thiết kế máy đo điện áp

Tuy nhiên trong nhiệu vụ của đề tài này tín hiệu số phải là tín hiệu BCD để dưa ra hiển thị -> không dùng bộ biến đổi A/D Khối 4: Sử dụng bộ giải mã BCD đưa ttín hiệu số sang tín hiệu dạ

Phân tích nguyên lý hoạt động từng khối:

Lời nói đầu:

hiện đại phục vụ cho sinh hoạt của con người đều sử dụng năng lượng điện Trong quá trình làm việc của các thiết bị này, khi xảy ra sự cố về điện, nếu không xử lý kịp thời có thể gây hậu quả nghiêm trọng ảnh hưởng đến sinh hoạt và sản xuất Để thuận tiện cho việc vận hành, theo dõi quá trình làm việc của các trang thiết bị này, cần thường xuyên kiểm tra các thông số của thiết bị như: dòng điện, điện áp… để tránh hiện tượng quá dòng, quá áp… gây sai hỏng thiết bị Với mục đích đó, nhóm sinh viên chúng em chọn đề tài “ Nghiên cứu thiết

kế mạch đo lường hiển thị số điện áp ( hoặc dòng điện)” Thông qua những số liệu đo được, người sử dụng có thể phát hiện kịp thời những sự cố về điện và có biện pháp xử lý thích hợp, nhờ đó tránh được những ảnh hưởng không mong muốn

Đề tài trình bày các nội dung chính:

+ Các phương án thực hiện đề tài

+ Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống

+ Sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động và giản đồ tín hiệu ra của từng khối

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS Nguyễn Nam

Quân và các thầy trong Bộ môn đã giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện bản thiết kế

này

Do thời gian và kiến thức còn hạn hẹp, bản báo cáo thiết kế mạch logic của chúng em còn nhiều thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý và đánh giá của thầy cô để bản báo cáo được hoàn thiện

Nguyên lý hoạt động của mạch đo lường hiển thị tín hiệu điện áp, dòng điện hay công

suất là tương tự nhau Do đó bản báo cáo này chỉ chọn trình bày về mạch đo lường hiển thị tín hiệu điện áp Trên cơ sở đó, có thể thiết kế mạch đo lường hiển thị dòng điện và công suất

Nhiệm vụ:

+ Đo tín hiệu điện áp của một thiết bị tại một thời điểm

+ Hiển thị số giá trị điện áp đo được ( tối đa là 999.9v )

Các phương án thực hiện đề tài:

Phương án 1:

Như ta đã biết điện áp lưới trung bình khoảng 220v~ tàn số khoảng 50Hz , ta có thể thực hiện theo sơ đồ sau:

Khối giải mã

(4)

Khối biến đổi

A/D(3)

Khối chỉnh lưu(2)

Khối lấy tín hiệu (1)

Khối hiển thị (5)

Khối 1 : Sử dụng biến áp ( hay biến dòng) để lấy tín hiệu áp ( hay tin hiệu dòng )tỉ lệ với tín hiệu điện trong mạch Tín hiệu ra là tín hiệu xoay chiều

Khối 2 : Dùng bộ chỉnh lưu cầu kết hợp với tụ san phẳng biến điện áp xoay chiều thành điện

áp một chiều

Khối 3 : Sử dụng bộ biến đổi A/D chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Tuy nhiên trong nhiệu vụ của đề tài này tín hiệu số phải là tín hiệu BCD để dưa ra hiển thị -> không dùng bộ biến đổi A/D

Khối 4: Sử dụng bộ giải mã BCD đưa ttín hiệu số sang tín hiệu dạng thập phân có thể hiển thị bằng đèn LED 7 thanh

Khối 5 : Sử dụng đèn LED 7 thanh dể hiển thị

⇒

LED

Phương án thực hiện đề tài:

3

I/ - Mạch đo lường hiển thị điện áp (hoặc dòng điện) :

Trong quá trinh làm việc của tất cả các thiết bị cũng như các tải sử dụng trong sinh hoạt để thuận tiện cho việc vận hành và theo dõi quá trình làm việc của chúng,ta có thể tiến hành đo dòng điện hoặc điện áp hiển thị số Thông qua đó mà người sử dụng phát hiện những sự cố xảy ra và nhanh chóng xử lý kịp thời Để thực hiện được đo dòng điện và điện

áp ta xay dựng sơ đồ khối sau :

Lấy tín

hiệu

(1)

So sánh (5)

(6)

D Q C

Tao xung xoá

Đếm modul 10-

4 đề các (7)

Giải mã 7 thanh (11)

Tạo xung chốt (9)

Mạch chốt (10)

Chia tần (3)

Hiển thị (12)

Trong đó :

+ Khối 1 : Lấy tín hiệu Thông qua biến dòng hoặc biến áp để lấy tín hiệu dòng hay áp

tỉ lệ với dòng - áp trong mạch

+ Khối 2 : Khối phát xung chuẩn

+ Khối 3 : Khối chia tần

+ Khối 4 : Khối phát xung răng cưa

+ Khối 5 : Khối so sánh tín hiệu vào lấy từ khối lây tín hiệu và điện áp răng cưa lây từ khối phát xung răng cưa

+ Khối 6 : Trigơr D, khoá K

+ Khối 7 : Khối đếm modul 10 – 4 đề các

+ Khối 8 : Khối tạo xung xoá

+ Khối 9 : Khối tạo xung chốt

+ Khối 10 : Mạch chốt

+ Khối 11 : Khối giải mã 7 thanh

+ Khôi 12 : Khối hiển thị

Từ sơ đồ khối ta phân tích nguyên lý làm việc của từng khối nh− sau :

II/Phân tích nguyên lý từng khối

1- Khối lấy tín hiệu:

A Lấy tín hiệu áp( Lấy tín hiệu dòng – Công suất ):

Đo điện áp của mạch, dùng biến áp để lấy tín hiệu áp tỉ lệ với điện áp trong mạch điện (Máy hạ áp) Tín hiệu điện áp lấy ra từ cuộn thứ cấp của máy biến áp đ−ợc đ−a vào bộ chỉnh cầu (có tụ loc san phẳng), khi đó tín hiệu ra là tín hiệu điện áp một chiều

Sơ đồ nguyên lý của mạch nh− sau:

Do tín hiệu lấy ra sẽ đ−ợc đ−a vào Bộ so sánh với xung răng c−a có biên độ đỉnh là 10v nên ta chọn linh kiện trong khối lấy tín hiệu nh− sau:

5

Umaxrc = 10V Máy biến áp sử dụng là loại hạ áp

+ Bộ chỉnh lưu cầu: Sử dụng điôt 1N4007

+ Bộ phân áp: Điều chỉnh điện áp đưa đến bộ so sánh

2-Khối phát xung chuẩn:

Nhiệm vụ của khối này là phát xung có tần số cao (1Mhz) để đưa đến mạch chia tần và mạch đếm xung Khi tần số của mạch phát xung càng cao thì sai số của mạch càng nhỏ.Ta thiết kế sao cho 1V của điện áp lưới tương đương với 10 xung đưa đến bộ đếm Ta giả thiết mạch thiết kế đo được điện áp tối đa là 999.9v Trong một chu kì đếm có tối đa 9999 ( 10000) xung đưa đến bộ đếm tức là đo được điện áp 999.9V điện áp lưới Mà tần số điện

áp lưới là 50Hz Vậy ta phải có mạch phát xung có tần số :

Giả sử T1 thông→C2 nạp từ +E→C2→đất Với thời gian nạp là:

Ta thấy thời gian nạp lớn hơn thời gian phóng

chuyển đổi lẩn nhau Chu kỳ tạo xung vuông:

Tuỳ ta chọn R và C mà ta có thể có xung có tần số khác nhau

Tuy nhiên đối với mạch trên thì có các nhược điểm sau:

-Dải tần không cao:100hz-200khz

-Độ ổn định tần số kém:f+∆f với ∆f biến thiên lớn

Ta không thể sử dụng sơ đồ mạch trên

Phương án 2:

Sử dụng IC 555 có sơ đồ nguyên lý của hệ thống:

Giản đồ điện áp như sau:

7

Giản đồ điện áp trên cho thấy xung ra của tín hiệu có tần số có thể đáp ứng yêu cầu Tuy nhiên chu kỳ tín hiệu chưa hoàn toàn ổn định Đồng thời sự hoạt động của vi mạch 555 có

độ ổn định nhiệt kém

Phương án 3:

Trong thực tế người ta thường dùng thạch anh 1 MHz để tạo đao động Do mạch tạo xung bằng thạch anh dao động có tần số ổn định và đồng thời thạch anh có độ ổn định hiệt cao, ít bị ảnh hưởng của môi trường xung quanh gây méo tín hiệu và thay đổi tần số làm việc Vậy trong trường hợp này ta sẽ sử dụng thạch anh để tạo xung chuẩn cho toàn bộ hệ thống

Về hoạt động của cổng NAND thì từ các tổ hợp của A, B ta lập bảng trạng thái rồi lấy

đảo để có Y đảo Tuy nhiên có thể trực tiếp bằng cách lập bảng sự thật sau:

9

Nếu A=B thì Y nhận hai mức lôgic “0” hoặc “1”

-Dao động 1Mhz đ−ợc tạo ra rừ chân 4 của IC 4011

Ta có thể thay IC 4011 bằng IC 7404,

+ Sử dụng IC7404:

Sơ đồ cấu tạo của IC7404:

A B

Vcc 6A 6Y 5A 5Y 4A 4Y

Y

Sơ đồ nguyên lý nh− sau:

Trong đó:

Cổng logic Đảo (NOT)

Hàm Và và hàm hoặc tác động lên hai hay nhiều biến số trong khi đó, hàm Đảo có thể xem nh− chỉ có thể tác động lên một biến số

Bảng sự thật:

Y = A A

Ký hiệu hàm Đảo (NOT)

Như ở mạch phát xung chuẩn ta đã biết tần số F = 1Mhz Nghĩa là tương ứng với 10 xung của bộ phát xung chuẩn là 1V điện áp mạch ngoài cần đo Ta giả thiết mạch hiển thị của ta

ra mạch so sánh có độ rộng ( hay thời gian tồn tại ) bằng 9999 (10000) độ rộng một xung chuẩn Để làm được điều này ta ta phải chia tần ở đầu ra của mạch phát xung chuẩn Do xung răng cưa được tạo ra từ xung chia tần và có tần số bằng tần số xung từ khối chia tần

10

10

=100

dùng 4 bộ đếm Modul 10 mắc nối tiếp nhau và nối tiếp với Trigơ

Để thực hiện bộ đếm Modul 10 ta d−a trên cơ sở bộ đếm 4 bit ( modul 16 ) sau khi đã loại đi 6 trạng thái d− , nhờ các mạch vòng hồi tiếp thích hợp mà đến xung thứ 10 sẽ đ−a bộ

đếm về trạng thái ban đầu (Các đầu ra đều nhận trị ‘0’)

Ta có:

Bảng trạng thái của Trigơ JK:

Trong đó : Dấu ‘X’ thể hiện giá trị của J và K có thể nhận giá trị ‘0’ hoặc ‘1’ Vậy ta lập

đ−ợc bảng trạng thái của J và K trong bộ đếm Modul 10 nh− sau:

Ta xem các trạng thái ra của các Trigơ là biến, các đầu vào điều khiển J, K là hàm Ta

đi tìm quan hệ giữa các hàm ra và các biến vào Để làm điều này ta sử dụng phương pháp bìa các nô có tận dụng 6 trạng thái dư của bộ đếm

K3

00011110

00 01 11 10

00011110

K1 R1 Q1

J2 Q2

C2 T2

K2 R2 Q2

J03 Q3

C3 T3

Xung ra

5v

4- Khối tạo điện ỏp răng cưa:

-Sơ đồ nguyên lý:

-Nguyên lý làm việc :

tạo ra sườn sau của xung răng cưa

Quá trình xảy ra liên tục, ở đầu ra của khối tạo xung răng cưa có tần số bằng tần số điện áp lưới

Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh hai giá trị đầu vào

mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi tương tự- số Tín hiệu ra của mạch so sánh là tín hiệu số nên chỉ có hai mức logic “0” và “1” Tín hiệu ra của mạch so sánh là các xung có

đầu ra của khối so sánh sẽ bắt đầu xuất hiện một xung Khi giữ nguyên giá trị biên độ và chu

Xung chuẩn

C Q D

trước đó) Dựa vào hoạt động của trigơD ta cho tín hiệu đầu ra của bộ so sánh vào đầu D của Trigơ làm dữ liệu, đầu ra của bộ chia tần vào đầu C của Trigơ làm tín hiệu điều khiển Suy ra

ta thu được đầu ra Q của TrigơD có dạng tín hiệu xung vuông, độ rộng xung tỉ lệ với gía trị

điện áp đưa vào Tín hiệu ra của TrigơD và tín hiệu ra từ bộ phát xung chuẩn đuợc đưa đến

đầu vào mạch AND Tín hiệu ra thu được là dãy các xung chuẩn có chu kỳ bằng chu kỳ điện

áp lưới và số xung chuẩn trong một chu kỳ tỉ lệ với điện áp đầu vào hay tỉ lệ với điện áp lưới cần đo

U Sau chia tÇn

Tín hiệu lấy tại đầu ra của mạch AND là dãy các xung chuẩn đựơc đưa đến bộ đếm

Để đếm được tối đa 9999 xung ta phải thiết kế mạch đếm Modul 10-4 đề các mắc theo nguyên lý đếm tràn

Q11 Q10 Q9 Q8IC3 C

R

2 2 2 2 3 2 1

0

Q3 Q2 Q1 Q0 IC1 C

Xung đếm được đưa đến đầu vào IC1, khi IC1 tràn thì xuất hiện xung vào IC2 và tương

tự như vậy IC4 chỉ được đếm khi Ic3 tràn Ta sử dụng IC7490/74LS90 để thiết kế bộ đếm (Xem bộ đếm modul 10 đã thiết kế)

8-Khối tạo xung xoá:

21

Sau một chu kỳ điện áp lưới có thể thay đổi mà số xung trong 1 chu kỳ chưa đủ để

đầy bộ đếm Khi đếm chu kỳ tiếp theo ma ta chưa đưa bộ đếm về trạng thái ban đầu thì bộ

đếm sẽ tiếp tục đếm số xung của chu kỳ tiếp theo Như vậy để đưa xung xoá tới bộ đếm mà không làm mất dữ liệu thì sau khi xung chốt được đưa đến mạch chốt số liệu ta cho xung xoá tới Xung xoá sẽ chậm hơn xung chốt một thời gian ngắn Xung xoá được đưa đến liên tục sau mỗi chu kỳ điện áp lưới

Do vậy ta lấy xung xoá là xung ra từ mạch chia tần đã qua bộ đảo và được làm trễ đi một khoảng thời gian thích hợp

Sơ đồ nguyên lý như sau:

Mạch so sánh 1

Mạch

tích phân

R

Mạch so sánh 2

Mạch vi phân

Nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau:

và điện trở R Đầu vào đảo của IC1 được nối với nguồn chuẩn tạo bởi mạch ổn áp thông số

C1 mà sau một khoảng thời gian trễ sẽ xuất hiện xung tại đầu ra Có thể điều chỉnh thời gian

Các linh kiện được chọn:

+ IC1, IC2 chọn ICàA741

Gian đồ điện áp:

U Sau chia tần

U Sau bộ đảo

9- Khối mạch chốt:

23

Do tín hiệu điện của mạch điện biến thiên một cách liên tục với tần số 50Hz làm mạch hiển thị cũng thay đổi theo Mắt con người chỉ cảm nhận được 24 hình /s Cho nên để tiện theo dõi ta thiết kế mạch hiển thị với tần số 1Hz Như vậy để số liệu khong được đọc ra một cách liên tục phải dùng mạch chốt số liệu để số liệu đưa ra trùng với khoảng thời gian và tần

số hiển thị Chỉ trong một chu kỳ nào đó ta cho hiển thị, số liệu của chu kỳ đó sẽ được dữ lại

và đưa ra một xung đến ( xung chốt ) ra lệnh cho đọc và khoá đầu ghi số liệu lại Như vậy 50 chu kỳ của điên áp lưới số liệu được đưa ra một lần và sự thay đổi của số liệu chậm hơn mắt thường có thể theo dõi

Từ tính chất của Trigơ D có thể làm trễ tín hiệu trong một khoảng thời gian nên có thể sử dụng làm mạch chốt

Sơ đồ nguyên lý TrigơD như sau:

Trigơ D xây dựng từ các phần tử NAND Hoạt động của Trigơ D tuân theo bảng trạng thái sau:

+ Khi C = 0 trạng thái của Trigơ D giữ nguyên Qn+1 = Qn

+ Khi C = 1 trạng thái của Trigơ D nhận giá trị đưa đến đầu vào → Qn+1 = D

Trong thực tế người ta đã chế tạo các IC chốt, ở đây ta sử dụng mạch chốt với các IC

74LS373

Nguyên lý làm việc của IC74LS373:

Gồm có 4 Trigơ D đ−ợc điều khiển bởi tín hiệu E và 4 cổng đệm bus 3 trạng thái điều khiển

E = 0 -> Qn+1 = Qn

OE cho phép ra

E điều khiển chốt

10- Khối tạo xung chốt:

Để tạo ra khoảng thời gian trễ có thể nhìn thấy giá trị hiển thị ta dùng mạch chốt nh− trên, muốn xung chốt làm việc ta phải có xung chốt đ−a vào đầu E của mạch chốt Xung chốt đ−ợc tạo ra bằng cách chia tần xung ra của bộ so sánh Tín hiệu xung ra cho qua bộ chia xung 25 Nghĩa là trong 1s đầu ra của bộ chia xung có 2 xung đ−a đến điều khiển quá trìng làm việc của bộ chốt Ta sử dụng 2 IC 7490/74LS90 có sơ đồ nguyên lý mắc thành bộ

Để giải mã được số nhị phân BCD thành số thập phân ta xây dựng hàm cho từng thanh Các số từ 0 -> 9 được thể hiện qua các thanh sáng trong bảng sau:

Hiện nay người ta đã chế tạo sẵn các IC làm nhiệm vụ giải mã từ số BCD sang hiển thị

7 thanh Các IC đó có thể là loại 7447 hay 74LS47 hay 4511 Trong mạch này ta sử dụng 4

Sơ đồ nối chân IC như sau:

27

RVcc

ga

12- Khối hiển thị:

Để hiển thị số điện áp dưới dạng mã thập phân ta sử dụng đèn LED 7 thanh Nguyên lý hoạt động của đèn LED 7 thanh dựa trên các Điôt phát quang Điôt phát quang (LED) là một tiếp giáp P – N chế tạo bằng hợp chất bán dẫn Gali – Acxênie hay Gali – Phốt pho …Tiếp giáp này có đặc tính phát ra ánh sáng có màu ( đỏ – xanh lá cây) Khi dẫn điện theo chiều thuận ánh sáng phát ra do hiện tượng kết hợp của điện tử và lỗ trống và có cường độ ánh sáng thay đổi theo cường độ dòng điện chay qua tiếp giáp

Sơ đồ nguyên lý:

e f - g

gf

ab

III/Đánh giá sai số hệ thống :

Ưu điểm mạch đo lường trên là sự đồng bộ do sử dụng một nguồn xung duy nhất cho toàn bộ hệ thống Nguồn phát xung là thạch anh dao động tần số cao có tính ổn định về nhiệt

IV/ Kết luận:

Giản đồ điện áp toàn mạch:

31