ĐỒ án MẠCH điện tử tạo xung vuông dùng ic555

đây là đồ án mạch điện tử mẫu làm mạch dao đông tạo xung vuông và răng cưa dùng ic 555. trong này có nêu nguyên lí hoạt động của ic555 và mạch , mô phỏng chi tiết bằng protus . Trong đời sống hằng ngày, con người thường xuyên phải thu nhận và trao đổi thông tin lẫn nhau. Chẳng hạn những tin tức như âm thanh, hình ảnh có thể truyền đi được là nhờ vào các hệ thống điện tử

ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN

TỬ Giáo viên hướng dẫn: LÊ QUỐC HUY

Nhóm sinh viên thực hiện:

Chương I: Nguyên lí hoạt động của mạch.

1.1 Ứng dụng của mạch:

Trong đời sống hằng ngày, con người thường xuyên phải thu nhận và trao đổi thông tin lẫn nhau Chẳng hạn những tin tức như âm thanh, hình ảnh có thể truyền đi được là nhờ vào các hệ thống điện tử Các hệ thống này biến đổi những tin tức trên thành đại lượng điện áp hoặc dòng điện Kết quả của quá trình chuyển đổi là điện áp hoặc dòng điện phải tỉ lệ với lượng tin tức nguyên thủy Ví dụ: Microphone biến đổi tiếng nói con người thành tín hiệu điện, Camera biến đổi hình ảnh thành những tín hiệu điện Ta gọi chung đó là tín hiệu

Các tín hiệu có biên độ biến đổi theo thời gian được phân ra thành hai loại

cơ bản , đó là tín hiệu liên tục (còn gọi là tín hiệu tuyến tính hay tín hiệu tương tự) và tín hiệu gián đoạn (còn gọi là tín hiệu xung hay số)

Ngày nay trong kỹ thuật vô tuyến điện, có rất nhiều thiết bị hoạt động trong một chế độ đặc biệt đó là chế độ xung Khác với những thiết bị điện tử làm việc trong chế độ liên tục, trong các thiết bị làm việc ở chế độ xung thì dòng điện hoặc điện áp tác dụng lên mạch một cách rời rạc theo một quy luật nào đó Ở những thời điểm đóng hoặc ngắt điện áp, trong mạch sẽ phát sinh quá trình quá độ phá hủy chế

độ công tác tĩnh của mạch

Các thiết bị xung được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật hiện đại như :Thông tin , điều khiển, ra đa, vô tuyến truyền hình, máy tính điện tử, điện tử ứng dụng

Tùy theo nhiệm vụ mà trong các thiết bị sử dụng nhiều loại sơ đồ xung khác nhau: Khác nhau về nguyên tắc cấu tạo, nguyên lý làmviệc cũng như các tham

số Tổ hợp các phương pháp, các thiết bị để tạo và biến đổi dạng xung, để biểu thị

và chọn xung gọi là kỹ thuật xung

Tác dụng sinh lý của các dòng điện xung:

Tác dụng kích thích: nhờ vào sự lên xuống của cường độ xung (độ dốc lên xuống càng dựng đứng bao nhiêu thì kích thích càng mạnh)

Tác dụng ức chế cảm giác và giảm trương lực cơ: tác dụng này đến nhanh khi tần

số xung lớn hơn 60Hz Tần số gây ức chế tốt nhất là 100 - 150Hz

Từ những tác dụng chung nhất nêu trên, do đặc điểm về hình thể, cường độ và tần

số xung của các dòng điện xung mà:

Dòng Faradic (xung gai nhọn, Hz: 100): chủ yếu tác dụng kích thích mạnh Tuy nhiên nếu dùng lâu thì gây ức chế

Dòng Leduc (xung hình chữ nhật, Hz: 100 - 1000): tùy tần số, thời gian xung, thời gian nghỉ mà có tác dụng hưng phấn hay ức chế mạnh hơn

Dòng Lapicque (xung hình lưỡi cày, độ dốc lên xuống thoai thoải): ứng dụng tốt với những trường hợp cơ và thần kinh đã bị thương tổn

Dòng Bernard (xung hình sin; 50 - 100Hz): ứng dụng tốt cho những trường hợp cơ

và thần kinh bị thương tổn Tuy nhiên dòng 50Hz có tác dụng kích thích trội hơn, dòng 100Hz có tác dụng ức chế trội hơn Tác dụng điện phân của dòng Bernard cũng mạnh

Dòng giao thoa thực tế có tần số từ 10 - 100Hz phátsinh ra trong tổ chức ở sâu: nó chỉ tác dụng đến những bộ phận ở sâu, không tác dụng trên cảm giác bề mặt da nên

có thể tăng cường độ đến mức gây co cơ ở sâu mà bệnh nhân có thể chịu được dễ dàng Tác dụng ức chế hay hưng phấn tùy tần số

Các thiết bị xung được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật hiện đại như :Thông tin , điều khiển, ra đa, vô tuyến truyền hình, máy tính điện tử, điện tử ứng dụng

Ứng dụng IC555: Ứng dụng của 555 là rất lớn, ngoài ứng dụng hay dùng là mạch phát xung nó còn dùng đểđ o điện dung Điện dung hoặc cảmbiến dạng điện dung được nối vào mạch, khi thay đổi sẽ làm tần số đầu ra thay đổi Việc đo tần số với vi điều khiển thì đơn giản rồi Khi sử dụng cách này, cần phải có điện trở thật chính xác để tránh sai số Ngoài ra IC555 còn có nhiều ứng dụng trong thực tế như: dùng làm mạch cho khởi động trễ, mạch phát ra âm thanh, điều chế xung, dùng để đo tốc độ quay của máy hát đĩa, dùng trong thiết bị chống trộm và tia hồng ngoại……

1.2 Nguyên lí hoạt động của mạch:

Sơ đồ khối.

Mạch dao động thì cũng là một mạch điện như mọi mạch điện khác nhưng

nó sử dụng các linh kiện để phát ra tín hiệu xung dao động cụ thể Có nhiều dạng tín hiệu xung được phát ra từ mạch dao động, như xung sine , xung vuông , xung tam giác, hoặc là một dạng khó hơn như là xung hàm mũ hay hàm log

Mạch dao động điều hòa là mạch tạo tín hiệu hình sin

Tín hiệu hình sin được xem là một tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên tục Với tín hiệu này có thể xác định biên độ của nó tại từng thời điểm

Mạch tạo xung là mạch tạo tín hiệu xung vuông, tam giác, răng cưa

Tín hiệu hình vuông được xem là một tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu gián đoạn.Với tín hiệu này thì biên độ của nó chỉ có hai giá trị là mức cao (High) và mức thấp (Low), thời gian để chuyển từ mức biên độ thấp lên biên độ cao hay từ biên độ cao xuống biên độ thấp là rất ngắn và được xem như tức thời Tín hiệu vuông được dùng để kích thích mạch số

Xung răng cưa cũng là một loại xung gián đoạn Tín hiệu xung răng cưa dùng để thử mạch

Mạch dao động cầu wien

Mạch tạo dao động

Mạch nguồn nuôi

1.2.1 Nguyên lí hoạt động của mạch tạo xung vuông dùng IC555:

IC 555 là một trong những IC thông dụng khi bạn đi theo con đường điện tử Đây là vi mạch định thời gian đầu tiên và đến nay vẫn còn được phổ biến cho đến nay Ngõ ra của 555 sẽ tạo ra một xung vuông mà chúng ta hay dùng để kích chân clock các IC khác Phương pháp tạo xung clock dùng 555 được cho là đơn giản và chuẩn xác hơn các cách khác như dùng Transistor, Opamp …

IC 555 dòng NE

Lý do chọn 555:

 555 rất phổ biến

 Mạch tạo xung dùng IC này rất dễ làm, dễ giải thích, dễ hiểu nguyên lý làm việc của nó

 Sơ đồ chân:

+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy

dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân

chung

+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân

đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được

dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1

tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các

transitor PNP với mức điện áp chuẩn là

2/3Vcc

+ Chân số 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 cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V)

+ Chân số 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 áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC

+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong

IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta

thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

+ Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp

khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.

+ Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu

điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC

hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2V >18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là con NE7555)

 Cấu tạo:

Nhìn trên sơ đồ cấu tạo trên ta thấy

cấu trúc của 555 gồm : 2 con OPAM, 3

con điện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở đây là

FF RS):

- 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp

- Transistor để xả điện

- Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp

chia điện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo

này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3

VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset

 Sơ đồ mạch đẳng hiệu của IC555:

 Giải thích sự dao động:

Kí hiệu 0 là mức thấp(L) bằng 0V, 1 là mức cao(H) gần bằng

VCC Mạch FF là loại RS Flip-flop,

Khi S = [1] thì Q = [1] và = Q- = [ 0]

Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = Q- = [0]

Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0]

Tóm lại, khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì Q- = [1],

transisitor mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra +Rb)C

Tụ C nạp từ điện áp 0V -> Vcc/3:

+ Lúc này V+1(V+ của Opamp1) > V-1 Do đó O1 (ngõ ra của Opamp1) có mức logic 1(H)

+ V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3) Do đó O2 = 0(L)

+ R = 0, S = 1 > Q = 1, /Q (Q đảo) = 0

+ Q = 1 > Ng ra = 1

+ /Q = 0 > Transistor hồi tiếp không dẫn

Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3:

+ Lúc này, V+1 < V-1 Do đó O1 = 0.

+ V+2 < V-2 Do đó O2 = 0

+ R = 0, S = 0 > Q, /Q sẽ giứ trạng thái trước đó (Q=1, /Q=0)

Transistor vẫn ko dẫn !

Tụ C nạp qua ngưỡng 2Vcc/3:

+ Lúc này, V+1 < V-1 Do đó O1 = 0

+ V+2 > V-2 Do đó O2 = 1

+ R = 1, S = 0 > Q=0, /Q = 1

+ Q = 0 > Ng ra đảo trạng thái = 0

+ /Q = 1 > Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !

+ Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C

+ Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống dưới 2Vcc/3

Tụ C tiếp tục "XẢ" từ điện áp 2Vcc/3 > Vcc/3:

+ Lúc này, V+1 < V-1 Do đó O1 = 0

+ V+2 < V-2 Do đó O2 = 0

+ R = 0, S = 0 > Q, /Q sẽ giứ trạng thái trước đó (Q=0, /Q=1)

Transistor vẫn dẫn !

Tụ C xả qua ngưỡng Vcc/3:

+ Lúc này V+1 > V-1 Do đó O1 = 1

+ V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3) Do đó O2 = 0

+ R = 0, S = 1 > Q = 1, /Q (Q đảo) = 0

+ Q = 1 > Ngõ ra = 1.

+ /Q = 0 > Transistor không dẫn -> chân 7 không = 0V nữa và tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3

Quá trình lại lặp lại

Kết quả: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn định

Nhận xét:

- Vậy, trong quá trình hoạt động b.nh thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3

- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C

- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3 Xả điện với thời hằng là Rb.C

- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện

 Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính

1.2.2 Nguyên lí mạch tích phân:

Mạch tích phân là mạch mà điện áp ra Vo(t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào Vi(t):

Vo(t) = K∫Vi (t ) dt

Trong đó K là hệ số tỉ lệ

Mạch tích phân dùng RC:

 Mạch tích phân RC chính là mạch lọc thông thấp RC khi tín hiệu vào có tần

số fi rất lớn so với tần số cắt fc của mạch

Trở kháng của mạch là Z=√R2

+ ¿ ¿ = R√1+( 1

ωRCRC)

2

Fc = 1/2πRCRC là tần số cắt của mạch

Dòng điện trong mạch: i(t)=Vi(t)

Z

Điện áp lối ra trên tụ là: Vo (t)=q(t )

C =C1 i (t )dt=

1

ωRCRC)

2Vi (t)dt

Điện áp lối ra thay đổi khoảng thời gian ∆ t là:

Vo(t)=

1

ωRCRC)

2∫Vi (t ) dt

Từ điều kiện tần số fi rất lớn so với tần số fc ta có:

V o

R

C

+

fi>> fc = 1/2πRCRC

 RC >> 1/2πfifi

f i=Ti, trong đó Ti là tín hiệu lối vào

Với điều kiện như trên thì tổng trở mạch Z≈ R khi đó tín hiệu lối ra của mạch:

Vo(t)=RC1 ∫V i (t ) dt với k=1/RC

Khi tín hiệu lối vào là xung vuông thì tín hiệu lối ra là xung tích phân của tín hiệu lối vào tương ứng dạng xung phóng nập cho tụ

Khi điện áp và là tín hiệu xung vuông có chu kỳ Ti thì có thể xét tỉ lệ hằng số thời gianτ = RC so với Ti để giải thích các dạng sóng theo hiện tượng nạp xả tụ

Giả sử điện áp vào là tín hiệu xung vuông đối xứng có chu kì Ti:

Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian τ= Ti/5 thì nạp và xả điện áp theo hàm số

mũ Tín hiệu thu được là xung răng cưa

1.2.3 Mạch nguồn nuôi:

 Sơ đồ khối:

 Máy biến áp:

Máy biến

áp

Mạch chỉnh

U2/U1 = N2/N1

Ta chọn mấy biến áp có: U1=220 V, U2=12V

 Mạch chỉnh lưu:

Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ (mạch chỉnh lưu cầu )

 Mạch lọc:

Lọc bằng tụ:

Tính toán hệ số đập mạch Kp=2/(ωCRCRt)

Chọn tụ c=c1//c2

Với C1=2200uf ( chức năng làm kho chứa điện)

C2=1uf( chức năng lọc nhiễu)

ωCR=2πfif=2πfi x 50 =100πfi

Kp=2/(100πfi x 2200x10-6 xRt)

 Mạch ổn áp:

 Mạch hoàn chỉnh:

Trong đó:

C1=

C2=

1.2.4 Mạch dao động điều hòa:

Mạch dao động điều hòa làm việc theo sơ đồ sau:

Out In

GND

IC 7812

V out

Mạch khuếch đại

B

Mạch dao động điều hòa gồm hai khối: khối khuếch đại có hệ số khuếch đại là A

và khối phản hồi có hệ số phản hồi là B

Điều kiện để duy trì dao động: A.B=1

và φ A+φ B=2 nππRC ; hồi tiếp dương

Trong đó:

A – hệ số khuếch đại vòng hở

B – hệ số hồi tiếp

φ A – góc di pha của bộ khuếch đại

φ B – góc di pha của mạch hồi tiếp

Điều kiện cân bằng biên độ: A.B=1: mạch chỉ có thể dao động khi hệ số khuếch đại cảu bộ khuếch đại có thể bù được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra

Điều kiện cân bằng pha: φ A+φ B=2 nππRC : dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu ban đầu  hồi tiếp dương

 Chất lượng tín hiệu ra:

- Ổn định tần sô:

Chọn trị số điện áp nguồn nuôi thích hợp

Điểm làm việc phù hợp của bộ khuếch đại

Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc phần tử hiêu chỉnh

- Ổn định tần số:

Dùng nguồn ổn áp

Dùng các phầ tử có hệ số khuếch đại nhỏ

Dùng các linh kiện có sai số nhỏ và có độ ổn định nhiệt cao

Cách li đầu ra với tải: dùng mạch cách li, mạch đệm

- Dạng sóng sin chuẩn:

Tín hiệu ra = tín hiệu tần số cơ bản + hài

Lọc sóng hài bằng mạch lọc: lọc thông thấp, lọc dài thông

Mạch phản hồi

Mạch dao động sin ghép RC:

 Mạch tạo dao động cầu wien:

Từ mạch điện ta có :

´

Z1=

j ωRC C1

j ωRC c1

1+ j ωRC R1.C1

´

Z2=R2+ 1

j ωRC C2=

1+ j ωRC R2 C2

j ωRC C2

Hệ số hồi tiếp :

´β= U ht

U ra = Z1

Z1 +Z2

Thay vào :

1−ωRC2 R1 R2 C1.C2+j ωRC(R1.C1+R2 C2+R1 C2)

KhiR1 = R2=R , C1= C2 = C thì :

1−ωRC2 R2.C2+j 3 ωRC R C

Để mạch dao dộng được thì :

´

1−ωRC2 R2.C2

+j ωRC 3 R C

Hay:

1−ωRC dd2 R2 C2= 0

¿ >ωRC dd= 1

R C

Và 3ωRC dd R C=K ωRC dd R C

Nên K = 3

Thay ωRC dd ta được β=1

3

Để mạch tạo dao động được cần chọn R3, R4R4

R3=2

Mạch dao động dao động điều hòa:

Để xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động dùng sơ đồ khối hình bên

Trong đó (1) là khối khuếch đại có hệ số khuếch đại K=k.ejk và (2) là khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt Kht=Khtej Nếu đặt tín hiệu Xv và giả thuyết KKht=1 thì X’r=Xv và X’r=KKhtXv

Vậy tín hiệu vào của mạch khuếch đại Xv và tín hiệu ra của mạch hồi tiếp X’r bằng nhau cả về biên độ nên có thể nối đầu a và a’ với nhau mà tín hiệu vẫn không thay đổi

Lúc nà ta có sơ đồ khối của mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp

Trong sơ đồ này, chỉ có tần số của nó thỏa mãn điều kiện:

KKht=1

Vì K và Kht đều là những số phức nên (1) có thể viết lại như sau:

KKht=Kkhte=1,

Trong đó:

K là modun hệ số khuếch đại;

Kht là modun hệ số hồi tiếp;

Là góc di pha của bộ khuếch đại;

Là góc di pha của mạch hồi tiếp

Có thể tách biểu thức (2) thành hai biêu thức: một biểu thức theo

modun, một biểu thức viết theo pha:

KKht=1;

K+ht=2n với n=

Chương II: Thiết kế mạch nguyên lí và mô phỏng mạch.

2.1 Thiết kế mạch nguyên lí:

2.1.1 Mạch tạo xung vuông dùng IC NE555: