2.3.2.1. Mạch nguồn đối xứng
Sơ đồ mạch như hình 2.7
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đối xứng.
Sử dụng biến áp đối xứng, đầu vào cuộn sơ cấp 220V – 50Hz, đầu ra cuộn sơ cấp10V – 5A như hình vẽ. Sử dụng diode cầu và các tụ có điện dung cao để lọc, cho đầu ra là ±15V có điện áp ổn định.
2.3.2.2. Nguyên lý mạch tạo xung tam giác
Ta xét mạch tích phân sử dụng bộ khuếch đại thuật toán như trên hình 2.8. Nguồn vào
đối xứng ±9 - ±15V
Mạch tạo xung tam giác
Khuếch đại công suất Biến áp tăng áp Khối vi xử lý Hiển thị Khối nguồn 5VDC U
32
Hình 2.8.Mạch tích phân sử dụng bộ khuếch đại thuật toán [13].
Hình vẽ trên cho thấy một mạch tích phân. Có một tín hiệu phản hồi tiêu cực được cung cấp bởi tụ điện C1, do đó điện áp tích trữ ở đầu vào đảo và đầu vào không đảo được tổ chức đều cho các hoạt động khuếch đại. Đầu vào không đảo được nối với đất, trong khi đầu vào đảo được nối với tín hiệu vào của mạch thông qua R1.
Hình 2.9.Mạch tích phân với đầu vào bằng không. [14]
Nếu điện áp đầu vào được nối với đất, sự khác biệt về điện áp giữa đầu vào đảo và đầu vào không đảo là bằng không, do đó điện áp đầu ra của bộ khuếch đại bằng không. Điện áp trên tụ điện C1 và điện trở R1 cũng bằng không, do đó không có dòng điện chạy qua các thiết bị trên mạch (hình 2.9).
33
Hình 2.10. Mạch tích phân với đầu vào tích cực.
Nếu đầu vào được nối với nguồn cung cấp điện áp tích cực, tụ điện được nạp thông qua R1, do đó điện áp ở đầu vào đảo sẽ tăng, nhưng do tín hiệu phản hồi tiêu cực, điện áp tại đầu ra của bộ khuếch đại giảm dần, do đó điện áp ở đầu vào đảo dần cân bằng với điện áp ở đầu vào không đảo và bằng không. Trong khi phía bên trái của R1 được kết nối với nguồn cung cấp điện áp tích cực và phía bên phải của R1 được giữ bằng không qua các hoạt động khuếch đại, do đó có điện áp thả trên các thiết bị và dòng điện qua R1 và C1 là không đổi (hình 2.10).
Hình 2.11. Mạch tích phân vào đầu cao tiêu cực.
Nếu đầu vào của mạch được kết nối với nguồn cung cấp điện áp tiêu cực, tụ điện được nạp với phân cực ngược. Điện áp tại đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động đang tăng lên để giữ mức điện áp ở các đầu vào đảo nối với đất (hình 2.11).
34
Hình 2.12. Tín hiệu điện áp đầu ra khi đầu vào tiêu cực.
Bắt đầu với việc cung cấp điện áp tiêu cực, điện áp đầu ra của bộ khuếch đại ngày càng tăng cho đến khi đạt được điện áp cung cấp tích cực (hình 2.12).
Hình 2.13. Tín hiệu điện áp đầu ra khi đầu vào tích cực
Nếu điện áp đầu vào nghiêng trở lại để cung cấp điện áp tích cực, điện áp đầu ra đang giảm dần cho đến khi điện áp cung cấp tiêu cực đạt được một lần nữa (hình 2.13).
Mục đích là có được tín hiệu hình tam giác ở đầu ra, vì vậy ta phải làm thay đổi điện áp đầu vào của mạch từ tích cực đến tiêu cực khi điện áp đầu ra là gần với nguồn cung cấp điện áp tiêu cực và ngược lại, làm thay đổi điện áp đầu vào từ tiêu cực đến tích cực khi điện áp đầu ra gần với nguồn cung cấp điện áp tích cực. Một mạch thích hợp việc này là mạch trigger Schmitt (hình 2.14).
35
Hình 2.14. Sơ đồ mạch trigger Schmitt.
Tín hiệu đầu ra của mạch tích hợp được kết nối với đầu vào không đảo của Schmitt trigger (bộ khuếch đại bên trái). Đầu ra của trigger Schmitt được kết nối với đầu vào của mạch tích hợp, nghiêng với điện áp nguồn dương bất cứ khi nào đầu ra của mạch tích hợp đạt đến ngưỡng trên. Bây giờ tụ C1 được nạp với phân cực ngược, cho đến khi đầu ra của các mạch tích hợp đạt đến ngưỡng thấp. Lúc này, các trigger Schmitt nghiêng với điện áp nguồn cung cấp tiêu cực, đó là lý do tại sao điện áp đầu ra của các mạch tích hợp được tăng trở lại.
Hình 2.15. Tín hiệu đầu ra trigger Schmitt và đầu ra mạch tích hợp.
Tín hiệu ở đầu ra trigger Schmitt (màu vàng) và đầu ra mạch tích hợp (xanh lá) (hình 2.15).
36
Hình 2.16. Mạch trigger Schmitt khi thêm chiết áp. [13]
Khi thêm ba chiết áp (hình 2.16), hình dạng của tín hiệu đầu ra có thể thay đổi được. P1 thay đổi ngưỡng dưới và trên của trigger Schmitt, do đó mức độ của tín hiệu đầu ra có thể được điều chỉnh bằng thiết bị này. P2 cho phép điều chỉnh tần số. Như đã giải thích ở trên, tụ nạp và xả sẽ phụ thuộc và trở kháng của P2, do đó có thể thay đổi độ dốc của đường cong và từ đó thay đổi tần số. P3 là để điều chỉnh đối xứng.
Ở đây do cần thay đổi tần số và biên độ nên ta có thể bỏ qua P1 và P3. Mặt khác ta có các hệ thức sau:
- Liên hệ giữa dòng điện, điện tích trên tụ và thời gian:
(2.1)
- Liên hệ giữa điện tích, điện áp và điện dung C của tụ:
(2.2)
- Suy ra:
(2.3) Điện áp đầu ra phụ thuộc thời gian, dòng điện và điện dung C.
- Tần số của xung đầu ra được xác định như sau:
37
- Điện áp đỉnh (biên độ) xung ra được xác định như sau:
(2.5) : điện áp nguồn.
Vậy để thay đổi điện áp và tần số, ta có thể thay đổi các giá trị điện trở có trong hệ thức và giá trị tụ điện.
Ta có sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung tam giác (hình 2.17).
Hình 2.17. Nguyên lý mạch tạo xung tam giác.
Điện áp đỉnh (biên độ) được xác định như sau: : điện áp nguồn.
Do biên độ của xung ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn nên ở đây ta chọn R3 = R4 = 10 kᾩ và chọn R5 = 2 kᾩ
Tần số của xung đầu ra
Chọn C1 = 10 nF, cần tạo ra xung có tần số lớn nhất là 60 kHz nên ta có: nên ta chọn R6 = 470 ᾩ
VR1 là biến trở để điều chỉnh tần số, chọn VR1 là loại 47 kΩ, tần số xung ra sẽ nằm trong khoảng 700Hz đến 60kHz.
38
2.3.2.3. Khối nguồn 5VDC
Nguồn 5V để cung cấp cho khối vi xử lý và hiển thị. Ta sử dụng IC ổn áp LM7809 để hạ từ 15VDC xuống 9VDC và tiếp tục sử dụng IC ổn áp LM7805 để chuyển xuống 5VDC (hình 2.18)
Hình 2.18. Nguyên lý mạch nguồn 5VDC. 2.3.2.4. Khối vi xử lý và hiển thị
Khối vi xử lý ở đây có chức năng hỗ trợ việc đo tần số và biên độ của xung đầu ra. Ở đây ta sử dụng chức năng input capture của vi điều khiển để đo tần số và sử dụng ADC 10 bit của vi điều khiển hỗ trợ để đo biên độ. Tần số và biên độ được hiển thị trên LCD 16x2 (hình 2.19).
39
2.3.2.5.Khối khuếch đại công suất
Hình 2.20. Sơ đồ mạch khuếch đại công suất.
Ta sử dụng tranzitor công suất (D718) để khuếch đại công suất của tín hiệu đầu ra (hình 2.20).
2.3.2.6. Khối biến áp tăng áp
Sử dụng biến áp tăng áp để đưa biên độ xung lên cao (tầm hơn 100V). Đồng thời biến áp này cũng có chức năng cách ly giữa vùng điện áp thấp và điện áp cao. Trong mạch sử dụng 2 loại biến áp: biến áp thường và biến áp xung đều có tỉ số vòng dây giữa cuộn thứ cấp và sơ cấp là khoảng 7,5 lần. Đối với biến áp thường (lõi sắt từ) cuộn sơ cấp quấn khoảng 160 vòng, thứ cấp khoảng 1200 vòng. Đối với biến áp xung (lõi ferit) cuộn sơ cấp quấn khoảng 80 vòng, thứ cấp khoảng 600 vòng.
40
2.3.2.7. Sơ đồ mạch nguyên lý tổng thể của bộ nguồn
Hình 2.21 là sơ đồ mạch nguyên lý tổng thể của bộ nguồn
Hình 2.21. Sơ đồ mạch nguyên lý tổng thể của bộ nguồn