thỰc tẬp mẠch sỐ - mẠch ĐiỆn hỖ trỢ
TRANSCRIPT
THỰC TẬP MẠCH SỐ CÁC MẠCH ĐIỆN HỖ TRỢ
I.Giới thiệu
Các bạn thân mến, môn mạch số là môn cơ sở ngành của các chuyên ngành điện tử. Song song với việc học lý thuyết, phần thực tập mạch số cũng là môn học rất quan trọng để nghiên cứu hoạt động của các loại linh kiện số, cũng như thực tập thiết kế các khối mạch từ đơn giản đến khá phức tạp.
Bài viết này cung cấp 1 số mạch điện cơ bản để tiến vào nghiên cứu thực tập mạch số. II. Mạch nguồn có chỉ báo. IC số hiện nay thông dụng có 2 họ lớn là 74XX(TTL) và 40XX (CMOS). Để đảm mạch bảo hoạt động như ý muốn thì cần 1 bộ nguồn ổn định cấp cho linh kiện mà quan trọng nhất là IC. Vì IC họ CMOS có khoảng giới hạn điện áp sử dụng khá rộng nên ta chỉ chú ý đến điện áp cấp cho họ TTL và điện áp được chọn ở đây là 5V DC. Mạch có sơ đồ như sau:
D1
LED
U1 LM7805/TO
VIN1
GN
D3
VOUT2
J1
BATTERY 9V HOLDER
1 2 D2
1N4007 C1100uF
C210uF
SW1
POWER SWITCH
R1
220 Ohm
VCC
Thành phần:
+ J1: Kẹp pin. +DC Jack: Jack nối với nguồn ngoài. +Tụ hóa 100uF và 10 uF (có thể bỏ). +U1: LM7805 – IC 5 Volt ổn áp họ 78XX đòi hỏi nguồn cấp >=8
Volt. +D1: LED chỉ báo với điện trở hạn dòng là 220 Ohm. +D2: Diode 1n4007. +SW1: Contact 2 tiếp điểm (sử dụng 2 chân trong 3 chân với chân
giữa là chân chung).
Đặc tính: +Sử dụng PIN 9 Volt thông qua mạch ổn áp chuyển thành điện áp
5 Volt ổn định. +Sử dụng nguồn ngoài ( 5 Volt DC) cấp thông qua Jack DC. Đề
phòng trường hợp PIN yếu =>mạch chạy sai, có thể cấp nguồn trực tiếp cho mạch từ một nguồn 5 Volt khác.
+Diode 1N4007 dùng chống phân cực nghịch cho IC 7805. +Chỉ báo trạng thái nguồn bằng LED.
III. Các loại mạch chỉ báo trạng thái logic. Chỉ thị trạng thái logic tại các ngã vào và các ngã ra của IC hoặc khối mạch là khá quan trọng trong việc biểu diễn hoạt động của mạch. Phần này sẽ giới thiệu vài cách chỉ thị thông dụng 1. Chỉ thị trạng thái logic của ngã vào IC.
EXAMPLE IC
U1
INPUT A11
INPUT A22
OUTPUT A3
INPUT B14
INPUT B25
OUTPUT B6
TIN HIEU NGA VAO
R1150
D1
LED
Đây là mạch chỉ thị trạng thái logic ngã vào cơ bản. Tuy nhiên, tín hiệu ngã vào phải được cấp trực tiếp từ nguồn hoặc các IC đệm , thúc dòng. 2. Chỉ thị trạng thái ngã ra của IC. Đối với ngã ra ta không thể mắc trực tiếp LED vào chân IC như trên, bởi vì khả năng cấp dòng của IC rất hạn chế và chỉ dùng vào việc tạo mức logic chứ tuyệt đối không cấp dòng cho led hoặc tải nào khác. Vì vậy giải pháp đưa ra là mắc thêm transistor để nâng dòng cấp cho tải.
D1
LED HIEN THI
EXAMPLE IC
U1
INPUT A11
INPUT A22
OUTPUT A3
INPUT B14
INPUT B25
OUTPUT B6
Q1C1815
VCC
R1220 Ohm
RB
10kOhm
Điện trở phân cực cho transistor được tính như sau:
csat
ledccc
BSAT
OHB
MIN
CSATBSAT
CSAT
I
VVR
I
VR
II
mAI
7.0
20
Ghi chú:
CSATI : là dòng cần cấp cho led có giá trị từ 10 đến 20mA để led sang
bình thường.
MIN : là hệ số khuếch đại bé nhất của transistor ( vd: với C1815 có
beta từ 70-700 ta chọn 70). Khi lấy MIN thì transistor hoạt động
ở vùng bão hòa. 0.7 volt là chỉ số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo transistor (0.7 V với transistor chế tạo bằng silicium và 0.3 V với transistor chế tạo bằng germanium). Mạch có dạng như sau:
Như trên đã nói, khả năng cấp dòng của IC là rất hạn chế, nên khi dùng ngã ra IC này làm ngã vào IC kia thì không thể dùng kiểu chỉ thị ngã vào mà phải dùng kiểu chỉ thị của ngã ra. Mạch có dạng sau:
Ở các mạch chỉ thị trên led sang khi trạng thái ngã vào hoặc ra ở mức cao, và led tắt khi trạng thái ngã vào hoặc ra ở mức thấp.
D1
LED HIEN THI
EXAMPLE IC
U1
INPUT A11
INPUT A22
OUTPUT A3
INPUT B14
INPUT B25
OUTPUT B6
Q1C1815
VCC
R1220 Ohm
RB
10kOhm
EXAMPLE IC
U2
INPUT A11
INPUT A22
OUTPUT A3
INPUT B14
INPUT B25
OUTPUT B6
Ở một số ứng dụng khác, muốn led chỉ thị sáng khi trạng logic ngã ra ở mức thấp hoặc dùng chỉ thị ngã ra có mức tác động thấp, ta có thể thay transistor NPN bằng loại PNP và mắc mạch như sau:
EXAMPLE IC
U1
INPUT A11
INPUT A22
OUTPUT A3
INPUT B14
INPUT B25
OUTPUT B6
Q2PNP BCE
VCC
RB
RC
D1
LED
Các giá trị điện trở để transistor hoạt động ở chế độ bão hòa được tính tương tự. Tuy nhiên cần lưu ý, khi trạng thái ngã ra ở mức cao thì
CCOH VV vì vậy vẫn có dòng điện nhỏ phân cực thuận nối EB làm led
sáng mờ. Cần tính toán giá trị RC để led tắt hoàn hoàn trong trường hợp trạng thái ngã ra ở mức cao.
IV. Mạch tạo trạng thái logic (Value Generator). Để tạo trạng thái logic cung cấp cho ngã vào IC, ta có 1 số dạng mạch thông dụng sau: 1. Mạch tạo mức logic sử dụng nút ấn (tạo trạng thái logic tạm thời). Mạch này dùng để đổi trạng thái logic ngã vào khi nhấn nút và trở lại trạng thái ban đầu khi ngưng nhấn nút. Có 2 dạng như sau: +Trạng thái thường trực của mạch trên là mức logic cao, khi nhấn nút tạo mức logic thấp. +Điện trở kéo lên (Pull up resistor) là khoảng 10k (đối với IC họ CMOS có thể cao hơn).
EXAMPLE IC
U1
INPUT A11
INPUT A22
OUTPUT A3
INPUT B14
INPUT B25
OUTPUT B6
SW1
SW
PU
SH
BU
TT
ON
VCC
R1PULL UP RESISTOR
+Trạng thái thường trực của mạch trên là mức logic thấp, khi nhấn nút tạo mức logic cao. +Điện trở kéo xuống (Pull down resistor): có giá trị khác nhau với từng họ IC. Cụ thể: họ CMOS dùng điện trở kéo xuống có giá trị =<10 kOhm, họ TTL dùng điện trở kéo xuống có giá trị =<2.7 kOhm. Các giá trị điện trở kéo lên và kéo xuống chỉ mang tính tham khảo. Lưu ý: Các bạn nên kết hợp mạch tạo trạng thái logic và chỉ thị trạng thái logic (loại dùng cho ngã vào) để người xem dễ theo dõi.
EXAMPLE IC
U1
INPUT A11
INPUT A22
OUTPUT A3
INPUT B14
INPUT B25
OUTPUT B6
SW2SW PUSHBUTTON
VCC
R1
PU
LL
DO
WN
RE
SIS
TO
R
2. Mạch tạo trạng thái logic dùng Contact 2 tiếp điểm – SPDT (tạo dữ liệu ngã vào).
Mạch dạng này thích hợp để tạo trạng thái logic ngã vào thường trực. Sử dụng Contact 2 tiếp điểm để chọn mức logic thích hợp. Mạch có dạng như sau:
EXAMPLE IC
U1
INPUT A11
INPUT A22
OUTPUT A3
INPUT B14
INPUT B25
OUTPUT B6
SW1
SW KEY-SPDT
VCC
V. Mạch tác động các chân chức năng của IC. Trong các loại IC số thường có các chân reset (để thiết lập lại trạng thái ban đầu cho IC) hoặc các chân preset (dùng để đặt trước hoạt động của IC) hoặc các chân clear (tương tự reset). Các chân có thể tác động ở mức thấp hoặc cao tùy loại IC. 1. Mạch tác động các chân chức năng có mức tác động thấp. Mạch này gồm 2 phần: +Phần tạo mức logic tự động khi cấp nguồn, ta dùng 1 tụ điện có giá trị khá lớn (khoảng 10uF) để tạo mức logic thấp. Khi tụ chưa nạp đầy, coi như được chân chức năng được kéo xuống mass, trạng thái logic ngã vào chân chức năng là thấp, khi tụ đã nạp đầy, trạng thái logic chuyển lên mức cao do tụ đạt trạng thái thường trực DC ( tụ điện hở). +Phần nút nhấn tương tự như mục IV.1. dùng để tác động tại bất kỳ thời điểm nào cần thiết. Mạch có dạng như sau:
SW1
SW PUSHBUTTON
EXAMPLE IC
U1
INPUT A1
INPUT A2
OUTPUT A
INPUT B1
INPUT B2
OUTPUT B
RESET
C110uF
R110k
VCC
2. Mạch tác động các chân chức năng có mức tác động cao. Mạch này có nguyên tắc hoạt động tương tự như trên. Tức là, khi tụ chưa nạp đầy, chân chức năng coi như nối lên VCC, khi tụ nạp đầy thì xem như tụ hở và chân chức năng được kéo xuống mass.
EXAMPLE IC
U1
INPUT A1
INPUT A2
OUTPUT A
INPUT B1
INPUT B2
OUTPUT B
RESET
SW1
SW
PU
SH
BU
TT
ON
VCC
R1
C110uF
VCC
Việc chọn điện trở kéo lên và kéo xuống cũng phụ thuộc vào IC thuộc họ TTL hay CMOS. (Xem lại mục IV.1)
VI. Mạch tạo xung (Clock Generator). Xung đồng hồ là thành phần hết sức quan trọng trong các mạch tuần tự. Việc tạo xung không đơn giản là thay đổi mức logic ngã vào xung liên tục mà còn phải khắc phục 1 số vấn đề như dội cơ khí, sửa dạng xung… Sau đây xin giới thiệu 1 số dạng cơ bản. 1. Tạo xung bằng tay, sử dụng Contact hành trình. Tạo xung bằng Contact hành trình hoặc tương tự, ta gặp phải vấn đề dội cơ khí. Đó là hiện tượng tiếp điểm chung không tiếp xúc tức thời với tiếp điểm khác khi ta nhấn, trong khoảng thời gian rất bé 2 tiếp điểm liên tục tiếp xúc rồi tách rời nhau tạo 1 chuỗi xung liên tục chứ không phải là 1 xung đơn như ta mong muốn. Vì vậy ta dùng 1 mạch chống dội có cấu tạo giống như 1 chốt RS.
Ở trạng thái ban đầu, tiếp điểm 1 có mức logic thấp, tiếp điểm 2 có mức logic cao. Khi nhấn Contact , lần đầu Contact chạm vào tiếp điểm 2, ngã rã hay đổi trạng thái, nhưng ngay lập tức Contact bị dội, tiếp điểm 2 tách ra khỏi chân chung trờ về mức 0, tuy nhiên Contact không trở về đến tiếp
U1A
74001
23
U1B
74004
56
R210k
VCC
R110k
VCCSW1
CONG TAC HANH TRINH
CLK
2
1
điểm 1 mà chỉ ở khoảng giữa 2 tiếp điểm vì vậy dù có bị dội bao nhiêu lần thì ngã ra cũng không thay đổi trạng thái. Khi ta thôi không nhấn nữa thì hiện tượng xảy ra tương tự ở tiếp điểm 1 và trạng thái logic ngã ra trở về trạng thái ban đầu và ta đã có 1 xung vuông hoàn chỉnh. Ngoài ra chúng ta còn có thể dùng tụ và Schmitt trigger (IC 7414) để xây dựng mạch chống dội cơ khí. Mạch có dạng như sau:
U1A
74HC14
1 2
C10.05uF
R1100K
SW1
SW PUSHBUTTON
VCC
CLK
U1A
74HC14
1 2
C10.05uF
R1100K
SW1
SW PUSHBUTTON
VCC
CLK
2. Tạo xung bằng cảm biến hồng ngoại. Cảm biến hồng ngoại trong trường hợp này dùng để phát hiện vật cản. Ví dụ trong mạch đếm sản phẩm, mạch sẽ tạo xung khi có sản phẩm chắn ngang cảm biến. Vấn đề là dạng xung tạo ra không phải là xung vuông chuẩn mà là 1 đường răng cưa. Vì vậy hiện tượng xảy ra tương tự như hiện tượng dội cơ khí ở trên, trong trường hợp này nguyên nhân là do điện thế tăng - giảm không ổn định. Giải pháp đưa ra là sử dụng IC 555 cấu hình như một Schmitt trigger. Mạch có dạng như sau:
R210K
VCC
R1150 Ohm
U1
NE555
OUT3
RS
T4
VC
C8
CV5
TRG2
THR6
DSCHG7
VCC VCC
D1
LED
D2
PHOTODIODE
CLK
Nghiên cứu cấu tạo IC 555 ta sẽ thấy có 2 opamp là nhiệm vụ so sánh ngưỡng điện áp tạo ra bởi cầu phân áp trong IC với điện áp ngã vào và 2 opamp này điều khiển trạng thái ngã ra của Flipflop cũng nằm trong IC 555.
Giản đồ thời gian của Schmitt trigger dùng 555.
3. Mạch tạo xung tự động dùng IC 555. IC 555 là loại IC đa dụng, có thể dùng để tạo xung vuông với tầng số tùy ý. Trong thực tập mạch số, đôi khi cần mạch tạo xung tự động với tầng số không cần có độ chính xác cao thì IC 555 là lựa chọn thích hợp. Mạch sau tạo xung vuông có tần số từ vài Hz đến hơn 100 Hz:
VCC
CLK
C30.1uF
U3
NE555
OUT3
RS
T4
VC
C8
GN
D1
CV
5
TRG2
THR6
DSCHG7
VCC
C2103
R1100k
R33k
R2
150k
Mạch trên được thiết kế trên cơ sở mạch mạch tạo xung cơ bản:
+ Tần số của tín hiệu đầu ra là :
f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2)) + Chu kì của tín hiệu đầu ra :
T = 1/f + Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì :
T1 = ln2 .(R1 + R2).C + Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì : T2 = ln2.R2.C
VCC
CLK
C1
U3
NE555
OUT3
RS
T4
VC
C8
GN
D1
CV
5
TRG2
THR6
DSCHG7
VCC
C2103
R1
R2
4. Mạch tạo xung tự động chính xác. Trong 1 số ứng dụng đặt biệt của kỹ thuật số, người ta cần chế tạo mạch tạo xung chuẩn và chính xác. Ví dụ dùng làm đồng hồ số chẳn hạn. Mạch tạo xung bằng 555 như trên không đáp ứng nhu cầu này do xung tạo ra không chính xác. Mạch sau sử dụng thạch anh để tạo dao động sau đó thông qua bộ đếm chia tần để lấy được tần số mong muốn.
512 Hz256 Hz128 Hz64 Hz32 Hz8 Hz4 Hz2 Hz
2048 Hz1024 Hz
U1
4060
CLK11
RST12
Q47
Q55
Q64
Q76
Q814
Q913
Q1015
Q121
Q132
Q143
VC
C1
6G
ND
8
OSC9
OSC10
Y1
32768 Hz
C2220p
C1
220p
R21M
VCC
R1
Thạch anh sử dụng là loại có tần số 32768 Hz ( Hz142 ) được chia tần thông qua IC 4060. Lựa chọn các ngã ra để được tần số thích hợp. Nếu dùng làm đồng hồ số, cần xung 1 Hz thì cho ngã ra Q14 qua 1 lần chia nữa là được:
VCC
1 Hz
U1
4060
CLK11
RST12
Q47
Q55
Q64
Q76
Q814
Q913
Q1015
Q121
Q132
Q143
VC
C1
6G
ND
8
OSC9
OSC10
Y1
32768 Hz
C2220p
C1
220p
R21M
VCC
R1
U2A
4013
D5CLK
3
Q1
Q2V
DD
14
S6
GN
D7
R4
Việc chọn các giá trị của tụ điện và các điện trở chỉ mang tính tham khảo. Các bạn cần tham khảo DATASHEET của IC 4060 để tạo được xung thật sự chính xác. VII. Lời Kết Qua bài viết này tôi đã chuyển tải 1 số thông tin mà tôi cho là hưu ích hỗ trợ các bạn trong các bài thực tập mạch số. Mọi ý kiến đóng góp xin liên hệ: [email protected] [email protected] [email protected] Chân thành cảm ơn các bạn đã tham quan website:WWW.EEELABS.ORG Kính mời các bạn tiếp tục đón đọc các bài viết khác thuộc lĩnh vực điện tử, điều khiển học.
Cần Thơ, ngày 05 tháng 12 năm 2009 Trần Thừa