Báo cáo đồ án mạch xung: Thiết kế mạch dao động tạo tần số 1hz

Đây là bài báo cáo về thiết kế mạch tạo chuỗi xung 1Hz chuẩn từ mạch dao động đa hài phi ổn dùng thạch anh kết hợp cổng logic. Mạch gồm hai khối: khối mạch dao động đa hài phi ổn mắc theo kiểu song song và khối mạch chia tần số dùng IC 4060 và IC 4013.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ Khoa Công Nghệ BÁO CÁO ĐỒ ÁN MẠCH XUNG Nhóm (GVHD: Phạm Duy Nghiệp) Đề tài: Mạch tạo chuỗi xung tần số 1Hz chuẩn từ mạch dao động ĐH phi ổn dùng thạch anh kết hợp cổng logic Tóm tắt: Đây báo cáo thiết kế mạch tạo chuỗi xung 1Hz chuẩn từ mạch dao động đa hài phi ổn dùng thạch anh kết hợp cổng logic Mạch gồm hai khối: khối mạch dao động đa hài phi ổn mắc theo kiểu song song khối mạch chia tần số dùng IC 4060 IC 4013 Sinh Viên Thực hiện: Nguyễn Hùng Vĩ Đặng Huỳnh Đức Trần Bá Huy B1408504 B1408567 B1411677 Thuyết trình Demo mạch thực tế Trả lời chất vấn I.GIỚI THIỆU: Với mục đích khảo sát lại lí thuyết mạch dao động tạo tần số thực hành ráp mạch điện tử Qua giúp củng cố kiến thức lý thuyết nâng cao kỹ thực hành Mục tiêu thiết kế đề tài mạch dao động xung vuông tần số 1Hz II.PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN: Tổng quát mạch dao động sử dụng tính chất cộng hưởng song song thạch anh: Tinh thể thạch anh dùng mạch dao động lát mỏng cắt từ tinh thể Tùy theo mặt cắt mà lát thạch anh có đặc tính khác Lát thạch anh có diện tích từ nhỏ 1cm2 đến vài cm2 mài mỏng, phẳng (vài mm) mặt thật song song với Hai mặt mạ kim loại nối chân để dễ sử dụng Mạch tương đương thạch anh dùng phân giải: Tinh thể thạch anh cộng hưởng hai chế độ khác nhau: Loại mạch dao động gợi ý tài liệu Pierce oscillator, dạng mạch dao động phổ biến thạch anh sử dụng rộng rãi kỹ thuật vi điều khiển Mạch đơn giản, sử dụng linh kiện, việc thiết kế tốt cho đáp ứng có độ ổn định cao Mạch nguyên lý đơn giản gồm tụ, cổng đảo, điện trở Mạch nguyên lý bổ sung hiệu chỉnh: a) Rf: Rf điện trở phân cực / hồi tiếp cho IC đảo hoạt động vùng tuyến tính nó, đồng thời giá trị Rf phải phù hợp với tần số, Rf lớn tần số nhỏ ngược lại Để chọn giá trị Rf ta thực bước sau: • Kiểm tra datasheet để biết bên IC có điện trở hồi tiếp chưa, cấp nguồn cho IC đo chân in-out, V = Vcc/2 có điện trở tích hợp sẵn bên trong, cịn giá trị chưa có trở hồi tiếp Điều giúp ta định giá trị thực chọn Rf • Thử biến trở, sau vẽ lại đặc tuyến điện trở - tần số Rf so với f Dựa vào định chọn giá trị tối ưu cho Rf Tần số ≤ 32.768Khz 32.768Khz 1Mhz 1Mhz - 10Mhz 10Mhz - 20Mhz Khoảng giá trị Rf 10 – 15MΩ - - 10MΩ – 5MΩ 470KΩ - 1MΩ Bảng giá trị điện trở hồi tiếp thường dùng cho họ CMOS Từ với yêu cầu thiết kế mạch đa hài phi ổn f = 32.768Khz, ta chọn Rf = 10MΩ để phân cực khuếch đại Vcc/2 để đạt độ khuếch đại tốt b) IC 4060: IC 4060 đếm/bộ chia (Counter/Divider) nhị phân không đồng với 14 tầng Flip-Flop Mạch dao động gồm chân nối là: RS, RTC, CTC; tất ngõ (10 ngõ từ O3~O9, O11~O13) đệm sẵn từ bên trước đưa Quan trọng hết chân Master Reset (MR) dùng để cấm mạch dao động làm việc reset mạch đếm Khi chân MR mức logic cao, reset mạch đếm làm tất ngõ đếm mức logic thấp, việc reset hoàn toàn độc lập với ngõ vào khác (bất chấp trạng thái logic ngõ vào lại) Cấu trúc phần tử mạch dao động 4060 cho phép thiết kế mạch dao động làm việc với tụ - điện trở (mạch dao động R-C) làm việc với thạch anh Ngoài ra, ta thay mạch dao động bên tín hiệu xung đồng hồ từ bên đưa vào chân RS, dùng xung Ck từ bên ngồi đếm hoạt động có cạnh xuống xung tác động Ta thu tần số sau: 2048Hz chân Q4 IC 4060 (mạch chia 16) 1024Hz chân Q5 IC 4060 (mạch chia 32) 512Hz chân Q6 IC 4060 (mạch chia 64) 256Hz chân Q7 IC 4060 (mạch chia 128) 128Hz chân Q8 IC 4060 (mạch chia 256) 64Hz chân Q9 IC 4060 (mạch chia 512) 32Hz chân Q10 IC 4060 (mạch chia 1024) 16Hz chân Q11 IC 4060 (mạch chia 211) 8Hz chân Q12 IC 4060 (mạch chia 212) 4Hz chân Q13 IC 4060 (mạch chia 213) 2Hz chân Q14 IC 4060 (mạch chia 214) Để có tần số 1Hz (chu kỳ 1s), ta dùng thêm D Flip Flop (IC 4013) để chia tần số thạch anh thêm lần c) IC 4013: IC4013 loại D flip-lop với bên flip-lop loại D với hai trạng thái ổn định Sử dụng đầu vào kích để thay đổi trạng thái d) C1, C2 thạch anh X1: Về ý tưởng tổng quát, thạch anh X1 tụ C1, C2 Rs tạo mạng lưới dịch pha thêm -1800, nhằm thỏa điều kiện dao động Thường tụ C1, C2 chọn nhau, số điều kiện đặc biệt tăng tụ C2 để thay đổi cầu phân áp điện dung thay đổi điện áp ngõ ra, thay đổi độ lợi điều chỉnh tần số xê dịch quanh giá trị trung tâm Đặc biệt mắc thêm IC đệm sửa dạng tín hiệu phải điều chỉnh lại C1 để đáp ứng tần số xác Thạch anh mạch hoạt động vùng điện cảm tương đương với cuộn cảm L, Thạch anh tạo dao động vùng điện cảm gọi thạch anh song song III – THIẾT KẾ CHI TIẾT: Đầu tiên, tra bảng ta thấy Rf nên nằm khoảng 5M-10MΩ, chọn Rf = 10MΩ Tụ C1, C2 chọn cho trùng với tải điện dung thạch anh, trường hợp thạch anh sử dụng thuộc dịng HC-49/S có tải điện dung CL = 20pF Vậy ta cần tính tốn cho điện dung tương đương C1, C2 20pF Nhưng thực tế cần phải xét đến vấn đề nảy sinh khác như: • Tụ ngõ vào, ngõ IC đảo thường có giá trị C in = – 7pF, Cout = – 12pF • Tụ ký sinh mạch ước lượng Cs = – 3pF Chọn Cin = 5.5pF, Cout = 9.5pF C1 = C2 = C Vẽ lại sơ đồ mạch điện phân giải ta có cơng thức tính điện dung tương đương CP: CP = + CS Cp = + 2.5 Để đạt điều kiện dao động Cp = CL hay: 20 = + 2.5 C – 20C – 210.25 = Giải phương trình trên, chọn nghiệm dương ta C > 27pF, chọn C = C2 = C = 220pF IV – MẠCH THỰC TẾ: Tín hiệu ngõ đáp ứng tần số tốt dạng sóng chưa vng, điện áp đỉnh đối đỉnh Vpp cịn lớn Ta có giải pháp điều chỉnh tín hiệu: • Vì tần số dao động cao trị số tụ nhỏ nên nhạy cảm với tụ ký sinh, nối mass mạch cố gắng đảm bảo cho đường mass đến chân tụ IC ngắn Mạch hồn chỉnh dạng tín hiệu ngõ ra: V NHẬN XÉT VÀ RÚT KINH NGHIỆM: - Hạn chế: Khi làm mạch thực tế tần số 1Hz bị nhi ễu, tạo tín hiệu không vuông vắng - Ưu điểm: Mạch tạo xung có tần số chuẩn Hz đề yêu cầu - Kinh nghiệm: + Hiểu thêm mạch đa hài phi ổn + Tích luỹ kinh nghiệm làm mạch điện tử đơn giản Tài liệu tham khảo: • Giáo trình mạch tương tự • Giáo trình kỹ thuật xung • datasheet trong: datasheet-pdf.com IC4060 :http://www.datasheet-pdf.com/PDF/CD4060BCN-DatasheetFairchildSemiconductor-109206 IC4013 :http://www.datasheet-pdf.com/PDF/4013-Datasheet-Fairchild500197 MỤC LỤC trang T ÓM TẮT I.GIỚI THIỆU: II.PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN: II.1– Tổng quát mạch dao động sử dụng tính chất cộng hưởng song song thạch anh II.2 – Mạch nguyên lý bổ sung hiệu chỉnh III – THIẾT KẾ CHI TIẾT: .5 IV – MẠCH THỰC TẾ: V NHẬN XÉT VÀ RÚT KINH NGHIỆM ... lại lí thuyết mạch dao động tạo tần số thực hành ráp mạch điện tử Qua giúp củng cố kiến thức lý thuyết nâng cao kỹ thực hành Mục tiêu thiết kế đề tài mạch dao động xung vuông tần số 1Hz II.PHƯƠNG... phần tử mạch dao động 4060 cho phép thiết kế mạch dao động làm việc với tụ - điện trở (mạch dao động R-C) làm việc với thạch anh Ngoài ra, ta thay mạch dao động bên tín hiệu xung đồng hồ từ bên... NGHIỆM: - Hạn chế: Khi làm mạch thực tế tần số 1Hz bị nhi ễu, tạo tín hiệu khơng vng vắng - Ưu điểm: Mạch tạo xung có tần số chuẩn Hz đề yêu cầu - Kinh nghiệm: + Hiểu thêm mạch đa hài phi ổn + Tích