sát nhiệt độ(dải đo từ 0 độ C đến (100+n) =106 độ C.

1


BÀI TẬP LỚN
BỘ MÔN : Vi Mạch Tương Tự & Vi Mạch Số
ĐỀ TÀI : thiết kế mạch đo tần số
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Hà
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Đức Trung
Phùng văn Thành
Tống khác Thành
Hoàng Văn Thủy
Đỗ Thành Trung

Lớp : ĐH Tự động hóa 2 K8
Nhóm 15

2


3


MỤC LỤC:

Chương 1
1.1.Phân tích yêu cầu công nghệ
1.2 Liệt kê các phương pháp đo
1.3.Trình bày nguyên lý đo tần số trong bài
1.4 Các linh kiện cần dùng trong bài.
Chương 2 :
2.1.Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài\
2.2.Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế \
2.3.Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu ra từ (0-10V). \
2.4.Trình bày sơ đồ chân,bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch sử dụng \
2.6. Thuyết minh nguyên lý hoạt động\
2.5.Sơ đồ nguyên lý của mạch \
2.7.Xây dựng mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus và chạy thử.

Chương 3 :
3.1.Các kết quả đạt được
3.2.Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo
3.3.Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục.

Chương 4 : kết luận …………………………………………………………………………...30

4


CHƯƠNG 1
Trình bày về mạch chức năng sử dụng trong hệ thống

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ
Đối tượng đo là xung vuông , dải đo từ 0Hz ÷9999Hz.
Yêu cầu dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số để thiết kế. Hệ thống gồm hai nút START và STOP
để khởi động và dừng hệ thống, 4 Led 7 thanh để hiển thị giá trị đo tần số.
Khi ấn nút START, hệ thống thực hiện đo và hiển thị kết quả với thang Hz

1.2 LIỆT KÊ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TẦN SỐ

1. ĐO TẦN SỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI THẲNG

1.1:Tần số kế cộng hưởng điện từ
Để đo tần số của lưới điện công nghiệp người ta thường sử dụng tần số kế cộng
hưởng kiểu điện từ
Cấu tạo của tần số kế điện từ bao gồm một nam châm điện, Các thanh thép đươc
gắn chặt 1 đầu, còn đầu kia dao động tự do. Các thanh thép có tần số riêng khác nhau.
Tần số riêng của mỗi thanh bằng hai lần tần số của nguồn điện cần đo. Dưới tác

dụng của từ trường nam châm điện các thanh kim loại hai lần trong 1 chu kỳ được hút
vào nam châm nên các thanh kim loại dao động. Thanh nào có biên độ dao động lớn nhất
thì thanh đó có tần số riêng bằng 2 lần tần số cần đo. Trên mặt dụng cụ đo ta thấy biên độ
dao động của thanh kim loại lớn nhất ứng với tần số đã khắc trên mặt số.
Ưu Điểm:Phương pháp này có cấu tạo đơn giản, bền.
Nhược Điểm: Giới hạn đo hẹp khoảng 45÷55Hz hay (450÷550Hz) sai số của phép
đo thường là ±(1,5÷2,5)%
Chú ý: Không sử dụng được ở nơi có độ rung lớn và thiết bị di chuyển.
5


1.2:Tần số kế cơ điện
a- tần số kế điện động và sắt điện động:
Cơ cấu chỉ thị lôgômet điện động và sắt điện động có thể sử dụng để chế tạo tần số
kế.
Về cấu tạo, lôgômet điện động có cuộn tĩnh A được mắc nối tiếp với cuộn động
B2 và mắc nối tiếp với các phần tử R2 L2 C2 còn cuộn động B1, mắc nối tiếp với C1
Các thông số của cuộn tĩnh A và cuộn động nối tiếp B2 được chọn sao cho tạo
được cộng hưởng điện áp trong mạch này có tần số bằng giá trị trung bình của khoảng tần
số đo.
Ta có góc lệch α của lô gômet điện động là 1 hàm của tần số fx2 và thang đo sẽ
được khắc độ trực tiếp theo tần số
Loại này có thể chế tạo tần số kế đo tần số cao hơn đến 2500Hz
B- Tần số kế dùng lô gômet điện từ
Về cấu tạo lô gômet điện từ có hai cuộn dây. Cuộn thứ nhất được nối với R1 và
điện cảm L1
Cuộn thứ hai được nối với điện trở R2, L2, C2. Tức là 2 cuôn dây có đặc tính tải
khác nhau. Khi tần số cần đo của tín hiệu thay đổi các dòng điện I1 và I2 sẽ thay đổi
không giống nhau vì đặc tính điện trở của chúng khác nhau.
Giả sử khi fx tang thì dòng I1 giảm còn I2 tăng như vậy tỉ số giữa hai dòng (I2/I1)

sẽ tang và do đó mà góc lệch α tỉ lệ với tần số.
1.3: Tần số kế điện tử
a- tần số kế điện dung dùng đổi nối điện tử
nguyên lý của tần số kế điện tử dựa trên việc đo giá trị trung bình của dòng phóng
I của tụ điện, phóng nạp có chu kỳ cùng nhịp với tần số cần đo fx.
Để mở rộng thang đo tần số ta phải làm sao cho hằng số thời gian nạp và phóng
của tụ điện sẽ nhỏ hơn nửa chu kỳ của tần số cao nhất. Điều này đạt được bằng cách thay
đổi điện dung của tụ điện , còn điện trở của mạch nạp và phóng luôn không thay đổi.
Giới hạn trên của tần số cần đo được xác định bởi độ nhạy của cơ cấu chỉ thị. Còn
giới hạn dưới tần số cần đo là tần số mà ở đó xuất hiện dao động cơ cấu chỉ thị.
6


b- Tần số kế điện dung dùng chỉnh lưu
Nhờ mạch tạo xung điện áp có tần số cần đo fx được biến thành xung vuông khi
xung còn tồn tại tụ C được nạp qua điốt D1. Trong khoảng phóng qua D2 và cơ cấu chỉ
thị từ điện.
Góc lệch α của cơ cấu chỉ thị sẽ tỉ lệ với dòng điện trung bình
α = S1I=S1qfx=S1CUmfx
Dòng trung bình tỉ lệ thuận với fx, do vậy mà góc lệch α tỉ lệ thuận với tần số cần
đo fx với điều kiện độ nhạy của cơ cấu chỉ thị S1, tụ C và biên độ xung Um không đổi.
Tần số kế kiểu này có ưu điểm là có khả năng đo trực tiếp ở dải tần số rộng.

1.4 :Tần số kế chỉ thị số
Nguyên lý của một tần số kế chỉ thị số là điếm số xung N tương ứng với số chu kỳ
của tần số cần đo fx trong khoảng thời gian gọi là thời gian đo Tđo.
N=

=

=K

Thời gian đo có giá trị là 1s thì số xung N (túc slaf số các chu kỳ ) tần số cần đo fx nghĩa
là fx = N
Sai aoos tương đối của phép đo tần số được tính như sau :

Thành phần

phụ thuộc vào tỉ số giửa thời gian đo và chu kỳ của tín hiệu đo Tx =

2. ĐO TẦN SỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SO SÁNH
2.1: Tần số kế trộn tần
Phương pháp đo trộn tần là phương pháp so sánh giửa tần số của tín hiệu khảo sát
vớ tần số của máy phát công suất nhỏ có tần số đã định trước . khi đó tns hiêu có tần số
cần đo fx và tín hiệu f0 của máy chuẩn được đua vào bộ trộn tần.
7


fx =F +f0

Hình 1. Các bước đo trộn tần

Tần số kế trộn có thể đo được tần số cở từ 100Hz đến 20GHz trong kỹ thật vô tuyến
đện.
2.2 Tần số kế cộng hưởng điện
Tần số kế sư dụng cọng hưởng điện là một hên thống giao động được hiệu chỉnh
cộng hưởng vớ tần số cần đo cảu nguồn tín hiệu .
Trạng thái dao động được phát hiện theo chỉ số cao nhất của bộ chỉ thị cộng hưởng
tỉ lệ với dòng ( hay áp ) trong hệ thống giao động .Tần số cần đo được khác độ ngay trên
núm vặn của thiết bị dò tìm dao động hoặc sử dụng bảng số hay đồ thị . Bộ vào để hòa

hợp giử tần số kế và nguồn tín hiệu cần đo.
3. TẦN SỐ KẾ VẠN NĂNG SỬ DỤNG VI SỬ LÝ
Là một tần số kế hiện đại ó thể đo được nhiề đại lượng như : đo tần số , đ dộ dài
xung và đo chu kỳ của một dãy xung tín hiệu vào .

Để thực hiện việc đo các đại lượng như vậy cần phải thực hiện điều khiển thông qua
hay máy tính đơn phiến.
Tần số kế bao gồm 3 phần :
8


-

Phần 1 bao gồm các bộ biến đổi chu kỳ hay độ dài xung tín hiêu vào Ux(t) thành
khoảng thời gian.
Phần 2 : bao gồm vác bộ biến đổi chu kỳ và độ dài xung thành mãsố.
Phần 3 : bao gồ các vi xử lý cài đặt vào tần số kế.

Đẻ tạo bộ chia tàn số với tàn số kế thay đổi người ta dùng timer chương trình hóa.
Phần

được lối với các phần khác bằng các “BUS” dữ liệu, địa chỉ và điều khiển.

II . TRÌNH BÀY VỀ NGUYÊN LÝ ĐO TẦN SỐ TRONG BÀI
1. Khái niệm:
Tần số dòng điện là số lần dòng điện đổi chiều trong một đơn vị thời gian(s)
Ký hiệu tần số : f
Đơn vị : Hz
2. Nguyên tắc đo tần số
Nguyên tắc đo tần số : bằng cách đếm số xung dao động của một dao động cần

được đo tần số của nó trong khoảng thời gian 1s
Khoảng thời gian cần để đo xung

Số lần dao động của xung trong khoảng thời gian cần đo
Hình 2 . số xung dao động trong 1 khoảng thời gian
Khi đó có thể đếm được số xung dao động trong khoảng thời gian 1s

1.4 Các linh kiện dùng trong bài

- IC NE 5555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian.
- Điện trở 1k,217.0475 k
- Tụ điện (0.01 uF. tụ thường) ,(0.001 .ph
9


- IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân
- Nguồn tín hiệu cần đo : Cho 1500H
- SEG 7Vạch cathode chung,
- Ic 74ls190 và Ic 74hc4511,7408
- Cổng NOT, AND
- Điện trở băng rx8(180)
- Switch (Chuyển mạch 2 cổng )
-LM335
-Transistor 2N1711,buzzer.
Chương 2:Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ.
2.1. Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài

Nguồn
t/h cần
đo

Start
Stop

Bộ đếm 4
chỉ số
BCD

Bộ tạo
xung 1Hz

Mạch cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá 86 độ C:

10

4 bộ giải
mã 7Seg

Hiển Thị
Led 7Seg


Nguồn

Cảm biến
và
khuếch đại đo
lường

So sánh

Cảnh báo

2.2.Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế
-Sử dụng các linh kiện đã liệt kê ở mục 1.4
2.3.Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu ra từ (0-10)V

11


- Khối nguồn :cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động , tất cả thiết bị chỉ ở một trong ba
nguồn +12v hoặc - 12v hoặc +5v.
-Khối cảm biến và khuếch đại đo lường : cảm biến nhiệt độ biến nhiệt thành điện ở mức vài mV
và được cho vào bộ khuếch đại để cho về điện áp chuẩn.
-Khối này ta dùng mạch khuếch đại vi sai cải tiến,áp dụng các công thức cho mạch vi sai cải
tiến,ta được sơ đồ chuẩn hóa điện áp

UO=

(U - U )
12

11

Với điều kiện:R7R4=R6R5

2.4.Trình bày sơ đồ chân,bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch sử dụng

12

1. IC 555
Là IC tạo dao động tần số cấp xung nhịp cho IC 74ls190 đếm giây
- Chân 1 (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân còn gọi là
chân chung.
- Chân 2 (TRIGGER) : đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được
dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp. Mạch so sanh ở đây dùng
các transitor
PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc.
- Chân 3 (OUTPUT) : chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng
thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cáo nó
tương ứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V
nhưng trong thực tế nó không được ở mức 0V mà nó trong khoảng ( 0.35>0.75V).
- Chân 4 (RESET) : dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse
thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra
phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6. Nhưng mà trong mạch để tạo được
dao động thường nối chân này lên Vcc.
- Chân 5 ( CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC
555 theo các mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND. Chân
này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường
nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF->0.1uF các tụ này
lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
- Chân 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp
khác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu.
- Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu
điều khiển bởi tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khóa
này đóng lại , ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch R_C
lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động.
- Chan 8 (VCC): đây là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. không có
chân này coi như IC chết . Nó được cấp điện áp từ 2->18V.

13


Mạch tạo xung :

Có tần số dao động có công thức : f=1/T=1/0.69(R1+2R2)C
Bài này ta chọn mạch tạo xung có tần số f=1Hz để đếm dao động thực hiện
trong 1s.

14


2 .IC đếm thập phân 4017 (chia tần số)

IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân
- Sơ đồ chân:

- Chân 14( CLK) nhận xung.
15


- Chân (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 10, 9) (Q0-Q9) đưa dữ liệu ra ngoài, mỗi lần kích
một xung vào, một chân sé được đưa lên mức cao một cách tuần tự, các chân
còn lại ở mức thấp.
- Chân 13(E): Tích cực mức thấp.
- Chân 15(MR): Chân reset, mỗi khi kích lên mức cao, IC được reset.

Chân 12 (CO): Trong 5 xung đầu ( từ Q0 - Q4 lần lượt lên mức cao) CO ở mức cao,
5 xung tiếp theo (từ Q5 – Q9 lần lượt lên mức cao) CO ở mức thấp.

Bảng chân lý của IC7447 ứng với led 7 thanh.

Mạch dùng IC 4017 tạo ra bộ đếm :

16


3. IC đếm BCD 74ls190
Là IC tích hợ bộ đếm thập phân đồng bộ, đầu ra song song. Nó có chức năng
đếm thuận hoặc nghịch.Đặc biệt có thể đặt trước giá trị đếm với chân điều
khiển giá nạp giá trị.

17


Chức năng các chân:
Chân cấp nguồn : 16 (VCC) và chân 8(GND).
Nhóm chân dữ liệu nạp vào : A(15) B(1) C (10) D(9)
Nhóm chân dữ liệu đầu ra : Qa (3) Qb(2) Qc(6) Qd(7)
Chân cấp xung clock CLK :14
Chân chọn chế độ đếm thuận nghịch D/U :5
Chân cho phép đếm Enable :4
Chân nạp giá trị load :11
Chân xung đếm ra RCO :13
Bảng trạng thái các chân chức năng đặc biệt :

18


4. IC giải mã 74hc4511

- Đây là một IC giải mã , nó làm nhiệm vụ giải mã từ mã nhị phân logíc (dạng 0,1) sang mã của led 7
vạch để xuất ra led 7 vạch .về cấu tạo nó là một tập hợp các mạch tổ hợp gồm cách linh kiện số logic
như các cổng and , or ,..việc thiết kế một mạch như vậy không hẳn là quá khó ,chỉ cần xây dựng mạch
tổ hợp lả chúng ta hoàn toàn có thể làm được ,nhưng điều đó khiến chúng ta mất thời gian ,không
đảm bảo chất lượng sử dụng , =>dùng IC tích hợp cho tện .
- Chúng ta tìm hiểu sơ đồ chân của nó như sau :
-Chú ý là loại này dùng cho seg 7 vạch loại cathot chung có nghĩa là tất cả cathot của led nốí chung với
nhau và nối với đất ,như vậy dữ liệu đẩy vào led sẽ tích cực ở mức cao tức là mức 1 thì mới làm led
sang.
- 4511 Có 16 chân .
- Chân 16 luôn là chân nối với nguồn dương (5 v ), chân số 8 nối với đất .
- Chân 1,2,7,6 là chân đưa dữ liệu đầu vào ,chúng ta có thể chọn dữ liệu loại này là dữ liệu logic tức là
dạng 1,0,1,0…
- 7 chân đầu ra là chân 9 ,10,11,12,13,14,15.sẽ xuất ra dữ liệu của dạng 7 vạch .
19


- Chân số 5 là chân dùng để điều khỉên tế bào nhớ ,chần này = 0 thì IC hoạt động bình thường , còn = 1
thì dữ nguyên trạng thái ở các đầu ra ,và dữ cho đến khi nó trở về chân này được chuyển về 0 thì đầu
ra lại tếp tục hoạt động .(nếu hiểu sâu sa thì chúng ta hiểu khi IC hoạt động thì dữ liệu tại đầu ra sẽ
luân phiên nhau được nhớ trong tế bào 4 bít ,vậy khi chân số 5 này ở mức 0 giả sự gọi là đóng cửa thì
IC hoạt động bình thường không vấn đề gì ,nhưng khi nó = 1 tức là mở cửa thì dữ liệu trong tế bào
nhớ trào ra và đẩy liên tục vào cửa ra nên giữ tại đầu ra một mức dữ liệu cố định ).
- Trong sơ đồ mạch chúng ta nối nó với đất .
- Chân số 3 nếu =0 thì tất cả đầu ra sẽ là mức logic 1.(dùng kiểm tra led 7 đoạn ,bất chấp đầu vào là
thế nào .)
- Chân số 4 thì có tác dụng ngược lại chân số 3.
Bảng chân lí

20


5.Hiển thị( Led 7 thanh)

Led 7 thanh: là 7 con led xếp với nhau thành một hình, nhằm thể hiện các con số.
Một chân của các con led được nối với nhau ( Katot chung hoặc Anot chung), các
chân còn lại được đưa ra nhằm phân cực các con led.

Trong đề tài này chọn led Cathode chung.

2.5.Sơ đồ nguyên lý của mạch

21


2.6.Thuyết minh nguyên lý hoạt động của mạch

1.

Khi ta ấn nut START mạch hoạt động IC 555 cấp xung cho bộ đếm thời gian và nguồn tín hiệu
cần đo cấp xung cho bộ đếm xung hoat động .

Khối tín hiệu cho phép đếm và dừng đếm

22


Khi mạch đếm chưa hết tần sô thì đầu ra của cổng 7408 vẫn ở mức thấp mạch hoạt động khi đạt hết
quá trình đếm xung thì đầu ra của 7408 đạt mức cao hệ thống ngừng đếm. Và đó chính là kết quả đo

tần sô của nguồn tín hiệu cần đo.
Khi ta muốn đo lại ta ấn nút START mach sẽ về trạng thái 0. Muốn tếp tục đo ta ấn START lần 2.
Khi muốn dùng mạch ta ấn nút STOP mạch sẽ dừng lại cả khối đếm xung và đếm thời gian đều dừng
lại.

2.7.Xây dựng mạch mô phỏng trên Proteus và chạy thử
File mạch đã được gửi kèm theo bài.

Chương 3:Kết luận
3.1.Các kết quả đạt được
-Dưới sự hướng dẫn của giảng viên,em đã thiết kế được mạch đo tần số thang đo 0-9999Hz
hiển thị kết quả trên led 7 thanh và mạch cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá 86 độ C.

3.2.Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo
-Sai số có thể có do khi thiết kế mạch tạo xung vuông dùng IC 555 chọn các giá trị điện trở làm
tròn,nên tần số xung không thực sự chính xác giá trị 1Hz.

3.3.Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục
-Do chưa có điều kiện để làm mạch thực tế và thời gian có hạn,chỉ có thể dùng các kiến thức lý
thuyết để thiết kế mạch nên còn chưa lường trước được các hạn chế khi chọn loại linh kiện và
trị số của các linh kiện.
-phương hướng khắc phục:

23