TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
====o0o====

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
ĐỀ TÀI NHÓM 15:
Tần số kế thang đo: 0-200Hz, 0-400Hz, 0-600Hz

GVHD: PGS.TS.Nguyễn Thị Lan Hương
Sinh viên thực hiện

Lớp

MSSV

1. Lê Văn Tuấn

KTĐKTĐH 02-K59

20144886

2. Nguyễn Như Xuyên

KTĐKTĐH 01-K59

20145357

3. Trần Văn Thắng

KTĐKTĐH 01-K59

20133704

Hà Nội, 12/2017


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, khoa học kĩ thuật đang ngày càng phát triển với tốc độ nhanh chóng,
cuộc sống con người vì vậy mà cũng thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển
của ngành kỹ thuật điện tử đã tạo ra nhiều thiết bị gọn nhẹ, xử lí nhanh và chính xác.
Đặc biệt phải kể tới các thiết bị đo, chúng có mặt trong mọi lĩnh vực của cuộc sống, góp
phần làm cho mọi cơng việc trở nên đơn giản, thuận tiện. Chính vì vậy, việc nghiên cứu
và phát triển các thiết bị đo có vai trị vô cùng quan trọng trong sự phát triển chung của
đất nước và xã hội.
Xuất phát từ thực tế này nhóm chúng em đã thực hiện đề tài bài tập lớn môn Thiết
kế thiết bị đo: “Thiết kế tần số kế thang đo 0-200Hz; 0-400Hz; 0-600Hz”. Do kiến thức
còn hạn chế, thêm vào đó thời gian có hạn nên chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu
sót trong bài tập lớn này vì thế chúng em rất mong có được sự góp ý, nhắc nhở từ cơ
giáo và các bạn để có thể hoàn thiện đề tài.
Chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo PGS.TS.Nguyễn Thị Lan Hương đã giúp
đỡ chúng em rất nhiều trong quá trình tìm hiểu ,thiết kế và hoàn thành đề tài này.

i


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ............................................................................................. 1
1.1

Giới hạn của thiết bị đo ...................................................................................... 1


1.2

Các loại thiết bị đo tần số ................................................................................... 1

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN..................................................................................... 3
2.1

Nguyên lý ........................................................................................................... 3

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH .................................................................................... 7
3.1

Sơ đồ khối toàn mạch ......................................................................................... 7

3.1.1

Sơ đồ khối chức năng .................................................................................. 7

3.1.2

Trình bày nguyên lý toàn mạch ................................................................... 7

3.2

Mạch dao động chuẩn ........................................................................................ 8

3.2.1

Mạch dao động chuẩn tần số ....................................................................... 8


3.2.2

Mạch chia tần .............................................................................................. 8

3.2.3

Mạch chia tần số vào và khống chế thời gian đếm trong 1 giây ................. 9

3.3

Mạch giới hạn biên độ tín hiệu đầu vào ........................................................... 12

3.3.1

Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ vào ............................................................ 12

3.3.2

Mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào .................................................... 14

3.3.3

Mạch chỉnh dạng xung tín hiệu ngõ vào ................................................... 14

3.4

Mạch đếm và giải mã ....................................................................................... 16

3.4.1


Mạch đếm .................................................................................................. 16

3.4.2

Mạch giải mã ............................................................................................. 18

3.5

Mạch hiển thị ................................................................................................... 20

3.6

Mạch nguồn...................................................................................................... 22

3.7

Mạch hồn chỉnh của nhóm ............................................................................. 24

3.8

Sơ đồ mặt máy ................................................................................................. 26

KẾT LUẬN ................................................................................................................... 27

ii


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Giới hạn của thiết bị đo
Các thiết bị đo lường điện dùng các kỹ thuật số rất đa dạng và nhiều chức năng

nhưng do thời gian hạn chế nên chỉ thực hiện những điều cơ bản: Nêu các loại máy đo
tần số, cấu trúc và nguyên lý hoạt động của vi mạch số. Sau cùng là thiết kế. Với ba mức
đo tần số cuả máy là 0-200Hz; 0-400Hz; 0-600Hz và biên độ tín hiệu cần đo cao nhất
có thể đáp ứng được là 15V và thấp nhất là l00mV. Nguồn điện cung cấp cho máy là
220V.
1.2 Các loại thiết bị đo tần số
a. Tần số kim chỉ kiểu tỉ số kế điện động

Hình 1.1: Tần số kim chỉ kiểu tỉ số điện động, cơ cấu đo là tỉ số điện động.

1


b. Tần số kim chỉ kiểu tỉ số điện từ

Hình 1.2: Kiểu tỉ số điện từ
c. Tần số kế kiểu rung
d. Tần số kế chỉ thị số

Hình 1.3: Sơ đồ mạch chia tần số

2


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN
2.1 Nguyên lý
Nguyên lý của một tần số kế chỉ thị số là đếm số xung N tương ứng với số chu kỳ
của tần số cần đo fx trong khoảng thời gian gọi là thời gian đo Tđo.
Trong khoảng Tđo ta đếm được N xung tỉ lệ với tần số cần đo f x. Ở hình 1.3 là sơ
đồ khối của một tần số kế chỉ thị số.

Quá trình hoạt động của tần số kế chỉ thị số như sau: nguồn tín hiệu có tần số cần
đo được đưa đến đầu vào của "Bộ khuếch đại". “Bộ khuếch đại” bao gồm một bộ khuếch
đại dải rộng và một bộ suy giảm tín hiệu; mục đích là để hịa hợp tần số kế với nguồn
tín hiệu có tần số cần đo, đồng thời để khuếch đại hay hạn chế điện áp vào đến giá trị đủ
để kích thích tạo xung làm việc. Tiếp theo là bộ tạo xung “Bộ tạo dạng xung” có chức
năng biến tín hiệu hình sin hoặc tín hiệu xung có chu kỳ thành một dãy xung U2 có biên
độ khơng đổi (khơng phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu vào) nhưng có tần số bằng tần
số của tín hiệu vào (H2.1).

Hình 2.1: Giản đồ xung
Đồng thời với quá trình trên, máy phát tần số chuẩn (khối ở dưới) phát tần số chuẩn
được ổn định bằng thạch anh có tần số là f0 = 1MHz. Tín hiệu có tần số fo này được đưa
qua “Bộ chia tần số” theo các mức với hệ số là 10n, tần số chuẩn f0 = 1MHz sẽ được
chia đến 1Hz. Nghĩa là ở đầu ra của mạch điều khiển theo 10n (n = 1, 2, ...,
8) tương ứng có thể nhận được khoảng thời gian Tđo = 1/ f0’ = 1s.
Trong thời gian Tđo mạch điều khiển “ĐK” cho mở khố K (khố có hai đầu vào)
để cho phép dãy xung DX (có tần số tỉ lệ với fx) đi vào bộ đếm và sau đó ra cơ cấu chỉ
thị, số xung đếm được trong thời gian Tđo này là N.

3


Như vậy suy ra chu kỳ của dãy xung là:

Suy ra tần số của dãy xung là:

Nếu Tđo= 1s (k = 1) thì số xung N (tức là số các chu kỳ) sẽ chính là các tần số cần
đo fx nghĩa là:
fx = N. (Hz)
Mạch điều khiển phụ trách việc điều khiển quá trình đo; bảo đảm thời gian biểu

thị kết quả đo cỡ từ 0,3 ÷ 5s trên chỉ thị số; xoá kết quả đo đưa về trạng thái 0 ban đầu
trước mỗi lần đo; điều khiển chế độ làm việc: tự động, bằng tay, hay khởi động bên
ngoài (external trigger); chọn dải đo tần số (cho ra xung mở khoá K) và cho ra xung
điều khiển máy in số...
Bộ hiện số thường có nhiều digit (hàng đơn vị, hàng chục, hàng trăm...) bảo đảm
chỉ thị toàn bộ dải tần số cần đo.
Sai số của phép đo và các yếu tố ảnh hưởng đến sai số: sai số cơ bản của phép đo
tần số là tần số sai số lượng tử theo thời gian, sai số này tăng khi tần số cần đo giảm.
Cụ thể sai số tương đối của phép đo tần số được tính như sau:

- Thành phần N / N: phụ thuộc vào tỉ số giữa thời gian đo Tđo và chu kỳ của tín
hiệu cần đo Tx = 1/ fx. Sai số lượng tử theo thời gian là do q trình khơng trùng nhau
giữa thời điểm bắt đầu thời gian đo Tđo và thời điểm bắt đầu chu kỳ Tx. Nếu Tđo và Tx
là bội số của nhau (tức là trùng nhau các điểm đầu của hai khoảng thời gian) thì sai số
N=0; cịn nếu như Tđo và Tx không phải là bội số của nhau thì sai số lớn nhất của
quá trình lượng tử hoá là N = ±1 xung thuộc dãy bé nhất của bộ đếm.
- Thành phần thứ hai của sai số là Tdo / Tdo: được xác định bởi độ biến động của
tần số chuẩn f0 từ máy phát thạch anh để cho ra cửa sổ Tđo. Sai số này cỡ 10-7 và được
tính là:

4


Vậy sai số của phép đo tần số sẽ là :

Như vậy nếu µf0 = const thì sai số của phép đo tần số tỉ lệ nghịch với độ lớn của
tần số đo, tức là sai số này nhỏ khi ta đo tần số cao, và sai số này sẽ lớn khi ta đo tần số
thấp.
Ví dụ: với µ. f0 = 10-7 nếu đo tần số fx = 10MHz, Tđo = 1s, thì µf = 2.10-5 % cịn
nếu fx=10Hz, Tđo thì µf = 10%.

Như vậy, khi đo tần số cao sai số của phép đo chủ yếu là do độ khơng ổn định
của tần số máy phát chuẩn fo. Cịn khi đo tần số thấp sai số chủ yếu là sai số lượng tử.
- Giảm sai số khi đo tần số thấp: muốn giảm sai số khi đo tần số thấp thì phải
tăng thời gian đo Tđo nhưng điều này khơng phải khi nào cũng thực hiện được. Vì vậy
trong tần số kế chỉ thị số hoặc là người ta sử dụng bộ nhân tần số để nhân tần số cần đo
lên 10n lần hoặc là không cần đo tần số nữa mà chuyển phép đo tần số sang đo thời
gian một chu kỳ Tx của tín hiệu cần đo.
Khi đo chu kỳ Tx ta thực hiện theo sơ đồ như hình 1.3
Tín hiệu có tần số cần đo fx qua “khuếch đại ” và qua bộ tạo xung “TX” sẽ tạo ra
tín hiệu Tx chính là chu kỳ của tần số cần đo. Tín hiệu Tx qua bộ cổng & sẽ đưa vào
mở khoá K, như vậy thời gian Tx chính bằng Tđo.
Trong thời gian Tx khi khố K mở thì tín hiệu f0 từ máy phát tần số chuẩn sẽ đi
vào bộ đếm và ra cơ cấu chỉ thị số, số xung đếm được là N.
Quan hệ giữa N và Tx là:

Suy ra tần số cần đo là:

5


Hình 2.1: Tần số kế chỉ thị số giảm được sai số khi đo tần số thấp:
a, Sơ đồ khối

b, Giản đồ xung

Sai số tương đối của phép đo chu kỳ được tính là:

6



CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH
3.1 Sơ đồ khối toàn mạch
3.1.1 Sơ đồ khối chức năng

1HZ

Hình 3.1: Sơ đồ khối đo
3.1.2 Trình bày ngun lý tồn mạch
-

Khối dao động chuẩn 1MHZ: Tạo dao động có tần số ổn định, từ dao động này
chia xuống để được dâo động có tần số xung là 1HZ.

-

Khối chia: Để tạo xung điều khiển có tần số 1HZ từ dao động chuẩn.

-

Khối khống chế 1 giây: Tạo sự đồng bộ cho mạch làm việc.

-

Khối chia tần: Nhằm mở rộng giới hạn tần số cần đo.

-

Khối đếm: là mạch đếm xung của tín hiệu vào dưới dạng mã BCD.

- Khối giải mã: Chuyển đổi mã số từ khối đếm sang mã số của khối hiển thị tương

ứng, cụ thể là bộ đếm là mã BCD còn hiển thị là LED 7 đoạn thì cần dùng IC giải mã
BCD sang LED 7 đoạn. Khi số lượng LED hiển thị nhiều thì người ta dùng kỹ thuật chỉ
báo đa hợp để giải mã.
-

Khối chỉnh dạng xung: Mạch đếm chỉ làm việc với tín hiệu có dạng xung

7


vuông, khối này chỉnh dạng sống cho đứng yêu cầu củã mạch đếm. Khối giảm biên độ
tín hiệu ngõ vào nhằm hạn chế biên độ tín hiệu cho phù hợp với mạch đo.
-

Khối nguồn: Cung cấp nguồn nơi cho tồn mạch hoạt động.

3.2 Mạch dao động chuẩn
3.2.1 Mạch dao động chuẩn tần số
Mạch đo tần số hoạt động dựa trên nguyên tắc là để xung tín hiệu vào trong thời
gian 1s. Trong thiết bị đo lường điện thì độ chính xác của thiết bị được đặt lên hàng đầu
vì vậy mạch dao động chuẩn này được tạo ra từ mạch dao động dùng thạch anh có tần
số là 1MHZ.

Hình 3.2: Thạch anh f0
Cống NOT N1, N2 kết hợp với điện trở R1, R2 tụ điện C và thạch anh XTAL để
tạo mạch dao động có tần số dao động đúng bằng tần số của thạch anh là 1Mhz.
Cổng NOT N3 là cổng đệm nhằm phân cách tảỉ với mạch dao động đồng thời tăng
khả năng dòng và định dạng sống của nguồn tín hiệu dao động. Xung mở cổng and để
đưa tín hiệu cần đo vào mạch đếm trong thời gian là 1 giây nghĩa là tần số xung mở cổng
là 1 HZ, do đó cần phải có mạch chia tần số chuẩn 1MHZ xuống tần số thấp lầ 1HZ.

3.2.2 Mạch chia tần
Trong mạch này ta sử dụng các loại IC đếm thập phân để tạo thành mạch chia, để
dao động 1 HZ từ dao động chuẩn 1MHZ thì cần mạch chia 1000000.

8


Dạng mạch chia như sau:

Hình 3.3: Mạch chia tần
Ở đây ta sẽ sử dụng 3 mạch IC đếm 4518B, 4518B bao gồm hai bộ đếm 10 bên
trong ta kết nối lại để được bộ chia 100 chân 7, 15 là ngõ vào reset mạch đếm tác động
ở mức cao, để mạch đếm bình thường nên được nối xuống mass. Chân 6, 10 nối chung
lại với nhau để đưa tín hiệu từ tầng trước sang tầng sau. Chân 1, 9 là ngõ vào xung clock
tác động ở cạnh sau được nối mass. Tín hiệu xung được đưa vào chân 2 là ngõ vào xung
clock tác động ở cạnh trước, tín hiệu xung lấy ra ỏ chân 14 có tần số là 10Khz được đưa
tiếp vào mạch chia 100 sử dụng 4518B như chia ban đầu ta được 100Hz. Tiếp tục tín
hiệu xung được đưa vào chân 2 là ngõ vào xung clock tác động ở cạnh trước, tín hiệu
xung lấy ra ỏ chân 14 có tần số là 100Hz được đưa tiếp vào mạch chia 100 sử dụng
4518B như chia ban đầu ta được 1Hz.
3.2.3 Mạch chia tần số ngõ vào và mạch khống chế thời gian đếm trong
0.01 giây
a. Mạch chia tần số ngõ vào
Do mạch hiển thị chỉ dùng 3 LED nên kết quả đo có thể hiển thị được là 999, nhưng
yêu cầu đặt ra khỉ thiết kế là thiết bị phải đáp ứng được tần số 600 MHZ vì vậy, cần có
mạch giới hạn tần số tín hiệu ngõ vào nếu như khi đo tín hiệu có tần số lớn hơn 600HZ
thì ta chuyển sang chế độ reset hoặc hiển thị 000.
Từ những yêu cầu đặt ra ta thiết kế dạng mạch chia như sau:
Dùng IC 4017B là loại IC đếm 10 thuộc họ CMOS và công tắc 3 vị trí để tạo các
dải đo.

9


Hình 3.4: Mạch chia dải đo
Tín hiệu cần đo tần số được đưa vào chân 14 của IC1, ngõ ra Q1 (chân 2), ngõ ra
Q3 (chân 7), Q5 (chân 1) được nối qua công tắc để tạo dải đo cho phép hiển thị tần số đo
được. Kết quả hiển thị trên màn hình là kết quả tần số đo được.
Khi cơng tắc ớ vị trí (1) thì màn hình cho phép hiển thị kết quả từ 0-200Hz, khi
chuyển sang vị trí (2) màn hình chỉ cho phép hiển thị kết quả từ 0-400Hz, khi chuyển
sang vị trí (3) màn hình cho phép hiển thị kết quả từ 0-600Hz.
b. Mạch khống chế thời gian đếm trong 1 giây
Như đã trình bày trong phần 2 là mạch hoạt động dựa trên nguyên tắc là mạch đếm
xung trong 1 giây. Ta cần mạch mở cổng cho tín hiệu cần đo tần số vào mạch đếm trong
1 giây sau đó đóng khơng cho tín hiệu qua. Mạch đếm và giải mã hiển thị kết quả trên
LED, kết quả này được lưu giữ lại trong suốt thời gian reset mạch đếm và chu kì đếm
lần sau. Dựa vào bảng trạng thái của cổng and có thể đáp ứng được u cầu của mạch
khóa tín hiệu ngõ vào.

10


Bảng trạng thái:
A

B

Y (ngõ ra)

0


0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

Tín hiệu điểu chỉnh là tín hiệu dao động chuẩn với tần số 1Hz:

1HZ

Hình 3.5: Mạch giới hạn đếm
Các ngõ ra thay đổi trạng thái lần lượt theo tín hiệu xung 1 HZ nghĩa là mỗi thời
điểm chỉ có một ngõ ra ở mức cao cịn các ngõ ra khác đều ở mức thấp. Lúc đầu, ngõ ra
O0 = [1] cổng and được mở cho phép tín hiệu vào mạch đếm sau thời gian 1 giây. O0

chuyển sang trạng thái mức thấp cổng and được khoá khơng cho tín hiệu vào mạch đếm
và lúc này ngõ ra O1 ở trạng thái mức cao thông qua cổng NOT trạng thái được đảo lại là
mức thấp cho phép mạch giải mã xuất kết quả đếm lên màn LED cũng sau thời gian 1 giây
ngõ ra O1 chuyển sang trạng thái mức thấp ở ngõ ra cổng NOT là mức cao cho phép mạch
chốt kết quả vừa hiển thị, ngõ ra O2 chuyển trạng thái tứ mức thấp sang mức cao reset lại
toàn bộ mạch đếm và ngay cả IC 4018 làm cho ngõ ra O0 chuyển trạng thái từ mức thấp
sang mức cao mạch bắt đầu hoạt động như chu kì đầu là đếm xung tín hiệu vào - chốt kết
quả hiển thị - reset lại mạch đếm.
11


3.3 Mạch giới hạn biên độ tín hiệu đầu 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 q nhỏ thì cần có mạch khuếch đại và ngược lại biên độ q lớn thì cần mạch hạn
chế biên độ tín hiệu ngõ vào:
3.3.1 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 khơng ổn định và khơng
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:

Hình 3.6: Mạch khuếch đại

12



-

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 X c1 giảm làm cho hệ
số khuếch đại tăng lên. Giới hạn tần số thấp được xác định theo công thức:

Hệ số của mạch khuếch đại không đảo A=1+R3/R1
1+R3/R2 = 100
R3=99R2
R3=99k
Chọn R1 = R2 để nhằm mục đích bù ảnh hưởng của dịng ngõ vào, tương tự tính
cho tầng khuếch sau với hệ số khuếch đại A2 = 3
1 + R4/R5 = 3
R4 = 2R5 = 2k
Thông số kĩ thuật vi mạch 741 tại điện áp cung cấp 15V
Điện áp offset

1mV (max 5mV)


Dòng điện offset

20nA (max 200)

Dòng điện phân cực

80n (max 500mA)

Tổng trở ngõ ra

75

Có mạch bổ chính tần số bên trong, khơng cần thêm RC bên ngồi.
Có khả năng bảo vệ ngắn mạch, dòng ngõ ra tới hạn tại 25 mA.

13


Điện áp sai biệt tối đa giữa hai ngõ vào là 30 V.
Có mạch chỉnh điện áp offset ngõ ra.
3.3.2 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, dịng ngõ vào là 10 mA.
Khi tín hiệu ngõ vào là Vi = 15 V

Khi tín hiệu ngõ vào là Vi = 10 V
R2 = 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 5 Vp-p.
Như vậy trong mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào có 4 cấp giới hạn 15V- 10V5V-l0mV. Chúng ta có thể ước lượng biên độ tín hiệu cần đo tần số để chọn cấp giới
hạn cho phù hợp.
3.3.3 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 so sánh
schmitt trigger CMOS có hai mức ngưỡng giao hốn 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.

14


Hình 3.7: Mạch chuyển ngưỡng
Biên độ của các vượt mức tín hiệu cần sửa đổi sẽ cao hơn độ trễ của 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 gỉao hoán bắt đầu và ngõ ra chuyển xuống mức thấp. Nếu điện thế ngõ vào giảm
thấp thì đường giao hốn khi điện thế giảm trùng với đường giao hoán khi điện thế tăng.
Đối với cổng 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 hốn khi điện thế vào giảm khơng trùng nhau, sai
biệt giữa hai ngưỡng +Vt đến – Vt được gọi là độ trễ. Kết quả là ta có dạng xung vng

ở ngõ ra mạch nảy trigger, dạng sóng gồm đúng hai xung (xung hướng dương và xung
hướng âm) như dạng xung cuả tín hiệu ngõ vào mặc dù dạng sóng vào rất méo dạng và
có lẫn nhiễu.
Trong mạch này ta chọn cổng trigger schmitt thuộc họ CMOS CD40106 có 6 cổng
trigger có đảo, dừng cơng nghệ CMOS cổng silicum để đạt được tốc độ cao tương tự
như TTL-LS nhưng công suất tiêu thụ thấp.

Hình 3.8: IC40106

15


Một số đặc điểm cuả IC 40106:
Số fan out: 10 tải TTL-LS.
Khoảng nhiệt độ làm việc rộng: 40 đến 85oC.
Thời gian trì hỗn và thời gian chuyển tiếp cân xứng.
Thời hằng tăng và thời hằng gỉảm của tín hiệu vào không giới hạn.
Điện áp nguồn cung cấp từ 3V đến 10V.
Độ miễn nhiễu mức thấp 37% Vcc, ở mức cao 51% Vcc, khi Vcc = 5V.
3.4 Mạch đếm và giải mã
3.4.1 Mạch đếm
Trong mạch này chọn IC 4518B để kết nối mạch đếm, IC này thuộc họ CMOS bao
gồm hai mạch đếm thập phân đồng bộ bên trong. Mỗi mạch đếm có hai ngõ vào xung
clock, một ngõ tác động cạnh xuống, một ngõ tác động cạnh lên, tuỳ theo yêu cầu sử
dụng mà ta chọn ngõ vào xung tác động cạnh lên hay tác động cạnh xuống.
Bảng trạng thái:
CP0

CP1
H


L
X
X
L
H
X

X

MR
L
L
L
L
L
L
H

16

kiểu hoạt động
Đếm lên
Đếm lên
Khổng đổi
Không đổi
Khổng đối
Không đổi
RESET



Hình 3.9: IC 4518B
Chức năng các của IC 4518B:
-

CP0a ,CP0b : ngõ vào xung clock tác động cạnh lên.
CP1a, CP1b : ngõ vào xung clock tác động cạnh xuống.
Mra ,Mrb : đặt lại (Reset).
Q0a đến Q3a : ngõ ra BCD.
Q0b đến Q3b : ngõ ra BCD.

Trong mạch đo tần số này dùng 3 LED để hiển thị như vậy số lớn nhất cố thể hiển
thị được là 999. Để được kết quả này ta phải sử dụng 3 mạch đếm 10 ghép lại với nhau
IC 4518 mạch đếm 10 nên chỉ dùng 3IC là có thể đáp ứng được số đếm yêu cầu, sử dụng
IC4518 mạch trở nên đơn giản hơn. Bộ đếm này, có cơng suất tiêu tán thấp, độ miễn
nhiễu cao 45% Vdd
Điện áp được cung cấp 3 đến 18 VDC.
Dòng điện tĩnh là 5nA ở mức điện áp cung cấp là 5V.
Dạng mạch được nối như sau:

17


Hình 3.10: Sơ đồ đếm
Chân 7, 15 (Reset ) của IC1 và IC2 nối chung với nhau và được nối đến đường tín
hiệu reset. Khi cho tín hiệu xung clock vào chân 2 cuả IC1, ngõ vào reset ở mức thấp
mạch đếm bình thưởng ngõ ra Q0a (chân 6) được nối đến chân 10 làm xung clock cho
mạch đếm thứ hai. Ngõ ra Q3b của IC1 được nối đến ngõ vào chân (2) của IC2 để mạch
đếm tiếp, số lớn nhất mà mạch đếm được là 599.
Các thông số của IC4518B:

Điện thế cung cấp
Điện thế ngõ vào
Dòng ra mỗi chân
Nhiệt độ làm việc
Loai AL
Loai CL/CP
Nhiệt độ bảo quản

Kí hiệu
Vdd
Vin
I

Giá trị
5-18
0.5 - Vdd+0.5
10

Ta

55-125 °c
40 -45°c
60- 150 °c

Tstg

Đơn vị
VDC
VDC
mA


3.4.2 Mạch giải mã
Ngõ ra của IC đếm là mã số BCD để hiển thị ra LED 7 đoạn thì cần phảỉ mạch giải
mã từ số BCD sang LED 7 thanh. Trong mạch này sử dụng IC 4511B làm mạch giải mã,
IC 4511B là IC thuộc họ CMOS cố 4 ngõ vào, ba ngõ vào điều khiển và ngõ ra từ O o
đến Og nguyên lý hoạt động được giải thích dựa trên bảng trạng thái.

18


Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong của IC 4511B: cấu trúc bên trong của IC gồm có
3 phần LATCHES, DECODER, DRIVER DA đến DD: ngõ vào nhận tín hiệu từ IC đếm
4518B:

Hình 3.11: Cấu trúc 4511B
EL: cho phép chốt ngõ vào, ở mức thấp cho phép tín hiệu giải mã ra LED, ở mức
cao chốt kết quả vừa hiển thị.
BI ngõ vào xóa số 0 tác động ớ mức thấp.
LT: ngõ vào thử đèn.
Oa đến Og : 7 ngõ ra sang LED 7 đoạn.
Decoder: giải mã.
Driver: mạch đệm.
Latches: Bộ nhớ trung gian để nhớ kết quả trong thời gian ngắn (mạch chốt).

19


Bảng trạng thái của IC 4511B:
LE
X

X
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
H

BI
X
L
H
H
H
H
H
H
H
H

H
H
H
H
H
H
H
H
H

Ngõ vào (input)
LT D
C
L
X X
H X X
H
L
L
H
L
L
H
L
L
H
L
L
H
L

H
H
L
H
H
L
H
H
L
H
H H
L
H H
L
H H
L
H H
L
H H H
H H H
H H H
H H H
H X X

B
X
X
L
L
H

H
L
L
H
H
L
L
H
H
L
L
H
H
X

A
X
X
L
H
L
H
L
H
L
H
L
H
L
H

L
H
L
H
X

a
H
L
H
L
H
H
L
H
L
H
H
H
L
L
L
L
L
L

Ngõ ra (output)
b c d E g
H H H H H
L L L L L

H H H H H
H H L L L
H L H H L
H H L L L
H H L L H
L H H L H
L H H H H
H H L L L
H H H H H
H H L L H
L L L L L
L L L L L
L L L L L
L L L L L
L L L L L
L L L L L

Display
f
H
L
L
L
H
H
H
H
H
L
H

H
L
L
L
L
L
L

Blank
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Blank
Blank
Blank
Blank
Blank
Blank
(*)

3.5 Mạch hiển thị
Thông số loại LED
Điện áp cung cấp : 6 V

Dòng đỉện tối đa : 20mA
Kích cỡ : ( 3. 7 X 5. 5) cm
Kích thước mỗi đoạn : 3 cm
Loại màu trắng khi phát sáng cho ánh sáng màu đỏ.
Điện áp và dòng diện các ngõ ra của IC 4511B khơng đủ kích cho LED sáng vì vậy
cần thêm mạch kéo dịng cho LED. Ta dùng linh kiện rời TRANSISTOR để làm mạch
thúc, khi ngõ ra của IC 4511B ở trạng thái mức cao thì LED sáng, ở trạng tháỉ mức thấp
thì LED tắt nên ta sử dụng transistor loại PNP.

20


Hình 3.11: Mạch kích sáng LED

Hình 3.12: Mạch LED hiển thị
Điện áp cấp cho LED là 6V và dòng điện qua tối đa là 15mA. Khi chân B ở mức
cao thì transistor ngưng dẫn dịng điện chạy qua Rc và R1 qua LED làm cho đèn phát
sáng, lúc này điện áp rơi trên LED là 0.7V.
Điện trở Rc = (Vcc – Vc)/ILED

21


Rc = (12 – 6)/15mA = 400
R1 = (6-0.7)/15mA = 330
Để transistor làm việc trong vùng bõa hồ thì điện trỏ RB = 10 Rc
RB = 4 K
Khỉ chân B ở mức thấp thì transistor dẫn dịng điện để từ nguồn Vcc = 12V qua
mối nối CE xuống mass lúc này VCE = 0.2V làm cho LED tắt.
3.6 Mạch nguồn

Trong phần mạch giới hạn biên độ tín hiệu ngõ vào và phần hiển thị đã sử dụng
nguồn cung cấp là 12V, nguồn cung cấp cho các loại IC đếm trong mạch là 5V. Như
vậy mạch nguồn cho ra 3 cấp điện ấp +12 V, -12V, + 5V.
Để đơn giản cho việc chọn lựa nguồn và linh kiện ổn áp cho mạch ta chỉ chú trọng
đến các phần tử tiêu hao dòng đáng kể nhất trong mạch.
Các cổng CMOS đều là loại có dịng tiêu thụ lớn nhất Id = 50 mA ở mức điện nguồn
cung cấp là 5V.
Dòng điện tổng qua các CMOS là : 6 X 50mA = 300 mA
IC đếm bao gồm: IC 4518B X 3, 4017B X 3, IC 4040B dòng điện tiêu thụ mỗi IC
là 10 mA. Dòng điện tổng là: (7 X 10)mA = 80mA
Tổng dòng điện qua các LED là : (3 X 7 X 15) mA = 315 mA
Tổng dịng điện tồn mạch là: (300 + 315 + 70 ) = 685 mA
Tổng dòng điện trong nguồn cung cấp + 5 V là: (300 + 70) = 370 mA
Chọn IC 7805 để tạo nguồn ổn áp + 5 V, cấc thông số của IC 7805:
Dòng điện ngõ ra : I0 = 1A
Điện áp ngõ vào: Vin = 8 ÷ 35 V
Điện áp ngõ ra: Vo = 4.8 ÷ 5.2 V
Chọn IC LM 317 và LM 337 để tạo nguồn ổn áp + 12V , -12 V
Thơng số kỹ thuật của IC LM317:
Dịng điện ra định mức: lo = 1.5 A
Điện áp ngõ ra Vo = Vin - 1.2
Điện áp ngõ vào : Vin= 1.2 ÷ 37V

22