Luận văn tốt nghiệp vật lý lắp ráp mạch dao động tạo sóng vuông có tần số thay đổi được (1)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Khoa Vật Lý -o0o - GVHD: PHAN THANH VÂN SVTH: KIỀU THỊ NY Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2009 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Lời cảm ơn 0O0 Bốn năm đào tạo trường đại học thời kỳ độ để chuẩn bị trở thành người giáo viên tương lai, kết thúc khóa đào tạo, hay bắt đầu khóa học đường đời Luận văn tốt nghiệp bước chuyển tiếp thời kỳ độ Đây thật phương pháp nguyên cứu khoa học phổ biến mà hữu ích cho sinh viên trường Không học năm trường, dạy bảo tận tình thầy cô qua môn học mà em thật cảm thấy học nhiều từ việc thực luận văn, từ dạy tận tình quý thầy cô hướng dẫn, “những điều tưởng không làm thực hiện” Để hoàn thành luận văn này, cho em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Chủ Nhiệm Khoa Vật Lý Trường Đại Học Sư Phạm TP HCM tạo điều kiện cho em thực luận văn Bên cạnh Quý Thầy, Cô truyền đạt kiến thức suốt khóa học chắn em hoàn thành luận văn cách hoàn chỉnh Cho phép em gửi lời cảm ơn đến tất Thầy, Cô nhà trường truyền đạt kiến thức cho em Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phan Thanh Vân, tận tình hướng dẫn giúp đỡ, giải đáp khó khăn em suốt trình làm đề tài Em xin cảm ơn thầy Cao Anh Tuấn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành phần hàn mạch thực nghiệm Cuối em xin gửi lời cảm ơn đến hội đồng khoa học xét duyệt luận văn Xin chúc sức khỏe quý thầy cô nhà trường Sinh viên thực Kiều Thị Ny SVTH: Kiều Thị Ny Trang LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển công nghệ thông tin làm thay đổi hoàn toàn mặt đời sống người, với tốc độ phát triển chóng mặt ấy, hệ thống kỹ thuật truyền thông ngày cải tiến, nâng cấp phức tạp Tuy nhiên việc đưa kỹ thuật vào giảng dạy trường đại học gặp phải nhiều khó khăn “Vô tuyến điện tử” môn học để giúp sinh viên sư phạm có kiến thức vệ hệ thống kỹ thuật truyền thông, có hiểu biết ban đầu hệ thống kỹ thuật số đại ngày nay, sở sinh viên tự tìm hiểu khám phá thêm ứng dụng khác để phục vụ tốt cho tiết dạy sau Với mục đích làm phong phú hiểu biết sinh viên môn “vô tuyến điện tử”, khám phá thêm ứng dụng linh kiện bán dẫn học, kích thích tò mò, ham hiểu biết sinh viên nên em chọn đề tài “lắp ráp mạch dao động tạo sóng vuông có tần số thay đổi được” Chúng ta thấy “ Mạch dao động tạo sóng vuông” có mặt khắp nơi sống chúng ta, từ thiết bị máy móc tinh vi nhớ, đếm, vi xử lý…, đến hệ thống kỹ thuật điện công nghiệp đến mạch điện đơn giản hàng ngày mà thường thấy bảng chạy đèn quảng cáo, cột đèn giao thông Các bạn hình dung đơn giản : mạch dao động tạo sóng vuông mạch tạo tín hiệu logic 1, vậy, chúng có tác dụng biến đổi tín hiệu tương tự (như tín hiệu hình sin) thành tín hiệu logic (tín hiệu kỹ thuật số) Chúng tảng hệ thống kỹ thuật số ngày Nguyên cứu mạch dao động tạo sóng vuông cách giúp bạn tiếp cận đến hiểu biết sơ khai hệ thống kỹ thuật số, ngành điện tử mạnh thời đại ngày Không vậy, bạn tự tay chế tạo mạch điện tử có đèn nhấp nháy theo ý thích Sự đam mê tìm tòi khám phá nảy sinh từ mà bạn thấy sản phẩm “ nhấp nháy” Với chút kiến thức nhỏ luận văn, hi vọng mang lại cho bạn hiểu biết môn học, khám phá thêm nhiều ứng dụng, kích thích tìm tòi ham học hỏi bạn Vì kiến thức hạn hẹp hạn chế thời gian nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót, mong đóng góp ý kiến bạn SVTH: Kiều Thị Ny Trang LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân NỘI DUNG CHÍNH Với mục đích trên, luận văn em sâu vào nội dung sau: PHẦN I:MẠCH DAO ĐỘNG TẠO SÓNG VUÔNG Trong phần này, em sâu nguyên cứu loại mạch dao động tạo sóng vuông, số linh kiện thường dùng mạch Mạch dao động tạo sóng vuông: hay gọi mạch dao động đa hài Được chia làm loại :  Mạch dao động hai trạng thái bền  Mạch trạng thái bền  Mạch không trạng thái bền Một số linh kiện: có nhiều loại linh kiện để xây dựng mạch, transistor BJT, IC OP AMP, linh kiện nhất, linh kiện khác tích hợp linh kiện TRANSISTOR BJT: linh kiện gồm lớp bán dẫn, nguyên lý hoạt động đơn giản thân thuộc với bạn sinh viên sư phạm Em khảo sát mạch dao động đa hài phiếm định sử dụng Transistor IC OP AMP: IC, hay gọi Khuếch Thuật Toán không phổ biến với bạn sinh viên sư phạm nên em sâu vào nguyên cứu hoạt động IC mạch đơn giản, khảo sát hoạt động IC tromg mạch đa hài phiếm định PHẦN II: ỨNG DỤNG CỦA MẠCH DAO ĐỘNG TẠO SÓNG VUÔNG Đây phần lý thú, dễ theo dõi tránh làm rắc rối, em chia phần ứng dụng thành ba phần nhở IC OP AMP IC thường dùng mạch dao động đa hài phiếm định, phổ biến tạo nhấp nháy đèn LED bảng quảng cáo, bạn điều chỉnh độ nhấp nháy mạch R - C đơn giản, chúng dùng để theo dõi nhiệt độ đối tượng Loại mạch dùng rộng rãi y tế, hệ thống chiếu sáng đèn đường, bảng quảng cáo… FLIP FLOP SVTH: Kiều Thị Ny Trang LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Đây mạch dao động hai trạng thái bền, chế tạo từ hoạt động hai transistor “ ON” & “ OFF”, cấu trúc bit thông tin Không thành phần việc tích hợp nên IC khác mà chúng đơn vị thông tin nhớ, đếm…là tảng hệ thống kỹ thuật số IC 555 Là IC tích hợp, cấu tạo dựa hoạt động hai OP AMP Flip Flop, chíp vi mạch tạo sóng vuông hữu dụng Nó thường dùng để tạo sóng vuông mạch đa hài phiếm định mạch đa hài đơn ổn ( mạch dao động đa hài trạng thái bền) Trong mạch đa hài đơn ổn, IC có tác dụng rơ- le thời gian, thường sử dụng hệ thống dây chuyền sản xuất công nghiệp, để đếm sản phẩm Dùng IC độ nhạy hệ thống tăng lên Trong mạch đa hài phiếm định, thường ứng dụng việc tạo tiếng còi hú, hệ thống nhấp nháy đèn LED với giá trị tụ điện, chúng hệ thống đàn điện tử ngày PHẦN III: PHẦM MỀM ORCAD ORCAD giúp bạn việc tạo mạch điện sơ đồ nguyên lý trước, giúp bạn xác định định dạng trước thứ tự, vị trí, cách xếp linh kiện mạch hàn thực phần CAPTURE CIS Hoặc không thích hàn mạch, ORCAD giúp bạn tạo mạch in máy tính, bạn chọn trước linh kiện, loại chân thích hợp xếp chúng cho đẹp mắt nhờ dịch vụ làm giúp bạn mạch in theo ý thích PHẦN IV: THỰC NGHIỆM Trong phần em trình bày số kinh nghiệm thực nghiệm, bước em tiến hành hàn mạch, khảo sát tần số mà mạch dao động tạo Và số mạch mà em hàn SVTH: Kiều Thị Ny Trang LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân I MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI: Hầu hết hệ thống kỹ thuật số yêu cầu vài loại dạng sóng định thời, ví dụ nguồn xung kích khởi cần thiết cho tất hệ thống định thời Trong hệ thống kỹ thuật số, dạng sóng hình chữ nhật điều kiện ước muốn ( không giống hệ thống tương tự thường sử dụng tín hiệu hình sin) Sự tạo dạng sóng hình chữ nhật ( sóng vuông) gọi đa hài Mạch dao động tạo sóng vuông gọi mạch dao động đa hài Tùy theo chế độ hoạt động người ta phân biệt thành ba loại :  Mạch hai trạng thái bền mạch Trigger hay Flip- Flop  Mạch trạng thái bền mạch dao động đa hài đơn ổn  Mạch không trạng thái bền mạch dao động đa hài phiếm định Mạch hai trạng thái bền: Mạch cấu tạo gồm hai tần khuyếch đại, ngõ vào tầng ghép với ngõ tầng qua mạch RC tạo thành vòng hồi tiếp dương khép kín Nhờ mạch tồn hai trạng thái bền vững, trạng thái tương ứng với transistor dẫn transistor tắt, đổi trạng thái có xung kích khởi từ bên Mạch thường dùng làm thành phần nhớ hệ thống kỹ thuật số Mạch trạng thái bền: Bình thường mạch tồn trạng thái bền có xung kích khởi mạch chuyển sang trạng thái không bền sau khoảng thời gian định mạch tự động trở trạng thái bền ( mà không cần có xung kích khởi bên ngoài) Thời gian mạch tồn trạng thái không bền không phụ thuộc vào độ rộng xung kích khởi mà phụ thuộc vào trị số linh kiện mạch Mạch gọi mạch nhịp xung kích khởi tạo nên xung bề rộng xung lại khác hẳn Mạch hữu dụng tạo xung tương đối dài (hàng chục mili giây ) từ xung hẹp Ví dụ vi xử lý phát tín hiệu cho thiết bị bên để in nội dung cách truyền qua xung Thiết bị đầu điện nói chung chậm vi xử lý, SVTH: Kiều Thị Ny Trang LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân yêu cầu xung tín hiệu khoảng thời gian lâu Điều đạt mạch giao tiếp có chứa đa hài đơn ổn Mạch không trạng thái bền: Dùng để tạo xung vuông với độ rộng xung tần số cho trước Mạch có hai trạng thái không bền, trình hoạt động tự chuyển đổi từ trạng thái sang trạng thái khác mà không cần có xung kích khởi từ bên Mạch dùng làm nguồn xung khóa mạch Người ta thiết kế mạch dao động đa hài nhiều linh kiện khác nhau: dùng transistor BJT, vi mạch OP AMP ( gọi mạch khuyếch đại dùng thuật toán), cổng logic, IC555, IC556… Cho đến vài năm gần đây, mạch đa hài thiết kế cách sử dụng thiết bị rời rạc điốt chân không, transistor BJT , ngày chúng trở nên lỗi thời có nhiều IC thị trường, việc sử dụng IC làm cho mạch gọn gàng, dễ mắc, độ xác cao, thuận lợi Em sâu nguyên cứu mạch dao động đa hài không trạng thái bền (mạch dao động đa hài phiếm định) dùng transistor BJT, mạch đa hài phiếm định dùng OP AMP có tần số thay đổi II TRANSISTOR BJT Cấu tạo: Cùng đế bán dẫn tạo tiếp xúc công nghệ p-n gần để linh kiện bán dẫn cực gọi transistor lưỡng cực ( bipolar) Hình ІІ.9 SVTH: Kiều Thị Ny Trang LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Mỗi transistor lưỡng cực có tiếp xúc p-n gồm lớp:  Lớp gọi lớp gốc ( base) ký hiệu B, có nồng độ tạp chất thấp có bề dày mỏng, khoảng 10µm  Lớp phát ( emitter) ký hiệu E, có nồng độ tạp chất lớn  Lớp góp ( collector) ký hiệu C, có nồng độ tạp chất trung bình Nguyên tắc hoạt động: - Ta xét hoạt động transisto NPN Muốn transisto hoạt động được, phải có đủ điều kiện:  Tiếp tế: - Phải cung cấp điện áp cho cực C, E cực tính nguồn điện ECC + Nếu transistor NPN UCE > + Nếu transistor PNP UCE <  Phân cực: - Phải cung cấp điện áp cho cực B, E cực tính nguồn điện EB +Xét trường hợp có nguồn ECC , nguồn EB : CE coi gồm điôt CB BE mắc nối tiếp, điôt mắc ngược chiều nên không cho dòng điện qua CE +Xét trường hợp có nguồn EB nguồn ECC: điốt BE phân cực thuận, electron ( hạt dẫn đa số lớp e) qua mối tiếp xúc PN vào lớp B để nguồn E B Chỉ có dòng IB, dòng IC mạch nguồn ECC Dòng IB lớn, nguồn EB lớn SVTH: Kiều Thị Ny Trang LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân +Xét trường hợp có nguồn E CC nguồn EB: điốt BE phân cực thuận, electron ( hạt dẫn đa số lớp e) qua mối tiếp xúc vào lớp B, lớp B electron hạt dẫn điện thiểu số (không bản), khuyếch tán nhanh qua lớp B (rất mỏng cở vài µm) để vào lớp C Ở electron lại hạt dẫn đa số, nên bị nguồn ECC hút mạnh tạo nên dòng IC - Ta thấy, dòng IC mạnh dòng IB lớn bề dày lớp B nhỏ Vậy: + Khi IB = : dòng IC + Khi IB lớn: dòng IC lớn + Ta nói dòng qua cực B (cỡ nA) điều khiển dòng điện qua E C (cỡ mA) Transistor Vì vậy, cực B gọi cực khiển - Nếu coi cực E nguồn phát hạt dẫn đa số, hạt phần nhỏ chạy qua cực gốc B tạo dòng IB, phần lớn lại chạy đến cực góp C để tạo nên dòng I C Vậy ta luôn có: IE = I B + I C Trong IB cỡ na IC cỡ mA( IB[...]... không cao Mạch dao động đa hài thường được chế tạo dưới dạng IC tích hợp, hay những mạch logic… để khắc phục những nhược điểm trên Ta có thể tìm hiểu ứng dụng của mạch dao động đa hài thông qua hoạt động của những IC này trong một số mạch sau: I.OP AMP 1 Mạch đa hài phiếm định dùng OP AMP Thường được sử dụng để tạo dãy xung vuông góc với những tần số xác định thường được dùng phổ biến nhất là làm mạch điều... kỳ dao động của mạch là: T = ∆T1 + ∆T2 Khi T1 dẫn, C2 được nạp qua R2 ∆ T1 ≈ ln2 C2.R2 T2 dẫn, C1 được nạp qua R1 ∆T2≈ ln2 C1.R1 → T ≈ (C1.R1 + C2.R2)ln2 Nếu ta chọn R2 =R1=R và C1 = C2= C, tần số của xung được xác định bởi: f SVTH: Kiều Thị Ny 1 2RC ln 2 Trang 14 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân 5 Mạch có tần số thay đổi được Ảnh hưởng của R đến hoạt đông của mạch: Ta tiến hành thay đổi. .. công nghiệp đến những vi mạch trong thanh ram, thẻ nhớ, thanh ghi… của máy vi tính ngày nay Mạch dao động đa hài tạo ra sóng vuông có thể được tạo ra từ nhiều linh kiện điện tử khác nhau, tùy theo mục đích sử dụng và trạng thái hoạt động của mạch mà người ta sử dụng các cách mắc, các linh kiện và các trị số khác nhau Ngày nay, việc tạo ra mạch dao động đa hài bằng những linh kiện rời rạc không còn được. .. cải thiện mạch theo sơ đồ sau : SVTH: Kiều Thị Ny Trang 16 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Chỉnh nhuyễn tần số dao động của mạch bằng cách thay đổi điện dung của các tụ không phải lúc nào cũng thực hiện được Do đó trong thực tế thường chọn cách điều chỉnh bằng biến trở, điều này cho phép thay đổi điện thế phân cực cho cực nền của transistor tắt Trên hình bên là sơ đồ mạch dao động cho phép... đến hằng số thời gian nạp của các tụ Ở mạch khảo sát trên là mạch đối xứng ta có: T1 = T2 = 0,7 RC độ rộng xung bằng nhau _ Để thay đổi độ rộng xung ,ta có thể thay đổi các giá trị của tụ điện hoặc điện trở (lưu ý là thay đổi trong giới hạn cho phép) SVTH: Kiều Thị Ny Trang 15 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Lúc này chu kỳ : T = 0,7 R2C2 + 0,7R1C1 tần số được tính theo công thức : 1 f= 0,7(R... vào đảo mạch, chân 3 là đầu vào không đảo mạch SVTH: Kiều Thị Ny Trang 21 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân 4 IC OP AMP trong mạch so sánh: Hiện nay, phần tử cơ bản dùng làm mạch so sánh tương tự là OP AMP, làm việc ở chế độ khóa Chúng ta sẽ đi tìm hiểu hoạt động của mạch so sánh tương tự để biết rõ nguyên lý hoạt động của một OP AMP trong mạch dao động đa hài phiếm định Có hai loại mạch so... Ảnh hưởng của tụ c đến tần số của hệ : Bằng cách thay đổi giá trị C, đo tần số dao động từ máy dao động ký đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tụ điện và chu kỳ: 0.1600 0.1400 Periode (ms) 0.1200 0.1000 0.0800 Series1 0.0600 0.0400 0.0200 0.0000 0 2 4 6 8 Capacite (nF) Ta thấy C và f biến đổi tuyến tính trong mọi trường hợp Với mạch điện như trên ta thấy dạng xung ra không hoàn toàn vuông , nguyên nhân... LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Vậy để tạo độ rộng xung ra khác nhau ở hai nữa chu kỳ thì tụ phải nạp và xả theo hai con đường khác nhau Sau đây là sơ đồ mạch : chu kỳ dao động T = T1 + T2 2R 1 với T = R.C.ln(1+ 2 ) R1 T2 = R’ C.ln(1+ 2R2 R1 T= (T1+T2).ln(1+ 2R2 R1 ) ) Dạng xung ra ở mỗi nửa trong cùng một chu kỳ sẽ có độ rộng khác nhau 6 Mạch đa hài phiếm định dùng OP AMP có tần số thay đổi. .. sẽ không còn vuông nữa SVTH: Kiều Thị Ny Trang 30 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Thật khó có thể kể hết được sự phong phú đa dạng của ứng dụng của mạch đa Nó có mặt ở khắp mọi nơi trong cuộc sống của chúng ta từ những mạch điện đơn giản trong những còi báo động chống trộm hàng ngày, hay trong những thiết bị điện tử, dụng cụ âm nhạc, những hệ thống mạch điện chiếu sáng, những mạch điện vận... nhậy ∆u và thời gian lật trạng thái của mạch không đủ nhỏ khi có yêu cầu cao Ngưỡng đóng Uđ và ngưỡng mở Um của mạch so sánh là như nhau và bằng Uch (Uđ= Um = Uch) Do vậy mạch làm việc không ổn định khi có tác động của nhiễu Để khắc phục hai nhược điểm trên, người ta dùng mạch so sánh có trễ, thường gọi là Trigger Smith B .Mạch so sánh có trễ ( Trigger Smith) Mạch có cấu trúc vòng kín với đường phản hồi