Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 32 Hình V.1b Cửa đảo CMOS là một mạch CMOS cơ bản gồm một Transistor MOS kênh P (gọi là PMOS) nối với một Transistor MOS kênh N (gọi là NMOS). Cực cửa nối chung với nhau và là ngõ vào, cực thoát được nối chung với nhau và là ngõ ra. Cực ngờn của MOS kênh P nối lên điện thế V dd dương và cực nguồn của MOS kênh N nối xuống điện thế V SS nhưng thường là Mass. Khi ngo vào ở mức cao (H). MOS kênh P ngưng dẫn, MOS kênh N phân cực thuận nhưng chỉ có dòng I dd ở trên đổ xuống nên V SS rất thấp gần như Mass. Ngược lại khi ngõ vào ở mức thấp (0) MOS kênh P dẫn điện còn MOS kênh N ngưng và ngõ ra điệ thế gần V dd . Vì dòng điện khi chưa có tải rất nhỏ nêm mạch tiêu thụ công suất rất thấp. Do tổng trở vào của mạch Logic CMOS rất lớn nên số tỏ ra của mạch CMOS đối với các CMOS khác cũng rất lớn trên 50, khi giao tiếp với các tải khác loại, các mạch CMOS khác bò giới hạn về dòng điện. c./ Đặc tính của tải: Tải có thể là thuần trở, cảm kháng, tuyến tính hay phi tuyến. Đối với tải tuyến tính sự xác đònh độ lợi, công suất cần thiết khá đơn giản. Còn đối với tải phi tuyến ta phải xét các trường hợp chuyển tiếp để bảo đảm các chỉ tiêu kỹ thuật cũa những bộ phận không bò vượt quá. Tải phi tuyến được điển hình như một bóng đèn hay động cơ điện. (Hình V.1c) biểu diễn dòng điện, điện thế và công suất tiêu tán của một bóng đèn điện được thúc bởi mạch giao tiếp có h fc . . Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 33 Hình V.1c không hạn chế, nghóa là nó có thể cung cấp dòng nào mà tải cần thiết. Dòng điện sẽ là một hàm mũ khi tim đèn sáng lên. Công suất tiêu tán sẽ là tích số của điện thế và dòng điện. Khi mạch giao tiếp có h fc hạn chế nghóa là nó không thể cung cấp tất cả các dòng điện đỉnh đòi hỏi bởi tải thì công suất tiêu tán là lớn hơn, lúc này dòng điện đỉnh nhỏ hơn trước nhưng công suất lại lớn hơn do mạch cung cấp đủ dòng để dẫn vào vùng bão hòa, công suất này có thể vượt quá chỉ tiêu của tải. Do đó trong thực hành người ta thiết kế mạch giao tiếp có đủ khả năng khuếch đại dòng ở điểu kiện chuyển tiếp. 2./Giao tiếp giữa CMOS với phần tử công suất: Đặc tính dòng điện ra của CMOS cho thấy khả năng dòng nguồn và dòng nhận của CMOS rất đa dạng tùy thuộc vào loại thường hay loại đặc biệt. Muốn thiết kế chíng xác phải có đầy đủ các thông số liên quan đến CMOS dự đònh dùng. CMOS không thể thúc trực tiếp một đèn Led ngay cả khi hoạt động ở V dd = 15V. Hình (H.V.2a) trình bày cách thúc Led dùng Transistor giao tiếp Hình V.2a . Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 34 Khi muốn CMOS thúc tải có yêu cầu dòng lớn ta dùng Transistor Darlington có h fe tương đương rất lớn thường là trên 1000. Khi tải hoạt động ở thế lớn thì phải thêm Transistor cách ly cao thế khỏi mạch CMOS sau đó ta có thể dùng Transistor Darlington công suất. Khi tải có yêu cầu dòng lớn ta có thể theo hình V.2.b. 3./ Giao tiếp giữa CMOS với Triac và Thyristor: Khi tải hoạt động với điện xoay chiều, chủ yếu là mạng điện 50HZ với điện áp là 110V hay 220V, bộ phận thúc tải trực tiếp là Triac hay Thyristor, tất nhiên là phải có thên Transistor làm trung gian giữa mạch Logic và Triac hay Thyristor. Có nhiều đặc tính kỹ thuật liên quan đến Triac hay Thyristor, quan trọng nhất là dòng điện tối đa, điện áp đỉnh mà không bao giờ vượt quá. Dòng này tối thiểu phải áp dụng ở cửa thay đổi vài trăm ở Thyristor, Triac nhạy, chủ yếu là loại công suất thấp, đến vài chục mA ở công suất lớn. Ở trường hợp mạch TTL hay CMOS có thể thúc trực tiếp cửa Thyristor hay Triac, còn phải dùng Transistor làm trung gian. . Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 35 Hình V.3a Hình V.3a trình bày giao tiếp mạch Logic với Triac hay Thyristor để điều khiển hoạt động ở mạch điện xoay chiều. Hình V.3b 4./ TTL tác động mức thấp với tải hoạt động ở mức cao, dòng thấp: Tải điển hình nhất trong trường hợp này là Led có dòng tiêu biểu là 10mA và có điện thế hoạt động (1,7 – 2,1)V, khi ngõ ra Y thấp (hình V.4) Transistor T 0 ngưng dẫn, T 1 bão hòa và nhận dòng tối đa 16mA nên có thể tách được Led, phải thêm điện trở giới hạn dòng. . Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 36 mAI V V V R Led CCsatddCC 10 3 , 1 _ 7 , 1 _ 5 = _ _ = =>R=300 Hình V.4 5./ TTL tác động ở mức cao: Vấn đề cơ bản nhất là khi ngõ ra ở mức cao mạch TTL chỉ có thể cung cấp dòng điện rất hạn chế 400mA, ở TTL loại thường, dòng điện không chỉ đủ sáng ngay cả đèn led. Ta có thể thêm cửa để lật trạng thái và dùng khả năng dòng lớn ở mức thấp để hoạt động tải. Ta cũng có thể dùng Transistor giao tiếp như hình (H.V.5) Hình V.5 . Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 37 6./ TTL tác động ở mức thấp Hình V.6 Khi tải tiêu thụ dòng thấp, nhưng thế cao mới hoạt động được như Rơle, đèn Neon, mạch giao tiếp còn có nhiệm vụ cách ly cao thế không tác động lên Transistor bên ngoài mạch. Hình V.6c . Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 38 Chương III THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM TẦN SỐ I./ KHỐI TOÀN SƠ ĐỒ MẠCH: 1./ Sơ đồ khối toàn mạch: 2./ Trình bày nguyên lí toàn mạch a Khối dao động chuẩn 32KHZ: Tạo dao động có tần số ổn đònh, từ dao động này chia xuống để được dao động có tần số xung là 1HZ. b Khối chia: Để tạo xung điều khiển có tần số 1HZ từ dao động chuẩn. c Khối khống chế 1 giây: Tạo sự đồng bộ cho mạch làm việc. d Khối chia tần: Nhằm mở rộng giới hạn tần số cần đo. e Khối đếm: là mạch đếm xung của tín hiệu vào dưới dạng mã BCD. f Khối giải mã: Chuyển đổi mã số từ khối đếm sang mã số của khối hiển thò tương ứng, cụ thể là bộ đếm là mã BCD còn hiển thò là LED 7 đoạn thì cần dùng IC giải mã BCD sang LED 7 đoạn. Khi số lượng LED hiển thò nhiều thì người ta dùng kỹ thuật chỉ báo đa hợp để giải mã. g Khối chỉnh dạng xung: Mạch đếm chỉ làm việc với tín hiệu có dạng xung vuông, khối này chỉnh dạng sóng cho đúng yêu cầu của mạch đếm. h Khối giảm biên độ tín hiệu ngõ vào nhằm hạn chế biên độ tín hiệu cho phù hợp với mạch đo. . Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 39 i Khối nguồn: Cung cấp nguồn nôi cho toàn mạch hoạt động. 3./ Đặc điểm và yêu cầu mạch thiết kế: a./ Yêu cầu cuả mạch: – Tần số làm việc của mạch nằm trong dãy tần số âm tần từ 5 đến 20KHZ. – Độ miễn nhiễu phải cao. – Mạch phải có công suất tiêu tán thấp. – Từ những đặc điểm và yêu cầu này ta chọn IC làm việc thuộc họ CMOS là loại IC có những đặc điểm phù hợp với yêu cầu. b./ Đặc điểm của họ CMOS: – Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi từ 3 V đến 15V, thông số kỹ thuật cho trong sổ tay thường áp dụng nguồn 5V đến 10 V, cũng có một số vi mạch cho phép nguồn ở 15 V, thông thường điện áp nguồn nuôi cho họ CMOS là 5 V. – Công suất tiêu tán cho mỗi cửa cổng rất thấp, 5nW ởnguồn nuôi là 5V. – Giữa họ 40xx và họ 74xx có cùng điện áp nguồn là 5V nhưng các mức điện áp vào ra và cả lề nhiễu cuả hai cũng không giống nhau, lề nhiễu của CMOS là 1V và TTL là 0.4 V. – Độ miễn nhiễu cao thường 45% điện thế nguồn cung cấp V DD . – Tốc độ giao hoán thấp vào khoảng 5 MHZ. – Dòng điện ngõ vào nhỏ khoảng 10 nA. – Tổng trở ngõ vào rất lớn 10 11 mắc song song với tụ điện 5 pF. – Tổng trở ngõ ra nhỏ khoảng vài trăm OHM. – CMOS không thể thúc trực một đèn LED ngay cả khi hoạt động ở 15 V. – Các CMOS đệm có khả năng dòng khá lớn. – Do tổng trở vào mạch logic CMOS lớn nên số fan out cũng lớn trên 50. – Rất ít nhạy cảm với nhiệt độ. – Nhiệt độ làm việc: – Thương mại: 40 C đến 85 C. – Trong quân đội: 55C đến 125 C. – Thời gian trễ đối với mạch logic CMOS là không đáng kể. II./ MẠCH DAO ĐỘNG CHUẨN: 1./ Mạch dao động chuẩn tần số 32 khz: Mạch đo tần số hoạt động dựa trên nguyên tắc là đế xung tín hiệu vào trong thời gian 1 giây. Trong thiết bò đo lường điện thì độ chính xác của thiết bò được đặt lên hàng đầu vì vậy mạch dao động chuẩn này được tạo ra từ mạch dao động dùng thạch anh có tần số là 32 KHZ. . Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 40 Cổng NOT N 1 , N 2 kết hợp với điện trở R 1 , R 2 tụ điện C và thạch anh XTAL để tạo mạch dao động có tần số dao động đúng bằng tần số của thạch anhlà 32 KHZ. Cổng NOT N 3 là cổng đệm nhằm phân cách tải với mạch dao động đồng thời tăng khả năng dòng và đònh dạng sóng của nguồn tín hiệu dao động. Xung mở cổng and để đưa tín hiệu cần đo vào mạch đếm trong thời gian là 1 giây nghóa là tần số xung mở cổng là 1 HZ, do đó cần phải có mạch chia tần số chuẩn 32 KHZ xuống tần số thấp là 1 HZ. 2./ Mạch chia tần số tạo dao động có tần số 1hz Trong mạch này ta sử dụng các loại IC đếm thập phân để tạo thành mạch chia, để dao động 1 HZ từ dao động chuẩn 32 KHZ thì cần mạch chia 32000. Dạng mạch chia như sau: IC đếm 4518B bao gồm hai bộ đếm 10 bên trong ta kết nối lại để được bộ chia 100 chân 7, 15 là ngõ vào reset mạch đếm tác dộng ở mức cao, để mạch đếm bình thường nên được nối xuống mass. Chân 6, 10 nối chung lại với nhau để đưa tín hiệu từ tầng trước sang tầng sau. Chân 1, 9 là ngõ vào xung clock tác động ở cạnh sau được nối mass. Tín hiệu xung được đưa vào . Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 41 chân 2 là ngõ vào xung clock tác động ở cạnh trước, tín hiệu xung lấy ra ở chân 14 có tần số là 320 HZ được đưa tiếp vào mạch 320. Bộ chia 327 sử dụng IC 4040B là loại IC đếm nhò phân có 12 ngõ ra từ 0 0 đến 0 11 , số đếm tối đa là 2048 nhưng do yêu cầu là mạch chỉ chia đến 327 nên cần sử dụng các cổng and để tổng hợp các ngõ ra để được mạch chia 327. Số thập phân 327 được mã hóa theo số nhò là 101000111, các ngõ ra ở mức cao [1] được đưa vào các ngõ vào của cổng and, ngõ ra cuối cùng của cổng and A 4 là tín hiệu xung có tần số 1 HZ, đồng thời tín hiệu này cũng được đưa về chân 11 của IC 4040B reset lại mạch chia. III./ MẠCH CHIA TẦN SỐ NGÕ VÀO VÀ MẠCH KHỐNG CHẾ THỜI GIAN ĐẾM TRONG 1 GIÂY: 1. Mạch chia tần số: Do mạch hiển thò chỉ dùng 4 LED nên kết quả đo có thể hiển thò được là 9999 HZ, nhưng yêu cầu đặt ra khi thiết kế là thiết bò phải đáp ứng được tần số 20000 HZ vì vậy cần có mạch chia tần số tín hiệu ngõ vào nếu như khi đo tín hiệu có tần số lớn hơn 9999 HZ thì ta chuyển sang giai đo nhân 10 hay nhân 100 để dễ đọc kết quả hơn. Từ những yêu cầu đặt ra ta thiết kế dạng mạch chia như sau: Dùng hai IC 4017B là loại IC đếm 10 thuộc họ CMOS và công tắc 3 vò trí để tạo các giai đo. Trong mạch này sử dụng IC 4017B làm phần tử chia để đơn giản cho việc thiết kế mạch in hơn là dùng IC đếm 4518B nhưng phải dùng đến hai IC mới có được bộ chia 100. Tín hiệu cần đo tần số đưpợc đưa vào chân 14 của IC 1 , ngõ ra 0 9 (chân 11) được nối qua chân 14 của IC 2 để được chia tiếp dồng thời tín hiệu cũng được lấy ra làm giai đo nhân 10 vì tần số đã được chia đi 10 lần so với tín hiệu tại ngõ vào.Tại chân 11 của IC 2 tín hiệu cũng được lấy ra lam giai đo nhân100 vì tín hiệu đã được chia 100 lần so với tần số tín hiệu tại ngõ vào chân 14 của IC 1 , ngay ngõ vào này cũng lấy tín hiệu ra làm giai đo (x1) . . Mô Hình Máy Đo Tần Số Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh 35 Hình V.3a Hình V.3a trình bày giao tiếp mạch Logic với Triac hay Thyristor để điều khiển hoạt động ở mạch. hiệu cần đo vào mạch đếm trong thời gian là 1 giây nghóa là tần số xung mở cổng là 1 HZ, do đó cần phải có mạch chia tần số chuẩn 32 KHZ xuống tần số thấp là 1 HZ. 2./ Mạch chia tần số tạo. có tần số 1HZ từ dao động chuẩn. c Khối khống chế 1 giây: Tạo sự đồng bộ cho mạch làm vi c. d Khối chia tần: Nhằm mở rộng giới hạn tần số cần đo. e Khối đếm: là mạch đếm xung của tín hiệu vào