Nhom15_Tan so ke_0-200Hz, 0-400Hz, 0-600Hz (1)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ====o0o==== BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐỀ TÀI NHÓM 15: Tần số kế thang đo: 0-200Hz, 0-400Hz, 0-600Hz GVHD: PGS.TS.Nguyễn Thị Lan Hương Sinh viên thực Lớp MSSV Lê Văn Tuấn KTĐKTĐH 02-K59 20144886 Nguyễn Như Xuyên KTĐKTĐH 01-K59 20145357 Trần Văn Thắng KTĐKTĐH 01-K59 20133704 Hà Nội, 12/2017 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, khoa học kĩ thuật ngày phát triển với tốc độ nhanh chóng, sống người mà thay đổi, văn minh đại Sự phát triển ngành kỹ thuật điện tử tạo nhiều thiết bị gọn nhẹ, xử lí nhanh xác Đặc biệt phải kể tới thiết bị đo, chúng có mặt lĩnh vực sống, góp phần làm cho công việc trở nên đơn giản, thuận tiện Chính vậy, việc nghiên cứu phát triển thiết bị đo có vai trị vơ quan trọng phát triển chung đất nước xã hội Xuất phát từ thực tế nhóm chúng em thực đề tài tập lớn môn Thiết kế thiết bị đo: “Thiết kế tần số kế thang đo 0-200Hz; 0-400Hz; 0-600Hz” Do kiến thức hạn chế, thêm vào thời gian có hạn nên chắn khơng tránh khỏi thiếu sót tập lớn chúng em mong có góp ý, nhắc nhở từ giáo bạn để hồn thiện đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo PGS.TS.Nguyễn Thị Lan Hương giúp đỡ chúng em nhiều q trình tìm hiểu ,thiết kế hồn thành đề tài i MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Giới hạn thiết bị đo 1.2 Các loại thiết bị đo tần số CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Nguyên lý CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH 3.1 Sơ đồ khối toàn mạch 3.1.1 Sơ đồ khối chức 3.1.2 Trình bày ngun lý tồn mạch 3.2 Mạch dao động chuẩn 3.2.1 Mạch dao động chuẩn tần số 3.2.2 Mạch chia tần 3.2.3 Mạch chia tần số vào khống chế thời gian đếm giây 3.3 Mạch giới hạn biên độ tín hiệu đầu vào 12 3.3.1 Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ vào 12 3.3.2 Mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào 14 3.3.3 Mạch chỉnh dạng xung tín hiệu ngõ vào 14 3.4 Mạch đếm giải mã 16 3.4.1 Mạch đếm 16 3.4.2 Mạch giải mã 18 3.5 Mạch hiển thị 20 3.6 Mạch nguồn 22 3.7 Mạch hồn chỉnh nhóm 24 3.8 Sơ đồ mặt máy 26 KẾT LUẬN 27 ii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Giới hạn thiết bị đo Các thiết bị đo lường điện dùng kỹ thuật số đa dạng nhiều chức thời gian hạn chế nên thực điều bản: Nêu loại máy đo tần số, cấu trúc nguyên lý hoạt động vi mạch số Sau thiết kế Với ba mức đo tần số cuả máy 0-200Hz; 0-400Hz; 0-600Hz biên độ tín hiệu cần đo cao đáp ứng 15V thấp l00mV Nguồn điện cung cấp cho máy 220V 1.2 Các loại thiết bị đo tần số a Tần số kim kiểu tỉ số kế điện động Hình 1.1: Tần số kim kiểu tỉ số điện động, cấu đo tỉ số điện động b Tần số kim kiểu tỉ số điện từ Hình 1.2: Kiểu tỉ số điện từ c Tần số kế kiểu rung d Tần số kế thị số Hình 1.3: Sơ đồ mạch chia tần số CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Nguyên lý Nguyên lý tần số kế thị số đếm số xung N tương ứng với số chu kỳ tần số cần đo fx khoảng thời gian gọi thời gian đo Tđo Trong khoảng Tđo ta đếm N xung tỉ lệ với tần số cần đo f x Ở hình 1.3 sơ đồ khối tần số kế thị số Quá trình hoạt động tần số kế thị số sau: nguồn tín hiệu có tần số cần đo đưa đến đầu vào "Bộ khuếch đại" “Bộ khuếch đại” bao gồm khuếch đại dải rộng suy giảm tín hiệu; mục đích để hịa hợp tần số kế với nguồn tín hiệu có tần số cần đo, đồng thời để khuếch đại hay hạn chế điện áp vào đến giá trị đủ để kích thích tạo xung làm việc Tiếp theo tạo xung “Bộ tạo dạng xung” có chức biến tín hiệu hình sin tín hiệu xung có chu kỳ thành dãy xung U2 có biên độ khơng đổi (khơng phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào) có tần số tần số tín hiệu vào (H2.1) Hình 2.1: Giản đồ xung Đồng thời với trình trên, máy phát tần số chuẩn (khối dưới) phát tần số chuẩn ổn định thạch anh có tần số f0 = 1MHz Tín hiệu có tần số fo đưa qua “Bộ chia tần số” theo mức với hệ số 10n, tần số chuẩn f0 = 1MHz chia đến 1Hz Nghĩa đầu mạch điều khiển theo 10n (n = 1, 2, , 8) tương ứng nhận khoảng thời gian Tđo = 1/ f0’ = 1s Trong thời gian Tđo mạch điều khiển “ĐK” cho mở khố K (khố có hai đầu vào) phép dãy xung DX (có tần số tỉ lệ với fx) vào đếm sau cấu thị, số xung đếm thời gian Tđo N Như suy chu kỳ dãy xung là: Suy tần số dãy xung là: Nếu Tđo= 1s (k = 1) số xung N (tức số chu kỳ) tần số cần đo fx nghĩa là: fx = N (Hz) Mạch điều khiển phụ trách việc điều khiển trình đo; bảo đảm thời gian biểu thị kết đo cỡ từ 0,3 ÷ 5s thị số; xoá kết đo đưa trạng thái ban đầu trước lần đo; điều khiển chế độ làm việc: tự động, tay, hay khởi động bên (external trigger); chọn dải đo tần số (cho xung mở khoá K) cho xung điều khiển máy in số Bộ số thường có nhiều digit (hàng đơn vị, hàng chục, hàng trăm ) bảo đảm thị toàn dải tần số cần đo Sai số phép đo yếu tố ảnh hưởng đến sai số: sai số phép đo tần số tần số sai số lượng tử theo thời gian, sai số tăng tần số cần đo giảm Cụ thể sai số tương đối phép đo tần số tính sau: - Thành phần N / N: phụ thuộc vào tỉ số thời gian đo Tđo chu kỳ tín hiệu cần đo Tx = 1/ fx Sai số lượng tử theo thời gian q trình khơng trùng thời điểm bắt đầu thời gian đo Tđo thời điểm bắt đầu chu kỳ Tx Nếu Tđo Tx bội số (tức trùng điểm đầu hai khoảng thời gian) sai số N=0; cịn Tđo Tx bội số sai số lớn trình lượng tử hoá N = ±1 xung thuộc dãy bé đếm - Thành phần thứ hai sai số Tdo / Tdo: xác định độ biến động tần số chuẩn f0 từ máy phát thạch anh cửa sổ Tđo Sai số cỡ 10-7 tính là: Vậy sai số phép đo tần số : Như µf0 = const sai số phép đo tần số tỉ lệ nghịch với độ lớn tần số đo, tức sai số nhỏ ta đo tần số cao, sai số lớn ta đo tần số thấp Ví dụ: với µ f0 = 10-7 đo tần số fx = 10MHz, Tđo = 1s, µf = 2.10-5 % cịn fx=10Hz, Tđo µf = 10% Như vậy, đo tần số cao sai số phép đo chủ yếu độ không ổn định tần số máy phát chuẩn fo Còn đo tần số thấp sai số chủ yếu sai số lượng tử - Giảm sai số đo tần số thấp: muốn giảm sai số đo tần số thấp phải tăng thời gian đo Tđo điều thực Vì tần số kế thị số người ta sử dụng nhân tần số để nhân tần số cần đo lên 10n lần không cần đo tần số mà chuyển phép đo tần số sang đo thời gian chu kỳ Tx tín hiệu cần đo Khi đo chu kỳ Tx ta thực theo sơ đồ hình 1.3 Tín hiệu có tần số cần đo fx qua “khuếch đại ” qua tạo xung “TX” tạo tín hiệu Tx chu kỳ tần số cần đo Tín hiệu Tx qua cổng & đưa vào mở khoá K, thời gian Tx Tđo Trong thời gian Tx khố K mở tín hiệu f0 từ máy phát tần số chuẩn vào đếm cấu thị số, số xung đếm N Quan hệ N Tx là: Suy tần số cần đo là: Hình 2.1: Tần số kế thị số giảm sai số đo tần số thấp: a, Sơ đồ khối b, Giản đồ xung Sai số tương đối phép đo chu kỳ tính là: CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH 3.1 Sơ đồ khối toàn mạch 3.1.1 Sơ đồ khối chức 1HZ Hình 3.1: Sơ đồ khối đo 3.1.2 Trình bày ngun lý tồn mạch - Khối dao động chuẩn 1MHZ: Tạo dao động có tần số ổn định, từ dao động chia xuống để dâo động có tần số xung 1HZ - Khối chia: Để tạo xung điều khiển có tần số 1HZ từ dao động chuẩn - Khối khống chế giây: Tạo đồng cho mạch làm việc - Khối chia tần: Nhằm mở rộng giới hạn tần số cần đo - Khối đếm: mạch đếm xung tín hiệu vào dạng mã BCD - Khối giải mã: Chuyển đổi mã số từ khối đếm sang mã số khối hiển thị tương ứng, cụ thể đếm mã BCD hiển thị LED đoạn cần dùng IC giải mã BCD sang LED đoạn Khi số lượng LED hiển thị nhiều người ta dùng kỹ thuật báo đa hợp để giải mã - Khối chỉnh dạng xung: Mạch đếm làm việc với tín hiệu có dạng xung - Chọn hệ số khuếch đại mạch A1 = 100 A2 = - Điện áp ngõ tầng thứ 1: V01 = A1 x Vin - Điện tầng thứ 2: V02 =A2 x V01 - Khi điện áp vào Vin = 10 mV điện áp ngõ V02 = V với biên độ tín hiệu mạch đếm hoạt động - Đối với tín hiệu có tần số thấp dung kháng Xc1 lớn so với điện trở R1 hệ số khuếch đại giảm Khi tần số tín hiệu tăng dung kháng X c1 giảm làm cho hệ số khuếch đại tăng lên Giới hạn tần số thấp xác định theo công thức: Hệ số mạch khuếch đại không đảo A=1+R3/R1 1+R3/R2 = 100 R3=99R2 R3=99k Chọn R1 = R2 để nhằm mục đích bù ảnh hưởng dịng ngõ vào, tương tự tính cho tầng khuếch sau với hệ số khuếch đại A2 = + R4/R5 = R4 = 2R5 = 2k Thông số kĩ thuật vi mạch 741 điện áp cung cấp 15V Điện áp offset 1mV (max 5mV) Dòng điện offset 20nA (max 200) Dòng điện phân cực 80n (max 500mA) Tổng trở ngõ 75 Có mạch bổ tần số bên trong, khơng cần thêm RC bên ngồi Có khả bảo vệ ngắn mạch, dịng ngõ tới hạn 25 mA 13 Điện áp sai biệt tối đa hai ngõ vào 30 V Có mạch chỉnh điện áp offset ngõ 3.3.2 Mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào Khi biên độ tín hiệu ngõ vào lớn 5Vp-p mạch hoạt động, mạch giới hạn biên độ tín hiệu cao cho phép 15V Tín hiệu ngõ vào vi mạch số có biên độ 5V, dịng ngõ vào 10 mA Khi tín hiệu ngõ vào Vi = 15 V Khi tín hiệu ngõ vào Vi = 10 V R2 = 500  Biên độ tín hiệu ngõ vào ta khơng mở rộng lên giới hạn cao thí nghiệm đo lường điện thường làm việc với mức điện áp thấp từ 15 V trở xuống Ba led phát quang báo có tín hiệu ngõ vào đồng thời giới hạn mức điện áp tín hiệu ngõ vào 5V Diode zener xen thành phần nhiễu có biên độ vượt Vp-p Như mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào có cấp giới hạn 15V- 10V5V-l0mV Chúng ta ước lượng biên độ tín hiệu cần đo tần số để chọn cấp giới hạn cho phù hợp 3.3.3 Mạch chỉnh dạng xung tín hiệu ngõ vào Mạch đếm làm việc với tín hiệu dạng xung có hai mức logic phân biệt rõ ràng nên tín hiệu cần đo tần số có dạng sin tín hiệu xung bị méo dạng cần chỉnh dạng cho thành xung vuông trước đưa vào mạch đếm Ở ta dùng cổng so sánh schmitt trigger CMOS có hai mức ngưỡng giao hốn để chỉnh dạng sóng tín hiệu ngõ vào Trigger schmitt có cấu tạo phổ biến thường tỏ hiệu ứng dụng nay, trigger schmitt cấu thành từ cổng logic với hai mức ngưỡng chuyển mạch 14 Hình 3.7: Mạch chuyển ngưỡng Biên độ vượt mức tín hiệu cần sửa đổi cao độ trễ tín hiệu ngõ vào, song ta ứng dụng thông tin dạng số ngõ để trigger mạch số khác mạch đếm mạch đa hài đơn ổn Đối với cổng đảo, điện vào nhỏ ứng với mức thấp ngõ điện lớn ứng với mức cao Khi điện tăng đến ngưỡng +VT (đối với CMOS khoảng 50% Vdd) gỉao hoán bắt đầu ngõ chuyển xuống mức thấp Nếu điện ngõ vào giảm thấp đường giao hoán điện giảm trùng với đường giao hoán điện tăng Đối với cổng trigger ngưỡng giao hoán điện ngõ vào tăng +VT ngưỡng giao hoán điện ngõ vào giảm -VT khơng trùng khiến đường giao hốn điện vào tăng đường giao hoán điện vào giảm không trùng nhau, sai biệt hai ngưỡng +Vt đến – Vt gọi độ trễ Kết ta có dạng xung vng ngõ mạch nảy trigger, dạng sóng gồm hai xung (xung hướng dương xung hướng âm) dạng xung cuả tín hiệu ngõ vào dạng sóng vào méo dạng có lẫn nhiễu Trong mạch ta chọn cổng trigger schmitt thuộc họ CMOS CD40106 có cổng trigger có đảo, dừng cơng nghệ CMOS cổng silicum để đạt tốc độ cao tương tự TTL-LS cơng suất tiêu thụ thấp Hình 3.8: IC40106 15 Một số đặc điểm cuả IC 40106: Số fan out: 10 tải TTL-LS Khoảng nhiệt độ làm việc rộng: 40 đến 85oC Thời gian trì hỗn thời gian chuyển tiếp cân xứng Thời tăng thời gỉảm tín hiệu vào khơng giới hạn Điện áp nguồn cung cấp từ 3V đến 10V Độ miễn nhiễu mức thấp 37% Vcc, mức cao 51% Vcc, Vcc = 5V 3.4 Mạch đếm giải mã 3.4.1 Mạch đếm Trong mạch chọn IC 4518B để kết nối mạch đếm, IC thuộc họ CMOS bao gồm hai mạch đếm thập phân đồng bên Mỗi mạch đếm có hai ngõ vào xung clock, ngõ tác động cạnh xuống, ngõ tác động cạnh lên, tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà ta chọn ngõ vào xung tác động cạnh lên hay tác động cạnh xuống Bảng trạng thái: CP0 CP1 H L X X L H X X MR L L L L L L H 16 kiểu hoạt động Đếm lên Đếm lên Khổng đổi Khơng đổi Khổng đối Khơng đổi RESET Hình 3.9: IC 4518B Chức IC 4518B: - CP0a ,CP0b : ngõ vào xung clock tác động cạnh lên CP1a, CP1b : ngõ vào xung clock tác động cạnh xuống Mra ,Mrb : đặt lại (Reset) Q0a đến Q3a : ngõ BCD Q0b đến Q3b : ngõ BCD Trong mạch đo tần số dùng LED để hiển thị số lớn cố thể hiển thị 999 Để kết ta phải sử dụng mạch đếm 10 ghép lại với IC 4518 mạch đếm 10 nên dùng 3IC đáp ứng số đếm yêu cầu, sử dụng IC4518 mạch trở nên đơn giản Bộ đếm này, có cơng suất tiêu tán thấp, độ miễn nhiễu cao 45% Vdd Điện áp cung cấp đến 18 VDC Dòng điện tĩnh 5nA mức điện áp cung cấp 5V Dạng mạch nối sau: 17 Hình 3.10: Sơ đồ đếm Chân 7, 15 (Reset ) IC1 IC2 nối chung với nối đến đường tín hiệu reset Khi cho tín hiệu xung clock vào chân cuả IC1, ngõ vào reset mức thấp mạch đếm bình thưởng ngõ Q0a (chân 6) nối đến chân 10 làm xung clock cho mạch đếm thứ hai Ngõ Q3b IC1 nối đến ngõ vào chân (2) IC2 để mạch đếm tiếp, số lớn mà mạch đếm 599 Các thông số IC4518B: Điện cung cấp Điện ngõ vào Dòng chân Nhiệt độ làm việc Loai AL Loai CL/CP Nhiệt độ bảo quản Kí hiệu Vdd Vin I Giá trị 5-18 0.5 - Vdd+0.5 10 Ta 55-125 °c 40 -45°c 60- 150 °c Tstg Đơn vị VDC VDC mA 3.4.2 Mạch giải mã Ngõ IC đếm mã số BCD để hiển thị LED đoạn cần phảỉ mạch giải mã từ số BCD sang LED Trong mạch sử dụng IC 4511B làm mạch giải mã, IC 4511B IC thuộc họ CMOS cố ngõ vào, ba ngõ vào điều khiển ngõ từ O o đến Og nguyên lý hoạt động giải thích dựa bảng trạng thái 18 Sơ đồ chân cấu trúc bên IC 4511B: cấu trúc bên IC gồm có phần LATCHES, DECODER, DRIVER DA đến DD: ngõ vào nhận tín hiệu từ IC đếm 4518B: Hình 3.11: Cấu trúc 4511B EL: cho phép chốt ngõ vào, mức thấp cho phép tín hiệu giải mã LED, mức cao chốt kết vừa hiển thị BI ngõ vào xóa số tác động mức thấp LT: ngõ vào thử đèn Oa đến Og : ngõ sang LED đoạn Decoder: giải mã Driver: mạch đệm Latches: Bộ nhớ trung gian để nhớ kết thời gian ngắn (mạch chốt) 19 Bảng trạng thái IC 4511B: LE X X L L L L L L L L L L L L L L L L H BI X L H H H H H H H H H H H H H H H H H Ngõ vào (input) LT D C L X X H X X H L L H L L H L L H L L H L H H L H H L H H L H H H L H H L H H L H H L H H H H H H H H H H H H H X X B X X L L H H L L H H L L H H L L H H X A X X L H L H L H L H L H L H L H L H X a H L H L H H L H L H H H L L L L L L Ngõ (output) b c d E g H H H H H L L L L L H H H H H H H L L L H L H H L H H L L L H H L L H L H H L H L H H H H H H L L L H H H H H H H L L H L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L Display f H L L L H H H H H L H H L L L L L L Blank Blank Blank Blank Blank Blank Blank (*) 3.5 Mạch hiển thị Thông số loại LED Điện áp cung cấp : V Dòng đỉện tối đa : 20mA Kích cỡ : ( X 5) cm Kích thước đoạn : cm Loại màu trắng phát sáng cho ánh sáng màu đỏ Điện áp dòng diện ngõ IC 4511B khơng đủ kích cho LED sáng cần thêm mạch kéo dòng cho LED Ta dùng linh kiện rời TRANSISTOR để làm mạch thúc, ngõ IC 4511B trạng thái mức cao LED sáng, trạng tháỉ mức thấp LED tắt nên ta sử dụng transistor loại PNP 20 Hình 3.11: Mạch kích sáng LED Hình 3.12: Mạch LED hiển thị Điện áp cấp cho LED 6V dòng điện qua tối đa 15mA Khi chân B mức cao transistor ngưng dẫn dịng điện chạy qua Rc R1 qua LED làm cho đèn phát sáng, lúc điện áp rơi LED 0.7V Điện trở Rc = (Vcc – Vc)/ILED 21 Rc = (12 – 6)/15mA = 400 R1 = (6-0.7)/15mA = 330 Để transistor làm việc vùng bõa hồ điện trỏ RB = 10 Rc RB = K Khỉ chân B mức thấp transistor dẫn dịng điện để từ nguồn Vcc = 12V qua mối nối CE xuống mass lúc VCE = 0.2V làm cho LED tắt 3.6 Mạch nguồn Trong phần mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào phần hiển thị sử dụng nguồn cung cấp 12V, nguồn cung cấp cho loại IC đếm mạch 5V Như mạch nguồn cho cấp điện ấp +12 V, -12V, + 5V Để đơn giản cho việc chọn lựa nguồn linh kiện ổn áp cho mạch ta trọng đến phần tử tiêu hao dòng đáng kể mạch Các cổng CMOS loại có dòng tiêu thụ lớn Id = 50 mA mức điện nguồn cung cấp 5V Dòng điện tổng qua CMOS : X 50mA = 300 mA IC đếm bao gồm: IC 4518B X 3, 4017B X 3, IC 4040B dòng điện tiêu thụ IC 10 mA Dòng điện tổng là: (7 X 10)mA = 80mA Tổng dòng điện qua LED : (3 X X 15) mA = 315 mA Tổng dịng điện tồn mạch là: (300 + 315 + 70 ) = 685 mA Tổng dòng điện nguồn cung cấp + V là: (300 + 70) = 370 mA Chọn IC 7805 để tạo nguồn ổn áp + V, cấc thơng số IC 7805: Dịng điện ngõ : I0 = 1A Điện áp ngõ vào: Vin = ÷ 35 V Điện áp ngõ ra: Vo = 4.8 ÷ 5.2 V Chọn IC LM 317 LM 337 để tạo nguồn ổn áp + 12V , -12 V Thông số kỹ thuật IC LM317: Dòng điện định mức: lo = 1.5 A Điện áp ngõ Vo = Vin - 1.2 Điện áp ngõ vào : Vin= 1.2 ÷ 37V 22 ... cơng tắc vị trí (1) hình cho phép hiển thị kết từ 0-200Hz, chuyển sang vị trí (2) hình cho phép hiển thị kết từ 0-400Hz, chuyển sang vị trí (3) hình cho phép hiển thị kết từ 0-600Hz b Mạch khống... trúc nguyên lý hoạt động vi mạch số Sau thiết kế Với ba mức đo tần số cuả máy 0-200Hz; 0-400Hz; 0-600Hz biên độ tín hiệu cần đo cao đáp ứng 15V thấp l00mV Nguồn điện cung cấp cho máy 220V 1.2... em thực đề tài tập lớn môn Thiết kế thiết bị đo: “Thiết kế tần số kế thang đo 0-200Hz; 0-400Hz; 0-600Hz? ?? Do kiến thức hạn chế, thêm vào thời gian có hạn nên chắn khơng tránh khỏi thiếu sót tập