Thiết kế bộ đo tần hiển thị số

phÇn I: Giíi thiÖu ®Ò tµi vµ yªu cÇu cña ®Ò tµi 1.§Ò tµi ThiÕt kÕ bé ®o tÇn hiÓn thÞ sè 2.Yªu cÇu -§èi víi tÝn hiÖu vµo: +Biªn ®é ®¹t tõ 5 mV ®Õn 50 mV +TÝn hiÖu vµo cã thÓ h×nh sin, xung vu«ng, xung tam gi¸c. +TÇn sè tõ 0 ®Õn 9999 Hz -KÕt qu¶ ra: ph¶i ë d¹ng hiÖn sè ra Led 7 thanh 3. KÕt qu¶ ®· ®¹t ®­îc -§èi víi tÝn hiÖu vµo: +Biªn ®é nhá nhÊt cã thÓ lµ mét vµi mV cho ®Õn mét vµi V«n. +TÝn hiÖu vµo cã thÓ lµ h×nh sin, xung vu«ng, xung tam gi¸c. +TÇn sè hiÓn thÞ cùc ®¹i cho phÐp lªn ®Õn 999999 Hz(1 Mhz theo s¬ ®å nguyªn lý). TÇn sè ®o ®­îc thùc tÕ kho¶ng vµi chôc KHz. phÇn II: ph©n tÝch m¹ch 1.Ph©n tÝch ®Ó t¹o s¬ ®å khèi -Do yªu cÇu cña tÝn hiÖu vµo cã biªn ®é rÊt nhá, do ®ã ph¶i cã mét bé tiÒn khuÕch ®¹i ë ®Çu vµo. -Do yªu cÇu hiÓn thÞ sè nªn ph¶i cã mét bé ®Õm ë ®Çu ra lµm nhiÖm vô ®Õm tÇn sè vµ hiÓn thÞ ra Led 7 thanh -V× ®Çu vµo t­¬ng tù ë d¹ng h×nh sin, xung vu«ng, xung tam gi¸c ®Çu ra lµ mét m¹ch ®Õm sè do ®ã ph¶i cã mét m¹ch söa d¹ng tÝn hiÖu chuyÓn tÊt c¶ tÝn hiÖu vÒ d¹ng xung vu«ng ®Ó c¸c m¹ch sè cã thÓ lµm viÖc ®­îc. 2.S¬ ®å khèi cña bé ®o tÇn sè KÕt qu¶ qu¶ Uvµo M¹ch ®Õm Söa d¹ng KhuÕch ®¹i 3.Yªu cÇu cho tõng khèi -TÇng khuÕch ®¹i: +Gi÷ nguyªn tÇn sè tÝn hiÖu +Cã thÓ khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p vµo Ýt nhÊt tõ 5 mV trë lªn +§iÖn ¸p ra ph¶i tõ kho¶ng 1V trë lªn -TÇng söa d¹ng: víi mäi tÝn hiÖu ë ®Çu vµo ph¶i cho ®Çu ra ë d¹ng xung vu«ng cã ®ñ tiªu chuÈn cho mét m¹ch sè ë tÇng sau. -M¹ch ®Õm: ®ñ kh¶ n¨ng ph¶n øng víi tèc ®é biÕn ®æi xung ë ®Çu vµo, cho kÕt qu¶ t­¬ng øng chÝnh x¸c ë ®Çu ra. phÇn III: ThiÕt kÕ c¸c khèi A.ThiÕt kÕ phÇn gia c«ng tÝn hiÖu nhá t­¬ng tù 1.Khèi tiÒn khuÕch ®¹i -Do sù h¹n chÕ vÒ thiÕt bÞ ®o l­êng c¸c tÝn hiÖu t­¬ng tù (Oxil«, m¸y hiÖn d¹ng sãng, ®ång hå ®o...) nªn m¹ch khuÕch ®¹i ph¶i ®¹t yªu cÇu ®¬n gi¶n, dÔ ®iÒu chØnh, dÔ tÝnh to¸n. Do ®ã m¹ch khuÕch ®¹i dïng IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n ®­îc chän. Lo¹i dïng phæ biÕn rÊt dÔ mua lµ HA17741 do h·ng Hitachi s¶n xuÊt. -Mét sè th«ng sè ®iÓn h×nh cña IC HA17741 §iÖn ¸p cung cÊp (nguån) 5 ®Õn 18 V Kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p 108 dB C«ng suÊt ra t¶i 670 mW §iÖn ¸p ra khuÕch 13V -S¬ ®å m¹ch khuÕch ®¹i ®­îc sö dông lµ s¬ ®å khuÕch ®¹i kh«ng ®¶o (gi÷ nguyªn pha, tÇn sè cña tÝn hiÖu vµo): -§Ó ®¸p øng ®­îc yªu cÇu biªn ®é tÝn hiÖu vµo cña bé tiÒn khuÕch ®¹i lµ 5mV, ®iÖn ¸p ra t­¬ng øng víi nã chän kho¶ng 2 ®Õn 2,5V ta tÝnh ®­îc hÖ sè khuÕch ®¹i lµ(c¸c phÐp tinh coi nh­ gÇn ®óng khi gi¶ sö hÖ sè khuÕch ®¹i vi sai v« cïng lín): Ku=2,5/5.10-3=500 -Do ®ã chän m¹ch håi tiÕp cã gi¸ trÞ gÇn nhÊt lµ: R1=1k R2=560k =>Ku=560 -Do c¸c m¹ch sè chØ ho¹t ®éng víi tÝn hiÖu mét cùc tÝnh nªn ta chñ ®éng c¾t bá phÇn ©m cña tÝn hiÖu b»ng c¸ch chØ cung cÊp nguån mét cùc tÝnh cho HA17741 (trªn h×nh vÏ). -Víi biªn ®é tÝn hiÖu vµo nhá h¬n 0.8*Vcc/Ku=0.8*8/560 kho¶ng 10mA th× tÝn hiÖu ra khái tÇng kh«ng mÐo. D¹ng vµ tÇn sè tÝn hiÖu ra gièng nh­ tÝn hiÖu vµo. -Qua ch­¬ng tr×nh m« pháng trªn m¸y tÝnh ELECTRONICS WORKBENCH 5.12 ta cã d¹ng sãng t¹i cöa vµo vµ cöa ra t¹i c¸c biªn ®é ®iÖn ¸p kh¸c nhau cña tÝn hiÖu vµo nh­ h×nh vÏ: -TÝn hiÖu vµo h×nh sin biªn ®é 5mV tÇn sè 1KHz: -TÝn hiÖu vµo lµ xung tam gi¸c biªn ®é 5mV tÇn sè 1KHz: -TÝn hiÖu vµo lµ xung vu«ng 5mV 1KHz: -Khi biªn ®é tÝn hiÖu ®Çu vµo lín h¬n 0.8*Vcc/Ku th× ®Çu ra cã mÐo d¹ng nh­ng tÇn sè kh«ng thay ®æi. Tuy nhiªn sù mÐo d¹ng nµy l¹i rÊt cã Ých vµ cã thÓ cho ®ã lµ qu¸ tr×nh söa d¹ng s¬ bé v× tÝn hiÖu cuèi cïng chóng ta cÇn lµ xung vu«ng. -Khi ®Ó tÝn hiÖu vµo lµ 25mV h×nh sine tÇn sè 1KHz ta thu ®­îc d¹ng sãng: -TÝn hiÖu lµ xung tam gi¸c 25mV 1KHz: -TÝn hiÖu lµ xung vu«ng 25mV 1KHz: 2.Khèi söa d¹ng Sau khi ®· khuÕch ®¹i tÝn hiÖu ta tiÕn hµnh söa d¹ng tÝn hiÖu thµnh d¹ng xung vu«ng nh­ mong muèn ®Ó ®­a vµo tÇng ®Õm sè. Khèi nµy ph¶i ®¸p øng ®­îc c¸c yªu cÇu khi ®­a c¸c tÝn hiÖu cã d¹ng sine, xung r¨ng c­a hay xung vu«ng vµo ®Çu vµo th× ®Çu ra ph¶i cã d¹ng xung vu«ng mang ®Çy ®ñ c¸c chØ tiªu ®Ó c¸c m¹ch sè cã thÓ lµm viÖc ®­îc. Ta cã thÓ ®¸p øng c¸c yªu cÇu trªn víi mét bé so s¸nh dïng IC thuËt to¸n: Nguyªn lý lµm viÖc cña m¹ch trªn nh­ sau: -Khi Vin lín h¬n 0V th× Vout = +Vcc -Khi Vin nhá h¬n hoÆc b»ng 0V th× Vout = 0V Víi nguyªn lý lµm viÖc nh­ trªn m¹ch so s¸nh cã thÓ ®¸p øng ®­îc c¸c yªu cÇu vÒ söa d¹ng xung mét cùc tÝnh ë tÇng ra cña bé khuÕch ®¹i. Thùc hiÖn m« pháng trªn ELECTRONICS WORKBENCH 5.12 lÊy c¸c tÝn hiÖu ë ®Çu ra cña bé khuÕch ®¹i lµm ®Çu vµo cña bé so s¸nh ta ®­îc c¸c kÕt qu¶ t­¬ng øng víi nh÷ng tr­êng hîp ®· ®o ë phÇn thiÕt kÕ bé khuÕch ®¹i. -Khi tÝn hiÖu tÇng vµo ®Çu tiªn lµ h×nh sin 5mV-1 KHz: -Khi tÝn hiÖu tÇng vµo ®Çu tiªn lµ xung tam gi¸c 5mV-1 KHz: -Khi tÝn hiÖu tÇng vµo ®Çu tiªn lµ xung vu«ng 5mV-1 KHz: -Khi tÝn hiÖu tÇng vµo ®Çu tiªn lµ h×nh sin 25mV-1 KHz: -Khi tÝn hiÖu tÇng vµo ®Çu tiªn lµ xung tam gi¸c 25mV-1 KHz: -Khi tÝn hiÖu tÇng vµo ®Çu tiªn lµ xung tam gi¸c 5mV-1 KHz: Ta nhËn thÊy khi tÝn hiÖu cña tÇng vµo ®Çu tiªn nhá ( øng víi tr­êng hîp ch­a bÞ mÐo) th× m¹ch so s¸nh tiÕn hµnh söa d¹ng rÊt hiÖu qu¶ cßn khi tÝn hiÖu qua tÇng khuÕch ®¹i ®· bÞ mÐo th× m¹ch söa d¹ng kh«ng cßn hiÖu qu¶ l¾m do d¹ng tÝn hiÖu ®· gÇn gièng víi xung vu«ng. Do ®ã ta thÊy khi tÝn hiÖu cÇn ®o tÇn cã biªn ®é ®ñ lín th× m¹ch khuÕch ®¹i cã thÓ kiªm lu«n chøc n¨ng söa d¹ng. TiÕn hµnh ®o thö víi tÝn hiÖu ®Çu vµo h×nh sin 1V-1KHz: Râ rµng lµ tÝn hiÖu ®Çu vµo vµ ®Çu ra cña m¹ch söa d¹ng lóc nµy lµ rÊt gièng nhau. V× vËy m¹ch söa d¹ng chØ cã t¸c dông dù phßng khi ta sö dông thiÕt bÞ ®Ó ®o c¸c tÝn hiÖu cã biªn ®é nhá 3.NhËn xÐt chung: Trong hai tÇng gia c«ng tÝn hiÖu trªn ta ®Òu dïng c¸c IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n ®Ó gia c«ng tÝn hiÖu vµo. C¸c chØ tiªu cña bé ®o tÇn sÏ phô thuéc rÊt nhiÒu vµo chÊt l­îng gia c«ng tÝn hiÖu cña hai tÇng nµy. VÒ mÆt tÇn sè: do c¸c IC nµy cã thêi gian trÔ kh¸ lín kho¶ng us/V nªn kh«ng thÓ lµm viÖc ®­îc khi tÇn sè tÝn hiÖu vµo cao (chØ kho¶ng vµi chôc KHz trë xuèng). §Ó kh¾c phôc nh­îc ®iÓm nµy ta cã thÓ thay thÕ b»ng c¸c IC cã tèc ®é ph¶n øng nhanh h¬n nhiÒu(cì ns) nh­ uA710, A110, LM310-339 hoÆc NE521... Trong ®Ò tµi nµy do yªu cÇu tÇn sè kh«ng cao(d­íi 10 KHz) vµ do linh kiÖn s½n cã nªn ®Ó tiÕt kiÖm c¸c IC HA17741 ®· ®­îc sö dông. C¸c IC nµy cã ®ñ kh¶ n¨ng ®¸p øng ®­îc d¶i tÇn sè yªu cÇu. B.Bé ®Õm 1.Giíi thiÖu vÒ bé ®Õm BCD 3 ch÷ sè MC14553 cña h·ng Motorola S¬ ®å ch©n cña MC14553 -Trong MC14553 cã 3 bé ®Õm BCD hoµn chØnh, mét m¹ch quÐt ®Ó phôc vô hiÓn thÞ kÕt qu¶ t¹i cïng mét cæng ra. -C¸c ch©n DS1, DS2, DS3(Digit Select) chän c¸c Led 7 thanh hiÓn thÞ kÕt qu¶, tÝch cùc ë møc thÊp -C¸c ch©n A,B,C,D lµ ®Çu ra m· BCD ®Ó ®­a vµo bé gi¶i m· Led 7 thanh, tÝch cùc møc cao -LE (Latch Enable) cho phÐp chèt tÝch cùc ë møc cao. Khi ®­a tÝn hiÖu møc 1 vµo ch©n nµy th× tr¹ng th¸i cña ba bé ®Õm sÏ ®­îc chèt -CLK(Clock) ®­a xung ®Õm vµo bé ®Õm, tÝch cùc s­ên xuèng -MR (Master Reset): Khëi ®éng l¹i bé ®Õm mçi khi cã tÝn hiÖu møc 1 -DIS (Disable): V« hiÖu ho¸ xung vµo CLK(Clock) khi ®­îc ®­a lªn møc 1 -OF (Over Flow): Trµn, mçi khi cã trµn sÏ cã 1 xung ra -C1,C2: Nèi vµo mét tô ®Ó t¹o dao ®éng quÐt cho m¹ch quÐt. Khi cÊp nguån 10V th× tÇn sè quÐt ®­îc tÝnh fosc=4.2/C (Hz) tô C tÝnh ra uF B¶ng sù thËt x=Don’t care §©y lµ bé ®Õm dïng c«ng nghÖ MOS rÊt ®a n¨ng, gän nhÑ cã d¶i tÇn ®Õn 1 vµi MHz. §iÖn ¸p cung cÊp tõ 5 ®Õn 18 V, cã thÓ ghÐp nèi TTL 2.S¬ ®å bé ®Õm Dïng 2 IC MC14553 kÕt hîp víi hai bé gi¶i m·, 6 Led 7 thanh, vµ mét m¹ch ngoµi ta cã s¬ ®å bé ®Õm 6 Digit Trong ®ã CLKin lµ ch©n ®­a tÝn hiÖu cÇn ®Õm vµo CLK 1Hz ®­a tÝn hiÖu 1Hz ®Ó Reset l¹i bé ®Õm sau 1s vµ chèt ®Çu ra ®Ó hiÓn thÞ kÕt qu¶. Nguyªn lý: -D·y xung ®Õm ®­îc ®­a vµo ch©n CLKin (ch©n 12 cña IC14553 thø nhÊt). Mçi khi trµn bé ®Õm nµy th× sÏ cã 1 xung ra ch©n OF(ch©n 14) göi sang bé ®Õm thø hai. -Hai IC 4511 lµm nhiÖm vô gi¶i m· ®Ó ®­a ra Led 7 thanh -T¹i ch©n CLK 1s : sÏ cã d·y xung vµo cã d¹ng 1s 5s 1s -Trong thêi gian 1s kh«ng cã xung, c¶ ch©n LE(Latch) vµ ch©n MR(Reset) ®Òu ë møc 0. Bé ®Õm ®Õm sè xung vµo ch©n CLK -T¹i 5s cã xung tiÕp theo, ch©n LE sÏ cã xung 1 tr­íc ®Ó chèt ®Çu ra cña bé ®Õm. Qua hai cæng NAND cña IC4511, møc 1 ®­îc ®­a vµo trÔ h¬n ch©n LE mét chót ®Ó Reset l¹i bé ®Õm sau khi ®· ®­îc chèt. KÕt qu¶ sÏ ®­îc ®­a ra hiÓn thÞ trong 5s(®ñ thêi gian ®Ó ng­êi sö dông ®äc kÕt qu¶). -T¹i 1s tiÕp theo, møc ®­îc ®­a vµo ®Ó bá chèt tr­íc(LE vÒ 0) sau ®ã cho phÐp bé ®Õm ®­îc ®Õm l¹i tõ 0(MR vÒ 0). -Hai bé ®Õm MC14553 sÏ nèi chung tô t¹i ch©n 3 vµ 4 ®Ó chóng ®ång bé víi nhau vÒ tèc ®é còng nh­ thêi gian quÐt ®Çu ra. -C¸c ch©n DS1,DS2,DS3 cña 1 trong 2 IC14553 ®­îc nèi qua 3 Transitor ®Ó cho hai ®Ìn Led s¸ng trong cïng 1 thêi ®iÓm. 3.M¹ch t¹o xung cho ch©n CLK 1Hz dïng IC 555 §©y lµ m¹ch ®­îc l¾p theo s¬ ®å cã thÓ ®iÒu khiÓn ®­îc ®é réng xung ra dùa vµo viÖc ®iÒu chØnh thêi gian phãng n¹p cho tô C2 0.7R2C2 0.7R3C2 -Khi ®iÒu gi¸ trÞ cña R2 vµ R3 hîp lý ta sÏ cã ®­îc thêi gian ®Õm xung lµ 1s vµ thêi gian hiÓn thÞ kÕt qu¶ cã thÓ chän theo ý muèn. ViÖc ®iÒu chØnh sÏ dÔ dµng khi ta ®­a vµo ®Çu vµo mét xung chuÈn cã tÇn sè biÕt tr­íc. PhÇn IV: S¬ ®å m¹ch hoµn chØnh vµ phÇn m¹ch in 1.S¬ ®å m¹ch hoµn chØnh: 2.S¬ ®å thiÕt kÕ m¹ch in hai líp a.Líp trªn 3.S¬ ®å líp d­íi