Thiết kế bộ đo tần số đa năng

LỜI NÓI ĐẦU Thế kỷ XXI kỷ bùng nổ công nghệ thông tin phát triển vượt bậc ngành khoa học kỹ thuật Kỹ thuật điện tử ngành kỹ thuật Sự phát triển ngành điện tử gắn liền với phát triển kỹ thuật vi điều khiển Ngày nay, kỹ thuật vi điều khiển ứng dụng rộng rãi lĩnh vực kỹ thuật đời sống xã hội, đặc biệt kỹ thuật tự động hóa điều khiển từ xa Sau thời gian năm học tập trường sau thời gian thực tập tốt nghiệp em giao đề tài: “Thiết kế đo tần số đa ” Nội dung đồ án tốt nghiệp chia làm chương sau: Chương 1: Tổng quan đo lường tần số Chương 2: Tổng quan vi điều khiển LCD Chương 3: Thiết kế đo lường tần số Chương 4: giới thiệu mạch tạo xung đa Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em bảo tận tình thầy giáo hướng dẫn Th.S Nguyễn Đồn Phong giúp đỡ thầy cô khoa bạn mà đồ án em hoàn thành Mặc dù có nhiều cố gắng hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên đồ án em cịn khơng thiếu sót nhiều phần cịn chưa tìm hiểu sâu Em mong bảo tồn thể thầy bạn bè để đồ án em hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Th.S Nguyễn Đoàn Phong thầy khoa tồn thể bạn giúp đỡ em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2013 Sinh viên thực Dương Văn Duy CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐO LƢỜNG TẦN SỐ 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƢỜNG TẦN SỐ - Tần số số chu kỳ dao động đơn vị thời gian - Tần số góc: ω(t) biểu thị tốc độ biến đổi pha dao động ω(t),f(t) tần số góc tức thời tần số tức thời ω(t) = 2πf(t) - Quan hệ tần số bước sóng: hay - Quan hệ gữa chu kỳ tần số:  Đặc điểm phép đo tần số: - Là phép đo có độ xác cao kỹ thuật đo lường nhờ phát triển vượt bậc việc chế tạo mẫu tần số có độ xác ổn định cao - Dải tần số đo rộng (đến 3.1011 Hz)  Các phương pháp đo tần số: - Nhóm phương pháp đo tần số mạch điện có tham số phụ thuộc số - Nhóm phương pháp so sánh - Nhóm phương pháp số 1.2 ĐO TẦN SỐ BẰNG CÁC MẠCH ĐIỆN CÓ THAM SỐ PHỤ THUỘC TẦN SỐ 1.2.1 Phƣơng pháp cầu Hình 1.1: Cầu đo tần số - Dùng cầu đo mà điều kiện cân cầu phụ thuộc tần số nguồn điện cung cấp cho cầu - Mạch cầu tổng quát: Z1.Z3 = Z2.Z4 = UAB = - Bộ thị cân vôn mét chỉnh lưu, vơn mét điện tử - Nhược điểm: Khó đo tần số thấp khó chế tạo cuộn cảm có L lớn tần số thấp Khó thực thị có tác động điện từ trường lên cuộn cảm 1.2.2 Phƣơng pháp cộng hƣởng Hình 1.2: Sơ đồ khối phương pháp đo cộng hưởng - Dùng để đo tần số cao siêu cao - Nguyên tắc chung: dựa vào nguyên lý chọn lọc tần số mạch cộng hưởng Khối tần số mạch cộng hưởng Mạch kích thích dao động lấy từ nguồn có tần số cần đo thơng qua khối ghép tín hiệu Việc điều chỉnh để thiết lập trạng thái cộng hưởng nhờ dùng khối điều chuẩn Hiện tượng cộng hưởng phát khối thị cộng hưởng khối thường vonmet tách sóng Tùy theo dải tần số mà cấu tạo mạch cộng hướng khác Trong thiết bị đo tần số phương pháp cộng hưởng, thực tế để dùng tần đoạn khác nhau, mạch cộng hưởng có loại:  Mạch cộng hưởng có điện dung điện cảm linh kiện có thơng số tập trung  Mạch cộng hưởng có pha trộn linh kiện có thơng số tập trung điện dung linh kiện có thơng số phân bố điện cảm  Mạch cộng hưởng có điện dung điện cảm linh kiện có thơng số phân bố a) Tần số mét cộng hưởng có tham số tập trung Hình 1.3: Tần số mét cộng hưởng có tham số tập trung - C L linh kiện có thơng số tập trung Bộ phận điều chỉnh cộng hưởng tụ biến đổi C có thang khắc độ theo đơn vị tần số - Ufx ghép vào mạch cộng hưởng thông qua cuộn ghép Lg - Mạch thị cộng hưởng mạch ghép hỗ cảm cuộn dây L2 L tách sóng điốt thị cấu đo từ điện - Khi đo ta đưa Ufx vào điều chỉnh tụ C để mạch cộng hưởng cấu đo chị cực đại - Tần số mét loại thường dùng dải sóng: 10 kHz ÷ 500 kHz - Sai số: ( 0,25 ÷ 3) % b) Tần số mét cộng hưởng có tham số phân bố dùng cáp đồng trục Hình 1.4: Tần số mét cộng hưởng có tham số phân bố dùng cáp đồng trục - mạch cộng hưởng đoạn cáp đồng trục có nối tắt đầu, đầu nối pít tơng P dịch chuyển dọc trục hệ thống cưa xoắn ốc có khắc độ - Vịng ghép Vg đưa tín hiệu vào, cịn vịng ghép Vđ ghép tín hiệu mạch thị cộng hưởng - Các chỗ ghép gần vị trí nối tắt cố định cho vị trí gần với vị trí bụng sóng để có chiều dài tương đương Itđ = λ/2 thiết bị thị cực đại c) Tần số mét cộng hưởng có pha trộn linh kiện có tơng số tập trung phân bố Mạch cộng hưởng gồm có tụ xoay kiểu hình bướm Bộ phận tĩnh điện tụ nối với vòng kim loại V, vịng đóng vai trị điện cảm phân bố mạch Hình 1.5: Tần số mét cộng hưởng pha trộn Khi phần tĩnh điện T phần động Đ tụ điện hồn tồn lồng vào nhau, tụ điện có trị số điện dung cực đại Khi chúng hồn tồn đưa khỏi tụ điện có trị số điện dung cực tiểu Khi đó, biến đổi trị số điện dung mà đồng thời biến đổi trị số điện 1.3 ĐO TẦN SỐ BẰNG PHƢƠNG PHÁP SO SÁNH( Phƣơng pháp quét sin) Hình 1.6: Phương pháp quét sin - Máy sóng đặt chế độ khuếch đại - Điện áp có tần số cần đo Ufx đưa vào kênh Y, điện áp có tần số mẫu Ufm đưa vào kênh X - Hình ảnh nhận hình Lixazu Thay đổi fm cho hình nhận hình Lixazu ổn định 1.4 ĐO TẦN SỐ BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỐ - Là phương pháp đại thông dụng để đo tần số - Ưu điểm: Độ xác cao Độ nhạy lớn Tốc độ đo lớn, tự động hóa hồn tồn q trình đo Kết đo hiển thị dạng số Hình 1.7: Sơ đồ khối tần số kế thị số Nguyên lý chung tần số kế thị số đếm số xung N tương ứng với chu kỳ tần số cần đo fX khoảng thời gian gọi thời gian đo: Tđo - Khối vào: khuếch đại dải rộng có tần số từ 10 Hz ÷ 3,5MHz, dùng để hoạt động hay hạn chế điện áp vào đến giá trị định để kích thích cho tạo xung hoạt động (bộ TX) - Bộ tạo xung TX: có nhiệm vụ biến tín hiệu hình sin tín hiệu xung chu kỳ thành dãy xung có biên độ khơng đổi, có tần số xung tần số tín hiệu vào - Máy phát tần số chuẩn f0: tạo dao động thạch anh có tần số f0=1MHz Tín hiệu có tần số f0 qua chia tần theo nấc với hệ số chia 10n tần số chuẩn chia đến 0,01 Hz, thời gian để đưa đến điều khiển ĐK gồm thời gian sau: 10-6, 10-5, 10-4, 10-3, 10-2, 10-1, 1, 10, 100 s, … - Tđo điều khiển để mở khóa K (cửa điều khiển) Khi khóa K mở tín hiệu có tần số cần đo qua khóa K đến đếm cấu thị số số xung N N = Tđo/TX = fX.Tđo Nếu Tđo 1s số xung mà đếm đếm tần số cần đo: N=fx Mạch điều khiển phụ trách điều khiển trình đo để đảm bảo thời gian hiển thị kết đo từ 0,3 ÷ 5s thị số xóa kết đo trạng thái ban đầu trước lần đo 10 - Thông tin nhiệt: Độ bền nhiệt θJA (0C/W) θJC (0C/W) CERDIP 75 20 PDIP 115 N/A Nhiệt độ tối đa chỗ nối (bó sứ) 1750C Nhiệt độ tối đa chỗ nối (bó nhựa) 1500C Nhiệt độ lưu trữ tối đa -650C đến 1500C Nhiệt độ tối đa chỗ hàn (hàn 10s) 3000C - Điều kiện vận hành Phạm vi nhiệt độ: IC L8038 AM, 8038BM, 8038CM, … -55 đến 1250C IC L8038AC, 8038BC, 8038CC, … 0.0 đến 700C - Thông số kỹ thuật điện: V cung cấp = ±10V ±20V, TA = 250C, R.L = 10KΩ, trừ trường hợp kiểm tra mạch quy định Thông số phạm vi hoạt động cung cấp điện áp ký hiệu V cung cấp V+, V- điều kiện kiểm tra nguồn cung cấp đơn 36 IC L8038 CC Min typ max 10 - 30 đơn vị V dòng điện cung cấp I cung cấp nguồn cung cấp kép V cung cấp ±10V ±5 - ±15 V 12 20 mA đặc điểm tần số ( tất dạng sóng ) dao động tần f Max số Max quét tần số FM tần số đầu vào quét 100 - - kHz 10 - - kHz phạm vi quét FM - FM tuyến tính trơi tần số ∆f/∆T tỷ lệ 10:1 đến 70⁰C - 35:1 - 0,5 - % - 250 - ppm/⁰C - 0,05 - %/V - - μA - 0,2 0,5 V - 180 - ns - 40 - ns nhiệt độ trôi tần số với điện áp cung cấp ∆f/∆T phạm vi điện áp cung cấp đặc điểm cơng suất sóng vng, dòng điện dò điện áp bão hòa thời gian tăng tR thời gian giảm tF dòng lõm =2 mA R L=47 37 Hình 4.3: Kiểm tra mạch Hình 4.4: Sơ đồ chi tiết 8038 38 Một tụ điện C nạp xả, dòng nguồn #2 điều khiển bật tắt flip – flop, dòng nguồn #1 liên tục Giả sử flip – flop trạng thái mà dòng nguồn #2 tụ điện nạp với dòng điện I, điện áp tụ điện tăng tuyến tính với thời gian Khi điện áp đạt đến mức độ so sánh với nguồn #1 (đặt 2/3 điện áp cung cấp), fip – flop kích hoạt, thay đổi trạng thái cắt dòng nguồn #2 Nguồn dòng thường mang dịng 2I, tụ điện có dồng điện điện áp giảm tuyến tính với thời gian Khi đạt đến mức độ #2 (đặt 1/3 điện áp cung cấp), fip – flop kích hoạt vào trạng thái ban đầu chu kỳ bắt đầu thêm lần Như sóng tam giác tạo tụ điện flip – flop điều chế sóng vng Cả dạng sóng đưa trực tiếp hai chân chân Tuy nhiên mức nguồn dòng thay đổi điều chỉnh điện trở bên ngồi phạm vi rộng Vì vậy, với hai dịng đặt gí trị khác từ I 2I, bất đối xứng cưa xuất vị trí chân số Sóng sin tạo cách cho sóng tam giác thành lưới phi tuyến (sin chuyển đổi) Mạng lưới cung cấp giảm trở kháng shunt điện tam giác Hình 4.5.a: Square Wave chu kỳ 50% Hình 4.5.b: Square Wave 80% Đối xứng tất dạng sóng điều chỉnh điện trở bên ngồi Có thể có hai cách thực thể (Hình 4.3) 39 kết thu cách giữ điện trở thời gian RA RB riêng biệt RA kiểm soát phần tăng sóng tam giác, sóng sin phần sóng vng Độ lớn dụng sóng tam giác đặt 1/3 điện áp V cung cấp, phần tăng sóng tam giác là: Phần xuống sóng tam giác, sóng sin phần sóng vng là: Như chu kỳ đạt 50% RA = RB Nếu chu kỳ thay đổi phạm vi nhỏ khoảng 50% Hình 4.6: Kết nối với điện trở thời gian bên 40 Để giảm thiểu biến dạng sóng sin tốt mắc điện trở 82k chân 11 chân 12 IC Với xếp độ biến dạng đạt 1% Để giảm hai chiết áp kết nối (hình 4.7) cách mắc giảm biến dạng sóng sin xuống 0,5% Hình 4.7: Kết nối với đường giảm tối thiểu độ méo Lựa chọn RA, RB C: Đối với nhiều tần số đầu ra, có phạm vi rộng RC làm việc với hệ thống Tuy nhiên với hạn chế định đặt độ lớn dòng điện cho tối ưu hiệu suất Ở mức thấp, cường độ dòng điện nhỏ khơng phù hợp nhiệt độ cao góp phần gây rị rỉ tín hiệu Ở dòng cao (I>5mA), transistor betar điện áp bão hòa làm sai số ngày lớn Hiệu suất tối ưu, đó, dịng điện thu nằm dải 10µA đến 1mA Nếu chân chân ngắn mạch 41 R1 R2 hiển thị chi tiết sơ đồ Một cách tính tốn chưa RB giá trị tụ điện nên lựa chọn khoảng giá trị cao Sóng phát với nguồn cung cấp (10V đến 30V) nguồn cung cấp điện kép Độ mạnh trung bình nửa điện áp cung cấp làm tăng mức độ xác sóng sin sóng tam giác, sóng vng nhiễu với nguồn V+ GND Một nguồn điện kép có lợi sóng sin, tam giác vng có xu hướng hưỡng GND Đầu sóng vng khơng đảm bảo, điện trở nhỏ sử dụng để kết nối nguồn điện áp khác nhau, miễn nguồn cung cấp điện áp nằm dải hoạt động (30V) Bằng cách sóng vng tương thích TTL (điện trở tải nhỏ kết nối với +5V) thân IC cung cấp nguồn điện áp nuôi cao nhiều Tần số máy quét phụ thuộc vào điện áp chiều chân (được đo từ V+) Qua cách thay đổi điện áp tần số sóng thay đổi theo Đối với độ sai số nhỏ tín hiệu điều chỉnh trực tiếp chân 8, cách thực cung cấp điện áp DC với tụ điện C (hình 4.8) Khơng cần thiết phải sử dụng điện trở nối hai chân chân IC, sử dụng để tăng trở kháng đầu vào từ 8kΩ Các ảnh độ lệch FM quét tần số, tín hiệu điều chỉnh nhờ cách đặt vào chân nguồn điện áp tích cực (Hình 4.9) Bằng cách này, độ dốc nguồn dịng tạo tín hiệu điều chỉnh phạm vi quét lớn (ví dụ 1000:1) tạo ( F = minimum, Vsweep = 0, tức chân = V+) Nguồn nuôi phải trì, nhiên, để điều chỉnh điện áp cung cấp, tần số phụ thuộc vào điện áp cung cấp Điện chân tụt xuống (1/3 V cung cấp) 42 Hình 4.8: Kết nối cho tần số điều chế Hình 4.9: Kết nối cho quét tần số Đầu sóng sin có trở kháng đầu tương đối cao (1kΩ Typ) Mạch hình 4.10 lắp thêm đệm để chỉnh biên độ cần đạt OP AMP sử dụng kèm với nguồn cung cấp điện áp kép với tụ điện bên chân 10 để nối GND để ngăn chặn dao động ICL8038 Hình 4.11 cho thấy diode chuyển đổi FET, diode ANDed với tín hiệu nhấp nháy đầu vào phép đầu luôn bắt đầu độ dốc 43 Hình 4.10: Tín hiệu sin khuếch đại đệm Hình 4.11: Giảm độ mấp mơ tín hiệu xung vng Để có giải quét tần số 1000:1 ICL8038 điện áp điện trở bên RA RB phải giảm gần khơng Điều địi hỏi kiểm sốt điện áp cao chân không vượt điện áp đầu RA RB vài trăm mV Sơ đồ Hình 4.12 đạt điều cách sử dụng diode để giảm điện 44 áp cung cấp có hiệu ICL8038 Các điện trở lơn chân giúp giảm chu kỳ thay đổi với tần số quét Độ tuyến tính điện áp quét đầu vào so với tần số đầu cải thiện đáng kể cách sử dụng OPAMP hiển thị Hình 4.14 Hình 4.12: Bộ tạo dao động biến âm từ 20Hz đến 20kHz Hình 4.13: Máy phát dạng sóng sử dụng ổn định VCO vịng lặp đóng pha 45 Hình 4.14: Đường điện áp điều khiển tạo dao động Tần số ổn định làm cho ICL8038 điều lý tưởng để xây dựng sơ đồ khối cho vòng mạch khóa pha Hình 4.13 Trong ứng dụng khối chức lại khuếch đại, cảm biến dùng số IC có sẵn như: MC4344, NE562… 46 Sau số hình ảnh mơ hình thực tế mà em làm được: 47 48 KẾT LUẬN Sau thời gian làm đồ án tốt nghiệp, hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Nguyễn Đoàn Phong, đến em hồn thành đồ án Nội dung đồ án bao gồm: Phần kiến thức: Tìm hiểu phương pháp đo tần số Tìm hiểu họ vi điều khiển 8051 Tìm hiểu lập trình C cho 8051 Giới thiệu ICL8038 phát xung đa Phần thiết kế thi công: Xây dựng sơ đồ khối Thuật tốn chương trình điều khiển Thi cơng chạy thử mơ hình Trong thời gian làm án tốt nghiệp quan tâm Thầy, Cô khoa Điện tự động công nghiệp, đặc biệt giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Đoàn Phong giúp đỡ em tận tình trình tìm hiểu xây dựng mơ hình Tuy nhiên kiến thức cịn nhiều hạn chế, nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót, em mong nhận góp ý đánh giá q thầy để đề tài em hồn thiện Kính chúc q Thầy, Cô dồi sức khỏe thành công công việc Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng, ngày tháng năm 2013 Sinh viên thực Dương Văn Duy 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiêu Kim Cương (2004), Giáo trình ngơn ngữ lập trình C Nhà xuất giáo dục Vũ Quý Điềm (2001), Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử Nhà xuất khoa học kỹ thuật Tống Văn On – Hoàng Đức Hải (2005), Họ vi điều kiển 8051 Nhà xuất lao động – xã hội Đỗ Xuân Thụ(1999), Kĩ thuật điện tử Nhà xuất giáo dục Diễn đàn http://www.dientuvietnam.net Webside http://www.ebook.edu.vn Webside http://www.tailieu.vn 50 ... để đo tần số - Ưu điểm: Độ xác cao Độ nhạy lớn Tốc độ đo lớn, tự động hóa hồn tồn q trình đo Kết đo hiển thị dạng số Hình 1.7: Sơ đồ khối tần số kế thị số Nguyên lý chung tần số kế thị số đếm số. .. thứ hai 38 Hai dong ma trận 5x7 19 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐO LƢỜNG TẦN SỐ 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA BỘ ĐO TẦN SỐ ĐA NĂNG Bộ đo tần số hiển thị lên LCD yêu cầu đo loại xung vng, sin, tam giác qua tính tốn... VỀ ĐO LƢỜNG TẦN SỐ 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƢỜNG TẦN SỐ - Tần số số chu kỳ dao động đơn vị thời gian - Tần số góc: ω(t) biểu thị tốc độ biến đổi pha dao động ω(t),f(t) tần số góc tức thời tần số