Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ
NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BÀI TẬP LỚN: Vi mạch tương tự
Số : 1
Họ và tên HS-SV :
Lớp : Điện 1
Khoá : 7

Hoàng Văn Cường

MSV : 0741040061

Khoa : Điện.

NỘI DUNG
Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo
nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại.
Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C = 00C÷ tmax = 0 ÷ 1550C.
- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:
1. U=0 ÷ 10V
2. U= 0 ÷ -5V

Lời Mở Đầu
Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển thành một đất nước công
nghiệp. Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm
nâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề
quan trọng đáng để chú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến
vấn đề đo và điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghệp,các lò luyện
gang ,sắt, thép...
Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương và các môn liên quan nhóm
chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị số từ trong quá
trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy giáo hướng dẫn
cùng các thầy cô trong bộ môn “Đo lường điều khiển” đã giúp đỡ em hoàn
thành đúng thời hạn đề tài này. Nhưng do lượng kiến thức còn hạn chế nên
trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót. Em mong được sự đóng góp của
thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn .
Em xin trân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 4 tháng 12 năm 2014
( Sinh viên thực hiện )
Hoàng Văn Cường

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO

Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
24


Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1

Đo lường là một quá trình đánh giá định hướng đại lượng cần đo để có kết quả



Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1

Nguồn cấp

Chuẩn hóa dòng
điện , điện áp

Cảm biến

Khuếch đại
Khối
so
sánh

Cảm báo

2, Chức năng của các khối trong mạch đo :
a, Khối cảm biến : khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không
điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng. ở đây ta dùng cảm
biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện
áp.

Hình 1 Các loại cảm biến
b, Khối khuếch đại : có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa
tới, vì tín hiệu điện do cảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch
đại lên để đưa vào các mạch điện khác.

1.Cảm biến: Nhiệt độ là 1 đai lượng vật lý mà ta có thể đo gián tiếp quá các
loại cảm biến nhiệt độ dựa trên sự chuyển động của của các hạt điện tích hình
thành nên dòng điện trong kim loại.
Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng hiện nay mà ta
thường dùng : - Cặp nhiệt ngẫu
Nhiệt điện trở kim loại
IC cảm biến nhiệt độ
Trong bài này ta sẽ sử dụng cảm biến là nhiệt điện trở kim loại, loại này có
2 loại thông dụng là nhiệt điện trơ platin và nhiệt điện trở nikel. Cụ thể ta sử
dụng nhiệt điện trở platin loại có độ tuyến tính theo nhiệt độ cao, điện trở
suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo dài.
2.Bộ khuếch đại thuật toán µA741 : Bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ
thuật điện trở có các dụng khuếch đại các tín hiệu điện như điện áp, dòng điện,
công suất. trong phạm vi bài này ta sẽ sử dụng khếch đại thuật toán để khuếch
đại điện áp đưa ra từ cảm biến và dùng trong bộ so sánh để đưa ra khối cảnh báo
cho mạch đo.
Hình ảnh thực tế của bộ khuếch đại thuật toán :

Hình 2 : Bộ khuếch đại µA741
3.Điện trở : Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng
được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta
tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau.
Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
24


Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1


0V nhưng trong thực tế nó không được ở mức 0V mà nó trong khoảng
( 0.35- >0,75V).
• Chân 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 cao thì trạng
thái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch
để tạo được dao động thường nối chân này lên Vcc.
• Chân 5 ( CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC
555 theo các mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND.
Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
24


Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1

Chân này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người
tathường nối chân 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF này lọc
nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
• Chân 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện
áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu.
• Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu
điều khiển bởi tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì
khóa này đóng lại , ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho
mạch R_C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động.
• Chân 8 (VCC): đây là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. không
có chân này coi như IC. chết . Nó được cấp điện áp từ 2->18V
6. IC LM 358

Hình 6 : Sơ đồ khối, chân IC LM358

với IC 7905.
Ta mắc thêm tụ điện ở ngõ ra của IC và ngõ vào của IC là để nắn dòng, làm
cho dòng điện ngõ ra ổn định hơn cho hệ thống hoạt động.

Hình 7 : Khối nguồn 5V

Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
24


Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1

Chương III : Tính Toán,Thiết Kế Mạch Đo
Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C = 00C÷ tmax = 0 ÷ 1550C.
- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:
1. U=0 ÷ 10V
2. U= 0 ÷ -5V
3. I=0÷20mA.
4. I=4÷20mA
- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị.
- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t 0C=0÷tmax/2. Thiết kế
mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và
bằng: τ=1,5 giây.
- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t 0C=
tmax/2
( Note : a = 1, n = 11)
Từ yêu cầu của đề bài là sử dụng nhiệt điện trở kim loại và dải đo từ 0
÷155oC ta đi tính và thiết kế mạch đo, tìm chọn cảm biến phù hợp …

Trong đó T đo bằng o C, R(T) là nhiệt độ của cảm biến ở nhiệt độ T, R o điện
trở cảm biến ở OoC, A B C là các hằng số và đã được đo bằng cách đo giá trị
điện trở ở nhiệt độ đã biết trước . Ở nhiệt độ thấp phương trình chuyển về.
R(T) = R0( 1+ αT )
Trong đó α hệ số nhiệt của điện trở Pt có α = 3,9.10 -3 (1/oC)

Hình 8 : Hình dạng cảm biến nhiệt điện trở Pt100
Điện trở này là một dây kim loại có bọc các đoạn sứ bao quanh toàn bộ dây
kim loại. Phần bao bọc này lại được đặt trong một ống bảo vệ(thermowell)
thường có dạng hình tròn,chỉ đưa 2 đầu dây kim loại ra để kết nối với thiết bị
chuyển đổi.Phần ống bảo vệ sẽ được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ, thông thường
can nhiệt này chỉ đo được nhiệt độ tối đa là 6000C.
Hai đầu dây kim loại để chừa ra ở phần ống bảo vệ được kết nối tới một
thiết bị gọi là bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện phục vụ cho việc
truyền tới phòng điều khiển giám sát.Thiết bị chuyển đổi có cấu tạo chẳng
qua là một cầu điện trở có một nhánh chính là Pt100(có điện trở là 100Ω ở
0oC)
Ðáp ứng của RTD không tuyến tính nhưng nó có độ ổn định và chính xác rất
cao, do vậy hay được dùng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Nó
thường được dùng trong khoảng nhiệt độ từ -250 0C đến +8500C. Can nhiệt
Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
24


Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1

độ là kí hiệu thường được sử dụng để nói đến RTD với hệ số α= 3,9.10 -3 và
Ro=100 Ω


Rcb=R0+
Ura = Ucc (
Để cầu cân bằng Ura= 0V (00C) RcRb=Ra.Rcb
Thường chọn Ra=Rb=Rc = 1kΩ
Ura= (∆R= 160-100 = 60Ω)
U ra= vì R0 bé hơn so với ∆R nên ta lắp thêm điện trở để thỏa mãn cầu
cân bằng (∆R= 60Ω)
Ura= chọn Ra = R+R0
Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
24


Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1

Với nhiệt điện trở platin Pt100 ta chọn R e= 1kΩ và có R0 = 100Ω như vậy mỗi
R sẽ là 1,1k thay vì giới hạn đầu ra là từ 0-10 V nên ta chọn nguồn cung cấp
Ucc= 5( V )

Rc

Rb
i1

Ucc
Ra

i2


3.Mạch khuếch đại đo lường và chuẩn hóa đầu ra điện áp 0÷2
Để tín hiệu đầu ra được chuẩn hóa ta dùng bộ khuếch đại thuật toán đảo với
hệ k được tính như sau :
U từ 0- 0,075V
Ura từ 0- 2V
k = 2/ 0,075 = 27

Vậy điện áp ra được xác định bởi biểu thức với điều kiện bình thường là
R4.R7=R5.R6
U0 = Ung. .( + 1)
U0 = 0 2V.
Với U0= 2V và Ung=Ura= 75 mV ta có :

.( + 1) = = = 27
Chọn R4= R5 = R6 = R7 = 1k
Vậy ta có : + 1 =27 = 26 R2 + R3 = 26R1
Chọn R2=20kΩ ; R3= 6k Ω vậy R1=1kΩ
Mạch khuếch đại có sai số lớn bởi vậy ta chọn R1 là biến trở

Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
24


Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1

Hình 9 : Mô phỏng mạch khuếch đại với Protues
Như vậy với dải đo nhiệt độ từ 0 – 1550C ta sử dụng mạch cầu đo cùng với

chuyển đổi áp-dòng.

(Hình 10)
Thường chọn R18(R20+R21) = R17.R19

(*1)

Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
24


Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1

Khi đó dòng tải có dạng IL = ( UI2-UI1) .

(*2)

Ứng với IL= 4mA thì UI2 = 0V
IL = 20mA thì UI2 = 2V
Giải hệ phương trình (*2) kết hợp với phương trình (*1) ta có được
UI = -0,5V, R18= 1KΩ, R20=7KΩ, R21=1KΩ, R19= 1KΩ ,R17=8KΩ
Như vậy ta đã tính chọn xong các điện trở cho mạch biến đổi dòng – áp
Và dòng điện ra là chuẩn công nghiệp với giá tri ra từ 0 đến 20mA khi giá trị
đầu vào là 0 đến 2V. sau khi chuyển đổi xong thành tín hiệu dòng điện ta sẽ tiếp
tục đưa vào khối hiển thị.
5.2 Chuẩn hóa dòng ra 0mA đên 20mA
Sau khi chuẩn hóa đầu ra ra điện áp ta cần phải chuẩn hóa đầu ra cho dòng
điện, chuẩn hóa đầu chuẩn công nghiệp là 0-20mA. Như vậy cần thiết kế mạch

5.4 Mạch chuẩn hóa điện áp 0 ÷10V
Với cách làm tương tự 5.3, ta dùng
mạch biến đổi điện áp – dòng điện không
đảo,
Ura = Uv ( 1 + )
+ Uv = 0V ,Ura = 0V
+ Uv = 2V,Ura = 10V
Tính chọn thiết bị R30 = 4kΩ, R5 = 1kΩ
Chọn R31 = 100Ω

(Hình 13 )

6.Mạch cảnh báo
Để có tín hiệu cảnh báo theo đúng nhiệt độ mà mình muốn ta cần phải chuyển
đổi tín hiệu đó từ nhiệt độ sang điện áp. Như vậy ta cần dùng mạch so sánh để
so sánh với tín hiệu mà ta đặt để đưa ra tín hiệu cảnh báo.
Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh 1 điện áp vào với một điện áp chuẩn U đ
trong mạch so sánh chỉ có tín hiệu ra chỉ có 2 mức, mức điện áp cao và mức
điện áp thấp nghĩa là khi Ui Uđ thì điện áp ra điện áp ra : Ura gần =0 V
Khi điện áp ra ở mức cao Ui> Uđ thì điện áp ra khác 0
U0
Uimax

Uimin

Uđ
Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
24



Uv

P+
0V

R2
Ta có : tại P thì

Up= ( + ).R12
R12 = +

Có UN = 0V
• Nếu Up>Un thì Up > 0 vậy Ura = + Ucc ( bão hòa mức dương)
Up>0 suy ra + > 0
Uv > - .Uđ
• Ngược lại khi UpUn thì Ura=0 bão hòa mức âm và đi biểu thức đổi
dấu

Yêu cầu của đề bài là khi quá 1V thì cảnh báo vậy ta chọn 2 giá trị điện trở
bằng nhau chọn R1 = 100Ω , R2= 2kΩ
Ur
Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
24


Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1

+Ucc

Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
24


Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1

Hình 16 : Mô hình mạch mô phỏng dùng LED đơn trong protues
Tính chọn điện trở :
T= Tx + Tn = 1,5 + 1,5 = 3 = ln2.(Ra+Rb).C
Để mạch có thời gian LED sáng tối bằng nhau thì Ra = Rb,
chọn Ra = Rb =1kΩ nên C= 2mF

Hình 17 :Hiển thị xung trên Oscilloscope
Chương IV : Kết luận và hướng phát triển.
1. Kết luận
Với đề tài được giao em đã cố gắng hoàn thành đồ án trong thời gian quy
định. Trong quá trình thiết kế, do kiến thức còn hạn hẹp và trình độ hiểu biết
chuyên môn còn tương đối hạn chế nên sẽ khó tránh khỏi những sai sót, khuyết
điểm. Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo nhiệt tình từ phía các thầy cô
Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
24


Vi Mạch Tương Tự

ĐH Điện 1

để đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn thầy trong thời gian