ĐỒ ÁN KỸ THUẬT XUNG SỐ docx

Ý TƯỞNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆNĐề tài: Thiết kế một mạch quảng cáo gồm 5 chu trình hoạt động giao tiếp 16bóng đèn 220v/100w dùng rơle hoặc SCR Để làm được điều một chương trìng quảng cáo,dưới

LỜI NÓI ĐẦU

- -Cùng với môn học kỹ thuật điện tử môn học kỹ thuật xung số là môn học

kỹ thuật cơ sở quan trọng của bộ môn kỹ thuật mạch và vi xử lý tín hiệu Nóđặc biệt quan trọng đối với học sinh, sinh viên của tất cả các nghành trongtrường nhất là ngành điện tử và điện xí nghiệp của trường ta Bởi vậy thông quaviệc làm đồ án sẽ giúp cho mỗi sinh viên sẽ có cái nhìn sâu hơn về môn học kĩthuật xung số này, và qua đây sẽ giúp cho học sinh – sinh viên đánh giá đượckhả năng tích luỹ kiến thức về môn này đồng thời biết cách vận dụng môn họcvào thực tế

Dù em đã cố gắng nhưng vẫn không tránh khỏi hạn chế thiếu xót vì thiếukinh nghiệm cũng như kiến thức chuyên môn, rất mong được sự đóng góp ýkiến của toàn thể thầy cô cùng các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Nam Định, ngày… tháng… năm2008

sinh viên thực hiện

Đỗ Duy Hà

PHẦN I Ý TƯỞNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN

Đề tài: Thiết kế một mạch quảng cáo gồm 5 chu trình hoạt động giao tiếp 16bóng đèn 220v/100w dùng rơle hoặc SCR

Để làm được điều một chương trìng quảng cáo,dưới dạng mạch số thì taphải sử dụng các loại IC số, căn cứ vào đề tài đưa ra ý tưởng thiết kế mạch gồm

5 chu trình:

1 Mạch đèn 2 sáng 2 tối xen kẽ từ trái qua phải

2 Mạch sáng dần từ phải sang trái, tắt dần từ phải sang trái

3 Một sáng một tối dịch xen kẽ từ trái sang phải,tắt dần từ trái sang phải

4 sáng từ hai đầu vào,rồi tắt từ giữa ra

5 hai diểm sáng chạy từ hai đầu vào

Sau khi đã đưa ra ý tưởng thiết kế mạch thì ta phải lựa chọn linh kiện nào đểphù hợp với mạch ta định làm 16 bóng đèn được coi là 16 đối tượng điều khiển,

sử dụng IC ghi dịch có nhiều loại IC ghi dịch nhưng dùng IC 74164 vì đây làloại IC thông dụng trên thị trường, đây là loại IC ghi dịch 8 bit

Số lượng IC cần để đảm bảo cho 5 chu trình diễn ra là 4 con IC 74164 cóngã vào dữ liệu nối tiếp và các ngã ra song song, muốn chương trình điều khiển

có các trạng thái khác nhau thì phải có mạch đến chương trình Số trạng tháikhác nhau được gọi là dung lượng của mạch đếm, có nhiều loại IC đếm nhưng

ở đây ta chọn IC đếm là 4017, đây là IC đếm thập phân khi mạch đếm đến trạngthái thứ 10 nếu cứ tiếp tục có xung đếm thì mạch đếm tự động trở về trạng tháiban đầu và đếm lại, ta có thể khống chế ở bất kỳ trạng thái nào Ta dùng 3 IC

4017, một con dùng để nhân số xung CK,hai con dùng để đếm chương trình vàmột con dùng để điều khiển chương trình

Các trạng thái đầu ra cần phải đưa qua các cổng logic, các cổng cần dùng đó

là cổng OR 2 đầu vào, cổng OR 3 đầu vào, cổng OR 4 đầu vào, cổng AND 2đầu vào

Điều kiện để cho các IC làm việc được thì phải có bộ tạo xung CK và nguồncấp cho IC Chọn IC 555 để tạo xung, yêu cầu có nguồn 12v DC cấp cho rơlehoặc phần tử công suất để giao tiếp, ta có thể dùng đèn đệm và là đèn thuận đểkhi nó khoá thì đèn đóng TZT dẫn bão hoà mục đích để khoá K đóng ngắt dứtkhoát.

Từ dòng tải để đến dòng tiêu thụ, chọn điôt và tụ lọc chọn biến áp (sơ cấp,thứ cấp) phân tử cần ổn áp để IC làm việc đúng tốc độ, ổn định CK Chọn IC ổn

áp 7805

Giao tiếp với rơle hoặc SCR đều có ưu nhược điểm của nó dùng rơle cónhược điểm là đóng ngắt nhiều dẫn đến hỏng move và đắt hơn, cồng kềnh hơn,dùng SCR rẻ, tiện dụng, linh hoạt hơn

Chọn TZT thuận (nếu dùng rơle) là A1015 làm đèn đệm

Chọn TZT ngược (nếu dùng SCR) là C828 hoặc C1815 làm đệm để khi TZThơi dẫn thì SCR dẫn bão hoà

Sau khi đã lựa chọn được những phần tử cần phục vụ cho ý tưởng thiết kếmạch ta có thể khái quát mạch quảng cáo dưới dạng sơ đồ khối như sau:

C1, C4 là các tụ lọc nguồn san bằng điện áp 1 chiều nhấp nhô.

C2, C3 là các tụ cải thiện quá trình quá độ

ổn định, vì các IC số hoạt động tốt ở nguồn +5v do vậy chọn IC ổn áp loại 7805được dùng thông dụng hơn trong số các loại IC khác cùng họ, nó có điện áp ra

ổn định cực tính dương là +5v và dòng ra là 1A

Chân 1: chân vào

Chân 2: chân mass

Chân 3: chân ra

điện trở ra của mạch đủ nhỏ ở tần số cao

7805

2

31

+5v +12v

2 OUT

Các IC ổn áp được cấu trúc bao gồm các khối tạo điện áp chuẩn lấy mẫu,khuyếch đại so sánh, phần tử điều chỉnh, bảo vệ quá tải IC ổn áp có thể có cấutrúc như hình vẽ sau:

điện áp ra có trị số cố định

ra tải ở chân 3 theo công thức:

Để bảo vệ IC người ta thiết kế 2 mạch bảo vệ qua áp và bảo vệ quá dòng

R3, R4 và Q3 tạo thành một bảo vệ quá dòng nếu dòng tải lớn UR3 lớn Q3 mở hạnchế dòng vào BQ4

Khi điện áp vào quá lớn hoặc do chập tải lớn làm điện áp ra quá nhỏ dẫn đến

UV – UR > Ut (Ut là điện áp đánh thủng của DZ) DZ thông có dòng qua R5, R4, R3

được Q5 không quá nhiệt

điện áp vào lớn thì điện áp ra vẫn ổn áp nhưng công suất chịu đựng của IC rẽ

Các thông số:

* Khối dao động:

nhiều loại linh kiện khác nhau để lắp ráp, sử dụng nhiều chế độ làm việc khácnhau Xung vuông được tạo ra được ứng dụng rộng rãi có thể làm xung nhịpxung điều khiển…

hài dùng TZT, mạch dao động đa hài dùng IC 741, mạch dao động đa hài dùng

IC 555

khả năng cho dòng ra lớn, có khả năng cung cấp dòng đến 200 mA Điện thế

- Tác dụng linh kiện: IC 555 dùng để tạo dao động.

Chân 4: preset khôi phục lại trạng thái ban đầu

Chân 5: điều khiển (control)

Chân 6: chân thềm

Chân 7: chân xả

- A1 là một chuyển mạch, A2 khuyếch đại đảo

B V

B

C

+ +

<

tức là Q= 0 tụ C tiếp tục nạp điện (trạng thái 2)

Khi VC tăng bằng

3

2 B+ lúc này ta có R = 1, S = 0, Q= 1 Tụ C bắt đầu xả điện

từ +C ÷ VR1 ÷ RCEA1÷ mass làm cho VC giảm xuống

Khi

3

2 B

V C < + thì ta có S = 0, R = 0 đầu ra không đổi tức là Q= 1 tụ C tiếp tục

phóng điện cho đến khi

* Khối điều khiển chương trình: Chọn IC số họ CMOS 4017

+ Đặc điểm của IC số CMOS : CMOS được sử dụng trong kỹ thuật hàng không

vũ trụ có đặc tính không phụ thuộc vào lưới điện, miễn nhiễu … ngày nayCMOS được dùng rộng rãi trong điện tử công nghiệp, điện tử Y khoa, kỹ thuật

xe hơi và kỹ thuật máy tính điện tử

đương TTL 74, 74LS

điện VĐD của các loạt rất khác nhau

+ Điện thế logic ngõ vào Vi:

+ Công suất tiêu tán nhỏ 2,5 nw

+ CMOS có tính miễn nhiễu tốt: là khả năng của mạch logic không bị nhầm lẫnlogic khi điện thế ngõ vào của mạch có lẫn nhiễu

+ Khoảng nhiệt độ làm việc: - 400C ÷ + 850C

- 550C ÷ + 1250C

+ Thời gian trễ điện áp càng cao thì CMOS hoạt động càng nhanh, thời gian trễ

ra tăng với nhiệt độ tải điện dung

Chân 15: MR thiết lập lại trạng thái ban đầu, tích cực mức cao

Chân 14: cấp xung tích cực mức cao

Từ bảng trạng thái ta thấy MR tích cực mức cao, khi MR ở mức thấp và

thì IC mới thực hiện đếm

Các IC chứa các cổng logic.

Chọn IC 7408, IC 7432, IC 4072, IC 4075 đây là những IC thông dụng,dễkiếm trên thị trường

0101010101010101

+ IC 4075B:

Đây là IC chứa cổng OR 3 đầu vào gồm 14 chân và có 3 cổng OR

Chân 14 cấp nguồn

Chân 7 nối mass

Các chân 1, 2, 3, 4, 5, 8, 11, 12, 13 là các chân tín hiệu vào

Các chân 6, 10, 9 là các chân lấy tín hiệu ra

Bảng chân lý:

IN Out0

0001111

00110011

01010101

O1111111

Nhìn vào bảng chân lý ta thấy chỉ cần một trong 3 đầu vào lên 1 thì đầu ralên 1

+ IC SN 7408:

Đây là IC chứa cổng AND 2 đầu vào, trong đó có 4 cổng và gồm 14 chân.Chân 14 cấp nguồn

Chân 7 nối mass

Chân 8, 11, 3, 6 là các chân đầu ra

Các chân 1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, 13 là các chân đầu vào

Dạng sóng của cổng AND

ABY

Bảng chân lý:

0011

0101

0001

Nhìn vào bảng chân lý ta thấy đầu ra chỉ lên 1 khi tất cả các đầu vào lên 1.+ IC SN 7432:

Đây là IC chứa cổng OR 2 đầu vào gồm 14 chân và 4 cổng OR

Chân 14 cấp nguồn

Chân 7 nối mass

Các chân 1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, 13 là các chân đầu vào

Các chân 6, 8, 11, 3 là các chân đầu ra

Bảng chân lý:

0011

0101

0111Nhận xét: đầu ra lên 1 khi một trong 2 đầu vào lên 1

* Khối ghi dịch

Chọn IC ghi dịch 7464 họ TTL với IC logic dùng TZT lưỡng cực có nhiều họchúng có nhiều đặc tính khác nhau, một số IC thuộc họ 74 và 74LS.

+ Đặc tính kỹ thuật của các IC logic:

làm hỏng IC

cấp Vcc, điện thế ra mức cao Vout (H) điện thế ra mức thấp Vol, khoảng nhiệt độlàm việc, đây là các trị số mà ta không nên vượt qua vì sẽ không đảm bảo logichoạt động bình thường cho các IC

cần cho việc sử dụng thiết kế mạch logic

thời tăng thời giảm Khi chuyển mạch các thông số này phụ thuộc vào tải ở ngõ

ra nhất thiết là điện dung của tải

Nguồn nuôi

Logic “Ov điện áp ra

Logic “1” điện áp ra

Khoảng an toàn

Khoảng nhiệt độ làm việc

Khoảng nhiệt độ bảo quản

Điện áp cao nhất cho phép

Điện áp thấp nhất

Điện áp cao nhất giữa 2 ngõ vào

Điện áp cao nhất giữa 2 ngõ vào và đất

Điện áp cao nhất giữa 2 ngõ ra và đất

Điện áp thấp nhất giữa 2 ngõ vào và đất

00C - 700C

- 650 + 1500C+ 7v

- 0,5v+ 5,5v

=5,5v+5,5v

Chân 14 cấp nguồn

Chân 7 nối mass

Chân 1, 2 nối 2 chân dữ liệu đầu vào

Chân 3, 4, 5, 6, 10, 11, 12, 13 các chân đầu ra

Chân 9 xung xoá

↑

↑

↑

xxHLx

xxHxL

L

QA0

HLL

LABoQAnQAnQAn

Nhìn vào bảng chân lý ta thấy khi có xung thì tất cả các đầu ra đều xuống thấp(CL tích cực mức thấp) Và trạng thái tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào dữ liệu đầuvào A và B Khi chưa có xung nhịp thì tín hiệu đầu ra ở trạng thái trước đó, khixuất hiện xung nhịp nếu một trong 2 đầu vào dữ liệu xuống thấp thì đầu ra cũngxuống thấp, đầu ra chỉ lên mức cao khi cả 2 đầu vào dữ liệu lên cao và có xungnhịp xuất hiện ở cạnh lên của xung

Theo nguyên tắc dịch bít nếu đầu vào bit 1 thì nó sẽ được dịch sang bit

QA,QA →QB…… QH

Nếu CK=0 bất chấp đầu vào đầu ra khôngthay đổi

+ Giản đồ thời gian của Ic 74164

PHẦN II LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN KHỐI NGUỒN

I MẠCH CUNG CẤP NGUỒN

1 Khái niệm về mạch cung cấp nguồn

Nhiệm vụ của mạch cung cấp nguồn là tạo ra năng lượng cần thiết để cungcấp cho các thiết bị điện và điện tử làm việc

Thông thường nguồn năng lượng do bộ nguồn tạo ra là nguồn một chiều lấy

từ nguồn điện xoay chiều hoặc từ pin acquy

Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh:

U2có giá trị phù hợp với tải

một chiều nhấp nhô Ut (điện áp một chiều có độ lớn thay đổi theo thời gian)

bằng phẳng U01

thay đổi Tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà bộ nguồn có thể có đầy đủ hoặc khôngđầy đủ các khối trên

ổn áp (dòng)

r

It

- Mạch chỉnh lưu dùng 4 điôt D1, D2, D3, D4

* Nguyên lý làm việc

D3 dẫn D2 và D4 khoá có dòng qua tải: +U2→ D1→Rt→ D3→-U2

D2 và D4 dẫn có dòng qua tải :+U2→ D2→Rt→ D4 →-U2 như vậy trong mỗinửa chu kỳ có 2 diode dẫn dòng qua tải xuất hiện cả trong 2 nửa chu kỳ và đitheo một chiều nhất định

Tacó U0 là điện áp trung bình trên tải được xác định

0

U U

m U tdt m

Sơ đồ chỉnh lưu cầu diode được dùng rộng rãi trong thực tế nó có ưu sđiểm

thấp hơn điện áp ngượcđặt lên diode thấp hơn

3 Lọc thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải

Trong các mạch điện chỉnh lưu dòng điện ra tải tuy có cực tính không đổi(dòng một chiều ) nhưng giá trị (độ lớn ) của chúng thay đổi theo thời gian mộtcách có chu kỳ được gọi là sự đập mạch củadòng điện hay điện áp sau chỉnhlưu

Dùng chuỗi Fourier để phân tích dòng điện đập mạch ta có:

tdt T n t T

Bn

tdt T n t T

An

tdt T

I

t n B t

n A I

i

t t t

t t t

t t t

n

n n

n t

2 cos sin 2

sin 1

sin cos

0

1 1

0

π ω

π ω

ω

ω ω

I0 là thành phần một chiều

t n B t

n A

n

n n

- Để đặc trưng cho chất lượng điện áp (hay dòng điện) sau chỉnh lưu người

ta đưa ra hệ số đập mạch Kp

Thường dùng dùng tụ điện, điện cảm của mạch lọc tích cực để lọc bỏ các thànhphần sóng hài

+ Lọc bằng tụ điện

Khi mắc tụ C // Rt trong mạch xảy ra quá trình phóng nạp:

Biên độ sóng h i là ớn nhất của It (hay Ut)Giá trị trung bình của I0 (hoặc U0)

+ Từ 0 ÷ t1 điện áp sau chỉnh lưu tăng tụ C được nạp điện từ : + nguồn

→Rt→mass→-c

+ Từ t2 ÷t3 điện áp ra lớn hơn điện áp trên tụ, tụ C lại được nạp điện kết

quả điện áp ra trên tụ có dạng tương đối bằng phẳng

Mạch lọc bằng tụ phù hợp với tải tiêu thụ dòng điện nhỏ (trị số Rt lớn)

4 Ổn định điện áp

Các mạch ổn định có nhiện vụ giữ cho điện áp ra hoặc dòng điện ra củamột thiết bị cung cấp không đổi khi điện áp vào thay đổi cũng như khi tải hoặc

tạp âm do đó dùng mạch ổn định có thể giảm nhỏ kích thước của thiết bị cungcấp nhờ tiết kiệm được các tụ điện và điện cảm lọc

+ ổn áp bù tuyến tính dùng IC ổn áp:

một chiều kiểu bù tuyến tính người ta chế tạo chúng dưới dạng vi mạch do vậythuận tiện cho việc sử dụng

áp ra có thể cố định hoặc điều chỉnh được ,công suất tiêu tán vài w đến vài chục

w tuỳ từng loại IC sử dụng ta sẽ có những thông số cần thiết

LM317

khuyếch đại so sánh, phần tử điều chỉnh, phần tử bảo vệ quá tải

nhỏ ở tần số cao.

7805 có Iout = 1A, Uout = +5v

5 Tính toán mạch nguồn

* Sơ đồ nguyên lý:

⇒ Công suất bên thứ cấp là : P2 =U2.I2=2,5 8,5 =21,25(w)

2 OUT

⇒ Công suất bên sơ cấp là : P1 = 1,1 P2 (với MBA có P < 100w)

45

6

cm a

S

b= hh = =

2 , 0

25 2 ,

Chọn chiều cao của trụ là h = 3,6 (cm), chiều rộng cửa sổ biến áp là c =1,2(cm)

gấp đôi tần số ngõ vào đối với chỉnh lưu hai nửa chu kỳ

) ( 01 , 0 50 2

1 1

s f

) ( 2 , 0 2 , 1

01 , 0 5 , 2

F V

T I C

2

) ( 5625 , 0 125 , 1 2

2

125 , 1 5 , 2 45 , 0 45 , 0

825 , 3 5 , 8 45 , 0 45 , 0

0 max

0 max

0

2 0

V U

U

A I

I

A I

I

V U

U

D D t

π π

π

π π

PHẦN III SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH SỐ VÀ NGUYÊN LÝ

HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH

Mạch quảng cáo gồm 5 chu trình

Nguyên tắc hoạt động của 4017 là tại một thời điểm ở ngõ ra chỉ có mộtđầu ra ở mức cao còn tất cả các đầu ra khác đều ở mức thấp

4017 là 1 IC đếm thập phân cứ mỗi lần xuất hiện 1 xung đưa tới Cp thì đầu

ra lật trạng thái

Mạch sử dụng 3 IC 4017 với 3 chức năng khác nhau mặc dù nó có tính chất

và cấu tạo là như nhau

Chọn IC 4017a làm nhiệm vụ nhân số xung CK

IC 4017b làm nhiệm vụ đếm chương trình

IC 4017c làm nhiệm vụ điều khiển chương trình

Nguyên tắc hoạt động của 74164 là mỗi khi có dữ liệu đầu vào đưa tới 2chân dữ liệu Da và Db thì dữ liệu sẽ được đưa tới các đầu ra và được dịch dần

thì tất cả đầu ra đều xuống mức thấp

IC 4017 chân MR tích cực ở mức cao

IC 74164 chân MR tích cực ở mức thấp

Khống chế đầu ra phụ thuộc đầu vào điều khiển của IC 4017 phải được lậttrạng thái đầu ra ngay từ xung CK đầu tiên Và IC 4017a phải được lặp trạngthái ban đầu ở CK thứ 9 khi đưa về MR

Nhìn vào bảng trạng thái ta thấy: Khi có CK thứ nhất (tác động cạnh lên của

xung) thì Q0I = Q0III = 1 tại ngõ ra L1 =1 & L2=1

Khi có CK thứ 2 Q0I = 0, Q0II = Q0III = 1 tại ngõ ra L3=1 & L4 = 1 ….cho đếnkhi có CK thứ 9 thì Q0I = 1 (lặp lại trạng thái ban đầu) lúc này Q0II = 0 và Q1II =

1 , Mạch giữ nguyên trạng thái 2 sáng 2 tôí xen kẻ ,

Khi có xung CK thứ 25 thì Q3II =1 ,Q0II =Q1II =Q2II=0 còn Q3II=1 ,Q0III vẫn giữnguyên trạng thái =1 , mạch sáng tối xen kẻ & tắt dần từ tráI sang phải

Mạch sáng dần từ phải sang trái tắt dần từ phải sang trái

Từ bảng trạng thái ta thấy :

Khi có xung CK tác động thì Q0I = Q0II = Q1III = 1 tại ngõ ra L16 =1

Khi có xung CK thứ 2 thì Q0I = 0 và Q1I =1 ,Q0II và Q1III vẫn giữ nguyên trạngthái ban đầu tạingõ ra L15=1 cho đến khi có xung ck thứ 9 thì lúc này Q0I lại lặplại trạng thái ban đầu =1còn Q1I = 0 ,Q0II = 0 và Q1II = 1,Q1III =1 tại đầu ra ta có

L8=1….L1=1

Tiếp tục khi có xung CK thứ 17 thì lại có Q0I = 1 nhưng lúc này Q2II và Q1II lật trạngthái, Q1II sẽ chuyển trạng thái từ 1 đến 0 còn Q2II từ 0 đến 1 tại ngõ ra L16=0 ,bắt đầutắt dần từ L1 đến L16

Khi có xung CK thứ 25 thì Q0I = 1, Q0II = Q1II = Q2II = 0 và Q3II = 1 tại ngõ ra L8 = 0.Các đèn tắt dần cho đến khi có CK thứ 32 thì L1 = 0 kết thúc 1 chu trình làm việc

*Nguyên lý làm việc của chu trình 3:

Mạch 1 sáng 1 tối dịch xen kẽ từ trái sang phải