Thiết kế và thi công mô hình máy đo tần số hiển thị số dùng trong giảng dạy

Thiết kế và thi công mô hình máy đo tần số hiển thị số dùng trong giảng dạy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MÁY ĐO TẦN SỐ HIỂN THỊ SỐ DÙNG

TRONG GIẢNG DẠY

SINH VIÊN THỰC HIỆN: NGUYỄN VĂN KHÁNH

NGUYỄN MINH TỨ

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:CÔ VŨ BẢO TUYÊN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA : ĐIỆN BỘ MÔN : ĐIỆN TỬ NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Giáo viên hướng dẫn : cô VŨ BẢO TUYÊN

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN KHÁNH

NGUYỄN MINH TỨ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN XÉT DUYỆT

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA : ĐIỆN BỘ MÔN : ĐIỆN TỬ NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Giáo viên xét duyệt:

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN KHÁNH

NGUYỄN MINH TỨ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN XÉT DUYỆT

GIÁO VIÊN XÉT DUYỆT

MỤC ĐÍCH VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI I./ Mục đích của đề tài:

Đề tài mô hình máy đo tần số được ứng dụng làm đồ dùng dạy học cho môn

học đo lường điện Thiết bị đo tần số có nhiều loại và nhiều phương pháp đo như

máy đo tần số chỉ thị kim, máy đo tần số chỉ thị rung, máy đo tần số chỉ thị số.v.v…

Trong luận văn tốt nghiệp, chúng em tìm hiểu mạch điện và thi công máy

đo tần số chỉ thị số dưới dạng mô hình dùng trong giảng dạy Mô hình này sử dụng

các linh kiện vi mạch số nhằm giới thiệu cho người hiểu thêm ứng dụng cuả vi

mạch số trong các thiết bị đo lường điện Mô hình máy đo tần số chỉ thị số sau khi

thi công được dùng cho việc giảng dạy và học tập cuả sinh viên trường đại học sư

phạm kỹ thuật trong môn học đo lường điện

II./ Giới hạn đề tài:

Các thiết bị đo lường điện dùng các kỹ thuật số rất đa dạng và nhiều chức

năng nhưng do thời gian hạn chế nên chỉ thực hiện những điều cơ bản: tìm hiểu về

các loại máy đo tần số, cấu trúc và nguyên lý hoạt động cuả vi mạch số Sau cùng

là thiết kế, thi công mạch đo tần số dùng vi mạch số cơ bản Giới hạn tần số làm

việc cuả máy trong khoảng tần số 2 HZ đến 20 KHZ, biên độ tín hiệu cần đo cao

nhất có thể đáp ứng được là 15 V và thấp nhất là 100mV Nguồn điện cung cấp cho

máy là 220 V

MỤC LỤC

Lời nói đầu

Chương I : Tổng Quan Về Đo Lường Điện

I Sai số và cấp chính xác

II Các loại thiết bị đo tần số Chương II : Cơ Sở Lý Luận

III Giới thiệu về vi mạch số

IV Các mạch taọ dao động

V Cấu tạo mạch đếm

VI Mạch giải mã và hiển thị VII Giao tiếp công suất Chương III : Thiết Kế Mạch Đếm Tần Số

I Sơ đồ khối toàn mạch

II Mạch dao động chuẩn III Mạch chia tần số tín hiệu ngõ vào và mạch khống

chế thời gian đếm trong 1 giây

IV Mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào

V Mạch đếm và giải mã

VI Mạch hiển thị VII Mạch nguồn Chương IV : Thi Công

I Hình dạng mô hình

II Sơ đồ nguyên lý

1 Mạch ngõ vào

2 Mạch dao động chuẩn

3 Mạch đếm và giải mã

4 Mạch hiển thị III Lắp ráp và cân chỉnh thiết bị Chương VI: Kết Luận

Chương I

TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN

I/ SAI SỐ VÀ CẤP CHÍNH XÁC:

1/ Nguyên nhân sai số:

Mọi phép đo đều có sai số Sai số do các nguyên nhân khác nhau gây

ra như dụng cụ đo, do điều kiện tiến hành phép đo và do người đo

Dụng cụ đo được chế tạo với độ chính xác khác nhau và giá trị đọc

được từ dụng cụ đo

Độ chính xác bản thân dụng cụ đo còn phụ thuộc vào môi trường Mức

độ ảnh hưởng của môi trường đến kết quả đo tùy thuộc vào kết cấu cụ thể

của dụng cụ đo

Người ta cũng đưa thêm một đại lượng sai số đáng kể vào kết quả đo

Sai số do người đo, trước hết là sai số đọc đặc biệt khi phải suy với thang đo

phi tuyến Khi kim chỉ nằm giữa hai độ khắc vạch người đọc cần phải phán

đoán giá trị gần đúng của kết quả đo Sai số ngoại suy không quá 0,5 giá trị

giữa hai vạch khắc độ Ngoài ra còn phụ thuộc vào trình độ sử dụng dụng cụ

đo, người đo còn gây ra những sai số khác nữa Nhưng sai số này có thể rất

lớn, và ta gọi nó là phép đo sai số, phải loại bỏ khi tính toán

2/ Phân loại sai số:

Người ta chia sai số ra làm 2 loại theo tính chất thống kê

a/ Sai số hệ thống:

Là sai số có giá trị xác định trong những điều kiện xác định Do đó ta

có thể biết trước được giá trị này và tính bù vào kết quả đo, tức là ta có thể

bỏ sai số hệ thống khỏi kết quả đo sau khi tính toán

b/ Sai số ngẫu nhiên:

Là sai số có giá trị ngẫu nhiên khi tiến hành các phép đo cùng điều

kiện

Để có được các kết quả đo chính xác ta dùng phương pháp thống kê,

lấy trung bình cộng các kết quả đo, với số phép đo rất lớn

Cần nhớ rằng phép lấy trung bình cộng không thể loại bỏ sai số hệ

thống

Việc phân chia sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên cũng có tính chất

tương đối Cùng một nguyên nhân gây ra sai số, tùy thuộc vào điều kiện

nghiên cứu, lúc này có thể coi là sai số ngẫu nhiên, lúc khác có thể coi là sai

số hệ thống Nói chung khi sai số được coi là sai số hệ thống nếu ta biết rõ

đến tính chất thống kê của sai số, không khống chế nguyên nhân gây ra sai

số, sai số sẽ có tính chất ngẫu nhiên Việc lấy trung bình cộng chỉ có thể loại

được sai số ngẫu nhiên nếu số lượng phép đo đủ lớn, sau cho tác động gây ra

sai số ngẫu nhiên biến đổi trong phạm vi lớn, sai số ngẫu nhiên có dạng phân

bố chuẩn

3/ Cấp chính xác của dụng cụ đo:

Cấp chính xác của một dụng cụ hay thiết bị đo là tỉ số tính theo phần

trăm giữa sai số lớn nhất cho phép trong điều kiện làm việc bình thường của

thiết bị đo với giá trị định mức của thiết bị đó Do đó khi sử thiết bị đo lường

chúng ta cần quan tâm đến cấp chính xác của thiết bị đo được ghi trên máy

hoặc trong sổ tay kỹ thuật của thiết bị đo Để từ cấp chính xác này chúng ta

sẽ đánh giá được sai số của kết quả đo Ví dụ một vôn kế có ghi cấp chính

xác là 1 nghĩa là giới hạn sai số của nó cho tầm đo là 1%

II/ CÁC LOẠI THIẾT BỊ ĐO TẦN SỐ:

1/ Tần số kim chỉ kiểu tỉ số kế điện động:

Hình II.1a

Tần số kim chỉ kiểu tỉ số điện động, cơ cấu đo là tỉ số điện động

Cuộn tĩnh được mắc nối tiếp nối tụ điện C1 Cuộn động 1 được mắc

nối tiếp với tụ C2, cuộn động 2 được mắc nối tiếp với điện cảm LF Chọn giá

trị điện cảm L đủ lớn, và các tụ điện có giá trị đủ nhỏ để có thể bỏ qua ảnh

hưởng của điện trở bản thân các cuộn dây của tỉ số kế Từ (H.II.1) ta thấy

dòng I1 sẽ cùng pha với dòng It, còn I2 chậm pha 180o so với 2 dòng kia Để

loại bỏ gốc chậm pha này, ta bảo đầu cuộc dây động 2 và lúc này cả 3 dòng

điện qua dòng tĩnh và hai cuộn động đồng pha, không phụ thuộc vào tần số

nguồn

Giá trị hiệu dụng các dòng điện qua các cuộn dây động được tính:

L f

U I

C U f I

2

2 2 1

1 2 2

1

I

I Cos I

Cos I

Với các giá trị L,C đã biết và không thay đổi ta xác định được giá trị

tần số nguồn theo chỉ số  của kim Người ta khắc độ trực tiếp lên mặt độ số

Để tăng độ nhạy trong phạm vi đo từ f1 đến f2 tức là phạm vi cần đo

của tầng số kế ta thay L và C2 bằng hai mạch cộng hưởng nối tiếp với tần số

cộng hưởng nhỏ hơn f1, vị trí C2 được thay bằng mạch cộng hưởng nối tiếp

tầng số cộng hưởng cao hơn f2

Với mọi tần số trong khoảng f1 đến f2, mạch cộng hưởng 1 luôn có tính

chất điện cảm, cộng hưởng 2 luôn có tính chất điện dung, với điều kiện pha

tương tự như khi mắc L và C2, nhưng với mạch cộng hưởng trở kháng ở lân

cận tần số cộng hưởng thay đổi rất nhanh theo tần số, vì vậy độ nhạy cao hơn

2./ Tần số kim chỉ kiểu tỉ số từ điện:

Hình II.2

Người ta có thể dùng cơ cấu đo là tỉ số kế từ điện để tạo tần số kế kim

chỉ

Nhưng tỉ số kế từ điện chỉ đo được dòng một chiều do đó ta phải dùng mạch

chỉnh lưu Và vì đã dùng mạch chỉnh lưu nên ta không phải quan tâm đến pha

của các dòng điện nên mạch đo cũng đơn giản hơn Cuộn động 1 được nối

đến đường chéo của cầu chỉnh lưu (I), cuộn động 2 được nối đến đường chéo

cầu chỉnh lưu (II) Dòng qua cuộn 1 là dòng chỉnh lưu của mạch chứa điện

dung, còn dòng qua cuộn 2 là dòng chỉnh lưu của mạch chứa điện trở Bỏ qua

trở kháng vào của các cầu chỉnh lưu

Ta có:

U C f I

R

U I

C

R

2

I

R

C 2

=

Như vậy ta có thể khắc độ tỉ số kế trực tiếp theo tần số Để tăng độ

nhạy, ta có thể thay C bằng 1 mạch cộng hưởng nối tiếp, cộng hưởng ở tần số

thấp hơn hoặc cao hơn bằng tần số cần đo

3/ Tần số kế kiểu rung:

Tần số kế kiểu rung dựa vào hiện tượng cộng hưởng cơ học Nó cấu

tạo như hình (H.II.3) Gồm 1 nam châm điện (1), lõi làm bằng thép lá kỹ

thuật điện, thuộc loại sắt từ mềm Nam châm điện hút giá đỡ (2) của bộ rung

Trên giá rung gắn các lá rung (3), có tần số cộng hưởng riêng khác nhau Nếu

tần số nguồn đo là 50Hz, ta chọn cả lá rung có tần số cộng hưởng riêng

khoảng 88  100Hz cách nhau 1 Hz

Khi cấp nguồn có tần số cần đo cho cuộn dây nam châm điện, cuộn

dây hút giá đỡ bộ rung Do dòng điện qua nam châm điện thay đổi theo thời

gian, lực hút của nam châm cũng thay đổi theo thời gian, tần số thay đổi của

lực hút bằng 2 lần tần số nguồn điện, các lực rung bị rung theo Lực hút thay

đổi làm giá trị bị rung theo, với tần số của lực hút, tức 2 lần tần số nguồn Do

tính chất cộng hưởng lá rung, lá rung có tần số riêng bằng tần số của lực sẽ

rung mạnh nhất Quan sát các bản rung, ta sẽ biết bản nào rung mạnh nhất, từ

đó xác định tần số của nguồn điện cần đo Để tiện sử dụng người ta không

khắc độ bản rung tần số riêng mà theo tần số nguồn, tức nửa tần số rung

4/ Tần số kế chỉ thị số:

Hình II.4:

Sơ đồ mạch chia tần số

Điện áp Ux có tần số fx cần đo được khuếch đại thành điện áp U1, sau

đó đưa qua mạch tạo xung để sửa thành dạng xung vuông cũng có tần số là fx

(U2) Xung này được đưa qua cổng logic trong khoảng thời gia Tn để vào

mạch đếm xung (U6) kết quả xung được đếm đưa qua bộ hiển thị sẽ cho biết

tần số tín hiệu Ux

x

x

f

N NT

Với Tn là chu kỳ của xung chuẩn (U4) và cũng là thời gian mở cổng

logic Ở đây xung chuẩn (U4) do mạch dao động thạch anh tạo ra, vì tần số

lớn (fo từ 100KHz  1MHz), nên sau khi sửa thành dạng xung vuông (U3) cần

cho qua mạch chia tần số để thành U4 có tần số fn xung chuẩn (U4) tác động

vào Flip – Flop theo nguyên lý kích thích bằng cạnh trước (ký hiệu FF) tạo ra

xung mở cổng (U5) trong thời gian Tn Sai số của xung được đếm trong thời

gian cổng mở là 1 xung Vì thế khi tần số fx cần đo thấp thì cần thay đổi

thời gian mở cổng Tn Trong thực tế chu kỳ xung chuẩn (Tn) thường có các

mức điều chỉnh 0,1s, 1s, 10s

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ LUẬN

I/ GIỚI THIỆU VỀ VIMẠCH SỐ:

1/Khái niệm về vi mạch số:

Mạch số (digital circuit) xử lý tín hiệu ở dạng xung Các xung chỉ có

thể ở 1 trong hai trạng thái, mức điện thế định trước gọi là mức thấp ví dụ

(0V) và mức cao (4V) Số mức điện thế có thể lớn hơn hai nhưng cũng có thể

là một số hữu hạn

Hệ thống số gồm nhiều loại như hệ thống số thập phân, nhị phân,

BCD, Hexa, v.v Nhưng hệ thống số nhị phân gồm1 và 0 thuận tiện cho việc

xử lý bởi các mạch điện tử, nhưng mạch không xử lý trực tiếp các con số mà

xử lý các dạng sóng Ta biểu thị số nhị phân bằng bằng dạng sóng nhị phân

chỉ có hai mức điện thế, một mức biểu thị số 0 và một mức biểu thị số 1

Hai mức điện thế này cách xa nhau đủ xa để mạch logic có thể phân

biệt được hai mức Khi xử lý tín hiệu nhị phân các ngỏ vào và ra của bản thân

các mạch logic cũng phát hiện ở một trong hai mức điện thế đó

Vi mạch số gồmcó hai loại: - Một loại thuộc họ TTL được cấu tạo từ

các transistor – Một loại thuộc họ CMOS được cấu tạo từ các transistor

trường

2/ Ưu điểm của vi mạch số:

– Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu âm (noise)

– Dễ được chế tạo thành mạch tích hợp (IC) và trong thực tế đã có rất nhiều

mạch tích hợp số được sản xuất cho nhiều chức năng khác nhau

– Thiết kế và phân tích mạch đơn giản hơn

– Thuận tiện cho việc điều khiển tự động lưu trữ và xử lý dữ liệu (data), kết

hợp với các loại máy tính

3/ Nhược điểm:

Tín hiệu được xử lý phải là dạng xung có hai mức logic rõ rệt Vì vậy

khi xử lý tín hiệu tương tự cần phải có bộ chuyển đổi từ tương tự sang số

4/ Phạm vi ứng dụng của vi mạch số:

Vi mạch số được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, các dụng

cụ y tế, các loại máy móc trong sản xuất

II/ CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG:

Mạch dao động tạo xung đóng vai trò quan trọng trong các mạch số

Xung đồng bộ giúp cho các phần trong thiết bị làm việc theo thứ tự đồng bộ

với nhau, vì vậy xung đồng bộ không thể thiếu được Mạch dao động có rất

nhiều dạng, dùng linh kiện rời hay linh kiện tích hợp

1/ Mạch dao động đa hài dùng cổng logic:

Hai cổng Nand (hay 2 cổng Not) mắc chéo như FlipFlop có hai trạng

thái bền nên không phải là mạch dao động (mạch không có trạng thái bền)

Muốn mạch dao động được ta phải gắn thêm tụ trên đường hồi tiếp Các điện

trở được chọn để duy trì điện thế ở ngõ vào của cổng gần thềm logic nên khi

tụ nạp điện và xả điện, điện thế ở ngõ vào dao động trên dưới mức thềm

logic khiến ngõ ra dao động giữa hai mức logic 1 và 0

Tần số dao động là:

(R R)C

f

L+ 2

1

=

Dạng sóng ra ở Q và Q đối pha nhau, mạch này không hoạt động ở

tần số thấp (dưới vài chục Hz) vì phải dùng tụ điện có điện dung lớn (trên vài

chục F)

2/ Mạch dao động đa hài dùng cổng Nand:

Điện trở R1, R2 và biến trở R3 phân cực cho hai cổng Nand gần thềm

logic, các điện trở này phải nhỏ hơn điện trở ngõ vào của cổng, thường dưới

1K

Nguyên lý hoạt động: Giả sử ngõ vào của N1 vừa xuống ngưỡng mức

thấp (0V) để ngõ ra Q lên ngưỡng mức cao (1V) Sự thay đổi logic của tia

được tụ C2 nạp truyền về ngõ vào của N2 khiến cho ngõ ra Q xuống mức

thấp (0V), và mức logic này được tụ C1 chuyển về ngõ vào của N1, mạch

được xem như đạt trạng thái ổn định Nhưng dòng điện trong N1 đổ ra ở ngõ

vào nạp điện cho C1 khi C1 càng dương Trong lúc đó tụ C2 xã điện qua R2 và

R3 nên điện thế trên tụ càng giảm dần Nếu điều kiện điện trở như đã nói, tụ

C1 và C2 không khác nhau thì tụ C2 xả điện nhanh hơn là C1 nạp điện, nên

điện thế ở ngõ vào N2 nhanh chóng đạt mức logic thấp làm ngõ ra Q lên

mức cao (1), ngõ vào N1 cũng đạt đến ngưỡng mức cao Ngõ ra Q xuống mức

thấp (0), sau đó tụ C1 xả điện qua R1, R3 để đổi trạng thái của mạch trở lại

như trong quá trình C1 xả điện Điện trở R3 nằm trên đường xả điện của C1 và

C2 có thể thay đổi giá trị để cho tần số mạch thay đổi Khi mạch đối xứng

nghĩa là C1 = C2; R1 = R2, tần số ra của mạch là:

Để có tần số dao động thấp (vài Hezt) ta có thể dùng tụ lớn đến vài

ngàn F, nếu không cần dạng sóng ổn định cao về tần số giới hạn trên, tần số

của mạch khoảng 10MHz Nếu sử dụng mạch logic CMOS có thể tạo được

mạch dao động có tần số thấp do tổng trở vào của CMOS rất lớn nên cho

phép dùng điện trở bên ngoài lớn

Có nhiều IC tạo xung, là hai họ IC loại TTL và loại họ CMOS được

chế tạo sẵn và chỉ cần đưa thêm một vài linh kiện bên ngoài để xác định tần

số như 555, 556, 4047, v.v… Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền nhưng độ

chính xác không cao do phụ thuộc vào các phần tử xác định tần số ở bên

ngoài

3/ Phương pháp tạo dao động từ lưới điện nguồn:

Phương pháp này đơn giản và tiện sử dụng cho các mạch dùng nguồn

cấp điện xoay chiều của lưới điện và không đòi hỏi về độ chính xác thật cao

Biến áp T1 dùng để hạ mức điện áp lưới cho phù hợp với nguồn nuôi

của IC cổng Nguyên lý của mạch lấy dao động của lưới điện là mạch sửa

dạng sóng từ dạng sóng sin sang dạng sóng vuông có tần số là tần số của lưới

điện

4/ Mạch dao động dùng vi mạch tích hợp:

Mạch tích hợp 555 (NE555, NC555) được chế tạo lần đầu tiên, khoảng

15 năm trước đây và được sử dụng phổ biến Khả năng cần dòng ra lớn

(200mA) hoạt động với 1 quãng điện thế rộng từ 4,5V đến 16V

Độ ổn định nhiệt là 0,005% cho mỗi độ C mạch làm việc cho ra tần số

thay đổi được nhờ các linh kiện bên ngoài, độ ổn định của tần số không cao

5./ Phương pháp dùng dao động thạch anh

Thạch anh là một tinh thể có tính áp điện Nếu ta đặt một điện thế giữa

hai đầu bản cực của thạch anh thì sẽ cho ra dao động cơ học và ngược lại cho

tác dụng lực cơ học thì xuất hiện điện thế ngõ ra ở hai bả cực

Với tính chất đặc biệt này, thạch anh có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực

điện tử Ứng dụng quan trọng nhất là dùng thạch anh tạo dao động chuẩn

Nhưng thạch anh hiện có trên thị trường có thể do tần số dao động rất cao từ

hàng MHz đến hàng trăm MHz với độ chính xác cao và giá thành tương đối

thấp Đây là loại dao động rất được tin cậy để chọn làm dao động chuẩn

Nhưng với mỗi mạch đòi hỏi tần số dao động chuẩn thật thấp (Hz 

chục Hz) nên sử dụng dao động thạch anh làm tần số chuẩn rồi chia xuống

tần số yêu cầu thì mạch sẽ trở nên phức tạp và tốn kém

III./ CẤU TẠO MẠCH ĐẾM:

Mạch đếm chiếm một vị trí khá quan trọng trong kỹ thuật điện tử nói

chung và trong các thiết bị nói riêng Mạch đếm được xem như là một công

cụ đếm các xung điện để xuất ra kết quả đếm Mạch đếm được sử dụng trong

việc điều khiển tự động trong dây chuyền đếm sản phẩm

Khi nói đến mạch đếm, ta không thể không nghĩ đến mạch đếm tần số,

đây là ứng dụng quan trọng của mạch đếm tần số Ta có thể dụa vào ba đặc

điểm sau để phân biệt các loại mạch đếm:

 Cách đưa tín hiệu vào các Flip-Flop (FF)

Tùy theo việc đưa tín hiệu vào các Flip-Flop mà người ta chia ra mạch

đếm đồng bộ hay mạch đếm không đồng bộ

 Căn cứ vào mã số của mạch đếm:

Xuất phát là hệ nhị phân mà người ta có nhiều mạch đếm với các loại mã

khác nhau, như mạch đếm thập phân, mạch đếm nhị phân

 Dựa vào hướng dẫn:

Người ta chia ra mạch đếm có ba cách:

– Đếm lên

– Đếm xuống

– Đếm vòng

1./ Mạch đếm không đồng bộ:

Trong mạch đếm không đồng bộ, xung đếm được đưa vào đầu vào nhịp

xung của FF thứ nhất Còn xung của FF tiếp theo sau phụ thuộc vào ngõ ra

của FF phía trước

Hình (H.III.1a) là mạch đếm không đồng bộ dùng các FF – JK – MS

(Flip Flop – JK – Master Slave) Bốn FF được mắc nối tiếp, ngõ vào JK được

nối chung lại với nhau tạo FF-T và ngõ vào T được mắc lên cao (hay để hở)

Xung đếm được đưa vào FF đầu tiên là FFA, Hình (H.III.1b) trình bày các

dạng sóng của mạch đếm

Hình III.1a

Hình III.1.b

Các FF sẽ đổi trạng thái khi xung vào cổng Clock đổi từ 1 xuống 0

Như vậy QA của FFA sẽ đổi trạng thái ở cạnh sau của xung vào đầu bằng

phân nửa Dạng sóng của QA có tác dụng như xung đồng hồ đối với FFB nên

tần số ra ở QB bằng phân nũa tần số QA Tương tự tần số ở QD bằng phân nữa

tần số ở QC

Như vậy tác dụng của mạch là chia tiếp tần số, nên sau bốn tầng tần số

của dạng sóng vào được chia cho 24 = 16 Điều quan trọng là trong hệ thống

nhị phân sự chia đôi tần số liên tiếp lại là sự đếm tần số Mạch có 4 tần FF

như trên gọi là mạch đếm nhị phân 4 bit hay mạch đếm Modulo 16 (24) hay

mạch chia cho 16 Mạch đếm từ 0000 = 010 (Nếu được xóa trước khi có xung

vào) lên tối đa 1111 = 1510 rồi tự động quay về đếm lại từ 0000 = 010, bảng

Thời gian trễ khá lớn, thời gian trể tỉ lệ với số tăng của mạch đếm

- Tính chống nhiễu kém, xung nhiểu có thể tác động vào từng nhịp vào của

FF và có thể làm sai lệch kết quả đáng kể

2./ Mạch đếm đồng bộ:

Đặc tính của mạch đếm đồng bộ là xung đếm được đưa vào các tầng

đếm một cách song song Để tạo ra mạch đếm đồng bộ cơ bản người ta dùng

loại JF, MS, FF (Hình III 2.b) là mạch đếm đồng bộ 4 bit, xung vào được đưa

đến tất cả các ngõ vào CK Để phân tích mạch đếm đồng bộ 4 bit ta xét thời

gian trễ của hai loại mạch đếm không đồng bộ và mạch đếm đồng bộ (H

III.2.a)

Hình III.2a

Ở mạch đếm không đồng bộ thời gian trễ của 1FF là tFF và thời gian

trễ của toàn mạch sẽ là t Nếu mạch đếm được tạo từ 4 FF thì thời gian trễ

sẽ là t = 4tFF Như vậy mạch đếm không đồng bộ có thời gian trễ rất lớn so

với mạch đếm đồng bộ, đây là nhược điểm của mạch đếm không đồng bộ

Ta xét mạch đếm đồng bộ 4 bit sau đây Hình(H III.2b)

FFA đổi trạng thái của nó theo mỗi xung đếm, sau xung đếm thứ nhất QA =

1 cũng như FFA, FFB,FFC, FFD đã nhận ra xung đếm thứ nhất ở đầu vào Clock

của nó vì QA = QB = QC = QD = 0 nên khi này đầu vào JK của các FFB, FFC,

FFD tức là QB = QC = QD = 0 Đến xung thứ hai thì J và K của FFB = 1 và hai

đầu này được nối với QA còn J và K của FFC và FFD cũng bằng 0, còn FFB đổi

trạng thái từ QB = 0 lên QB = 1, QC và QD vẫn giữ nguyên trạng thái Ở xung

thứ ba thì QB, QC, QD không đổi trạng thái vì J và K của chúng bằng 0, QA đổi

trạng thái từ 0 – 1 (QA = 1, QB = 1), ở xun g đếm thứ tư J và K của FFD bằng

0, còn J và K của FFA, FFB, FFC đều bằbg 1 nên chúng đổi trạng thái QA = 0,

QB = 0, QC = 1,…Xung đếm thứ 17 thì QA = QB = QC = QD = 0

 Ưu điểm:

- Ít bị nhiễu so với mạch đếm không đồng bộ

 Nhược điểm:

- Đối với mạch đếm nhiều bit thì các mạch liên kết logic cho các đầu vào

trở nên phức tạp

3./ Mạch đếm vòng (Ring Counter)

Mạch đếm vòng là loại mạch dựa vào sự phân chia nhị phân, mà dựa

vào sự di chuyển vòng quanh của một ghi chuyển có hồi tiếp gọi là mạch

đếm vòng Các mạch đếm vòng không hữu hiệu bằng mạch đếm nhị phân

nhưng do đơn giản hơn và có đặc tính riêng biệt nên đôi khi được sử dụng

Đặc biệt là các mạch này hoạt động đồng bộ nên có tốc độ giao hoán cao

Hình(H III.3a) là sơ đồ cấu tạo của mạch đếm vòng

Hình III 3a

Hình III.3b

Hình (III.3a) là biểu diễn dạng sóng ra của mạch đếm vòng

Giả sử ban đầu FF cuối cùng được đặt ở QC = 1 còn hai FF kia được

xóa để ngõ ra QA = QB = 0 Đồng hồ tác động cạnh sau Q, QA lên 1, QB = 0,

QC xuống 0 Ở xung thứ 2, QA xuống 0, QB lên 1,QC = 0, ở xung thứ 3, QA = 0,

QB = 0, QC lên 1,… Mạch hoạt động như bảng trạnh thái hình Hình(H.III.3c),

mạch chỉ đếm được 3 số tức bằng số tầng FF

Số xung vào QC QB QA

Mạch đếm hình Hình (H.III.3c) là mạch đếm Johnson Mạch được hồi

tiếp chéo từ Q trở về J, Q trở về K Giả sử ban đầu mạch được xóa để QA =

QB = QC = 0 Ở trạng thái thứ nhất cạnh sau QA lên 1, QB = QC = 0 Ở xung

thứ 2 QA =1, QB lên 1, QC = 0, tiếp theo ở xung thứ 3 QA = 1, QB = 1, QC lên

1, đến xung thứ 4 QA xuống 0, QB = 1, QC = 1…

Mổi ngõ ra ở mức cao trong 3 chu kỳ xung rồi lại xuống thấp trong 3

chu kỳ xung, rồi lại lên cao trong 3 chu kỳ xung tiếp theo

III.3f)

Số xung vào Trạng thái ra ngay sau khi có xung vào Số thập phân

Với 3 Flip Flop mạch đếm được Modul M = 6 Để ý là mạch bỏ đi hai

trạng thái 010 = 510 Vì lý do ngẫu nhiên lúc bật điện hay do nhiễu khi hoạt

động mạch đếm có thể rơi vào một trong hai trạng thái bỏ đi (trạng thái cấm)

và sau đó chỉ thay đổi trạng thái giữa các trạng thái cấm này

IV./ MẠCH GIẢI MÃ VÀ HIỂN THỊ:

1./ Mạch giải mã từ BCD sang Led 7 đoạn:

Còn gọi là mạch giải mã 4 đường sang 10 đường Mạch có 10 ngõ ra

tương ứng với số thập phân từ 0 đến 9 và có 4 ngõ vào Ngõ ra tương ứng với

mã nhị phân vào xuống thấp còn 9 ngõ ra kia ở mức cao Mạch gồm 4 cửa

đảo để tạo A,B,C,D vào 10 cửa NAND có 4 ngõ vào Ngõ vào của NAND

đầu tiên là A B, ,C,D, ngõ vào của NAND thứ hai là A,B,C,D, khi D = C =

B = A = 0 (010) thì A = B=C=D = 1 nên ngõ ra của cửa NAND đầu tiên, tức

ngõ ra xuống thấp (0) còn các ngõ ra kia đều ở mức cao

Khi có mắc thêm đèn Led (và các điện trở giới hạn dòng) như Hình

(H.IV.1a), đèn Led 0 sẽ sáng còn các đền Led kia sẽ tắt Khi D = C = B = 0;

A = 1 ( tức DCBA = 10) ngõ ra của cửa NAND thứ hai xuống thấp và đèn Led

1 sáng, còn các đèn khác tắt

Hình IV.1.a

2./ Mạch hiển thị:

a./Đèn cathod lạnh

Trước khi có đèn Led, các loại đèn Cathod lạnh (Cathod không được

sưởi nóng bởi tim đèn) được sử dụng Hình (H.IV.2.a1)

Đèn chứa một khí trơ bên trong ống thủy tinh, đèn gồm một anod và 10

catod, các catod là một miếng kim loại mõng có hình từ 0 đến số 9 được xếp

hàng sát nhau (nhưng không đụng nhau) từ trước ra sau, thường có thêm một

catod hình dấu chấm thập phân

Một điện thế dương từ vài chục Volt trở lênh được đưa vào anod qua

một điện trở Khi một catod được nối Mass thì đèn dẫn điện (cỡ vài mA) và

xung quanh catod có một vùng không gian sáng rực (rộng khỏang 1 mm)

Hình IV.2.a1

Hình IV.2.a2

Do sự ion hóa, trong khi đó các catod khác không sáng (Hình IIV.2a1)

là biểu diễn của đèn có catod lạnh và Hình (H.IV.2.a2) là hình dạng của đèn

nhìn từ phía trước khi đèn hiện số 2

 Một số IC giải mã 4 đường sang 10 đường:

 7441: Giải mã BCD sang thập phân, ngõ ra chịu Volt cao ( 60V)

 7442/LS42: Giải mã BCD sang thập phân

 7445: Giải mã BCD sang thập phân, dòng lớn ( 80mA)

 7414L: Giải mã BCD sang thập phân, ngõ ra chịu Volt cao (60V)

 74145/LS145: Giải mã BCD sang thập phân, dòng lớn (80mA)

 Ứng dụng của IC 74145/LS145 và IC 7445

Mạch giải mã 7441 có ngõ ra chịu Volt cao (khoảng 60 volt) nên rất thích

hợp để hoạt động các đèn catod lạnh Hình (H.IV.2.c) Xung muốn đếm

được đưa và chân (Clock) của IC 7490 Ngõ ra BCD của mạch đếm được

đưa đến ngõ vào tương ứng của 7441 Ngõ ra 0 đến 9 của 7441 được nối

trực tiếp đến ngõ vào tương ứng của đèn catod lạnh

Hình IV.2.a.3

Hình IV.2a.4

Hình IV.2a.4 là ứng dụng để chỉ báo của 7445, ngõ vào 7445 chỉ chịu

được 5V nhưng có thể nhận dòng lớn (đến 80mA) nên chỉ có thể dùng để thúc

trực tiếp

b./ Đèn Led 7 đoạn:

Một trong các số chỉ báo thông dụng là đèn Led 7 đoạn Đèn gồm 7

đoạn mang tên a, b, c, d, e, f, g được sắp xếp theo hình số 8, xem hình

(H.IV.2.b.1) Bên dưới mặt 7 đoạn là một số đèn Led (thường là 7) và hệ

thống phản chiếu ánh sáng lên mặt Tùy tổ hợp các đoạn sáng mà ta có các

số và chữ khác nhau

Hình IV.2.b.1

Hình IV.2.b.3

Về phương diện đèn Led 7 đoạn có hai loại đó là loại Anod chung và

hình (H.IV.2.b.2) và loại Catod chung hình (H.IV.2.b.3) Các điện trở hạn

dòng khoảng 220 đến 470, nếu VCC = 5 V để giới hạn dòng và biểu thị

của mạch giải mã Tùy tổ hợp các bật đóng mà tổ hợp tương ứng của các Led

(biểu thị cho các đoạn) sáng để tạo các số hay các chữ

 Một số IC giải mã BCD sang Led 7 đoạn

Cực thu để hở

Kéo lên 2K

Cực thu để hở

Kéo lên 2K

Cực thu để hở

40mA 40mA 6,4mA 24mA 6mA 8mA

30V 15V 5,5V 15V 5,5V 5,5V

320mW 320mW 385mW 3,5mW 125mW 40mW

 Khảo sát IC 7447A

Hình IV.2b.4

7447A có ngõ ra cực thu để hở và đủ dòng để thúc các chỉ báo trực

tiếp Ngõ ra tác động mức thấp nên thích hợp để thúc các Led 7 đoạn anod

chung hay các đèn chịu dòng thấp Mạch hoạt động theo bảng sự thật sau

(Hình IV.2.b5)

Trong đó với ngõ ra là một dạng sóng và ngõ ra 0 là tắt, nghĩa là nếu

7447 thúc đèn Led 7 đoạn thì các đoạn a, b, c, d, e, f, g của đèn sẽ sáng hay

tắt tùy theo ngõ ra tương ứng của 7447 là 1 hay 0 Kết quả là khi mã số nhị

phân 4 bit vào có giá trị thập phân từ 0 đến 15, đèn Led hiện lên các số và

dấu như ở hình (Hình IV 2b.6) Để ý là khi mã số nhị phân vào là 1111 = 1510

thì đèn tắt

Bảng sự thật Hình (H.IV.2.b.5) có các ghi chú:

1 Ngõ vào xóa BI được để không hay nói lên cao

2 Khi nối BI đến mức thấp, các ngõ ra đều tắt, bất chấp trạng thái ở ngõ vào

khác

3 Khi RBI và các ngõ vào ABCD ở mức thấp và các ngõ vào thử đèn LT

(Lamp test) ở cao, các ngõ ra đều tắt và ngõ ra xóa dạng sóng, RBO

xuống thấp

4 Khi ngõ vào BI (RBO) để không hay nối lên cao và ngõ vào LT giữ mức

thấp, các ngõ ra đều sáng

V./ GIAO TIẾP CÔNG SUẤT:

1./ Khả năng dòng và thế của TTL và CMOS

a./ Đặc tính của TTL:

Mạch Logic TTL có nhiều loại ra: Mạch kéo lên thụ động tức có điện

trở nối từ cực thu của Transistor lên VCC Loại mạch này không được dùng

không được dùng ở mạch Logic TTL Loại mạch thứ hai là mạch cực thu để

hở tức là cực thu Transistor nối trực tiếp lên nguồn VCC Mạch thứ ba là mạch

kéo lên tích cực tức có thêm Transistor giữa cực thu Transistor và nguồn VCC,

loại mạch này thông dụng nhất là mạch ra cột chạm Mạch thứ tư là mạch ra

ba trạng thái, mạch này có cấu tạo gần giống mạch cột chạm Do đó ta có thể

lấy mạch kiểu cột chạm biểu thị cho TTL

Đặc tính ngõ vào Đặc tính ngõ ra

Hình V.1a

 Đặc tính ngõ vào gồm có:

– Điện thế ở mức cao tối thiểu là 2V

– Dòng mức cao tối đa 40mA

– Điện thế tối đa mức thấp 0,8V

– Dòng điện tối đa mức thấp –1,6mA

 Đặc tính ngõ ra gồm có:

– Điện thế ở mức cao tối thiểu là 2,4V

– Dòng mức cao -400mA

– Điện thế tối đa mức thấp 0,2V

– Dòng điện tối đa mức thấp 1,6mA

b./ Đặc tính của CMOS:

Điện áp đặt vào các mối nối ngõ vào của IC phải nằm trong các miền

chấp nhận được, CMOS sẽ xem các điện áp vào nỏ hơn hoặc bằng 1V như

mức Logic thấp, và xem điện áp nào lớn hơn hoặc bằng 3,5V là ở mức Logic

cao

Hình V.1b

Cửa đảo CMOS là một mạch CMOS cơ bản gồm một Transistor MOS

kênh P (gọi là PMOS) nối với một Transistor MOS kênh N (gọi là NMOS)

Cực cửa nối chung với nhau và là ngõ vào, cực thoát được nối chung với nhau

và là ngõ ra Cực ngờn của MOS kênh P nối lên điện thế Vdd dương và cực

nguồn của MOS kênh N nối xuống điện thế VSS nhưng thường là Mass Khi

ngo vào ở mức cao (H) MOS kênh P ngưng dẫn, MOS kênh N phân cực

thuận nhưng chỉ có dòng Idd ở trên đổ xuống nên VSS rất thấp gần như Mass

Ngược lại khi ngõ vào ở mức thấp (0) MOS kênh P dẫn điện còn MOS kênh

N ngưng và ngõ ra điệ thế gần Vdd Vì dòng điện khi chưa có tải rất nhỏ nêm

mạch tiêu thụ công suất rất thấp

Do tổng trở vào của mạch Logic CMOS rất lớn nên số tỏ ra của mạch

CMOS đối với các CMOS khác cũng rất lớn trên 50, khi giao tiếp với các tải

khác loại, các mạch CMOS khác bị giới hạn về dòng điện

c./ Đặc tính của tải:

Tải có thể là thuần trở, cảm kháng, tuyến tính hay phi tuyến Đối với

tải tuyến tính sự xác định độ lợi, công suất cần thiết khá đơn giản Còn đối

với tải phi tuyến ta phải xét các trường hợp chuyển tiếp để bảo đảm các chỉ

tiêu kỹ thuật cũa những bộ phận không bị vượt quá Tải phi tuyến được điển

hình như một bóng đèn hay động cơ điện (Hình V.1c) biểu diễn dòng điện,

điện thế và công suất tiêu tán của một bóng đèn điện được thúc bởi mạch

giao tiếp có hfc