Tài liệu 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 NÓI ĐẦU Mạch tạo xung là một mạch điện tử cơ bản và quan trọng trong kĩ thuật điện tử cũng nhu trong sản xuất công nghiệp, là một mạch điên không thể thiếu trong sản xuất máy thu hình, đài FM... Mạch tạo xung cũng là mạch điện cơ bản thuờng đuợc giao cho sinh viên thiết kế, trong các môn thực hành cũng nhu đồ án ở các truờng đại học, Cao đẳng giúp sinh viên lắm đuợc những buớc cơ bản trong thiết kế một mạch điện tử thực tê và qua đó cũng lãm cho sinh viên hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của các mạch điện tử nói chung mạch tạo xung nói riêng. Sau đây là bài báo cáo môn học thiết kế mạch tuơng tự của nhóm sinh viên chúng em: Thiết kế mạch điện tạo xung vuông và xung tam giác. Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy khoa Điện tử - Viễn thông, VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành môn học. Trong quá trình thiết kế và trình bầy chúng em không tránh khỏi những khó khăn, sai sót vì vậy mong các thầy chỉ bảo, giúp đỡ chúng em để chúng em có kết quả tốt hơn trong môn học. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 . Sinh viên i Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án này trình bày về … ii Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC MỤC LỤC iii Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC 1. 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 là mạch sử dụng các linh kiện để phát ra tín hiệu xung dao động cụ thể để điều khiển các thiết bị. Có nhiều dạng tín hiệu xung đuợc phát ra từ mạch dao động, nhu xung sine, xung vuông, xung tam giác... 1.2 Mạch tạo xung vuông và xung tam giác Có nhiều cách để tạo ra xung vuông và xung tam giác: nhu thiết kế mạch dùng transistor, thiết kế mạch dùng Opamp... để tạo ra xung vuông. Thiết kế mạch tích phân để tạo ra xung tam giác... Ở đây chúng ta chọn thiết kế mạch dao động tạo xung vuông và xung tam giác dùng ICNE555. Theo như sơ đồ khối sau đây: Hình 1–1 Sơ đồ khối mạch tạo xung vuông 1 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Dựa vào sơ đô khối ta có thê nhận ra rằng để tạo đuợc xung vuông ta chỉ cần IC 555 và một số linh kiện phổ biến như R, C. Chú ý: ở đây ta tạo đồng thời xung tam giác lấy ra ở chân số 6. 1.3 Lý do chọn mạch tạo xung vuông sử dụng IC NE555 N IC NE555 N rất phổ biến, dễ tìm. Mạch tạo xung dùng IC này rất dễ làm, dễ giải thích, dễ hiểu nguyên lý làm việc của nó. 1.4 Nguyên lý hoạt động của IC NE555 N Hình 1–2 IC NE555 N IC NE555 N gồm có 8 chân.  Chân số l (GND): cho nối masse để lấy dòng cấp cho IC.  Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp. Mạch so áp dùng các transistor PNP. Mức áp chuẩn là  2 V . 3 cc Chân số 3(OUTPUT): ngõ ra, trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo mức volt cao (gần bằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân 1).  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.  Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối masse. Tuy nhiên trong hầu hết các mạch ứng dụng chân số 5 nối masse qua 1 tụ từ 2 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC 0.01 µF  0.1 µF, các tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu, giữ cho mức áp chuẩn ổn định.  Chân số 6 (THRESHOLD): ngõ vào của một tầng so áp khác, mạch so sánh dùng các transistor NPN mức chuẩn là  V cc . 3 Chân số 7 (DISCHAGER): có thể xem như một khóa điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động.  Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC. Nguồn nuôi cấp cho IC 555 trong khoảng +5V  +15V và mức tối đa là +18 V. Cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động của IC 555: a. Cấu tạo: Hình 1–3 Sơ đồ khối IC 555 Về bản chất thì IC 555 là một bộ mạch kết hợp giữa 2 con Op-amp, 3 điện trở, 1 con transistor, và một bộ Flip flop A (ở đây dùng FFRS).  2 Op-amp có tác dụng so sánh điện áp.  Transistor để xả điện. 3 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm  GVHD: ABC Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp V cc thành 3 phần, cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp điện áp 1 V nối vào chân âm của Op-amp 1 và 3 cc 2 V nối vào chân âm của Op-amp 2. Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 3 cc 1 V , chân S = [1] và Flip-flop đuợc kích. Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 3 cc Vcc, chân R của Flip flop = [1] và Flip flop đuợc reset. Bảng chức năng các chân của IC 555 Bảng các đặc tính khuyên dùng của IC 555 b. Giải thích sự hoạt động: 4 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Hình 1–4 Hoạt động của IC 555 Ký hiệu 0 là mức thấp (L) bằng 0V, 1 là mức cao (H) gần bằng V cc. Mạch FF là loại RS Flip flop. Khi S = [1] thì Q = [1] và = [0] Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và Khi R = [1] thì Q = [1] = [0] và = [0] Tóm lại: khi S = [1] thì Q = [1] và khi R =[1] thì Q = [0], transistor mở dẫn, cực C nối đất, cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vuợt quá V 2, do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, Flip flop không reset. Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra + Rb)C.  - Tụ c nạp từ điện áp 0 V  Vcc : 3 Lúc này V+1 (V+ của Op-amp 1) > V-1. Do đó O1 ( ngõ ra của Op-amp 1) có mức logic 1 (H). - 2 V+2 < V-2 ( V-2= Vcc ) do đó O2 = 0 (L). 3 - R = 0, S = 1  Q = 1, = 0. - Q =1  ngõ ra =1.  = 0  transistor hồi tiếp không dẫn. Tụ C tiếp tục nạp từ điện áp V cc 2  V cc : 3 3 5 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC - Lúc này, V+1 < V-l. Do đó O1 = 0. - V+2 < V-2. Do đó O2 = 1. - R = 0, S = 0  Q, sẽ giữ trạng thái truớc đó (Q = l, =0). - Transistor dẫn.  vẫn không Tụ C nạp qua ngưỡng 2 Vcc : 3 - Lúc này, V+l < V-l. Do đó O1 = 0. - V+2 > V-2 do đó O2 = 1. - Q = 0  ngõ ra đảo trạng thái = 0. - = 1  transistor dẫn điện áp trên chân 7 xuống 0V. - Tụ C - Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống duới xả qua Rb. Với thời hằng Rb.C 2 Vcc . 3  Tụ C tiếp tục xả từ điện áp 2 1 V cc  V cc : 3 3 - Lúc này, V+l < V-l. Do đó O1 = 0. - V+2 < V-2. Do đó O2 = 0. - R = 0, S = 0  Q, sẽ - Transistor vẫn dẫn.  Tụ C xả qua nguỡng giữ trạng thái truớc đó (Q = 0, 1 V : 3 cc - Lúc này V+l > V-1. Do đó O1 = 1. - V+2 < V-2 (V-2 = - R = 0, S = 1  Q=1 , = 0. - Q = 1  ngõ ra = 1. - = 0 = 1). 2 V ). Do đó O2 = 0, 3 cc  transistor không dẫn  chân 7 không = 0 V nữa và tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là 1 V . 3 cc Quá trình lại lặp lại... Nhận xét: 6 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm - Trong quá trình hoạt động bình thường của IC 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp - V cc 2  V cc . 3 3 Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là điểm điện áp trên C bằng - V cc , và kết thúc nạp ở thời 3 2 V , với thời hằng là (Ra+Rb)C. 3 cc Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là điện áp trên C bằng - GVHD: ABC 2 V , và kết thúc xả ở thời điểm 3 cc V cc , với thời hằng là Rb.C 3 Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện. Đồ thị điện áp và dòng điện ngõ ra Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính các giá trị trong mạch: - Để tính chu kì dao động T của 1 mạch dao động tạo xung ta cần phải tính được thời gian ngưng dẫn của tụ khi nạp và xả. - Ta có sơ đồ mạch đơn giản để tính thời gian ngưng dẫn khi tụ nạp xả. 7 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Hình 1–5 Mạch tương đương đơn giản Từ mạch tương đương suy ra: V cc V cc −0.7 + 2 V cc −0.7 s s → I ( s )= 1 1 R B 1+ RB1 s + s C2 RB1C2 ( → V B ( s )= ) V cc V cc 2V cc −0.7 −I ( s ) RB 1 = − s s 1 s+ RB1C2 ( → V B ( t ) =V cc −(2V cc −0.7)e ) 1 RB 1 C 2 Xác định t để vB = 0.7V: 0.7=V −(2 V −0.7) e R cc cc → t =R B 1 C2 ln ⁡( 1 B1 C2 2 V cc −0.7 ) V cc−0.7 Thường Vcc >> 0.7, nên: t ≈ R B 1 C 2 ln ⁡(2) = 0,693 R B 1 C 2 ≈ 0,7 R B 1 C 2  Tính thời gian ngưng dẫn của T 2, chính là thời gian T1 bắt đầu dẫn đến khi T1 ngưng dẫn. Tương tự, thời gian ngưng dẫn của T 2 là: t ≈ R B 2 C 1 ln ⁡(2) = 0,693 R B 2 C 1 ≈ 0,7 R B 2 C 1. Vậy chu kỳ dao động của mạch được tính: T ≈ 0.7 ( RB 1 C2 + R B 2 C 1) 8 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Giả sử RB1 = RB2 = R; C1 = C2 = C thì chu kỳ dao động của mạch trở thành: T ≈ 1.4 RC Và tần số dao động: f ≈ 0.7 RC Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian ngưng dẫn của transistor là: T =RCln (2 ) Thời gian ngưng dẫn ở mức áp cao cũng là lúc tụ C2 nạp dòng qua R1 + R2: T n=ln2( R1 + R2 )C 2 Thời gian ngưng dẫn ở mức áp thấp cũng là lúc tụ C2 xả dòng qua R2: T x =ln 2 R2 C2 Như vậy chu kỳ của tín hiệu sẽ là: T = Tn +Tx T =ln 2(R1 +2 R2 )C 2 2. THIẾT KẾ MẠCH THỰC TẾ Trong bài toán yêu cầu tạo xung có tần số biến đổi từ 500 Hz đến l kHz, như vậy ta có 3 phương án thực hiện: + Điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi điện trở R1, R2. + Điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi tụ điện C2. + Điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi đồng thời tụ điện và điện trở.  Để đơn giản, chúng ta điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi điện trở R 1, R2 (dùng biến trở). Sơ đồ thiết kế mạch: 9 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Ta dùng thêm diode D1 để có thể điều chỉnh xung vuông tại chân OUT(3) là đối xứng, sở dĩ diode này có tác dụng như vậy là vì lúc tụ nạp thì dòng chi qua R 1 nhờ diode D1. Khi đó, thời gian nạp là Tn = tl = ln2 R1C2. Và khi tụ xả cũng vậy, nhờ có D 1 mà dòng xả chi qua R2 do phân cực nghịch diode và thời gian xả là T x = t2 = ln2 R2C2 . Để thu được Duty cycle =50% ta chỉ cần điều chỉnh biến trở R1 = R2 sẽ thu được Tn = Tx Hình Quá trình nạp và xả cho tụ C2 Lúc này, theo sơ đồ thiết kế, các thông số của mạch được tính là: Thời gian nạp và xả của tụ: Tn = ln2 R1C2 và Tx = ln2 R2C2 10 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Tần số mạch dao động: f= 1 1 1 =¿ = ln 2C 2 (R1 + R2) T T n +T x Độ rộng xung (Duty cycle): D= T R1 PW ×100 %= n × 100 %= × 100 % T T 2( R 1+ R 2) Muốn thay đối tần số (giữ nguyên độ rộng xung thì R 1 và R2 phải được thay đổi cùng một lúc (cùng tăng hoặc cùng giảm một giá trị như nhau). Muốn thay đổi độ rộng xung (giữ nguyên tần số) thì R 1 và R2 phải được thay đối cùng lúc nhưng có chiều ngược lại (khi tăng R1 thì phải giảm R2 cùng một giá trị như nhau). Muốn xung đối xứng tương ứng với độ rộng xung 50% ta sẽ điều chỉnh R1 = R2 Như vậy mạch được thiết kế như sau: Hình 2–6 Mạch tạo dao động xung vuông dung IC 555 11 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC  THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM  Sử dụng phầần mềầm proteus để mô phỏng sự hoạt động và sơ đôầ layout PCB Ta tiến hành mô phỏng mạch tạo xung với các yêu cầu đặt ra như sau để kiểm tra hoạt động của mạch: Ngõ vào : Nguồn DC 15V Ngõ ra : - Xung vuông ở chân số 3 và xung tam giác ở chân số 6 của IC 555 - Tần số và độ rộng có thể thay đổi nhờ vào thay đổi điện trở ( ở đây ta khảo sát với độ rộng xung 50% và tần số 500 Hz và 1kHz - Led báo điện áp ngõ ra. Mô phỏng hoạt động Sơ đồ khối chi tiết thiết kế: Khoảng điều chỉnh điện trở : 12 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Chọn C2 = 10 nF thay vào công thức f= 1 −8 ln 2(R1 + R2 )×10 Với f theo yêu cầu bài toán là thay đổi từ 500 - 1KHz Ta được 284 kΩ < (R1 +R2) < 142 kΩ Khoảng điều chỉnh với tổng 2 điện trở như trên sẽ cho ta thu được 500Hz < f <1kHz Các linh kiện khác trong mạch R3 chỉ là tải giả mắc vào chân 3 của IC 555, để mô phỏng chọn khoảng vài kΩ Khi lấy xung răng cưa trên chân 2, 6 để làm tín hiê ̣u thử mạch, Bạn phải chú ý đến ảnh hưởng của mạch ngoài lên mạch định tần với R1, R2 và các tụ C1, C2, nô ̣i trở của mạch ngoài sẽ làm thay đổi tần số của tín hiê ̣u, Ta sẽ dùng thêm tầng khuếch đại đê ̣m để cách ly trở kháng của mạch thử với mạch định tần của ic 555. R5 cũng là điện trở đệm ngõ ra của IC 555 với ngõ vào của C1585 là trán đệm (buffer) ngõ ra, thường lắp theo kiểu cực thu chung (CC), đặc điểm của cách lắp này cho ta trở kháng ngõ (Ri) vào rất lớn, R4 (RE) chọn sao cho trở kháng ngõ vào của nó đủ lớn để khi ta ghép các tầng phía sau C1815 sẽ không ảnh hưởng đến các tham số của mạch ta chọn khoảng vài trăm kΩ. Ở đây ta chọn điện trở R1 = R2 =142kΩ để thu được tần số xung vuông ngõ ra là 500Hz và Duty cycle 50% Chạy mô phỏng và kiểm tra kết quả so với tính toán Sử dụng công cụ OSCILLOSCOPE để xem kết quả mô phỏng: 13 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Hình. Chọn công cụ OSCILLOSCOPE trong proteus Chạy mô phỏng : Hình. Kết quả mô phỏng Dùng Cursors để kiểm tra lại độ rộng xung, ứng với thông số mạch, ta có Tn =Tx = 1ms 14 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Thông số Tn và Tx đo được Ta thu được trên phần mềm với Tn = 1.05 ms và Tx = 1ms Duty cycle = 1.05 =¿51.22% 1.05+1 Biên độ điện áp là 14.75V Kiểm tra tần số với công cụ COUNTER TIMER 15 Đồ án môn học – Tiến hành thực nghiệm GVHD: ABC Tần số dao động thu được khi mô phỏng là 492Hz Sai số so với tính toán lí thuyết : ∆ f = ∆ D= 500−492 ×100 %=1.6 % 500 51.22−50 ×100 %=2.44 % 50 Tương tự với tần số 1kHz. Ta điều chỉnh điện trở R1 =R2 = 71kΩ Thu được kết quả: 16