Đang tải... (xem toàn văn)
Bài được 9 điểm bộ môn vi mạch tương tự vi mạch số ĐH Công Nghiệp HàNội .Chương 1: Tổng Quan Về Mạch Đo1 Tầm quan trọng của việc kiểm soát nhiệt độ trong công nghiệp Có thể nói, nhiệt độ là một đại lượng vật lý được quan tâm nhiều không những trong lĩnh vực đời sống sinh hoạt mà còn trong sản xuất công nghiệp. Trong công nghiệp sản xuất nói chung, nhiệt độ là yếu tố quan trọng quết định đến chất lượng của sản phẩm công nghiệp. Do đó, con người lun muốn kiểm tra và kiểm soát đại lượng vật lý này. Để giải quyết điều này đã có nhiều phương pháp đo nhiệt độ khác nhau được đưa ra như: phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu, điện trở kiêm loại, IC cảm biến nhiệt độ… 2. Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ sử dụng ic Mạch đo gồm 6 khối cơ bản sau: •Khối nguồn•Khối cảm biến•Khối chuẩn hóa•Khối so sánh•Khối cảnh báo•Khối hiển thị
1|Page Lời nói đầu Ngày ngành tự động hóa ngày phát triển việc đo tín hiệu khơng điện ngày trở lên quan trọng Nhiệt độ tín hiệu vật lý khơng điện mà ta thường gặp đời sống ngày kỹ thuật công nghiệp Việc đo nhiệt độ u cầu thiết thực Hiện cảm biến đo nhiệt độ loại cảm biến sử dụng nhiều công nghiệp dân dụng Bài tập lớn nghiên cứu dùng vi mạch tương tự vi mạch số tinh toán,thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu Nội dung làm có phần sau : Chương I: Tổng quan mạch đo Chương II: Giới thiệu thiết bị Chương III: Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, thiết kế mạch nguồn cung cấp - Tính tốn, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa - Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo - Kết luận hướng phát triển Trong q trình làm khơng thể tránh khỏi sai sót định,em mong đóng góp đánh giá thầy để tập hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn 2|Page Chương 1: Tổng Quan Về Mạch Đo 1/ Tầm quan trọng việc kiểm soát nhiệt độ cơng nghiệp Có thể nói, nhiệt độ đại lượng vật lý quan tâm nhiều lĩnh vực đời sống sinh hoạt mà sản xuất cơng nghiệp Trong cơng nghiệp sản xuất nói chung, nhiệt độ yếu tố quan trọng quết định đến chất lượng sản phẩm cơng nghiệp Do đó, người lun muốn kiểm tra kiểm soát đại lượng vật lý Để giải điều có nhiều phương pháp đo nhiệt độ khác đưa như: phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu, điện trở kiêm loại, IC cảm biến nhiệt độ… Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ sử dụng ic Mạch đo gồm khối sau: • Khối nguồn • Khối cảm biến • Khối chuẩn hóa • Khối so sánh • Khối cảnh báo • Khối hiển thị Hình 1.1: Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ Chức khối: • Khối nguồn: cấp nguồn chuẩn cho khối lại làm việc 3|Page • • • • • Khối cảm biến: biến đổi tiến hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp Khối chuẩn hóa: điện áp vào lấy từ khối cảm biến chuẩn hóa thành chuẩn cơng nghiệp với: tín hiệu điện áp U: ÷ -5V, ÷ 5V, ÷ 10V tín hiệu dòng điện: 4÷20mA, 0÷20mA Khối so sánh: giám sát thay đổi nhiệt độ, phát tín hiệu điều khiển cho khơi cảnh báo Khối cảnh báo: cảnh báo đèn led nhiệt độ giới hạn cho phép, phát tín hiệu cảnh báo còi nhiệt độ vượt ngưỡng giới hạn Khối hiển thi: hiển thị nhiệt độ… Chương 2: Giới Thiệu Về Các Thiết Bị Chính a Thiết bị cảm biết nhiệt độ (nhiệt ngẫu) Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu gọi can nhiệt b - Nguyên lý hoạt động- cấu tạo chi tiết Cặp nhiệt ngẫu gồm có kim loại A B khác chất hóa học đặt song song với hàn gắn đầu chung với nhau, đầu đưa vào môi trường cần đo đầu lại dùng để lấy điện áp (U) tương ứng với mức nhiệt khác cỡ mA Nguyên lý: Gồm dây kim loại khác hàn dính đầu gọi đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu lại gọi đầu lạnh ( đầu chuẩn ) Khi có chênh lệch nhiệt độ đầu nóng đầu lạnh phát sinh sức - 4|Page điện động V đầu lạnh Một vấn đề đặt phải ổn định đo nhiệt độ đầu lạnh, điều tùy thuộc lớn vào chất liệu Do cho chủng loại cặp nhiệt độ, loại cho sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T Các loại cặp nhiệt ngẫu: JIS C 1602 ANSI MC 96.1 DIN 43710 EN 60584-2 TY Temp Tolera Temp Tolera Temp Tolera Temp Tolera PE range Gra nce range Gra nce range nce range Gra nce de de de (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) ± 0.0025 *|t| ± 4°C +200+1 +800+1 ST +600+1 ± 4°C B 0.5 or ± 0.5% 700 700 D 700 or ± 0.5% ± 0.005* |t| ± 1°C or ± ± 1,5°C ST [1+0.0 or 0+600 ± 3°C D 03 * ± ± (T1.5°C 0,25% 1100)] R 0+1600 0.25 or 0+1450 0-1600 °C ± 0.25% ± ± 1,5°C 0,6°C +600+1 SPC ± 5°C or or 600 ± 0.00 ± 0,1% 25* |t| S 0+1600 0.25 ± 0+1450 ST ± 0-600 ± 3°C 0-1600 ± 1°C 1.5°C D 1,5°C or or or ± ± ± [1+0.0 0.25% 0,25% 03 * (T1100)] 5|Page °C ± 0,6°C 600SPC or 1600 ± 0,1% ± 5°C ± 0+400 ± 3°C 2.2°C ST or 40+100 D ± 0.75% 0+1250 ± ± 2.5°C 1.1°C K 0+1200 0.75 or SPC or 400+12 ± 40+120 ± ± 00 0.75°C 0.75% 0.40% ± 1.5°C 0+1000 0.4 or ± 0.4% ± ± 2.5°C ST 2.2°C -200-0 1.5 -200-0 or D or ± 1.5% ± 2% N ± 1.5°C 0+1000 0.25 or ± 0.4% ST D 0+1250 ± 2.5°C 0+1200 0.75 or SPC ± 0.75% -200-0 1.5 ± -200-0 ST ± 2.2°C or ± 0.75% ± 1.1°C or ± 0.40% ± 200+40 - 40+100 40+120 - ± 1,5°C or ± 0.00 25* |t| ± 1,5°C or ± 0.00 4* |t| ± 2,5°C or ± 0.00 75* |t| ± 2,5°C or ± 0.01 5* |t| ± 1,5°C or ± 0.00 4* |t| ± 2,5°C or ± 0.00 75* |t| ± 6|Page 2.5°C or ± 1.5% D ± 1.5°C 0.4 or ± 0.4% 0+800 J ± 2.5°C 0.75 or ± 0.75% 2.2°C or ± 2% 200+40 ± ST 1,7°C D or ± 0.50% -40-800 0+900 ± 1°C or SPC ± 0.40% - - ± ± 2.5°C ST 1.7°C -200-0 1.5 -200-0 or D or ± 1.5% ± 1% ± 1.5°C 0.4 or ± 0.4% E T 0+750 0+350 ± 2.5°C 0.75 or ± 0.75% ± 0.5°C 0.4 or ± 0.4% 0.75 ± 1°C or ± 0.75% 0+750 ± 2.2°C ST or 0.400 ± 3°C D ± 0.75% ± 1.1°C 400+90 SPC ± 0.75° or ± 0.4% 0+350 -40-900 -200-40 40+750 ± 3°C ± 200+40 40+350 ST 0.5°C D or ± 0.4% SPC ± 1°C or ± 0.75% 2,5°C or ± 0.01 5* |t| ± 1,5°C or ± 0.00 4* |t| ± 2,5°C or ± 0.00 75* |t| ± 2,5°C or ± 0.01 5* |t| ± 1,5°C or ± 0.00 4* |t| ± 2,5°C or ± 0.00 75* |t| ± 0,5°C or ± 0.00 4* |t| ± 1°C or ± 0.00 75* |t| 7|Page ± 1°C ± 1°C ST -200-0 1.5 or -200-0 or D ± 1.5% ± 1.5% - 200+40 ± 1°C or ± 0.01 5* |t| Ở chon cặp nhiệt ngẫu TCJ, cặp nhiệt ngẫu TCJ đáp ứng đủ yêu cầu đề giao cho Hình 2.1 ảnh cặp nhiệt ngẫu TCJ - Thông số kỹ thuật: Môi trường đo Độ xác Nhiệt độ đo tối đa Nhiệt độ tối thiểu Xuất xứ • Khơng khí • Nước ± độ C 800 độ C Trung Quốc Bộ khuếch đại thuật tốn µA741 : Trong kỹ thuật đo lường cảm biến KĐTT sử dụng nhiều với chức chính: khuếch đại điện áp, dòng điện, khuếch đại công suất, … Trong phạm vi đề tài ta sử dụng KĐTT µA741 có hình ảnh thực tế sau: 8|Page Hình 2.2: Khuếch đại thuật tốn µA741 Tên gọi chức chân: • – Offset null: bù tần số • Inverting Input: cửa vào đảo • Non Inverting Input: cửa vào khơng đảo • – Vee : chân cấp nguồn âm • + Offset null: bù tần số • Output: cửa • +Vcc: chân cấp nguồn dương • NC: khơng sử dụng Thơng số kỹ thuật: • Hệ số khuếch đại mạch hở (K0): 105 • Tổng trở cửa vào (ZI): 1MΩ • Tổng trở cưa (ZO): 150Ω • Dòng in phõn cc ca vo: 0,2àA in ỏp lch ngõ vi sai: 2mV • Dải tần số cho phép: 1MHz Tc quột: 0,5V/às IC n ỏp LM7812, LM7912 LM7805 Tổng quan: Họ LM78XX ổn áp +XX(V) 9|Page Họ LM79XX ổn áp –XX(V) Chức năng: IC thuộc họ LM78xx LM79xx mạch tích hợp có chức tạo điện áp chiều ổn định mức điện áp đầu vào thay đổi, với xx điện áp tương ứng vd: LM7812 có Vout=+12V; LM7912 có Vout=-12V Hình ảnh thực tế: hình dạng kích thước, khoảng cách chân IC kể gần giống Hình 2.3: IC ổn áp LM7912 Thông số kỹ thuật: Thông số Điện áp đầu vào Điện áp đầu Dòng diện đầu (Max) Nhiệt độ hoạt động LM7812 14.5V ÷ 35V +12V 1A LM7912 -12V 1A o -40 C ÷ 125 o C LM7805 8V÷30V +5V 1A IC tạo xung vuong NE555 Chức năng: IC 555 mạch tích hợp, sử dụng phổ biến việc tạo xung vuông điện áp khơng u cầu độ xác cao tần số lớn Sơ đồ khối, chân NE555: 10 | P a g e Hình 2.4: Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân sơ đồ khối NE555 • Chân (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân gọi chân chung • Chân (TRIGGER): chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp Mạch so sanh dùng transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc • Chân (OUTPUT): chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức 1 mức cáo tương ứng gần Vcc (PWM=100%) mức tương đương với 0V thực tế khơng mức 0V mà khoảng (0.35- >0,75V) • Chân (RESET): dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức cao trạng thái ngõ phụ thuộc vào điện áp chân chân Nhưng mà mạch để tạo dao động thường nối chân lên Vcc • Chân (CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biển áp hay dùng điện trở ngồi nối GND Chân khơng nối để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định Chân (THRESHOLD): chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt liệu • • Chân (DISCHAGER): xem chân khóa điện tử chịu điều khiển tầng logic chân Khi chân mức điện áp thấp khóa 11 | P a g e đóng lại, ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch RC lúc IC 555 dùng tầng dao động • Chân (VCC): chân cung cấp áp dòng cho IC hoạt động Thông số kỹ thuật: - Nguồn hỗ trợ: +18V - Công suất tiêu thụ: 600mW - Nhiệt độ hoạt động: o C ÷70 o C 5.Giới thiệu TC7107 ICL7107 hang Intersil chuyển đổi AD ½ digit cơng suất thấp ,hiển thị tốt.Bao gồm IC giải mã Led đoạn,bộ điều khiển hiển thị,bộ tạo chuẩn tạo xung đồng hồ.Các đặc tính bao gồm: tự chỉnh ”0” nhỏ 10uV ,điểm “0” trượt không 1uV/Oc,độ dốc dòng ngõ vào tối đa 10Pa Hình sơ đồ chân ICl7107 IC có đặc điểm quan trọng sau: +Độ xác cao +Không bị ảnh hưởng nhiễu +Không cần mạch lấy mẫu mạch giữ 12 | P a g e +Tích hợp đồng hồ +Khơng cần thành phàn ngoại vi có độ xác cao Cấu tao: Hình Vùng xử lí tín hiệu tương tự ICL7107 Hình thể mạch xử lý tương tự ICL7107 Mỗi chu kì đo chia thành pha (1) tự chỉnh ”0”(A-Z), (2) Tích hợp tín hiệu (INT ) (3) giải tích (DE) số thong số khác (1) Pha tự chỉnh “0” Trong pha thực việc: Ngõ vào cao thấp bị ngắt kết nối khỏi chân ngắn mạch nội với chân COMMON analog Tụ tạo chuẩn nạp tới điện áp chuẩn Một vòng lặp hồi tiếp nối kín quanh hệ thống để nạp cho tụ tự chỉnh “0” CAZ để bù cho điện áp offset (trôi) khuếch đại đệm, tích hợp so sánh Vì so sánh nằm vòng lặp nên độ xác A-Z bị giới hạn nhiễu hệ thống Trong trường hợp nào, điện áp offset ngõ vào nhỏ 10uV (2) pha tích hợp tín hiệu Trong q trình tích hợp tín hiệu, vòng lặp tự chỉnh “0” mở, ngắn mạch nội khơng còn, ngõ vào cao thấp nối với chân ngoại vi Bộ chuyển đổi lúc tíchhợp điện áp khác biệt chân IN HI chân IN LO khoảng thời gian cố định Điện áp sai biệt 13 | P a g e nằm phạm vi rộng: lên tới 1V từ hai nguồn Mặt khác tín hiệu vào khơng hồi trở lại nguồn cung cấp IN LO bị nối với chân COMMON analog để thiết lập điện áp mode chung xác Cuối pha cực tín hiệu tích hợp xác định (3) pha giải tích Còn gọi tích hợp tham chiếu ngõ vào thấp kết nối với chân COMMON ngõ vào cao kết nối qua tụ chuẩn đc nạp từ pha trước.Mạch IC đảm bảo tụ điện đc nối cực để làm tích hợp ngõ chuyển “0” Thời gian cần thiết đểngõ chuyển giá trị “0” tỷ lệ với tín hiệu vào.Đặc biệt số hiển thị : DISPLAY COUNT=1000.VIN/VREF (4) ngõ vào chênh lệch Ngõ vào chấp nhận điện áp chenh lệch phạm vi khuếch đại ngõ vào,hay cụ thể từ 0.5V nguồn dương đến 1V nguồn âm.Trong phạm vi hệ thống có CMRR(commom mode rejection ratio) 86dB.Tuy nhiên cần bảo đảm ngõ tích hợp khơng bão hòa.Trường hợp xấu điện áp MODE chung tích cực lớn với điện áp ngõ vào tích cực âm tồn giai.Tín hiệu ngõ vào điều khiển tích phân dương phần lớn độ lắc ngõ tận dụng điện Mode chung tích cực dương Dành cho ứng dụng cao độ lắc tích hợp ngõ đc giảm xuống nhở độ lắc tồn giai 2V với sai số hơn.Bộ tích phân ngõ lắc khoảng 0.3V với nguồn mà khơng tuyến tính (5) Tham chiếu sai biệt: Diện áp tham chiếu đc tạo từ nơi từ điện áp nguồn chuyển đổi Nguồn lỗi Mode chung điện áp vòng tạo tụ tham chiếu nạp hay xả làm sai lệch giá trị điện dung nó.Nếu có điện áp Mode chung lớn, tụ tham chiếu nạp(tang điện áp)khi dung đến để giải tích tín hiệu dương xả (giảm điện áp) dùng để giải tích tín hiệu âm.Sự khác biệt tham chiếu điện áp vào dương âm gây lỗi.Tuy nhiên cách chọn tụ tham chiếu chẳng hạn tụ có điện dung đủ lớn lỗi kiểm sốt 0.5 lần đếm (6) Vùng xử lý số ICL7107 14 | P a g e 15 | P a g e Led Anot chung Chức năng: Led linh kiện sử dụng phổ biến mạch điện tử hiển thị số Tùy vào nhu cầu hiển thị mà người ta chia thành loại led khác nhau: led đơn, led đôi, led ba,… theo cách kết nối: led kiểu Anot chung, led kiểu Catot chung Sơ đồ chân led đơn: Hình 2.10: Sơ đồ chân led Trong sử dụng đến linh kiện khác như: điện trở, biến trở, tụ không phân cực, tụ phân cực, diode, cầu diode chỉnh lưu,rơle … linh kiện kể quen thuộc với tìm hiểu điện tử nói riêng điện nói chung nên phạm vi nội dung tập lớn xin phép không đề cập lại để chánh thời gian quý thầy cô Chương Tính tốn mạch thiết kế mạch cần đo 3.1 Tính tốn, thiết kế mạch nguồn a) Tính tốn, lựa chọn linh kiện Do khuếch đại thuật toán dùng mạch sử dụng nguồn đối xứng DC ±12V IC số sử dụng nguồn DC 5V nên mạch nguồn thiết kế sau: • Sử dụng IC ổn áp LM7812 LM7912 để tạo nguồn đối xứng DC ±12V; IC ổn áp LM7805 để tạo nguồn áp 5V DC; 16 | P a g e • Do chủ yếu sử dụng nguồn điện xoay chiều 220V nên chọn điện áp đầu vào khối nguồn là: 220V AC • Để IC ổn áp làm việc ổn định cần tạo nguồn áp chiều đầu vào lớn điện áp cần ổn định từ 3÷5V nên: Chọn hệ số biến đổi biến áp: 220V/20V; Dùng lọc nguồn có nhiệm vụ san điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc tụ điện đơn giản chất lượng học cao Nên ta dùng tụ điện Sử dụng cầu diode 2W005G để tạo điện áp DC Kết ta điện áp DC cửa la: -12V DC, +12V DC, +5V DC b) Sơ đồ mạch nguyên lý Hình 3.2: Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn 3.2 Tính tốn mạch chuẩn hóa U-I a) Tính tốn mạch chuẩn hóa U= ÷ 10V 17 | P a g e Điều kiện: R9×R12= R10×R11 (1) Từ ta xác định dòng biểu thức ra: Uo= Ucb × ( + 1) × (2) Từ (1) (2) chọn R10 =R12=20k Ω R9 =R11=10k Ω Tại t=6200C Ucb=34,3 mV Để xuất điện áp Uo= 10v chọn R1=R8=7.5kΩ R?=103 Ω Trong thực tế khơng có trở lên ta dùng biến trở b) Tính tốn mạch chuẩn hóa U= ÷ 5V Điều kiện: R5×R6= R7×R4 (1) Từ ta xác định dòng biểu thức ra: Uo= Ucb × ( + 1) × (2) Từ (1) (2) chọn R5 =R7=20k Ω 18 | P a g e R4 =R6=10k Ω Tại t=6200C Ucb=34,3 mV Để xuất điện áp Uo= 5v chọn R2=R3=7.5K Ω =>R39=208.5 Ω Trong thực tế khơng có trở lên ta dùng biến trở c) Tính tốn mạch chuẩn hóa U= ÷ -5V Ta sử mạch chuẩn hóa 5v phần b dùng mạch khuyech đại đảo với Ku=-1 ta Ura= -5V d) Tính tốn mạch chuyển đổi U I với Ira= – 20mA Sử dung điện áp U= 10v Ap dụng cơng thức I=U Tại U=10v I=20Ma R14= 500 Ω e) Tính tốn mạch chuyển đổi U I với Ira= – 20mA 19 | P a g e Mạch biến đổi U->I với phụ tải nối đất Ap dụng công thức Ira= (U1-Ura) (1) Với điều kiện R17.(R21+R20)=R18.R19 (2) Chọn R17=R18=R19=1K Ω (3) Sử dụng đầu Ura=-5V cấp cho đầu vao N OP U9 Tại I=20mA Ura=-5V Tại I=4mA Ura=0 V Từ (1) (2) (3) ta tính U1=1.25 V R20=687.5 Ω, R21=312.5 Ω 3.3 Tính tốn mạch so sánh cảnh báo còi ,đèn nhấp nháy Sử dụng đầu U=0 – 10 V Theo nhiệt độ cảnh báo tcb=350oC Tại nhiệt đọ Ura=5,6 VỊ a, Thiết kế mạch so sánh Do yêu cầu đề nhiệt độ 350oC đèn báo Ở nhiệt độ cảnh báo tcb=350oC có Ura=5,6 V Vậy ta cấp cho OPso sánh nguồn U=5.6V để so sánh với Ura Nếu UraU điện áp đưa điện áp mức cao 20 | P a g e b,Tính tốn thiết kế đèn nhấp nháy với còi cảnh báo Sử IC 555 tạo xung vuông đối xứng với Ts=Tt= 5.2 s Nối chân (RESET) với đầu mạch so sánh DO IC 555 chân nối masse ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức cao trạng thái ngõ phụ thuộc vào điện áp chân chân Thiết kế đèn nhấp nháy Để Ts=Tt= 5.2 s ta áp dụng công thức T=0.69.(R15+R16).C1 Chọn R15=R16=50K Ω Khi ta tính C=150 uF Do Uđm đèn =24V không dung điện áp IC 555 ta dùng Transistor NPN rơle để điều khiển bóng đèn Bóng đèn nối dây hình Thiết kế còi cảnh báo Sử dụng IC AND với chân đưa vào điện áp mức cao 5V,chân lại nối vào chân mạch so sánh.Đầu AND nối với còi cảnh báo Khi nhiệt đọ vượt qua tcb=350oC mạch so sanh cấp điện áp mức cao kết hợp với chân mức cao lại IC AND sec đưa điện áp cao ngược lại Khi có điện áp cao còi tự đơng kêu C,Thiết kế đóng điện chiều cho quạt động nhiệt độ vượt tcb=350oC đóng điện xoay chiều cho đèn hoạt động nhiệt độ