Các phương pháp thiết kế mạch điện tử

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KY THUẬT CÔNG NGHIỆP VU THU ÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KÊ MẠCHĐIỆN TƯ LUẬN VĂN THẠC SĨ KY THUÂT ĐIÊN TƯ Thái Nguyên 2016 ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KY THUÂT CÔNG NGHIÊP VU THU ÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KÊ MẠCH ĐIỆN TƯ Chuyên ngành số : : Ky thuât Điện tử Mã 60520203 LUÂN VĂN THẠC SĨ KY THUÂT ĐIÊN TƯ KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyên Duy Cương PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên 2016 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn “Các phƣơng pháp thiết kế mạch điện tử” thực theo mục tiêu đề hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Duy Cƣơng Kết đạt luận văn sản phẩm cá nhân tơi.Trong tồn luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Thái Nguyên, ngày 24 tháng năm 2016 HỌC VIÊN Vũ Thu Ánh iv LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập hồn thành luận văn tốt nghiệp, tơi nhận nhiều giúp đỡ từ thầy cơ, gia đình bạn bè,… Tôi xin bày tỏ cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS.Nguyễn Duy Cương – người hướng dẫn tận tình tơi suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Các thầy giáo Trường Đại học Ky thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên truyền thụ kiến thức cho khoảng thời gian học tập trường nhà trường tạo điều kiện sở vật chất, giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu, làm thực nghiệm Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn bố mẹ gia đình bên cạnh động viên thời gian qua Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp bạn bè đóng góp giúp tơi hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng hết sức, song điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân ít, đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tơi mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, cô giáo bạn bè, đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 24 tháng năm 2016 HỌC VIÊN Vũ Thu Ánh v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .xi DANH MỤC CÁC TỪ VIÊT TẮT x LỜI NÓI ĐẦU xiii CHƢƠNG KHUÊCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1.1 Giới thiệu chung .1 1.2 Đặc tính truyền đạt 1.3 Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng 1.4 Các phép toán sử dụng mạch khuếch đại thuật toán 1.4.1 Mạch khuếch đại không đảo .7 1.4.2 Mạch khuếch đại đảo (Khâu tỷ lệ) .8 1.4.3 Mạch khuếch đại cộng đảo (bộ cộng) 1.4.4 Mạch tích phân 10 1.4.5 Mạch vi phân 11 1.4.6 Mạch nhân tương tự 12 Kết luận 15 CHƢƠNG THIÊT KÊ MẠCH ĐIỆN TƯ TƢƠNG TỰ TỪ BIỂU THỨC TOÁN .16 chƣơng vi 2.1 Cơ sở lý thuyết 16 2.2 Thiết kế mạch điện tử hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu MRAS sử dụng khuếch đại thuật toán 17 2.2.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc từ biểu thức tốn mơ tả điều khiển 18 2.2.3 Kết mô mạch điện tử phần mềm Multisim 24 vi i Kết luận chƣơng 28 CHƢƠNG THIÊT KÊ MẠCH ĐIỆN TƯ TƢƠNG TỰ TỪ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 29 3.1 Cơ sở lý thuyết 29 3.2 Thiết kế mạch điện tử tương đương hệ thống điều khiển tối ưu LQG sử dụng khuếch đại thuật toán 29 3.2.1 Xây dựng mạch điện tử tương đương cho quan sát LQE 30 3.2.2 Xây dựng mạch điện tử tương đương hiệu chỉnh tham số LQR 32 3.2.3 Xây dựng mạch điện tử tương đương đối tượng điều khiển 34 3.3 Kết mô mạch điện tử LQG phần mềm Multisim 2013 37 Kết luận chƣơng 38 CHƢƠNG THIÊT KÊ MẠCH ĐIỆN TƯ TƢƠNG TỰ TỪ ĐỒ THỊ BODE 39 4.1 Đặc tính tần số hệ thống 39 4.2 Giản đồ Bode 40 4.2.1 Các bước vẽ giản đồ Bode đường gần .40 4.2.2 Nhận dạng hàm truyền đạt từ đặc tính tần cho trước .44 4.3 Thiết kế mạch điện tử dựa sở đặc tính tần cho trước 47 4.3.1 Thiết kế mạch lọc tích cực dựa sở đặc tính tần cho trước 48 4.3.2 Cách tiến hành 48 Kết luận chƣơng 55 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 56 vi ii 5.1 Phần mềm hỗ trợ thiết kế mạch PCB Altium Designer 2010 56 5.2 Thiết kế mơ hình thực hệ thống LQG sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324 57 5.3 Thiết kế mơ hình thực lọc tích cực sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324 58 5.4 Kết đo hiển thị máy sóng 59 5.4.1 Kết đo dạng sóng điều khiển LQG 59 5.4.2 Kết đo sóng mơ hình lọc tích cực 61 vii Kết luận chƣơng 63 KÊT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .64  Kết luận: 64  Kiến nghị: .64  Hướng nghiên cứu tiếp theo: 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO .65 viii viiiv DANH MỤC CÁC HÌNH CHƢƠNG KHCH ĐẠI THUẬT TỐN Hình 1.1 Ký hiệu khuếch đại thuật toán sơ đồ mạch điện tử Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo bên khuếch đại thuật tốn µA741 .3 Hình 1.3 Đặc tuyến truyền đạt khuếch đại .6 Hình 1.4 Mạch khuếch đại không đảo Hình 1.5 Mạch khuếch đại đảo .9 Hình 1.6 Mạch khuếch đại cộng đảo 10 Hình 1.7 Mạch tích phân .11 Hình 1.8 Mạch vi phân 12 Hình 1.9 Sơ đồ chân IC nhân AD633JN/AN 13 Hình 1.10 Sơ đồ mạch nhân sử dụng IC AD633JN 13 CHƢƠNG THIÊT KÊ MẠCH ĐIỆN TƯ TỪ BIỂU THỨC TỐN 16 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAS) 18 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAS) 21 Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “mơ hìnhđối tượng” 22 Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “mơ hình mẫu” 22 Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “bộ điều khiển PD thích nghi” 24 Hình 2.6 Kết mơ hệ thống MRAS phần mềm Multisim 2013 .24 Hình 2.7 Tín hiệu thích nghi Kd 26 Hình 2.8 Tín hiệu thích nghi Kp 26 Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện tử hệ thống thích nghi theo mơ hình mẫu MRAS sử dụng khuếch đại thuật tốn Hình 4.10 Biểu đồ Bode (Đặc tính biên độ, đặc tính pha) hàm truyền vừa nhận dạng Hình 4.10 đáp ứng hàm truyền đạt vừa nhận dạng gần với đáp ứng đề đưa  Quá trình 2:Thiết kế mạch điện tử tương tự từ phương trình hàm truyền Sau nhận dạng hàm truyền, bước ta xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ thống Dựa vào biến đổi Laplace ngược ta dễ có phương trình vi phân miêu tả hệ thống:   = −13  − 22  + 22  (4.7)  Xây dựng sơ đồ cấu trúc Từ phương trình vi phân (4.7) ta xây dựng sơ đồ cấu trúc sau: Hình 4.11 Sơ đồ cấu trúc hàm truyền đạt  Xác định sơ đồ nguyên lý mạch điện tử dựa vào sơ đồ cấu trúc Sau xây dựng xong sơ đồ cấu trúc hệ thống, tiếp đến ta thực việc thiết kế mạch điện tử tương đương cho hệ thống.Từ sơ đồ cấu trúc Hình 4.11 ta thấy hệ thống bao gồm: khâu tích phân, khâu hệ số (gain1, gain2, gain3), cộng đầu vào Suy sơ đồ mạch điện tử tương đương đưa Hình 4.12 Hình 4.12 Sơ đồ mạch điện tử tương đương lọc “Bộ đảo 1” thêm vào xét dấu tín hiệu phản hồi sơ đồ mạch điện tử tương đương Loại IC khuếch đại thuật toán sử dụng thực nghiệm IC LM324.Trong thơng số điện trở (R), tụ điện (C) liệt kể Bảng 4.1 đây: Ký hiệu Thông số Bộ Cộng R3; R4; R5; R6 Hệ số.1 R1; R2 Ghi R3 = R4 = R5 = R6 = 10K Gain1 = R2  22 R1 R2 = 22K; R1 = 1K Hệ số.2 R9; R10 Gain2 = R10  10 R9 R10 = 10K; R9 = 1K Hệ số.3 R14; R15 Gain3 = R15  22 R14 R15 = 22K; R9 = 1K Tích phân.1 R7; C1 R7  47K; C1  100nF Tích phân.2 R8; C2 R8  47K; C2  100nF Bộ đảo.1 R11; R12 R11 = R12 = 10K Bảng 4.1 Các thông số giá trị linh kiện (tụ điện, điện trở)  Mô mạch điện tử tương đương phần mềm Multisim 2013 Để đảm bảo tính xác q trình chuyển đổi mạch tương đương, hệ thống mô phầm mềm Multisim trước thiết kế mạch PCB.Sơ đồ mạch mơ phần mềm Multisim 2013(Hình 4.13) Trong thực tế nhiễu ln tác động vào hệ thống, q trình mơ lại điều kiện lý tưởng, mơ khâu nhiễu thêm vào để kiểm tra đáp ứng hệ thống có nhiễu tác động vào Hình 4.13.Sơ đồ mạch điện tử tương đương mơ Multisim 2013 Hình 4.14 Kết mơ hệ thống Multisim 2013 Từ Hình 4.14 ta thấy đáp ứng hệ thống mong muốn.Bộ lọc thơng thấp loại bỏ thành phần có tần số cao Kết luận chƣơng Chương đưa lý thuyết đáp ứng tần số, cách vẽ biểu đồ Bode đường xấp xỉ cách thức thiết kế mạch điện tử dựa sở đặc tính tần cho trước Từ lý thuyết đáp ứng tần số biểu đồ Bode, đưa bước nhận dạng hàm truyền ngược từ đường đặc tính biên độ biểu đồ Bode: Bƣớc 1: Xấp xỉ đường đặc tính biên độ hệ thống Bƣớc 2: Hệ thống tần số gãy xếp chúng theo thứ tự độ lớn tăng dần Bƣớc 3: Phỏng đốn dạng hàm truyền đạt Bƣớc 4: Tính toán tham số cần thiết Bƣớc 5: Kiểm tra lại hàm truyền đạt bước Sau nhận dạng hàm truyền hệ thống dựa vào đặc tính biên độ giản đồ Bode, ta tiến hành thực việc thiết kế mạch điện tử tương tự “thiết kế mạch điện tử tương tự từ biểu thức toán” Từ sở lý thuyết thực hành thiết kế lọc tích cực dựa sở đặc tính tần có sẵn CHƢƠNG 5.THỰC NGHIỆM Luận văn đưa sở lý thuyết, bước tính tốn, mơ mạch điện tử thiết kế dựa biểu thức toán, sơ đồ cấu trúc đặc tính tần cho trước Chương 2, Chương đưa phần thiết kế mơ hình thực tế hệ thống điều khiển nâng cao LQG lọc tích cực dựa phần mềm Altium designer 2010, kết mơ hình thực đánh giá dựa kết hiển thị máy sóng Mục 5.1 nêu khái quát qua phần mềm thiết kế mạch PCB, Altium designer 2010; Mục 5.2 phần thiết kế mạch thực hệ thống điều khiển LQG từ sơ đồ cấu trúc cho trước sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324; Mục 5.3 phần thiết kế mơ hình thực lọc tích cực dựa sở đặc tính tần cho trước sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324 5.1 Phần mềm hỗ trợ thiết kế mạch PCB Altium Designer 2010 Hiện nay, thị trường có nhiều phần mềm hỗ trợ thiết kế mạch điện tử, kể đến như: Circuit maker, Eagle, Altium Designet, OrCAD,… đặc điểm chung phần mềm sản xuất thiết kế sẵn thư viện linh kiện chân cắm tùy theo thiết kế mà người sử dụng vào thư viện lấy linh kiện chân cắm cho phù hợp Phần mềm Altium Designer phần mềm có nhiều chức khả thiết kế mạch điện tử, phát triển từ phần mềm protel hãng Altium.Nó phần mềm có giao diện thân thiện, sử dụng đơn giản Chúng ta tạo sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in, mô phỏng, thiết kế hệ thống FPGA, … phần mềm Bộ thư viện phần mềm Altium bổ sung đầy đủ hãng tiếng TI, ST, Microchip, … Hiện phiên phần mềm 15 Sau nhiều lần cập nhật sửa lỗi đầu năm 2015 Altium tung sản phẩm Altium Designer với nhiều tính hấp dẫn Tuy nhiên, việc sử dụng phiên không quan trọng việc sử dụng thành thạo Altium Designer 5.2 Thiết kế mơ hình thực hệ thống LQG sử dụng IC khuếch đại thuật toánLM324 Sau hoàn thành việc xây dựng mạch điện tử tương đương, phần mềm Multisim 2013 sử dụng để mơ mạch điện tử Từ kết mô hệ thống, với giá trinh linh kiện tính tốn Chương 3, ta tiến hành thiết kế mạch in PCB hệ thống điều khiển LQG tương đương phần mềm Altium designer 2010 Hình 5.1.Mạch in (PCB) hoàn thiện phần mềm Altium Designer 2010 Hình 5.2.Mạch in (PCB) thực với phần mềm Altium Designer 2010 5.3 Thiết kế mơ hình thực lọc tích cực sử dụng IC khuếch đại thuật tốn LM324 Dựa vào sở lý thuyết tính tốn phần Chương 4, ta xây dựng mạch nguyên lý phần mềm Altium Designer 2010 Hình 5.3 Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử lọc tích cực Altium Designer Hình 5.4 Sơ đồ mạch in PCB lọc tích cực phần mềm Altium Designer 5.4 Kết đo hiển thị máy sóng Sau hồn thành việc thiết kế mạch thực, mơ hình thực kiểm tra máy sóng để xem đáp ứng hệ thống Hình 5.5.Hình ảnh thực nghiệm phòng thí nghiệm Khoa Điện tử -TNUT 5.4.1 Kết đo dạng sóng điều khiển LQG Để kiểm tra dạng sóng hệ thống LQG ta cần ý điểm đo là: Tín hiệu đầu vào (lượng đặt), đầu khối quan sát (LQE), đầu đối tượng điều khiển Hình 5.6.Kết đo thực nghiệm dạng sóng đầu đối tượng điều khiển LQG Từ kết đo Hình 5.6 với đường tín hiệu màu xanh thể lượng đặt, tín hiệu màu vàng thể dạng sóng đầu lọc thơng thấp Đánh giá kết dạng sóng ta thấy kết đo thực nghiệm kết mô phần mềm sát Hình 5.7.Kết đo thực nghiệm dạng sóng khối quan sát LQE Kết đo thực nghiệm Hình 5.7 thể dạng sóng lượng đặt (setpoint) đường màu xanh dạng xung vuông đầu khối quan sát LQE đường màu vàng Hình 5.8.Tín hiệu đầu đối tượng điều khiển khối quan sát Dạng sóng đo thực nghiệm Hình 5.8 tín hiệu đầu khối quan sát (đường màu xanh) tín hiệu đầu đối tượng điều khiển (đường màu vàng) bám sát 5.4.2 Kết đo sóng mơ hình lọc tích cực Hình 5.9.Kết đo thực nghiệm dạng sóng lọc tích cực Đường đặc tính màu vàng thể đầu vi phân bậc Dạng sóng đường màu xanh tín hiệu đầu lọc Hình 5.10 Kết đo thực nghiệm dạng sóng lọc tích cực2 Đường tín hiệu màu vàng tín hiệu vào lọc đường màu xanh tín hiệu đầu lọc.Dạng sóng tín hiệu vào đáp ứng giống với mô phần mềm Multisim 2013 Kết luận chƣơng Chương giới thiệu phần mềm hỗ trợ thiết kế mạch PCB, cách thức tiến hành thiết kế mạch PCB hệ thống điều khiển nâng cao LQG lọc tích cực sử dụng IC khuếch đại thuật tốn LM324 Một số hình ảnh q trình test mạch thực phòng thí nghiệm Khoa Điện tử - Trường Đại học Ky thuật Công nghiệp Thái Nguyên KÊT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ  Kết luận  Ưu điểm: Đề tài luận văn giải đầy đủ, trọn vẹn cho số kết sau: - Đưa sở lý thuyết nhằm hỗ trợ cho việc phân tích thiết kế mạch điện tử - Đề xuất bước thiết kế mạch điện tử dựa vào biểu thức toán cho trước Từ sở tiến hành tính tốn thiết kế mạch điện tử tương đương điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu MRAS sử dụng IC khuếch đại thuật toán - Đề xuất bước thiết kế mạch điện tử dựa vào sơ đồ cấu trúc điều khiển có sẵn Trên sở lý thuyết đưa tiến hành việc thiết kế mạch điện tử tương đương điều khiển tối ưu LQG sử dụng IC khuếch đại thuật toán - Đề xuất bước thiết kế mạch điện tử tương đương dựa sở đáp ứng tần số (Đồ thị Bode) Cơ sở lý thuyết áp dụng vào việc thiết kế mạch lọc tích cực sử dụng IC khuếch đại thuật toán - Tiến hành làm thực nghiệm mạch điện tử nêu kiểm tra dạng sóng phòng thí nghiệm – Khoa Điện tử – Trường Đại học Ky thuật Công nghiệp Thái Nguyên  Hạn chế: Bản luận văn đạt số kết quả, nhiên chưa áp dụng rộng rãi thực tế  Kiến nghị Trong thời gian tới mong kết nghiên cứu sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên học tập  Hƣớng nghiên cứu Nghiên cứu hoàn chỉnh thiếu sót, đồng thời tiến hành áp dụng vào thiết kế mạch điện tử thực tiễn TÀI LIỆU THAM KHẢO * Tiếng Việt [1] Phạm Minh Hà (2008),Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất Khoa học - Ky thuật [2] Hồ Anh Túy (2011), Lý Thuyết Mạch, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [3] Bài giảng ky thuật điện tử tương tự - Khoa Điện tử - Đại học bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh * Tiếng Anh [4]Nguyen Duy Cuong (2014), Advanced Controllers for Electromechanical Motion Systems Theory, Design, and Applications,Science and Technics Publishing House [5] Charles K Alexander, Maththew N O Sadiku, Fundamentals of Electric Circuits, Third Edition [6] Dang Thi Ngoc Anh (2014), Frequency Response,Electronic Engineering Divion Faculty of Electronics, Thai Nguyen University of Technology * Trang web [7] http://www.coe.ufrj.br/~julio/Fundamentals%20Of%20Electric%20Circuits.pdf [8] http://fee.tnut.edu.vn/index.php?option=com_content&view=article&id=1144:ni-dungbao- cao-seminar-vi-ch-qfrequency-responseq-ca-ths-ng-th-ngc-anh&catid=130:hot-ngchuyen- mon&Itemid=286 ... Các phương pháp thiết kế mạch điện tử làm luận văn tốt nghiệp Phương pháp nghiên cứu đề tài sau: - Nghiên cứu lý thuyết xây dựng bước thiết kế mạch điện tử từ yêu cầu cho trước, tính toán, thiết. .. Khuếch đại thuật toán Chương Thiết kế mạch điện tử tương tự từ biểu thức toán Chương Thiết kế mạch điện tử tương tự từ sơ đồ cấu trúc điều khiển Chương Thiết kế mạch điện tử tương tự từ đồ thị Bode... vệ ngắn mạch Gƣơng dòng điện: Các phần mạch điện tô màu đỏ cam gương dòng điện Dòng điện ban đầu để sinh dòng điện khác xác định điện áp cấp nguồn điện trở 39kΩ với mối nối pn tạo Dòng điện tính