Tự động hóa thiết kế mạch điện tử trên Computer

Trong bài này bạn sẽ được học một vài đặc trưng phân tích trong Electronic Workbench (EW): Multisim và việc tạo những mạch điện tử để phân tích. Sơ đồ cuối cùng sẽ được dùng cho thí nghiệm...

Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sựacbossvn@yahoo.comhttp://www.dieukhientudong.comTự động hóa thiết kế mạch điện tử trên Computer<Học nhanh Multisim- Phần 2>1. IntroductionTrong bài này bạn sẽ được học một vài đặc trưng phân tích trongElectronic Workbench (EW): Multisim và việc tạo những mạch điện tửđể phân tích. Sơ đồ cuối cùng sẽ được dùng cho thí nghiệm thứ 3:Chuyển từ sơ đồ nguyên lí sang mạch in (PCB)2. Phân tích mạch.Chúng ta sẽ mô phỏng mạch đã được thiết kế trong phần thínghiệm truớc. Chúng ta sẽ thêm vào nhiều thiết bị để xác định rõ mạchchạy thees nào và sẽ tiếp tục sửa mạch bằng cách cho thêm một sốthành phần khác. Nhớ lại mạch đã được thiết kế trong thí nghiệm trướccó dạng như sau:Hình 1: Mạch dao động LED cơ bản Mạch trong hình 1 đã được kết nối với một máy hiện sóng XSC1 đểgiám sát điện áp trên 2 điểm : đầu ra của NAND và đầu vào củatranzitor Q1. Trong thí nghiệm trước, chúng ta đã được học cách chạymô phỏng và mở cửa sổ máy hiện sóng. Chúng ta sẽ học cách điềuchỉnh máy hiện sóng để đạt được hình ảnh quan sát tốt nhất.3. Điều chỉnh máy hiện sóngĐầu tiên, khởi động Multisim, mở lại mạch bạn đã thiết kế và Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sựacbossvn@yahoo.comhttp://www.dieukhientudong.comghi lại ở thí nghiệm trước (mạch như trên hình 1). Chạy mô phỏng,click đúp lên icon của máy hiện sóng để làm xuất hiện cửa sổ màn hìnhmáy hiện sóng. Bật máy hiện sóng bằng cách click vào nút ở dưới cùngcủa cửa sổ máy hiện sóng.Trên màn hình máy hiện sóng, dạng sóng đo được ở kênh 1 biểu diễnđiện áp đầu ra của cổng NAND, có dạng xung kim, phần lớn có trị sốđiện áp bằng 0 và phần nhỏ là 5 V. Những xung kim này diễn ra khiLED sáng. Bây giờ chúng ta sẽ quan sát điện áp đo được trên kênh 2của máy hiện sóng (đầu vào của tranzitor Q1).Hình 2: Máy hiện sóng và những phần quan trọng (đóng khungmàu đỏ).Trong hình 2, chúng ta thấy có 2 hệ thống điều khiển quan trọng củamáy hiện sóng, có tên là : Horizontal và Analog. Hai phần này điềuchỉnh thuộc tính ngang và dọc của sóng hiển thị trên máy hiện sóng. Đểquan sát kênh thứ 2, Bấm nút số 2 trong phần Analog.Núm xoay ở bên trái trong phần Horizontal điều chỉnh độ chia thời giantrên truc nằm ngang của máy hiện sóng. Các núm xoay phía trên củaphần Analog dùng để điều chỉnh riêng rẽ các kênh quan sát. Hãy thửđiều chỉnh máy hiện sóng sao cho sóng quan sát được có dạng như hình Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sựacbossvn@yahoo.comhttp://www.dieukhientudong.comsau: Hình 3: Điều chỉnh độ chia điện áp và thời gian của máy hiệnsóngBằng cách điều chỉnh các thiết lập trên chiều thẳng đứng của máy hiệnsóng (điều chỉnh độ chia điện áp), bạn có thể quan sát được những thayđổi diễn ra ở đầu vào của tranzitor Q1. Hãy nhớ lại nguyên lí hoạt độngcủa mạch đã đề cập trong phần trước. Sự thay đổi điện áp diễn ra ở cựcbazơ của Q1 là kết quả của sự phóng hay nạp điện của tụ C1. Khi điệnáp trên đầu ra của cổng NAND lên đến đỉnh xung kim (đồ thị phíatrên), tụ sẽ phóng điện qua tranzitor Q2 ( theo đường quan sát được ởđồ thị bên dưới của hình 3).Máy hiện sóng cũng cho phép kiểm tra những đặc tính quan trọng củamạch dao động. Đó là: tần số dao động ( đơn vị Hz), nghĩa là số daođộng mà mạch đã thực hiện được trong 1 giây. Trong trường hợp này,một dao động là một chu kì bật tắt của LED. Hãy điều chỉnh để trênmáy hiện sóng giống như hình 3, mạch đang ở chế độ chạy (running).Click vào nút Single (nút trên cùng phí bên phải của máy hiện sóng),Máy hiện sóng sẽ chỉ ghi lại đồ thị trong một lần chạy, sau khi lần chạyđó kết thúc, nút Run/Stop sẽ chuyển thành màu đỏ. Click nút cursor Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sựacbossvn@yahoo.comhttp://www.dieukhientudong.com(ngay bên dưới phần Horizontal), một chuỗi các nút khác sẽ xuất hiệntrên màn hình máy hiện sóng.Hình 4 :các chức năng thời gian của máy hiện sóng Chúng ta chỉ quan tâm đến các nút 2, 3 , 4. Nút 2 để chuyển đổi quansát theo truc X hay trục Y. Nút 3 để chọn điều khiển đường đánh dấu thứ nhất(X1),nút 4 để chọn điều khiển đường đánh dấu thứ 2 (X2). Đường đánh dấulà đường nét đứt có thể di chuyển theo màn hình nhờ xoay nút (núm xoay duynhất ngay dưới phần horizontal). Núm xoay này được gọi là núm xoay đánhdấu.Click nút 2 để chắc chắn rằng trục X được chọn. Click nút 3 để chọn điềukhiển đường đánh dấu thứ nhất, xoay núm xoay đánh dấu theo chiều kimđồng hồ để điều khiển đường đánh dấu thứ nhất di chuyển dọc theo màn hình,dừng lại khi đường đánh dấu trùng với một đỉnh xung kim. Click nút thứ 4 đểchọn đường đánh dấu thứ 2, xoay núm xoay đánh dấu cho đến khi đường nàytrùng với xung kim tiếp theo. Khoảng cách giữa 2 đường (dX=X2-X1) cũnglà khoảng cách giữa 2 xung kim về thời gian. Máy hiện sóng sẽ đo chính xácthời gian dX và 1/dX là tần số, số xung kim trong 1 giây hay số lần mạch daođộng trong 1s.dX = ……. μs Frequency = ………. HzBằng kĩ thuật này, bạn cũng có thể đo được điện áp chênh lệch giữa 2 điểmtrên đồ thị của một sóng như sau. Click nút thứ 2 và chắc chắn rằng trục yđược chọn. Đánh dấu 2 điểm cần đo chênh áp bằng 2 đường đánh dấu (bây Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sựacbossvn@yahoo.comhttp://www.dieukhientudong.comgiờ chúng nằm ngang màn hình). Tương tự như trên, bạn sẽ có được kết quảcần tìm. Độ chênh lêch điện áp giữa điểm với điểm:Peak to Peak voltage = ……… VMột phân tích nữa mà chúng ta sẽ thực hiện trên mạch dao động LED, đó làphân tích đáp ứng trên miền thời gian (transient analysis )Phân tích này có đủ khả năng cho chúng ta theo dõi dòng và áp của mạch điệntrong một chu kì hoạt động. Multisim sẽ tính toán đáp ứng của mạch như mộthàm của thời gian. Mỗi chu kì sẽ được chia thành các khoảng thời gian nhỏ,phân tích DC sẽ được thực hiện cho từng điểm trong chu kì đó. Tiện lợi củaphương pháp này là cho bạn quan sát được số dao động trong một thời gianxác định, mà bình thường tần số dao động đó lớn khiến mắt không quan sátđược.Để phân tích đáp ứng thời gian ta làm như sau.Chọn Transient Analysis từmemu Simulate / Analyses . Một cửa sổ hiện ra cho bạn thiết lập các thôngsố phân tích, quan trọng nhất là : start time và stop time. Chọn tab output,khung bên trái là tất cả các điểm trên mạch có thể tiến hành phân tích, chọnnhững điểm cần phân tích (đưa chúng sang khung bên phải).Cuối cùng làclick vào nút Simulate để tiến hành phân tích. Để quan sát được điện áp ởnhiều điểm khác nhau, chọn show/Hide cursor từ menu View.4. Tạo sóng với khối Tạo chức năng (function generator )Với nhiều mạch chúng ta cần kiểm tra thiết kế với tín hiệu đầu vào theonhiều dạng khác nhau. Do đó ta phải sử dụng khối tạo chức năng . Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sựacbossvn@yahoo.comhttp://www.dieukhientudong.comHình 5: The Agilent function generator set to 1 kHz (1000 Hz)Để kiểm tra thiết kế với các điều kiện khác nhau, từ sơ đồ mạch đa thiết kế ởtrên, loại bỏ vòng phản hồi và điều khiển trực tiếp đầu vào của cổng NANDbằng một khối tạo chức năng (function generator). Khối này cung cấp sóngdạng sine hoặc dạng xung vuông với tần số định trước. Khối tạo chức năngnày có 3 thiết lập quan trọng: tần số sóng, điện áp (biên độ) sóng và độ sailệch điện áp. Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sựacbossvn@yahoo.comhttp://www.dieukhientudong.comHình 6Bây giờ chúng ta sẽ thay đổi sơ đồ đa thiết kế ỏ trên để sử dụng khối tạo chứcnăng. Bắt đầu bằng việc ngắt bỏ dây nối từ đầu ra của LED đến đầu vào củacổng NAND. Nối đầu vào của cổng NAND với một khối tạo chức năng, cầnthay thế tụ C1 bằng một điện trở 2 kΩ . Sơ đồ mới có dạng như hình 7:Figure 7. Sơ đồ của mạch dao động LED điều khiển bởi một functiongenerator Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sựacbossvn@yahoo.comhttp://www.dieukhientudong.comTrên hình 7, khối tạo chức năng XGF1 điều khiển cỏng NAND. Thiết lậpthông số của XGF1 như sau. Mở cửa sổ màn hình của nó bằng cách click đúplên icon. Trên cửa sổ màn hình, bấm nút Ampl sau đó vặn núm xoay để trênmàn hinh hiển thị 10Vpp. Tiếp tục, click chọn nút Freq, xoay núm để trênmàn hình xuất hiện 100.00000 kHz. Bật máy hiện sóng lên, chọn 2 kênh vàmô phỏng mạch. Điều chỉnh sao cho màn hình của máy hiện sóng có dạngnhư sau:Khối tạo chức năng cho phép bạn thay đổi tần số ngay khi đang thực hiện môphỏng. Hãy thay đổi tần số của khối tạo chức năng và quan sát tần số làmLed ngừng nhấp nháy. Có rất nhiều linh kiện điện tử thay đổi điện trở theo tầnsố. Ví dụ, tụ điện có trở kháng tăng khi tần số giảm.5. Mạch khuếch đại một chiều và xoay chiều (DC and AC Amplifier )Sau đây chúng ta sẽ xem xét một vài mạch điện khuếch đại đơn giản sửdụng các bộ khuếch đại thuật toán (LM741CN) Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sựacbossvn@yahoo.comhttp://www.dieukhientudong.comHình 9 : Mạch khuếch đại tín hiệu.XMM1 và XMM2 là các đồng hồ đo vạn năng (Agilent multimeters), dùng đểđo dòng và áp trong mạch điện. Click đúp vào icon của XMM1 và XMM2,điều chỉnh sang chế độ đo DC. Trên màn hình đồng hồ, bạn sẽ thấy đầu racủa mạch phía trên cho điện áp dương, đầu ra của mạch bên dưới cho điện ápâm. Bởi vậy, ta gọi mạch trên là mạch khuếch đại không đảo, còn mạch bêndưới là mạch khuếch đại đảo. Điện áp vào và ra hoặc điện áp tại các điểmkhác cũng có thể đo bởi một công cụ rất tiện lợi đó là Dynamic MeasurementProbe ( Công cụ ở dưới cùng của thanh memu các dụng cụ đo ở bên phải mànhình). Sử dụng nó bằng cách click vào biểu tượng của nó trên thanh dụng cụđo, sau đó chỉ con trỏ vào điểm cần đo trên mạch. Nếu muốn đo dòng, bạnphải dừng chế độ mô phỏng, dùng công cụ đó để xác định điểm cần quan sat,một menu màu vàng hiện ra, cho bạn tất cả các thông số muốn theo dõi. Chạylại chế độ mô phỏng, các thông số tại điểm cần đo sẽ hiện lên trên menu màu Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sựacbossvn@yahoo.comhttp://www.dieukhientudong.comvàng đó. Rất tiện lợi.Hệ số khuếch đại của mạch phụ thuộc vào điện trở sử dụng và được tính theocông thức sau: - Khuếch đại không đảo: - Khuếch đại đảo: Gain = - R6/R5Sử dụng các phương trình này để tính các điện trở sao cho đạt hệ số khuếchđại bằng 10 ở cả mạch khuếch đại đảo và không đảo.R3 = ……. Ohms; R4 = ……. Ohms; R5 = ……. Ohms; R6 = ……OhmsKiểm tra lại tính toán trên bằng các đồng hồ vạn năng.Thay V5 và V6 bằng các khối tạo chức năng đã nghiên cứu ở trên, đặt chế độtạo sóng sine. Điều chỉnh các thông số như sau: cường độ ampl = 0.2 V (200mV) và tần số freq = 1 kHz.Nối thêm vào các đầu ra của bộ khuếch đạithuận và đảo một máy hiện sóng. Quan sát tín hiệu ra đã được khuếch đại trênmáy hiện sóng.Chuyển sang quan sát trên đồng hồ đa năng, chọn chế độ AC, bạn sẽ thấy trịsố điện áp khác so với trên máy hiện sóng. Nguyên nhân : giá trị đo được trênđồng hồ vạn năng là trị hiệu dụng của điện áp đầu ra.Xác định chính xác điện áp hiệu dụng này và ghi lại: AC Voltage = …… V6. Mạch tạo dao động sử dụng Timer 555 Trước tiên hãy xây dựng sơ đồ mạch như hình sau: [...]... 12: Mạch dao động 555 hồn thiện. Cuối cùng bạn click vào tùy chọn Transfer trên thanh menu và chọn Transfer to Ultiboard để ghi lại file đã thiết kế dưới dạng cần thiết cho việc thiết kế mạch in trong thí nghiệm sau. 8. Kết thúc thí nghiệm 2: Trong thí nghiệm này chúng ta đã cùng nhau nghiên cứu tỉ mỉ viêch thiết kế, chạy mô phỏng và một vài phương pháp phân tích mạch. Lớp Điều khiển tự động khóa... đa năng, chọn chế độ AC, bạn sẽ thấy trị số điện áp khác so với trên máy hiện sóng. Nguyên nhân : giá trị đo được trên đồng hồ vạn năng là trị hiệu dụng của điện áp đầu ra. Xác định chính xác điện áp hiệu dụng này và ghi lại: AC Voltage = …… V 6. Mạch tạo dao động sử dụng Timer 555 Trước tiên hãy xây dựng sơ đồ mạch như hình sau: Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật qn sự acbossvn@yahoo.com http://www.dieukhientudong.com Hình... các thiết lập trên chiều thẳng đứng của máy hiện sóng (điều chỉnh độ chia điện áp), bạn có thể quan sát được những thay đổi diễn ra ở đầu vào của tranzitor Q1. Hãy nhớ lại nguyên lí hoạt động của mạch đã đề cập trong phần trước. Sự thay đổi điện áp diễn ra ở cực bazơ của Q1 là kết quả của sự phóng hay nạp điện của tụ C1. Khi điện áp trên đầu ra của cổng NAND lên đến đỉnh xung kim (đồ thị phía trên) ,... tụ sẽ phóng điện qua tranzitor Q2 ( theo đường quan sát được ở đồ thị bên dưới của hình 3). Máy hiện sóng cũng cho phép kiểm tra những đặc tính quan trọng của mạch dao động. Đó là: tần số dao động ( đơn vị Hz), nghĩa là số dao động mà mạch đã thực hiện được trong 1 giây. Trong trường hợp này, một dao động là một chu kì bật tắt của LED. Hãy điều chỉnh để trên máy hiện sóng giống như hình 3, mạch đang...Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com http://www.dieukhientudong.com vàng đó. Rất tiện lợi. Hệ số khuếch đại của mạch phụ thuộc vào điện trở sử dụng và được tính theo cơng thức sau: - Khuếch đại khơng đảo: - Khuếch đại đảo: Gain = - R6/R5 Sử dụng các phương trình này để tính các điện trở sao cho đạt hệ số khuếch đại bằng 10 ở cả mạch khuếch đại đảo và... điều chỉnh độ chia thời gian trên truc nằm ngang của máy hiện sóng. Các núm xoay phía trên của phần Analog dùng để điều chỉnh riêng rẽ các kênh quan sát. Hãy thử điều chỉnh máy hiện sóng sao cho sóng quan sát được có dạng như hình Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com http://www.dieukhientudong.com sau: Hình 3: Điều chỉnh độ chia điện áp và thời gian của máy... sự acbossvn@yahoo.com http://www.dieukhientudong.com ghi lại ở thí nghiệm trước (mạch như trên hình 1). Chạy mơ phỏng, click đúp lên icon của máy hiện sóng để làm xuất hiện cửa sổ màn hình máy hiện sóng. Bật máy hiện sóng bằng cách click vào nút ở dưới cùng của cửa sổ máy hiện sóng. Trên màn hình máy hiện sóng, dạng sóng đo được ở kênh 1 biểu diễn điện áp đầu ra của cổng NAND, có dạng xung kim, phần lớn có trị số điện áp bằng 0 và phần nhỏ là 5 V.... ……Ohms Kiểm tra lại tính tốn trên bằng các đồng hồ vạn năng. Thay V5 và V6 bằng các khối tạo chức năng đã nghiên cứu ở trên, đặt chế độ tạo sóng sine. Điều chỉnh các thông số như sau: cường độ ampl = 0.2 V (200 mV) và tần số freq = 1 kHz.Nối thêm vào các đầu ra của bộ khuếch đại thuận và đảo một máy hiện sóng. Quan sát tín hiệu ra đã được khuếch đại trên máy hiện sóng. Chuyển sang quan sát trên đồng hồ đa năng,... khi LED sáng. Bây giờ chúng ta sẽ quan sát điện áp đo được trên kênh 2 của máy hiện sóng (đầu vào của tranzitor Q1). Hình 2: Máy hiện sóng và những phần quan trọng (đóng khung màu đỏ). Trong hình 2, chúng ta thấy có 2 hệ thống điều khiển quan trọng của máy hiện sóng, có tên là : Horizontal và Analog. Hai phần này điều chỉnh thuộc tính ngang và dọc của sóng hiển thị trên máy hiện sóng. Để quan sát kênh thứ... một chu kì bật tắt của LED. Hãy điều chỉnh để trên máy hiện sóng giống như hình 3, mạch đang ở chế độ chạy (running). Click vào nút Single (nút trên cùng phí bên phải của máy hiện sóng), Máy hiện sóng sẽ chỉ ghi lại đồ thị trong một lần chạy, sau khi lần chạy đó kết thúc, nút Run/Stop sẽ chuyển thành màu đỏ. Click nút cursor . Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sựacbossvn@yahoo.comhttp://www.dieukhientudong.comTự động hóa thiết kế mạch điện tử trên Computer& lt;Học. động 555. Từ mạch dao động 555 đã thiết kế ở trên, thêm vào một vài thành phầnnhư cầu chì bảo vệ mạch Cuối cùng hoàn thiện thiết kế để có được sơ đồmạch