Bài tập lớn Vi mạch tương tự: Dùng các vi mạch tương tụ và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (643.85 KB, 33 trang )
BỘ CÔNG THƯƠNG
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
Khoa Điện
BÀI TẬP LỚN
MÔN HỌC :
VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ
Đề tài : Dùng các vi mạch tương tụ và vi mạch số tính toán, thiết kế
mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại
Giảng viên hướng dẫn: Bùi Thị Khánh Hòa
Sinh viên thực hiện : Phạm Tuấn Đạt
Mã sinh viên : 1141040104
Lớp : Điện 2_k11
STT: 11
1
MỤC LỤC
Lời Mở Đầu...................................................................................................................4
Tổng quan về mạch đo...................................................................................................7
1. 1. Khái niệm về nhiệt độ.........................................................................................7
1.1.1 Khái niệm:......................................................................................................7
1.1.2 Thang đo nhiệt độ:..........................................................................................7
1.1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc.........................................................8
1.1.4 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc:.............................................8
1. 2. Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ.............................................................8
1.2.1 Sơ đồ khối.......................................................................................................8
1.2.2 Vai trò tác dụng của các khối:.......................................................................10
CHƯƠNG 2. Giới thiệu về các linh kiện và thiết bị chính sử dụng trong hệ thống đo.
......................................................................................................................................11
2. 1. Giới thiệu về Nhiệt điện trở kim loại:...............................................................11
2.1.1 Giới thiệu về nhiệt điện trở PT.....................................................................11
2.1.2 Nhiệt điên trở nickel (Ni).............................................................................14
2. 2. Bộ khuếch đai thuật toán μA741......................................................................15
2.2.1 Cấu tạo:.........................................................................................................16
2.2.2 Chức năng:....................................................................................................17
2. 3. Điện trở.............................................................................................................17
2. 4. Cơ cấu chỉ thị....................................................................................................18
2. 5. Các thiết bị cảnh báo.........................................................................................18
2. 6. Mạch tạo xung dùng IC555..............................................................................18
2. 7. Đèn led..............................................................................................................20
2. 8. Led 7 thanh.......................................................................................................20
2. 9. Bộ ADC ICL7107.............................................................................................21
CHƯƠNG 3. Tính toán và thiết kế mạch đo...............................................................24
3. 1. Tính toán và lựa chọn cảm biến........................................................................24
3. 2. Mạch đo và mạch hiển thị.................................................................................24
2
3.2.1 Mạch đo cảm biến.........................................................................................24
3.2.2 Mạch hiển thị dùng ICL7107 và 5 LED 7 thanh..........................................25
3. 3. Tính toán, thiết kế mạch nguồn........................................................................25
3.3.1 Tính toán, lựa chọn linh kiện........................................................................25
3.3.2 Sơ đồ mạch nguyên lý..................................................................................26
3. 4. Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa...............................................26
3.4.1 Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp U= 0 10V..............................................26
3.4.2 Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp U=0 -5V...............................................27
3.4.3 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 020mA...............................................................28
3.4.4 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 420mA...............................................................29
3. 5. Tính toán mạch nhấp nháy cho LED................................................................30
3. 6. Tính toán, thiết kế mạch so sánh phát hiện ngưỡng nhiệt độ...........................31
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN...........................33
3
Lời Mở Đầu
Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển thành một đất nước công
nghiệp. Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm
nâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề
quan trọng đáng để chú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến
vấn đề đo và điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghệp,các lò luyện
gang ,sắt, thép...
Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường gặp trong đời sống hằng ngày
cũng như kỹ thuật và công nghiệp. Việc đo nhiệt độ cũng chính vì thế
là một yêu cầu thiết thực. Hiện nay cảm biến đo nhiệt độ là loại cảm biến
được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng như dân dụng.
Bài tập lớn này nghiên cứu dùng các vi mạch tương tự tinh toán,thiết kế
mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại
(Ví dụ : pt, Cu, Zn….).
Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương và các môn liên quan nhóm
chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị số từ trong quá
trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy giáo hướng dẫn
cùng các thầy cô trong bộ môn “Đo lường điều khiển” đã giúp đỡ em hoàn
thành đúng thời hạn đề tài này. Nhưng do lượng kiến thức còn hạn chế nên
trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót. Em mong được sự đóng góp của
thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn .
Em xin trân thành cảm ơn!
4
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ
NỘI
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Họ và tên HS-SV : Phạm Tuấn Đạt Lớp : Điện 2_K11
MSV :1141040104
Khoá : 11
Khoa : Điện.
NỘI DUNG
Đề tài: Dùng các vi mạch tương tụ và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh
báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại (ví dụ: Pt,Cu,Zn…)
Yêu cầu:
- Dải đo từ: toC = 0oC – tmax = 0oC – (100+50*n)oC
- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:
1. U = 0 ÷ 10V
2. U = 0 ÷ -5V
3. I = 0 ÷ 20mA
4. I = 4 ÷ 20mA.
- Dùng cơ cấu chỉ thị.
- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : toC=0÷tmax/2. Thiết hế
mạch nhấp nháy cho LED với thòi gian sáng và tối bằng nhau và
bằng: T0=(1+0.5*a) giây.
- Đưa tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt đọ vượt quá giá trị:
toC=tmax/2.
Trong đó :
a: chữ số hàng đơn vị của danh sách(ví dụ: STT=3→a=3;
STT=10→a=0).
n: số thứ tự sinh viên trong danh sách.
PHẦN THUYẾT MINH
Yêu cầu về bố cục nội dung:
Chương 1: Tổng quan về mạch đo.
Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính.
Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo:
- Tính toán, lựa chọn cảm biến.
- Tính toán, thiết kế mạch đo, mạch hiển thị.
- Lựa chọn nguồn cấp.
5
- Tính toán, thiết kế mạch khuyếch đại, chuẩn hóa.
- Tính toán mạch nhấp nháy cho LED.
- Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.
Chương 4: Kết luận và hướng phát triển.
6
Tổng quan về mạch đo
1.1. Khái niệm về nhiệt độ
1.1.1 Khái niệm:
Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các
nguyên tử, phân tử của một hệ vật chất.Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất (rắn,
lỏng, khí) mà chuyển động này có khác nhau.Ở trạng thái lỏng, các phân tử dao động
quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất
lỏng không có hình dạng nhất định.Còn ở trạng thái rắn,các phần tử,nguyên tử chỉ dao
động xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận động này của các phân tử,nguyên tử
được gọi chung là chuyển động nhiệt.Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng
lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự
truyền nhiệt.Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo nguyên lý:
Bảo toàn năng lượng :
Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất.Ở
trạng thái rắn,sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt.
Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyền nhiệt bằng
đối lưu.Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển các
phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng.
1.1.2 Thang đo nhiệt độ:
Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ
của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Có
nhiều đơn vị đo nhiệt độ,chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ phát
triển của khoa học kỹ thuật và xã hội.Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính
là:
1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
2- Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15.
3- Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67.
7
Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đó thang đo nhiệt
độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc tế
(SI).Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ.
1.1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc. Có
hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu.Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt
điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao
đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo. Đốivới môi trường khí hoặc
nước,chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn khi đặt
nhiệt kế sát vào vật,nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn hao
nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém.Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế
càng lớn càng tốt.Khi đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt
kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài.
1.1.4 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc:
Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối,tức là vật
hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất.Bức xạ nhiệt của mọi vật
thể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị
diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng.
1.2. Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ
1.2.1 Sơ đồ khối
Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì phụ thuộc vào đặc tính của
đại lượng cần đo ,điều kiện đo, cũng như độ chính xác yêu cầu của một phép đo mà ta
có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của hệ thống đo lường khác
nhau trên cơ sở của các hệ thống đo lường khác nhau.
8
Sơ đồ khối của hệ thống đo:
Mạch khuếch
đại, chuẩn
hóa
Chỉ thị
Khối
Nhiệt dộ
T0
Hiển thị
Cảm Biến
BCD
Mạch so
sánh
Mạch nhấp nháy
cho LED
Nguồn áp u0
Còi báo
9
1.2.2 Vai trò tác dụng của các khối:
Khối nguồn áp U0: làm nhiệm vụ đảm bảo nguồn cấp cho cảm biến
luôn là +5V nguồn nuôi cảm biến.
Khối nhiệt độ To: đưa nhiệt độ ban đầu vào cảm biến.
Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch so sánh,
khuếch đại, vào ADC.
Mạch khuếch đại : khuếch đại và chuẩn hóa các điện áp, dòng điện
theo yêu cầu bài toán.
Chỉ thị: là các Ampmeter hoặc Volmeter hiển thị dòng hoặc áp vị
trí cần đo và trước sau chuẩn hóa.
Mạch so sánh: so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt,
để đưa ra cảnh báo hoặc để LED nhấp nháy bình thường.
Còi báo: báo động khi nhiệt độ vượt quá giá trị đặt.
Mạch nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy trong chế độ nhiệt độ bình
thường, tắt khi vượt quá nhiệt theo yêu cầu bài toán.
Hiển thị mã BCD.
10
CHƯƠNG 2. Giới thiệu về các linh kiện và thiết bị chính sử dụng
trong hệ thống đo.
2.1. Giới thiệu về Nhiệt điện trở kim loại:
Sự chuyển động của các hạt mang điện tích theo một hướng hình thành một
dòng điện trong kim loại. Sự chuyển động này có thể do mật lục cơ học hay
điện trường gây nên và điện tích có thể là âm hay dương dịch chuyển với chiều
ngược nhau. Độ dẫn điện của kim loại tỉ lệ nghịch với nhiệt độ hay điện trở của
kim loại có hệ số nhiệt độ dương. Như thế điện trở kim loại có hệ số nhiệt điện
trở dương PTC (Positive Temperature Coefficient): điện trở kim lọa tăng khi
nhiệt độ tăng. Để hiệu ứng này có thể sử dụng được trong việc đo nhiệt độ, hệ
số nhiệt độ cần phải lớn. Điều đó có ngĩa là có sự thay đổi điện trở khá lớn đối
với nhiệt độ. Ngoài ra các tính chất của kim loại không được thay đổi nhiều sau
một thời gian dài. Hệ số nhiệt độ không phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và
không bị anhr hưởng bởi các hóa chất. Giữa nhiệt độ và điện trở thường có sự
tuyến tính, nó được diễn tả bởi một biểu thức đa cấp cao:
R(t) = Ro * (1+At+Bt2+Ct3+…) . Trong đó:
- Ro: điện trở được xá định ở một nhiệt độ nhất định.
- t2 , t3 : các phần tử được chú ý nhiều hay ít tùy theo yêu cầu chính xác của
phép đo.
- A,B,C : các hệ số tùy theo vật liệu kim loại và diễn tả sự lien hệ giữa
nhiệt độ và điện trở một cách rõ ràng.
Thông thường đặc tính của nhiệt điện trở được thể hiện bởi chỉ một hệ số a
(alpha) nó thay thế cho hệ số nhiệt độ trung bình trong thang đo (ví dụ từ 0oC
đến 100oC).
Alpha = (R100 – R0)/ 100*R0 (oC-1)
Theo yêu cầu của đề bài ta sẽ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại.Nhiệt
điện trở kim loại có 2 loại thông dụng là nhiệt điện trơ platin và nhiệt điện trở
nikel.
2.1.1 Giới thiệu về nhiệt điện trở PT
Nhiệt điện trở Pt được dùng rộng rãi trong và phổ biến trong công nghiệp.Có 2
tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở Pt, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tinh
khiết của vật liệu. Hầu hết các quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN
IEC751-1983 (được sửa đổi lần thứ nhất vào năm 1986, lần thứ 2 vào năm
11
1995), USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng, cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng
phương trình Callendar-Van Dusen:
R(t) = Ro*(1+At+Bt2+C[t-100oC]*t3)
Với Ro là trị số điện trở định mức ở 0oC .
Ta có bảng sau:
Tên cảm biến
Pt 100
Hệ số alpha
0.00385
Ro
100Ω
Hệ số
ở nhiệt độ
0oC
B = -5.77500x10-7
C=0
Ro của nhiệt điện trở Pt 100 là 100Ω, của Pt 500 là 500Ω, của Pt 1000 là 1000Ω.
Các loại Pt 500, Pt 1000 có hệ số nhiệt đọ lớn hơn, do đó độ nhạy lớn hơn: điện
trở thay đổi mạnh hơn theo nhiệt độ, ngoài ra còn có loại Pt 10 có độ nhạy kém
dùng để đo nhiệt độ trên 600oC.
Tiêu chuẩn IEC751 chỉ định ngĩa 2”đẳng cấp”dung sai A và B. Trên thực tế xuất
hiện thêm loại C và D. Các tiêu chuẩn này cũng áp dụng cho các loại nhiệt điện
trở khác.
Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp. Do đó
khi bị tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng sự thay đổi trị số điện của
nó ít hơn so với các platin dòng. Nhờ thế có sự ổn định lâu dài theo thời gian,
thích hợp hơn trong công nghiệp. Trong công nghiệp nhiệt điện trở platin
thường dùng có đường kính 30mm.
Đẳng cấp dung sai
A
B
C
D
Dung sai (oC)
t = (0.15+0.002*| t |)
t = (0.30+0.005*| t |)
t = (0.40+0.009*| t |)
t = (0.60+0.0018*| t |)
12
Cấu tạo
- Được làm từ kim loại platin quấn tủy theo hình dáng của đầu dò nhiệt điện trở
RTD có giá trị điện trở R0 tại 00C là 100Ω
- Đầu dò RTD gồm 2 loại
+ Loại dây nối : Thiết bị đơn giản,sợi dây cảm biến được quy ẩn xung quanh
1 lõi hoặc trục. Lõi hình tròn hoặc phẳng phải cách điện được
+Loại màng mỏng : Người ta phủ 1 lớp bạch kim mỏng (dày khoảng 10-7
mm đến 10-6mm) lên 1 cái đế bằng sứ. Ưu điểm của loại này là giá thành thấp
và khối lượng tác dụng nhiệt thấp, làm cho chúng đáp ứng nhanh và dễ dàng đặt
vào các vỏ nhỏ.
- Cách nối dây(3 cách)
+ loại 2 dây:cấu hình đơn giản, độ chính xác thấp.
+ loại 3 dây:cấu hính phức tạp,độ chính xác không cao.
+ loại 4 dây:cấu hình đơn giản,độ chính xác cao,giá thành cao.
=> Để thiết bị cảm biến đơn giản và ít bị sai số thì ta sẽ chọn đầu dò loại dây nối
và loại 4 dây.
Nguyên lý hoạt động
Hoạt động nhiệt điện trở dựa trên sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi
điện trở
Rt = R0 ( 1 + αt)
13
Rt : Điện trở ở nhiệt độ t
R0 : Điện trở ở 0 độ C
α : Hệ số của nhiệt điện trở
Điện trở Pt 100 là một dây kim loại có bọc các đoạn sứ bao quanh toàn bộ dây
kim loại.Phần bao bọc này lại được đặt trong một ống bảo vệ(thermowell)
thường có dạng trụ tròn,chỉ đưa 2 đầu dây kim loại ra để kết nối với thiết bị
chuyển đổi.Phần ống bảo vệ sẽ được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ.
Hai đầu dây kim loại để chừa ra ở phần ống bảo vệ được kết nối tới một thiết bị
gọi là bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện phục vụ cho việc truyền
tới phòng điều khiển giám sát.Thiết bị chuyển đổi có cấu tạo chẳng qua là một
cầu điện trở có một nhánh chính là Pt100(có điện trở là 100Ω ở 0oC).
Ðáp ứng của RTD không tuyến tính nhưng nó có độ ổn định và chính xác rất
cao, do vậy hay được dùng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Nó
thường được dùng trong khoảng nhiệt độ từ (-250oC )→ (+850oC) mà can nhiệt
Pt100 là kí hiệu thường được sử dụng để nói đến RTD với hệ số alpha=0.00391
và R0=100Ω.
2.1.2 Nhiệt điên trở nickel (Ni).
Nhiệt điện trở Ni so với Pt thì rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt đọ lớn gần gấp hai
lần (6.18*10-3 o C-1 ). Tuy nhiên dải đo từ (-60oC) → (+250oC), vì trên 350oC
nickel có sự thay đổi về pha. Cảm biến nickel 100 thường dùng trong công
nghiệ điều hòa nhiệt độ phòng.
R(t) = Ro*(1+At+Bt2+Dt4+Ft6). Với:
-
A = 5485*10-3
B = 6650*10-6
D = 2805*10-11
F = -2000*10-17
Với các trường hợp không đòi hỏi độ chính sác cao ta sử dụng phương trình sau:
R(t) = Ro*(1+at).
Với: a = alpha = 0.00672oC-1
Từ đó dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ:
t = (Rt / Ro – 1)/a = (Rt / Ro – 1)/ 0.00672.
Cảm biến nhiệt độ ZNI1000 do hang ZETEX Semiconductors sản xuất sử dụng
nhiệt điện trở Ni, được thiết kế có giá trị đo 1000Ω tại 0oC.
14
Do nhiệt điện trở platin có độ tuyến tính theo nhiệt độ cao, điện trở suất cao,
chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo dài ; mặt khác do dải đo nhiệt độ trong
phạm vi bài tập cũng hẹp [0oC – (100+50*n)oC]= [0oC – (100+50*12)oC]= [0oC
–700oC].Nên ta sẽ sử dụng nhiệt điện trở platin cụ thể trong bài ta sẽ sử dụng
nhiệt điện trở Pt100.
2.2. Bộ khuếch đai thuật toán μA741
Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng Anh: operational amplifier), thường được
gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao
gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông
thường có đầu ra đơn. Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều
khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở
đầu vào và tổng trở đầu ra.
Khuếch đại có nghĩa là dùng năng lượng nhỏ làm thay đổi một năng lượng lớn
khác. Năng lượng nhỏ gọi là năng lượng điều khiển.Năng lượng lớn gọi là năng
lượng bị điều khiển.
Bộ KĐTT cũng như các bộ khuếch đại thông thường khác đều dùng để khuếch
đại điện áp,dòng điện và công suất.Tính ưu việt của bộ KĐTT là tác dụng của
mạch điện có bộ KĐTT có thể thay đổi được dễ dàng bằng việc thay đổi các
phần tử mạch ngoài (coi bộ KĐTT như hộp đen).Để thực hiện được điều đó, bộ
KĐTT phải có các đặc tính co bản là :hệ số khuếch đại lớn, trở kháng cửa vào
rất lớn và trở kháng ra của nó rất nhỏ.
Trước đây, bộ KĐTT thường được sử dụng trong việc thực hiện các phép toán
giải tích ở các máy tính tương tự,nên được gọi là KĐTT.Ngày nay, KĐTT được
sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong kỹ thuật đo lường và điều khiển.
Do công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử ngày càng phát triển, nên đã chế tạo
được các mạch tích hợp(các vi mạch- IC) của KĐTT gần lý tưởng. Và các vi
mạch KĐTT trong các mạch điện tử đơn giản cũng được coi là lý tưởng. Tuy
nhiên, các vi mạch KĐTT luôn có các thông số thực là hữu hạn.
Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các
thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa
học.Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ.Các
thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế
cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làm
hư hỏng.
15
Bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ thuật điện trở có các dụng khuếch đại
các tín hiệu điện nhưđiện áp, dòng điện, công suất. Trong phạm vi bài này ta sẽ
sử dụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa ra từ cảm biến và dùng
trong bộ so sánh đểđưa ra khối cảnh báo cho mạch đo.
2.2.1 Cấu tạo:
- Input- :Đầu vào đảo,tín
hiệu đưa đến là Ui-Input +: Đầu vào không đảo,tín
hiệu đưa đến là Ui+
-Vss: Nguồn cấp
-Output: Ngõ ra
Các chân có tên gọi và chức năng sau đây:
Chân 1: Bù tần số
Chân 2: Cửa vào đảo
Chân 3: Cửa vào không đảo
Chân 4: Nguồn cung cấp âm
Chân 5: Bù tần số
Chân 6: Cửa ra
Chân 7: Nguồn cung cấp dương
Chân 8: Không sử dụng
2.2.2 Chức năng:
Khuếch đại thuật toán lý tưởng có trở kháng vào vô cùng lớn(Zi=∞),trở kháng ra
bằng 0(Zi=0),hệ số khuếch đại vòng hở vô cùng lớn(K0=∞) và điện áp cửa ra
bằng 0V,khi điện vào các ngõ vi sai bằng nhau(U0=0V,kí hiệu Ui+=Ui-).
Trong thực tế ký thuật không có bộ KĐTT lí tưởng.để đánh giá được các bộ
khuếch đại thuật toán lí tưởng thực so với KĐTT lí tưởng người ta căn cứ vào
thong số của mạch tích hợp KĐTT thực với các thông số lý tưởng trên.Nhưng
trong thiết kế các mạch điện tử đơn giản ta vẫn có thể coi các IC KĐTT thực
được sử dụng như là IC KĐTT lí tưởng.
16
2.3. Điện trở
Là linh kiện không thể thiếu trong các mạch đo
Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.
Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý.
Cấu tạo
Thường được làm bằng than hay các chất đặc biệt có tính dẫn điện kém.Được
bao bọc bởi bên ngoài bằng 1 lõi sứ hoặc ép thành khối.
Cách đọc điện trở :
Cách đọc trị số của điện trở tùy thược vào cách biểu thị của các vòng màu và
giá trị điện trở
Vòng số 4 là vòng ở cuối luôn luôn có mầu nhũ vàng hay nhũ bạc, đây là
vòng chỉ sai số của điện trở, khi đọc trị số ta bỏ qua vòng này.
Đối diện với vòng cuối là vòng số 1, tiếp theo đến vòng số 2, số 3
Vòng số 1 và vòng số 2 là hàng chục và hàng đơn vị
Vòng số 3 là bội số của cơ số 10.
Sau khi thiết kế mạch chúng ta sẽ phải lựa chọn loại điện trở phù hợp mạch đo,
để hiển thì đầu ra có thể chính xác.
17
2.4. Cơ cấu chỉ thị.
Muốn biết được nhiệt độ có quá tải hay không thì ta phải hiển thị ra thông qua
cơ cấu chỉ thị. Vì mục đích cuối cùng là chúng ta biết được nhiệt độ và cảnh
báo.
Trong bài này ta sẽ sử dụng mạch hiển thị bằng 5 bóng LED 7 thanh.
2.5. Các thiết bị cảnh báo
Để cảnh báo quá nhiệt độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để cảnh
báo, hoặc ta có thể sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt độ.Những
thiết bị này thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp đặt và sử dụng
nguồn điện một chiều hay xoay chiều.
2.6. Mạch tạo xung dùng IC555
IC555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo
đượcxung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn
giản,điềuchế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo
xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác.
4
R
VCC
8
U1
Q
DC
TR
1
2
7
CV
GND
5
3
TH
6
555
Chân 1: Chân nối đất.
18
Chân 2: Ngõ vào xung.
Chân 3: Ngõ ra.
Chân 4: Chân hồi phục.
Chân 5: Điện áp điều khiển.
Chân 6: Điện áp ngưỡng.
Chân 7: Xả điện (cửa ra phụ).
Chân 8: Nguồn cấp dương.
Chức năng từng chân:
+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là
chân chung.
+ Chân số 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 sánh ở đây dùng các
transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc.
+ Chân số 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 cao nó tương
ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng
mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V) .
+ Chân số 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 áp cao thì trạng thái ngõ ra
tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động
thường hay nối chân này lên VCC.
+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong
IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND.
Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta
thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ
này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
+ Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp
khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
+ Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu
điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này
đóng lại.ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC
555 dùng như 1 tầng dao động .
19
+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó 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 2V
đến >18V (Tùy từng loại 555 nhé thấp nhất là con NE7555)
2.7. Đèn led
Là thiết bị dùng để báo sang khi mạch đo thấy nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép
2.8. Led 7 thanh
Sơ đồ nối chân LED 7 đoạn
Chức năng: Led 7 thanh là một linh kiện được sử dụng khá là phổ biến trong các
mạch điện tử hiển thị số. Tùy vào nhu cầu hiển thị mà người ta chia thành các
loại led khác nhau: led đơn, led đôi, led ba,… theo cách kết nối: led 7 thanh
kiểu Anot chung, led 7 thanh kiểu Catot chung.
2.9. Bộ ADC ICL7107
ICL7107 là một bộ chuyển đổi ADC digit công suất thấp, hiển thị tốt. Bao gồm
trong IC này là bộ giải mã LED 7 đoạn, bộ điều khiển hiển thị, bộ tạo chuẩn và
bộ tạo xung đồng hồ. Các đặc tính của nó bao gồm: tự chỉnh “0” nhỏ hơn 10 uV,
điểm “0” trượt không quá 1uoC, độ dốc dòng ngõ vào tối đa là 10pA.
20
IC này có các đặc điểm rất quan trọng sau:
- Độ chính xác rất cao.
- Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
- Không cần mạch lấy mẫu và mạch giữ.
- Tích hợp đồng hồ.
- -Không cần các thành phần ngoại vi có độ chính xác cao.
Cấu tạo
Hình trên thể hiện mạch xử lý tương tự của ICL7107. Mỗi chu kỳ đo được chia
thành ba pha: (1) Tự chỉnh “0” (A – Z), (2) tích hợp tín hiệu (INT) và (3) giải
tích (DE) và 1 số thông số khác.
Pha tự chỉnh “0”
21
Trong pha này thực hiện 3 việc:
- Ngõ vào cao và thấp bị ngắt kết nối khỏi các chân và ngắn mạch nội với
chân COMMON analog.
- Tụ tạo chuẩn được nạp tới điện áp chuẩn.
- Một vòng lặp hồi tiếp nối kín quanh hệ thống để nạp cho tụ tự chỉnh “0”
CAZ để bù cho điện áp offset (trôi) trong bộ khuếch đại đệm, bộ tích hợp
và bộ so sánh. Vì bộ so sánh nằm trong vòng lặp nên độ chính xác A-Z
chỉ bị giới hạn bởi nhiễu của hệ thống. Trong bất cứ trường hợp nào, điện
áp offset do ngõ vào nhỏ hơn 10uV.
Pha tích hợp tín hiệu
Trong quá trình tích hợp tín hiệu, vòng lặp tự chỉnh “0” được mở, ngắn mạch
nội không còn, ngõ vào cao và thấp được nối với các chân ngoại vi. Bộ chuyển
đổi lúc này tích hợp điện áp khác biệt giữa chân IN HI và chân IN LO trong một
khoảng thời gian cố định. Điện áp sai biệt này có thể nằm trong phạm vi rộng:
lên tới 1V từ cả hai nguồn. Mặt khác nếu tín hiệu vào không hồi trở lại nguồn
cung cấp thì IN LO có thể bị nối với chân COMMON analog để thiết lập điện
áp mode chung chính xác. Cuối pha này các cực của tín hiệu tích hợp được xác
định.
Pha giải tích
Còn gọi là tích hợp tham chiếu. Ngõ vào thấp luôn được kết nối nội với chân
COMMON và ngõ vào cao được kết nối qua tụ chuẩn đã được nạp từ pha trước.
Mạch trong IC đảm bảo rằng tụ điện sẽ được nối đúng cực để làm bộ tích hợp
ngõ ra chuyển về “0”.Thời gian cần thiết để ngõ ra chuyển về giá trị “0” tỉ lệ với
tín hiệu vào. Đặc biệt số được hiển thị là:
DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF
Ngõ vào chênh lệch
Ngõ vào có thể chấp nhận các điện áp chênh lệch trong phạm vi của bộ khuếch
đại ngõ vào, hay cụ thể là từ 0.5V dưới nguồn dương đến 1V trên nguồn âm.
Trong phạm vi này hệ thống có CMRR(common mode rejection ratio) 86 dB.
Tuy nhiên cần bảo đảm ngõ ra bộ tích hợp không bão hòa. Trường hợp xấu nhất
là điện áp mode chung tích cực lớn với một điện áp ngõ vào tích cực âm toàn
giai. Tín hiệu ngõ vào âm điều khiển bộ tích phân dương khi phầnlớn độ lắc ngõ
ra đã được tận dụng bởi điện thế mode chung tích cực dương. Dành cho những
ứng dụng cao độ lắc của tích hợp ngõ ra có thể được giảm xuống nhỏ hơn độ lắc
22
toàn giai 2V với ít sai số hơn.Bộ tích phân ngõ ra có thể lắc trong khoảng 0.3V
với cả hai nguồn mà không mất sự tuyến tính.
Tham chiếu sai biệt:
Điện áp tham chiếu có thể được tạo ra mọi nơi từ điện áp nguồn của bộ
chuyển đổi. Nguồn chính của lỗi mode chung là điện áp vòng tạo bởi tụ
tham chiếu nạp hay xả làm sai lạc giá trị điện dung của nó. Nếu có điện áp
mode chung lớn, tụ tham chiếu có thể được nạp (tăng điện áp) khi được
dùng đến để giải tích một tín hiệu dương nhưng sẽ xả (giảm điện áp) khi
được dùng để giải tích một tín hiệu âm. Sự khác biệt trong tham chiếu điện
áp vào dương và âm sẽ gây ra lỗi.Tuy nhiên, bằng cách chọn tụ tham chiếu
chẳng hạn tụ có điện dung đủ lớn thì lỗi này có thể được kiểm soát hơn 0.5
lần đếm.
Vùng xử lý số của ICL7107
Tín hiệu đầu vào ở dạng điện áp được biến đổi thành tín hiệu số và chuyền vào
các LED 7 thanh để điều khiểu hiển thị nhiệt số. Số hiển thị trên LED có giá trị
từ 0000-1999.
23
CHƯƠNG 3. Tính toán và thiết kế mạch đo
3.1. Tính toán và lựa chọn cảm biến
RT1
R1
E+
S+
700.00
9.99k
SERTD-PT100
Theo bài ta sử dụng cảm biến nhiệt độ là Pt100 vì dải nhiệt cần
đot=0÷(100+50*N)= 0÷6500C mà dải nhiệt của Pt 100 là t=-250 ÷ +8500C
Cứ 1V thì tương ứng với 10C nên
Tại 00C thì giá trị đầu ra của pt100 là 0V.
Tại 6500C thì giá trị đầu ra của pt100 là 650V.
3.2. Mạch đo và mạch hiển thị
3.2.1 Mạch đo cảm biến
RT1
R1
E+
S+
700.00
9.99k
SE-
R2
RTD-PT100
10
Cảm biến được cấp nguồn vào 5V và sẽ cho ra điện áp ở chân out. Điện áp ra
được đi qua 1 mạch phân áp đề giảm xuống 1000 lần đưa vào các mạch chuẩn
hóa và hiển thị.
24
3.2.2 Mạch hiển thị dùng ICL7107 và 5 LED 7 thanh
U7
1
32
C4
C5
R22
30
47k
28
29
0.47uF
27
0.22uF
34
C3
U7(VREF+)
0.1uF
33
36
35
37
40
39
38
R21
100k
C1
V+
VIN+
ACOM
VINVBUFF
CAZ
VINT
CREF+
CREFVREF+
VREFTEST
OSC1
OSC2
OSC3
V-
26
31
A1
B1
C1
D1
E1
F1
G1
A2
B2
C2
D2
E2
F2
G2
A3
B3
C3
D3
E3
F3
G3
AB4
POL
GND
5
4
3
2
8
6
7
12
11
10
9
14
13
25
23
16
24
15
18
17
22
19
20
21
B1
12V
TC7107
100pF
Điện áp từ cảm biến được đưa vào ICL7107 sử lý và đưa tín hiệu vào các bóng
LED 7 thanh đc nối Anot chung.
Số được hiển thị trên LED 7 thanh được tính theo công thức:
DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF
Với 10C thay đổi tương ứng với 0.01V nên ta chọn VREF=10V.
3.3. Tính toán, thiết kế mạch nguồn
3.3.1 Tính toán, lựa chọn linh kiện
Do các bộ khuếch đại thuật toán dùng trong mạch sử dụng nguồn đối xứng DC
±12V và các IC số sử dụng nguồn DC 5V nên mạch nguồn được thiết kế như
sau:
Sử dụng 2 IC ổn áp LM7812 và LM7912 để tạo nguồn đối xứng DC
±12V; IC ổn áp LM7805 để tạo nguồn áp 5V DC;
Do chủ yếu sử dụng nguồn điện xoay chiều 220V nên chọn điện áp
đầu vào khối nguồn là: 220V AC.
Để IC ổn áp có thể làm việc được ổn định cần tạo ra nguồn áp một
chiều đầu vào lớn hơn điện áp cần ổn định từ 3÷5V nên:
Chọn hệ số biến đổi của biến áp: 220V/20V;
Sử dụng cầu diode 2W005G để tạo điện áp DC: khi đó điện áp trên
cửa ra của cầu sẽ là:
Tính toán mạch lọc:
25
