BÀI TẬP LỚN MÔN : ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ

Họ tên sinh viên: Nguyễn Hữu Nam Lớp: Kỹ sư tài – Điều khiển tự động – Khóa 55 Mã số sinh viên: 20104338 Điện thoại: 01659405433 BÀI TẬP LỚN MÔN : ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Đề bài: Để thiết kế cho mạch đầu vào đo công suất tác dụng, kỹ sư lắp ráp theo sơ đồ khối chức với thông số sau: I in Biến dòng 100A/2A Lọc Chuẩn hóa clưu TH 1Ω f(i) U in Biến áp 220Vac/ 2Vac Bộ biến đổi tương tự Uu:0-4.4Vdc thành số Iac (ADC) xung vuông Bộ biến đổi số tương tự (DAC) Ui:0-4Vdc Lọc Chuẩn hóa clưu TH Vi xử lý Mạch tạo Vref =2.5Vdc từ 9Vdc 0-5Vdc Chuẩn hóa tín hiệu Iout ( 420mA) 5v Uac xung vuông f(u) tần số f(i) Loa 24Vdc 0v Mạch so pha Góc lệch U/I Timer 555 f= 30kHz 12Vac 220Vac Biến áp 0Vac 12Vac Mạch Chỉnh lưu + ổn áp +9Vd c Gnd φ(u/i) On/Off Mạch ổn áp -9Vdc +5Vd c Gnd Biết : I in : 0- 100A U in : 220Vac (f = 50Hz) , OPAM lý tưởng Thiết kế tính toán ,vẽ sơ đồ nguyên lý mạch (không tính toán khối nét đứt) A.Phần Mạch xử lý tín hiệu I.Thiết kế, tính toán khối xử lý tín hiệu I in Khối lọc, chuẩn hóa, chỉnh lưu tín hiệu Trong khối bao gồm mạch lọc tần số, mạch khuếch đại, mạch chỉnh lưu xác lọc san phẳng Để tránh dùng nhiều opamp nhằm hạn chế nhiễu, thiết kế kết hợp mạch lọc khuếch đại a) Mạch lọc kết hợp khuếch đại: Theo lý thuyết, ta có: kU ( j )   R2  R1  jCR (*) Với tần số cắt tính theo công thức: fc  2 CR Và hệ số khuếch đại biên độ: kU  Dấu trừ (-) (*) tức áp bị đảo pha R2 R1 Thiết kế mạch : -, Đầu vào: I in dòng dao động với tần số có hài 50Hz, biên độ từ 0100A, qua biến dòng, giảm biên độ xuống tương ứng 0-2A giữ nguyên tần số; qua điện trở R=1 (Ω), áp dao động với hài 50Hz, biên độ tương ứng 0-2V, làm đầu vào khối -, Yêu cầu đầu ra: Tín hiệu lọc thông thấp (loại bỏ tần số nguyên lần tần số bản.) khuếch đại tín hiệu với hệ số kU -, Thiết kế: +, Vì vậy, đầu vào khối có lẫn sóng hài bậc cao (nguyên lần 50Hz), ta cho khối lọc, lọc với tần số fc thuộc khoảng 51Hz đến chọn 149Hz Chọn C=100(nF), R2=27 (kΩ) (nhằm ZC R2 xấp xỉ ), fc 59(Hz) (thỏa mãn) +, Đồng thời, để đầu 0-4Vac tương ứng đầu vào 0-2Vac, ta phải có hệ số khuếch đại kU 2, với R2=27 (kΩ), chọn R1=10 (kΩ) +, Chọn R4 =R3=10 (kΩ) Chú ý: +, Do có hao hụt áp trình biến đổi tín hiệu, đồng thời có sai số điện trở, nên ta chọn hệ số khuếch đại lớn 2, dùng chiết áp đấu ra, chỉnh thông số theo mong muốn +, Opamp có nguồn nuôi 9Vdc Để tránh phức tạp, sơ đồ không vẽ nguồn nuôi +, Nếu không nhắc đến nguồn nuôi, nguồn nuôi Opamp mặc định 9Vdc Nếu có thay đổi nguồn nuôi, nêu rõ b) Mạch chỉnh lưu xác, kết hợp lọc san phẳng: -, Đầu vào: Tín hiệu I in, lọc thông thấp (f ), khuếch đại hệ số kU bị đảo pha (Đầu khối lọc – khuếch đại) -, Yêu cầu đầu ra: Tín hiệu áp chiều, không đổi, có giá trị lần biên độ I in Do đầu lắp thẳng vào ADC, nên ta cần cho thêm mạch đệm trạng thái để điều khiển đầu vào -, Thiết kế: +, Cho tín hiệu qua mạch chỉnh lưu hình vẽ, với D1, D2 diode thường, điện áp ngược giới hạn lớn 5V như: 1N4007, … ; R =R7= R8=10 (kΩ) +, Tại đầu mạch chỉnh lưu, nối thêm tụ hóa C2=2200 uF, nhằm san phẳng áp đầu +, Đồng thời, ta lắp thêm chiết áp RV1=1 (kΩ) đầu gần cuối cùng, nhằm chỉnh thông số Để chỉnh nhạy hơn, ta nối thêm điện trở R 6=10 (kΩ) trước nối chiết áp xuống đất +, Trước nối vào ADC, ta thêm mạch đệm hình vẽ R9=10 (kΩ) +, Để chỉnh thông số, ta cho Uv tín hiệu 2Vac, tần số 50Hz, chỉnh cho Ur=4.00(Vdc) không đổi Mạch biến tín hiệu thành xung vuông -, Đầu vào: Tín hiệu I in, lọc thông thấp (f ), khuếch đại hệ số kU bị đảo pha (Đầu khối lọc – khuếch đại) -, Đầu ra: Xung vuông đối xứng f(i) có áp 0Vdc 5Vdc, giữ nguyên tần số I in -, Thiết kế: +, Ta sử dụng IC LM393 tạo mạch so sánh với U REF=0 (Vdc) (Đầu nối thẳng với đất.) Chú ý: Nguồn nuôi LM393 mạch 0Vdc 5Vdc +, Chọn R21 =R10=10 (kΩ) +, Mạch so sánh mạch so sánh đảo, đầu vào tín hiệu I-in bị đảo khuếch đại, nên đầu mạch có pha với I-in (tức dương, âm.) II.Thiết kế, tính toán khối xử lý tín hiệu U in Nhận xét: Do xử lý tín hiệu tương tự I-in với U-in nên việc thiết kế mạch U-in tương tự trên, với thông số giống hệt, trừ thông số khuếch đại, đầu khối Lọc, chuẩn hóa, lưu tín hiệu từ đến 4.4Vdc 1 Khối lọc, chuẩn hóa, chỉnh lưu tín hiệu a) Khối lọc, khuếch đại: -, Đầu vào: Uv 2Vac, tần số 50Hz -, Đầu ra: Ur kU× Uv, lọc tần số bậc cao (lớn 50Hz), tín hiệu bị đảo pha -, Thiết kế: +,Chọn R11 =R13=10 (kΩ); R12=8,6 (kΩ); C=100(nF) +, Hệ số khuếch đại k U= R11/ R12 ≥2,2 b) Mạch chỉnh lưu xác, kết hợp lọc san phẳng: -, Đầu vào: Là tín hiệu đầu khối lọc khuếch đại -, Đẩu ra: Áp không đổi, chiều, nằm khoảng 4,4Vdc ứng với U in: 220Vac -, Thiết kế: +, Chọn R14= R15= R16= R17= R18=10 (kΩ); C4=2200(uF) +, Trước mạch đệm, ta lắp thêm chiết áp, để điều chỉnh xác thông số: cho U-in 220Vac, điện áp sau mạch đệm 4.4Vdc Mạch biến tín hiệu thành xung vuông -, Đầu vào: Tín hiệu áp sau lọc, khuếch đại -, Đầu ra: Tín hiệu xung vuông f(u), pha với U-in -, Thiết kế: +, Chọn R19 =R20=10 (kΩ); +, Sử dụng mạch so sánh có IC LM393 với hai nguồn nuôi 0Vdc 5Vdc III Mạch so pha góc lệch U/I, mạch tạo VREF=2,5V mạch chuẩn hóa tín hiệu Mạch so pha -, Đầu vào: xung vuông đối xứng f(i) f(u) -, Đầu ra: xung vuông không đối xứng, giữ nguyên tần số, thẳng vào khối vi xử lý -, Thiết kế: +, Sử dụng phần tử XOR với đầu vào f(i) f(u) +, Do đầu thẳng vào vi xử lý, nên XOR phải phần tử trạng thái điều khiển được; hoăc ta phải lắp thêm đệm Mạch tạo VREF=2,5V từ 9Vdc -, Đầu ra: Uref=Uz=2,5 (Vdc) -, Thiết kế: +, Sử dụng Điốt Zener 1N5222B, có U=2,5 (Vdc) với Izmax=150 (mA), Izmin=0,25(mA).Như để D5 làm việc chế độ ổn áp, phải có: 37 (Ω) R22 29,6 (kΩ) chọn R23=10 (kΩ); R22=2,2 (kΩ) +, Do đầu mạch thẳng vào khối ADC, ta nên dung Opamp trạng thái, thiết kế mạch đệm phía sau, để điều khiển đầu vào Mạch chuẩn hóa tín hiệu U in: 0-5Vdc sang I out: 4-20mA Nhận xét: Do mạch tạo nguồn dòng Iout, tỉ lệ tuyến tính với Uin mạch; nên để có đầu 4-20mA ứng với đầu vào 0-5Vdc, ta cần có khối cộng đằng trước a) Khối cộng: -, Đầu vào: Uv (từ 0-5Vdc) Uref -, Đầu khối cộng: Ur với:  R  R  R27  UV U ref  U r  1  26   25    R R  R R  24  25 27  25 R27  b) Khối tạo nguồn dòng: -, Đầu vào: Ur -, Đầu ra: Iout với: I out  Ur RV c) Thiết kế: -, Để dễ tính toán ta chọn: R24= R25= R26= R27=10 (kΩ) ta được: U r  U v  U ref U v  U ref RV Khi Uv=0 (Vdc) Iout=4 (mA) Uv=5 (Vdc) Iout=20 (mA), thay số vào biểu thức ta tìm được: Uref=1,25 (Vdc), RV4=312,5 (Ω) -, Để tạo Uref=1,25 (Vdc), ta tận dụng mạch tạo nguồn 2,5Vdc mạch, sử dụng chiết áp RV3 hình vẽ I out  -, Để tạo RV4=312,5 (Ω), ta sử dụng biến trở RV4 330(Ω), lắp hình vẽ; điều chỉnh cho Uv=5 (Vdc) Iout=20 (mA) -, Dòng Iout qua tải R29=250(Ω), có Điôt Zener D6 5,1V bảo vệ IV Mạch Timer 555 (f=30kHz) loa 24Vdc Mạch Timer 555 với (f=30kHz) -, Đầu vào: Tín hiệu on/off vi xử lý, ứng với áp 0V 5V -, Đầu ra: xung vuông với tần số f=30kHz -, Thiết kế: +, Chọn tụ C5=0,01 (uF) nối đầu với đất Đầu số đầu số 4, nối với nguồn 5Vdc đất +, Ta biết, công thức tính tần số xung vuông : 1, 43 f   RV   R28   C +, Chọn C6=C5=0,01(uF) với f=30 (kHz), ta phải có RV5+2 R28 4,76 (kΩ) Chọn R28= 1,8 (kΩ), RV5 biến trở 1,5 (kΩ) +, Điều chỉnh biến trở cho tần số 30kHz Loa 24V -, Đầu vào: Xung vuông f=30 (kHz) -, Thiết kế: +, Do đưa thẳng xung vào đầu B tranzito đóng cắt, trình đóng cắt tần số cao, làm sụt điện áp xung, không tạo tín hiệu, nên ta cho thêm mạch đệm trước vào đầu Bazo Chọn R30=10 (kΩ) +, Tranzito Q2 dùng C828 B Phần mạch nguồn Yêu cầu: -, Đầu vào: Điện áp 220Vac -, Đầu ra: +, Điểm đất nguồn nuôi ±9Vdc +, Điểm đất nguồn nuôi +5Vdc -, Nhận xét : Ngoài yêu cầu điện áp, yêu cầu cung cấp dòng: +, 10 Opamp LM741 Opamp LM393 (các opamp lý tưởng), tiêu thụ tổng cộng 12×50(mA)=600(mA) +, IC Timer 555 tiêu thụ tối đa 200(mA) +, IC XOR tiêu thụ tối đa 300(mA) +, Vi xử lý tiêu thụ 200(mA) +, Các khối ADC, DAC tiêu thụ tổng 6(mA) +, Khối chuẩn hóa tín hiệu tiêu thụ tối đa 20(mA) Tổng cộng dòng tiêu thụ: 1326 (mA) -, Nhận xét : Tuy nhiên, có IC dung nguồn nuôi 5Vdc, có IC dung nguồn nuôi ±9Vdc Để tránh tính toán nhiều, ta thiết kế mạch nguồn, với dòng nguồn 5Vdc ±9Vdc 1,5A -, Nhận xét : Hai mạch ổn áp thiết kế nối tiếp nhau, nên thực chất, dòng mạch ổn áp ±9Vdc phải 3A Thiết kế mạch a) Mô tả: +, Sử dụng biến áp có điểm đất giữa, để biến đổi từ Uin 220Vac thành 12Vac +, Dùng mạch cầu, để chỉnh lưu điện áp xoay chiều; điện áp bị sụt qua điốt chỉnh lưu, tối đa 2V +, Điện áp thu được, cho qua lọc thông thấp tụ hóa san phẳng trước vào IC ổn áp 7809 7909 nhằm tạo nguồn ổn áp đối xứng ±9Vdc +, Do phải đáp ứng dòng tầm 3A, ta thiết kế thêm mạch tăng dòng +, Đầu +9Vdc mạch ổn áp đưa vào đầu vào IC ổn áp 7805, có tầng tăng dòng b) Sơ đồ thiết kế: c) Tính toán chọn thông số: -, Biến áp với tỉ số cuộn dây thứ cấp cuộn dây sơ cấp 12:220, tức quấn 220 vòng bên cuộn sơ cấp quấn 12 vòng dây cho cuộn thứ cấp -, Mạch cầu chỉnh lưu, phải có diode chịu áp ngược 12V cho thông dòng 3A Ở mạch dùng mạch cầu KBU4A - Các tụ thường có giá trị C=100 (nF) để khử mũi kim (tần số cao áp), tụ hóa Ch=470(uF) để san Chú ý chọn tụ chịu điện áp tối thiểu 12V Trong thiết kế này, tụ hóa tụ thường có điện áp giới hạn 25V -, Để có dòng Iout , ta lắp thêm tầng tăng dòng, sử dụng điện trở R tranzito chuyên dụng Tip42 PNP +, Gọi IIC dòng IC ổn áp (78xx,79xx), I out dòng lắp tầng tăng dòng Gọi IE, IB, IC dòng vào cực E, khỏi cực B, cực C tranzito Tip42 Gọi IR dòng qua R vào IC ổn áp +, Ta có: IIC= IB + IR; Iout = IC + IIC; Lại có: IR=UBE/R; IC =βIB; Suy ra: R   U BE    1  I IC  I out -, Lấy IIC = 300(mA), với Iout = 3(A) IC = 2,7 (A) Tra bảng datasheet, nhiệt độ 25 độ, β =hFE=50; IB =0,054(A) UBE = 1(V), ta tính R 4,1 (Ω), chọn R=3,9 (Ω) -, Tương tự, lấy IIC = 300(mA), với Iout = 1,5(A) IC = 1,2 (A) Tra bảng datasheet, nhiệt độ 25 độ, β =hFE=70; IB =0,021(A) UBE = 0,8(V), ta tính R 2,83 (Ω), chọn R=2,7 (Ω) Bản thiết kế hoàn chỉnh