Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
MÁY ĐO TẦN SỐ HIỂN THỊ SỐ DÙNG
TRONG GIẢNG DẠY
SINH VIÊN THỰC HIỆN: NGUYỄN VĂN KHÁNH
NGUYỄN MINH TỨ
LỚP: 95 KĐĐ

...................................................................................................................
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
3

...................................................................................................................
...................................................................................................................
..................................................................................................................
...................................................................................................................
..................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
..................................................................................................................
...................................................................................................................
..................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
4

..................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
..................................................................................................................
...................................................................................................................
..................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
..................................................................................................................
...................................................................................................................
..................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
..................................................................................................................
GIÁO VIÊN XÉT DUYỆT
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
6


I. Sai số và cấp chính xác
II. Các loại thiết bò đo tần số
Chương II : Cơ Sở Lý Luận
III. Giới thiệu về vi mạch số
IV. Các mạch taọ dao động
V. Cấu tạo mạch đếm
VI. Mạch giải mã và hiển thò
VII. Giao tiếp công suất
Chương III : Thiết Kế Mạch Đếm Tần Số
I. Sơ đồ khối toàn mạch
II. Mạch dao động chuẩn
III. Mạch chia tần số tín hiệu ngõ vào và mạch khống
chế thời gian đếm trong 1 giây
IV. Mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào
V. Mạch đếm và giải mã
VI. Mạch hiển thò
VII. Mạch nguồn
Chương IV : Thi Công
I. Hình dạng mô hình
II. Sơ đồ nguyên lý
1. Mạch ngõ vào
2. Mạch dao động chuẩn
3. Mạch đếm và giải mã
4. Mạch hiển thò
III. Lắp ráp và cân chỉnh thiết bò
Chương VI: Kết Luận
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

Là sai số có giá trò ngẫu nhiên khi tiến hành các phép đo cùng điều
kiện.
Để có được các kết quả đo chính xác ta dùng phương pháp thống kê,
lấy trung bình cộng các kết quả đo, với số phép đo rất lớn.
Cần nhớ rằng phép lấy trung bình cộng không thể loại bỏ sai số hệ
thống.
Việc phân chia sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên cũng có tính chất
tương đối. Cùng một nguyên nhân gây ra sai số, tùy thuộc vào điều kiện
nghiên cứu, lúc này có thể coi là sai số ngẫu nhiên, lúc khác có thể coi là sai
số hệ thống. Nói chung khi sai số được coi là sai số hệ thống nếu ta biết rõ
nguyên nhân và mức độ gây ra sai số của tác động ấy. Nếu ta chỉ quan tâm
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
9
đến tính chất thống kê của sai số, không khống chế nguyên nhân gây ra sai
số, sai số sẽ có tính chất ngẫu nhiên. Việc lấy trung bình cộng chỉ có thể loại
được sai số ngẫu nhiên nếu số lượng phép đo đủ lớn, sau cho tác động gây ra
sai số ngẫu nhiên biến đổi trong phạm vi lớn, sai số ngẫu nhiên có dạng phân
bố chuẩn .

3/ Cấp chính xác của dụng cụ đo:
Cấp chính xác của một dụng cụ hay thiết bò đo là tỉ số tính theo phần
trăm giữa sai số lớn nhất cho phép trong điều kiện làm việc bình thường của
thiết bò đo với giá trò đònh mức của thiết bò đó. Do đó khi sử thiết bò đo lường
chúng ta cần quan tâm đến cấp chính xác của thiết bò đo được ghi trên máy
hoặc trong sổ tay kỹ thuật của thiết bò đo. Để từ cấp chính xác này chúng ta
sẽ đánh giá được sai số của kết quả đo. Ví dụ một vôn kế có ghi cấp chính
xác là 1 nghóa là giới hạn sai số của nó cho tầm đo là 1%.

nguồn.
Giá trò hiệu dụng các dòng điện qua các cuộn dây động được tính:
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
10

Lf
U
I
CUfI
.2
..2
2
1





Như vậy gốc  chỉ của kim sẽ tương ứng với giá trò:

 
2
2
2
1
22
11

đến f
2
, mạch cộng hưởng 1 luôn có tính
chất điện cảm, cộng hưởng 2 luôn có tính chất điện dung, với điều kiện pha
tương tự như khi mắc L và C
2
, nhưng với mạch cộng hưởng trở kháng ở lân
cận tần số cộng hưởng thay đổi rất nhanh theo tần số, vì vậy độ nhạy cao hơn.

2./ Tần số kim chỉ kiểu tỉ số từ điện: Hình. II.2
Người ta có thể dùng cơ cấu đo là tỉ số kế từ điện để tạo tần số kế kim
chỉ.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
11
Nhưng tỉ số kế từ điện chỉ đo được dòng một chiều do đó ta phải dùng mạch
chỉnh lưu. Và vì đã dùng mạch chỉnh lưu nên ta không phải quan tâm đến pha
của các dòng điện nên mạch đo cũng đơn giản hơn. Cuộn động 1 được nối
đến đường chéo của cầu chỉnh lưu (I), cuộn động 2 được nối đến đường chéo
cầu chỉnh lưu (II). Dòng qua cuộn 1 là dòng chỉnh lưu của mạch chứa điện
dung, còn dòng qua cuộn 2 là dòng chỉnh lưu của mạch chứa điện trở. Bỏ qua
trở kháng vào của các cầu chỉnh lưu.
Ta có:

UCfI

Tần số kế kiểu rung dựa vào hiện tượng cộng hưởng cơ học. Nó cấu
tạo như hình (H.II.3). Gồm 1 nam châm điện (1), lõi làm bằng thép lá kỹ
thuật điện, thuộc loại sắt từ mềm. Nam châm điện hút giá đỡ (2) của bộ rung.
Trên giá rung gắn các lá rung (3), có tần số cộng hưởng riêng khác nhau. Nếu
tần số nguồn đo là 50Hz, ta chọn cả lá rung có tần số cộng hưởng riêng
khoảng 88  100Hz cách nhau 1 Hz.
Khi cấp nguồn có tần số cần đo cho cuộn dây nam châm điện, cuộn
dây hút giá đỡ bộ rung. Do dòng điện qua nam châm điện thay đổi theo thời
gian, lực hút của nam châm cũng thay đổi theo thời gian, tần số thay đổi của
lực hút bằng 2 lần tần số nguồn điện, các lực rung bò rung theo. Lực hút thay
đổi làm giá trò bò rung theo, với tần số của lực hút, tức 2 lần tần số nguồn. Do
tính chất cộng hưởng lá rung, lá rung có tần số riêng bằng tần số của lực sẽ
rung mạnh nhất. Quan sát các bản rung, ta sẽ biết bản nào rung mạnh nhất, từ
đó xác đònh tần số của nguồn điện cần đo. Để tiện sử dụng người ta không
khắc độ bản rung tần số riêng mà theo tần số nguồn, tức nửa tần số rung.

4/ Tần số kế chỉ thò số:

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
12Hình II.4:
Sơ đồ mạch chia tần số
Điện áp U
x
có tần số f

f =

Với T
n
là chu kỳ của xung chuẩn (U
4
) và cũng là thời gian mở cổng
logic. Ở đây xung chuẩn (U
4
) do mạch dao động thạch anh tạo ra, vì tần số
lớn (f
o
từ 100KHz  1MHz), nên sau khi sửa thành dạng xung vuông (U
3
) cần
cho qua mạch chia tần số để thành U
4
có tần số f
n
. xung chuẩn (U
4
) tác động
vào Flip – Flop theo nguyên lý kích thích bằng cạnh trước (ký hiệu FF) tạo ra
xung mở cổng (U
5
) trong thời gian T
n
. Sai số của xung được đếm trong thời
gian cổng mở là 1 xung. Vì thế khi tần số f
x

Hai mức điện thế này cách xa nhau đủ xa để mạch logic có thể phân
biệt được hai mức. Khi xử lý tín hiệu nhò phân các ngỏ vào và ra của bản thân
các mạch logic cũng phát hiện ở một trong hai mức điện thế đó.
Vi mạch số gồmcó hai loại: - Một loại thuộc họ TTL được cấu tạo từ
các transistor – Một loại thuộc họ CMOS được cấu tạo từ các transistor
trường.

2/ Ưu điểm của vi mạch số:
– Ít bò ảnh hưởng bởi nhiễu âm (noise).
– Dễ được chế tạo thành mạch tích hợp (IC) và trong thực tế đã có rất nhiều
mạch tích hợp số được sản xuất cho nhiều chức năng khác nhau.
– Thiết kế và phân tích mạch đơn giản hơn.
– Thuận tiện cho việc điều khiển tự động lưu trữ và xử lý dữ liệu (data), kết
hợp với các loại máy tính.

3/ Nhược điểm:
Tín hiệu được xử lý phải là dạng xung có hai mức logic rõ rệt. Vì vậy
khi xử lý tín hiệu tương tự cần phải có bộ chuyển đổi từ tương tự sang số.

4/ Phạm vi ứng dụng của vi mạch số:
Vi mạch số được ứng dụng trong nhiều lónh vực như quân sự, các dụng
cụ y tế, các loại máy móc trong sản xuất.

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
14
II/ CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG:
Mạch dao động tạo xung đóng vai trò quan trọng trong các mạch số.


THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
15Điện trở R
1
, R
2
và biến trở R
3
phân cực cho hai cổng Nand gần thềm
logic, các điện trở này phải nhỏ hơn điện trở ngõ vào của cổng, thường dưới
1K.
Nguyên lý hoạt động: Giả sử ngõ vào của N
1
vừa xuống ngưỡng mức
thấp (0V) để ngõ ra Q lên ngưỡng mức cao (1V). Sự thay đổi logic của tia
được tụ C
2
nạp truyền về ngõ vào của N
2
khiến cho ngõ ra
Q
xuống mức
thấp (0V), và mức logic này được tụ C
1

Q
lên
mức cao (1), ngõ vào N
1
cũng đạt đến ngưỡng mức cao. Ngõ ra Q xuống mức
thấp (0), sau đó tụ C
1
xả điện qua R
1
, R
3
để đổi trạng thái của mạch trở lại
như trong quá trình C
1
xả điện. Điện trở R
3
nằm trên đường xả điện của C
1
và
C
2
có thể thay đổi giá trò để cho tần số mạch thay đổi. Khi mạch đối xứng
nghóa là C
1
= C
2
; R
1
= R
2

Biến áp T
1
dùng để hạ mức điện áp lưới cho phù hợp với nguồn nuôi
của IC cổng. Nguyên lý của mạch lấy dao động của lưới điện là mạch sửa
dạng sóng từ dạng sóng sin sang dạng sóng vuông có tần số là tần số của lưới
điện.

4/ Mạch dao động dùng vi mạch tích hợp:
Mạch tích hợp 555 (NE555, NC555) được chế tạo lần đầu tiên, khoảng
15 năm trước đây và được sử dụng phổ biến. Khả năng cần dòng ra lớn
(200mA) hoạt động với 1 quãng điện thế rộng từ 4,5V đến 16V.
Độ ổn đònh nhiệt là 0,005% cho mỗi độ C mạch làm việc cho ra tần số
thay đổi được nhờ các linh kiện bên ngoài, độ ổn đònh của tần số không cao.
5./ Phương pháp dùng dao động thạch anh.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
17
Thạch anh là một tinh thể có tính áp điện. Nếu ta đặt một điện thế giữa
hai đầu bản cực của thạch anh thì sẽ cho ra dao động cơ học và ngược lại cho
tác dụng lực cơ học thì xuất hiện điện thế ngõ ra ở hai bả cực.
Với tính chất đặc biệt này, thạch anh có nhiều ứng dụng trong lónh vực
điện tử. Ứng dụng quan trọng nhất là dùng thạch anh tạo dao động chuẩn.
Nhưng thạch anh hiện có trên thò trường có thể do tần số dao động rất cao từ
hàng MHz đến hàng trăm MHz với độ chính xác cao và giá thành tương đối
thấp. Đây là loại dao động rất được tin cậy để chọn làm dao động chuẩn.

18
 Dựa vào hướng dẫn:
Người ta chia ra mạch đếm có ba cách:
– Đếm lên.
– Đếm xuống.
– Đếm vòng.

1./ Mạch đếm không đồng bộ:
Trong mạch đếm không đồng bộ, xung đếm được đưa vào đầu vào nhòp
xung của FF thứ nhất. Còn xung của FF tiếp theo sau phụ thuộc vào ngõ ra
của FF phía trước.
Hình (H.III.1a) là mạch đếm không đồng bộ dùng các FF – JK – MS
(Flip Flop – JK – Master Slave). Bốn FF được mắc nối tiếp, ngõ vào JK được
nối chung lại với nhau tạo FF-T và ngõ vào T được mắc lên cao (hay để hở).
Xung đếm được đưa vào FF đầu tiên là FF
A
, Hình (H.III.1b) trình bày các
dạng sóng của mạch đếm.
Hình III.1a

Hình III.1.b
Các FF sẽ đổi trạng thái khi xung vào cổng Clock đổi từ 1 xuống 0.
Như vậy Q
A

) hay
mạch chia cho 16. Mạch đếm từ 0000 = 0
10
(Nếu được xóa trước khi có xung
vào) lên tối đa 1111 = 15
10
rồi tự động quay về đếm lại từ 0000 = 0
10
, bảng
Hình (H.III.1.c) chỉ ra. Số xung
vào
Trạng thái ra ngay sau khi có xung
vào
Số thập phân tương ứng
với số nhò phân
Q
D
Q
C
Q
B
Q
A

Xóa
1
2

1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0

1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
15
15
0
1
2
Hình III.1.c
 Ưu điểm:
Ưu điểm của mạch đếm không đồng bộ là cấu trúc đơn giản.
 Nhược điểm:
Thời gian trễ khá lớn, thời gian trể tỉ lệ với số tăng của mạch đếm.
- Tính chống nhiễu kém, xung nhiểu có thể tác động vào từng nhòp vào của
FF và có thể làm sai lệch kết quả đáng kể.
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
21
FF
A
đổi trạng thái của nó theo mỗi xung đếm, sau xung đếm thứ nhất Q
A
=
1 cũng như FF
A
, FF
B
,FF
C
, FF
D
đã nhận ra xung đếm thứ nhất ở đầu vào Clock
của nó vì Q
A
= Q
B
= Q
C
= Q
D
= 0 nên khi này đầu vào JK của các FF

và Q
D
vẫn giữ nguyên trạng thái. Ở xung
thứ ba thì Q
B
, Q
C
, Q
D
không đổi trạng thái vì J và K của chúng bằng 0, Q
A
đổi
trạng thái từ 0 – 1 (Q
A
= 1, Q
B
= 1), ở xun g đếm thứ tư J và K của FF
D
bằng
0, còn J và K của FF
A
, FF
B
, FF
C
đều bằbg 1 nên chúng đổi trạng thái Q
A
= 0,
Q
B
Hình III .3a Hình III.3b

Hình (III.3a) là biểu diễn dạng sóng ra của mạch đếm vòng.

Giả sử ban đầu FF cuối cùng được đặt ở Q
C
= 1 còn hai FF kia được
xóa để ngõ ra Q
A
= Q
B
= 0. Đồng hồ tác động cạnh sau Q, Q
A
lên 1, Q
B
= 0,
Q
C
xuống 0. Ở xung thứ 2, Q
A
xuống 0, Q
B
lên 1,Q
C
= 0, ở xung thứ 3, Q

5
1
0
0
0
0
1
0
1
0

THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
23
Mạch đếm hình Hình (H.III.3c) là mạch đếm Johnson. Mạch được hồi
tiếp chéo từ
Q
trở về J, Q trở về K. Giả sử ban đầu mạch được xóa để Q
A
=
Q
B
= Q
C
= 0. Ở trạng thái thứ nhất cạnh sau Q
A
lên 1, Q
B


Hình III.3c

Dạng sóng ngõ ra là dạng sóng riêng có tần số bằng
6
1
lần tần số xung
vào, nhưng có lệch pha nhau. Sự hoạt động của mạch được tóm tắt ở (Hình
III.3f)
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN
Luận n tốt Nghiệp Mô Hình Máy Đo Tần Số

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
24
Số xung vào Trạng thái ra ngay sau khi có xung vào Số thập phân
tương ứng
Q
C
Q
B
Q
A

0
1
2
3

0
0
0
1
0
1

Với 3 Flip Flop mạch đếm được Modul M = 6. Để ý là mạch bỏ đi hai
trạng thái 010 = 5
10
. Vì lý do ngẫu nhiên lúc bật điện hay do nhiễu khi hoạt
động mạch đếm có thể rơi vào một trong hai trạng thái bỏ đi (trạng thái cấm)
và sau đó chỉ thay đổi trạng thái giữa các trạng thái cấm này.

IV./ MẠCH GIẢI MÃ VÀ HIỂN THỊ:
1./ Mạch giải mã từ BCD sang Led 7 đoạn:
Còn gọi là mạch giải mã 4 đường sang 10 đường. Mạch có 10 ngõ ra
tương ứng với số thập phân từ 0 đến 9 và có 4 ngõ vào. Ngõ ra tương ứng với
mã nhò phân vào xuống thấp còn 9 ngõ ra kia ở mức cao. Mạch gồm 4 cửa
đảo để tạo ,A B ,C , D vào 10 cửa NAND có 4 ngõ vào. Ngõ vào của NAND
đầu tiên là
,A
B ,
C
, D , ngõ vào của NAND thứ hai là A, B ,
C
, D , khi D = C =
B = A = 0 (0
10
) thì

xung quanh catod có một vùng không gian sáng rực (rộng khỏang 1 mm). Hình IV.2.a1
THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN