Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật điện tử nói riêng, việc ứng dụng các IC tích hợp đã làm giảm đi rất nhiều sự phức tạp của các mạch điện tử, mang lại tính tin cậy cao và phần nào giảm bớt được giá thành sản phẩm so với mạch có cấu tạo ghép nối nhiều IC đơn chức năng và các linh kiện rời rạc. Đồ án I lần này, được sự phân công của Viện, chúng em được PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương hướng dẫn đồ án. Đề tài của nhóm là “Đo tần số lưới điện 50Hz không dùng vi xử lý” . Mạch đo tần số là một mạch điện tử thông dụng, được ứng dụng nhiều trong công việc cũng như công tác giảng dạy. Việc đo tần số giúp nhiều trong quá trình điều khiển, giám sát hệ thống hoặc trong những công việc nghiên cứu của người làm kỹ thuật.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ====o0o==== ĐỒ ÁN I ĐỀ TÀI: ĐO TẦN SỐ LƯỚI ĐIỆN 50HZ KHÔNG DÙNG VI XỬ LÝ Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương Giáo viên duyệt : PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương Sinh viên thực MSSV Lớp Nguyễn Xuân Tú 20145056 ĐK-TĐH 04 K59 Nguyễn Thanh Toàn 20144544 ĐK-TĐH 02 K59 Hà nội, 6-2017 MỤC LỤC Lời nói đầu Phần 1: Tổng quan phương pháp đo 1.1 Nguyên lý đo, sơ đồ khối mạch 5 Sơ đồ nguyên lý Giới thiệu linh kiện dùng mạch 7 Phần 2: Tính toán, thiết kế theo yêu cầu kỹ thuật 2.1 Yêu cầu kỹ thuật 9 1.2 1.3 2.2.1 Mạch nguồn 2.2.2 Mạch tạo dao động chuẩn 2.2.3 Mạch tạo xung chốt 10 11 2.2.4 Mạch tạo xung 50Hz 2.2.5 Mạch nhân tần 2.2.6 Mạch đếm 2.2.7 Hiển thị 12 13 15 16 Phần 3: Mô phỏng, sản phầm thực tế 3.1 Mô mạch nguyên lý phần mềm Proteus 18 18 3.2 Vẽ mạch in phần mềm vẽ mạch Altium Designer 3.3 Kiểm nghiệm sản phẩm thực tế 21 23 3.4: Bài học rút 24 Tài liệu tham khảo 25 Lời nói đầu Ngày nay, với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật nói chung kỹ thuật điện tử nói riêng, việc ứng dụng IC tích hợp làm giảm nhiều phức tạp mạch điện tử, mang lại tính tin cậy cao phần giảm bớt giá thành sản phẩm so với mạch có cấu tạo ghép nối nhiều IC đơn chức linh kiện rời rạc Đồ án I lần này, phân công Viện, chúng em PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương hướng dẫn đồ án Đề tài nhóm “Đo tần số lưới điện 50Hz khơng dùng vi xử lý” Mạch đo tần số mạch điện tử thông dụng, ứng dụng nhiều công việc công tác giảng dạy Việc đo tần số giúp nhiều trình điều khiển, giám sát hệ thống công việc nghiên cứu người làm kỹ thuật Trong trình thực đồ án, với kiến thức học trường kiến thức tự trau dồi, cộng với hướng dẫn nhiệt tình, hiệu PGS Nguyễn Thị Lan Hương, chúng em cố gắng để hoàn thành đồ án cách tốt Tuy nhiên, kiến thức hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận thơng cảm bổ sung cô bạn sinh viên để đồ án chúng em ngày hoàn thiện DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Giản đồ xung Hình Sơ đồ khối Hình Sơ đồ nguyên lý Hình Mạch nguồn 5V Hình 7805 10 Hình Tạo dao động chuẩn 1Hz 11 Hình Mạch tạo xung chốt 11 Hình Mạch tạo xung vuông 50Hz 12 Hình Mạch tạo nguồn -5V 12 Hình 10 Mạch nhân tần 13 Hình 11 Vòng khóa pha PLL 13 Hình 12 Vòng khóa pha 14 Hình 13 Sơ đồ nguyên lý 4518 15 Hình 14 Giản đồ xung 16 Hình 15 Mạch hiển thị 17 Hình 16.Mơ mạch nguồn 18 Hình 17 Tạo xung vuông từ điện lưới 18 Hình 18 Tạo dao động chuẩn 19 Hình 19 Xung chốt dạng flash tạo 19 Hình 20 Mạch nhân tần 20 Hình 21 Mạch hiển thị 20 Hình 22 Mạch altium phần phát xung 21 Hình 23 Mạch altium phần hiển thị 21 Hình 24 Kiểm nghiệm mạch thực tế 23 Phần 1: Tổng quan phương pháp đo 1.1 Nguyên lý đo, sơ đồ khối mạch Tần số (f: frequency) xác định chu kì lặp lại thay đổi tín hiệu đơn vị thời gian Tần số đại lượng quan trọng trình dao động có chu kỳ Các phương pháp đo tần số: việc lựa chọn phương pháp đo tần số xác định theo khoảng đo, theo độ xác yêu cầu, theo dạng đường cong công suất nguồn tín hiệu có tần số cần đo số yếu tố khác Ta có hai phương pháp chính: phương pháp biến đổi thẳng phương pháp so sánh Ở đồ án này, chúng em sử dụng phương pháp so sánh Nguyên lý đo: Ta đếm số xung N tương ứng với chu kỳ tần số cần đo fx khoảng thời gian gọi thời gian đo Tđo Trong khoảng Tđo ta đếm N xung tỷ lệ với tần số đo fx Dưới sơ đồ khối mạch đo tần số thị số Giản đồ xung Hình Giản đồ xung Sơ đồ khối mạch Hình Sơ đồ khối Quá trình hoạt động mạch sau: nguồn tín hiệu có tần số cần đo đưa đến đầu vào vào Bộ vào gồm tạo xung có chức biến đổi tín hiệu hình sin tín hiệu xung có chu kỳ thành dãy xung có biên độ khơng đổi( khơng phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào-sử dụng đầu bão hòa opamp, để thuận tiện cho mạch đếm đằng sau) có tần số tần số tín hiệu vào Đồng thời với q trình trên, phát tần số chuẩn phát tần số chuẩn fo ổn định thạch anh có tần số f0 = 32.768kHz, tần số đưa qua mạch chia tần theo mức 2n( với n khoảng 10-15), tần số chuẩn chia đến 1Hz, với độ rộng xung 50% Nghĩa đầu mạch điều khiển theo 2n tương ứng nhận khoảng thời gian Tđo=1/(2.fđo)=0.5s, 0.25s, 0.125s, 0.0625s, Trong thời gian Tđo mạch điều khiển cho mở khóa K( khóa có hai đầu vào phép dãy xung có tần số tỷ lệ với fx vào đếm sau cấu thị, số xung đếm thời gian Tđo N Như ta suy chu kỳ dãy xung là: Tx Tdo k.To k với k = 2n N N N fo Suy tần số dãy xung fx N fo N Tx k k.Tdo Nếu Tđo = 1s ( tức k=215) số xung N( tức số chu kỳ) tần số cần đo fx, nghĩa fx=N Nhưng có vấn đề, với phương pháp đo này, đo tần số thấp kết đo xác số xung đếm Vì vậy, để tăng độ xác phép đo, ta tăng số xung đếm Ở đây, ta lấy chữ số sau kết Vì vậy, ta cần đếm số xung N=10N, ta cần nhân tần số cần đo lên 10 lần để đáp ứng số xung đầu Ta có cách tăng tần số fx lên a lần, giữ nguyên thời gian đo Tđo kết hiển thị N.a, ta chia thời gian đo lần tăng tần số xung đếm lên 20 lần để số xung đếm N=20fx/2=10fx 1.2 Sơ đồ nguyên lý Hình Sơ đồ nguyên lý 1.3 Giới thiệu linh kiện dùng mạch Các linh kiện bản: STT Ý nghĩa Linh kiện Điện trở Hạn dòng, chia áp, Tụ điện Dùng mạch dao động, lọc nguồn, tạo xung chốt, Diode Dùng mạch chỉnh lưu tạo nguồn 5VDC Đèn led Báo nguồn Biến áp Cấp nguồn cho tồn mạch, nguồn tín hiệu cần đo IC UA741 Tạo xung vng có tần số 50Hz IC 4518 Dùng mạch đếm, mạch chia tần IC 4511 Dùng để giải mã BCD sang mã led IC 74573 Dùng để chốt tín hiệu 10 Led K Dùng để hiển thị kết chung 11 IC 4060 Dùng mạch chia tần 12 IC 4046 Dùng mạch nhân tần 13 IC 4013 Dùng để chia đôi tần số 14 IC 7402 Cổng NOR 15 IC 7660 Dùng để tạo nguồn âm -5V cấp cho UA741 16 Thạch anh Dùng để tạo dao động chuẩn 17 IC 7805 Dùng để tạo nguồn 5V DC 18 Transistor TIP42 PNP Dùng để tăng dòng cho mạch nguồn 7805 Phần 2: Tính tốn, thiết kế theo u cầu kỹ thuật 2.1 Yêu cầu kỹ thuật - Tần số đo hiển thị led đoạn với độ xác chữ số sau dấu phảy - Chu kỳ hiển thị 1s - Sai số đo nhỏ 5% - Tự thiết kế mạch nguồn cấp cho toàn mạch - Dùng thạch anh để tạo dao động chuẩn 2.2 Tính tốn, thiết kế 2.2.1 Mạch nguồn Các IC mạch dùng nguồn 5V DC, ta tạo nguồn 5V DC từ biến áp Sơ đồ nguyên lý Hình Mạch nguồn 5V Trên sơ đồ, ta dùng cầu diode chỉnh lưu điện áp 9V xoay chiều, đầu cầu diode vào 7805 để ta nhận điện áp 5V DC ổn định đầu IC 7805 IC thuộc họ 78xx dùng để ổn định điện áp đầu dương với điều kiện đầu lớn đầu vào 3V Cấu tạo 7805 gồm có chân - Vin: chân nguồn đầu vào - GND: Chân nối đất - Vout: Chân nguồn đầu Hình 7805 Ưu điểm 7805 đơn giản, giá thành rẻ, dễ lắp ráp Nhược điểm nhiệt sinh cao, dòng khơng chịu cao Khi hoạt động với cơng suất lớn cần có tản nhiệt Theo tính tốn, mạch tổng tiêu thụ cơng suất khoảng 5W, dòng đầu 7805 phải 1A Trên thị trường có bán IC 7805 1A qua kiểm nghiệm thực tế dòng khoảng 400mA, để cấp đủ dòng cho mạch, ta cần dùng thêm transistor để kích dòng cho mạch Ở đây, nhóm dùng transistor TIP42, sơ đồ nối mạch Tính tốn điện trở cơng suất R0 Coi dòng vào cực B transistor 0, dòng qua R0 dòng đầu vào 7805 Ta thiết kế để dòng vào 7805 I1 = 350mA, giá trị điện trở R0 R0=Ube/I1=0.7/0.35=2 (ohm) Tính tốn tụ điện lọc nguồn Theo kinh nghiệm, chọn tụ lọc phẳng điện áp tụ phân cực 1000u Chọn tụ lọc cao tần tụ gốm 104 Chọn tụ lọc đầu cặp tụ hóa 1000u tụ gốm 104 Tính tốn diode: Dòng max qua diode 1A nên nhóm chọn cầu diode loại 2A Led báo nguồn dùng loại siêu sáng, phi Trở hạn dòng cho led dùng loại 360ohm 2.2.2 Mạch tạo dao động chuẩn Thạch anh tinh thể có tính áp điện, có nghĩa ta đặt điện hai đầu thạch anh cho dao động học ngược lại cho tác dụng lực học xuất điện ngõ hai cực dạng xung điện áp Với tính chất đặc biệt này, thạch anh có nhiều ứng dụng lĩnh vực điện tử Ứng dụng quan trọng dùng thạch anh tạo dao động chuẩn Nhưng thạch anh có thị trường tần số dao động cao từ hàng MHz đến hàng GHz với độ xác cao giá thành tương đối thấp Đây loại dao động tin cậy để chọn làm dao động chuẩn Dùng sơ đồ tạo dao động chuẩn từ thạch anh 32.768 kHz Hình Tạo dao động chuẩn 1Hz Dao động mạch thạch anh 32.768kHz, ta cho vào IC 4060 để chia tần Chân 4060 cho ta xung đầu có tân số 32.768/214=2Hz Ta tiếp tục chia đôi tần số nhờ IC 4013 để tạo tần số chuẩn 1Hz dùng cho mạch đếm mạch chốt Dao động 1Hz lấy từ đầu Q Q’ 4013 2.2.3 Mạch tạo xung chốt Hình Mạch tạo xung chốt Để hiển thị kết cách liên tục với chu kì hiển thị 1s, ta phải dùng đến IC chốt tạo xung chốt cần thiết Ta sử dụng cổng NOR số mạch RC( dựa tính chất phóng nạp tụ) để tạo xung chốt dạng flash Ta chọn giá trị R, C R=10k, C1 = 103 C12=223(tụ gốm) Giản đồ xung cụ thể trình bày cụ thể sau 2.2.4 Mạch tạo xung 50Hz Hình Mạch tạo xung vuông 50Hz Một số mạch tạo xung vuông từ sóng sin phổ biến, ta chọn mạch tri-go smith để hạn chế nhiễu gây ảnh hưởng đến tần số xung đầu Để xung đếm không rơi vào khoảng không xác định, ta cấp nguồn đối xứng cho op-amp Opamp ta dùng UA741 Nguồn âm cấp cho opamp tạo từ IC 7660 hình vẽ Hình Mạch tạo nguồn -5V 2.2.5 Mạch nhân tần Hình 10 Mạch nhân tần Ta dùng mạch vòng khóa pha(PLL: Phase Loop Lock) để nhân tần số xung đầu mạch tạo xung vuông từ điện lưới lên 1000Hz Vòng khóa pha thực chất mạch tự động điều chỉnh, nhằm hiệu chỉnh pha tín hiệu ln theo sát pha tín hiệu vào Hay nói khác đi, PLL bảo đảm tần số tín hiệu theo sát tần số tín hiệu vào Cấu tạo mạch vòng khóa pha sau( vi mạch PLL 4046) Hình 11 Vòng khóa pha PLL Gồm - Hai so sánh pha Phase Comparator - Một biến đổi điện áp-tần số( VCO) - Một khuếch đại đệm Cửa vào hai so sánh pha tín hiệu vào chân 14 tín hiệu VCO( chân 4) Bộ biến đổi điện áp-tần số VCO phát dãy xung vuông chân số Tần số riêng( tần số trung tâm VCO) phụ thuộc R1, R2 đặt chân số 11, 12 C1 nối hai chân Điện áp chiều đưa vào VCO(chân 9) điều khiển tần số phát VCO quanh tần số trung tâm Tín hiệu điều khiển EN’ chân tích cực thấp cho phép/cấm VCO làm việc Sơ đồ nguyên lý dùng PLL để tạo thành mạch nhân tần Tín hiệu vào có tần số fv, tín hiệu có tần số fr Hai mạch chia tần số DIV.1 DIV.2 có hệ số chia tương ứng M, N (M, N số nguyên dương) Nhờ PLL mà tần số hai đầu vào mạch so pha giữ Hình 12 Vòng khóa pha Nếu khơng dùng chia tần DIV ta có mạch nhân tần số với fr=N.fv Để đo tần số lưới điện fx=50Hz với độ xác cao, ta phải dùng mạch nhân tần để đưa fx lên đủ lớn Ở đây, IC 4046 đóng vai trò mạch nhân tần với hệ số nhân 20 Chọn giá trị R C cho tần số trung tâm PLL 4046 1000Hz Dãy xung chân 4046 có tần số 20fx Chọn thời gian chuẩn Tđo = 0.5s, kết đếm cưa đếm tỷ lệ với tần số lưới điện fx N=20 fx x 0.5 = 10 fx 2.2.6 Mạch đếm Mạch đếm chiếm vị trí quan trọng kỹ thuật điện tử nói chung thiết bị nói riêng Mạch đếm xem công cụ đếm xung điện để xuất kết đếm Mạch đếm sử dụng việc điều khiển tự động dây chuyền đếm sản phẩm Khi nói đến mạch đếm, ta khơng thể khơng nghĩ đến mạch đếm tần số, ứng dụng quan trọng mạch đếm tần số Ở đây, ta sử dụng mạch đếm thập phân dùng IC 4518 IC 4518 thuộc họ CMOS gồm mạch đếm thập phân đồng bên Mỗi mạch đếm gồm ngõ vào xung clock, ngõ vào tác động cạnh xuống, ngõ vào tác động cạnh lên, tùy theo yêu cầu sử dụng mà ta chọn ngõ vào tác động tương ứng Sơ đồ chân bảng chân lý Hình 13 Sơ đồ nguyên lý 4518 Do yêu cầu hiển thị xác đến chữ số sau dấu phảy nên số xung tối đa đếm 999 Ta ghép tầng ba IC 4518 để đếm đến 1000 Đầu mạch đếm mã BCD Để làm cho kết đầu hiển thị liên tục, ta cần tạo xung chốt lúc kết thúc thời gian đếm Ta sử dụng IC 74HC573 Đây IC chốt bit với đầu trạng thái 74HC573 có đầu vào LE OE để chốt cho phép liệu Khi LE = 1, liệu đầu vào vào mạch chốt Đầu thay đổi đầu vào thay đổi Khi LE = 0, mạch chốt giữ liệu đầu vào đầu cho giá trị thời điểm Khi OE = đầu 74HC573 trạng thái cao trở Khi OE = đầu phép Giản đồ xung Hình 14 Giản đồ xung 2.2.7 Hiển thị Để hiển thị led từ mã BCD đầu mạch đếm ta cần mạch giải mã để chuyển từ mã BCD sang mã LED Ở ta chọn IC 4511 IC 4511 loại IC giải mã với ngõ sử dụng cho LED Katod chung có mạch chốt liệu ngõ vào cho LE(latch enable) = 0, BI(blank input)=1 LT(lamp test) giá trị hiển thị LED đoạn phụ thuộc thay đổi theo bit ngõ vào Nếu LE = ngõ vào bị chặn mạch chốt nên lúc IC giải mã theo giá trị nhập vào trước Nếu BI = 0, LT = IC bị xóa ngõ vào LED tối hồn tồn Hình 15 Mạch hiển thị Mã BCD đầu mạch đếm chốt cho vào IC 4511 để giải mã sang mã Led Ta nối thêm điện trở để hạn dòng tránh làm hỏng led Phần 3: Mô phỏng, sản phầm thực tế 3.1 Mô mạch nguyên lý phần mềm Proteus Phần mạch nguồn Hình 16.Mơ mạch nguồn Phần tạo xung vng từ điện lưới Hình 17 Tạo xung vuông từ điện lưới Phần mạch tạo dao động chuẩn Ghi chú: Phần mạch dao động thạch anh không mô Proteus Qua kiểm nghiệm mạch thật ta thấy đầu mạch dao động 1Hz Hình 18 Tạo dao động chuẩn Uđk Tđo t Phần mạch xung chốt Hình 19 Xung chốt dạng flash tạo Phần mạch nhân tần Hình 20 Mạch nhân tần Ghi chú: Thiết bị hiển thị số thiết bị đo tần số ảo phần mềm Proteus - Nhãn 1Hz đầu phần mạch điều khiển tạo xung 1Hz - Nhãn Luoi đầu mạch tạo xung vuông từ điện áp lưới - Nhãn 50Hz xung đầu chân IC 4046 - Nhãn 1000Hz xung đầu phần mạch nhân tần, xung đưa vào mạch đếm Phần mạch hiển thị Hình 21 Mạch hiển thị 3.2 Vẽ mạch in phần mềm vẽ mạch Altium Designer Để hỗ trợ cho việc thiết kế mạch in, nhóm em dùng phần mềm Altium Designer Việc thiết kế tiến hành theo bước sau: Bước 1: Vẽ sơ đồ nguyên lý Phần mạch phát xung Hình 22 Mạch altium phần phát xung Phần mạch hiển thị Hình 23 Mạch altium phần hiển thị Bước 2: Vẽ mạch PCB Phần mạch điều khiển Phần mạch hiển thị 3.3 Kiểm nghiệm sản phẩm thực tế Qua kiểm nghiệm ta thấy tần số trung bình đo 50.7 Hz, sai số phép đo 1.4% Sai số nằm khoảng sai số cho phép Hình 24 Kiểm nghiệm mạch thực tế 3.4: Bài học rút Qua q trình làm đồ án, nhóm chúng em rút nhiều điều o Thứ nhất, hiểu rõ lý thuyết đo tần số o Thứ hai, hiểu cách sử dụng IC số vào chức phù hợp Tiếp xúc, làm quen với IC thơng dụng o Thứ ba, có thêm kinh nghiệm làm mạch thật, nhận thấy có nhiều khác biệt so với mạch mô phỏng, kinh nghiệm chọn linh kiện cho hợp lý, an toàn, o Củng cố thêm kỹ làm việc nhóm cho hiệu Và số bất cập sau: Độ tin cậy mạch chưa cao, mạch chạy chưa ổn định khâu tạo dao động chuẩn mạch nguồn, diode chạy bị nóng Khi cấp nguồn biến áp cấp nguồn adapter 5V cho kết khác nhau? Cải tiến thêm dải đo: thiết kế thêm khóa chuyển mạch với chức chuyển dải đo để nâng cao tính ứng dụng Tài liệu tham khảo - Lương Ngọc Hải, Lê Hải Sâm, Nguyễn Trinh Đường, Nguyễn Quốc Cường, Trần Văn Tuấn , Điện tử số, , NXB Giáo dục Việt Nam - Nguyễn Trinh Đường, Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải, Nguyễn Quốc Cường, Điện tử tương tự, NXB Giáo dục Việt Nam - Diễn đàn Cơ điện tử Việt Nam – codientu.org - Diễn đàn Điện tử Việt Nam – dientuvietnam.net - Alldatasheet.com -HẾT - ... 12 Hình Mạch tạo nguồn -5V 12 Hình 10 Mạch nhân tần 13 Hình 11 Vòng khóa pha PLL 13 Hình 12 Vòng khóa pha 14 Hình 13 Sơ đồ nguyên lý 4 518 ... 4 518 15 Hình 14 Giản đồ xung 16 Hình 15 Mạch hiển thị 17 Hình 16 .Mơ mạch nguồn 18 Hình 17 Tạo xung vng từ điện lưới 18 Hình 18 Tạo dao động... Phần 1: Tổng quan phương pháp đo 1. 1 Nguyên lý đo, sơ đồ khối mạch 5 Sơ đồ nguyên lý Giới thiệu linh kiện dùng mạch 7 Phần 2: Tính tốn, thiết kế theo u cầu kỹ thuật 2 .1 Yêu cầu kỹ thuật 9 1. 2 1. 3