Bài Tập Lớn Kỹ Thuật Số Mạch đo tần số

Thiết kế mạch đo tần số Ngày nay các hệ thống điện tử rất đa dạng và đang dần thay thế các công việc hàng ngày của con người từ những công việc đơn giản đến phức tạp . Các hệ thống này có thể thiết kế theo hệ thống tương tự hoặc hệ thống số. Tuy nhiên trong các hệ thống điện tử thông minh hiện nay người ta thường sử dụng hệ thống số hơn là các hệ thống tương tự bởi một số các ưu điểm vượt trội mà hệ thống số mang lại đó là: độ tin cậy cao, giá thành thấp, dễ dàng thiết kế, lắp đặt và vận hành… Để làm được điều đó, chúng ta phải có kiến thức về môn kỹ thuật số, hiểu được cấu trúc và chức năng của một số IC số, mạch giải mã, các cổng logic và một số kiến thức về các linh kiện điện tử.

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay các hệ thống điện tử rất đa dạng và đang dần thay thế các côngviệc hàng ngày của con người từ những công việc đơn giản đến phức tạp Các hệthống này có thể thiết kế theo hệ thống tương tự hoặc hệ thống số Tuy nhiên trongcác hệ thống điện tử thông minh hiện nay người ta thường sử dụng hệ thống số hơn

là các hệ thống tương tự bởi một số các ưu điểm vượt trội mà hệ thống số mang lại

đó là: độ tin cậy cao, giá thành thấp, dễ dàng thiết kế, lắp đặt và vận hành… Đểlàm được điều đó, chúng ta phải có kiến thức về môn kỹ thuật số, hiểu được cấutrúc và chức năng của một số IC số, mạch giải mã, các cổng logic và một số kiếnthức về các linh kiện điện tử

Sau một thời gian học tập và tìm hiểu các tài liệu về môn kỹ thuật số, với sựgiảng dạy, hướng dẫn nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn của cô giáo Nguyễn Thu

Hà ,chúng em đã hoàn thành xong đề tài “ thiết kế mạch đo tần số ”

Chương 1: Trình bày về các mạch chức năng sử dụng hệ thống

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ

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)

Có nhiều cách thức khác nhau để mã hóa tín hiệu,trong đó có mã hóa nhịphân là phổ biến hơn cả.TRong mã nhị phân người ta sử dụng số đếm nhị phân đểbiểu thị tín hiệu cần mã hóa

 Bộ mã hóa nhị phân – thập phân ( bộ mã hóa BCD)

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

-Bảng chân lí bộ mã hóa BCD

1.1.2 Mạch giải mã

Khi tín hiệu là các chữ số hay kí hiệu đã được mã hóa và sử lý bằng thiết bịđiện tử số Kết quả sử lý cũng là tín hiệu số.Bởi vậy cần chuyển đổi tín hiệu dạng

số này thành tín hiệu ban đầu Các thiết bị điện tử thực hiện nhiệm vụ này gọi là

bộ giải mã.Các bộ mã hóa bao giờ cũng có bộ giải mã tương ứng của mình

 Giải mã BCD sang led 7 đoạn

Một dạng mạch giải mã khác hay sử dụng trong hiển thị led 7đoạn đó làmạch giả mã BCD sang led 7 đoạn Mạch này phức tạp hơn nhiều so với mạch giả

mã BCD sang thập phân đã nói ở phần trước bởi vì mạch khi này phải cho ra tổhợp có nhiều ngõ ra lên cao xuống thấp hơn( tùy loại đèn led anode chung haycathode chung )để làm đèn led cần thiết hay sang tạo lên các số hay kí tự

Trước hết hãy xem qua cấu tạo loại đèn led 7 đoạn của 1 số đèn được cấu tạobởi 7 đèn led có chung anode (AC) hay cathode (KC); được sắp xếp hình số 8vuông (như hình trên) ngoài ra còn có 1 led con được đặt làm dấu phẩy thập phâncho 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:

Để đèn led hiển thị 1 số nào thì các thanh led tương ứng phải sáng lên, do đó,các thanh led đều phải được phân cực bởi các điện trở khoảng 180Ω đến 390Ω 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)

1.1.3 Mạch dãy

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

 Thanh ghi và thanh ghi dịch

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

1.1.4 Mạch tạo dao động

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

- Mạch dao động đa hài

- Mạch dao động dung IC

Ưu Điểm:Phương pháp này có cấu tạo đơn giản, bền

Nhược Điểm: Giới hạn đo hẹp khoảng 45÷55Hz hay (450÷550Hz) sai số củaphép đo thường là ±(1,5÷2,5)%

Chú ý: Không sử dụng được ở nơi có độ rung lớn và thiết bị di chuyển

1.2.1.2 Tần số kế cơ điện

 tần số kế điện động và sắt điện động

Cơ cấu chỉ thị lôgômet điện động và sắt điện động có thể sử dụng để chế tạotần số kế

Ta có góc lệch α của lô gômet điện động là 1 hàm của tần số fx2 và thang đo

sẽ được khắc độ trực tiếp theo tần số

Loại này có thể chế tạo tần số kế đo tần số cao hơn đến 2500Hz

 Tần số kế dùng lô gômet điện từ

Khi fx tăng thì dòng I1 giảm còn I2 tăng như vậy tỉ số giữa hai dòng (I2/I1) sẽtăng và do đó mà góc lệch α tỉ lệ với tần số.

1.2.1.3 Tần số kế điện tử

 Tần số kế điện dung dùng đổi nối điện tử

Nguyên lý của tần số kế điện tử dựa trên việc đo giá trị trung bình của dòngphóng I của tụ điện, phóng nạp có chu kỳ cùng nhịp với tần số cần đo fx

Để mở rộng thang đo tần số ta phải làm sao cho hằng số thời gian nạp vàphóng của tụ điện sẽ nhỏ hơn nửa chu kỳ của tần số cao nhất Điều này đạt đượcbằng cách thay đổi điện dung của tụ điện , còn điện trở của mạch nạp và phóngluôn không thay đổi

Giới hạn trên của tần số cần đo được xác định bởi độ nhạy của cơ cấu chỉthị Còn giới hạn dưới tần số cần đo là tần số mà ở đó xuất hiện dao động cơ cấuchỉ thị

 Tần số kế điện dung dùng chỉnh lưu

Nhờ mạch tạo xung điện áp có tần số cần đo fx được biến thành xung vuôngkhi xung còn tồn tại tụ C được nạp qua điốt D1 Trong khoảng phóng qua D2 và cơcấu chỉ thị từ điện

Góc lệch α của cơ cấu chỉ thị sẽ tỉ lệ với dòng điện trung bình:

α = S1I=S1qfx=S1CUmfx

Dòng trung bình tỉ lệ thuận với fx, do vậy mà góc lệch α tỉ lệ thuận với tần sốcần đo fx với điều kiện độ nhạy của cơ cấu chỉ thị S1, tụ C và biên độ xung Umkhông đổi

Tần số kế kiểu này có ưu điểm là có khả năng đo trực tiếp ở dải tần số rộng

1.2.1.4 Tần số kế chỉ thị số

Nguyên lý của một tần số kế chỉ thị số là điếm số xung N tương ứng với số chu kỳ của tần số cần đo fx trong khoảng thời gian gọi là thời gian đo Tđo

N = = = K

Thời gian đo có giá trị là 1s thì số xung N (tức là số các chu kỳ ) tần số cần đo fx nghĩa là

fx = N

Sai số tương đối của phép đo tần số được tính như sau :

Thành phần phụ thuộc vào tỉ số giửa thời gian đo và chu kỳ của tín hiệu đo

fx =F +f0

Tần số kế trộn có thể đo được tần số từ 100Hz đến 20GHz trong kỹ thuật

vô tuyến điện

1.2.2.2 Tần số kế cộng hưởng điện

Tần số kế sử dụng cộng hưởng điện là một hệ thống giao động được hiệuchỉnh cộng hưởng với tần số cần đo của nguồn tín hiệu

Trạng thái dao động được phát hiện theo chỉ số cao nhất của bộ chỉ thị cộnghưởng tỉ lệ với dòng ( hay áp ) trong hệ thống giao động Tần số cần đo được khác

độ ngay trên núm vặn của thiết bị dò tìm dao động hoặc sử dụng bảng số hay đồthị Bộ vào để hòa hợp giữa tần số kế và nguồn tín hiệu cần đo

- Phần 2 : bao gồm vác bộ biến đổi chu kỳ và độ dài xung thành mã số

- Phần 3 : bao gồm các vi xử lý cài đặt vào tần số kế

Để tạo bộ chia tần số với tần số kế thay đổi người ta dùng timer chương trình hóa Phần được nối với các phần khác bằng các “BUS” dữ liệu, địa chỉ và điều khiển

1.3 Nguyên lý đo tần số

Trong bài của chúng em sử dụng đo tần bằng phương pháp số.

Nguyên tắc hoạt động của mạch đếm tần số rất đơn giản là bằng cách đếm số xungdao động của một dao động cần được đo trong khoảng thời gian nhất định

Khi đó ,về nguyên tắc để có thể hiển thị giá trị của số xung dao dộng đếm được

trong các khoảng thời gian đó thì cần phải chốt giá trị đếm được trong IC đếm saukhoảng thời gian nhất định ấy để lưu lại giá trị đã đếm và hiển thị giá trị đã đếm trên led7-seg sau khoảng thời gian ấy Nếu không chốt giá trị của Xung dao động đã đếm đượcthì giá trị hiển thị sẽ bị “trượt” liên tục theo kết quả đã đếm được Để kiểm soát giá trịđếm được trong khoảng thời gian ấy thì phải reset bộ đếm sau các khoảng thời gian

và sau khi IC giải mã 74hc4511 đã nhập dữ liệu vào để hiển thị

Theo đó ta cần phải tạo ra một bộ dao động để quy định thời gian đếm xung của IC

và chia tần số tạo xung chuẩn Hz.Trong bài chúng em xử dụng IC555 kết hợp với IC

4017 để tạo ra bộ dao động và quy định thời gian đếm xung của IC 74ls190.

5. Nguồn tín hiệu cần đo : Cho 2,1kHz

6. SEG 7 vạch cathode chung

2.1 Sơ đồ khối bố trí linh kiện

4 bộ giả mã

7 seg

Khối tạo ra bộ đếm và 4 Bộ đếm

Nguồn tín hiệu cần đoStart/ stop

Bộ tạo xung1Hz,1 kHz

Là IC tích hợp 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 điềukhiển giá nạp giá trị

Hình dạng: IC 74LS190

Hình dạng : IC 74HC4511

o Led 7 thanh

Hình dạng :Led 7 thanh

o Điện trở và tụ điện

2.3 Trình bày sơ đồ chân,bảng chân lý các linh kiện sử dụng trong mạch

- Chân 3 (OUTPUT) : chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạngthái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cáo nótương ứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0Vnhưng 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 massethì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ raphụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch để tạo đượcdao động thường nối chân này lên Vcc

- Chân 5 ( CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555theo các mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND Chân này

có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối

Sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ chân

chân 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 ápkhác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu

- Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịuđiều 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_Clúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

- Chân 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

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 kíchmột xung vào, một chân sẽ 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 Q o -Q 4 lần lượt lên mức cao)CO ở mức cao ,5 xung tiếp theo(từ Q 5 -Q 9 lần lượt lên mức cao) CO ở mức thấp.

2.3.3 IC đếm BCD 74LS190

Sơ đồ chân

Sơ đồ nguyên lý

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:

2.3.4 Mạch giải mã 74HC4511

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 cathotcủa led nốí chung với nhau và nối với đất ,như vậy dữ liệu đẩy vào led sẽ tích cực ởmức 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 đến khi 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 nhớ trong tế bào 4 bit, 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 = 1 tức là mởcửa thì dữ liệu trong tế bào nhớ trào ra và đẩy liên tục vào cửa ra nên giữ tại đầu ramột mức dữ liệu có 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

thị

Sơ đồ chân

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

Với yêu cầu đề bài ta chọn led cathode chung

2.4 Sơ đồ nguyên lý của mạch

2.4.2 Mạch đếm 4017

2.4.3 Bộ mã hóa 74LS190

2.4.4 Bộ giải mã 74HC4511

2.4.5 Bộ hiển thị Led 7seg

b a

b

AND2

AND 2.4.6 Khối tín hiệu cho phép đếm và dừng đếm

Khối tín hiệu được sử dụng bằng cổng AND2 khi mạch ở chế độ hoạt độngđầu ra của cổng là mức thấp 0 ,cung cấp tín hiệu cần đo và tín hiệu xung vào mạchđếm ,khi đạt mức cao thì mạch sẽ dừng

2.4.7 Cổng not (inverter bộ đảo)

2.4.8 Cổng AND

Ngõ ra Q của ở mức cao nếu ngõ vào A “AND” ngõ vào B đều ở mức cao(giống như chân A với chân B) :Q=A AND B.Một cổng AND có thể có 2 hoặc nhiềungõ vào ngõ ra của nó ở mức cao khi tất cả các ngõ vào ở mức cao

2.4.9 Khối tín hiệu cần đo

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

2.5 Thuyết minh nguyên lý hoạt động

Khi ta ấn nút START/STOP mạch hoạt động IC555 cấp xung cho bộ đếm thờigian và nguồn tín hiệu cần đo cấp xung cho bộ đếm hoạt động

Khi mạch đếm chưa hết tần số thì đầu ra của cổng AND2 vãn ở mức thấpmạch hoạt động khi đạt hết quá trình đếm xung thì đầu ra của AND2 đạt ở mức cao

hệ thống ngừng đếm Và đó chính là kết quả đo tần số của nguồn tín hiệu cần đo Khi ta muốn đo lại ta ấn nút reset mạch sẽ về trạng thái 0.Muốn tiếp tục ta ấnreset lần 2

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

Khi ta muốn chuyển thang đo ấn SW3 mạch có tác dụng chuyển thang đo 1HZ và1kHz

2.6 Xây dựng mô phỏng trên phần mềm proteus và chạy thử

Mô phỏng trên proteus ta có : Khi chưa chạy

Khi đang chạy:

Mạch chạy và dừng đạt kết quả đo ở thang Hz:

Mạch chạy và dừng đạt kết quả đo ở thang KHz:

Chương 3 kết quả

3.1 Các kết quả đạt được

Thang đo Hz: f=2122 Hz

Thang đo Khz : f=2kHz

3.2 Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo?

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

- Sai số tuyệt đối

- Sai số tương đối

3.3 Các hạn chế còn tồn tại của bản thiết kế và phương pháp khắc phục

Kết luận:sau một thời gian tìm hiểu tài liệu và kiến thức có được của môn kĩ thuật sốđược sự hướng dẫn của thầy giáo bộ môn nhóm đã hoàn thành bài tập lớn về mạch

đo tần số do kiến thức về điện tử chưa có kinh nghiệm nên trong kĩ thuật thiết kế vẫndựa vào lý thuyết nên khi áp dụng vào thực tế có những sai sót ngoài ý tưởng ban đầu.Vì vậy chúng em mong muốn nhận được sự góp ý của thầy cô giáo để bài được hoànthiện hơn

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