Đồ án môn học thiết kế mạch tương tự

Tài liệu tham khảo:Đồ án môn học thiết kế mạch tương tự

Đồ án môn học - Mạch tạo xung vuông tam giác VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÔN:THIẾT KẾ MẠCH TƯƠNG TỰ Thầy giáo hướng dẫn : Sinh viên thực : Vũ Đức Lý - Nguyễn Hữu Vượng Nguyễn Văn Phong Nguyễn Tùng Lâm Hoàng Đức Anh Nguyễn Thanh Tùng Đỗ Văn Hiếu Hà nội 5/2008 Đồ án môn học - Mạch tạo xung vuông tam giác Lời nói đầu Mạch tạo xung mạch điện tử quan trọng kĩ thuật điện tử sản xuất công nghiệp mạch điên thiếu sản xuất máy thu hình, đài FM… Mạch tạo xung mạch điện thường giao cho sinh viên thiết kế, môn thực hành đồ án trường đại học, Cao đẳng giúp sinh viên bước thiết kế mạch điện tử thực tê qua lãm cho sinh viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động mạch điện tử nói chung mạch tạo xung nói riêng Sau báo cáo mơn học thiết kế mạch tương tự nhóm sinh viên chúng em: Thiết kế mạch điện tạo xung vuông xung tam giác Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy khoa Điện tử - Viễn thông, VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI tận tình giúp đỡ chúng em hồn thành mơn học Trong q trình thiết kế trình bầy chúng em khơng tránh khỏi khó khăn, sai sót mong thầy bảo, giúp đỡ chúng em để chúng em có kết tốt mơn học Nhóm sinh viên thiết kế Đồ án môn học - Mạch tạo xung vuông tam giác I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH DAO ĐỘNG TẠO XUNG VUÔNG VÀ XUNG TAM GIÁC SỬ DỤNG IC 555 Mạch dao động Mạch dao động mạch dao động sử dụng linh kiện để phát tín hiệu xung dao động cụ thể để điều khiển thiết bị Có nhiều dạng tín hiệu xung phát từ mạch dao động, xung sine, xung vuông, xung tam giác… Mạch tạo xung vng xung tam giác Có nhiều cách để tạo xung vuông xung tam giác: thiết kế mạch dùng transistor, thiết kế mạch dùng Opam… để tạo xung vng Thiết kế mạch tích phân để tạo xung tam giác… Ở chung ta chọn thiết kế mạch dao động tạo xung vuông xung tam giác dùng ICNE555 Theo sơ đồ khối sau đây: TIMING COMPONENTS DECOUPLING +3-15 V R1 Pulse Out put 555 R2 C 10 nF 0V SƠ ĐỒ MẠCH TẠO XUNG VUÔNG Dựa vào sơ đồ khối ta nhận để tạo xung vuông ta cần IC 555 số linh kiện phổ biến R, C Chú ý: ta tạo đồng thời xung tam giác lấy chân số lý chọn mạch tạo xung vuông sử dụng IC NE555 N: Đồ án môn học - Mạch tạo xung vuông tam giác -IC NE555 N phổ biến, dễ tìm -mạch tạo xung dùng IC dễ làm, dễ giải thích, dễ hiểu nguyên lý làm việc nguyên lý hoạt động IC NE5555 N: 0V Trigger Out put Reset +3-15 V discharge threshold control voltage IC NE555 N gồm có chân - chân số 1(GND): cho nối mase để lấy dòng cấp cho IC - chân số 2(TRIGGER): ngõ vào tần so áp mạch so áp dùng transistor PNP Mức áp chuẩn 2*Vcc/3 - Chân số 3(OUTPUT): Ngõ ra, trạng thái ngõ xác định theo mức volt cao(gần mức áp chân 8) thấp(gần mức áp chân 1) - Chân số (RESET):dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp cịn chân nối vào mức áp cao trạng thái ngõ tùy theo mức áp chân - Chân số 5(CONTROL VOLTAGE):dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở nối masse Tuy nhiên hầu hết mạch ứng dụng chân số nối masse qua tụ từ 0.01µF  0.1 µF, tụ có tác dụng lọc bo nhiễu giữ cho mức áp chuẩn ổn định - Chân số 6(THRESHOLD): ngõ vào tầng so áp khác, mạch so sánh dùng transistor NPN mức chuẩn Vcc/3 - Chân số 7(DISCHAGER): xem khóa điện cho mạch R-C lúc IC 555 dùng tầng dao động - Chân số 8(Vcc):cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC Nguồn nuôi cấp cho IC 555 khoảng +5V  +15V mức tối đa +18 V  Cấu tạo bên nguyên tắc hoạt động IC 555 a) cấu tạo: Đồ án môn học - Mạch tạo xung vuông tam giác Vcc discharge control voltage threshold Comp2 R Q S Q trigger Comp1 output out Ground reset Về chất IC 555 mạch kết hợp Opamp, điện trở, transistor, FipflopA(ở dùng FFRS) - OP-amp có tác dụng so sánh điện áp - Transistor để xả điện - Bên gồm điện trở mắc nối tiếp chia điện áp Vcc thành phần cấu tạo tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 Vcc nối vào chân âm Op-amp điện áp 2/3 Vcc nối vào chân âm Op-amp điện áp chân nhỏ 1/3 Vcc, chân S =[1] FF kích Khi điện áp chân lớn 2/3 Vcc, chân R FF = [1] FF reset b)Giải thích hoạt động: V2 R Vcc C C H Comp2 R H S Comp1 SW B E Q FF V1 H L H Q out L L Đồ án môn học - Mạch tạo xung vuông tam giác Ký hiệu mức thấp(L) 0V, mức cao (H) gần Vcc mạch FF loại RS Flip-flop Khi S= [1] Q= [1] Q ¯ = [0] Sau đó, S = [0] Q = [1] Q¯= [0] Khi R = [1] Q¯= [1] Q = [0] Tóm lại: S = [1] Q = [1] R =[1] Q = [0]bởi Q¯= [1], transistor mở dẫn, cực C nối đất điện áp không nạp vào tụ C, điện áp chân không vượt V2, lối Op-amp mức 0, FF không reset Khi đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời (Ra + Rb)C • tụ C nạp từ điện áp V  Vcc/3: - lúc V +1(V+ Opamp1) > V -1 O ( ngõ Opamp 1) có mức logic (H) - V+2 < V-2 ( V-2=2Vcc/3)do O2 = 0(L) - R=0, S =1 Q=1, Q¯= - Q =1  ngõ =1 - Q¯ =  transistor hồi tiếp khơng dẫn • Tụ C tiếp tục nạp từ điện áp Vcc/3  Vcc/3: - lúc , V +1 < V-1 O1=0 - V +2 V-2 O2=1 - Q=0  ngõ đảo trạng thái =0 - Q¯ =1  transistor dẫn điện áp chân xuống 0V! - Tụ C xả qua Rb Với thời Rb.C - Điện áp tụ C giảm xuống tụ xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống 2Vcc/3 • Tụ C tiếp tục xả từ điện áp 2Vcc/3  Vcc/3: - lúc này, V+1 < V-1 O1=0 - V+2V-1 O1=1 - V+2 < V-2 ( V-2 = 2Vcc/3) Do O2=0 - R = 0, S =  Q =1 ,Q¯ =0 Đồ án môn học - Mạch tạo xung vuông tam giác - Q =  ngõ = - Q¯ =  transistor không dẫn  chân không = V tụ C lại nạp điện với điện áp ban đầu Vcc/3 Quá trình lại lặp lại… Nhận xét: - trình hoạt động bình thường 555 điện áp tụ C dao động quanh điện áp Vcc/3  2Vcc/3 - Khi nạp điện tụ c nạp điện với điện áp ban đầu Vcc/3, kết thúc nạp thời điểm điện áp C 2Vcc/3 nạp điện với thời (Ra+Rb)C - Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu 2Vcc/3, kết thúc xả thời điểm điện áp C Vcc/3 Xả điện với thời Rb.C - Thời gian mức ngõ thời gian nạp điện, mức xả điện  Cơ sở lý thuyết phương pháp tính giá trị mạch: Để tính chu kì dao động T mạch dao động tạo xung ta cần phải tính thời gian ngưng dẫn tụ nạp xả Ta có sơ đồ mạch đơn giản để tính thời gian ngưng dẫn tụ nạp xả RB1 VB1(s) Vcc s + _ l(s) (Vcc − 0,7V ) s sC2 + Từ mạch tương đương suy ra: Vcc Vcc − 0,7 + s s ⇒ R B1 + sC I(s) = Vcc + Vcc − 0,7 2Vcc − 0,7 =  R B1 + R B1  S +  sC R B1 C      Đồ án môn học - Mạch tạo xung vuông tam giác Vcc Vcc 2Vcc − 0,7 ⇒ VB ( S ) = − I ( s) RB1 = − ⇒ v B (t ) = Vcc − (2Vcc − 0.7)e RB1C2 s s   Xác S +    RB1C   định t để vB=0,7V: 0,7 = Vcc-(2Vcc-0,7)e R B 1C  2Vcc − 0,7  ⇒ t = R B1C ln   Vcc − 0,7  Thường Vcc >> 0,7 nên: t ≈ RB1C2 ln = 0,693RB1C2 ≈ 0,7 RB1C2 • Tính thời gian ngưng dẫn T2 thời gian T1 bắt đầu dẫn đến T1 ngưng dẫn tương tự, thời gian ngưng dẫn T2 là: t≈ RB2C1 ln = 0,693Rb2C1 ≈ 0,7 RB2C1 chu kỳ dao động mạch tính: T ≈ 0,7 (RB2C1 + RB2C1) Giả sử RB1 = RB2 = R; C1= C2 = C chu kỳ dao động mạch trở thành: T ≈ 1,4RC Và tần số dao động: f≈ 0,7 RC Thơng thường mạch dao động ta có cơng thức tính thời gian ngưng dẫn transistor là: T = RC ln2 = 0,693 RC  thời gian ngưng dẫn mức áp cao lúc tụ C2 nạp dịng qua R1 + R2 Tn= 0,693 × (R1 + R2) × C2 thời gian ngưng dẫn mức áp thấp lúc tụ C2 xả dòng qua R2 TX = 0,693 × R2× C2 Như chu kỳ tín hiệu : T = Tn +Tx ↔ T = 0,693 ×(R1 + × R2 )× C2 II TRONG BÀI TOÁN THIẾT KẾ MẠCH THỰC TẾ Trong tốn u cầu tạo xung có tần số biến đổi từ 500Hz đến 1khz ta có phươn án thực + điều chỉnh tần số cách thay đổi điện trở R1,R2 + điêu chỉnh tần số cách thay đổi tụ điện C2 + điều chỉnh tần số cách thay đổi tụ điện điện trở đồng thời  để đơn giản điều chỉnh tần số cách thay đổi điện trở R2( dùng biến trở) - để xác định biên độ điêu chỉnh tụ điện ta thay giá trị tần số vào công thức để xác định điện trở tương ứng  với tần số 500 Hz: Đồ án môn học - Mạch tạo xung vuông tam giác chọn C2 = 10 nF, R1 = 100 (kΩ) đó, Tn = Tn +Tx ,với T = 1/F => F = 0,693 ×(R1 + ×R2 ) ×C2 = 0,693 × (100 ×10 + × R2 ) ×10 −8  R2 = 94300 (Ω) = 94,3 (kΩ)  Với tần số 1khz (1000) Tương tự ta tính R2= 22,15 (kΩ) - lý thuyêt để tạo xung có tần số biến đổi từ 500 hz đến 1000 khz với mạch dùng I C 555 ta thay R2 biến trở có điện trở biến đổi từ 22,15 (kΩ)  94,3 (kΩ) - có sai số nên ta dùng biến trở có điện trở thay đổi từ 20 (kΩ)  100 (kΩ) - R3 tải giả mắc vào chân IC 555 để mô chọn khoảng vài kiloOhm - R5 điện trở đệm ngã IC 555 với ngã vào C1585 trán đệm (buffer) ngã ra, thường lắp theo kiểu cực thu chung (CC), đặc điểm cách lắp cho ta trở kháng ngã (ri) vào lớn, R4 (RE) chọn cho trở kháng ngã vào đủ lớn để ta ghép tầng phía sau C1815 không ảnh hưởng đến tham số mạch LM 555 thường khoảng vài trăm kilo Ohm Cơng thức tính tải: ri = rb + βre + βRE => ri = hie + β RE Kết luận: muốn thay đổi độ lớn tần số dao động mạch cần thay đổi giá trị Ra, Rb C1 Tuy nhiên thay đổi giá trị R1(hoặc R2) khơng thơi, tần số (f) độ rộng xung (duty cycle)sẽ bị thay đổi lúc Như theo ta tính với R1=const xảy tượng trên.do ta phải chọn R1=R2.theo cơng thức ta tính được: Với tần số 500 hz R1=R2 =96,2 (kΩ) Với tần số 1000 hz R1=R2 =48,1 (kΩ) Đồ án mơn học - Mạch tạo xung vuông 10 giác tam - muốn thay đổi tần số ( giữ nguyên độ rộng xung R1 R2 phải thay đổi lúc( tăng giảm giá trị nhau) - muốn thay đổi độ rộng xung ( giữ nguyên tần số) R1 R2 phải thay đổi lúc có chiều ngược lại( tăng R1 phải giảm R2 giá trị nhau) Như mạch thiết kế sau: +15v Mạch tạo dao động xung vuông dùng IC 555 Mạch dùng them diode để Tn =Tx để đảm bảo có xung vng chân OUT(3) đối xứng, diode có tác dụng lúc tụ nạp dịng qua R1 nhớ diode D2 thời gian nạp Tn =t1 = 0,693 R1 C2 tụ xả vậy, nhờ có D1 mà dịng xả qua R2 thời gian xả Tx = t2 = 0.693 R2.C2 mà R1 = R2 (chọn lúc thiết kế) => Tn = Tx 10 Đồ án môn học - Mạch tạo xung vng 11 giác tam +12v Hình minh họa trình nạp xả cho tụ C2 Ngõ out chân số cho xung tam giấc(hơi bị cưa xườn không thẳng) Tương tự ngõ out TST cho xung gần giống chân số 6( làm chưa đạt yêu cầu theo lý thuyết qua C1815 xung trơn hơn, cạnh xung thẳng mạch cạnh xung C1815 khơng thẳng….) Dạng xung ngõ out(3) 11 Đồ án môn học - Mạch tạo xung vuông 12 giác tam Xung chân số Dạng xung chân E C1815  ứng dụng IC 555 Ứng dụng 555 lớn, ứng dụng hay dùng làm mạch phát xung cịn dùng để đo điện dung Điện dung cảm biến dạng điện dung nối vào mạch, thay đổi làm tần số đầu thay đổi việc đo tần số với vi điều khiển đơn giản sử dụng cách này, cần phải có điện trở thật xác… để tránh sai số ngồi IC 555 cịn có nhiều ứng dụng thực tế như: dùng làm mạch cho khởi động trễ, mạch phát âm thanh, điều chế xung, dung để đo tốc độ quay máy đĩa hát, dùng thiết bị chống trộm tia hồng ngoại… 12 Đồ án môn học - Mạch tạo xung vuông 13 giác tam III) ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA MẠCH TẠO XUNG VUÔNG VÀ TAM GIÁC DÙNG IC 555 1)ưu điểm: - mạch điện đơn giản dễ làm với linh kiện phổ biến dễ tìm, chi phí thấp - ngun lý đơn giản dễ hiểu 2) nhược điểm - tạo xung tam giác mạch điện dung IC 555 tạo xung tam giác khơng xác 13 ... mơn học Nhóm sinh viên thiết kế Đồ án môn học - Mạch tạo xung vuông tam giác I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH DAO ĐỘNG TẠO XUNG VUÔNG VÀ XUNG TAM GIÁC SỬ DỤNG IC 555 Mạch dao động Mạch dao động mạch. .. viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động mạch điện tử nói chung mạch tạo xung nói riêng Sau báo cáo mơn học thiết kế mạch tương tự nhóm sinh viên chúng em: Thiết kế mạch điện tạo xung vuông xung tam... máy thu hình, đài FM… Mạch tạo xung mạch điện thường giao cho sinh viên thiết kế, môn thực hành đồ án trường đại học, Cao đẳng giúp sinh viên bước thiết kế mạch điện tử thực tê qua lãm cho sinh