đồ án môn vi mạch số vi mạch tương tự đề tài thiết kế mạch đo tần số

Chẳng hạn dùng chữ để đặt tên cho 1 con đường, cho 1 conngười, dùng số trong mã số sinh viên, trong thi đấu thể thao, quy ước đèn xanh, đỏ,vàng tương ứng là cho phép đi,đứng, dừng trong

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

*********

ĐỒ ÁN MÔN: VI MẠCH SỐ- VI MẠCH TƯƠNG TỰ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH- ĐO TẦN SỐ

Mã sinh viên : 0541240069

Tháng 12 năm 2012

LỜI MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết, khoa học công nghệ đang phát triển một cách nhanh chóng trong những năm gần đây, đặc biệt là ngành kỹ thuật điện-điện tử Sự xuất hiện của các vi mạch, IC số tổng hợp đã giúp cho kích thước mạch nhỏ gọn, tiện lợi hơn

Trải qua sự phát triển của khoa học công nghệ, giờ đây chúng ta đã chế tạo

ra rất nhiều loại tần số, phục vụ trong ngành điện tử viễn thông, công nghệ thông tin, tự động hóa

Máy đo tần số là 1 thiết bị cho phép chúng ta biết được tần só của tín hiệu 1cách chính xác, góp phần vào việc đo và điều khiển tín hiệu.Với những kiến thứcđược học trên lớp và tìm hiểu thực tế Trong thời gian yêu cầu nhóm em đã hoànthành đồ án môn học với nội dung “Mạch Đo Tần Số” Do kiến thức chuyênngành còn thiếu nhiều thực tế nên đồ án không tránh khỏi những sai sót, mong cácthầy cô góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Vinh đã giúp đỡ nhóm em hoànthành đồ án này!

Mục Lục

Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch tổ hợp, mạch dãy và mạch dao dộng

I Mạch tổ hợp……….……… ……… 6

1.Mã hóa……….….….……… 6

2.Mạch giải mã……….……… ………7

2.1.Giải mã BCD sang led 7 đoạn……… ….….…… 7

3 Mạch dãy……… …….… 8

3.1 Thanh ghi và thanh ghi dịch ……… ……… 9

3.2 Bộ đếm……… …… 9

4 Mạch dao động ……….……….… 10

Chương 2: Thiết kế hệ thống đo và hiển thị tần số I Linh kiện trong mạch……….……….… 10

II Tìm hiểu về các linh kiện……… ……… 11

1.IC 555……….…… 11

2 IC 4017……….….… 14

3 IC đếm BCD 74ls190……… 16

4 IC giải mã 74hc4511……….………… 20

5 Hiển thị( Led 7 thanh) ……….…… 22

III Tính toán thiết kế mạch mô phỏng ……… …… 23

1 Sơ đồ khối hệ thống : ……… ….23

2 Khối mạch tạo xung đến giây dùng IC 555: ……… … 23

3 Khối đếm xung hay đo tốc độ động cơ……… 24

4 Khối tín hiệu cho phép đếm và dừng đếm……….………… 25

5 Cổng NOT……….………….25

6 Cổng AND……….………25

7 Khối tín hiệu cần đo ……….………26

8 Lắp ghép các sơ đồ ta được mạch hoàn chỉnh : ……….……… 26

9.Thuyết minh nguyên lý hoạt động……….……27

Chương 3 : Mạch mô phỏng……….……28

1 Khối mạch khi chưa chạy: ……….……….28

2 Khối mạch khi đang chạy: ……….….29

3 Khối mạch khi dừng đếm sau khi đếm xong kết quả tần số đo được: 30

Kết luận ……….…… 31

Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch tổ hợp, mạch dãy và mạch dao dộng

I Mạch tổ hợp

1 Mã hóa

Mã hóa và giải mã không có gì xa lạ và là tất yếu trong đời sống chúng ta

Nó được dùng để dễ nhớ, dễ đặt, dễ làm,….là quy ước chung cũng có thể phổ biếncũng có thể bí mật Chẳng hạn dùng chữ để đặt tên cho 1 con đường, cho 1 conngười, dùng số trong mã số sinh viên, trong thi đấu thể thao, quy ước đèn xanh, đỏ,vàng tương ứng là cho phép đi,đứng, dừng trong giao thông, rồi viết bức thư sửdụng chữ viết tắt, kí hiệu riêng để giữ bí mật hay phức tạp hơn là phải mã hoá cácthông tin dùng trong tình báo, …

Trong các hệ thống số kể cả viễn thông, máy tính, các đường điều khiển tuỳchọn hay dữ liệu được truyền đi hay xử lí đều phải ở dạng số hệ 2 chỉ gồm 1 và 0,

có nhiều đường tín hiệu chỉ có 1 bit như đường điều khiển mở nguồn cho mạch ởmức 1, rồi có nhiều đường địa chỉ nhiều bit chẳng hạn 110100 để CPU xác địnhđịa chỉ trong bộ nhớ, rồi dữ liệu dạng hex gửi xuống máy in cho in ra kí tự Tất cảcác tổ hợp bit đó được gọi là các mã số (code) hay mã Và mạch tạo ra các mã sốgọi là mạch mã hoá (lập mã: encoder)

1.1.1 Bộ mã hóa nhị phân – thập phân ( bộ mã hoa BCD)

Bộ mã hóa nhị-thập phân là mạch điện có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số hệ thập phânthành mã hệ nhị phân Dạng mã này còn được gọi là mã BCD

-Bảng chân lí bộ mã hóa BCD :

2 Mạch giải mã

Mạch giải mã là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá tức là nếu có 1

mã số áp vào ngõ vào thì tương ứng sẽ có 1 ngõ ra được tác động, mã ngõ vào thường ít hơn mã ngõ ra Tất nhiên ngõ vào cho phép phải được bật lên cho chức năng giải mã Mạch giải mã được ứng dụng chính trong ghép kênh dữ liệu, hiển thịled 7 đoạn, giải mã địa chỉ bộ nhớ

2.1 Giải mã BCD sang led 7 đoạn

Một dạng mạch giải mã khác rất hay sử dụng trong hiển thị led 7 đoạn đó là mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch này phức tạp hơn nhiều so với mạch giải mã BCD sang thập phân đã nói ở phần trước bởi vì mạch khi này phải cho ra tổ hợp cónhiều ngõ ra lên cao xuống thấp hơn (tuỳ loại đèn led anode chung hay cathode chung) để làm các đoạn led cần thiết sáng tạo nên các số hay kí tự

Trước hết hãy xem qua cấu trúc và loại đèn led 7 đoạn của một số đèn được cấu tạo bởi 7 đoạn led có chung anode (AC) hay cathode (KC); được sắp xếp hình số 8 vuông (như hình trên) ngoài ra còn có 1 led con được đặt làm dấu phẩy thập phân cho số hiện thị; nó được điều khiển riêng biệt không qua mạch giải mã Các chân

ra của led được sắp xếp thành 2 hàng chân ở giữa mỗi hàng chân là A chung hay Kchung Thứ tự sắp xếp cho 2 loại như trình bày ở dưới đây :

Hình 2.3 Cấu trúc và chân ra của 1 dạng led 7 đoạn

Để đèn led hiển thị 1 số nào thì các thanh led tương ứng phải sáng lên, do đó, cácthanh led đều phải được phân cực bởi các điện trở khoảng 180 đến 390 ohm vớinguồn cấp chuẩn thường là 5V IC giải mã sẽ có nhiệm vụ nối các chân a, b, g củaled xuống mass hay lên nguồn (tuỳ A chung hay K chung)

3 Mạch dãy

Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ được tạo bởi các mạch lật và cácmạch logic cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biến vào mà còn phụ thuộc vào cả trạng thái hiện tại của mạch

3.1 Thanh ghi và thanh ghi dịch

Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lưu giữ dưc liệu hoặc biến đổi

dữ liệu số từ nối tiếp sang song song và ngược lại mỗi mạch lật chỉ lưu giữ được 1 bit, vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải tạo từ bấy nhiêu mạch lật

Thanh ghi nhận dữ liệu song song

Mạch dao động được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện tử, như mạch dao động nội trong khối RF Radio, trong bộ kênh Tivi mầu, Mạch dao động tạo xung dòng , xung mành trong Tivi, tạo sóng hình sin cho IC Vi xử lý hoạt động v v

Chương 2: Thiết kế hệ thống đo và hiển thị tần số

I Linh kiện trong mạch :

- IC NE 5555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian

- Điện trở 1k,217.0475 k

- Tụ điện (0.01 uF tụ thường) ,(0.001 ph

- IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân

- Nguồn tín hiệu cần đo : Cho 1500H

- SEG 7Vạch cathode chung,

1 IC 555

Là IC tạo dao động tần số cấp xung nhịp cho IC 74ls190 đếm giây

- Chân 3 (OUTPUT) : chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cáo nó tương ứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng trong thực tế nó không được ở mức 0V mà nó trong khoảng ( 0.35-

>0.75V)

- Chân 4 (RESET) : dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường nối chân này lên Vcc.

- Chân 5 ( CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC

555 theo các mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND Chânnày có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF->0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

- Chân 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu

- Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khóanày đóng lại , ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch R_C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

- Chan 8 (VCC): đây là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động không cóchân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2->18V

Mạch tạo xung :

Có tần số dao động có công thức : f=1/T=1/0.69(R1+2R2)C

2 IC 4017

IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân

- Sơ đồ chân:

Hoạt động :

- Chân 14( CLK) nhận xung.

- Chân (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 10, 9) (Q0-Q9) đưa dữ liệu ra ngoài, mỗi lần kích một xung vào, một chân sé được đưa lên mức cao một cách tuần tự, các châncòn lại ở mức thấp

- Chân 13(E): Tích cực mức thấp

- Chân 15(MR): Chân reset, mỗi khi kích lên mức cao, IC được reset

- Chân 12 (CO): Trong 5 xung đầu ( từ Q0 - Q4 lần lượt lên mức cao) CO ở mức cao, 5 xung tiếp theo (từ Q5 – Q9 lần lượt lên mức cao) CO ở mức thấp

Sơ đồ xung ra ở các chân:

Mạch dùng IC 4017 tạo ra bộ đếm :

5 IC đếm BCD 74ls190

Là IC tích hợ bộ đếm thập phân đồng bộ, đầu ra song song Nó có chức năng đếm thuận hoặc nghịch.Đặc biệt có thể đặt trước giá trị đếm với chân điều khiển giá nạp giá trị

Chức năng các chân:

- Chân cấp nguồn : 16 (VCC) và chân 8(GND)

- Nhóm chân dữ liệu nạp vào : A(15) B(1) C (10) D(9)

- Nhóm chân dữ liệu đầu ra : Qa (3) Qb(2) Qc(6) Qd(7)

- Chân cấp xung clock CLK :14

- Chân chọn chế độ đếm thuận nghịch D/U :5

- Chân cho phép đếm Enable :4

- Chân nạp giá trị load :11

- Chân xung đếm ra RCO :13

Bảng trạng thái các chân chức năng đặc biệt :

Giản đồ xung của 74ls190 :

4 IC giải mã 74hc4511

- Đây là một IC giải mã , nó làm nhiệm vụ giải mã từ mã nhị phân logíc (dạng 0,1) sang mã của led 7 vạch để xuất ra led 7 vạch về cấu tạo nó là một tập hợp các mạch tổ hợp gồm cách linh kiện số logic như các cổng and , or , việc thiết

kế một mạch như vậy không hẳn là quá khó ,chỉ cần xây dựng mạch tổ hợp lả chúng ta hoàn toàn có thể làm được ,nhưng điều đó khiến chúng ta mất thời gian ,không đảm bảo chất lượng sử dụng , =>dùng IC tích hợp cho tiện

- Chúng ta tìm hiểu sơ đồ chân của nó như sau :

-Chú ý là loại này dùng cho seg 7 vạch loại cathot chung có nghĩa là tất cả cathot của led nốí chung với nhau và nối với đất ,như vậy dữ liệu đẩy vào led sẽtích cực ở mức cao tức là mức 1 thì mới làm led sang

- 4511 Có 16 chân

- Chân 16 luôn là chân nối với nguồn dương (5 v ), chân số 8 nối với đất

- Chân 1,2,7,6 là chân đưa dữ liệu đầu vào ,chúng ta có thể chọn dữ liệu loại này là dữ liệu logic tức là dạng 1,0,1,0…

- 7 chân đầu ra là chân 9 ,10,11,12,13,14,15.sẽ xuất ra dữ liệu của dạng 7 vạch

- Chân số 5 là chân dùng để điều khỉên tế bào nhớ ,chần này = 0 thì IC hoạt động bình thường , còn = 1 thì dữ nguyên trạng thái ở các đầu ra ,và dữ cho đếnkhi nó trở về chân này được chuyển về 0 thì đầu ra lại tiếp tục hoạt động (nếu hiểu sâu sa thì chúng ta hiểu khi IC hoạt động thì dữ liệu tại đầu ra sẽ luân phiên nhau được nhớ trong tế bào 4 bít ,vậy khi chân số 5 này ở mức 0 giả sự gọi là đóng cửa thì IC hoạt động bình thường không vấn đề gì ,nhưng khi nó = 1tức là mở cửa thì dữ liệu trong tế bào nhớ trào ra và đẩy liên tục vào cửa ra nên giữ tại đầu ra một mức dữ liệu cố định )

- Trong sơ đồ mạch chúng ta nối nó với đất

- Chân số 3 nếu =0 thì tất cả đầu ra sẽ là mức logic 1.(dùng kiểm tra led 7 đoạn ,bất chấp đầu vào là thế nào )

- Chân số 4 thì có tác dụng ngược lại chân số 3

Bảng chân lí

5 Hiển thị( Led 7 thanh)

Led 7 thanh: là 7 con led xếp với nhau thành một hình, nhằm thể hiện các con số Một chân của các con led được nối với nhau ( Katot chung hoặc Anot chung), các chân còn lại được đưa ra nhằm phân cực các con led

Với yêu cầu đề tài ta chọn led cathode chung.

III Tính toán thiết kế mạch mô phỏng

1 Sơ đồ khối hệ thống :

2 Khối mạch tạo xung đến giây dùng IC 555:

Ta có công thức tính toán đó là f=1/T=1/0.69(R2+2R1)C2

Bộ tạoxung 1Hz

Bộ đếm 4chỉ sốBCD

Nguồn t/

h cần đo

Start Stop

4 bộ giải

mã 7Seg

Hiển Thị Led 7Seg

4 Khối tín hiệu cho phép đếm và dừng đếm

Khối tín hiệu được sử dụng băng cổng AND 7408 khi mạch ở chế độ hoạt đông đầu ra của cổng là mức thấp 0 và khi đạt mức cao thì mạch sẽ dừng

5. Cổng NOT (inverter - bộ đảo)

Ngõ ra Q ở mức cao khi ngõ vào A là đảo (Not) của mức cao, ngõ ra là đảo (ngược lại ) của ngõ vào : Q = NOT A Cổng NOT chỉ có thể có một ngõ ra Một cổng NOT cũng có thể được gọi là bộ đảo

6 Cổng AND

Ngõ ra Q ở mức cao nếu ngõ vào A "AND" ngõ vào B đều ở mức cao (giốngnhư nhân A với B): Q= A AND B Một cổng AND có thể có hai hoặc nhiều ngõ vào Ngõ ra của nó ở mức cao nếu tất cả các ngõ vào ở mức cao

7 Khối tín hiệu cần đo

Nguồn tín hiệu cần đo tín hiệu xung vuông hoặc xoay chiều

Tại bài : Ta chọn tín hiệu xoay chiều tần số 1500Hz

8 Lắp ghép các sơ đồ ta được mạch hoàn chỉnh :

9 Thuyết minh nguyên lý hoạt động

Khi ta ấn nut START/STOP mạch hoạt động IC 555 cấp xung cho bộ đếm thời gian và nguồn tín hiệu cần đo cấp xung cho bộ đếm xung hoat động Khi mạch đếm chưa hết tần số thì đầu ra của cổng 7408 vẫn ở mức thấp mạch hoạt động khi đạt hết quá trình đếm xung thì đầu ra của 7408 đạt mức cao hệ thống ngừng đếm Và đó chính là kết quả đo tần sô của nguồn tín hiệu cần đo

Khi ta muốn đo lại ta ấn nút RESET mach sẽ về trạng thái 0 Muốn tiếp tục

đo ta ấn RESET lần 2

Khi muốn dùng mạch ta ấn nút START/STOP mạch sẽ dừng lại cả khối đếmxung và đếm thời gian đều dừng lại

Chương 3 : Mạch mô phỏng

Ta vẽ mạch trên protous ta được khối mạch mô phỏng theo ý muốn:

1 Khối mạch khi chưa chạy:

2. Khối mạch khi đang chạy:

3 Khối mạch khi dừng đếm sau khi đếm xong kết quả tần số đo được:

Trong quá trình đo có thể xuất hiện sai số, sai số trong mức không ảnh hưởng quá lớn đến độ chính xác, nên có thể chấp nhận được.

Kết Luận : Sau một thời gian tìm hiểu tài liệu và kiến thức có được của môn vi

mạch số và vi mạch tương tự, được hướng dẫn của thầy giáo bộ môn nhóm 3 đã hoàn thành bài tập lớn về mạch đo tần số, do kiến thức về mạch điện tử chưa có

kinh nghiệm nên trong quá trính thiết kế vẫn dựa nhiều vào lí thuyết nên khi áp

dụng vào thực tế có những sai sót ngoài ý tưởng ban đầu Nên mong muốn nhận được tư vấn góp ý của thầy giáo và các bạn sinh viên để bài của nhóm 3 được hoànthiện hơn.

Một lưu ý nhỏ, với ý tưởng xây dựng khả năng đo tần số nhỏ hơn 9999 Hz

Tháng 12 năm 2012.