ĐỒ ÁN KỸ THUẬT XUNG SỐ potx

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

Luận văn

Đồ án kỹ thuật xung

số

MỤC LỤC

- -L I NÓI U Ờ ĐẦ 4

PH N II L A CH N V T NH TO N KH I NGU N Ầ Ự Ọ À Í Á Ố Ồ 24

I M CH CUNG C P NGU NẠ Ấ Ồ 24

1 Khái ni m v m ch cung c p ngu n ệ ề ạ ấ ồ 24

2 M ch ch nh l u c uạ ỉ ư ầ 24

3 L c th nh ph n xoay chi u c a dòng i n ra t iọ à ầ ề ủ đ ệ ả 26

4 n nh i n ápỔ đị đệ 28

5 Tính toán m ch ngu nạ ồ 29

PH N III S NGUYÊN LÝ M CH S V NGUYÊN LÝ HO T NG Ầ ƠĐỒ Ạ Ố À Ạ ĐỘ C A M CH Ủ Ạ 32

PH N IV K T LU N Ầ Ế Ậ 41

IV.1 ÁNH GIÁ S BĐ Ơ Ộ 41

IV.2 ÁNH GIÁ CHUNGĐ 41

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:

D1 → D4 là cầu chỉnh lưu đổi áp xoay chiều thành áp 1 chiều nhấp nhô.

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

- Để các IC số hoạt động được ổn định thì nguồn cấp cho nó cũng phải được

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

- Chức năng các chân của IC 7805:

Chân 1: chân vào

Chân 2: chân mass

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:

- Với loại có 3 chân ra (họ 78, 79) điện trở R1 và R2 được đấu bên trong ICđiện áp ra có trị số cố định

- Với loại có 4 chân, chân số 4 được để ngỏ khi đó có thể điều chỉnh điện áp

ra tải ở chân 3 theo công thức:

U r ch với Uch = UĐZ1

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

làm cho Q3 mở ngay khi dòng qua R3 chưa đạt tới giá trị max do đó bảo vệđược Q5 không quá nhiệt

Điện áp vào Uin = Uout + 3v là tốt nhất nếu nhỏ hơn điện áp ra không đúng Nếuđiện áp vào lớn thì điện áp ra vẫn ổn áp nhưng công suất chịu đựng của IC rẽgiảm làm cho Ic nóng

- Chọn tụ chú ý điện áp chiu đựng, chọn điôt cần chú ý khả năng chụi đựngdòng của tải và điện áp ngược

Các thông số:

- Ta có một số mạch dao động đa hài tạo xung vuông như: mạch dao động đahài dùng TZT, mạch dao động đa hài dùng IC 741, mạch dao động đa hài dùng

IC 555

- Chọn mạch dao động dùng IC 555: chu trình làm việc có thể thay đổi được,khả năng cho dòng ra lớn, có khả năng cung cấp dòng đến 200 mA Điện thếnguồn nuôi cho phép biến đổi rộng từ 4,5v ÷ 16v, đầu ra tương thích TTL, độ

ổn định làm việc cao (biến đổi 0,005% trong mỗi 0C)

- Sơ đồ mạch điện

- 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)

B V

B

V I = + J = +

- O1, O2 là 2 opam

- A1 là một chuyển mạch, A2 khuyếch đại đảo

- FF là loại Flip – Flop RS

- Nguyên lý làm việc: Khi cấp nguồn cho mạch ta có ngay

B V

B

C

+ +

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

- CMOS do hãng RCA (Mỹ) sản xuất

• Loạt đầu tiên mang tên CD 4000 (CD 4000A)

• Loạt công nghiệp tên CD 4000B có thên tầng đệm ra

+ 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+ Điện dung ngõ ra/ ngõ vào : điện dung ngõ vào của CMOS = 1,5pF ÷ 5pF vàđiện dung ngõ ra = 3pF ÷ 7,5pF

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

ra tăng với nhiệt độ tải điện dung

- Khảo sát IC 4017 :+ Sơ đồ chân

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

Chân 14: cấp xung tích cực mức cao

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

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:

- Các định trị tối đa tuyệt đối là các trị số tối đa mà ta không vượt qua vì sẽlàm hỏng IC

- Các điều kiện hoạt động khuyến cáo thường chỉ liên quan đến điện thếcấp 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

- Các định tính điện: trong khoảng nhiệt độ cho phép nhiều đặc tính điệncần cho việc sử dụng thiết kế mạch logic

- Các đặc tính chuyển mạch thường phát biểu ở điện thế cấp điện Vcc = 5v

và nhiệt độ phòng 200C đây là các đặc tính liên quan đến các trì hoãn cũng nhưthời tăng thời giảm Khi chuyển mạch các thông số này phụ thuộc vào tải ở ngõ

ra nhất thiết là điện dung của tải

- Đặc trưng tiêu biểu của họ 74 xx

Công suất tiêu tán của 74LSxx: P = 2mw + 0,25mw/ MHZ (với Ctải = 15pF)

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:

- Biến áp :để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều

U2có giá trị phù hợp với tải

- Mạch chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện ápmột chiều nhấp nhô Ut (điện áp một chiều có độ lớn thay đổi theo thời gian)

- Bộ lọc: san bằng điện áp một chiều nhấp nhô thành điện áp một chiềubằng phẳng U01

- Bộ ổn áp (ổn dòng ): có nhiệm vụ tạo ra điện áp một chiều (dòng điệnmột chiều) ổn định Ut (It) cung cấp cho tải khi điện áp vào U01 hoặc trị số tảithay 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

- Biến áp nguồn không có điểm giữa

* Nguyên lý làm việc

- ở 1/2 chu kỳ đầu của điện áp vào ,U2 có chiều dương trên âm dưới D1và

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

- ở 1/2 chu kỳ sau điện áp U2 có chiều âm trên dương dưới D1và D3 khoá

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

U0 =1 2 sin 2 2 2 2 2 0 , 9 2

0

U U

m U tdt m

IDmax= 0

2I

I tm =π Ungmax =U2m= 0

2U

π

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

là tận dụng được công suất của biến áp tần số U cao hơn do đó yêu cầu lọc Uthấp 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

- Thành phần xoay chiều có tần số ω - hài bậc 1

- Thành phần xoay chiều có tần số 2ω - hài bậc 2

- Để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử làm việc phải lọc bỏ cácthành phần hài

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

ta đưa ra hệ số đập mạch Kp

Nếu KP càng nhỏ thì chất lượng của bộ nguồn càng cao

- Với mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ Kp=0,667

- Với mạch chỉnh lưu 1/2 chu kỳ Kp=1,58

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

+ Lọc bằng tụ điện

- Sơ đồ nguyên lý:

- Tụ C mắc song song với tải Rt thường có trị số vài trăm µF đến vài nghìn

µF Khi điôt thông thì tụ C nạp điện và tích trữa năng lượng khi điôt khoá thì tụ

C phóng điện qua Rt bằng cách đó có thể giảm độ gợn sóng của điện áp ra

- Nguyên lý: Khi không có tụ C điện áp trên tải có độ nhấp nhô lớn

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

+ ổn áp bù tuyến tính dùng IC ổn áp:

- Để thu nhỏ kích thước cũng như chuẩn hoá các tham số của các bộ ổn ápmột chiều kiểu bù tuyến tính người ta chế tạo chúng dưới dạng vi mạch do vậythuận tiện cho việc sử dụng

- IC ổn áp có dòng ra khoảng 100mA đến vài A thậm chí vài chục A, điện

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

- Các IC ổn áp thông dụng hiện nay là họ 78xx,79xx LM105, LM309,LM317

- 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, phần tử bảo vệ quá tải

+ Sơ đồ ổn áp có điện áp ra cố định dùng IC 7805

IC 7805 cho ra điện áp ổn định 5v có cực tính dương

Tụ C2 = 0,1 µF để cải thiện quá trình quá độ và giữ cho điện trở ra của mạch đủ