TỔNG QUÁT VỀ IC 4093

CHƢƠNG 2 : GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN VÀ THI CÔNG ĐỀ TÀI

1. TỔNG QUÁT VỀ IC 4093

1.1. Chức năng chung

- Thực hiện các mạch logic nhờ vào 4 cổng NAND - Tạo các dạng dao động sóng vuông, sin,…

1.2. Chức năng từng chân IC

Đƣợc cấu tạo từ 4 cổng NAND. (chân 1,2 và 3 ; 5,6 và 4 ; 8,9 và 10 ; 12,13 và 11) - Chân 14 nối với nguồn + VCC ( 9 – 15 V).

- Chân 7 nối masse để cấp dòng cho IC hoạt động.

Thực hiện các mạch điện xử lý tín hiệu tƣơng tự và mạch số, thông qua 4 cổng NAND.[3]

1.3. Sơ đồ cấu trúc và bảng chân lý IC 4093

Biểu diễn trạng thái Logic 1 và 0 - Ngƣời ta thƣờng gán: Logic dƣơng:

Điện thế cao  Logic 1 ; Điện thế thấp 

Logic 0

Thực tế, mức Logic 1 và mức logic 0 tƣơng ứng với môt khoảng điện thế xác định, có một khoảng chuyển tiếp giữa mức cao và mức thấp là khoảng không xác định (ngƣỡng logic). Khoảng này tùy thuộc vào họ IC sử dụng và đƣợc cung cấp trong bảng thông số kỹ thuật – Trong khoảng điện áp này có thể gây ra lỗi trong mạch số.

- Logic âm ngƣợc lại

Chức năng: Thực hiện cùng 1 lúc 2 chức năng: AND và NOT. Cổng NAND có 2 hay nhiều ngõ vào và có 1 ngõ ra.

Hình 2.1: Hình dạng và sơ đồ chân IC 4093. [3]

Hình 2.2: Mức điện thế 0 và 1. [3]

Khi nối chung 2 ngõ vào của cổng NAND  Cổng NOT. A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Hình 2.3: Ký hiệu và bảng chân lý IC 4093. 2. TỔNG QUÁT VỀ IC 567

2.1. Vòng khóa pha PPL (Phase Locked Loop – PLL) 2.1.1. Cấu trúc 2.1.1. Cấu trúc

Vòng khóa pha (PLL), hay còn gọi là vòng giữ pha, thực chất là một vòng tự động điều chỉnh, nhằm mục đích hiệu chỉnh làm cho pha của tín hiệu pha luôn theo sát pha của tín hiệu vào. Nối khác đi, PLL đảm bảo tần số tín hiệu ra theo sát tần số tín hiệu vào. Sơ đồ khối cấu trúc của PLL.

Hình 2.4. Sơ đồ khối vòng khóa pha.

Cửa vào và cửa ra PLL là các tín hiệu chu kì, với pha tức thời tƣơng ứng là ϕv(t) và ϕr(t), (hoặc tần số tƣơng ứng fv(t) và fr(t)). Tùy theo tín iệu vào, khối so sánh pha có thể là một mạch nhận hay một phần tử không tƣơng đƣơng dùng để phát hiện sự sai khác pha Δϕ = ϕv(t)- ϕr(t). Bộ lọc vòng là mạch lọc thông thấp thụ động hoặc tích cực, chặn lại các thành phần tần số cao của u1(Δϕ). Để đảm bảo sự ổn định của hệ điều chỉnh, lọc thông thấp thƣờng là loại bậc 1. Mạch VCO phát dao động tần số fr (hoặc pha ϕr(t)) thay đổi theo u2(Δϕ). Vòng điều chỉnh làm cho Δϕ giảm dần tới gần nhƣ bằng 0 và ϕr(t)

ϕv(t), (fr fv). Thƣờng VCO là mạch tạo dao động vuông góc có điều khiển (u2 = 0), VCO dao động với tần số riêng f0. Khi có điều khiển (u2 ≠ 0), tần số VCO có thể thay đổi trong phạm vi ±10% ÷ ±5%.[1]

2.1.2. Hoạt động của vòng khóa pha(PLL)

Tín hiệu ở đầu ra VCO tuy có thể là dao động vuông góc tần số fr nhƣng chỉ có thành phần điều hòa tần số cơ bản là có ảnh hƣởng tới bộ so pha dùng mạch nhân, để tạo điện áp u2 điều khiển VCO. Vì vậy ta coi tín hiệu ra phản hồi về bộ so pha là tín hiệu điều hòa tần số 𝜔𝑟.

Khi không có tín hiệu điều khiển đặt vào PLL thì u1 = 0 nên u2 = 0. VCO làm việc ở tần số dao động riêng f0 (còn gọi là tần số giữa của PLL), với điện áp ra:

ur= Urmcosϕo=Urmcos(𝜔𝑜𝑡 + 𝜓𝑟)

Tại thời điểm nào đó, giả sử có tín hiệu hình sin đặt vào PLL, với tần số góc điều khiển không đổi 𝜔𝑣: uv=Uvmcosϕv= Uvmcos(𝜔𝑣 + 𝜓𝑣)

Tín hiệu đầu ra của bộ so pha:

u1 = Kuvur = KUvmUrmcos 𝜔𝑣𝑡 + 𝜓𝑣 cos⁡(𝜔𝑜 + 𝜓𝑟)

=𝐾𝑈𝑣𝑚𝑈𝑟𝑚

2 cos⁡[(𝜔𝑣−𝜔𝑜)𝑡 + 𝜓𝑣 − 𝜓𝑟] +

Trong đó K là hệ số của mạch nhân. Bộ lọc thông thấp sẽ chặn thành phần tần số cao của u1 và cho ra tín hiệu điều khiển VCO:

𝑢2 = 𝐾𝐾𝐿𝑈𝑣𝑚𝑈𝑟𝑚

2 cos⁡[(𝜔𝑣−𝜔𝑜)𝑡 + 𝜓𝑣 − 𝜓𝑟]

= 𝐾𝐾𝐿 𝑈𝑣𝑚𝑈𝑟𝑚

2 cos⁡(Δωt + φ)

Trong đó KL là modun của hàm truyền đạt bộ lọc ở tần số f = 0; Δ𝜔 =𝜔𝑣 −𝜔𝑜 ; φ = 𝜓𝑣 − 𝜓𝑟

Điện áp điều khiển u2(Δω ) làm thay đổi tần số góc 𝜔𝑜 của tín hiệu ở đầu ra VCO: 𝜔𝑟= KVCOu2.

Trong đó KVCO là hệ số truyền đạt của VCO. Nếu coi VCO là phần tử tuyến tính thì KVCO là không đổi. Kết quả là tần số của điện áp ở đầu ra VCO sẽ từ tần số giữa fo thay đổi dần, sao cho Δ → 0. Lúc đó ta nối PLL đã thành lập đƣợc chế độ đồng bộ, tần số đầu ra fr đã bắt kịp tần số điều khiển ở đầu vào fv (fr = fv). Ở chế độ đồng bộ (𝜔𝑜 ≈ 0), điện áp điều khiển VCO là không đổi:

u2đb = KKL .

Nếu tần số vào fv vàtần số giữa f0 của PPL sai khác nhau nhiều, tới mức (Δ𝜔

=𝜔𝑣 − 𝜔𝑜) vƣợt quá dãy thông của bộ lọc thông thấp, thành phần điều hòa tần số 𝜔𝑣 − 𝜔𝑜 của u1 cũng sẽ bị bộ lọc chặn lại. Do đó, u2 = 0, tấn số ra của VCO không đƣợc điều khiển và nó vẫn nằm ở tần số dao động riêng f0. Ta nối PLL không bắt đƣợc chế độ đồng bộ. Vậy, mỗi PLL sẽ có một dải tần số đặc trƣng gọi là dải bắt. Nó là dải tần số tín hiệu vào, nằm đối xứng về 2 phía tần số giữa f0. Khi tần số vào nằm trong dải đó, thì bảo đảm PLL bắt đƣợc chế độ đồng bộ, nối khác đi tần số ra sẽ bắt kịp tần số vào. Dải bắt của PLL đƣơng nhiên phụ thuộc dải thông bộ lọc vòng.

Khi PLL đã bắt đƣợc chế độ đồng bộ, nếu tần số vào thay đổi mà tần số ra vẫn kịp điều chỉnh thay đổi theo tƣơng ứng, ta nối PLL giữ đƣợc đồng bộ. Khi đã làm việc ở chế độ đồng bộ, mỗi PLL cũng có một dải tần số làm việc đặc trƣng, gọi là dải giữ. Nó là dải tần số tín hiệu vào, nằm đối xứng về 2 phía tần số giữa f0. Khi đang ở chế độ đồng bộ, nếu tần số vào thay đổi nhƣng vẫn nằm trong phạm vi dải đó, thì bảo đảm PLL sẽ giữ đƣợc đồng bộ. Dải giữ thƣờng lớn hơn dải bắt nó và nó phụ thuộc dải tần số có thể điều chỉnh đƣợc của VCO.

Ứng dụng: vòng khóa pha hiện nay đƣợc ứng dụng nhiều trong kỹ thuật vô tuyến

điện, trong kỹ thuật truyền số liệu và trong kỹ thuật đo. Một số ứng dụng của PLL: -Tách sóng tín hiệu điều tần (tách sóng FM).

-Tách sóng tín hiệu logic đƣợc điều chế tần số (tách sóng FSK)

-Tổng hợp tần số, tức là phép nhân tần số với hệ số M/N, trong đó M, N là các số nguyên dƣơng.[1]

2.2. Chức năng chung của IC

Signetics NE567 là linh kiện vòng khóa pha PLL có độ ổn định cao. IC này có chức năng cơ bản là một chuyển mạch công suất điện áp thấp. Chuyển mạch này đóng mỗi khi IC nhận đƣợc một âm hiệu ngõ vào âm hiệu này có tần số xác định trƣớc trong một tầm hẹp, nghĩa là IC hoạt động nhƣ một chuyển mạch điều khiển bởi âm hiệu chính xác.

NE567 cũng là một linh kiện khá linh hoạt, có thể đƣợc sử dụng nhƣ một mạch tạo sóng hoặc nhƣ một mạch PLL hoặc nhƣ một chuyển mạch âm hiệu chính xác. Khi đƣợc sử dụng ở chế độ âm hiệu chính xác, việc phát hiện tần số trung tâm có thể đƣợc thiết lập ở trị số bất kì từ vài Hz đến khoảng 500KHz, dải thông phát hiện cũng đƣợc thiết lập từ trị số bất kì đến trị số cực đại bằng 14% trị số của tần số trung tâm, và độ trì hoãn chuyển mạch ngõ ra có thể thay đổi trên tầm rộng. Tất cả đều nhờ vào các thành phần bên ngoài IC.[2]

2.3. Chức năng từng chân của IC

Chân số 1: Cho mắt tụ lọc C3, để lọc tín hiệu ngõ ra của tầng so áp vuông pha. Chân số 2: Cho mắc tụ lọc thấp qua đặc trên ngả ra của tầng so pha đặt ở ngõ vào. Chân số 3: Ngõ vào, tín hiệu đƣợc đƣa vào IC 567.

Chân số 4: Chân nguồn, nối vào nguồn nuôi VCC, mức áp làm việc dƣới 10v.

Chân số 5: Cho mắt từ chân 5 qua chân 6, 1 điện trở R1 để định tần số của tín hiệu tạo ra từ tầng dao động Curent Controlled Oscillator (CCO) .

Chân số 6: Cho mắc từ chân 6 xuốn mass một tụ điện C1 để định tần số của tín hiệu tạo ra từ tầng dao động CCO.

Chân số 7: Cho nối masse để lấy dòng cấp cho IC 567.

Chân số 8: Ngõ ra, Lúc thƣờng chân 8 hở mạch, không có dòng điện chảy ra, khi tín hiệu vào có tần số tần số trùng với tần số riêng của mạch dao động CCO, chân số 8 sẽ chuyển xuống mức áp thấp và lúc này sẽ cho dòng điện tử chảy ra trên chân số 8 và qua

2.4. Sơ đồ cấu trúc và chức năng chính của các bộ phận

Hình 2.5 : IC 567 và sơ đồ chân IC 567.

Phần mạch VCO của IC có tần số hoạt động thay đổi trên một tầm rộng xác định bởi các thành phần R1, C1 bên ngoài, nhƣng tần số chỉ đƣợc điều khiển bằng điện áp trên một tầm rất hẹp (cực đại bằng khoảng 14% tần số dao động tự do của mạch) thông qua chân điều khiển (chân 2). Kết quả là mạch PLL chỉ có thể khóa tới 1 tầm hẹp các trị số tần số ngõ vào định trƣớc.

Mạch tách pha vuông góc của IC sẽ so sánh các tần số và các pha liên quan của tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra của mạch VCO để tạo ra một tín hiệu kích ngõ ra có giá trị chỉ khi 2 tín hiệu này trùng khớp với nhau, nghĩa là chỉ khi PLL bị khóa. Tần số trung tâm của chuyển mạch âm hiệu NE567 nhƣ vậy bằng với tần số dao động tự do của mạch VCO còn băng thông bằng với tầm khóa của mạch PLL.[2]

3. TỔNG QUÁT VỀ IC 555

3.1. Chức năng chung của IC

- Thiết bị tạo xung chính xác. - Máy phát xung.

- Điều chế độ rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation).

- Điều chế vị trí xung (PPM: Pulse Position Modulation) thƣờng dùng trong thu phát hồng ngoại.

3.2. Chức năng từng chân IC 555

Chân số 1(GND): Cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung.

Chân số 2 -ngõ nảy (TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và đƣợc dùng nhƣ 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp. Mạch so sánh ở đây dùng các transitor NPN với mức điện áp chuẩn là 2/3VCC.

Chân số 3 - ngõ ra (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái của tín hiệu ra đƣợc xác định theo mức 0 và 1. Ở đây 1 là mức cao, nó tƣơng

ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tƣơng đƣơng với 0V, nhƣng trong thực tế mức 0 này không đƣợc 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 - 0.75V).

Chân số 4 - (RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6. Nhƣng trong mạch để tạo đƣợc dao động thƣờng hay nối chân này lên VCC.

Chân số 5- điện thế điều khiển VCC(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. Chân này có thể không nối cũng đƣợc nhƣng để giảm trừ nhiễu ngƣời ta thƣờng nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện trị số từ 0.01𝜇F đến 0.1𝜇F các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn đƣợc ổn định.

Chân số 6 ngõ ngƣỡng (THRESHOLD): Là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng đƣợc dùng nhƣ một chân chốt.

Chân số 7 ngõ xả (DISCHAGER): Là một khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngƣợc lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C, lúc IC 555 dùng nhƣ một tầng dao động .

Chân số 8 - (VCC): Chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. Nó đƣợc cấp điện áp từ 2V 18V (tùy từng loại 555 thấp nhất là NE7555).[2]

3.3. Sơ đồ cấu trúc và chức năng chính của IC 555 3.3.1. Hình dạng và sơ đồ cấu trúc

Hình 2.6: Hình dạng và sơ đồ cấu trúc của IC555.

3.3.2. Chức năng chính của các bộ phận IC 555

Cầu phân áp gồm có 3 điện trở nối từ VCC xuống đất cho ra hai điện áp chuẩn 1/3VCC và 2/3VCC.

OPA1 là mạch khuếch đại so sánh có ngõ vào đảo nhận điện áp 2/3VCC, còn ngõ vào không đảo thì nối ra chân 6. Tùy thuộc điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3VCC, OPA 1 có điện áp ra ở mức cao (H) hay mức thấp (L) để làm tín hiệu R (Reset), điều khiển FF.

OPA2 là mạch khuếch đại so sánh có ngõ vào không đảo nhận điện áp 1/3VCC, còn ngõ vào đảo thì nối ra chân 2. Tùy thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3VCC OPA2 có điện áp ra ở mức cao hay mức thấp để làm tín hiệu S (Set), điều khiển FF.

Mạch FF là loại mạch lƣỡng ổn kích một bên. Khi chân Set có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của FF ở ngõ ra Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp. Khi chân Set đang ở mức cao xuống mức thấp thì mạch FF không đổi trạng thái. Khi chân Reset có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của FF làm ngõQ lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp. Khi ngõ Reset mức cao xuống thấp thì mạch FF không đổi trạng thái.

Mạch Output là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải. Đây là mạch khuếch đại đảo, có ngõ vào là chân của Q FF, nên khi Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp (# 0V) và ngƣợc lại, khi Q ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao (# VCC).

Transistor T1 có chân E nối với điện áp chuẩn khoảng 1.4V, là loại transistor NPN. Khi cực B nối ra ngoài bởi chân 4 có điện áp cao hơn 1.4V thì T1 ngƣng dẫn, nên T1 không ảnh hƣởng tới mạch. Khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối đất thì T1 dẫn bảo hòa đồng thời làm mạch Output cũng dẫn bão hòa và ngõ ra ở mức thấp. Chân 4 gọi là chân Reset dùng để kết thúc xung ra sớm khi cần thiết. Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên nguồn VCC để tránh bị Reset do nhiễu.

Trasistor T2 là transistor có chân C để hở, nối ra chân 7. Do B đƣợc phân cực bởi mức điện áp ra Q của Flip-Flop, nên khi Q ở mức cao thì T2 bão hòa và cực C của T2 coi nhƣ nối đất. Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp. Khi Q ở mức thấp thì T2 ngƣng dẫn, cực C của T2 để hở, lúc đó ngõ ra ở chân 3 có mức điện áp cao. Theo nguyên lý trên, cực C của T2 ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ thuộc có mức điện áp giống nhƣ mức điện áp của ngõ ra chân 4.[2]

4. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐỀ TÀI

4.1. Thiết kế về mạch còi

4.1.1. Sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in

4.1.2. Chức năng các linh kiện và nguyên lý hoạt động của mạch

Chức năng của các linh kiện. Hai IC 555 dùng để tạo dao động.

Đầu tiên là IC 1 đƣợc làm việc xung quanh tần số là 1Hz và tụ C1 =47µF đƣợc nạp điện và sau đó xả điện liên tục, quá trình này cứ diễn ra liên tục nhƣ vậy.

Hình 2.7: Mạch nguyên lý còi báo động.

Tụ C2 dùng để lọc nhiễu.

Nguyên lý hoạt động của mạch dựa vào sơ đồ khối IC 555. Sau khi cấp nguồn 5 – 18 V, điện thế của tụ C1 = 0V. - Đối với OPA1: V+

< V- (vì V- = 2/3 VCC, còn V+ ≈ 0 V).  nên ngõ ra R = 0

- Đối với OPA2: V+

< V- (V+ = 1/3 VCC, còn V- = 0V).  nên ngõ ra S = 1

R = 0, S = 1 thì Q0 = 0 nên ngõ ra ở chân số 3 là mức cao (VCC), đồng thời điện thế VCC nạp lại tụ C1 qua R1 và VR1.