báo cáo thí nghiệm đo tần số của mạch điện xoay chiều

Sự xuất hiện củacác vi mạch, IC số tổng hợp đã giúp cho kích thước mạch nhỏ gọn, tiện lợi hơn.Trải qua sự phát triển của khoa học công nghệ, giờ đây chúng ta đã chế tạo ra rất nhiều loại

Đại học Bách Khoa Hà Nội Trường Điện – Điện tử

**************

Báo cáo thí nghiệm đo tần số của mạch

điện xoay chiều

 Nhóm sinh viên thực hiện : 1.Ong Lương Tiến Huy 20212365

2.Lê Việt Hoàng 20212359 3.Nguyễn Quốc Việt 20212391 4.Đỗ Nhật Minh 20202793

 Bộ môn: Kĩ thuật đo lường

 Mã lớp: 144043

 GVHD: Nguyễn Thanh Hường

MỤC LỤC

Lời mở đầu 2

Chương I: Trình bày về chức năng sử dụng trong hệ thống 2

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ 2

1.2 Liệt kê phương pháp đo tần số 2

1.3 Trình bày nguyên lý đo tần số trong bài 3

1.4 Chức năng cần dùng trong bài 3

1.4.1 Mã hóa 3

1.4.2 Mạch giải mã 4

1.4.2 Mạch dãy 5

1.4.3 Bộ đếm 6

1.4.4 Mạch dao động 6

Chương 2: Thiết kế mạch đo tần số 7

2.1 Sơ đồ khối 7

2.2 Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế 8

2.2.1 IC 555 9

2.2.2 IC đếm BCD 74LS190 (đếm xung) 10

2.2.3 IC 74LS47 (IC giải mã) 11

2.2.4 Tran-2P2S 12

2.2.5 Led 7 thanh 13

2.2.6 Transitor (2N3019) 13

2.2.7 AND, NOT 15

2.3 Giải thích các khối 16

2.3.1 Switch-DPST MOM 16

2.3.2 Tạo chu kỳ 1s bằng IC 555 17

2.3.3 Đóng/ngắt mạch bằng transitor 17

2.3.4 Biến áp sang 5V 18

2.3.5 Bộ đếm xung 18

2.3.6 Bộ giải mã + bộ hiển thị 19

2.3.7 Bộ đếm xung + bộ giải mã + led 7 thanh 19

2.3.8 Thông báo quá tần số cho phép 20

2.4 Thuyết minh về quá trình hoạt động của mạch 21

Chương 3: Tổng kết 22

3.1 Các kết quả đạt được 22

3.2 Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo 22

3.3 Các hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục 22

3.4 Kết luận chung 23

Lời mở đầu

Như chúng ta đã biết, khoa học công nghệ đang phát triển một cách nhanh chóng trong những năm gần đây, đặc biệt là ngành kỹ thuật điện-điện tử Sự xuất hiện củacác vi mạch, IC số tổng hợp đã giúp cho kích thước mạch nhỏ gọn, tiện lợi hơn.Trải qua sự phát triển của khoa học công nghệ, giờ đây chúng ta đã chế tạo ra rất nhiều loại tần số, phục vụ trong ngành điện tử viễn thông, công nghệ thông tin, tự động hóa

Máy đo tần số là 1 thiết bị cho phép chúng ta biết được tần só của tín hiệu 1 cách chính xác, góp phần vào việc đo và điều khiển tín hiệu

Với những kiến thức được học trên lớp và tìm hiểu thực tế Trong thời gian yêu cầunhóm em đã hoàn thành đồ án môn học với nội dung “Mạch Đo Tần Số” Do kiến thức chuyên ngành còn thiếu nhiều thực tế nên đồ án không tránh khỏi những sai sót, mong các thầy cô góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thanh Hường đã giúp đỡ nhóm em hoàn thành bài tập lớn này!

Chương I: Trình bày về chức năng

sử dụng trong hệ thống

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ

Đối với mạch đo tần số, đối tượng đo là xung vuông hoặc tín hiệu xoay chiều,dải đo từ 0Hz :9999Hz

Yêu cầu dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số để thiết kế Hệ thống gồm hainút 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.Khi ấn Stop, hệ thống dừng Sử dụng các thiết bị đo để kiểm tra khi cần thiết

1.2 Liệt kê phương pháp đo tần số

- Tần số là một trong các thông số quan trọng nhất của quá trình giao động có chu kì Tần số được xác định bởi số các chu kì lặp lại của sự thay đổi tín hiệu trong một đơn vị thời gian.

- Chu kì là khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại độ lớn và chiều biến thiên

- Khoảng tần số được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: vô tuyến điện tử, tự động hóa, thông tin liên lạc, tự động hóa từ một phần Hz đến hàng ngìn GHz

- Việc lựa chọn phương pháp đo tần số được xác định theo khoảng đo, theo độchính xác yêu cầu, theo dạng đường cong và công suất nguồn tín hiệu có tần

- cộng hưởng,

1.3 Trình bày nguyên lý đo tần số trong bài

- Sử dụng IC 555 để tạo ra tín hiệu có chu kỳ là 1s Vậy nên, cứ 1s thì

IC 555 sẽ tạo ra được 1 xung Ta sẽ dùng xung của IC 555 để đóng/ngắt mạch khi cần thiết

- Ta cho tín hiệu của nguồn cần đo tần số vào bộ đếm xung ( một thiết

bị có thể đếm được xung ) Sau đó ta sẽ sử dụng IC 555 để khống chế

bộ đếm xung chỉ đếm trong vòng chính xác 1s Sau 1s, số xung đếm được chính là tần số cần đo

- Hay nói dễ hiểu : Chốt được xung đếm được trong 1s chính là giá trị

tần số cần đo

1.4 Chức năng cần dùng trong bài

1.4.1 Mã hóa

Mã hóa và giải mã không có gì xa lạ và là tất yếu trong đời sống chúng ta

Nó được dùng để dễ nhớ, dễ đặt, dễ làm là quy ước chung cũng có thể phổ biến cũng có thể bí mật Chẳng hạn dùng chữ để đặt tên cho 1 con đường, cho 1

con người, dùng số trong mã số sinh viên, trong thi đấu thể thao, quy ước đèn xanh, đỏ, vàng tương ứng là cho phép đi đứng, dừng trong giao thông, rồi viết bức thư sử dụng chữ viết tắt, kí hiệu riêng để giữ bí mật hay phức tạp hơn là phải mã hoá các thông tin dùng trong tình báo,

Trong các hệ thống số kể cả viễn thông, máy tính, các đường điều khiển tuỳ chọn hay dữ liệu được truyền đi hay xử lí đều phải ở dạng số hệ 2 chỉ gồm 1 và

0, có nhiều đường tín hiệu chỉ có 1 bit như đường điều khiển mở nguồn cho mạch ở mức 1, rồi có nhiều đường địa chỉ nhiều bit chẳng hạn 110100 để CPU xác định địa chỉ trong bộ nhớ, rồi dữ liệu dạng hex gửi xuống máy in cho in ra

kí tự

Tất cả các tổ hợp bit đó được gọi là các mã số (code) hay mã Và mạch tạo

ra các mã số gọi là mạch mã hoá (lập mã: encoder)

- Bộ mã hóa nhị phân – thập phân (bộ mã hoa BCD)

Bộ mã hóa nhị-thập phân là mạch điện có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số hệ thập

phân thành mã hệ nhị phân Dạng mã này còn được gọi là mã BCD.-Bảng chân lí bộ mã hóa BCD:

1.4.2 Mạch giải mã

Mạch giải mã là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá tức là nếu

có 1 mã số áp vào ngõ vào thì tương ứng sẽ có 1 ngõ ra được tác động, mã ngõ

vào thường ít hơn mã ngõ ra Tất nhiên ngõ vào cho phép phải được bật lên cho chức năng giải mã

Mạch giải mã được ứng dụng chính trong ghép kênh dữ liệu, hiển thị led 7 đoạn, giải mã địa chỉ bộ nhớ

Giải mã BCD sang led 7 đoạn

Một dạng mạch giải mã khác rất hay sử dụng trong hiển thị led 7 đoạn đó là mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch này phức tạp hơn nhiều so với mạch giải mã BCD sang thập phân đã nói ở phần trước bởi vì mạch khi này phải cho

ra tổ hợp có nhiều ngõ ra lên cao xuống thấp hơn (tuỳ loại đèn led anode chung hay cathode chung) để làm các đoạn led cần thiết sáng tạo nên các số hay kí tự

Để đèn led hiển thị 1 số nào thì các thanh led tương ứng phải sáng lên, do

đó, các thanh led đều phải được phân cực bởi các điện trở khoảng 180 đến 390 ohm với nguồn cấp chuẩn thường là 5V IC giải mã sẽ có nhiệm vụ nối các chân

a, b, g của led xuống mass hay lên nguồn (tuỳ A chung hay K chung)

1.4.2 Mạch dãy

Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ được tạo bởi các mạch lật và cácmạch logic cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biếnvào mà còn phụ thuộc vào cả trạng thái hiện tại của mạch

Thanh ghi và thanh ghi dịch

Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lưu giữ dực liệu hoặc biến đổi dữ liệu số từ nối tiếp sang song song và ngược lại Mỗi mạch lật chỉ lưu giữ được 1bit, vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải tạo từ bấy nhiêu mạch lật

v v có các loại mạch doa động: - Mạch dao động hình Sin

Chương 2: Thiết kế mạch đo tần số

2.1 Sơ đồ khối

Bộ giải mã

Bộ đếm xung Đóng, ngắt mạch

Biến áp Nguồn tần số

Bộ hiển thị

2.2 Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế

- IC NE 555: Dùng tạo dao động đếm thời gian

2.2.1 IC 555

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 phụthuộc 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

Chân 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

2.2.2 IC đếm BCD 74LS190 (đếm xung)

Là IC tích hợp 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

Sơ đồ chân:

2.2.4 Tran-2P2S

Sử dụng để biến đổi điện áp 220V về điện áp 5V

2.2.5 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

Base (B):

Điều khiển dòng carriers giữa Collector và Emitter

Collector (C):

Chế Độ Hoạt Động:

Chế Độ Cắt (Cut-off):

dòng

Chế Độ Khuếch Đại (Amplification):

dòng lớn từ Collector đến Emitter

Chế Độ Bão Hòa (Saturation):

Ứng Dụng Thông Thường:

Khuếch Đại Tín Hiệu:

hiệu điện

Chuyển Đổi:

Điều Khiển Tín Hiệu:

Sử dụng trong các mạch điều khiển và mạch tương tác

Transistor NPN là một phần quan trọng trong thiết kế và xây dựng mạch điện tử và có nhiều ứng dụng trong các thiết bị điện tử hàng ngày.

2.2.7 AND, NOT

IC AND (Cổng AND):

Chức Năng Cơ Bản:

thiết kế để thực hiện chức năng của cổng logic AND

ngược lại, nếu ít nhất một trong hai đầu vào là false (0), thì kết quả sẽ

là false (0)

Đặc Điểm:

 Biểu diễn ký hiệu: & hay (ví dụ: A & B).⋅

Ứng Dụng:

hiệu dựa trên điều kiện AND

Ví Dụ IC:

hai đầu vào mỗi cổng

IC NOT (Cổng NOT):

Chức Năng Cơ Bản:

thiết kế để thực hiện chức năng của cổng logic NOT

(1), thì kết quả sẽ là false (0), và ngược lại

logic phức tạp, giúp kiểm soát và xử lý tín hiệu theo các điều kiện đặc biệt.Mỗi IC thường có một số lượng cổng tương ứng với số lượng chức năng AND hoặc NOT mà nó có thể thực hiện Lựa chọn IC phụ thuộc vào yêu cầu cụthể của mạch và ứng dụng.

2.3 Giải thích các khối

2.3.1 Switch-DPST MOM

Tác dụng như 1 công tắc bật/tắt mạch

2.3.2 Tạo chu kỳ 1s bằng IC 555

Chọn R2 = 1k, C1=0.001F, T=1sCông thức tính chu kỳ

Ngay khi đầu điện áp đầu Ib bằng 0V thì không có dòng điện chạy qua mạch

2.3.4 Biến áp sang 5V

Chuyển đổi điện áp từ điện áp bất kỳ xuống 5V ( phải điều chỉnh máy biến

áp phù hợp với điện áp nguồn cần đo)

2.3.5 Bộ đếm xung

Mỗi 1 xung clock cho đầu ra mã BCD- Q(0,1,2,3)

2.3.6 Bộ giải mã + bộ hiển thị

Bộ giải mã nhận tín hiệu mã BCD rồi chuyển sang mã led 7 Thanh để hiển thị

2.3.7 Bộ đếm xung + bộ giải mã + led 7 thanh

Khi kết nối bộ đếm + bộ giải mã + bộ hiện thị ta được hình trên

2.3.8 Thông báo quá tần số cho phép

Khi tần số cần đo lớn hơn 9999Hz thì bộ đếm xung U2 sẽ truyền xungxuống bộ đếm xung U13 Khi U13 nhận được xung thì đầu ra Q ít nhất sẽ có 1 chân tích cực ( có thể là Q0 hoặc Q1 hoặc Q2 hoặc Q3) khi đó mức logic qua cổng logic NOT sẽ xuống mức thấp dẫn đến đènsáng

2.4 Thuyết minh về quá trình hoạt động của mạch

- Sau khi bật công tắc, dòng điện chạy qua con transitor vào IC 555 Tín hiệu từ IC

555 truyền vào IC đếm xung dẫn đến Q0 tích cực Khi Q0 tích cực tín hiệu được truyền vào cổng AND, bắt đầu quá trình đếm xung

- Cứ mỗi một xung cấp vào bộ đếm thì số xung sẽ được hiển thị trên màn hình led

7 thanh

- Sau 1s, IC 555 truyền tín hiệu vào bộ đếm dẫn đến Q0 về mức thấp, Q1 lên mức cao Ngay sau đó Q1 truyền tín hiệu vào cổng NOT dẫn đến transior không đủ dòng điện Ib Dòng điện bị ngắt ngay lập tức kết thúc quá trình đếm xung

- Số hiển thị trên màn hình chính là tần số cần đo

- Hình dưới là kết quả khi đo tần số 50Hz

- Ngoài ra, nếu tần số vượt quá mức cho phép thì bộ đếm xung sẽ cấp tín hiệu cho cổng AND rồi qua cổng NOT dẫn đến đèn sáng ( đèn cảnh báo quá giới hạn).Khi quá tần số

Thiết kế mạch đơn giản, dễ hiểu, độ chính xác tương đối cao

Trong quá trình thiết kế chúng em đã được tiếp cận với nhiều linh kiện và hiểu được sơ đồ chân và nguyên lý hoạt động của chúng giúp ích rất lớn cho kiến thức sau này Hiểu được sự logic, tính kết hợp của các vi mạch với nhau

3.2 Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo

Trong quá trình đo có thể xảy ra sai số

- Nguyên nhân sai số chủ yếu là nguồn phát xung 1Hz tạo bởi IC 555 Khi ta tính toán các giá trị R2, R3 đã là tròn nên không thể đáp ứng được sự chính xác tuyệt đối Bên cạnh đó, khi kết nối transitor để ngắt mạch thì một phần điện áp bị hao hụt trên transitor dẫn đến xung được tạo ra không chính xác

3.3 Các hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục

A Hạn chế

- Mạch sử dụng các linh kiện khá đơn giản nên thiết kế trở nên phức tạp và cồng kềnh, gây lãng phí về tài chính đồng thời chưa đảm bảo được tính linh động và tínhchính xác tuyệt đối

Một số chức năng của các vi mạch chưa được sử dụng một cách triệt để

B Phương hướng khắc phục :

Sử dụng những linh kiện hợp lý và cao cấp hơn như: bảng LED gồm 4 led 7 thanh tích hợp giải mã, khi đó mạch sẽ trở nên đơn giản hơn rất nhiều, Đồng thời tính toán lại các giá trị điện trở của mạch phát xung và lấy giá trị một cách chính xác nhất

3.4 Kết luận chung

Về cơ bản, chúng em đã hoàn thành bài tập lớn “ Mạch đo tần số” Do kiến thức còn hạn chế cũng như chưa có kinh nghiệm nên còn nhiều thiếu sót Chúng em mong thầy cô thông cảm và bỏ qua giúp đỡ em để bài làm được hoàn thiện, chúng

em xin chân thành cảm ơn!

Cuối cùng, xin chúc thầy cô sức khỏe dồi dào và thành công trong con đường sự nghiệp

Chúng em xin chân thành cảm ơn!