Đồ án Thi công mạch Voltmeter chỉ thị số sử dụng vi mạch ICL7107

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ MÁY BỘ MÔN CƠ – ĐIỆN TỬ SVTH: HOÀNG SƠN TÙNG MSSV: 03111156 GVHD: ThS. NGUYỄN THANH BÌNH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 12 NĂM 2006 Trang 2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………………… ….…………………………………………………………………………………………….… ………………………………………………………………………………………….……… …………………………………………………………………………………….…………… ……………………………………………………………………………….………………… ………………………………………………………………………….……………………… …………………………………………………………………….…………………………… ……………………………………………………………….………………………………… ………………………………………………………….……………………………………… …………………………………………………….…………………………………………… ……………………………………………….………………………………………………… ………………………………………….……………………………………………………… …………………………………….…………………………………………………………… ……………………………….………………………………………………………………… ………………………….……………………………………………………………………… …………………….…………………………………………………………………………… ……………….………………………………………………………………………………… ………….……………………………………………………………………………………… …….……………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………….…… ……………………………………………………………………………………….………… ………………………………………………………………………………….……………… …………………………………………………………………………….…………………… ……………………………………………………………………….………………………… ………………………………………………………………….……………………………… …………………………………………………………….…………………………………… ……………………………………………………….………………………………………… ………………………………………………….……………………………………………… …………………………………………….…………………………………………………… ……………………………………….………………………………………………………… ………………………………….……………………………………………………………… …………………………….…………………………………………………………………… ……………………….………………………………………………………………………… ………………….……………………………………………………………………………… …………….…………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………… ….…………………………………………………………………………………………….… ………………………………………………………………………………………….……… …………………………………………………………………………………….…………… ……………………………………………………………………………….………………… …………………………………………….……………………………………………… Trang 3 A. GIỚI THIỆU VI MẠCH ICL7107 YXWZ I. GIỚI THIỆU CHUNG ICL7107 của hãng Intersil là một bộ chuyển đổi AD 3 ½ digit công suất thấp, hiển thị tốt. Bao gồm trong IC này là bộ giải mã LED 7 đoạn, bộ điều khiển hiển thị, bộ tạo chuẩn và bộ tạo xung đồng hồ. Các đặc tính của nó bao gồm: tự chỉnh “0” nhỏ hơn 10 uV, điểm “0” trượt không quá 1uV/oC, độ dốc dòng ngõ vào tối đa là 10pA. Các giá trị định mức: Điện áp nguồn: V+ → GND : 6V V- → GND : -9V Điện áp ngõ vào analog: V+ → V- Điện áp ngõ vào tham chiếu: V+ → V- Ngõ vào clock: GND → V+ Các điều kiện bên ngoài: Phạm vi nhiệt độ: 0oC → 70oC Về nhiệt: Nhiệt trở: 50 θJA (oC/W) Nhiệt độ định mức cho phép của các mối nối: 150oC Phạm vi nhiệt độ lưu trữ định mức: -65oC → 150oC Tóm tắt thông tin thiết kế: Tần số bộ dao động: fOSC = 0.45/RC COCS > 50pF; ROSC > 50kΩ fOSC (typical) = 48kHz Chu kỳ dao động: tOSC = RC/0.45 Tần số đồng hồ tích hợp: fCLOCK = fOSC/4 Chu kỳ tích hợp: tINT = 1000x(4/fOSC) Chuẩn loại bỏ 50/60Hz: tINT/t60Hz hay tINT/t60Hz = số nguyên Dòng tích hợp tối ưu: IINT = 4uA Điện áp toàn giai ngõ vào analog: VINFS (typical) = 200mV hoặc 2V Trở tích hợp: RINT = VINFS/IINT H1. Giới thiệu ICL7107 Trang 4 Tụ tích hợp: CINT = (tINT.IINT)/VINT Độ lắc điện áp ngõ ra bộ tích hợp: VINT = (tINT.IINT)/CINT Độ lắc tối đa VINT: (V- + 0.5V) < vINT < (V+ - 0.5V), VINT (typical) = 2V Bộ đếm hiển thị: COUNT = 1000.VIN/VREF Chu kỳ chuyển đổi: tCYC = tCLOCK x 4000 tCYC = tOSC x 16000 khi fOSC = 48kHz thì tCYC = 333ms Điện áp ngõ vào trạng thái mode chung: (V- + 1V) < VIN < (V+ - 0.5V) Tụ tự chỉnh “0” 0.1 uF < CREF < 1uF VCOM Độ dốc giữa Vi và V-. VCOM ≅ V+ - 2.8V Tổn thất điều chỉnh khi V+ → V- <≅ 6.8V Nếu VCOM bị kéo tụt xuống (V+ → V-)/2 thì mạch VCOM sẽ ngắt. Dạng sóng ngõ ra khuếch đại tích hợp điển hình (chân 27 – INT ) II. CHI TIẾT II.1 Vùng xử lý tín hiệu tương tự của ICL 7107 Nguyên tắc hoạt động: Để hiểu được nguyên lý hoạt động của mạch này cần phải hiểu được cách hoạt động của mạch tích hợp ADC. IC này có các đặc điểm rất quan trọng sau: - Độ chính xác rất cao. - Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu. - Không cần mạch lấy mẫu và mạch giữ. - Tích hợp đồng hồ. - Không cần các thành phần ngoại vi có độ chính xác cao. Pha tự chỉnh “0” Đếm 2999 - 1000 Pha tích hợp tín hiệu. Đếm 1000 cố định Pha giải tích Đếm 0 -1999 Tổng thời gian chuyển đổi = 4000xtCLOCK = 16000 x tOSCH3 Trang 5 H4 thể hiện mạch xử lý tương tự của ICL7107. Mỗi chu kỳ đo được chia thành ba pha: (1) Tự chỉnh “0” (A – Z), (2) tích hợp tín hiệu (INT) và (3) giải tích (DE). (1) Pha tự chỉnh “0” Trong pha này thực hiện 3 việc: − Ngõ vào cao và thấp bị ngắt kết nối khỏi các chân và ngắn mạch nội với chân COMMON analog. − Tụ tạo chuẩn được nạp tới điện áp chuẩn. − Một vòng lặp hồi tiếp nối kín quanh hệ thống để nạp cho tụ tự chỉnh “0” CAZ để bù cho điện áp offset (trôi) trong bộ khuếch đại đệm, bộ tích hợp và bộ so sánh. Vì bộ so sánh nằm trong vòng lặp nên độ chính xác A-Z chỉ bị giới hạn bởi nhiễu của hệ thống. Trong bất cứ trường hợp nào, điện áp offset do ngõ vào nhỏ hơn 10uV. (2) Pha tích hợp tín hiệu Trong quá trình tích hợp tín hiệu, vòng lặp tự chỉnh “0” được mở, ngắn mạch nội không còn, ngõ vào cao và thấp được nối với các chân ngoại vi. Bộ chuyển đổi lúc này tích hợp điện áp khác biệt giữa chân IN HI và chân IN LO trong một khoảng thời gian cố định. Điện áp sai biệt này có thể nằm trong phạm vi rộng: lên tới 1V từ cả hai nguồn. Mặt khác nếu tín hiệu vào không hồi trở lại nguồn cung cấp thì IN LO có thể bị nối với chân COMMON analog để thiết lập điện áp mode chung chính xác. Cuối pha này các cực của tín hiệu tích hợp được xác định. (3) Pha giải tích Còn gọi là tích hợp tham chiếu. Ngõ vào thấp luôn được kết nối nội với chân COMMON và ngõ vào cao được kết nối qua tụ chuẩn đã được nạp từ pha trước. Mạch trong IC đsrm bảo rằng tụ điện sẽ được nối đúng cực để làm bộ tích hợp ngõ ra chuyển H4. Vùng xử lý tín hiệu tương tự của ICL 7107 Trang 6 về “0”. Thời gian cần thiết để ngõ ra chuyển về giá trị “0” tỉ lệ với tín hiệu vào. Đặc biệt số được hiển thị là: DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF Ngõ vào chênh lệch Ngõ vào có thể chấp nhận các điện áp chênh lệch trong phạm vi của bộ khuếch đại ngõ vào, hay cụ thể là từ 0.5V dưới nguồn dương đến 1V trên nguồn âm. Trong phạm vi này hệ thống có CMRR(common mode rejection ratio) 86 dB. Tuy nhiên cần bảo đảm ngõ ra bộ tích hợp không bão hòa. Trường hợp xấu nhất là điện áp mode chung tích cực lớn với một điện áp ngõ vào tích cực âm toàn giai. Tín hiệu ngõ vào âm điều khiển bộ tích phân dương khi phần lớn độ lắc ngõ ra đã được tận dụng bởi điện thế mode chung tích cực dương. Dành cho những ứng dụng cao độ lắc của tích hợp ngõ ra có thể được giảm xuống nhỏ hơn độ lắc toàn giai 2V với ít sai số hơn. Bộ tích phân ngõ ra có thể lắc trong khoảng 0.3V với cả hai nguồn mà không mất sự tuyến tính. Tham chiếu sai biệt Điện áp tham chiếu có thể được tạo ra mọi nơi từ điện áp nguồn của bộ chuyển đổi. Nguồn chính của lỗi mode chung là điện áp vòng tạo bởi tụ tham chiếu nạp hay xả làm sai lạc giá trị điện dung của nó. Nếu có điện áp mode chung lớn, tụ tham chiếu có thể được nạp (tăng điện áp) khi được dùng đến để giải tích một tín hiệu dương nhưng sẽ xả (giảm điện áp) khi được dùng để giải tích một tín hiệu âm. Sự khác biệt trong tham chiếu điện áp vào dương và âm sẽ gây ra lỗi. Tuy nhiên, bằng cách chọn tụ tham chiếu chẳng hạn tụ có điện dung đủ lớn thì lỗi này có thể được kiểm soát hơn 0.5 lần đếm. II.2 Vùng xử lý số của ICL7107 H5 thể hiện mạch đồng hồ trong ICL7107. H6 thể hiện vùng xử lý số của ICL7107. H5. Mạch đồng hồ Trang 7 H6. Vùng xử lý số của ICL7107 Trang 8 Mạch nguyên lý B. MẠCH VOLTMETER CHỈ THỊ SỐ SỬ DỤNG VI MẠCH ICL7107 Đặc điểm chung: Bộ Vôn mét này khá dễ chế tạo nhưng ngược lại nó rất hiệu quả và chính xác. Vôn mét này được thiết kế như một bảng hiển thị và có thể dùng nguồn DC hoặc ở bất cứ nơi nào sao cho có thể hiển thị đúng kết quả. Trong mạch có sử dụng bộ ADC (Analog-Digital Converter) I.C CL7107 chế tạo bởi hãng INTERSIL. Loại IC này có 40 chân tích hợp tất cả những mạch điện cần thiết để chuyển đổi một tín hiệu analog thành tín hiệu số và có thể trực tiếp điều khiển hiển thị một dãy 4 LED 7 đoạn. Các mạch tích trong IC này bao gồm một bộ chuyển đổi A/D, bộ so sánh, đồng hồ, bộ giải mã, và bộ điều khiển hiển thị LED 7 đoạn. Mạch thiết kế ở đây có thể hiển thị mọi giá trị điện thế DC trong phạm vi từ 0 đến 1999 Volts. Các đặc tính chi tiết kỹ thuật của mạch như sau: Điện thế nguồn cung cấp: … +/- 5V (Đối xứng) Công suất yêu cầu: … 200 mA (Tối đa) Phạm vi đo: … +/- 0 – 1999 VDC trên 4 số Độ chính xác: … 0.1 % Đặc điểm: - Kích cỡ nhỏ gọn. - Dễ thiết kế. - Chi phí thấp. - Điều chỉnh dễ dàng. - Dễ quan sát giá trị trong khoảng cách nhất định. - Cần ít phụ kiện. H2. Sơ đồ chân linh kiện Trang 9 Mạch thiết kế Phần nguồn Ngõ ra LED 7 đoạn Anode chung Trang 10 Một bộ chyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (gọi tắt là ADC) được biết như là bộ chuyển đổi dốc đôi hay bộ chuyển đổi tích hợp. Loại bộ chuyển đổi này được ưa chuộng hơn các loại khác bởi vì nó có độ chính xác cao, đơn giản trong thiết kế và tương đối không bị ảnh hưởng bởi nhiễu, từ đó nó rất được tin cậy. Nguyên lý hoạt động của mạch sẽ dễ hiểu hơn khi ta chia nó thành hai phần. Trong suốt tầng thứ nhất, bởi vì đối với một chu kỳ đã cho thì điện áp ngõ vào được tích hợp, và ở ngõ ra của bộ tích hợp ở cuối của chu kỳ sẽ có một điện áp tỉ lệ thuận với điện áp ngõ vào. Ở cuối chu kỳ đặt trước, bộ tích hợp được nhận một điện áp tham chiếu nội và ngõ ra của mạch giảm dần dần cho đến khi đạt đến mức điện áp tham chiếu không. Pha thứ hai còn được gọi là khoảng dốc âm và thời gian của nó phụ thuộc vào ngõ ra của bộ tích hợp trong chu kỳ thứ nhất. Bởi vì quãng thời gian thứ nhất là cố định và khoảng thứ hai có thể thay đổi nên chúng ta có thể so sánh hai khoảng thời gian này với nhau, và bằng cách này điện áp ngõ vào được so sánh với điện áp tham chiếu nội, kết quả được mã hóa và gửi đến bộ hiển thị. Thực tế không dễ dàng như vậy vì một chuỗi các thuật toán rất phức tạp tất cả đều được tạo bởi IC ADC với sự trợ giúp của một số thành phần ngoại vi có tác dụng cấu hình mạch cho phù hợp vợi công việc yêu cầu. Thực tế mạch làm việc chi tiết như sau: Điện áp cần đo được đặt vào giữa 2 điểm 1 và 2 của mạch và qua mạch gồm R3, R4 và C4 vuối cùng được đưa vào chân 30 và 31 của IC tương ứng với ngõ vào mức cao và ngõ vào mức thấp (có thể quan sát các ngõ vào của IC dựa vào sơ đồ của nó). Điện trở R1 và tụ C1 dùng để tạo tần số cho bộ dao động nội (đồng hồ), thường thiết lập ỏ khoảng 48 Hz. Ở tốc độ xung này sẽ có khoảng 3 trạng thái thay đổi được đọc mỗi giây.Tụ C2 nối giữa hai chân 33 và 34 của IC dùng để bù cho lỗi gây ra bởi điện áp nhiễu nội và giữ trạng thái hiển thị ổn định. Tụ điện C3 và điện trở R5 nằm cùng một mạch có nhiệm vụ tích hợp điện thế ngõ vào đồng thời chống lại mọi sự phân chia điện thế ngõ vào giúp làm cho mạch chạy nhanh hơn và đáng tin cậy hơn bởi vì khả năng xuất hiện lỗi được giảm xuống rõ rệt. Tụ điện C5 làm cho bộ hiển thị cho giá trị “0” khi không có điện áp ở ngõ vào. Điện trở R2 cùng với biến trở P1 được dùng để điều chỉnh thiết lập các giá trị hiển thị sao cho khi không có điện áp ngõ vào thì hiển thị giá trị “0”. Điện trở R6 điều khiển dòng điện được cho phép qua bộ hiển thị sao cho đạt độ sáng cần thiết Sơ đồ đi dây Trang 11 mà không gây quá dòng. ICL7107 có khả năng điều khiển hiển thị 4 LED 7 đoạn chung Anode. 3 LED bên phải được kết nối sao cho chúng có thể hiển thị tất cả các số từ ‘0’ đến ‘9’ trong khi LED còn lại bên trái chỉ có thể hiển thị số ‘1’ và khi điện áp âm thì hiện dấu ‘ – ‘. Toàn bộ mạch hoạt động từ nguồn 5 VDC đối xứng được đưa vào các chân 1 (+5V), 21 (0V) và 26 (- 5V) của IC. Thiết kế: Trước tiên cần giới thiệu một số kiến thức cơ bản về thiết kế mạch điện tử trên bảng mạch in. Bảng được làm từ vật liệu cách điện mỏng được phủ một lớp đồng dẫn điện mà sẽ được định hình sao cho tạo nên các kết nối cần thiết giữa các thành phần của mạch điện. Người thiết kế mạch luôn muốn thiết kế được những bảng mạch in hoàn chỉnh bởi vì việc thi công mạch sẽ nhanh và giảm khả năng gây lỗi. Để bảo vệ bảng đồng trong quá trình lưu giữ, người ta tráng thiếc và bao phủ một lớp sơn đặc biệt bảo vệ bảng đồng khỏi oxi hóa và dễ hàn hơn. Việc hàn các linh kiện lên bảng mạch là cách duy nhất tạo thành mạch điện và cách chúng ta thực hiện sẽ quyết định thành công hay thất bại. Công việc này không quá khó và nếu ta để ý tới một số quy tắc thì sẽ không có khó khăn nhiều. Dụng cụ hàn chúng ta sử dụng không nên có công suất vượt quá 25 W. Đầu mũi hàn ta nên dùng loại tốt và luôn giữ sạch. Để làm sạch mũi hàn ta nên dùng một miếng giẻ được giữ ẩm thường xuyên, khi cần làm sạch mũi hàn ta có thể chùi đầu mũi hàn nóng lên miếng giẻ để loại bỏ tất cả phần kim loại hàn dư thừa bám trên nó. Không nên dùng giũa hay giấy nhám để làm sạch mũi hàn. Nếu không thể làm sạch được mũi hàn thì ta nên thay thế nó. Hiện có rất nhiều loại dây hàn khác nhau trên thị trường, ta nên chọn loại có chất lượng cao chứa chất gây chảy cần thiết trong lõi, từ đó đảm bảo các mối hàn hoàn hảo. Không nên dùng thêm chất gây chảy bên ngoài vì trong lõi dây hàn đã chứa đủ chất gây chảy. Quá nhiều chất gây chảy có thể gây ra nhiều vấn đề và là nguyên nhân chính làm sai mạch. Nhưng vẫn có lúc ta cần dùng thêm chất gây chảy, đó là trong trường hợp khi ta phải phủ thiếc cho đường đồng, và ta phải làm sạch sau khi hoàn thành công việc. Để có thể hàn các linh kiện chính xác chúng ta nên làm các bước sau đây: - Làm sạch các chân linh kiện bằng giấy nhám. - Uốn các chân để đạt được khoảng cách chính xác và cắm chân linh kiện vào đúng chỗ trên bảng mạch. - Đôi khi có một số chân linh kiện có kích cỡ lớn hơn bình thường nên không thể cắm vào lỗ trên bảng mạch được. Trong trường hợp này ta có thể dùng một chiếc khoan nhỏ để nới rộng thêm lỗ chân linh kiện. Không nên nới lỗ ra quá lớn vì nó sẽ làm cho việc hàn linh kiện sau này khó khăn. - Làm nóng mũi hàn, đưa mũi hàn tiếp xúc chân linh kiện đồng thời đưa đầu dây hàn tiếp xúc ngay điểm chân linh kiện nổi lên khỏi bảng mạch. Đầu mũi hàn phải ở ngay phía trên mũi dây hàn. - Khi dây hàn bắt đầu nóng chảy, đợi đến khi chất hàn phủ toàn bộ xung quanh lỗ hàn thì rút đầu dây hàn ra. Toàn bộ các thao tác không được quá 5 giây. Đưa mũi hàn ra và để mối hàn nguội tự nhiên, không thổi và chạm vào linh kiện. Nếu thực hiện đúng thì bề mặt của mối hàn sẽ có màu sáng ánh kim và mép tiếp xúc giữa mối hà và bảng mạch sẽ nhẵn. Nếu mối hàn xấu, rạn nứt, hoặc có hình giọt nước tức là ta đã tạo ra điểm tiếp xúc không tốt, chúng ta nên gỡ bỏ mối hàn (bằng dụng cụ hút hoặc bấc hàn) và làm lại. Trang 12 - Cần chú ý không để đường mạch bị quá nóng bởi vì nhiệt dễ làm cho đường hàn bong ra khỏi bảng mạch. - Khi chúng ta hàn một linh kiện dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ thì tốt nhất ta nên để một tấm tản nhiệt tiếp xúc với chân linh kiện nhằm chuyển hướng dòng nhiệt có thể làm hại đến linh kiện. - Chúng ta cũng không nên thực hiện các mối hàn nhiều hơn cần thiết khi các đường mạch quá gần nhau. - Sau khi hoàn thành công việc, ta cần cắt bỏ phần thừa của chân linh kiện, sau đó làm sạch toàn mạc bằng dung môi thích hợp để khử bỏ đi những chỗ dư thừa còn sót lại. Chúng ta nên bắt đầu công việc từ bước xác định chức năng linh kiện và phân nhóm chúng. Một điểm cần chú ý là những phần nối jumper biểu diễn bằng nét đứt dùng để điều khiển vị trí điểm thập phân khi chúng ta đo khoảng giá trị cụ thể. Khi sử dụng Vôn mét này để đo ở những phạm vi khác nhau, chúng ta nên dùng một công tắc ba chân để chuyển dấu chấm thập phân đến đúng vị trí ứng với phạm vi đo lựa chọn. Giá trị của điện trở R3 điều khiển phạm vi đo của Vôn mét , khi thay nó bằng điện trở có giá trị khác chúng ta có thể sử dụng Vôn mét ở giới hạn điện áp lớn hơn. Giá trị điện trở R3 có thể thay thế như sau: 0 – 2 V : R3 = 0 ohm 1% 0 – 20 V : R3 = 120 Kohm 1% 0 – 200 V : R3 = 12 Kohm 1% 0 – 2000 V : R3 = 1.2 Kohm 1% Sau khi đã hoàn thành công việc hàn các chân linh kiện lên bảng mạch và đảm bảo chính xác, chúng ta có thể gắn IC vào đúng vị trí của nó. IC thuộc họ CMOS nên rất nhạy cảm đối với tĩnh điện. IC được bọc trong lá nhôm để bảo vệ tránh tĩnh điện và chúng ta nên cẩn thận khi tiếp xúc để không làm hư IC. Chúng ta nên tránh chạm vào chân IC và nên để cơ thể và mạch nối đất khi lắp ráp IC. Nối mạch với bộ nguồn 5 VDC thích hợp và bật nguồn lên. Bộ hiển thị sẽ sáng ngay và hiện số. Ngắn mạch ngõ vào và điều chỉnh biến trở P1 cho đến khi hiển thị đúng giá trị “000”. Danh sách linh kiện: R1 = 180k R2 = 22k R3 = 12k R4 = 1M R5 = 470k R6 = 560ohm C1 = 100pF C2 = 100nF C3 = 47nF C4 = 10nF C5 = 220nF P1 = 20k (Biến trở) U1 = ICL 7107 LD1,2,3,4 = CA LD Trong trường hợp mạch không hoạt động? Kiểm tra các mối nối hở, các đường mạch dính vào nhau hay phần chất hàn dư. Kiểm tra lại tất cả các kết nối nội - ngoại vi để xem có lỗi hay không. - Kiểm tra liệu có ráp thiếu hay sai chỗ linh kiện không. Trang 13 - Phải chắc rằng tất cả các cực của linh kiện được hàn đúng chiều. - Nguồn cung cấp đúng điện áp và được kết nối đúng với mạch điện. - Kiểm tra lổi và các linh kiện bị hư hỏng. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 1. Digital Fundamentals 6th Edition Thomas L. Floyd Pentice – Hall International, Inc. 2. Website: . MỤC LỤC Tiêu đề Trang A. GIỚI THIỆU VI MẠCH ICL7107 ..............................................................3 I. GIỚI THIỆU CHUNG ......................................................................3 II. CHI TIẾT.........................................................................................4 B. MẠCH VOLTMETER CHỈ THỊ SỐ SỬ DỤNG VI MẠCH ICL7107......8 Nguồn cung cấp