Tìm hiểu máy phát hàm sử dụng vi mạch

MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Với tiến không ngừng khoa học kĩ thuật, đặc biệt ngành điện tử ứng dụng nhiều cơng nghiệp Nhìn vào thực tế cho ta thấy, năm 1972 vô tuyến đời đen trắng Nhưng đến với đời hình siêu phẳng, đẹp hình dáng bề ngồi lẫn chất lượng hình ảnh Vậy nhờ đâu mà nhà sản xuất cho sản phẩm coi ngày hồn thiện vậy? Trong lĩnh vực điều khiển, từ công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đem đến kĩ thuật điều khiển đại có nhiều ưu điểm so với việc sử dụng mạch điều khiển lắp ráp từ linh kiện rời kích thước mạch nhỏ, gọn, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy công suất tiêu thụ thấp… Ngày nay, lĩnh vực điều khiển ứng dụng rộng rãi thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt ngày người máy giặt, đồng hồ điện tử… nhằm giúp cho đời sống ngày đại tiện lợi Vì tính chất phổ biến quan trọng việc tạo xung với việc xuất phát từ thực tế tơi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Tìm hiểu máy phát hàm sử dụng vi mạch” Mục đích nghiên cứu Nâng cao hiểu biết kĩ thuật điện tử nói chung mạch tạo xung nói riêng Nâng cao kiến thức máy phát hàm Nhiệm vụ Tổng quan kĩ thuật điện tử Nghiên cứu lý thuyết mạch tạo xung Nghiên cứu số mạch tạo xung thông dụng Thực hành thử nghiệm máy phát hàm sử dụng vi mạch Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Dự kiến kết Tìm hiểu tổng quan máy phát hàm Cấu trúc Chúng cấu trúc luận văn gồm chương: CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC CƠ SỞ Khái niệm chung mạch tạo xung, tín hiệu xung; Mạch tạo xung tam giác (Xung cưa); Mạch tạo xung vuông CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Khái quát máy phát hàm thông dụng; Sơ đồ khối, sơ đồ cấu trúc máy phát hàm; Trên sở tổng quan tài liệu nghiên cứu lựa chọn nội dung nghiên cứu phù hợp với nội dung nghiên cứu đề tài CHƯƠNG 3: MẠCH ỨNG DỤNG Cấu tạo ICL 8038, IC 555; Mạch phát xung dùng IC 8038, IC 555; Một số mạch điện tử có khả tạo xung phát hàm; Thực nghiệm phòng thí nghiệm với máy phát hàm sử dụng ICL 8038 NỘI DUNG CHƯƠNG KIẾN THỨC CƠ SỞ 1.1 Khái niệm chung mạch tạo xung, tín hiệu xung 1.1.1 Mạch tạo xung Mạch tạo xung mạch điện mắc phối hợp linh kiện điện tử để biến đổi lượng dòng điện chiều thành lượng dao động điện có dạng xung tần số theo yêu cầu Đây mạch điện bản, dùng nhiều thiết bị đo lường, điều khiển, tự động hóa, kĩ thuật xung – số, máy tính điện tử… Nó dùng Transitor rời rạc dùng IC 1.1.2 Tín hiệu xung Tín hiệu xung loại tín hiệu rời rạc theo thời gian Các tham số tín hiệu xung: biên độ xung, độ rộng xung, sườn xung, độ sụt đỉnh xung, chu kỳ xung, tần số lặp lại, hệ số lấp đầy 1.2 Một số mạch tạo xung 1.2.1 Mạch tạo xung vuông - Mạch trigơ Smit tín hiệu hình sin đưa vào cửa đảo, mạch hồi tiếp dương đưa cửa thuận qua phân áp R1, R2 Tuỳ Theo mức điện áp vào so sánh với điện áp hồi tiếp mà mạch chuyển đổi trạng thái đầu để tạo dãy xung vuông Tần số xung tần số tín hiệu vào - Mạch đa hài đợi: Khi có nguồn mạch trạng thái ổn định bão hồ âm có điốt D Khi có xung đầu vào mạch chuyển sang trạng thái khơng ổn định (bão hồ dương) thời gian tự trở trạng thái ổn định chờ xung vào tiếp Có xung vào đầu nhận xung ra, tần số xung tần số xung vào - Mạch đa hài tự dao động: Mạch đa hài tự dao động dùng Transitor Mạch có hai Transitor mắc cực phát chung hai tụ điện C Khi có nguồn hai Transitor thay thơng bão hồ, tắt; hai tụ thay nạp phóng cho đầu dãy xung vuông trục thời gian Khi mạch đối xứng, xung có biên độ EC, tần số xung f = 1/1,4RB.C Mạch đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật tốn Mạch có phần tử nạp phóng RC, mạch hồi tiếp dương lấy điện áp so sánh qua R1, R2 Khi mạch làm việc thời điểm điện áp tụ C (UC) lớn hay bé điện áp hồi tiếp (U1 lấy R1) đầu mạch chuyển đổi trạng thái tạo dãy xung vuông Dãy xung vuông biến đổi xung quanh trục thời gian có biên độ Ur max Khi chọn R1 = R2 tần số dao động mạch f = 1/2,2RC Khi thay đổi hai thông số RC mạch đa hài tự dao động tần số xung thay đổi theo - Mạch dao động nghẹt: Máy phát dao động nghẹt (Blocking generator) khuếch đại đơn đẩy kéo, có hồi tiếp dương mạch qua biến áp xung, -3 -6 nhờ tạo xung có độ rộng 10 s đến 10 s có biên độ lớn Mạch phát dao động nghẹt làm việc chế độ tự dao động, đồng bộ, đợi hay chế độ phân tần Mạch gồm Transitor biến áp ghép chặt để tạo hồi tiếp dương sâu Mạch tự làm việc cho dãy xung vng hẹp, có độ rỗng lớn 1.2.2 Mạch tạo xung cưa (tạo xung tam giác) Mạch tạo xung cưa: Loại mạch dùng để tạo xung cưa điều khiển tia điện tử quét máy sóng dùng mạch điện tử khác Xung cưa có tham số: biên độ xung, thời gian quét thuận tqt, thời gian quét ngược (yêu cầu tqt >> tqn), hệ số phi tuyến ε hiệu suất sử dụng điện áp η Có số mạch tạo xung cưa dùng mạch tích phân RC, dùng mạch có nguồn dòng, dùng mạch có tầng khuếch đại hồi tiếp Khi phân tích cần ý mạch cho xung đầu có biên độ lớn, méo phi tuyến nhỏ hiệu suất cao Mạch phát điện cưa thuộc loại máy phát dao động tích Các xung dao động có dạng cưa Mạch phát xung cưa ứng dụng nhiều mạch quét máy thu hình, dao động ký, rađa… Để thực nó, dùng nhiều cách khác nhau, lấy ví dụ tạo xung cưa Transitor vi mạch điện tử 1.2.2.1 Mạch tạo xung cưa dùng Transitor Trên sở sơ đồ hình 1.1 mạch tạo xung cưa dùng Transitor n – p – n hoạt động chế độ đợi Chọn điện trở phân cực để Transitor T trạng thái cấm chưa có xung kích thích đồng Lúc dòng chiều qua Rc để nạp điện cho tụ C khoảng thời gian t1 Khi có xung đồng bộ, Transitor T thơng, tụ điện phóng điện khoảng thời gian t2 Hình 1.1 Mạch tạo xung cưa 1.2.2.2 Mạch tạo xung cưa vi mạch khuếch đại thuật toán Mạch xây dựng sở mạch tích phân đảo, mạch hồi tiếp có tụ điện C Giả thiết U0 = 0, điện áp có dạng: Ura= Q(t) = € [∫ Ic(t)dt + Q0] € Trong đó: Q0 diện tích có tụ điện t = Với Ic(t) = U va o (t) , ta có: R Ura(t) = ∫ Uvao(t)dt + Ura R€ Thành phần Ura0 xác định từ điều kiện ban đầu tích phân: Ura0 = Ura(t = 0) = Q0/C Như vậy, ta hình thành xung cưa, tín hiệu vào xung chữ nhật Hình 1.2 Tạo xung cưa vi mạch Người ta tạo đồng thời xung vuông xung tam giác nhờ ghép nối tiếp tích phân sau mạch trigơ Schmidt Mạch trigơ tạo xung vuông, mạch tích phân tạo xung tam giác Hai mạch mắc nối tiếp với tạo thành vòng hồi tiếp kín kích thích lẫn làm lật trạng thái để tạo xung 1.2.3 Dao động thư giản Xem mạch gồm hai cổng NAND TTL N1 N2 với tụ C1, C2 đường hồi tiếp chéo điện trở R1, R2, R3 ngõ vào (Hình1.3) Ngõ vào lại cổng NAND bỏ khơng hay nối lên VCC Ba điện trở R1, R2, R3 chọn cho hai cổng phân cực vùng tuyến tính hai ngưỡng logic thấp cao cổng (ở cổng TTL ngưỡng thấp khoảng 0,9V; ngưỡng cao khoảng 1,6V) để nạp, xả hai tụ khiến ngõ vào hai cổng chuyển mạch logic Dưới sơ đồ mạch dao động loại thư giản (Hình 1.3) Hình 1.3 Dao động loại thư giản (Với trị số linh kiện ghi hình vẽ, tần số dao động xấp xỉ 2,8Hz) Giả sử ngõ vào N1 xuống ngưỡng thấp khiến ngõ Q = 1, tụ qua C2 khiến ngõ vào N2 lên làm ngõ Q = Tụ C2 xả điện qua R2 R3 xuống đất khiến điện ngõ vào N2 sụt dần đến lúc xuống ngưỡng thấp tức có logic làm ngõ Q = qua tụ C1 khiến ngõ vào N1 lên dẫn đến ngõ Q = Lúc C1 xả điện qua R1 R3 khiến điện ngõ vào N1 sụt dần đến lúc xuống ngưỡng thấp tức logic làm ngõ Q = 1, v.v Sự nạp xả xả liên tiếp tuần hồn tạo hai dạng sóng đảo pha Khi C1 = C2 = C R1 = R2 = R dạng sóng đối xứng có tần số là: f = (2R  R ).C Các điện trở R1, R2, R3 phải nhỏ (dưới 1K) tụ C1, C2 từ vài chục pF đến khoảng 1000F Khi dùng cổng CMOS điện trở đến 100K nên mạch dao động tần số thấp Thường hai ngõ phải đệm (ví dụ dùng hai cổng NAND lại 7400 để làm cổng đệm) Thật mạch dao động loại thư giản hình 1.3 dùng 1.2.4 Dao động thư giản dùng cổng nảy Schmitt Các cổng nảy Schmitt 7414 dùng mạch dao động (Hình 1.4) Giả sử ngõ vào cổng vừa xuống thấp (logic 0) khiến ngõ Q vừa lên cao (logic 1) tụ C nạp qua điện trở R từ ngõ Khi C nạp đến ngưỡng logic cao ngõ vào lên cao khiến ngõ xuống thấp làm tụ xả điện vào ngõ Khi C xả xuống đến ngưỡng thấp logic ngõ r đảo lại Vì tụ nạp xả qua điện trở R nên dạng sóng vng đối xứng Do ngưỡng logic khác nên tần số dao động cổng TTL CMOS khác Tần số dao động bị ảnh hưởng điện trở ngõ cổng yếu tố nhiệt độ, v.v.v Nên cơng thức ghi hình vẽ xấp xỉ Để ý không dùng điện trở giới hạn cho mạch khơng dao động.Cổng NAND 7413 dùng cho mạch dao động Hình 1.4 Dao động thư giản dùng cổng nảy Schmitt 1.2.5 Dao động thư giản dùng cổng đảo Hai cổng đảo TTL hay CMOS tạo nên mạch dao động theo cách thư giản Hình1.5 ví dụ, tụ C điện trở R xác định tần số dao động Điện trở RS để giảm thiểu ảnh hưởng thay đổi điện cấp điện VCC lên tần số, RS có trị số từ đến lớn R Khi RS lớn so với R chu kỳ tần số dao động cho bởi: T  2,2RC Hình 1.5 Dao động thư giản dùng cổng đảo CMOS 74HC04 dạng sóng Khi dùng cơng thức trên, điện trở R phải lớn 50K, tụ C phải lớn 1000pF Về nguyên lý mạch dao động với khoảng rộng điện trở R (từ vài trăm  đến vài M) tụ C (từ 100pF đến hàng F), điện trở RS khơng q lớn khiến mạch dao động chập chờn Có thể dùng cổng NAND thay cổng đảo Ví dụ: Đối với CD4011: RS= 0, R = 220K, C = 1F, tần số khoảng 3Hz 1.2.6 Dao động dịchh chuyển pha Hình 1.6 Dao động dịch chuyển pha (7404) Ở hình 1.6 ba cổng đảo mắc nối tiếp đường hồi tiếp tạo nên dao động Nguyên lý hoạt động sau: Giả sử ngõ vào cổng I1 Nói tóm lại: Trong q trình hoạt động bình thường 555, điện áp tụ C dao động quanh điện áp Vcc/3 => 2Vcc/3 (Xem đường đặc tính tụ điện phóng nạp trên) - Khi nạp điện, tụ C nạp điện áp ban đầu Vcc/3, kết thúc nạp thời điểm điện áp C 2Vcc/3 Nạp điện với là: (Ra + Rb)C - Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu 2Vcc/3, kết thúc xả thời điểm điện áp C Vcc/3 Xả điện với thời là: Rb.C - Thời gian mức ngõ thời gian nạp điện, mức xả điện 3.2.4 Một số ứng dụng IC 555 IC định 555 IC tương tự khác có nhiều ứng dụng Sau vài ứng dụng tiêu biểu 555 3.2.4.1 Mạch trì hỗn thời gian Ấn nút Start mạch hình 3.4 tạo xung nảy ngõ vào nảy (Tr) 555 khiến ngõ (0) xuất xung kéo dài thời gian cho bởi:  = 1,1(R3 + R4)C3 Do tùy thời gian trì hỗn mà chọn trị số cho R3, R4 C3, C4 có trị số nhỏ, ví dụ vài K biến trở R3 có trị số lớn, ví dụ vài trăm K đến vài M để thay đổi thời gian trì hỗn khoảng rộng Khi hết xung, cạnh xuống xung làm flip - flop đổi trạng thái ngõ Q xuống thấp làm đèn Led sáng hay tải khác hoạt động (loa báo động, đèn sáng, vv ) thường phải thêm mạch giao tiếp cơng suất thích hợp Muốn ngưng tải tức muốn flip - flop đổi trạng thái để Q = ấn nút Reset Dưới sơ đồ mạch trì hỗn thời gian với thời gian trì hỗn:  = 1,1(R3 + R4)C3 (Hình 3.4) Hình 3.4 Mạch trì hỗn thời gian 3.2.4.2 Tạo xung có độ rộng thay đổi Trong số điện điều khiển trường hợp ta cần thay đổi độ rộng xung theo ngõ vào, ví dụ để tạo điều biến độ rộng xung (Pulse width modulation - PWM) Hình 3.5 mạch dùng 555 Điện điều khiển VCV áp ngõ điện điều khiển (CV) 555 xung xảy khoảng thời gian VTr áp ngõ vào nảy (Tr) Điện điều khiển VCV có tác dụng thay đổi độ rộng xung nằm khoảng VCC/3 đến VCC Hình 3.5 Dùng ngõ CV để thay đổi độ rộng xung (Điều biến độ rộng xung - PWM) 3.2.4.3 Dao động có tần số thay đổi có độ rộng cố định Ở hình 3.6 nửa 556 dùng mạch dao động đa hài phi ổn, nửa 556 mạch dao động đa hài đơn ổn Hình 3.6 Dao động tần số thay đổi độ rộng xung cố định Tần số dao động bởi: 1,44 f = (R  R  2R )C Tùy theo khoảng tần số yêu cầu mà chọn trị số phù hợp cho R1, R2, R3 C2 Để khoảng thay đổi tần số lớn biến trở R1 phải lớn so với R2 R3 Điều làm cho chu trình làm việc dạng sóng xung O1 mạch đơn ổn (nửa 556) nảy tạo xung có độ rộng cho bởi:  = 1,1R5C5 Tùy độ rộng xung mong muốn chọn R5, C5 cho phù hợp, độ rộng xung  O2 phải nhỏ chu kỳ T dạng sóng O1 * THỰC NGHIỆM VỚI VI MẠCH 8038 3.3 Thiết kế sơ đồ khối Khối máy phát hàm Khối nguồn ao động ký Hình 3.7 Sơ đồ khối máy phát hàm Trong đó: Khối nguồn biến dòng xoay chiều thành dòng chiều với điện áp phù hợp với điện áp làm việc máy phát Khối máy phát hàm có nhiệm vụ tạo xung ra: xung vng, xung cưa, xung hình sin Dao động ký có nhiệm vụ nhận tín hiệu xung từ máy phát phát xung hình nhìn thấy 3.3.1 Khối nguồn Sơ đồ mạch: Hình 3.8 Sơ đồ mạch nguồn Mạch nguồn gồm: - Biến áp 220V, lối 0V, 9V, 18V; - Chỉnh lưu cầu cho điện áp đối xứng; - tụ nguồn 1000µF; - IC ổn áp: ổn áp dương 7812 ổn áp âm 7912 Ổn định điện áp vào điện áp sau chỉnh lưu; - tụ lọc sau ổn áp 470µF; - đèn LED báo dòng; - điện trở 1KΩ 3.3.2 Khối máy phát hàm Sơ đồ mạch điện: Hình 3.9 Sơ đồ mạch điện khối máy phát hàm Khối máy phát hàm gồm có: - Tụ 0,47µF nối với chân 10; - Các triết áp nối với chân 5, chân 8; - Triết áp nối với đi-ốt dùng để điều chỉnh tần số dao động; - Triết áp 100K nối với chân 12 dùng để điều chỉnh biên độ tín hiệu; - Tín hiệu lấy vị trí 1, 2, 3: + Vị trí nối với chân cho tín hiệu xung vng; + Vị trí nối với chân cho tín hiệu xung cưa (tam giác); + Vị trí nối với chân cho tín hiệu xung hình sin 3.4 Thử nghiệm Chúng tiến hành lắp ráp khối nguồn, khối máy phát hàm theo sơ đồ mạch hình 3.8 hình 3.9 sau: Khối nguồn: Khối máy phát hàm: Máy tạo dao động ký: Sơ đồ toàn mạch: Sau hoàn thành mạch lắp ráp bo mạch kết hợp với máy dao động ký lấy kết sau: Xung vuông: Xung hình sin: Xung cưa: Kết tần số thu thí nghiệm dao động từ 20Hz đến 20kHz 41 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN Máy phát hàm sử dụng vi mạch ứng dụng rộng rãi sống Cùng với phát triển kỹ thuật điện tử nay, có vai trò quan trọng ngành kỹ thuật Các mạch tạo xung mảng kỹ thuật số mà người học làm cần quan tâm đề cập trình học tập Qua trình nghiên cứu thực đề tài, chúng tơi thu số kết sau: - Nắm bước để thực nghiên cứu khoa học; - Nâng cao hiểu biết máy phát hàm dao động kí; - Tìm hiểu cấu tạo, hoạt động số ứng dụng IC 8038 IC 555; - Nâng cao kỹ thực hành, lắp ráp hiệu chỉnh mạch điện; - Tăng cường lực giải vấn đề kỹ thuật thực tế lực tự học Việc nghiên cứu máy phát hàm sử dụng vi mạch IC 8038, IC 555 cần thiết cho sinh viên ngành kỹ thuật Đề tài hoàn thiện phần thực nghiệm thiết kế mạch in đóng gói thành sản phẩm hồn chỉnh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Xuân Thụ, Kĩ thuật điện tử, NXB Giáo Dục, Việt Nam [2] Website: http:// 555time.vn [3] Website: http:// docs.4share.vn [4] Website: http:// ic8038.vn [5] Website: http:// tailieu.vn MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU NỘI DUNG CHƯƠNG KIẾN THỨC CƠ SỞ 1.1 Khái niệm chung mạch tạo xung, tín hiệu xung 1.1.1 Mạch tạo xung - 1.1.2 Tín hiệu xung 1.2 Một số mạch tạo xung - 1.2.1 Mạch tạo xung vuông - 1.2.2 Mạch tạo xung cưa (tạo xung tam giác) - 1.2.3 Dao động thư giản 1.2.4 Dao động thư giản dùng cổng nảy Schmitt 1.2.5 Dao động thư giản dùng cổng đảo 1.2.6 Dao động dịch chuyển pha 1.2.7 Dao động tinh thể thạch anh 11 1.2.8 Một số mạch tạo xung khác 12 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2.1 Khái niệm máy phát hàm 14 2.2 Sơ đồ khối máy phát hàm 15 2.2.1 Sơ đồ cấu trúc máy phát hàm 16 2.2.2 Đặc tuyến truyền đạt phần tử rơle 16 2.2.3 Đặc tính truyền đạt biến đổi “xung tam giác – hình sin” 17 2.2.4 Phương pháp tạo tín hiệu hình sin theo phương pháp số 19 2.2.5 Các dạng tín hiệu 20 CHƯƠNG MẠCH ỨNG DỤNG .22 3.1 IC 8038 - 22 3.1.1 Giới thiệu IC 8038 - 22 3.1.2 Nguyên lý hoạt động ICL 8038 - 24 3.1.3 Một số mạch ứng dụng sử dụng ICL 8038 24 3.2 IC 555 - 25 3.2.1 Giới thiệu IC 555 26 3.2.2 Sơ đồ chân IC555 26 3.2.3 Cấu tạo bên nguyên tắc hoạt động 28 3.2.4 Một số ứng dụng IC 555 - 31 3.3 Thiết kế sơ đồ khối - 34 3.3.1 Khối nguồn - 34 3.3.2 Khối máy phát hàm 35 3.4 Thử nghiệm 36 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 ... niệm máy phát hàm Loại máy phát mà lúc cho nhiều dạng tín hiệu đầu khác tín hiệu hình tam giác, tín hiệu xung vng… gọi máy phát hàm Loại máy phát gần sử dụng rộng rãi nhờ tính đa chức Máy phát hàm. .. cứu số mạch tạo xung thông dụng Thực hành thử nghiệm máy phát hàm sử dụng vi mạch Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Dự kiến kết Tìm hiểu tổng quan máy phát hàm. .. CHƯƠNG 3: MẠCH ỨNG DỤNG Cấu tạo ICL 8038, IC 555; Mạch phát xung dùng IC 8038, IC 555; Một số mạch điện tử có khả tạo xung phát hàm; Thực nghiệm phòng thí nghiệm với máy phát hàm sử dụng ICL 8038