Bài tập lớn môn Điện tử tương tự - Nguyễn Hữu Nam

Nội dung text: Bài tập lớn môn Điện tử tương tự - Nguyễn Hữu Nam

1. Họ tên sinh viên: Nguyễn Hữu Nam Lớp: Kỹ sư tài năng – Điều khiển tự động – Khóa 55 Mã số sinh viên: 20104338 Điện thoại: 01659405433 BÀI TẬP LỚN MÔN : ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Đề bài: Để thiết kế cho mạch đầu vào một bộ đo công suất tác dụng, các kỹ sư lắp ráp theo sơ đồ khối chức năng và với các thông số sau: Biến Lọc Ui:0-4Vdc Bộ Bộ I in dòng 1Ω Chuẩn hóa biến Vi biến 100A/2A clưu TH đổi xử đổi số tương thanh lý Uu:0-4.4Vdc tự tương thành tự f(i) Iac thanh số (DAC) xung vuông (ADC) Biến áp Lọc Mạch tạo 0-5Vdc U in 220Vac/ Chuẩn hóa Vref =2.5Vdc 2Vac clưu TH từ 9Vdc Chuẩn hóa tín hiệu 5v Iout ( 4- Uac thanh f(u) tần số 0v 20mA) xung vuông f(i) Mạch so pha φ(u/i) Góc lệch U/I Loa Timer 555 On/Off 24Vdc f= 30kHz 12Vac +9Vd +5Vd Biến Mạch c Mạch c 0Vac Gnd 220Vac áp Chỉnh lưu + ổn áp Gnd 12Vac ổn áp -9Vdc Biết : I in : 0- 100A và U in : 220Vac (f = 50Hz) , các OPAM là lý tưởng Thiết kế tính toán ,vẽ các sơ đồ nguyên lý các mạch trên. (không tính toán khối nét đứt)
2. A.Phần Mạch xử lý tín hiệu. I.Thiết kế, tính toán các khối xử lý tín hiệu I in. 1. Khối lọc, chuẩn hóa, chỉnh lưu tín hiệu. Trong khối này bao gồm mạch lọc tần số, mạch khuếch đại, mạch chỉnh lưu chính xác và lọc san phẳng. Để tránh dùng nhiều opamp nhằm hạn chế nhiễu, bản thiết kế này kết hợp mạch lọc và khuếch đại. a) Mạch lọc kết hợp khuếch đại: Theo lý thuyết, ta có: R2 1 kU ()j (*) R121 j CR Với tần số cắt tính theo công thức: 1 fc 2 CR2 Và hệ số khuếch đại biên độ: R2 kU R1 Dấu trừ (-) trong (*) tức là áp bị đảo pha. Thiết kế mạch : -, Đầu vào: I in là dòng dao động với tần số có hài cơ bản 50Hz, biên độ từ 0- 100A, qua biến dòng, giảm biên độ xuống tương ứng 0-2A và giữ nguyên tần số; qua điện trở R=1 (Ω), được áp dao động với hài cơ bản 50Hz, biên độ tương ứng 0-2V, làm đầu vào của khối. -, Yêu cầu đầu ra: Tín hiệu được lọc thông thấp (loại bỏ tần số nguyên lần tần số cơ bản.) và khuếch đại tín hiệu với hệ số kU 2.
3. -, Thiết kế: +, Vì vậy, đầu vào khối có lẫn các sóng hài bậc cao hơn (nguyên lần 50Hz), ta cho khối lọc, lọc với tần số fc thuộc khoảng 51Hz đến chọn 149Hz. Chọn C=100(nF), R2=27 (kΩ) (nhằm ZC và R2 xấp xỉ nhau ), thì fc 59(Hz) (thỏa mãn). +, Đồng thời, để đầu ra là 0-4Vac tương ứng đầu vào là 0-2Vac, ta phải có hệ số khuếch đại kU 2, với R2=27 (kΩ), chọn R1=10 (kΩ). +, Chọn R4 =R3=10 (kΩ). Chú ý: +, Do có thể có hao hụt áp trong quá trình biến đổi tín hiệu, đồng thời có sự sai số của các điện trở, nên ta chọn hệ số khuếch đại lớn hơn 2, và dùng 1 chiết áp ở đấu ra, chỉnh thông số theo mong muốn. +, Opamp có nguồn nuôi là 9Vdc. Để tránh phức tạp, trong các sơ đồ không vẽ nguồn nuôi. +, Nếu không nhắc gì đến nguồn nuôi, thì nguồn nuôi Opamp được mặc định là 9Vdc. Nếu có sự thay đổi nguồn nuôi, sẽ được nêu rõ. b) Mạch chỉnh lưu chính xác, kết hợp lọc san phẳng: -, Đầu vào: Tín hiệu I in, đã được lọc thông thấp (f ), được khuếch đại hệ số kU và bị đảo pha. (Đầu ra của khối lọc – khuếch đại). -, Yêu cầu đầu ra: Tín hiệu áp 1 chiều, không đổi, có giá trị bằng 2 lần biên độ I in. Do đầu ra được lắp thẳng vào ADC, nên ta cần cho thêm 1 mạch đệm 3 trạng thái để điều khiển đầu vào. -, Thiết kế: +, Cho tín hiệu qua mạch chỉnh lưu như hình vẽ, với D1, D2 là các diode thường, điện áp ngược giới hạn lớn hơn 5V như: 1N4007, ; và R5 =R7= R8=10 (kΩ).
4. +, Tại đầu ra mạch chỉnh lưu, nối thêm tụ hóa C2=2200 uF, nhằm san phẳng áp ở đầu ra. +, Đồng thời, ta lắp thêm chiết áp RV1=1 (kΩ) ở đầu ra gần cuối cùng, nhằm chỉnh thông số. Để chỉnh nhạy hơn, ta nối thêm điện trở R6=10 (kΩ) trước khi nối chiết áp xuống đất. +, Trước khi nối vào ADC, ta thêm một mạch đệm như hình vẽ. R9=10 (kΩ). +, Để chỉnh thông số, ta cho Uv là tín hiệu 2Vac, tần số 50Hz, và chỉnh sao cho Ur=4.00(Vdc) không đổi. 2. Mạch biến tín hiệu thành xung vuông. -, Đầu vào: Tín hiệu I in, đã được lọc thông thấp (f ), được khuếch đại hệ số kU và bị đảo pha. (Đầu ra của khối lọc – khuếch đại). -, Đầu ra: Xung vuông đối xứng f(i) có áp là 0Vdc và 5Vdc, giữ nguyên tần số của I in. -, Thiết kế: +, Ta sử dụng IC LM393 tạo mạch so sánh với UREF=0 (Vdc) (Đầu 3 nối thẳng với đất.) Chú ý: Nguồn nuôi của LM393 trong mạch là 0Vdc và 5Vdc. +, Chọn R21 =R10=10 (kΩ). +, Mạch so sánh là mạch so sánh đảo, và do đầu vào là tín hiệu I-in cũng đã bị đảo và khuếch đại, nên đầu ra của mạch có cùng pha với I-in. (tức là cùng dương, cùng âm.) II.Thiết kế, tính toán các khối xử lý tín hiệu U in. Nhận xét: Do sự xử lý tín hiệu tương tự của I-in với U-in nên việc thiết kế các mạch của U-in tương tự như trên, với các thông số giống hệt, trừ thông số trong bộ khuếch đại, vì đầu ra của khối Lọc, chuẩn hóa, chính lưu tín hiệu là từ 0 đến 4.4Vdc.
5. 1. Khối lọc, chuẩn hóa, chỉnh lưu tín hiệu. a) Khối lọc, khuếch đại: -, Đầu vào: Uv là 2Vac, tần số cơ bản 50Hz. -, Đầu ra: Ur là kU× Uv, đã lọc các tần số bậc cao (lớn hơn 50Hz), tín hiệu ra bị đảo pha. -, Thiết kế: +,Chọn R11 =R13=10 (kΩ); R12=8,6 (kΩ); C=100(nF). +, Hệ số khuếch đại là kU= R11/ R12 ≥2,2. b) Mạch chỉnh lưu chính xác, kết hợp lọc san phẳng: -, Đầu vào: Là tín hiệu đầu ra của khối lọc khuếch đại.
6. -, Đẩu ra: Áp không đổi, 1 chiều, nằm trong khoảng 0 4,4Vdc ứng với U in: 0 220Vac. -, Thiết kế: +, Chọn R14= R15= R16= R17= R18=10 (kΩ); C4=2200(uF). +, Trước mạch đệm, ta lắp thêm 1 chiết áp, để điều chỉnh chính xác thông số: sao cho khi U-in là 220Vac, thì điện áp sau mạch đệm là 4.4Vdc. 2. Mạch biến tín hiệu thành xung vuông. -, Đầu vào: Tín hiệu áp sau bộ lọc, khuếch đại. -, Đầu ra: Tín hiệu xung vuông f(u), cùng pha với U-in. -, Thiết kế: +, Chọn R19 =R20=10 (kΩ); +, Sử dụng mạch so sánh có IC LM393 với hai nguồn nuôi 0Vdc và 5Vdc. III. Mạch so pha góc lệch U/I, mạch tạo VREF=2,5V và mạch chuẩn hóa tín hiệu. 1. Mạch so pha. -, Đầu vào: 2 xung vuông đối xứng f(i) và f(u).
7. -, Đầu ra: xung vuông không đối xứng, giữ nguyên tần số, đi thẳng vào khối vi xử lý. -, Thiết kế: +, Sử dụng phần tử XOR với 2 đầu vào f(i) và f(u). +, Do đầu ra đi thẳng vào vi xử lý, nên XOR phải là phần tử 3 trạng thái điều khiển được; hoăc ta phải lắp thêm bộ đệm. 2. Mạch tạo VREF=2,5V từ 9Vdc. -, Đầu ra: Uref=Uz=2,5 (Vdc). -, Thiết kế: +, Sử dụng Điốt Zener 1N5222B, có U=2,5 (Vdc) với Izmax=150 (mA), Izmin=0,25(mA).Như vậy để D5 làm việc ở chế độ ổn áp, phải có: 37 (Ω) R22 29,6 (kΩ) chọn R23=10 (kΩ); R22=2,2 (kΩ). +, Do đầu ra của mạch đi thẳng vào khối ADC, ta nên dung Opamp 3 trạng thái, hoặc thiết kế mạch đệm ở phía sau, để điều khiển đầu vào. 3. Mạch chuẩn hóa tín hiệu U in: 0-5Vdc sang I out: 4-20mA. Nhận xét: Do mạch tạo nguồn dòng Iout, tỉ lệ tuyến tính với Uin của mạch; nên để có đầu ra 4-20mA ứng với đầu vào 0-5Vdc, ta cần có khối cộng đằng trước. a) Khối cộng: -, Đầu vào: Uv (từ 0-5Vdc) và Uref. -, Đầu ra khối cộng: Ur với:
8. RRRUU26 25 27ef Vr Ur 1 RRRRR24 25 27 25 27 b) Khối tạo nguồn dòng: -, Đầu vào: Ur ở trên. -, Đầu ra: Iout với: U I r out RV 4 c) Thiết kế: -, Để dễ tính toán ta chọn: R24= R25= R26= R27=10 (kΩ) thì ta được: UUUr v ref UUvr ef I out RV 4 Khi Uv=0 (Vdc) thì Iout=4 (mA) và Uv=5 (Vdc) thì Iout=20 (mA), thay số vào biểu thức trên ta tìm được: Uref=1,25 (Vdc), RV4=312,5 (Ω). -, Để tạo Uref=1,25 (Vdc), ta tận dụng mạch tạo nguồn 2,5Vdc trong mạch, sử dụng 1 chiết áp RV3 như hình vẽ. -, Để tạo RV4=312,5 (Ω), ta cũng sử dụng 1 biến trở RV4 330(Ω), và lắp như hình vẽ; điều chỉnh sao cho khi Uv=5 (Vdc) thì Iout=20 (mA). -, Dòng Iout đi qua tải R29=250(Ω), có Điôt Zener D6 5,1V bảo vệ.
9. IV. Mạch Timer 555 (f=30kHz) và loa 24Vdc. 1. Mạch Timer 555 với (f=30kHz). -, Đầu vào: Tín hiệu on/off của vi xử lý, ứng với áp là 0V và 5V. -, Đầu ra: xung vuông với tần số f=30kHz. -, Thiết kế: +, Chọn tụ C5=0,01 (uF) nối đầu 5 với đất. Đầu số 8 và đầu số 4, nối lần lượt với nguồn 5Vdc và đất. +, Ta đã biết, công thức tính tần số xung vuông : 1,43 f RV5 26 R28 C +, Chọn C6=C5=0,01(uF) thì với f=30 (kHz), ta phải có RV5+2 R28 4,76 (kΩ). Chọn R28= 1,8 (kΩ), RV5 là một biến trở 1,5 (kΩ). +, Điều chỉnh biến trở sao cho tần số ra là 30kHz. 2. Loa 24V. -, Đầu vào: Xung vuông f=30 (kHz). -, Thiết kế: +, Do khi đưa thẳng xung vào đầu B của tranzito đóng cắt, trong quá trình đóng cắt tần số cao, có thể làm sụt điện áp xung, không tạo đúng tín hiệu, nên ta cho thêm 1 mạch đệm trước khi đi vào đầu Bazo. Chọn R30=10 (kΩ).
10. +, Tranzito Q2 có thể dùng là C828. B. Phần mạch nguồn. 1. Yêu cầu: -, Đầu vào: Điện áp 220Vac. -, Đầu ra: +, Điểm đất và nguồn nuôi ±9Vdc. +, Điểm đất và nguồn nuôi +5Vdc. -, Nhận xét 1 : Ngoài yêu cầu về điện áp, còn yêu cầu về cung cấp dòng: +, 10 Opamp LM741 và 2 Opamp LM393 (các opamp đều lý tưởng), tiêu thụ tổng cộng 12×50(mA)=600(mA). +, IC Timer 555 tiêu thụ tối đa 200(mA). +, IC XOR tiêu thụ tối đa 300(mA). +, Vi xử lý tiêu thụ 200(mA). +, Các khối ADC, DAC tiêu thụ tổng 6(mA). +, Khối chuẩn hóa tín hiệu tiêu thụ tối đa 20(mA). Tổng cộng dòng tiêu thụ: 1326 (mA). -, Nhận xét 2 : Tuy nhiên, có nhưng IC dung nguồn nuôi 5Vdc, và có những IC dung nguồn nuôi ±9Vdc. Để tránh tính toán nhiều, ta thiết kế mạch nguồn, với dòng ra của nguồn 5Vdc và ±9Vdc đều là 1,5A. -, Nhận xét 3 : Hai mạch ổn áp được thiết kế nối tiếp nhau, nên thực chất, dòng ra của mạch ổn áp ±9Vdc phải là 3A. 2. Thiết kế mạch a) Mô tả: +, Sử dụng biến áp có điểm đất ở giữa, để biến đổi từ Uin 220Vac thành 12Vac.
11. +, Dùng mạch cầu, để chỉnh lưu điện áp xoay chiều; điện áp bị sụt khi qua điốt chỉnh lưu, tối đa 2V. +, Điện áp thu được, cho đi qua bộ lọc thông thấp và tụ hóa san phẳng trước khi đi vào IC ổn áp 7809 và 7909 nhằm tạo nguồn ổn áp đối xứng ±9Vdc. +, Do phải đáp ứng dòng ra tầm 3A, ta thiết kế thêm mạch tăng dòng. +, Đầu ra +9Vdc của mạch ổn áp đưa vào đầu vào của IC ổn áp 7805, có tầng tăng dòng. b) Sơ đồ thiết kế: c) Tính toán và chọn thông số: -, Biến áp với tỉ số cuộn dây thứ cấp trên cuộn dây sơ cấp bằng 12:220, tức là quấn 220 vòng bên cuộn sơ cấp thì quấn 12 vòng dây cho cuộn thứ cấp. -, Mạch cầu chỉnh lưu, phải có các diode chịu được áp ngược ít nhất 12V và cho thông dòng ít nhất 3A. Ở mạch này dùng mạch cầu KBU4A. -. Các tụ thường đều có giá trị C=100 (nF) để khử các mũi kim (tần số cao của áp), và các tụ hóa Ch=470(uF) để san bằng. Chú ý chọn các tụ chịu được điện áp tối thiểu là 12V. Trong thiết kế này, các tụ hóa và tụ thường có điện áp giới hạn là 25V. -, Để có dòng ra Iout , ta lắp thêm tầng tăng dòng, sử dụng điện trở R và tranzito chuyên dụng Tip42 PNP.
12. +, Gọi IIC là dòng ra của IC ổn áp (78xx,79xx), và Iout là dòng ra khi lắp tầng tăng dòng. Gọi IE, IB, IC lần lượt là dòng đi vào cực E, đi ra khỏi cực B, cực C của tranzito Tip42. Gọi IR là dòng qua R vào IC ổn áp. +, Ta có: IIC= IB + IR; Iout = IC + IIC; Lại có: IR=UBE/R; IC =βIB;  UBE Suy ra: R  1 IIIC out -, Lấy IIC = 300(mA), với Iout = 3(A) thì IC = 2,7 (A). Tra các bảng datasheet, tại nhiệt độ 25 độ, thì β =hFE=50; IB =0,054(A) và UBE = 1(V), khi đó ta tính được R 4,1 (Ω), chọn R=3,9 (Ω). -, Tương tự, lấy IIC = 300(mA), với Iout = 1,5(A) thì IC = 1,2 (A). Tra các bảng datasheet, tại nhiệt độ 25 độ, thì β =hFE=70; IB =0,021(A) và UBE = 0,8(V), khi đó ta tính được R 2,83 (Ω), chọn R=2,7 (Ω).
13. Bản thiết kế hoàn chỉnh.