Đang tải... (xem toàn văn)
Bài tập lớn môn học vi mạch số và vi mạch tương tự của trường đại học công nghiệpthiết kế mạch đo tốc độ sử dụng encoder (100 xungvòng),hiển thị tốc độ đo được trên led 7 thanhChương 1: tìm hiểu chung về mạch dãy mạch tổ hợp, mạch dao động2.2, bộ giải mã nhị thập phân (bộ giải mã BCD)chương 2: thiết kế sơ đồ mạch chương 3,Xây dựng mạch mô phỏng.
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC VI MẠCH TƯƠNG TỰ & VI MẠCH SỐ Nhóm ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực MSSV Lớp : : : : Hà nội, Dec 2012 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Giáo viên hướng dẫn Mục Lục Lời mở đầu Chương 1: tìm hiểu chung mạch dãy mạch tổ hợp, mạch dao động I,Mạch tổ hợp 1, khái quát 1.1 phương pháp tối thiểu hóa hàm logic 1.2 tổng hợp hàm logic ràng buộc 2, mã hóa giải mã 2.1, mã hóa nhị - thập phân (bộ mã hóa BCD) 2.2, giải mã nhị thập phân (bộ giải mã BCD) II,Mạch dãy 1, khái niệm mạch dãy đếm III, mạch dao động khái niệm 2, điều kiện dao động 3, kết luận chương 2: thiết kế sơ đồ mạch I Sơ đồ khối II Hoạt động khối Khối tạo xung: 1.1 Khối tạo xung mở cổng 1.2, Khối reset 1.3 Động encoder 1.4 Khối cổng Khối đếm ( IC 74L90) Khối giải mã (IC 74LS47) Khối hiển thị II Sơ đồ nguyên lí Sơ dồ nguyên lí Nguyên lí làm việc Chọn linh kiện tính tốn thơng số chương 3,Xây dựng mạch mô I Mạch Proteus Kết Luận LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại ngày nay, việc tự động hố q trình sản xuất ứng dụng mang ý nghĩa to lớn, nói ngành tự động hố ngành đánh giá phát triển cơng nghiệp giới nói chung quốc gia nói riêng Sự tự động hố sản xuất làm tăng suất, giảm giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm tiếp cận thâu tóm thị trường Những số mục tiêu mà doanh nghiệp muốn hướng đến cải thiện Vì tầm quan trọng to lớn nên sinh viên chuyên ngành tự động hoá chúng tơi phải trau dồi kiến thức cho để có tảng phát huy tính sáng tạo, sau phát triển đất nước Động thiết bị phổ biến, sử dụng rộng rãi lĩnh vực, việc đo tốc độ động vơ quan trọng để tính tốn sử dụng động Sau thời gian làm việc, nghiên cứu, tham khảo tơi hồn thành đề tài ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER sở lý thuyết Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy ………… giảng dạy tơi kiến thức bổ ích mơn “Vi mạch tương tự vi mạch số” Tuy vậy, lượng kiến thức thời gian có hạn nên đề tài tơi nhiều thiếu sót, kính mong thầy cô giúp đỡ thêm Tôi xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực đồ án CHƯƠNG I TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH TỔ HỢP, MẠCH DÃY VÀ MẠCH DAO ĐỘNG I – Mạch tổ hợp Khái quát Mạch logic tổ hợp mạch logic giá trí logic tín hiệu khơng phụ thuộc vào trạng thái cũ mạch, mà hoàn toàn xác định giá trị logic cửa vào mạch thời điểm Khi tổng hợp mạch logic tổ hợp ta cần tuân thủ bước đây: B1: Lập bảng chức logic mạch Đó bảng chân lí hay bảng trạng thái, bảng giá trị biến tương ứng với tổng tổ hợp biến vào B2: Từ bảng trạng thái xác định biểu thức hàm logic bảng Các nô B3: Tiến hành tối thiểu hoá hàm logic đưa dạng thuận lợi để triển khai hàm thông qua mạch logic 1.1 Các phương pháp tối thiểu hóa hàm logic - Tối thiểu hoá hàm logic cách sử dụng định luật đại số logic - Tối thiểu hoá hàm logic biểu đồ Các nô 1.2 Tổng hợp hàm logic ràng buộc Khái niệm hàm logic ràng buộc Hàm số n biến có 2n tổ hợp biến, tương ứng với tổ hợp biến hàm số có giá trị Nhưng có trường hợp với số tổ hợp biến số hàm số biến không xác định giá trị theo điều kiện Phần tử ràng buộc hay số hạng ràng buộc tổ hợp biến tương ứng với trường hợp hàm số không xác định, số hạng ràng buộc Điều kiện ràng buộc biểu thức logic tạo tổng phần tử ràng buộc Vậy điều kiện ràng buộc Hàm logic ràng buộc hàm số logic xác định với điều kiện ràng buộc Tối thiểu hố hàm logic ràng buộc có cách: tối thiểu hố cơng thức bảng nơ Bộ mã hóa giải mã 2.1 Bộ mã hóa nhị - thập phân ( mã hóa BCD ) Bộ mã hóa nhị thập phân mã hóa có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số thập phân thành mã hệ nhị phân Dạng mã gọi mã BCD (Binary Code Decimal ) Mã thập phân Bộ mã hóa (BCD) Mã nhị phân Bảng chân lý mã hóa BCD theo mã 8421 (sgk t121) Sơ đồ nguyờn lý mã hóa nhị thập phân (sgk t121) 2.2 Bộ giải mã nhị -thập phân ( giải mã BCD) Bộ giải mã BCD có cửa vào bit nhị phân, ký hiệu chúng theo trọng số giảm dần D,C,B,A Có cửa 10 số hệ thập phân ( số đến số 9), kớ hiệu chúng y0, y1, y2, y3, y4, y5, y6, y7, y8, y9 Ứng với tổ hợp biến vào có biến xuất Quy định mức thấp ( mức 0) mức tích cực biến Bảng chân lý giải mã BCD theo mã 8421 (sgk t.122 ) Sơ đồ nguyên lý giải mã BCD (sgk t.124) II – Mạch dây Khái niện mạch dây - Mạch dãy mạch logic có phần tử nhớ tạo mạch lật, mạch biến mạch không phụ thuộc vào tổ hợp biến vào mà phụ thuộc vào trạng thái mạch - Thanh ghi dãy mạch nhớ có chức lưu giữ liệu biến đổi liệu số từ nối tiếp sang song song ngược lại Mỗi mạch lật lưu giữ bit Vậy ghi dài bit phải tạo tử nhiêu mạch lật Thanh ghi nhận liệu song song (sgk t 131) Thanh ghi nhận liệu song song dài bit có mạch lật kiểu D kí hiệu theo thứ tự F0-F3 bit liệu đến ngõ vào D mạch lật D0-D3 Q0-Q3 ngõ mạch lật ngõ ghi Q3Q2Q1Q0 = D3D2D1D0 Bộ ghi dịch (Hỡnh sgk t 132) Bộ đếm Là thiết bị đếm số xung đến cửa vào, đầu đếm số lượng dung đếm Bộ đếm đa dạng , ta xét loại đếm nhị phân đồng đếm thập phân đồng - Bộ đếm nhị phân đồng Số xung đếm N= 2^n ( hỡnh 7.34 t.132) Gồm mạch lật kiểu Jk kí hiệu từ F0-F3, sử dụng mạch NAND tạo mạch logic tổ hợp điều khiển Xung đồng đồng thời cấp đến mạch lật Cửa vào J, K mạch lật thứ (F0) có mức “1” Q0-Q3 ngõ mạch lật ngõ liệu đếm Giản đồ thời gian (7.35 t 133) - Bộ đếm thập phân đồng Bộ đếm thập phân đồng đếm bit đếm 10 xung CP Nội dung đếm mã nhị phân 10 chữ số thập phân 0-9, gọi mã BCD Vậy mạch tạo mạch lật mạch cổng logic Một số đếm thập phân đồng theo mã BCD 8421 có sơ đồ hình (7.36 t133) Mạch có mạch lật kiểu JK đc kí hiệu từ F0-F3 sử dụng mạch AND xung đồng thời cấp đển mạch lật Cửa vào J, K mạch lật thứ (mạch F0) có mức “1” Q0-Q3 ngõ mạch lật ngõ liệu đếm C đầu nhớ hàng thập phân cao đếm Ta thực việc phân tớch đếm theo bước B1: Xác định cỏc loại phương trình ( phương trình định thời, phương trình đầu ra, phương trình kích) B2: Xác định phương trình trạng thái B3: Xây dựng bảng tính tốn B4: Lập bảng trạng thái, vẽ sơ đồ hình trạng thái Đồ thị dạng súng đếm thuận thập phân đồng với mã BCD 8421 ( hỡnh 7.38 t.136) III – Mạch dao động Khái niệm: Mạch dao động mạch điện tử tạo tín hiệu đổi theo chu kỳ Dựa vào dạng tín hiệu mạch dao động tạo ra, người ta chia mạch dao động làm: mạch dao động hình sin (dao động điều hoà) mạch dao động tạo xung Mạch dao động tạo tín hiệu có tần số từ vài Hz đến hàng nghìn MHz Các mạch dao động sử dụng phần tử tích cực là: tranzitor ( loại lưỡng cực FET), điốt-tuynen, mạch tích hợp KĐTT mạch tích hợp với chức khác Các tham số mạch dao động gồm: tần số tín hiệu ra, cơng suất hiệu suất mạch Ta thường gặp nguyên tắc dao động như: tạo dao động hồi tiếp dương tạo dao động phương pháp tổng hợp mạch Điều kiện dao động: Ta xét sơ đồ khối mạch dao động mơ tả hình 1.1 Trong đó, ta kí hiệu gọi X’I – tín hiệu vào dạng phức, X’O – tín hiệu dạng phức X’F – tín hiệu phản hồi dạng phức X’I a X’F X’O a’ Hình 1.1: Mơ tả cách xác định điều kiện dao động Khối 1: khối khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức: K’ = KejỏK Với K môđun hàm truyền đạt khối khuếch đại ỏK góc pha đầu hàm truyền đạt khối khuếch đại Khối khối hồi tiếp khuếch đại có hàm truyền đạt dạng phức: K’ = KFejỏF Với KF mô đun hàm truyền đạt khối phản hồi ỏ F góc pha đầu hàm truyền đạt khối phản hồi Giả định có tín hiệu vào dạng phức X ’I, tích hệ số khuếch đại vòng K’K’F =1, tín hiệu phản hồi tín hiệu vào biên độ góc pha, nghĩa là: X’F = X’I Khi điểm a a’ nối với mà tín hiệu X’O khơng thay đổi Vậy mạch tạo dao động tín hiệu mà khơng cần có kích thích cửa vào Ta suy điều kiện để trì dao động tích hệ số khuếch đại dạng phức vòng kín Hay viết: K’K’F =KKFej(ỏK + ỏF) (1.1) Có thể tách điều kiện (1.1) làm biểu thức: - Điều kiện cân biên độ: KKF = - Điều kiện cân góc pha: ỏK + ỏF = 2ðn với 0,+1,-1,… Kết luận: Mạch dao động mạch khuếch đại tự điều khiển phản hồi dương quay lại đầu vào Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn chiều cung cấp Mạch phải bảo đảm cân biên độ cân pha Mạch dao động chứa phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi lượng chiều thành xoay chiều Mạch dao động chứa phần tử phi tuyến hay khâu điều chỉnh để bảo đảm cho biên độ dao động không đổi trạng thái xác lập CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH I – Sơ đồ khối: Khối tạo xung Khối đếm Mạch đếm hàng đơn vị dựng IC74LS90 Khối giải mã Mạch giải mó BCD dựng IC74LS47 Khối hiển thị Hiển thị hàng đơn vị qua led Động encoder Khối cổng Khối mở cổng reset Khối tạo xung dựng IC555 Hiển thị hàng chục qua led Mạch đếm hàng chục dựng IC74LS90 Mạch giải mó BCD dựng IC74LS47 Mạch đếm hàng trăm dựng IC74LS90 Mạch giải mó BCD dựng IC74LS47 Hiển thị hàng trăm qua led Mạch đếm hàng nghỡn dựng IC74LS90 Mạch giải mó BCD dựng IC74LS47 Hiển thị hàng nghỡn qua led - Nhiệm vụ khối: + Khối tạo xung: IC 555 để tạo xung vuông với tần số phù hợp + Khối đếm: Gồm IC7490 ghép nối với để tạo thành hệ đếm phự hợp + Khối giải mã: Gồm IC7447 để giải mã BCD để đưa khối hiển thị + Khối hiển thị: Hiển thị tín hiệu sau giải mã qua LED đoạn Ngoài cú nút ấn: + Nút bấm : gồm nút ấn, để ấn cấp xung từ IC 555 cho IC 74LS90 + Nút Reset : cho toàn hệ thống thời điểm ban đầu II - Hoạt động khối: Khối tạo xung 1.1 Khối tạo xung mở cổng: Khối xung tạo mở cổng Khối tạo xung mở cổng gồm mạch tạo xung dựng IC 555, IC chia tần số 4017, hàm logic AND, NOT số linh kiện phụ khác 1.2 Khối reset: Nhiệm vụ khối reset reset lại đếm để hiển thị cho reset để cấp xung lại cho 4017 Chúng ta cần nút bấm cấp nguồn 1 đầu nốt với nguồn +5v, đầu lại nối chia làm nhánh: nối với chân reset IC đếm nối với chân số 15 IC chia tần IC 4017 1.3 Động encoder: Một thành phần khơng thể thiếu mạch đo tốc độ động Với yêu cầu đo thực tế ta có loại động khác Trong thị trường có nhiều loại encoder, với yêu cầu tốn ban đầu tơi xin chọn loại encoder có số xung vòng là: 100xung/1 vòng, tức động quay vòng chân A, B encoder cấp 100 xung Encoder : 100xung/ vòng Chọn encoder hóng omron, seria: ENH -100-2-L-5, 24 ENCODER( ENH) Loại Incremental ENH -100-2-L-5, 24 Độ phân giải: 100 xung/ vòng Pha tạo xung bù: A, B Ngõ ra: Line driver Nguồn cung cấp: 5VDC 1.4 Khối cổng: Nhiệm vụ: cho tín hiệu qua đơn vị thời gian đó, tín hiệu mở cổng lấy từ khối xung mở cổng Chọn linh kiện: AND, Not Khối cổng Khi tín hiệu chân hàm AND mức cho tín hiệu qua vào đếm Khối đếm ( IC 74L90) Khối giải mã (IC 74LS47) IC74LS47 loại IC giải có chức ngược lại với mạch mã hóa Mục đích sử dụng phổ biến mạch giải mã làm sáng tỏ đèn để hiển thị kết dạng chữ số Do có nhiều loại đèn hiển thị có nhiều loại mã số khác nên có nhiều mạch giải mã khác Khối hiển thị: Hiển thị dùng led đoạn loại anode chung đầu IC 7447 có mức tích cực mức ( mức thấp) Ở loại anode chung ( anode đèn nối lên +5V, đoạn sáng ta nối đầu cathode đoạn xuống mức thấp thơng qua điện trở để hạn dòng Nút Đo/reset II – Sơ đồ ngun lí Sơ dồ nguyên lí O Động Khối cổng, đếm, giải mã encoder NGUỒN Led Tốc độ Vũng/ phút Sơ đồ nguyên lí: Nguyên lí đo tốc độ động cơ: Nhấn nút “START” để bắt đầu q trình( khơng nên đo vừa khởi động mạch phần tử khởi động chưa hoạt động ổn định, kết đo khơng xác) Lúc xung từ mạch tạo xung qua IC 4017 tạo thành xung mở cổng đến chân hàm logic AND Tại kết hợp với tín hiệu encoder cổng AND tín hiệu qua vào khối đếm, giải mã hiển thị led tốc độ động Muốn thu kết xác ta nên đo lại nhiều lần Khi đo lại, ta nhấn nút “reset” để lặp lại trình Yêu cầu công nghệ: đưa tốc độ với đơn vị vòng/phút Ở đây, ta sử dụng encoder 100xung/vòng Vì vậy, chất mạch đo tốc độ đếm xung encoder phút Tốc độ đo cần hiển thị số xung encoder đếm chia cho 100 kết vòng/phút (1 vòng có 100 xung ) Phân tích tốn ta thấy thời gian đo lần để có kết phút, tốn thời gian, không phù hợp với nhu cầu thực tế Vì vậy, ta đếm xung encoder 0.6s, số xung đếm tốc độ động đơn vị vòng/phút Tính tốn thông số: T= 0,6s t.on= toff=0.4s RA=RB=10k T= 0.69(Ra+ 2Rb )C Suy C = 28.9uF CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG Ở xây dựng mơ hình mơ mạch proteus Chọn thiết bị: Nhấn chuột trái vào biểu tượng P (pick from libraries) chương trình hình chọn linh kiện, ta gõ tên linh kiện cần tìm vào trống, vào ok để lấy linh kiện, cần dùng linh kiện sau: IC 7490, IC 7447, IC 7404(not), IC7408(And), 7seg-anot (led thanh), IC 555, IC 4017, Điện trở 3wat10k, tụ điện CAP, nút bấm BUTTON, công tắc SWITCH, motor-encoder, RESPACK-7(T=trở thanh) Sau ta vẽ mạch hình sau: Sau vẽ xong nhấn play để thực mô Ấn công tắc start để đo tốc độ động cơ, ấn reset để đo lại Ta thu kết sau: Tốc độ thực động n= 180v/phút Trong q trình đo xuất sai số, sai số mức không ảnh hưởng lớn đến độ xác nên chấp nhận Kết Luận: Nhiệm vụ đo tốc độ vô quan trọng trình điều khiển máy móc có chuyển động quay Vì vậy, khâu đo tốc độ cần phải đảm bảo độ kế thiết bị, tránh hậu tác hại xấu khơng kiểm sốt tốc độ làm việc máy móc xác cao, đảm bảo hiệu suất trình sản xuất, với thiết kế Sau thời gian tìm hiểu tài liệu kiến thức có môn vi mạch số vi mạch tương tự, hướng dẫn thầy giáo môn, hoàn thành tập lớn Đo tốc độ động dựng encoder 100 xung Do kiến thức mạch điện tử, chưa có kinh nghiệm nên q trình thiết kế dựa nhiều vào lý thuyết, áp dụng vào thực tế có sai sót ngồi ý tưởng ban đầu Vì vậy, tơi mong muốn nhận tư vấn, góp ý thầy giáo bạn sinh viên kĩ thuật để hoàn thiện