Đồ án Mạch Xung tạo chuỗi xung tần số 1Hz chuẩn từ mạch dao động ĐH phi ổn dùng thạch anh kết hợp cổng logic

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
Khoa Công Nghệ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN
MẠCH XUNG
Nhóm 8
(GVHD: Phạm Duy Nghiệp)
Đề tài: Mạch tạo chuỗi xung tần số 1Hz chuẩn từ mạch dao động
ĐH phi ổn dùng thạch anh kết hợp cổng logic.
Tóm tắt: Đây là bài báo cáo về thiết kế mạch tạo chuỗi xung 1Hz chuẩn từ mạch
dao động đa hài phi ổn dùng thạch anh kết hợp cổng logic. Mạch gồm hai khối:
khối mạch dao động đa hài phi ổn mắc theo kiểu song song và khối mạch chia tần
số dùng IC 4060 và IC 4013.
Sinh Viên Thực hiện:
Nguyễn Hùng Vĩ
Đặng Huỳnh Đức
Trần Bá Huy

B1408504
B1408567
B1411677

Thuyết trình chính
Demo mạch thực tế
Trả lời chất vấn


I.GIỚI THIỆU:
Với mục đích khảo sát lại lí thuyết về mạch dao động tạo tần số và thực hành ráp
mạch điện tử căn bản. Qua đó giúp củng cố kiến thức về lý thuyết cũng như nâng cao
kỹ năng thực hành. Mục tiêu thiết kế của đề tài là một mạch dao động xung vuông

tần số 1Hz.

II.PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN:
1. Tổng quát mạch dao động sử dụng tính chất cộng hưởng song
song của thạch anh:
Tinh thể thạch anh dùng trong mạch dao động là một lát mỏng được cắt ra từ
tinh thể. Tùy theo mặt cắt mà lát thạch anh có đặc tính khác nhau. Lát thạch anh có
diện tích từ nhỏ hơn 1cm2 đến vài cm2 được mài rất mỏng, phẳng (vài mm) và 2
mặt thật song song với nhau. Hai mặt này được mạ kim loại và nối chân ra ngoài
để dễ sử dụng.
Mạch tương đương của thạch anh dùng trong phân giải:

Tinh thể thạch anh cộng hưởng ở hai chế độ khác nhau:


Loại mạch dao động được gợi ý trong tài liệu là Pierce oscillator, dạng mạch
dao động phổ biến nhất của thạch anh được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vi điều
khiển. Mạch đơn giản, sử dụng ít linh kiện, nếu việc thiết kế tốt sẽ cho đáp ứng có
độ ổn định cao.

Mạch nguyên lý đơn giản chỉ gồm 2 tụ, 1 cổng đảo, 1 điện trở

2. Mạch nguyên lý được bổ sung và hiệu chỉnh:


a) Rf:
Rf là điện trở phân cực / hồi tiếp cho IC đảo hoạt động trong vùng tuyến
tính của nó, đồng thời giá trị của Rf cũng phải phù hợp với tần số, Rf càng lớn
khi tần số càng nhỏ và ngược lại. Để chọn giá trị của Rf ta thực hiện các bước
sau:

• Kiểm tra datasheet để biết bên trong IC có điện trở hồi tiếp chưa, hoặc cấp
nguồn cho IC và đo giữa 2 chân in-out, nếu V = Vcc/2 thì có điện trở tích
hợp sẵn bên trong, còn giá trị là 0 hoặc 1 thì chưa có trở hồi tiếp. Điều này
giúp ta quyết định giá trị thực khi chọn Rf.
•

Thử bằng biến trở, sau đó vẽ lại đặc tuyến điện trở - tần số của Rf so với f.
Dựa vào đó quyết định chọn giá trị tối ưu cho Rf.
Tần số
≤ 32.768Khz
32.768Khz
1Mhz
1Mhz - 10Mhz
10Mhz - 20Mhz

Khoảng giá trị của
Rf
10 – 15MΩ
- 5 - 10MΩ
1 – 5MΩ
470KΩ - 1MΩ

Bảng giá trị điện trở hồi tiếp thường dùng cho họ CMOS
Từ đó với yêu cầu thiết kế mạch đa hài phi ổn f = 32.768Khz, ta chọn Rf =
10MΩ để phân cực khuếch đại tại Vcc/2 để đạt độ khuếch đại tốt nhất.
b) IC 4060:
IC 4060 là một bộ đếm/bộ chia (Counter/Divider) nhị phân không
đồng bộ với 14 tầng Flip-Flop. Mạch dao động của nó gồm 3 chân được nối
ra ngoài là: RS, RTC, CTC; tất cả các ngõ ra (10 ngõ ra từ O3~O9,
O11~O13) đều được đệm sẵn từ bên trong trước khi đưa ra ngoài. Quan

trọng hơn hết là chân Master Reset (MR) dùng để cấm mạch dao động làm
việc và reset mạch đếm. Khi chân MR ở mức logic cao, nó sẽ reset mạch
đếm làm tất cả các ngõ ra của bộ đếm đều ở mức logic thấp, việc reset này
hoàn toàn độc lập với các ngõ vào khác (bất chấp trạng thái logic ở các ngõ
vào còn lại).


Cấu trúc các phần tử trong mạch dao động của 4060 cho phép thiết
kế mạch dao động hoặc làm việc với tụ - điện trở (mạch dao động R-C)
hoặc làm việc với thạch anh. Ngoài ra, ta cũng có thể thay thế mạch dao
động bên trong bằng một tín hiệu xung đồng hồ từ bên ngoài đưa vào chân
RS, khi dùng xung Ck từ bên ngoài thì bộ đếm sẽ hoạt động khi có cạnh
xuống của xung tác động.
Ta có thể thu được lần lượt các tần số sau:
2048Hz tại chân ra Q4 của IC 4060 (mạch chia 16) .
1024Hz tại chân ra Q5 của IC 4060 (mạch chia 32) .
512Hz tại chân ra Q6 của IC 4060 (mạch chia 64).
256Hz tại chân ra Q7 của IC 4060 (mạch chia 128).
128Hz tại chân ra Q8 của IC 4060 (mạch chia 256).
64Hz tại chân ra Q9 của IC 4060 (mạch chia 512) .
32Hz tại chân ra Q10 của IC 4060 (mạch chia 1024).
16Hz tại chân ra Q11 của IC 4060 (mạch chia 211).
8Hz tại chân ra Q12 của IC 4060 (mạch chia 212) .
4Hz tại chân ra Q13 của IC 4060 (mạch chia 213).
2Hz tại chân ra Q14 của IC 4060 (mạch chia 214).
Để có tần số 1Hz (chu kỳ 1s), ta dùng thêm 1 D Flip Flop nữa (IC
4013) để chia tần số thạch anh thêm 2 lần nữa.
c) IC 4013:

IC4013 là loại D flip-lop với bên trong là 2 flip-lop loại D với hai trạng thái
ổn định. Sử dụng đầu vào kích để thay đổi trạng thái 0 và 1.

d) C1, C2 và thạch anh X1:
Về ý tưởng tổng quát, thạch anh X1 cùng tụ C1, C2 và Rs tạo ra một mạng
lưới dịch pha thêm -1800, nhằm thỏa điều kiện dao động.
Thường tụ C1, C2 được chọn bằng nhau, nhưng trong một số điều kiện đặc
biệt có thể tăng tụ C2 để thay đổi cầu phân áp điện dung thay đổi điện áp ngõ ra,
cũng như thay đổi độ lợi và điều chỉnh tần số xê dịch quanh giá trị trung tâm. Đặc
biệt khi mắc thêm IC đệm sửa dạng tín hiệu thì phải điều chỉnh lại C1 để đáp ứng
tần số chính xác.
Thạch anh trong mạch hoạt động ở vùng điện cảm tương đương với 1 cuộn
cảm L, Thạch anh tạo dao động trong vùng điện cảm của nó được gọi là thạch anh
song song.

III – THIẾT KẾ CHI TIẾT:


Đầu tiên, tra bảng trên ta thấy Rf nên nằm trong khoảng 5M-10MΩ, chọn Rf
= 10MΩ.
Tụ C1, C2 sẽ được chọn sao cho trùng với tải điện dung của thạch anh, trong
trường hợp này thạch anh được sử dụng thuộc dòng HC-49/S có tải điện dung CL
= 20pF. Vậy ta chỉ cần tính toán sao cho điện dung tương đương của C1, C2 bằng
20pF là được. Nhưng thực tế cần phải xét đến các vấn đề nảy sinh khác như:
• Tụ ngõ vào, ngõ ra của IC đảo thường có giá trị C in = 4 – 7pF, Cout = 7 –
12pF
• Tụ ký sinh trên mạch ước lượng Cs = 2 – 3pF
Chọn Cin = 5.5pF, Cout = 9.5pF và C1 = C2 = C. Vẽ lại sơ đồ mạch điện và phân
giải ta có được công thức tính điện dung tương đương CP:
CP = + CS

Cp = + 2.5
Để đạt điều kiện dao động thì Cp = CL hay:
20 = + 2.5
2
C – 20C – 210.25 = 0


Giải ra phương trình trên, chọn nghiệm dương ta được C > 27pF, chọn C 1 = C2 = C
= 220pF.

IV – MẠCH THỰC TẾ:

Tín hiệu ngõ ra đáp ứng tần số tốt nhưng dạng sóng chưa vuông, điện áp đỉnh
đối đỉnh Vpp còn lớn. Ta có giải pháp điều chỉnh tín hiệu:
• Vì tần số dao động khá cao và trị số tụ nhỏ nên nhạy cảm với tụ ký sinh, khi
nối mass trên mạch cố gắng đảm bảo sao cho đường mass đến các chân tụ và
IC là ngắn nhất có thể.


Mạch hoàn chỉnh và dạng tín hiệu ngõ ra:


V. NHẬN XÉT VÀ RÚT KINH NGHIỆM:
- Hạn chế: Khi làm mạch thực tế tần số 1Hz bị nhi ễu, tạo ra tín hiệu không vuông
vắng.
- Ưu điểm: Mạch tạo được xung có tần số chuẩn 1 Hz như đề bài yêu cầu.
- Kinh nghiệm:
+ Hiểu được thêm về mạch đa hài phi ổn.
+ Tích luỹ kinh nghiệm làm mạch điện tử đơn giản.
Tài liệu tham khảo:

• Giáo trình mạch tương tự.
• Giáo trình kỹ thuật xung.
• datasheet trong: datasheet-pdf.com
IC4060 : />IC4013 : />
MỤC LỤC
trang

T ÓM TẮT........................................................................ 1
I.GIỚI THIỆU:................................................................. 1
II.PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN:....................................1
II.1– Tổng quát mạch dao động sử dụng tính chất cộng hưởng song song của thạch anh...
1
II.2 – Mạch nguyên lý được bổ sung và hiệu chỉnh ............................................................... 2

III – THIẾT KẾ CHI TIẾT:...............................................5
IV – MẠCH THỰC TẾ:....................................................7
V. NHẬN XÉT VÀ RÚT KINH NGHIỆM ................... .9