đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế mạch đo lường hiển thị số điện áp

Nguyenvanbientbd47@gmail.com 1 Mục Lục Lời nói đầu:.Trang 2 Nhiệm vụ: Các phơng án thực hiện đề tài: Trang 3 Sơ đồ khối mạch: .Trang 4 Phân tích nguyên lý hoạt động từng khối: - Khối lấy tín hiệu:.Trang 5 - Khối phát xung chuẩn: Trang 6 - Khối chia tần: .Trang 11 - Khối phát xung răng ca: Trang 16 - Khối so sánh: Trang 17 - Khối Trigơ D: Trang 19 - Khối đếm Modul 10-4 đêcac: Trang 21 - Khối tạo xung xoá: Trang 22 - Mạch chốt: Trang 24 - Khối tạo xung chốt: Trang 26 - Phần hiển thị: . Trang 27 Đánh giá sai số hệ thống: Trang 29 Kết luận: Trang 30 Nguyenvanbientbd47@gmail.com 2 Lời nói đầu: Điện năng là một nguồn năng lợng thiết yếu cho cuộc sống. Hầu hết các trang thiết bị hiện đại phục vụ cho sinh hoạt của con ngời đều sử dụng năng lợng điện. Trong quá trình làm việc của các thiết bị này, khi xảy ra sự cố về điện, nếu không xử lý kịp thời có thể gây hậu quả nghiêm trọng ảnh hởng đến sinh hoạt và sản xuất. Để thuận tiện cho việc vận hành, theo dõi quá trình làm việc của các trang thiết bị này, cần thờng xuyên kiểm tra các thông số của thiết bị nh: dòng điện, điện áp để tránh hiện tợng quá dòng, quá áp gây sai hỏng thiết bị. Với mục đích đó, nhóm sinh viên chúng em chọn đề tài Nghiên cứu thiết kế mạch đo lờng hiển thị số điện áp ( hoặc dòng điện). Thông qua những số liệu đo đợc, ngời sử dụng có thể phát hiện kịp thời những sự cố về điện và có biện pháp xử lý thích hợp, nhờ đó tránh đợc những ảnh hởng không mong muốn. Đề tài trình bày các nội dung chính: + Các phơng án thực hiện đề tài + Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống + Sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động và giản đồ tín hiệu ra của từng khối Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hớng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS Nguyễn Nam Quân và các thầy trong Bộ môn đã giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện bản thiết kế này. Do thời gian và kiến thức còn hạn hẹp, bản báo cáo thiết kế mạch logic của chúng em còn nhiều thiếu sót. Chúng em rất mong nhận đợc sự góp ý và đánh giá của thầy cô để bản báo cáo đợc hoàn thiện. Chúng em xin chân thành cảm ơn. Nhóm sinh viên: Phan Thanh Hiền Nguyễn Hồng Hoa Hà Huy Hùng Nhiệm vụ: Nguyên lý hoạt động của mạch đo lờng hiển thị tín hiệu điện áp, dòng điện hay công suất là tơng tự nhau. Do đó bản báo cáo này chỉ chọn trình bày về mạch đo lờng hiển thị tín hiệu điện áp. Trên cơ sở đó, có thể thiết kế mạch đo lờng hiển thị dòng điện và công suất. Nhiệm vụ: + Đo tín hiệu điện áp của một thiết bị tại một thời điểm. + Hiển thị số giá trị điện áp đo đợc ( tối đa là 999.9v ). Các phơng án thực hiện đề tài: Nguyenvanbientbd47@gmail.com Phơng án 1: Nh ta đã biết điện áp lới trung bình khoảng 220v~ tàn số khoảng 50Hz , ta có thể thực hiện theo sơ đồ sau: Khối giải mã (4) Khối biến đổi A/D(3) Khối chỉnh lu(2) Khối lấy tín hiệu (1) Khối hiển thị (5) Khối 1 : Sử dụng biến áp ( hay biến dòng) để lấy tín hiệu áp ( hay tin hiệu dòng )tỉ lệ với tín hiệu điện trong mạch. Tín hiệu ra là tín hiệu xoay chiều Khối 2 : Dùng bộ chỉnh lu cầu kết hợp với tụ san phẳng biến điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều Khối 3 : Sử dụng bộ biến đổi A/D chuyển tín hiệu tơng tự sang tín hiệu số. Tuy nhiên trong nhiệu vụ của đề tài này tín hiệu số phải là tín hiệu BCD để da ra hiển thị -> không dùng bộ biến đổi A/D Khối 4: Sử dụng bộ giải mã BCD đa ttín hiệu số sang tín hiệu dạng thập phân có thể hiển thị bằng đèn LED 7 thanh Khối 5 : Sử dụng đèn LED 7 thanh dể hiển thị Sơ đồ tín hiệu của hệ thống: 1001101 Giải mã Bộ biến dổi A/D tạo mã nhị phân mà bộ giải mã cần mã BCD Không sử dụng đợc A/D LED Phơng án thực hiện đề tài: 3 Nguyenvanbientbd47@gmail.com I/ - Mạch đo lờng hiển thị điện áp (hoặc dòng điện) : Trong quá trinh làm việc của tất cả các thiết bị cũng nh các tải sử dụng trong sinh hoạt để thuận tiện cho việc vận hành và theo dõi quá trình làm việc của chúng,ta có thể tiến hành đo dòng điện hoặc điện áp hiển thị số . Thông qua đó mà ngời sử dụng phát hiện những sự cố xảy ra và nhanh chóng xử lý kịp thời. Để thực hiện đợc đo dòng điện và điện áp ta xay dựng sơ đồ khối sau : Lấ y tín hiệu (1) So sánh (5) (6) D Q C Tao xung xoá ( 8 ) Phát xung rca ( 4 ) Phát xung chủ đạo ( 2 ) Đếm modul 10- 4 đề các (7) Giải mã 7 thanh (11) Tạo xung chốt (9) Mạch chốt (10) Chia tần ( 3 ) Hiển thị (12) Trong đó : + Khối 1 : Lấy tín hiệu Thông qua biến dòng hoặc biến áp để lấy tín hiệu dòng hay áp tỉ lệ với dòng - áp trong mạch + Khối 2 : Khối phát xung chuẩn. + Khối 3 : Khối chia tần. + Khối 4 : Khối phát xung răng ca. + Khối 5 : Khối so sánh tín hiệu vào lấy từ khối lây tín hiệu và điện áp răng ca lây từ khối phát xung răng ca 4 Nguyenvanbientbd47@gmail.com + Khối 6 : Trigơr D, khoá K. + Khối 7 : Khối đếm modul 10 4 đề các + Khối 8 : Khối tạo xung xoá. + Khối 9 : Khối tạo xung chốt. + Khối 10 : Mạch chốt. + Khối 11 : Khối giải mã 7 thanh. + Khôi 12 : Khối hiển thị. Từ sơ đồ khối ta phân tích nguyên lý làm việc của từng khối nh sau : II/Phân tích nguyên lý từng khối 1- Khối lấy tín hiệu: A. Lấy tín hiệu áp( Lấy tín hiệu dòng Công suất ): Đo điện áp của mạch, dùng biến áp để lấy tín hiệu áp tỉ lệ với điện áp trong mạch điện (Máy hạ áp). Tín hiệu điện áp lấy ra từ cuộn thứ cấp của máy biến áp đợc đa vào bộ chỉnh cầu (có tụ loc san phẳng), khi đó tín hiệu ra là tín hiệu điện áp một chiều. Sơ đồ nguyên lý của mạch nh sau: Do tín hiệu lấy ra sẽ đợc đa vào Bộ so sánh với xung răng ca có biên độ đỉnh là 10v nên ta chọn linh kiện trong khối lấy tín hiệu nh sau: 5 + Máy biến áp: Do yêu cầu của mạch so sánh, cho phép U vào có điện áp lớn nhất bằng Umaxrc = 10V. Máy biến áp sử dụng là loại hạ áp. Nguyenvanbientbd47@gmail.com + Bộ chỉnh lu cầu: Sử dụng điôt 1N4007 + Tụ điện C: Chọn tụ C có giá trị 0.1 à F + Bộ phân áp: Điều chỉnh điện áp đa đến bộ so sánh 2-Khối phát xung chuẩn: Nhiệm vụ của khối này là phát xung có tần số cao (1Mhz) để đa đến mạch chia tần và mạch đếm xung. Khi tần số của mạch phát xung càng cao thì sai số của mạch càng nhỏ.Ta thiết kế sao cho 1V của điện áp lới tơng đơng với 10 xung đa đến bộ đếm. Ta giả thiết mạch thiết kế đo đợc điện áp tối đa là 999.9v. Trong một chu kì đếm có tối đa 9999 ( 10000) xung đa đến bộ đếm tức là đo đợc điện áp 999.9V điện áp lới. Mà tần số điện áp lới là 50Hz . Vậy ta phải có mạch phát xung có tần số : F0 =2*50*10000 = 1000000Hz (1Mhz) Để thực hiện bộ phát xung chuẩn này ta có thể thực theo các phơng án sau: Phơng án 1: Dùng mạch khuếch đại dao động: Sơ đồ nguyên lý: +E Ura T1 T2 Nguyên lý hoạt động: Mạch trên có hai trạng thái không ổn định và tự động chuyển đổi giữa hai trạng thái này. Hai trạng thái đó là: T 1 thông và T 2 tắt. T 1 tắt và T 2 thông. 6 Nguyenvanbientbd47@gmail.com Giả sử T 1 thôngC 2 nạp từ +EC 2 đất. Với thời gian nạp là: nạp =C 2 .R C2 . T 2 tắtC 1 phóng qua R C2 ,R B1 với thời gian phóng là: phóng = C 1 (R B1 +R C1 ). Nếu ta chọn linh kiện cân đối:R C2 =R C1 =R C R B2 =R B1 =R B C 1 =C 2 =C Ta thấy thời gian nạp lớn hơn thời gian phóng. Giá trị điện áp trên tụ C 1 giảm dần tức là U B2 du7ơng đần lên.Khi C 1 phóng đến lúc chạm điện áp cắt của T 2 làm cho T 2 từ tắt thành thông,T 1 từ thông thành tắt.Lúc này C 2 phóng,giá trị diện áp trên C 2 giảm dần,thời gian phóng của C 2 duy trì cho T 1 tắt và khi C 2 phóng chạm điện áp cắt thì T 1 lại từ tắt sang thông và T 2 lại từ thông sang tắt.Quá trình nh thế cứ tự chuyển đổi lẩn nhau. Chu kỳ tạo xung vuông: = phóng + nạp = C 1 (R B1 +R C1 )+ C 2 .R C2 . Tuỳ ta chọn R và C mà ta có thể có xung có tần số khác nhau. Tuy nhiên đối với mạch trên thì có các nhợc điểm sau: -Dải tần không cao:100hz-200khz -Độ ổn định tần số kém:f+f với f biến thiên lớn. Ta không thể sử dụng sơ đồ mạch trên. Phơng án 2: Sử dụng IC 555 có sơ đồ nguyên lý của hệ thống: Giản đồ điện áp nh sau: 7 Nguyenvanbientbd47@gmail.com Giản đồ điện áp trên cho thấy xung ra của tín hiệu có tần số có thể đáp ứng yêu cầu. Tuy nhiên chu kỳ tín hiệu cha hoàn toàn ổn định. Đồng thời sự hoạt động của vi mạch 555 có độ ổn định nhiệt kém. Phơng án 3: Trong thực tế ngời ta thờng dùng thạch anh 1 MHz để tạo đao động. Do mạch tạo xung bằng thạch anh dao động có tần số ổn định và đồng thời thạch anh có độ ổn định hiệt cao, ít bị ảnh hởng của môi trờng xung quanh gây méo tín hiệu và thay đổi tần số làm việc. Vậy trong trờng hợp này ta sẽ sử dụng thạch anh để tạo xung chuẩn cho toàn bộ hệ thống. Sơ đồ nguyên lý của mạch: + Sử dụng IC 4011 với sơ đồ cấu tạo nh sau: Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 9 8 Sơ đồ nguyên lý: 8 Nguyenvanbientbd47@gmail.com V dd =12 V Trong đó: Cổng logic NAND: Xét trờng hợp có hai biến số A, B đầu ra ở cổng Và Y= A.B nên đầu ra ở cổng Không là đảo của Y: Y= BA. Về hoạt động của cổng NAND thì từ các tổ hợp của A, B ta lập bảng trạng thái rồi lấy đảo để có Y đảo. Tuy nhiên có thể trực tiếp bằng cách lập bảng sự thật sau: Ký hiệu cổng NAND 9 Nếu A=B thì Y nhận hai mức lôgic 0 hoặc 1 -Dao động 1Mhz đợc tạo ra rừ chân 4 của IC 4011 . Ta có thể thay IC 4011 bằng IC 7404, + Sử dụng IC7404: Sơ đồ cấu tạo của IC7404: A B Vcc 6A 6Y 5A 5Y 4A 4Y 13 12 11 10 9 8 14 Y Nguyenvanbientbd47@gmail.com Sơ đồ nguyên lý nh sau: Trong đó: Cổng logic Đảo (NOT) Hàm Và và hàm hoặc tác động lên hai hay nhiều biến số trong khi đó, hàm Đảo có thể xem nh chỉ có thể tác động lên một biến số. Bảng sự thật: Y = A A Ký hiệu hàm Đảo (NOT) 2- Khối chia tần: 10 [...]... so sỏnh: -Nhiệm vụ: So sánh điện áp răng ca( lấy từ Khối tạo điện áp răng ca) với điện áp ra sau mạch chỉnh lu cầu( lấy từ Khối lấy tín hiệu áp tỷ lệ với điện áp trong mạch) -Sơ đồ nguyên lý: Mạch so sánh có hai tín hiệu vào: điện áp răng ca( Urc) và điện áp vào một chiều( Uv), mắc nh hình vẽ: -Nguyên lý hoạt động: 17 Nguyenvanbientbd47@gmail.com Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh hai giá trị đầu vào... theo dõi ta thiết kế mạch hiển thị với tần số 1Hz Nh vậy để số liệu khong đợc đọc ra một cách liên tục phải dùng mạch chốt số liệu để số liệu đa ra trùng với khoảng thời gian và tần số hiển thị Chỉ trong một chu kỳ nào đó ta cho hiển thị, số liệu của chu kỳ đó sẽ đợc dữ lại và đa ra một xung đến ( xung chốt ) ra lệnh cho đọc và khoá đầu ghi số liệu lại Nh vậy 50 chu kỳ của điên áp lới số liệu đợc đa... cờng độ ánh sáng thay đổi theo cờng độ dòng điện chay qua tiếp giáp Sơ đồ nguyên lý: a b c - d a f b g e c d e f - g Ta chọn đèn LED loại BS201A có các thông số kỹ thuật sau: Độ sáng (FL) > 15 (7 thanh) Điện áp công tác thuận ( 1.5V ữ 3V ) 28 Nguyenvanbientbd47@gmail.com - Dong điện dò ngợc < 50nA Điện áp ngợc đánh thủng > 5V Dòng điện cực đại 150 mA III/Đánh giá sai số hệ thống : Ưu điểm mạch đo lờng... DZ1, DZ2, DZ3, DZ4, Dz5, Dz6 loại 1N370 điện áp 5V 22 Nguyenvanbientbd47@gmail.com + IC1, IC2 chọn IC à A741 Gian đồ điện áp: U Sau chia tần t U Sau bộ đảo t Uc1 điện áp ngỡng 1 t UDz15 t Uc10 điện áp ngỡng 2 Ura t (xung xoá) t 9- Khối mạch chốt: 23 Nguyenvanbientbd47@gmail.com Do tín hiệu điện của mạch điện biến thiên một cách liên tục với tần số 50Hz làm mạch hiển thị cũng thay đổi theo Mắt con ngời...Nguyenvanbientbd47@gmail.com Nh ở mạch phát xung chuẩn ta đã biết tần số F = 1Mhz Nghĩa là tơng ứng với 10 xung của bộ phát xung chuẩn là 1V điện áp mạch ngoài cần đo Ta giả thiết mạch hiển thị của ta hiển thị tối đa là 999.9V Vậy ta phải làm sao cho mạch so sánh có Uvaomax = Urcmax thì xung ra mạch so sánh có độ rộng ( hay thời gian tồn tại ) bằng 9999 (10000) độ rộng... thị: Để hiển thị số điện áp dới dạng mã thập phân ta sử dụng đèn LED 7 thanh Nguyên lý hoạt động của đèn LED 7 thanh dựa trên các Điôt phát quang Điôt phát quang (LED) là một tiếp giáp P N chế tạo bằng hợp chất bán dẫn Gali Acxênie hay Gali Phốt pho Tiếp giáp này có đặc tính phát ra ánh sáng có màu ( đỏ xanh lá cây) Khi dẫn điện theo chiều thuận ánh sáng phát ra do hiện tợng kết hợp của điện tử... điều khiển Suy ra ta thu đợc đầu ra Q của TrigơD có dạng tín hiệu xung vuông, độ rộng xung tỉ lệ với gía trị điện áp đa vào Tín hiệu ra của TrigơD và tín hiệu ra từ bộ phát xung chuẩn đuợc đa đến đầu vào mạch AND Tín hiệu ra thu đợc là dãy các xung chuẩn có chu kỳ bằng chu kỳ điện áp lới và số xung chuẩn trong một chu kỳ tỉ lệ với điện áp đầu vào hay tỉ lệ với điện áp lới cần đo Giản đồ điện áp: 19... chốt đợc đa đến mạch chốt số liệu ta cho xung xoá tới Xung xoá sẽ chậm hơn xung chốt một thời gian ngắn Xung xoá đợc đa đến liên tục sau mỗi chu kỳ điện áp lới Do vậy ta lấy xung xoá là xung ra từ mạch chia tần đã qua bộ đảo và đợc làm trễ đi một khoảng thời gian thích hợp Sơ đồ nguyên lý nh sau: Mạch so sánh 1 Mạch tích phân R Mạch vi phân Mạch so sánh 2 Nguyên lý làm việc của sơ đồ nh sau: Khi có... đầu vào đảo của IC741 tụ C1 đợc nạp điện Tụ đợc nạp theo đờng từ R ->C1 -> mát Điên áp trên C1 tăng rần theo hàm mũ và giá trị điện áp cực đại có thể điều chỉnh bởi R3, thời gian nạp (T = R* C1) của tụ có thể thay đổi bởi giá trị tụ và điện trở R Đầu vào đảo của IC1 đợc nối với nguồn chuẩn tạo bởi mạch ổn áp thông số DZ2 và R1 tạo ra giá trị điện áp ngỡng để so sánh Đồng thời khi đầu ra IC1 xuất hiện... sử dụng 2 IC 7490/74LS90 có sơ đồ nguyên lý mắc thành bộ đếm chia 25 nh sau: Giản đồ điện áp: 25 xung t 0 11- Khối giải mã: t Mạch giải mã: 26 Nguyenvanbientbd47@gmail.com Để giải mã đợc số nhị phân BCD thành số thập phân ta xây dựng hàm cho từng thanh Các số từ 0 -> 9 đợc thể hiện qua các thanh sáng trong bảng sau: ng vào Trạng thái các hàm Trạng thái các hàm ra ển thị số X3 X2 X1 X0 a b c d e f g 0 . đề tài Nghiên cứu thiết kế mạch đo lờng hiển thị số điện áp ( hoặc dòng điện) . Thông qua những số liệu đo đợc, ngời sử dụng có thể phát hiện kịp thời những sự cố về điện và có biện pháp xử lý. sở đó, có thể thiết kế mạch đo lờng hiển thị dòng điện và công suất. Nhiệm vụ: + Đo tín hiệu điện áp của một thiết bị tại một thời điểm. + Hiển thị số giá trị điện áp đo đợc ( tối đa là. So sánh điện áp răng ca( lấy từ Khối tạo điện áp răng ca) với điện áp ra sau mạch chỉnh lu cầu( lấy từ Khối lấy tín hiệu áp tỷ lệ với điện áp trong mạch) . -Sơ đồ nguyên lý: Mạch so sánh có