Thiết kế bộ đo tần hiển thị số

phần I: Giới thiệu đề tài và yêu cầu của đề tài1.Đề tài Thiết kế bộ đo tần hiển thị số 2.Yêu cầu -Đối với tín hiệu vào: +Biên độ đạt từ 5 mV đến 50 mV +Tín hiệu vào có thể hình sin, xung

phần I: Giới thiệu đề tài và yêu cầu của đề tài

1.Đề tài

Thiết kế bộ đo tần hiển thị số

2.Yêu cầu

-Đối với tín hiệu vào:

+Biên độ đạt từ 5 mV đến 50 mV +Tín hiệu vào có thể hình sin, xung vuông, xung tam giác

+Tần số từ 0 đến 9999 Hz -Kết quả ra: phải ở dạng hiện số ra Led 7 thanh

3 Kết quả đã đạt đợc

-Đối với tín hiệu vào:

+Biên độ nhỏ nhất có thể là một vài mV cho đến một vài Vôn +Tín hiệu vào có thể là hình sin, xung vuông, xung tam giác +Tần số hiển thị cực đại cho phép lên đến 999999 Hz(1 Mhz theo sơ đồ nguyên lý) Tần số đo đợc thực tế khoảng vài chục KHz

phần II: phân tích mạch

1.Phân tích để tạo sơ đồ khối

-Do yêu cầu của tín hiệu vào có biên độ rất nhỏ, do đó phải có một bộ

tiền khuếch đại ở đầu vào

-Do yêu cầu hiển thị số nên phải có một bộ đếm ở đầu ra làm nhiệm

vụ đếm tần số và hiển thị ra Led 7 thanh

-Vì đầu vào tơng tự ở dạng hình sin, xung vuông, xung tam giác đầu ra

là một mạch đếm số do đó phải có một mạch sửa dạng tín hiệu chuyển tất cả

tín hiệu về dạng xung vuông để các mạch số có thể làm việc đợc

2.Sơ đồ khối của bộ đo tần số

3.Yêu cầu cho từng khối

-Tầng khuếch đại:

+Giữ nguyên tần số tín hiệu +Có thể khuếch đại điện áp vào ít nhất từ 5 mV trở lên +Điện áp ra phải từ khoảng 1V trở lên

-Tầng sửa dạng: với mọi tín hiệu ở đầu vào phải cho đầu ra ở dạng

xung vuông có đủ tiêu chuẩn cho một mạch số ở tầng sau

-Mạch đếm: đủ khả năng phản ứng với tốc độ biến đổi xung ở đầu vào,

cho kết quả tơng ứng chính xác ở đầu ra

Khuếch

đại

phần III: Thiết kế các khối

A.Thiết kế phần gia công tín hiệu nhỏ tơng tự

1.Khối tiền khuếch đại

-Do sự hạn chế về thiết bị đo lờng các tín hiệu tơng tự (Oxilô, máy hiện dạng sóng, đồng hồ đo ) nên mạch khuếch đại phải đạt yêu cầu đơn giản, dễ điều chỉnh, dễ tính toán Do đó mạch khuếch đại dùng IC khuếch

đại thuật toán đợc chọn Loại dùng phổ biến rất dễ mua là HA17741 do hãng Hitachi sản xuất

-Một số thông số điển hình của IC HA17741

Điện áp cung cấp (nguồn) 5 đến 18 V

Khả năng khuếch đại điện áp 108 dB

Công suất ra tải 670 mW

Điện áp ra khuếch 13V

-Sơ đồ mạch khuếch đại đợc sử dụng là sơ đồ khuếch đại không đảo (giữ nguyên pha, tần số của tín hiệu vào):

-Để đáp ứng đợc yêu cầu biên độ tín hiệu vào của bộ tiền khuếch đại

là 5mV, điện áp ra tơng ứng với nó chọn khoảng 2 đến 2,5V ta tính đợc hệ số khuếch đại là(các phép tinh coi nh gần đúng khi giả sử hệ số khuếch đại vi sai vô cùng lớn):

Ku=2,5/5.10-3=500 -Do đó chọn mạch hồi tiếp có giá trị gần nhất là:

R1=1k R2=560k

=>Ku=560 -Do các mạch số chỉ hoạt động với tín hiệu một cực tính nên ta chủ

động cắt bỏ phần âm của tín hiệu bằng cách chỉ cung cấp nguồn một cực tính cho HA17741 (trên hình vẽ)

-Với biên độ tín hiệu vào nhỏ hơn 0.8*Vcc/Ku=0.8*8/560 khoảng 10mA thì tín hiệu ra khỏi tầng không méo Dạng và tần số tín hiệu ra giống nh tín hiệu vào

-Qua chơng trình mô phỏng trên máy tính ELECTRONICS WORKBENCH 5.12 ta có dạng sóng tại cửa vào và cửa ra tại các biên độ điện áp khác nhau của tín hiệu vào nh hình vẽ:

-Tín hiệu vào hình sin biên độ 5mV tần số 1KHz:

-Tín hiệu vào là xung tam giác biên độ 5mV tần số 1KHz:

-Tín hiệu vào là xung vuông 5mV 1KHz:

-Khi biên độ tín hiệu đầu vào lớn hơn 0.8*Vcc/Ku thì đầu ra có méo dạng nhng tần số không thay đổi Tuy nhiên sự méo dạng này lại rất có ích

và có thể cho đó là quá trình sửa dạng sơ bộ vì tín hiệu cuối cùng chúng ta cần là xung vuông

-Khi để tín hiệu vào là 25mV hình sine tần số 1KHz ta thu đợc dạng sóng:

-Tín hiệu là xung tam giác 25mV 1KHz:

-Tín hiệu là xung vuông 25mV 1KHz:

2.Khối sửa dạng

Sau khi đã khuếch đại tín hiệu ta tiến hành sửa dạng tín hiệu thành dạng xung vuông nh mong muốn để đa vào tầng đếm số Khối này phải đáp ứng đợc các yêu cầu khi đa các tín hiệu có dạng sine, xung răng ca hay xung vuông vào đầu vào thì đầu ra phải có dạng xung vuông mang đầy đủ các chỉ tiêu để các mạch số có thể làm việc đợc Ta có thể đáp ứng các yêu cầu trên với một bộ so sánh dùng IC thuật toán:

Nguyên lý làm việc của mạch trên nh sau:

-Khi Vin lớn hơn 0V thì Vout = +Vcc -Khi Vin nhỏ hơn hoặc bằng 0V thì Vout = 0V

Với nguyên lý làm việc nh trên mạch so sánh có thể đáp ứng đợc các yêu cầu về sửa dạng xung một cực tính ở tầng ra của bộ khuếch đại

Thực hiện mô phỏng trên ELECTRONICS WORKBENCH 5.12 lấy các tín hiệu ở đầu ra của bộ khuếch đại làm đầu vào của bộ so sánh ta đợc các kết quả tơng ứng với những trờng hợp đã đo ở phần thiết kế bộ khuếch

đại

-Khi tín hiệu tầng vào đầu tiên là hình sin 5mV-1 KHz:

-Khi tín hiệu tầng vào đầu tiên là xung tam giác 5mV-1 KHz:

-Khi tín hiệu tầng vào đầu tiên là xung vuông 5mV-1 KHz:

-Khi tÝn hiÖu tÇng vµo ®Çu tiªn lµ h×nh sin 25mV-1 KHz:

-Khi tÝn hiÖu tÇng vµo ®Çu tiªn lµ xung tam gi¸c 25mV-1 KHz:

-Khi tÝn hiÖu tÇng vµo ®Çu tiªn lµ xung tam gi¸c 5mV-1 KHz:

Ta nhận thấy khi tín hiệu của tầng vào đầu tiên nhỏ ( ứng với trờng hợp cha bị méo) thì mạch so sánh tiến hành sửa dạng rất hiệu quả còn khi tín hiệu qua tầng khuếch đại đã bị méo thì mạch sửa dạng không còn hiệu quả lắm do dạng tín hiệu đã gần giống với xung vuông Do đó ta thấy khi tín hiệu cần đo tần có biên độ đủ lớn thì mạch khuếch đại có thể kiêm luôn chức năng sửa dạng Tiến hành đo thử với tín hiệu đầu vào hình sin 1V-1KHz:

Rõ ràng là tín hiệu đầu vào và đầu ra của mạch sửa dạng lúc này là rất giống nhau Vì vậy mạch sửa dạng chỉ có tác dụng dự phòng khi ta sử dụng thiết bị để đo các tín hiệu có biên độ nhỏ

3.Nhận xét chung:

Trong hai tầng gia công tín hiệu trên ta đều dùng các IC khuếch đại thuật toán để gia công tín hiệu vào Các chỉ tiêu của bộ đo tần sẽ phụ thuộc rất nhiều vào chất lợng gia công tín hiệu của hai tầng này

Về mặt tần số: do các IC này có thời gian trễ khá lớn khoảng us/V nên không thể làm việc đợc khi tần số tín hiệu vào cao (chỉ khoảng vài chục KHz trở xuống) Để khắc phục nhợc điểm này ta có thể thay thế bằng các IC có tốc độ phản ứng nhanh hơn nhiều(cỡ ns) nh uA710, A110, LM310-339 hoặc NE521

Trong đề tài này do yêu cầu tần số không cao(dới 10 KHz) và do linh kiện sẵn có nên để tiết kiệm các IC HA17741 đã đợc sử dụng Các IC này có

đủ khả năng đáp ứng đợc dải tần số yêu cầu

B.Bộ đếm

1.Giới thiệu về bộ đếm BCD 3 chữ số MC14553 của hãng Motorola

Sơ đồ chân của MC14553

-Trong MC14553 có 3 bộ đếm BCD hoàn chỉnh, một mạch quét để phục vụ hiển thị kết quả tại cùng một cổng ra

-Các chân DS1, DS2, DS3(Digit Select) chọn các Led 7 thanh hiển thị kết quả, tích cực ở mức thấp

-Các chân A,B,C,D là đầu ra mã BCD để đa vào bộ giải mã Led 7 thanh, tích cực mức cao

-LE (Latch Enable) cho phép chốt tích cực ở mức cao Khi đa tín hiệu mức 1 vào chân này thì trạng thái của ba bộ đếm sẽ đợc chốt

-CLK(Clock) đa xung đếm vào bộ đếm, tích cực sờn xuống

-MR (Master Reset): Khởi động lại bộ đếm mỗi khi có tín hiệu mức 1 -DIS (Disable): Vô hiệu hoá xung vào CLK(Clock) khi đợc đa lên mức 1

-OF (Over Flow): Tràn, mỗi khi có tràn sẽ có 1 xung ra

-C1,C2: Nối vào một tụ để tạo dao động quét cho mạch quét Khi cấp nguồn 10V thì tần số quét đợc tính fosc=4.2/C (Hz) tụ C tính ra uF

Bảng sự thật

x=Don’t care

Đây là bộ đếm dùng công nghệ MOS rất đa năng, gọn nhẹ có dải tần đến 1 vài MHz Điện áp cung cấp từ 5 đến 18 V, có thể ghép nối TTL

2.Sơ đồ bộ đếm

Dùng 2 IC MC14553 kết hợp với hai bộ giải mã, 6 Led 7 thanh, và một mạch ngoài ta có sơ đồ bộ đếm 6 Digit

Trong đó CLKin là chân đa tín hiệu cần đếm vào

CLK 1Hz đa tín hiệu 1Hz để Reset lại bộ đếm sau 1s và chốt đầu ra để hiển thị kết quả

Nguyên lý:

-Dãy xung đếm đợc đa vào chân CLKin (chân 12 của IC14553 thứ nhất) Mỗi khi tràn bộ đếm này thì sẽ có 1 xung ra chân OF(chân 14) gửi sang bộ đếm thứ hai

-Hai IC 4511 làm nhiệm vụ giải mã để đa ra Led 7 thanh

-Tại chân CLK 1s : sẽ có dãy xung vào có dạng

-Trong thời gian 1s không có xung, cả chân LE(Latch) và chân MR(Reset) đều ở mức 0 Bộ đếm đếm số xung vào chân CLK

-Tại 5s có xung tiếp theo, chân LE sẽ có xung 1 trớc để chốt đầu ra của bộ đếm Qua hai cổng NAND của IC4511, mức 1 đợc đa vào trễ hơn chân LE một chút để Reset lại bộ đếm sau khi đã đợc chốt Kết quả sẽ đợc

đ-a rđ-a hiển thị trong 5s(đủ thời giđ-an để ngời sử dụng đọc kết quả)

-Tại 1s tiếp theo, mức đợc đa vào để bỏ chốt trớc(LE về 0) sau đó cho phép bộ đếm đợc đếm lại từ 0(MR về 0)

-Hai bộ đếm MC14553 sẽ nối chung tụ tại chân 3 và 4 để chúng đồng

bộ với nhau về tốc độ cũng nh thời gian quét đầu ra

-Các chân DS1,DS2,DS3 của 1 trong 2 IC14553 đợc nối qua 3 Transitor để cho hai đèn Led sáng trong cùng 1 thời điểm

1s 1s

3.Mạch tạo xung cho chân CLK 1Hz dùng IC 555

Đây là mạch đợc lắp theo sơ đồ có thể điều khiển đợc độ rộng xung ra dựa vào việc điều chỉnh thời gian phóng nạp cho tụ C2

-Khi điều giá trị của R2 và R3 hợp lý ta sẽ có đợc thời gian đếm xung

là 1s và thời gian hiển thị kết quả có thể chọn theo ý muốn Việc điều chỉnh

sẽ dễ dàng khi ta đa vào đầu vào một xung chuẩn có tần số biết trớc

0.7R3C2 0.7R2C2

Phần IV: Sơ đồ mạch hoàn chỉnh và phần mạch in

1.Sơ đồ mạch hoàn chỉnh:

2.Sơ đồ thiết kế mạch in hai lớp a.Lớp trên

3.Sơ đồ lớp dới