THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM TẦN SỐ
IV. MẠCH GIỚI HẠN BIÊN ĐỘ TÍN HIỆU NGÕ VÀO
Mạch đo tần số sử dụng vi mạch số, như đã giới thiệu IC số chỉ làm với tín hiệu ở dạng xung có hai mức ngưỡng phân biệt rõ ràng. Giới hạn biên độ tín hiệu cho phép mạch có thể làm việc được là phải lớn hơn 2Vp-p và nhỏ hơn 5 Vp-p, nếu như biên độ tín hiệu quá nhỏ thì cần có mạch khuếch đại và ngược lại biên độ quá lớn thì cần mạch hạn chế biên độ tín hiệu ngõ vào:
1 . Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ vào:
Để đáp ứng được các tín hiệu có biên độ thấp từ hàng mV thì cần mạch khuếch đại để nâng biên độ lên hàng volt mới đáp ứng được biên độ tín hiệu ngõ vào mạch đếm. Trong mạch này ta dùng IC 741 làm phần tử khuếch đại, hệ số khuếch đại của mạch phải cao nhưng nếu dùng một tầng khuếch đại thì mạch làm việc không ổn định và không đáp ứng được dải tần số tín hiệu cần đo. Vì vậy ta thiết kế mạch dùng hai tầng khuếch đại, ngưỡng biên độ tín hiệu thấp nhất là 10 mV. Dạng mạch khuếch đại như sau:
K IL O B O O K S .C O M
Chọn hệ số khuếch đại của mạch là A1 = 100 và A2 = 3
Điện áp ngõ ra của tầng thứ 1: V01 = A1 x Vin
Điện ra của tầng thứ 2: V02 =A2 x V01
Khi điện áp vào là Vin = 10 mV thì điện áp ngõ ra V02 = 3 V với biên độ tín hiệu này mạch đếm đã hoạt động.
Đối với những tín hiệu có tần số thấp dung kháng XC1 rất lớn so với điện trở R1 và hệ số khuếch đại giảm. Khi tần số tín hiệu tăng thì dung kháng XC1 giảm làm cho hệsố khuếch đại tăng lên. Giới hạn tần số thấp được xác định theo công thức:
f gh = 1 2rR C2 1
R2 =1k ,
C1 = 3
10
* 5
* 2
1
= 0.1 F
Hệ số của mạch khuếch đại không đảo A = 1 +R R
3 1
1 + R R
3 2
= 100
R3 = 99 R2 R3 = 99 k
Chọn R1 = R2 để nhằm mục đích bù ảnh hưởng của dòng ngõ vào, tương tự tính cho tầng khuếch sau với hệ số khuếch đại A2 = 3
1 + R R
4 5
= 3
R4 = 2 R5 = 2 k
Thông số kỹ thuật vi mạch 741 tại điện áp cung cấp 15 V
Điện áp offset 1 mV(max 5 mV)
Dòng điện offset 20 nA (max 200 nA ) Dòng điện phân cực 80 n ( max 500 ma ) Tổng trở ngõ ra 75
Common mode rejection 90 db ( min 70 db )
Slew rate 0.5
K IL O B O O K S .C O M
Có mạch bổ chính tần số bên trong, không cần thêm RC bên ngoài.
Có khả năng bảo vệ ngắn mạch, dòng ngõ ra tới hạn tại 25 mA.
Điện áp sai biệt tối đa giữa hai ngõ vào là 30 V.
Có mạch chỉnh điện áp offset ngõ ra.
2 . Mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào:
Khi biên độ tín hiệu ngõ vào lớn hơn 5Vp-p thì mạch không thể hoạt động, trong mạch này giới hạn biên độ tín hiệu cao nhất cho phép là 15V.
Tín hiệu ngõ vào vi mạch số có biên độ là 5V, dòng ngõ vào là 10 mA.
Khi tín hiệu ngõ vào là Vi = 15 V R1=V V
I
i L
0 =15 5 10
= 1K
Khi tín hiệu ngõ vào là Vi = 10 V R2 = 5
10= 500
Biên độ tín hiệu ngõ vào ta không mở rộng lên giới hạn cao hơn vì trong thí nghiệm đo lường điện thường làm việc với mức điện áp thấp từ 15 V trở xuống. Ba led phát quang chỉ báo có tín hiệu ngõ vào đồng thời giới hạn mức điện áp tín hiệu ngõ vào là 5V. Diode zener xen các thành phần nhiễu có biên độ vượt quá 5Vp-p
Như vậy trong mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào có 4 cấp giới hạn 15V - 10V - 5V -10mV. Chúng ta có thể ước lượng biên độ tín hiệu cần đo tần số để chọn cấp giới hạn cho phù hợp.
3 . Mạch chỉnh dạng xung tín hiệu ngõ vào:
Mạch đếm làm việc với tín hiệu dạng xung có hai mức logic phân biệt rõ ràng nên tín hiệu cần đo tần số có dạng sin hoặc những tín hiệu xung bị méo dạng cần được chỉnh dạng cho thành xung vuông trước khi đưa vào mạch đếm. Ở đây ta dùng cổng nảy schmitt trigger CMOS có hai mức ngưỡng giao hoán để chỉnh dạng sóng tín hiệu ngõ vào.
Trigger schmitt bộ có cấu tạo phổ biến nhất và thường tỏ ra hiệu quả đối với các ứng dụng hiện nay, trigger schmitt được cấu thành từ một cổng logic với hai mức ngưỡng chuyển mạch.
K IL O B O O K S .C O M
Biên độ cuả các vượt mức tín hiệu cần sưả đổi sẽ cao hơn độ trễ cuả các tín hiệu ngõ vào, song ta cũng có thể ứng dụng thông tin dạng số ngõ ra để trigger một mạch số khác như mạch đếm hoặc mạch đa hài đơn ổn.
Đối với cổng đảo, khi điện thế vào nhỏ ứng với mức thấp thì ngõ ra là điện thế lớn ứng với mức cao. Khi điện thế tăng đến ngưỡng +VT (đối với CMOS là khoảng 50% VDD) sự giao hoán bắt đầu và ngõ ra chuyển xuống mức thấp. Nếu điện thế ngõ vào giảm thấp thì đường giao hoán khi điện thế giảm trùng với đường giao hoán khi điện thế tăng.
Đối với cổng schmitt trigger ngưỡng giao hoán khi điện thế ngõ vào tăng là +VT và ngưỡng giao hoán khi điện thế ngõ vào giảm là –VT không trùng nhau khiến đường giao hoán khi điện thế vào tăng và đường giao hoán khi điện thế vào giảm không trùng nhau, sai biệt giữa hai ngưỡng +VT đến - VT được gọi là độ trễ. Kết quả là ta có dạng xung vuông ở ngõ ra mạch nảy schmitt trigger, dạng sóng gồm dúng hai xung (xung hướng dương và xung hướng âm) như dạng xung cuả tín hiệungõ vào mặc dầu dạng sóng vào rất méo dạng và có lẫn nhiễu.
Trong mạch này ta chọn cổng schmitt trigger thuộc họ CMOS CD40106 có 6 cổng schmitt trigger có đảo, dùng công nghệ CMOS cổng silicum để đạt được tốc độ cao tương tự như TTL-LS nhưng công suất tiêu thụ thaáp.
Sơ đồ chân cuả IC 40106:
K IL O B O O K S .C O M
Một số đặc điểm cuả IC 40106:
Số fan out: 10 tải TTL-LS
Khoảng nhiệt độ làm việc rộng: 40 đến 85 C Thời gian trì hoãn và thời gian chuyển tiếp cân xứng
Thời hằng tăng và thời hằng giảmcuả tín hiệu vào không giới hạn Điện áp nguồn cung cấp từ 3V đến 10V