Giáo trình phân tích phạm vi ứng dụng của mạch chia tần số theo nguyên lý mạch dao động đa hài dùng cổng logic p4 pdf

Mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào: Khi biên độ tín hiệu ngõ vào lớn hơn 5Vp-p thì mạch không thể hoạt động, trong mạch này giới hạn biên độ tín hiệu cao nhất cho phép là 15V.. Mạch

hạn tần số thấp được xác định theo công thức:

f gh = 1

2rR C2 1

R2 =1k  ,

C1 = = 0.1 F

Hệ số của mạch khuếch đại không đảo A = 1 +R

R

3 1

1 + R

R

3 2

= 100

R3 = 99 R2

R3 = 99 k  Chọn R1 = R2 để nhằm mục đích bù ảnh hưởng của dòng ngõ vào, tương tự tính cho tầng khuếch sau với hệ số khuếch đại A2 = 3

1 + R

R

4 5

= 3

R = 2 R = 2 k 

Có mạch bổ chính tần số bên trong, không cần thêm RC bên ngoài Có khả năng bảo vệ ngắn mạch, dòng ngõ ra tới hạn tại 25 mA Điện áp sai biệt tối đa giữa hai ngõ vào là 30 V

Có mạch chỉnh điện áp offset ngõ ra

2 Mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào:

Khi biên độ tín hiệu ngõ vào lớn hơn 5Vp-p thì mạch không thể hoạt động, trong mạch này giới hạn biên độ tín hiệu cao nhất cho phép là 15V Tín hiệu ngõ vào vi mạch số có biên độ là 5V, dòng ngõ vào là 10 mA Khi tín hiệu ngõ vào là Vi = 15 V

R1=V V

I

i L

 0

=15 5 10



= 1K

Khi tín hiệu ngõ vào là Vi = 10 V

R2 = 5

10= 500 

Biên độ tín hiệu ngõ vào ta không mở rộng lên giới hạn cao hơn vì trong thí nghiệm đo lường điện thường làm việc với mức điện áp thấp từ 15 V trở xuống Ba led phát quang chỉ báo có tín hiệu ngõ vào đồng thời giới hạn mức điện áp tín hiệu ngõ vào là 5V Diode zener xen các thành phần nhiễu có biên độ vượt quá 5Vp-p

Như vậy trong mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào có 4 cấp giới hạn 15V - 10V - 5V -10mV Chúng ta có thể ước lượng biên độ tín hiệu cần

đo tần số để chọn cấp giới hạn cho phù hợp

3 Mạch chỉnh dạng xung tín hiệu ngõ vào:

Mạch đếm làm việc với tín hiệu dạng xung có hai mức logic phân biệt rõ ràng nên tín hiệu cần đo tần số có dạng sin hoặc những tín hiệu xung

bị méo dạng cần được chỉnh dạng cho thành xung vuông trước khi đưa vào mạch đếm Ở đây ta dùng cổng nảy schmitt trigger CMOS có hai mức ngưỡng giao hoán để chỉnh dạng sóng tín hiệu ngõ vào

Trigger schmitt bộ có cấu tạo phổ biến nhất và thường tỏ ra hiệu quả đối với các ứng dụng hiện nay, trigger schmitt được cấu thành từ một cổng logic với hai mức ngưỡng chuyển mạch

Biên độ cuả các vượt mức tín hiệu cần sưả đổi sẽ cao hơn độ trễ cuả các tín hiệu ngõ vào, song ta cũng có thể ứng dụng thông tin dạng số ngõ ra để trigger một mạch số khác như mạch đếm hoặc mạch đa hài đơn ổn

Đối với cổng đảo, khi điện thế vào nhỏ ứng với mức thấp thì ngõ ra là điện thế lớn ứng với mức cao Khi điện thế tăng đến ngưỡng +VT (đối với CMOS là khoảng 50% VDD) sự giao hoán bắt đầu và ngõ ra chuyển xuống mức thấp Nếu điện thế ngõ vào giảm thấp thì đường giao hoán khi điện thế giảm trùng với đường giao hoán khi điện thế tăng

Đối với cổng schmitt trigger ngưỡng giao hoán khi điện thế ngõ vào tăng là +VT và ngưỡng giao hoán khi điện thế ngõ vào giảm là –VT không trùng nhau khiến đường giao hoán khi điện thế vào tăng và đường giao hoán khi điện thế vào giảm không trùng nhau, sai biệt giữa hai ngưỡng +VT đến

-VT được gọi là độ trễ Kết quả là ta có dạng xung vuông ở ngõ ra mạch nảy schmitt trigger, dạng sóng gồm dúng hai xung (xung hướng dương và xung hướng âm) như dạng xung cuả tín hiệungõ vào mặc dầu dạng sóng vào rất méo dạng và có lẫn nhiễu

Trong mạch này ta chọn cổng schmitt trigger thuộc họ CMOS CD40106 có 6 cổng schmitt trigger có đảo, dùng công nghệ CMOS cổng silicum để đạt được tốc độ cao tương tự như TTL-LS nhưng công suất tiêu thụ thấp

Sơ đồ chân cuả IC 40106:

Một số đặc điểm cuả IC 40106:

Số fan out: 10 tải TTL-LS

Khoảng nhiệt độ làm việc rộng: 40 đến 85 C

Thời gian trì hoãn và thời gian chuyển tiếp cân xứng

Thời hằng tăng và thời hằng giảmcuả tín hiệu vào không giới hạn Điện áp nguồn cung cấp từ 3V đến 10V

Độ miễn nhiễu mức thấp 37% VCC, ở mức cao 51% VCC, khi VCC = 5V

V./ MẠCH ĐẾM VÀ GIẢI MÃ:

1./ Mạch đếm:

Trong mạch này chọn IC 4518B để kết nối mạch đếm, IC này thuộc họ CMOS bao gồm hai mạch đếm thập phân đồng bộ bên trong Mỗi mạch đếm có hai ngõ vào xung clock, một ngõ tác động cạnh xuống, một ngõ tác động cạnh lên, tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà ta chọn ngõ vào xung tác động cạnh lên hay tác động cạnh xuống

Bảng trạng thái:

CP0 CP1 MR kiểu hoạt động

H L Đếm lên

X L Không đổi

L L Không đổi

 Chức năng các của IC 4518B:

- CP0a ,CP0b : ngõ vào xung clock tác động cạnh lên

- CP1a, CP1b : ngõ vào xung clock tác động cạnh xuống

- Mra ,Mrb : đặt lại (Reset)

- Q0a đến Q3a : ngõ ra BCD

- Q0b đến Q3b : ngõ ra BCD

Trong mạch đo tần số này dùng 4 LED để hiển thị như vậy số lớn nhất có thể hiển thị được là 9999 HZ.Để được kết quả này ta phải sử dụng 4 mạch đếm 10 ghép lại với nhau IC 4518B gồm hai mạch đếm 10 nên chỉ dùng 2 IC là có thể đáp ứng được số đếm yêu cầu, sử dụng IC4581B mạch trở nên đơn giản hơn Bộ đếm này, có công suất tiêu tán thấp, độ miễn nhiễu cao 45% Vdd:

- Điện áp cung cấp 3 đến 18VDC

- Dòng điện tĩnh là 5nA ở mức điện áp cung cấp là 5VDC

- Dạng mạch được kết nối như sau:

Chân 7, 15 (Reset ) của IC1 và IC2 nối chung với nhau và được nối đến đường tín hiệu reset Khi cho tín hiệu xung clock vào chân 2 cuả IC1, ngõ vào reset ở mức thấp mạch đếm bình thường ngõ ra Q0a (chân 6) được nối đến chân 10 làm xung clock cho mạch đếm thứ hai Ngõ ra Q3b của IC1 được nối đến ngõ vào chân (2) của IC2 để mạch đếm tiếp, số lớn nhất mà mạch đếm được là 9999 HZ

Các thông số của IC 4518B:

Điện thế cung cấp Vdd 5- 18 VDC

Điện thế ngõ vào Vin 0.5 - Vdd+0.5 VDC

Nhiệt độ làm việc

Nhiệt độ bảo quản Tstg 60 – 150 C

2 Mạch giải mã:

Ngõ ra của IC đếm là mã số BCD để hiển thị ra LED 7 đoạn thì cần phải mạch giải mã từ số BCD sang LED 7 đoạn Trong mạch này sử dụng IC 4511B làm mạch giải mã, IC 4511B là Ic thuộc họ CMOS có 4 ngõ vào, ba ngõ vào điều khiển vàø ngõ ratừ Oa đến Og nguyên lý hoạt động được giải thích dựa trên bảng trạng thái

Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong của IC 4511B: cấu trúc bên trong của IC gồm có 3 phần LATCHES, DECODER, DRIVER

DA đến DD: ngõ vào nhận tín hiệu từ IC đếm 4518B:

EL : cho phép chốt ngõ vào, ở mức thấp cho phép tín hiệu giải mã ra LED,

ở mức cao chốt kết quả vừa hiển thị

BI ngõ vào xóa số 0 tác dộng ở mức thấp

LT :ngõ vào thử đèn

Oa đến Og 7 ngõ ra sang LED 7 đoạn

Decoder: giải mã

Driver: mạch đệm

Latches: Bộ nhớ trung gian để nhớ kết quả trong thời gian ngắn (mạch chốt)

Bảng trạng thái của IC 4511B:

Ngõ vào ( input ) Ngõ ra ( output) Display

LE BI LT D C B A a b c d E g f

X X L X X X X H H H H H H H

X L H X X X X L L L L L L L Blank

L H H L L L L H H H H H H L 0

L H H L L L H L H H L L L L 1

L H H L L H L H H L H H L H 2

L H H L L H H H H H L L L H 3

L H H L H L L L H H L L H H 4

L H H L H L H H L H H L H H 5

L H H L H H L L L H H H H H 6

L H H L H H H H H H L L L L 7

L H H H L L L H H H H H H H 8

L H H H L L H H H H L L H H 9

L H H H L H L L L L L L L L Blank

L H H H L H H L L L L L L L Blank

L H H H H L L L L L L L L L Blank

L H H H H L H L L L L L L L Blank

L H H H H H L L L L L L L L Blank

L H H H H H H L L L L L L L Blank

Trong mạch hiển thị ta cần phải tắt số 0 vô nghiã,ví dụ như kết quả

đo làø 10 thì phải hiển thị làø 10 không phải là 0010 Như chúng ta đã biết IC 4511B có ngõ vào BI khi tác động ở mức thấp thì đèn tắt, khi các ngõ ra của

IC đếm là 0000 (BCD) thì ngõ vào BI ở mức thấp, một ngõ ra lên trạng thái [1] thì ngõ vào BI ở mức cao

Dạng mạch kết nối như sau:

VI./ MẠCH HIỂN THỊ:

Mạch đo tần số này không là một thiết bị đo thực dụng mà là một mô hình hoạt động được dùng trong giảng dạy môn đolường điện, có thể dùng làm thiết bị đo trong phòng thí nghiệm đo lường điện Đối với mô hình dùng để dạy học nên cần phần hiển thị thật rõ để người ở góc có thể quan sát được, với những yêu đó ta chọn phần hiển thị là LED 7 đoạn loại lớn, loại đèn này tiêu tốn năng thấp hơn các loại đèn cathod lạnh hay đèn tim, nguồn cung cấp cho đèn LED thường thấp

Thông số loại LED

Điện áp cung cấp : 6 V

Dòng điện tối đa : 20mA

Kích cở : ( 3 7 x 5 5) cm

Kích thước mỗi đoạn : 3 cm

Loại màu trắng khi phát sáng cho ánh sáng màu đỏ

Điện áp và dòng diện các ngõ ra của IC 4511B không đủ kích cho LED sáng vì vậy cần thêm mạch kéo dòng cho LED Ta dùng linh kiện rời TRANSISTOR để làm mạch thúc, khi ngõ ra của IC 4511B ở trạng thái mức

Điện áp cấp cho LED là 6V và dòng điện qua tối đa là 15mA Khi chân B ở mức cao thì transistor ngưng dẫn dòng điện chạy qua RC và R1 qua LED làm cho đèn phát sáng, lúc này điện áp rơi trên LED là 0.7V

Điện trở RC =

LED

C CC

I

V

RC =

mA

15

6

12  = 400 

R1 =

mA

15

7 0

6 

= 330 

Để transistor làm việc trong vùng bảo hoà thì điện trở RB = 10 RC

RB = 4 K

Khi chân B ở mức thấp thì transistor dẫn dòng điện đổ từ nguồn VCC

= 12V qua mối nối CE xuống mass lúc này VCE = 0.2V làm cho LED tắt

VII./ MẠCH NGUỒN:

Trong phần mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào và phần hiển thị đã sử dụng nguồn cung cấp là 12V, nguồn cung cấp cho các loại IC đếm trong mạch là 5V Như vậy mạch nguồn cho ra 3 cấp điện áp +12 V, -12V, + 5V

Để đơn giản cho việc chọn lựa nguồn và linh kiện ổn áp cho mạch ta chỉ chú trọng đến các phần tử tiêu hao dòng đáng kể nhất trong mạch

Các cổng CMOS đều là loại có dòng tiêu thụ lớn nhất Id = 50 mA ở mức điện nguồn cung cấp là 5V

Dòng điện tổng qua các CMOS là :6 x 50mA = 300 mA

IC đếm bao gồm: IC 4518B x 3, 4017B x 4, IC 4040B dòng điện tiêu thụ mỗi IC là 10 mA Dòng điện tổng là: (8 x 10)mA = 80mA

Tổng dòng điện qua các LED là : (4 x 7 x 15) mA = 420 mA

Tổng dòng điện toàn mạch là: (300 + 420 + 80 ) = 800 mA

Tổng dòng điện trong nguồn cung cấp + 5 V là: (300 + 80) = 380 mA

Điện áp ngõ ra :V 0 = Vin + 1.2

Điện áp ngõ vào : Vin = 1.2  37 V

Trong mạch cần nguồn đối xứng 12V nên chọn biến áp có điểm giữa, điện áp vào là 220 VAC , điện áp lấy ra 12 VAC

Tụ 10F nối từ chân ADJ xuống mass để triệt tiêu độ gợn điện áp, tụ 0.1F dùng lọc nhiễu tần số cao làm cho điện áp ngõ ra có dạng phẳng hơn Điện trở R = 120 và biế trở VR = 2 k tạo thành cầu phân áp để điều chỉnh điện áp cho chân ADJ nhằm điều chỉnh điện áp ngõ ra

 Giải thích nguyên lý hoạt động của toàn mạch:

Chức năng các linh kiện trong mạch

IC 7805 dùng ổn áp nguồn 5V cung cấp cho các IC đếm