Thiết kế mạch điện tạo xung vuông và xung tam giác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ -o0o - ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM MẠCH TẠO XUNG VUÔNG VÀ TAM GIÁC GVHD: abc TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 03 NĂM 2019 Lời nói đầu GVHD: ABC LỜI NĨI ĐẦU Mạch tạo xung mạch điện tử quan trọng kĩ thuật điện tử nhu sản xuất công nghiệp, mạch điên thiếu sản xuất máy thu hình, đài FM Mạch tạo xung mạch điện thuờng đuợc giao cho sinh viên thiết kế, môn thực hành nhu đồ án truờng đại học, Cao đẳng giúp sinh viên đuợc buớc thiết kế mạch điện tử thực tê qua lãm cho sinh viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động mạch điện tử nói chung mạch tạo xung nói riêng Sau báo cáo môn học thiết kế mạch tuơng tự nhóm sinh viên chúng em: Thiết kế mạch điện tạo xung vuông xung tam giác Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy khoa Điện tử - Viễn thông, VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI tận tình giúp đỡ chúng em hồn thành mơn học Trong trình thiết kế trình bầy chúng em khơng tránh khỏi khó khăn, sai sót mong thầy bảo, giúp đỡ chúng em để chúng em có kết tốt mơn học Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 Sinh viên Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày … Đồ án mơn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC MỤC LỤC Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH DAO ĐỘNG TẠO XUNG VUÔNG VÀ XUNG TAM GIÁC SỬ DỤNG IC 555 1.1 Mạch dao động Mạch dao động mạch sử dụng linh kiện để phát tín hiệu xung dao động cụ thể để điều khiển thiết bị Có nhiều dạng tín hiệu xung đuợc phát từ mạch dao động, nhu xung sine, xung vuông, xung tam giác 1.2 Mạch tạo xung vuông xung tam giác Có nhiều cách để tạo xung vng xung tam giác: nhu thiết kế mạch dùng transistor, thiết kế mạch dùng Opamp để tạo xung vuông Thiết kế mạch tích phân để tạo xung tam giác Ở chọn thiết kế mạch dao động tạo xung vuông xung tam giác dùng ICNE555 Theo sơ đồ khối sau đây: Hình 1–1 Sơ đồ khối mạch tạo xung vuông Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Dựa vào sơ khối ta có thê nhận để tạo đuợc xung vuông ta cần IC 555 số linh kiện phổ biến R, C Chú ý: ta tạo đồng thời xung tam giác lấy chân số 1.3 Lý chọn mạch tạo xung vuông sử dụng IC NE555 N IC NE555 N phổ biến, dễ tìm Mạch tạo xung dùng IC dễ làm, dễ giải thích, dễ hiểu nguyên lý làm việc 1.4 Nguyên lý hoạt động IC NE555 N Hình 1–2 IC NE555 N IC NE555 N gồm có chân   Chân số l (GND): cho nối masse để lấy dòng cấp cho IC Chân số 2(TRIGGER): Đây chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp Mạch so áp dùng  transistor PNP Mức áp chuẩn Chân số 3(OUTPUT): ngõ ra, trạng thái ngõ xác định theo mức volt cao  (gần mức áp chân 8) thấp (gần mức áp chân 1) Chân số (RESET): dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp, chân nối vào mức áp cao trạng thái ngõ  tùy theo mức áp chân Chân số (CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở nối masse Tuy nhiên hầu hết mạch ứng dụng chân số nối masse qua tụ từ 0.01  µF  0.1 µF, tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu, giữ cho mức áp chuẩn ổn định Chân số (THRESHOLD): ngõ vào tầng so áp khác, mạch so sánh dùng transistor NPN mức chuẩn Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC  Chân số (DISCHAGER): xem khóa điện cho mạch R-C lúc  IC 555 dùng tầng dao động Chân số (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC Nguồn nuôi cấp cho IC 555 khoảng +5V  +15V mức tối đa +18 V Cấu tạo bên nguyên tắc hoạt động IC 555: a Cấu tạo: Hình 1–3 Sơ đồ khối IC 555 Về chất IC 555 mạch kết hợp Op-amp, điện trở, transistor, Flip flop A (ở dùng FFRS)    Op-amp có tác dụng so sánh điện áp Transistor để xả điện Bên gồm điện trở mắc nối tiếp chia điện áp V cc thành phần, cấu tạo tạo nên điện áp chuẩn Điện áp nối vào chân âm Op-amp điện áp nối vào chân âm Op-amp Khi điện áp chân nhỏ , chân S = [1] Flip-flop đuợc kích Khi điện áp chân lớn 2/3 Vcc, chân R Flip flop = [1] Flip flop đuợc reset Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Bảng chức chân IC 555 Bảng đặc tính khuyên dùng IC 555 b Giải thích hoạt động: Hình 1–4 Hoạt động IC 555 Ký hiệu mức thấp (L) 0V, mức cao (H) gần V cc Mạch FF loại RS Flip flop Khi S = [1] Q = [1] = [0] Sau đó, S = [0] Q = [1] = [0] Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm Khi R = [1] Q = [1] GVHD: ABC = [0] Tóm lại: S = [1] Q = [1] R =[1] Q = [0], transistor mở dẫn, cực C nối đất, điện áp không nạp vào tụ C, điện áp chân không vuợt V 2, lối Op-amp mức 0, Flip flop khơng reset Khi đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời (Ra + Rb)C  - Tụ c nạp từ điện áp V  : Lúc V+1 (V+ Op-amp 1) > V-1 Do O1 ( ngõ Op-amp 1) có mức logic (H) V+2 < V-2 ( V-2=) O2 = (L) R = 0, S =  Q = 1, = Q =1  ngõ =1 =  transistor hồi tiếp không dẫn  Tụ C tiếp tục nạp từ điện áp  : Lúc này, V+1 < V-l Do O1 = V+2 < V-2 Do O2 = R = 0, S =  Q, giữ trạng thái truớc (Q = l, =0) Transistor không dẫn  Tụ C nạp qua ngưỡng : Lúc này, V+l < V-l Do O1 = V+2 > V-2 O2 = Q =  ngõ đảo trạng thái = =  transistor dẫn điện áp chân xuống 0V Tụ C xả qua Rb Với thời Rb.C Điện áp tụ C giảm xuống tụ xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống duới Tụ C tiếp tục xả từ điện áp  : Lúc này, V+l < V-l Do O1 = V+2 < V-2 Do O2 = R = 0, S =  Q, giữ trạng thái truớc (Q = 0, = 1) Transistor dẫn  Tụ C xả qua nguỡng : Lúc V+l > V-1 Do O1 = V+2 < V-2 (V-2 = ) Do O2 = 0, R = 0, S =  Q=1 , = Q =  ngõ = =  transistor không dẫn  chân không = V tụ C lại nạp  - điện với điện áp ban đầu Quá trình lại lặp lại Nhận xét: Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC - Trong trình hoạt động bình thường IC 555, điện áp tụ C dao - động quanh điện áp  Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu , kết thúc nạp thời điểm - điện áp C , với thời (Ra+Rb)C Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu , kết thúc xả thời điểm điện - áp C , với thời Rb.C Thời gian mức ngõ thời gian nạp điện, mức xả điện Đồ thị điện áp dòng điện ngõ Cơ sở lý thuyết phương pháp tính giá trị mạch: - Để tính chu kì dao động T mạch dao động tạo xung ta cần phải tính - thời gian ngưng dẫn tụ nạp xả Ta có sơ đồ mạch đơn giản để tính thời gian ngưng dẫn tụ nạp xả Hình 1–5 Mạch tương đương đơn giản Từ mạch tương đương suy ra: Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Xác định t để vB = 0.7V: Thường Vcc >> 0.7, nên: t ≈ = 0,693 ≈ 0,7  Tính thời gian ngưng dẫn T 2, thời gian T1 bắt đầu dẫn đến T1 ngưng dẫn Tương tự, thời gian ngưng dẫn T2 là: t ≈ = 0,693 ≈ 0,7 Vậy chu kỳ dao động mạch tính: Giả sử RB1 = RB2 = R; C1 = C2 = C chu kỳ dao động mạch trở thành: Và tần số dao động: Thông thường mạch dao động ta có cơng thức tính thời gian ngưng dẫn transistor là: Thời gian ngưng dẫn mức áp cao lúc tụ C2 nạp dòng qua R1 + R2: Thời gian ngưng dẫn mức áp thấp lúc tụ C2 xả dòng qua R2: Như chu kỳ tín hiệu là: T = Tn +Tx THIẾT KẾ MẠCH THỰC TẾ Trong tốn u cầu tạo xung có tần số biến đổi từ 500 Hz đến l kHz, ta có phương án thực hiện: Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC + Điều chỉnh tần số cách thay đổi điện trở R1, R2 + Điều chỉnh tần số cách thay đổi tụ điện C2 + Điều chỉnh tần số cách thay đổi đồng thời tụ điện điện trở  Để đơn giản, điều chỉnh tần số cách thay đổi điện trở R 1, R2 (dùng biến trở) Sơ đồ thiết kế mạch: Ta dùng thêm diode D để điều chỉnh xung vng chân OUT(3) đối xứng, diode có tác dụng lúc tụ nạp dòng chi qua R nhờ diode D1 Khi đó, thời gian nạp Tn = tl = ln2 R1C2 Và tụ xả vậy, nhờ có D1 mà dòng xả chi qua R2 phân cực nghịch diode thời gian xả T x = t2 = ln2 R2C2 Để thu Duty cycle =50% ta cần điều chỉnh biến trở R1 = R2 thu Tn = Tx Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Hình Quá trình nạp xả cho tụ C2 Lúc này, theo sơ đồ thiết kế, thơng số mạch tính là: Thời gian nạp xả tụ: Tn = ln2 R1C2 Tx = ln2 R2C2 Tần số mạch dao động: = Độ rộng xung (Duty cycle): D= Muốn thay đối tần số (giữ nguyên độ rộng xung R R2 phải thay đổi lúc (cùng tăng giảm giá trị nhau) Muốn thay đổi độ rộng xung (giữ nguyên tần số) R R2 phải thay đối lúc có chiều ngược lại (khi tăng R1 phải giảm R2 giá trị nhau) Muốn xung đối xứng tương ứng với độ rộng xung 50% ta điều chỉnh R1 = R2 Như mạch thiết kế sau: Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Hình 2–6 Mạch tạo dao động xung vuông dung IC 555  THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM  Sử dụng phần mềm proteus để mô ho ạt động s đồ layout PCB Ta tiến hành mô mạch tạo xung với yêu cầu đặt sau để kiểm tra hoạt động mạch: Ngõ vào : Nguồn DC 15V Ngõ : - Xung vuông chân số xung tam giác chân số IC 555 - Tần số độ rộng thay đổi nhờ vào thay đổi điện trở ( ta khảo sát - với độ rộng xung 50% tần số 500 Hz 1kHz Led báo điện áp ngõ Mô hoạt động Sơ đồ khối chi tiết thiết kế: 10 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Khoảng điều chỉnh điện trở : Chọn C2 = 10 nF thay vào công thức Với f theo yêu cầu toán thay đổi từ 500 - 1KHz Ta 284 kΩ < (R1 +R2) < 142 kΩ Khoảng điều chỉnh với tổng điện trở cho ta thu 500Hz < f