BÁO CÁO THIẾT KẾ MẠCH TẠO XUNG TAM GIÁC CHO THIẾT BỊ ÂM THANH

Mạch tạo xung cũng là mạch điện cơ bản thường được giao cho sinh viên thiết kế, trong các môn thực hành cũng như các đồ án ở các trường đại học, cao đẳng giúp sinh viên nắm được những bư

TRƯỜNG QUỐC TẾ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

BÁO CÁO THIẾT KẾ MẠCH TẠO XUNG TAM GIÁC CHO THIẾT

BỊ ÂM THANH

Tên học phần: Linh kiến bán dẫn và vi mạch

Mã học phần: ISV301101

Giảng viên: TS Nguyễn Thế Vĩnh

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Ngọc Ánh - 21070304

Lê Đức Anh - 21070326 Phạm Tuấn Minh- 21070741 Nguyễn Trọng Văn – 21070810 Nguyễn Thành Tâm – 22070031

Vũ Huy Khải - 22070032

LỜI NÓI ĐẦU

Mạch tạo xung là một mạch điện tử cơ bản và quan trọng trong kỹ thuật điện tử cũng như trong sản xuất công nghiệp, là một mạch điện không thể thiếu trong sản xuất máy thu hình , đài FM,

Mạch tạo xung cũng là mạch điện cơ bản thường được giao cho sinh viên thiết kế, trong các môn thực hành cũng như các đồ án ở các trường đại học, cao đẳng giúp sinh viên nắm được những bước cơ bản trong thiết kế một mạch điện thực tế và qua đó cũng làm cho sinh viên hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của các mạch điện tử nói chung và mạch tạo xung nói riêng

Sau đây là bài báo cáo môn học thiết kế mạch tương tự của nhóm sinh viên chúng em: Thiết kế mạch tạo xung tam giác

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy đã tận tình giúp đỡ chúng em trong môn học Trong quá trình thiết kế và trình bày chúng em không tránh khỏi những khó khăn, thiếu sót vì vậy mong thầy chỉ bảo, giúp đỡ chúng em để chúng em có kết quả tốt hơn trong môn học

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ

I Cơ sở lý thuyết ( mạch tạo xung tam giác và mạch khuếch đại 500w)

1 Mạch tạo xung tam giác

Có rất nhiều cách để tạo xung tam giác: như thiết kế mạch tích phân để tạo xung tam giác, sử dụng Op-amp,

Ở đây chúng ta chọn thiết kế mạch dao động tạo xung tam giác dùng IC

Theo như sơ đồ sau đây:

Dựa vào hình trên ta có thể nhận thấy rằng để tạo được xung tam giác ta chỉ cần IC555

và một số linh kiện phổ biến như R và C

1.1 Lý do chọn mạch tạo xung tam giác sử dụng IC 555

 Nhiều chế độ hoạt động: IC 555 có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau, bao gồm cả chế độ đa hài ổn định (astable)

 Dễ dàng điều chỉnh: Bằng cách thay đổi các giá trị điện trở và tụ điện ngoại vi, ta

có thể điều chỉnh được tần số, chu kỳ và độ rộng xung của sóng ra một cách linh hoạt

 Mạch đơn giản: Mạch tạo xung tam giác sử dụng IC 555 có cấu trúc tương đối đơn giản, dễ hiểu và dễ thiết kế

 IC 555 là một linh kiện đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều năm và chứng minh được độ tin cậy cao trong các ứng dụng thực tế

1.2 Giới thiệu IC 555

IC 555 là một vi mạch đa năng được thiết kế để tạo ra các tín hiệu thời gian và xung ổn định Ra đời vào năm 1971, IC 555 nhanh chóng trở thành một trong những vi mạch phổ biến nhất trong ngành điện tử nhờ vào tính đơn giản, dễ sử dụng và khả năng ứng dụng đa dạng

IC 555 có thể hoạt động ở 3 chế độ chính:

 Chế độ Monostable: Tạo ra một xung duy nhất khi kích hoạt, thường được sử dụng trong các mạch hẹn giờ và điều khiển

 Chế độ Astable: Tạo ra các xung lặp lại với tần số cố định, thích hợp để tạo tín hiệu xung nhịp hoặc xung đồng hồ

 Chế độ Bistable: Hoạt động như một bộ nhớ đơn giản, với hai trạng thái ổn định được điều khiển bởi các tín hiệu đầu vào

Các chân của IC 555:

2 TRIGGER Kích hoạt tín hiệu đầu vào để thay đổi trạng thái

flip flop

3 OUTPUT Đầu ra tín hiệu xung hoặc logic

4 RESET Đặt lại trạng thái của IC

5 CONTROL VOLTAGE Điều chỉnh ngưỡng so sánh điện áp trong IC

6 THRESHOLd Giám sát điện áp để điều khiển trạng thái flip flop

7 DISCHARGE Điều khiển xả điện qua tụ điện

8 VCC Cấp nguồn cho IC, dao động từ 4,5V đến 15V

1.3 Cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động của IC 555

IC 555 là một trong những vi mạch tạo xung phổ biến nhất trong lĩnh vực điện tử, được thiết kế để tạo tín hiệu dao động hoặc điều khiển thời gian Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của IC 555 được tối ưu hóa để mang lại hiệu suất cao và tính ổn định, phù hợp với nhiều ứng dụng trong thực tế Dưới đây là chi tiết về cấu trúc và nguyên lý hoạt động:

a Cấu tạo bên trong

Về bản chất thì IC 555 là một bộ mạch kết hợp giữ 2 con Opamp, 3 điện trở, 1 con transistor và một bộ Flip-Flop

 2 Opamp có tác dụng là khối so sánh: Bao gồm hai bộ khuếch đại so sánh điện

áp, dùng để kiểm tra trạng thái của điện áp trên các chân

 Transistor để xả điện

 Flip-Flop: Một mạch nhớ dùng để điều khiển trạng thái đầu ra (ON/OFF)

 Khối điều khiển: Chứa các chân GND, RESET, và CONTROL, giúp điều chỉnh trạng thái hoạt động của IC

 Ngõ ra: Bao gồm chân OUTPUT, DISCHARGE và VCC để điều khiển tín hiệu đầu ra và cấp nguồn

 Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp Vcc thành 3 phần, cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp ⅓ Vcc nối và chân âm của Op Amp 1 và điện áp

⅔ Vcc nối và chân âm của Op Amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn ⅓ Vcc, chân S=[1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn ⅔ Vcc, chân R của FF=[1]

và FF được reset

b Giải thích sự hoạt động

Kí hiệu 0 là mức thấp (L) bằng 0V, 1 là mức cao (H) gần bằng Vcc, mạch FF là loại RS Flip-flop

 Khi S=[1] thì Q=[1] và Q-=[0]

 Sau đó, khi S=[0] thì Q=[1] và Q-=[0]

 Khi R=[1] thì Q-=[1] và Q=[0]

c Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính các giá trị trong mạch

IC 555 được sử dụng rộng rãi trong các mạch tạo xung và điều khiển thời gian Để thiết

kế chính xác, cần hiểu rõ các công thức tính toán liên quan đến tần số và chu kỳ của tín hiệu Dưới đây là một số công thức cơ bản để tính toán khi IC 555 hoạt động ở chế độ đa hài không ổn định

 Tần số (Frequency): Công thức tính tần số tín hiệu đầu ra:

(R1+2 R2)C

Trong đó:

 R1, R2: Điện trở trong mạch

 C: Tụ điện liên quan

 Chu kỳ làm việc (Duty Cycle): Công thức xác định tỷ lệ thời gian mức cao so với chu

kỳ tín hiệu:

Duty Cycle(%)= R1+R2

R1+2 R2

×100 %

 Thời gian mức cao và thấp:

 Thời gian mức cao ( T HIGH)

T HIGH = 0.693 (R¿¿ 1+R2).C¿

 Thời gian mức thấp ( T LOW)

T LOW =0.693 R2 C

Những công thức trên giúp tối ưu hóa thiết kế mạch và đảm bảo hoạt động ổn định cho ứng dụng mong muốn của IC 555 Đối với các ứng dụng cụ thể, việc chọn giá trị sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất mạch

d Nguyên lý hoạt động của IC 555

 Cấp nguồn: Điện áp đầu vào được cấp qua chân Vcc, đảm bảo IC hoạt động ổn định

 Thiết lập thông số: Các linh kiện ngoại vi như điện trở và tụ điện được kết nối để thiết lập thời gian và tần số hoạt động

 Hoạt động ba chế độ chính:

 Chế độ đa hài (Astable): Tạo xung liên tục với tần số cố định

 Chế độ đơn hài (Monostable): Tạo một xung duy nhất khi kích hoạt

 Chế độ chốt (Bistable): Hoạt động như một công tắc điện tử

 Tạo xung: Các tín hiệu xung được sinh ra nhờ sự thay đổi trạng thái của tụ điện

và điện trở, được điều khiển bởi mạch so sánh và Flip-Flop

 Điều chỉnh: Các thông số như tần số, độ rộng xung có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi giá trị của điện trở và tụ điện

 IC 555 là một vi mạch linh hoạt, dễ dàng cấu hình để phù hợp với nhiều ứng dụng như tạo xung nhấp nháy, điều chỉnh tần số và độ sáng đèn LED, hoặc phát tín hiệu điều khiển trong các hệ thống điện tử phức tạp

2 Mạch khuếch đại

Mạch khuếch đại 500W là một hệ thống điện tử được thiết kế để tăng cường tín hiệu âm thanh đầu vào, cung cấp đủ công suất để điều khiển loa hoặc các tải khác có công suất lớn Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống âm thanh chuyên nghiệp,

hệ thống âm thanh gia đình cao cấp, hệ thống âm thanh xe hơi và các ứng dụng công nghiệp khác

Mạch khuếch đại công suất là một mạch điện tử được thiết kế để tăng cường cả biên độ điện áp và cường độ dòng điện của một tín hiệu Điều này có nghĩa là nó không chỉ làm cho tín hiệu mạnh hơn mà còn cung cấp đủ năng lượng để điều khiển các tải có công suất lớn, như loa, động cơ hoặc các thiết bị điện khác

2.1 Lý do cần mạch khuếch đại công suất

 Điều khiển tải công suất lớn: Nhiều thiết bị điện, như loa, cần một lượng công suất lớn để hoạt động Mạch khuếch đại công suất cung cấp năng lượng cần thiết này

 Truyền tín hiệu đi xa: Trong các hệ thống truyền thông, tín hiệu cần được khuếch đại

để vượt qua khoảng cách xa mà không bị suy giảm

 Điều khiển các thiết bị công nghiệp: Trong các ứng dụng công nghiệp, mạch khuếch đại công suất được sử dụng để điều khiển các động cơ, van và các thiết bị khác

2.2 Cấu tạo của mạch khuếch đại

Mạch khuếch đại là một mạch điện tử được thiết kế để tăng cường biên độ của một tín hiệu điện Cấu tạo chi tiết của một mạch khuếch đại có thể rất đa dạng, tùy thuộc vào loại mạch, ứng dụng và các yêu cầu thiết kế cụ thể Tuy nhiên, nhìn chung, một mạch khuếch đại thường bao gồm các thành phần chính sau:

Các thành phần chính:

 Transistor hoặc IC khuếch đại: Đây là linh kiện cốt lõi của mạch khuếch đại, có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu Transistor thường được sử dụng trong các mạch khuếch đại công suất, trong khi IC khuếch đại (Operational Amplifier - Op-amp) được sử dụng rộng rãi trong các mạch khuếch đại tín hiệu yếu

 Điện trở: Sử dụng để thiết lập điểm làm việc của transistor, tạo thành các mạch phân cực và xác định độ lợi của mạch

 Tụ điện: Sử dụng để lọc, ghép nối và tạo thành các mạch lọc

 Biến áp: Sử dụng để điều chỉnh điện áp, cách ly các mạch và đôi khi được sử dụng trong các mạch khuếch đại công suất

 Diode: Sử dụng để bảo vệ các linh kiện và tạo thành các mạch chỉnh lưu

 Cấu trúc khái quát của một mạch khuếch đại một mạch khuếch đại điển hình thường bao gồm các tầng như sau:

 Tầng vào: Nhận tín hiệu đầu vào và có thể bao gồm các mạch lọc, bảo vệ

 Tầng khuếch đại: Thực hiện việc khuếch đại chính của tín hiệu

 Tầng ra: Cung cấp tín hiệu ra cuối cùng và có thể bao gồm các mạch bảo vệ quá tải

2.3 Nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại

 Tín hiệu vào: Mạch tạo xung tam giác

 Khuếch đại: Các linh kiện bán dẫn trong mạch sẽ khuếch đại tín hiệu này lên nhiều lần

 Tải: Loa 8 Ohm.

II Thiết kế mô phỏng mạch

Trong bài toán yêu cầu tạo xung có tần số biến đổi từ 500Hz đến 1KHz Như vậy ta có phương án thực hiện như sau:

 điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi điện trở R1 R2

 điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi tụ điện C2

 điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi tụ điện và điện trở đồng thời

1 Thiết kế mạch tạo xung tam giác

a Thành phần chính của mạch

 IC 555 (U1): Hoạt động trong chế độ astable (dao động tự do) để tạo tín hiệu xung

 Điện trở (R11, R12) và tụ điện (C7): Được sử dụng để định thời gian và điều chỉnh tần số của tín hiệu xung vuông

 Tụ điện (C5): Chức năng tích phân, chuyển đổi tín hiệu xung vuông thành xung tam giác

 Tụ điện (C6): Tụ lọc, giúp ổn định điện áp và loại bỏ nhiễu

b Nguyên lý hoạt động

 Tạo tín hiệu xung vuông:

o IC 555 được cấu hình ở chế độ astable Các thành phần R11, R12 và C7 xác định thời gian sạc và xả của tụ C7, tạo ra tín hiệu xung vuông ở chân 3 (OUTPUT) của IC 555

o Tần số tín hiệu xung vuông phụ thuộc vào giá trị của R11, R12 và C7, tính bằng công thức:

 Chuyển đổi xung vuông sang xung tam giác:

o Tín hiệu xung vuông từ chân 3 của IC 555 đi qua tụ C5 Nhờ tính chất tích phân của tụ điện và điện trở, tín hiệu xung vuông được chuyển đổi thành xung tam giác

o Tần số và biên độ của xung tam giác được điều chỉnh bằng R11, R12 và giá trị tụ C5

c Điều chỉnh tín hiệu

 Tần số:

o Thay đổi giá trị R11, R12 hoặc C7 sẽ thay đổi tần số của tín hiệu xung tam giác

 Biên độ:

o Biên độ tín hiệu tam giác phụ thuộc vào mức điện áp cung cấp cho IC 555

và các thành phần tụ C5, C7

2 Thiết kế mạch khuếch đại

1 Các khối chức năng trong mạch

 Transistor (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, Q9): Là các transistor khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi tín hiệu ở các giai đoạn khác nhau

 Điện trở (R1 đến R14): Dùng để đặt mức dòng và điện áp phù hợp, điều chỉnh độ lợi của mạch

 Tụ điện (C1, C2, C3, C4): Loại bỏ thành phần DC, ghép tầng khuếch đại, hoặc lọc tín hiệu

 Diode (D1, D2, D3, D4, D5): Bảo vệ hoặc cân bằng điện áp ở một số giai đoạn

 Nguồn cấp (BAT1, BAT2): Cung cấp điện áp hoạt động cho mạch

2 Hoạt động của mạch

 Giai đoạn đầu: Tiền khuếch đại

 Tín hiệu đầu vào (từ một nguồn như microphone hoặc thiết bị âm thanh) được đưa vào Q1, Q2, và Q3

 Tầng này khuếch đại tín hiệu yếu từ đầu vào để chuẩn bị cho các giai đoạn khuếch đại tiếp theo

 Tụ C2 và C4 đảm bảo loại bỏ thành phần DC và ghép tầng

 Giai đoạn giữa: Khuếch đại công suất

 Các transistor Q4, Q5, và Q6 chịu trách nhiệm khuếch đại tín hiệu trung gian

 R7 và R13 điều chỉnh dòng điện chạy qua các transistor để đảm bảo khuếch đại hiệu quả

 Diode D2, D3, D4 cân bằng tín hiệu hoặc bảo vệ mạch khỏi quá tải

 Giai đoạn cuối: Khuếch đại đầu ra

 Q8 và Q9 tạo thành tầng công suất, khuếch đại tín hiệu đến mức đủ để điều khiển loa (LS1)

 Tụ C1 ghép tín hiệu từ tầng khuếch đại trước đó sang loa

 Điện trở R3 và R10 điều chỉnh dòng tải phù hợp cho loa

3 Chức năng từng linh kiện chính

 Transistor Q1, Q2, Q3: Khuếch đại tín hiệu nhỏ từ đầu vào

 Transistor Q4, Q5, Q6: Tăng cường tín hiệu đã khuếch đại

 Transistor Q8, Q9: Khuếch đại tín hiệu công suất để điều khiển loa

 Diode D1 - D5: Ổn định điện áp và bảo vệ các tầng khuếch đại

 Tụ điện C1, C2, C3, C4: Ghép tầng và lọc tín hiệu

 Điện trở (R1 - R14): Điều chỉnh dòng, điện áp và độ lợi của từng tầng

TÀI LIỆU THAM KHẢO