Giáo trình hướng dẫn phân tích phạm vi ứng dụng nguyên lý mạch dao động dùng cổng logic p1 pot

Giáo trình hướng dẫn phân tích phạm vi ứng dụng Luận n tốt Nghiệp Mô dùng cổng logic ngun lý mạch dao độngHình Máy Đo Tần Số Hình II.4: Sơ đồ mạch chia tần số Điện áp Ux có tần số fx cần đo khuếch đại thành điện áp U1, sau đưa qua mạch tạo xung để sửa thành dạng xung vuông có tần số fx (U2) Xung đưa qua cổng logic khoảng thời gia Tn để vào mạch đếm xung (U6) kết xung đếm đưa qua hiển thị cho biết tần số tín hiệu Ux Tn = NTx = N fx => fx = N Tn Với Tn chu kỳ xung chuẩn (U4) thời gian mở cổng logic Ở xung chuẩn (U4) mạch dao động thạch anh tạo ra, tần số lớn (fo từ 100KHz  1MHz), nên sau sửa thành dạng xung vuông (U3) cần cho qua mạch chia tần số để thành U4 có tần số fn xung chuẩn (U4) tác động vào Flip – Flop theo nguyên lý kích thích cạnh trước (ký hiệu FF) tạo xung mở cổng (U5) thời gian Tn Sai số xung đếm thời gian cổng mở 1 xung Vì tần số fx cần đo thấp cần thay đổi thời gian mở cổng Tn Trong thực tế chu kỳ xung chuẩn (Tn) thường có mức điều chỉnh 0,1s, 1s, 10s Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 12 Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ LUẬN I/ GIỚI THIỆU VỀ VIMẠCH SỐ: 1/Khái niệm vi mạch số: Mạch số (digital circuit) xử lý tín hiệu dạng xung Các xung hai trạng thái, mức điện định trước gọi mức thấp ví dụ (0V) mức cao (4V) Số mức điện lớn hai số hữu hạn Hệ thống số gồm nhiều loại hệ thống số thập phân, nhị phân, BCD, Hexa, v.v Nhưng hệ thống số nhị phân gồm1 thuận tiện cho việc xử lý mạch điện tử, mạch không xử lý trực tiếp số mà xử lý dạng sóng Ta biểu thị số nhị phân bằng dạng sóng nhị phân có hai mức điện thế, mức biểu thị số mức biểu thị số Hai mức điện cách xa đủ xa để mạch logic phân biệt hai mức Khi xử lý tín hiệu nhị phân ngỏ vào thân mạch logic phát hai mức điện Vi mạch số gồmcó hai loại: - Một loại thuộc họ TTL cấu tạo từ transistor – Một loại thuộc họ CMOS cấu tạo từ transistor trường 2/ Ưu điểm vi mạch số: – Ít bị ảnh hưởng nhiễu âm (noise) – Dễ chế tạo thành mạch tích hợp (IC) thực tế có nhiều mạch tích hợp số sản xuất cho nhiều chức khác – Thiết kế phân tích mạch đơn giản – Thuận tiện cho việc điều khiển tự động lưu trữ xử lý liệu (data), kết hợp với loại máy tính 3/ Nhược điểm: Tín hiệu xử lý phải dạng xung có hai mức logic rõ rệt Vì xử lý tín hiệu tương tự cần phải có chuyển đổi từ tương tự sang số 4/ Phạm vi ứng dụng vi mạch số: Vi mạch số ứng dụng nhiều lónh vực quân sự, dụng cụ y tế, loại máy móc sản xuất Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 13 .Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số II/ CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG: Mạch dao động tạo xung đóng vai trò quan trọng mạch số Xung đồng giúp cho phần thiết bị làm việc theo thứ tự đồng với nhau, xung đồng thiếu Mạch dao động có nhiều dạng, dùng linh kiện rời hay linh kiện tích hợp 1/ Mạch dao động đa hài dùng cổng logic: Hai cổng Nand (hay cổng Not) mắc chéo FlipFlop có hai trạng thái bền nên mạch dao động (mạch trạng thái bền) Muốn mạch dao động ta phải gắn thêm tụ đường hồi tiếp Các điện trở chọn để trì điện ngõ vào cổng gần thềm logic nên tụ nạp điện xả điện, điện ngõ vào dao động mức thềm logic khiến ngõ dao động hai mức logic Tần số dao động là: f = 2(RL + R )C Dạng sóng Q Q đối pha nhau, mạch không hoạt động tần số thấp (dưới vài chục Hz) phải dùng tụ điện có điện dung lớn (trên vài chục F) 2/ Mạch dao động đa hài dùng cổng Nand: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 14 Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Điện trở R1, R2 biến trở R3 phân cực cho hai cổng Nand gần thềm logic, điện trở phải nhỏ điện trở ngõ vào cổng, thường 1K Nguyên lý hoạt động: Giả sử ngõ vào N1 vừa xuống ngưỡng mức thấp (0V) để ngõ Q lên ngưỡng mức cao (1V) Sự thay đổi logic tia tụ C2 nạp truyền ngõ vào N2 khiến cho ngõ Q xuống mức thấp (0V), mức logic tụ C1 chuyển ngõ vào N1, mạch xem đạt trạng thái ổn định Nhưng dòng điện N1 đổ ngõ vào nạp điện cho C1 C1 dương Trong lúc tụ C2 xã điện qua R2 R3 nên điện tụ giảm dần Nếu điều kiện điện trở nói, tụ C1 C2 không khác tụ C2 xả điện nhanh C1 nạp điện, nên điện ngõ vào N2 nhanh chóng đạt mức logic thấp làm ngõ Q lên mức cao (1), ngõ vào N1 đạt đến ngưỡng mức cao Ngõ Q xuống mức thấp (0), sau tụ C1 xả điện qua R1, R3 để đổi trạng thái mạch trở lại trình C1 xả điện Điện trở R3 nằm đường xả điện C1 C2 thay đổi giá trị tần số mạch thay đổi Khi mạch đối xứng nghóa C1 = C2; R1 = R2, tần số mạch là: f = RC Để có tần số dao động thấp (vài Hezt) ta dùng tụ lớn đến vài ngàn F, không cần dạng sóng ổn định cao tần số giới hạn trên, tần số mạch khoảng 10MHz Nếu sử dụng mạch logic CMOS tạo mạch dao động có tần số thấp tổng trở vào CMOS lớn nên cho phép dùng điện trở bên lớn Có nhiều IC tạo xung, hai họ IC loại TTL loại họ CMOS chế tạo sẵn cần đưa thêm vài linh kiện bên để xác định tần số 555, 556, 4047, v.v… Phương pháp đơn giản, rẻ tiền độ xác không cao phụ thuộc vào phần tử xác định tần số bên Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 15 .Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số 3/ Phương pháp tạo dao động từ lưới điện nguồn: Phương pháp đơn giản tiện sử dụng cho mạch dùng nguồn cấp điện xoay chiều lưới điện không đòi hỏi độ xác thật cao Biến áp T1 dùng để hạ mức điện áp lưới cho phù hợp với nguồn nuôi IC cổng Nguyên lý mạch lấy dao động lưới điện mạch sửa dạng sóng từ dạng sóng sin sang dạng sóng vuông có tần số tần số lưới điện 4/ Mạch dao động dùng vi mạch tích hợp: Mạch tích hợp 555 (NE555, NC555) chế tạo lần đầu tiên, khoảng 15 năm trước sử dụng phổ biến Khả cần dòng lớn (200mA) hoạt động với quãng điện rộng từ 4,5V đến 16V Độ ổn định nhiệt 0,005% cho độ C mạch làm việc cho tần số thay đổi nhờ linh kiện bên ngoài, độ ổn định tần số không cao 5./ Phương pháp dùng dao động thạch anh Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 16 Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Thạch anh tinh thể có tính áp điện Nếu ta đặt điện hai đầu cực thạch anh cho dao động học ngược lại cho tác dụng lực học xuất điện ngõ hai bả cực Với tính chất đặc biệt này, thạch anh có nhiều ứng dụng lónh vực điện tử Ứng dụng quan trọng dùng thạch anh tạo dao động chuẩn Nhưng thạch anh có thị trường tần số dao động cao từ hàng MHz đến hàng trăm MHz với độ xác cao giá thành tương đối thấp Đây loại dao động tin cậy để chọn làm dao động chuẩn Nhưng với mạch đòi hỏi tần số dao động chuẩn thật thấp (Hz  chục Hz) nên sử dụng dao động thạch anh làm tần số chuẩn chia xuống tần số yêu cầu mạch trở nên phức tạp tốn 1k 1k 10MHZ 47P 22k 20P 40pF III./ CẤU TẠO MẠCH ĐẾM: Mạch đếm chiếm vị trí quan trọng kỹ thuật điện tử nói chung thiết bị nói riêng Mạch đếm xem công cụ đếm xung điện để xuất kết đếm Mạch đếm sử dụng việc điều khiển tự động dây chuyền đếm sản phẩm Khi nói đến mạch đếm, ta không nghó đến mạch đếm tần số, ứng dụng quan trọng mạch đếm tần số Ta dụa vào ba đặc điểm sau để phân biệt loại mạch đếm:  Cách đưa tín hiệu vào Flip-Flop (FF) Tùy theo việc đưa tín hiệu vào Flip-Flop mà người ta chia mạch đếm đồng hay mạch đếm không đồng  Căn vào mã số mạch đếm: Xuất phát hệ nhị phân mà người ta có nhiều mạch đếm với loại mã khác nhau, mạch đếm thập phân, mạch đếm nhị phân Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 17 Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số  Dựa vào hướng dẫn: Người ta chia mạch đếm có ba cách: – Đếm lên – Đếm xuống – Đếm vòng 1./ Mạch đếm không đồng bộ: Trong mạch đếm không đồng bộ, xung đếm đưa vào đầu vào nhịp xung FF thứ Còn xung FF sau phụ thuộc vào ngõ FF phía trước Hình (H.III.1a) mạch đếm không đồng dùng FF – JK – MS (Flip Flop – JK – Master Slave) Bốn FF mắc nối tiếp, ngõ vào JK nối chung lại với tạo FF-T ngõ vào T mắc lên cao (hay để hở) Xung đếm đưa vào FF FFA, Hình (H.III.1b) trình bày dạng sóng mạch đếm Hình III.1a Hình III.1.b Các FF đổi trạng thái xung vào cổng Clock đổi từ xuống Như QA FFA đổi trạng thái cạnh sau xung vào đầu Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 18 Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số phân nửa Dạng sóng QA có tác dụng xung đồng hồ FFB nên tần số QB phân nũa tần số QA Tương tự tần số QD phân tần số QC Như tác dụng mạch chia tiếp tần số, nên sau bốn tầng tần số dạng sóng vào chia cho 24 = 16 Điều quan trọng hệ thống nhị phân chia đôi tần số liên tiếp lại đếm tần số Mạch có tần FF gọi mạch đếm nhị phân bit hay mạch đếm Modulo 16 (24) hay mạch chia cho 16 Mạch đếm từ 0000 = 10 (Nếu xóa trước có xung vào) lên tối đa 1111 = 1510 tự động quay đếm lại từ 0000 = 010, bảng Hình (H.III.1.c) Số xung vào Xóa 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Trạng thái sau có xung vào QD QC QB QA 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 Hình III.1.c Số thập phân tương ứng với số nhị phân 10 11 12 13 15 15  Ưu điểm: Ưu điểm mạch đếm không đồng cấu trúc đơn giản  Nhược điểm: Thời gian trễ lớn, thời gian trể tỉ lệ với số tăng mạch đếm - Tính chống nhiễu kém, xung nhiểu tác động vào nhịp vào FF làm sai lệch kết đáng kể Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 19 Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số 2./ Mạch đếm đồng bộ: Đặc tính mạch đếm đồng xung đếm đưa vào tầng đếm cách song song Để tạo mạch đếm đồng người ta dùng loại JF, MS, FF (Hình III 2.b) mạch đếm đồng bit, xung vào đưa đến tất ngõ vào CK Để phân tích mạch đếm đồng bit ta xét thời gian trễ hai loại mạch đếm không đồng mạch đếm đồng (H III.2.a) Hình III.2a Ở mạch đếm không đồng thời gian trễ 1FF tFF thời gian trễ toàn mạch t Nếu mạch đếm tạo từ FF thời gian trễ t = 4tFF Như mạch đếm không đồng có thời gian trễ lớn so với mạch đếm đồng bộ, nhược điểm mạch đếm không đồng Ta xét mạch đếm đồng bit sau Hình(H III.2b) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 20 Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số FFA đổi trạng thái theo xung đếm, sau xung đếm thứ QA = FFA, FFB,FFC, FFD nhận xung đếm thứ đầu vào Clock QA = QB = QC = QD = nên đầu vào JK FFB, FFC, FF D tức QB = QC = QD = Đến xung thứ hai J K FFB = hai đầu nối với QA J K FFC FFD 0, FFB đổi trạng thái từ QB = lên QB = 1, QC QD giữ nguyên trạng thái Ở xung thứ ba QB, QC, QD không đổi trạng thái J K chúng 0, QA đổi trạng thái từ – (QA = 1, QB = 1), xun g đếm thứ tư J K FF D 0, J K FFA, FFB, FFC bằbg nên chúng đổi trạng thái QA = 0, QB = 0, QC = 1,…Xung đếm thứ 17 QA = QB = QC = QD =   - Öu điểm: Ít bị nhiễu so với mạch đếm không đồng Nhược điểm: Đối với mạch đếm nhiều bit mạch liên kết logic cho đầu vào trở nên phức tạp 3./ Mạch đếm vòng (Ring Counter) Mạch đếm vòng loại mạch dựa vào phân chia nhị phân, mà dựa vào di chuyển vòng quanh ghi chuyển có hồi tiếp gọi mạch đếm vòng Các mạch đếm vòng không hữu hiệu mạch đếm nhị phân đơn giản có đặc tính riêng biệt nên sử dụng Đặc biệt mạch hoạt động đồng nên có tốc độ giao hoán cao Hình(H III.3a) sơ đồ cấu tạo mạch đếm vòng Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 21 Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Hình III 3a Hình III.3b Hình (III.3a) biểu diễn dạng sóng mạch đếm vòng Giả sử ban đầu FF cuối đặt QC = hai FF xóa để ngõ QA = QB = Đồng hồ tác động cạnh sau Q, QA lên 1, QB = 0, QC xuống Ở xung thứ 2, QA xuống 0, QB lên 1,QC = 0, xung thứ 3, QA = 0, QB = 0, QC lên 1,… Mạch hoạt động bảng trạnh thái hình Hình(H.III.3c), mạch đếm số tức số tầng FF Số xung vaøo QC 0 0 QB 0 0 QA 0 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 22 ... linh kiện tích hợp 1/ Mạch dao động đa hài dùng cổng logic: Hai cổng Nand (hay cổng Not) mắc chéo FlipFlop có hai trạng thái bền nên mạch dao động (mạch trạng thái bền) Muốn mạch dao động ta phải... CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG: Mạch dao động tạo xung đóng vai trò quan trọng mạch số Xung đồng giúp cho phần thiết bị làm vi? ??c theo thứ tự đồng với nhau, xung đồng thiếu Mạch dao động có nhiều dạng, dùng. .. chuyển đổi từ tương tự sang số 4/ Phạm vi ứng dụng vi mạch số: Vi mạch số ứng dụng nhiều lónh vực quân sự, dụng cụ y tế, loại máy móc sản xuất Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh