Bài tập mạch xung số 4

Lớp: CT139701 Cần Thơ, ngày 10 tháng 04 năm 2010 Tiểu nhóm 3: 1. Nguyễn Thanh Lâm 1071100 BÀI TẬP MẠCH XUNG 2. Nguyễn Thị Cẩm Bích 1080900 3. Nguyễn Văn Quân 1080875 Bài số: 04 ĐỀ Thiết kế một mạch điện sao cho nó có thể phát ra 2 hồi âm thanh liên tiếp nhau mỗi khi một khóa K được ấn. Giả sử: - Một hồi âm thanh kéo dài 1s - Hai hồi âm thanh cách nhau 1/2s - Hồi âm thanh phát ra ngay khi khóa K được ấn. BÀI LÀM Gọi “ hệ thống” là toàn bộ mạch thiết kế; “mạch” là từng khối mạch cơ bản có trong hệ thống. a. Các mạch cơ bản cần có trong hệ thống -Hệ thống phát ra âm thanh: trong mạch phải có mạch dao động ở tần số âm thanh. Ta sẽ dùng mạch dao động đa hài phi ổn để cung cấp tín hiệu âm tần cho một loa. -Âm thanh phát ra trong những khoảng thời gian hữu hạn, cách quãng: trong mạch cần có mạch định thời ta dùng các mạch đa hài đơn ổn để định thời cho các khoảng thời gian đó. -Các mạch đa hài đơn ổn đều cần các xung hẹp để kích thích: ta sẽ dùng các mạch phát hiện cạnh lên và cạnh xuống để đánh dấu thời điểm kích thích mạch đa hài đơn ổn. b. Phương án thiết kế Mạch có thể được thiết kế để hoạt động theo nguyên tắc sau: - Khi mạch được cấp xung, nhờ mạch phát hiện cạnh lên sẽ tạo ra một xung hẹp để kích thích mạch đa hài đơn ổn I hoạt động. Kết quả, ta thu được một xung đơn có độ rộng 1s. Tín hiệu xung này được đưa qua một cổng OR tới mạch dao động đa hài phi ổn hoạt động ở tần số xác định và qua loa tạo ra một hồi âm thanh đầu tiên, kéo dài khoảng 1s. - Đồng thời tín hiệu xung ở ngõ ra của mạch đa hài đơn ổn I cũng được đưa vào mạch phát hiện cạnh xuống để tạo xung hẹp kích thích mạch đa hài đơn ổn II hoạt động. Nhiệm vụ của mạch đa hài đơn ổn thứ II là tạo ra một xung hướng âm có độ rộng khoảng 1/2s để hai hồi âm thanh cách nhau khoảng 1/2s. Xung hướng âm này được đưa qua mạch phát hiện cạnh lên để tạo xung hẹp kích thích mạch đa hài đơn ổn III hoạt động nhằm tạo một xung đơn có độ rộng khoảng 1s. Xung đơn này tiếp tục được Điểm Nhận xét của Thầy 1 đưa qua cổng OR tới mạch dao động đa hài phi ổn rồi qua loa tạo ra hồi âm thanh thứ hai. - Kết quả, ta thu được hai hồi âm thanh phát ra ở loa. Mỗi hồi âm thanh kéo dài khoảng 1s và hai hồi âm thanh cách nhau 1/2s. c. Sơ đồ khối của hệ thống d.Giản đồ thời gian( Tín hiệu tại các điểm A, B, C, D, E, F, G, H, I) 2 Mạch phát hiện cạnh lên Mạch đa hài phi ổn dùng IC555 Mạch đa hài đơn ổn I Mạch phát hiện cạnh xuống Mạch đa hài đơn ổn II Mạch phát hiện cạnh lên Mạch đa hài đơn ổn III K A B C H F G I ED A e. Lựa chọn linh kiện và thiết kế chi tiết Từ sơ đồ khối và giản đồ thời gian, ta có thể nhận xét: − Khóa K: nên dùng công tắc chống dội để tạo xung vuông lý tưởng cấp cho hệ thống. − Mạch đa hài đơn ổn I và III: xung kích thích là xung hướng âm, ngõ ra là xung hướng dương. Do đó, mạch đa hài đơn ổn I là mạch đa hài đơn ổn dùng IC 555. − Mạch đa hài đơn ổn II: xung kích thích là xung hướng âm, ngõ ra cũng là xung hướng âm. Do đó, mạch đa hài đơn ổn II là mạch đa hài đơn ổn dùng cổng NAND. − Để việc thiết kế đơn giản và dễ dàng, đối với mạch dao động da hài phi ổn ta nên dùng IC 555. Vì IC 555 có thể cấp dòng đủ dùng cho loa mà không cần qua mạch khuếch đại công suất.  Khóa K dùng công tắc chống dội: -Với các điện trở R được chọn ở hàng K Ω để làm điện trở kéo lên. Chọn R 0 , R 1 bằng 8.2K Ω 0 0 0 t t 0 0 0 t t 0 0 t t t t C B E D G F 1s I O 1s 1/2s 3 N A N D 2 1 2 3 A + 5 V R 1 8 . 2 K K 1 3 2 + 5 V N A N D 2 1 2 3 R 0 8 . 2 K Giản đồ thời gian tại A  Mạch phát hiện cạnh lên ở đoạn mạch AB: -Mạch này tạo xung hướng âm có độ rộng nhỏ dựa vào thời gian phóng và nạp điện của tụ C( thời hằng τ =RC) -Dựa vào giản đồ thời gian ta nhận thấy độ rộng xung tạo ra rất nhỏ so với các thời gian tạo ra âm thanh. Do đó xung hướng âm tạo ra có độ rộng rất nhỏ so với 1s  chọn τ ≈ 0.1s. -Để dòng điện nạp cho tụ nhỏ ta nên chọn trị số R lớn, C nhỏ. Do đó, ta có thể chọn C=10uF  chọn gia trị R=10K Ω . R 2 1 0 k A 12 1 2 3 C o 1 0 u F B Giản đồ thời gian của mạch phát hiện xung cạnh lên  Mạch đa hài đơn ổn của đoạn mạch BC(mạch đa hài đơn ổn I) 4 A -Mạch này được kích bởi xung hướng âm, xung tạo ra là xung hướng dương có độ rộng xung lớn hơn xung kích vào.Mạch đa hài đơn ổn dùng IC 555 thì thỏa mãn điều kiện này. -Mạch đa hài đơn ổn này tạo ra xung hướng dương có độ rộng xung 1s để làm xung kích thích cho đoạn mạch sau. Do đó cần chọn các giái trị tụ điện và điện trở như sau: +Độ rộng xung được tính dựa vào thời gian nạp điện qua R của tụ C để tăng V C tăng từ 0 lên CC V 3 2 . +Dời gốc thời gian đến thời điểm kích xung âm vào mạch, có phương trình nạp điện của tụ là: )1( e t CCC VV τ −= Với τ =RC. Khi t=t x ; V C = CC V 3 2 Từ dó suy ra t x = τ ln3 +Với độ rộng xung là 1s. Để dòng điện nạp cho tụ không quá lớn, ta nên chọn giá trị điện trở lớn, tụ nhỏ. Thêm vào đó, các điện trở, tụ điện ở chân số 2, 6 phải dùng theo chỉ dẫn của nhà sản xuất. 1KΩ<R<3.3MΩ 0.5pF<C<1000uF Chọn C=220uF chọn R=3.9K Ω Tụ điện ở chân số 5 được nhà sản xuất khuyên dùng từ 0,01uF đến 0.1uF để chống nhiễu. R 4 3 . 9 K C 1 2 2 0 u F U 4 L M 5 5 5 3 4 8 1 5 2 6 7 O U T . V C C G N D C V T R G T H R D I S C 0 . 1 u F R 3 8 . 2 K B V c c - Giản đồ thời gian tại điểm C  Mạch phát hiện cạnh xuống tại đoạn CD Khi mạch đơn ổn tại đoạn BC tạo ra xung hướng dương, cần mạch để dánh dấu thời điểm kết thúc của xung đồng thời tạo xung kích cho mạch đa hài đơn ổn II hoạt động, ta cần mạch phát hiện cạnh xuống tại thời điểm này. Mạch này tạo ra một xung hướng âm có độ rộng xung nhỏ hơn 2 1 s để kích thích cho mạch đa hài đơn ổn của đoạn mạch DE. Dựa 5 vào thời hằng τ ta tính được các giá trị của của R, C. Do các xung tạo ra có độ rộng xung rất nhỏ so với 2 1 s nên chọn ≈ τ 0.05s=RC. Chọn C=10uF Chọn R=5K Ω -Sơ đồ mạch: N O T 12 C R 1 5 k C 1 1 0 u F 1 2 3 D - Giản đồ thời gian  Mạch đa hài đơn ổn tại đoạn mạch DE Mạch có xung kích thích là xung hướng âm có độ rộng xung nhỏ và xung tạo ra cũng là xung hướng âm có độ rộng xung là 2 1 s(khoảng thời gian 2 hồi âm thanh cách nhau ). Để thỏa yêu cầu trên cần thiết kế mạch đa hài dùng cổng logic( cổng NAND). Với độ rộng xung là 2 1 s cần chọn các giá trị điện trở và tụ điện như sau: Do các ngưỡng logic của cổng không hoàn toàn xác định nên chỉ ước lượng độ rộng xung sinh ra: t x =0.75RC. Độ rộng xung là 2 1 s chọn C=22uF  chọn giá trị R=27K Ω . Sơ đồ mạch như sau: 2 7 K C 3 2 2 u F 1 2 3 1 2 3 E D Giản đồ thời gian tại E  Mạch phát hiện cạnh lên tại đoạn EF Mạch phát hiện cạnh lên tại đoạn này tương tự như mạch phát hiện cạnh lên tại đoạn AB tạo ra xung âm có độ rộng xung nhỏ hơn 1s để kích thích cho mạch đa hài đơn ổn ở phần mạch FG . Giản đồ thời gian tại điểm F  Mạch đa hài đơn ổn tại đoạn mạch FG 6 Mạch này nhận xung kích thích là xung hướng âm với độ rộng xung nhỏ và xung tạo ra là xung hướng dương có độ rộng xung là 1s. Để đáp ứng yêu cầu trên ta dùng mạch đa hài đơn ổn dùng IC 555. Với độ rộng xung tạo ra là 1s thì các thông số tính trong mạch tương tự như đoạn mạch tại đoạn BC. Giản đồ thời gian tạo ra tại điểm G Sơ đồ mạch tương tự như sơ đồ tại đoạn BC  Mạch đa hài phi ổn tại đoạn HI - Mạch có nhiệm vụ tạo ra hai chuỗi xung dao động ở tần số âm thanh, hai chuỗi xung này được đưa đến loa tạo ra hai hồi âm thanh. - Mạch này sẽ tạo ra một một chuỗi xung vuông khi được kích thích bằng các xung tạo ra bởi các mạch đa hài đơn ổn ở đoạn mạch trước. Chuỗi xung tạo ra dao động ở tần số âm thanh do đó làm cho loa phát ra âm thanh. - Mạch dao động đa hài phi ổn nầy dùng IC555 để có thể cấp đủ dòng cho loa hoạt động mà không cần thêm mạch khuếch đại công suất. - Các thông số của mạch dao động đa hài phi ổn dựa vào tần số âm thanh phát ra. Do tai người nghe được ở tần số từ 16Hz đến 20000Hz do đó khi thiết kế ta phải chọn tần số trong khoảng tần số này. Chọn khoảng tần số là 50Hz. -Dựa vào chu kì của mạch dao động đa hài phi ổn dùng IC 555 ta tìm các giá trị của tụ điện và điện trở. Chu kì của tín hiệu tạo ra của mạch dao động đa hài phi ổn dung IC 555( dạng mạch như hình bên dưới) là T=RCln2. Với tần số của mạch là 50Hz  chu kì là 1/50s Từ đó suy ra R,C. Chọn C=2.2uF chọn R= 15K Ω .(các tụ điện và điện trở nên dùng theo khuyến cáo của nhà sản xuất: 1KΩ<R<3.3MΩ 0.5pF<C<1000uF) Tín hiệu được đưa vào chân số 4 của mạch dao động đa hài phi ổn dùng IC 555. Khi tín hiệu vào ở mức cao thì mạch hoạt động, tạo ra tín hiệu ở chân 3, do đó làm loa phát ra âm thanh. Sơ đồ mạch như hình sau: 7 C 4 2 2 0 u F I R 5 1 5 0 k V c c C 5 C A P N P R 4 8 . 2 k H U 4 L M 5 5 5 3 4 8 1 5 2 6 7 O U T . V C C G N D C V T R G T H R D I S f. Sơ đồ chi tiết toàn hệ thống toàn hệ thống mạch: C 3 2 2 u F + 5 V N O T 12 C o 1 0 u F C o 1 0 u F V c c R 3 8 . 2 K R 1 8 . 2 K K 1 3 2 R 4 3 . 9 K R 5 1 5 0 k E + 5 V U 4 L M 5 5 5 3 4 8 1 5 2 6 7 O U T . V C C G N D C V T R G T H R D I S R 1 5 k C 4 2 2 0 u F C 1 2 2 0 u F H 1 2 3 N A N D 2 1 2 3 V c c 1 2 3 1 2 3 C V c c D 0 . 1 u F R 0 8 . 2 K C 5 C A P N P C 1 1 0 u F I 2 7 K U 4 L M 5 5 5 3 4 8 1 5 2 6 7 O U T . V C C G N D C V T R G T H R D I S 1 2 3 N A N D 2 1 2 3 C 1 2 2 0 u F U 1 A N D 2 1 2 3 C R 6 1 0 k R 4 8 . 2 k 1 2 3 R 6 1 0 k L S 2 S P E A K E R R 4 3 . 9 K 12 0 . 1 u F U 4 L M 5 5 5 3 4 8 1 5 2 6 7 O U T . V C C G N D C V T R G T H R D I S 12 F 8 . F V c c R 3 8 . 2 K R 1 8 . 2 K K 1 3 2 R 4 3 . 9 K R 5 1 5 0 k E + 5 V U 4 L M 5 5 5 3 4 8 1 5 2 6 7 O U T . V C C G N D C V T R G T H R D I S R 1 5 k C 4 2 2 0 u F C 1 2 2 0 u F H 1 2 3 N A N. K U 4 L M 5 5 5 3 4 8 1 5 2 6 7 O U T . V C C G N D C V T R G T H R D I S 1 2 3 N A N D 2 1 2 3 C 1 2 2 0 u F U 1 A N D 2 1 2 3 C R 6 1 0 k R 4 8 . 2 k 1 2 3 R 6 1 0 k L S 2 S P E A K E R R 4 3. chân số 5 được nhà sản xuất khuyên dùng từ 0,01uF đến 0.1uF để chống nhiễu. R 4 3 . 9 K C 1 2 2 0 u F U 4 L M 5 5 5 3 4 8 1 5 2 6 7 O U T . V C C G N D C V T R G T H R D I S C 0 . 1 u F R 3 8 .