Đồ án Ứng dụng phần mềm Proteus để mô phỏng và khảo sát mạch RLC

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CHO ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Đề tài: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PROTEUS ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT MẠCH RLC Người hướng dẫn: ThS. DƯƠNG ĐÌNH TÚ Sinh viên thực hiện: TRẦN QUANG KHÁNH MSSV: 0951083123 Lớp: 48K ĐTVT Vinh, 02/2011 Mục Lục - Lời nói đầu - Phần I. Giới thiệu đề tài 1.1. Mục đích đề tài 1.2. Cách tiếp cận đề tài - Phần II. Cơ Sở Lý Thuyết 2.1. Các thành phần mạch khảo sát 2.2. Quá trình diễn ra trong mạch 2.3. Phần mềm Proteus. 2.3.1. Phần mềm ISIS Proteus và hướng dẫn sử dụng chi tiết. 2.3.2. sử dụng các công cụ đo đạc, hiện thị dạng sóng cơ bản. 2.3.2.a. Dao động ký – Oscilloscope (OSCI) 2.3.2.b Các biểu đồ dạng sóng 2.3.6.c Các Ampere kế và Volt kế (AM và VM) - PHẦN III. Ứng dụng Protues trong khảo sát mạch: Khảo sát dao động mạch RLC. 3.1. Giới thiệu về thành phần mạch điện. 3.1.1. Điện trở. 3.1.2. Tụ điện. 3.1.3. Cuộn cảm. 3.1.4. Một số quá trình diễn ra trong mạch RLC. 3.2. Mô Phỏng 3.2.1. Đo dao động mạch bằng Tín hiệu tương tự (Anolog). 3.1.2. Đo thông số hiệu điện thế 2 đầu cuộn cảm bằng thiết bị đo dao động ký. 3.3. Mở rộng đề tài. - Kết luận LỜI NÓI ĐẦU. 2 Trong cuộc sống hiện nay ngành công nghệ thông tin đang ngày càng có đóng góp quan trọng,lĩnh vực nào có sự đóng góp của công nghệ thông tin củng đem lại sự phát triển vược bậc, công nghệ thông tin đem lại sự chính xác cao, tốc độ nhanh cho công việc, đáp ứng được nhu cầu lao động, sinh hoạt vui chơi giải trí của con người. Công nghệ thông tin hiện nay đã có mặt hầu hết trong các ngành nghề của cuộc sống như giáo dục, kinh tế, y tếkể cả trong bộ máy chính phủ. Ngành điện tử viễn thông là nghành có liên quan mật thiết với ngành công nghệ thông tin, trong sự phát triển của ngành ĐTVT từ trước đến nay việc ứng dụng CNTT đã làm cho điện tử viễn thông có được những bước nhảy vọt, đưa vai trò của nó lên tầm toàn cầu. vì vậy việc tìm hiểu, phát triển các ứng dụng ngành CNTT cho điện tử viễn thông là điều hết sức cần thiết, đáp ứng được yêu cầu phát triển theo chiều hướng vi mô như hiện nay. Trong ĐTVT việc thiết kế, mô phỏng mạch, vẽ sơ đồ nguyên lý là một nhu cầu quan trọng, đòi hỏi độ tinh vi, chính xác cao. Với sự trợ giúp của phần mềm ORCAD được phát triển bởi công ty Cadence đã giúp cho người kĩ sư của ĐTVT tiến hành được thuận lợi hơn . Proteus là một chương trình dùng để mô phỏng khá mạnh hiện nay. Nó là một phần mềm khá đầy đủ các chức năng: Có thể mô phỏng được mạch ( mạnh nhất ) nó vừa có thể thiết kế mạch, xuất ra mạch in. Nói chính xác hơn Proteus là một bộ phần mềm bao gồm nhiều phần mềm trợ giúp trong quá trình mô phỏng và thiết kế mạch. ISIS 7 Professional để mô phỏng mạch điện, ARES 7 Professional để vẽ mạch in, thiết kế mạch. Các thư viện linh kiện của Proteus có thể coi là khá mạnh, và có thể mô phỏng hầu hết các linh kiện các thiết bị trên phòng thí nghiệm hiện nay. 3 CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích của đề tài: Sử dụng phần mềm Protues để mô phỏng mạch RLC sử dụng dòng một chiều. 1.2 Cách tiếp cận đề tài: Trong lĩnh vực khoa học công nghệ ngày càng phát triển không ngừng ngành tin học nói chung đã có mặt hầu như trong tất cả các ngành nghề từ đơn giản đến phức tạp . Công nghệ tin học đã giúp ích không nhỏ vào công việc giảng dạy và mang lại nhiều kết quả không nhỏ. Hiện nay việc sinh viên không hiểu biết rõ, cách sử dụng các thiết bị thí nghiệm đắt tiền trong phòng thí nghiệm đã khiến nhiều thiết bị hư hỏng do không biết cách sử dụng hoắc thao tác sai dẫn đến đoạn mạch gây hư hỏng. Nhưng CNTT đã tạo ra nhiều phần mềm mô phỏng được hoạt động gần như là y hệt các thiết bị trong phòng thí nghiệm. Và Proteus là một phần mềm có khả năng Mô phỏng khá mạnh trong số các phầm mềm mô phỏng hiện nay. Nên việc ứng dụng Proteus vào mô phỏng là điều rất cần thiết cho sinh viên ĐTVT. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1. Các thành phần mạch khảo sát mạch RLC. + Tụ điện + Cuộn cảm + Điện trở + Nguồn DC, nối đất 2.2. Quá Trình Diễn Ra Trong mạch. Khảo sat tín hiệu của mạch RLC 2.3. Phần Mềm Proteus. 2.3.1. Phần mềm ISIS Protues 7 Professional và hướng dẫn sử dụng chi tiết + Khởi động chương trình Start → All Programs → Protues 7 Professional → ISIS 7 Professional 5 - Ta được màn hình giao diện 6 + Giới thiệu cơ bản. Bao gồm các menu quen thuộc như: File. View, Edit, Tools Ta có thể thực hiện hầu hết các lệnh của của ISIS tại đây (trừ các lệnh của thanh công cụ). - Thanh tác vụ Chứa một số lệnh của thanh trình đơn ở dạng Shortcut như New, Save, Open và các nút sau: Làm tươi màn hình và các chỉnh sửa 7 Bật/Tắt lưới cho bản vẽ Chọn gốc tọa độ Các công cụ phóng to, thu nhỏ toàn mạch Undo/Redo Cắt, Sao chép, Dán Các lệnh tác động lên đối tượng đã được chọn trước Các công cụ chỉnh sửa tạo thư viện linh kiện Bật/Tắt chế độ mô phỏng trên nền thời gian thực Bật/Tắt chế độ tự nối dây trong sơ đồ nguyên lý Tìm kiếm linh kiện Chỉnh sửa thuộc tính chung Các công cụ quản lý trang làm việc Xuất danh sách linh kiện Kiểm tra lỗi mạch điện (ERC) Liên thông ARES để vẽ mạch in - Thanh công cụ Component -Thêm linh kiện vào bản vẽ Junction - Thêm điểm nối giao nhau của đường dây Wire Label - Gán tên cho đường dây Text Script - Thêm Text vào bản vẽ 8 Bus - Vẽ đường Bus Sub Circuit – Mạch phụ Instant Edit Mode – Chỉnh sửa nhanh thuộc tính linh kiện Inter Sheet Terminal – Nối đầu cực Device Pin – Vẽ chân linh kiện Simulation Graph – Vẽ đồ thị mô phỏng Tape Recoder – Băng ghi Generator - Các máy phát tín hiệu Voltage Probe – Đầu dò điện áp Current Probe – Đầu dò dòng điện Virtual Instrument – Các thiết bị ảo Các công cụ vẽ 2D 9 + Chọn linh kiện. 10 G 11 Cách lấy một số thiết bị trong mạch cần khảo sát: + Cách lấy tụ điện 12 + Lấy cuộn cảm: 13 + Cách lấy Điện trở. 14 +Cách lấy nguồn 1 Chiều: 2.3.2. Sử dụng các công cụ đo đạc, hiển thị dạng sóng cơ bản 2.3.2.a Dao động ký – Oscilloscope (OSCI) Chọn Virtual Instruments → Oscilloscope Đặc điểm: - Có 2 kênh ngõ vào - Hiển thị đơn kênh, 2 kênh hoặc chế độ XY - Độ chia biên độ: 20V/div → 2mV/div - Độ chia thời gian 200ms/div → 0.5 µ s/div 15 Để sử dụng ta nối các kênh của OSCI với các điểm cần quan sát dạng sóng, sau đó cho mạch chạy mô phỏng, lập tức các màn hình hiển thị của OSCI hiển thị với các nút điều chỉnh như sau: 2.3.2.b Các biểu đồ dạng sóng ISIS cho phép chúng ta vẽ được 13 loại biểu đồ mô phỏng tín hiệu khác nhau: - Tín hiệu tương tự (Anolog) - Tín hiệu số (Digital) - Tín hiệu tương tự - số (Mixed) - Tín hiệu tần số (Frequency) - Tín hiệu truyền dẫn (Transfer) - Tín hiệu nhiễu (Noise) - Tín hiệu méo (Distortion) - Tín hiệu phổ (Fourier) - Tín hiệu âm tần (Audio) - Tín hiệu tương hỗ (InterActive) - Tín hiệu thích nghi (Conformance) - Tín hiệu quét DC (DC sweep) - Tín hiệu quét AC (AC sweep) 16 Chọn Simulation Graph Tiếp sau đó ta chọn loại biểu đồ, kéo rê chuột trái vẽ một khing biểu đồ với kích thước phù hợp trong vùng làm việc. Ví dụ ta vẽ một biểu đồ phân tích tín hiệu tương tự như sau: Nhấp chuột vào thanh tiêu đề cảu biểu đồ, bảng thiết lập thông số hiện ra: 17 Do mặc định các biểu đồ của ISIS có màu đen nên có thể gây khó khăn khi hiển thị và in ấn. Chúng ta có thể thay đổi màu sắc của biểu đồ bằng cách chọn Option → Graph Colours trên thanh Menu. Từ đây ta có thể thay đổi toàn bộ màu sắc biểu đồ theo ý muốn. 18 Ta quan tâm đến phần điều khiển biểu đồ gồm có các công cụ sau: Qua trái phải cảu biểu đồ Co, dãn trục thời gian Xem tập tin quá trình mô phỏng Các biểu đồ của ISIS đọc dữ liệu từ các đầu dò tín hiệu (Probe) có trên mạch điện mô phỏng. Do đó để vẽ dạng sóng ta cần đặt trước các đầu dò này tại các vị trí cần thiết. Để gán các đầu dò cho biểu đồ trên bảng Menu ta chọn Graph → Add trace sẽ hiện ra bảng sau: 19 Ta chọn các đầu cần dò sau đó nhấn OK. Tiếp tục nhấn Run hoặc phím Space để tiến hành mô phỏng. Dạng sóng tín hiệu sẽ xuất hiện. Để đọc được giá trị cụ thể tại các thời điểm bạn nhấp chuột lên biểu đồ tại vị trí bất kỳ để xuất hiện đường gióng sau đó rê đường gióng này đến thời điểm cần và đọc giá trị ở góc dưới bên phải của biểu đồ. Nếu trên biểu đồ có 2 đồ thị trở lên thì bạn nhấp chuột lên nó rồi hãy rê đường gióng. Ví dụ: 20 Đối với các dạng biểu đồ khác ta thực hiện tương tự. 2.3.6.c Các Ampere kế và Volt kế (AM và VM) Gồm có các loại sau: 21 Để lấy AM và VM bạn chọn Virtual Instruments: Để thay đổi các thông số của các AM và VM bạn nhấp chuột phải – trái lên nó, bảng Edit Component xuất hiện, thay đổi thang đo trong ô Display Range: 22 PHẦN III. Ứng dụng Protues trong khảo sát mạch: Khảo sát dao động mạch RLC. 3.4. Giới thiệu về thành phần mạch điện. 3.1.1. Điện trở. Khái niệm về điện trở. 23 Điện trở là gì ? Ta hiểu một cách đơn giản - Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn. Điện trở thường Điện trở của dây dẫn : Điện trở của dây dẫn phụ thộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây. được tính theo công thức sau: 1. R = ρ.L / S Trong đó ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu L là chiều dài dây dẫn S là tiết diện dây dẫn R là điện trở đơn vị là Ohm 3.1.2. Tụ điện. Định nghĩa : Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động Cấu tạo của tụ điện :Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi. Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá. Cấu tạo tụ gốm Cấu tạo tụ hóa 24 3.1.3. Cuộn Cảm. a. Khái niệm Cuộn cảm là một linh kiện điện tử thụ động, thường dùng trong mạch điện có dòng điện biến đổi theo thời gian (như các mạch điện xoay chiều). Cuộn cảm có tác dụng lưu trữ năng lượng ở dạng từ năng (năng lượng của từ trường tạo ra bởi cuộn cảm khi dòng điện đi qua); và làm dòng điện bị trễ pha so với điện áp một góc bằng 90°. Cuộn cảm được đặc trưng bằng độ tự cảm, đo trong hệ đo lường quốc tế theo đơn vị henri (H). Cuộn cảm có độ tự cảm càng cao thì càng tạo ra từ trường mạnh và dự trữ nhiều năng lượng. Cuộn cảm là một linh kiện điện tử lệ thuộc vào tần số chỉ dẩn điện ở tần số thấp Cuộn cảm b. Cấu tạo của cuộn cảm - Các đại lượng đặc trưng Cấu tạo của cuộn cảm, Các đại lượng đặc trưng (Hệ số tự cảm, cảm kháng, điện trở thuần). Tính chất nạp xả của cuộn dây. 25 Cuộn dây lõi không khí Cuộn dây lõi ferit 3.1.4. Một số quá trình diễn ra trong mạch RLC. Quá trình xác lập: là trạng thái việc cân bằng ổn định của mạch điện. Quá trình quá độ: Quá trình quá độ trong mạch điện là quá trình mạch chuyển từ trạng thái ban đầu này tới một trạng thái xác lập khác dưới một tác động kích thích nào đó. Bài toán quá độ là bài toán tìm các quá trình quá độ xảy ra trong mạch điện. Về mặt lý thuyết, thời gian quá độ của mạch là vô cùng lớn, song trong thực tế thường chỉ tính bằng đơn vị nano giây đến mili giây. Thông thường loại bài toán này gắn liền với một khoá đóng ngắt các nhánh mạch hoặc là nguồn tác động làm việc ở chế độ đột biến. Thời điểm trong mạch xảy ra đột biến thường được quy ước làm gốc (t=0). Về mặt hình thức, quá trình quá độ trong mạch có thể coi như sự xếp chồng của dao động tự do và dao động cưỡng bức. Đối với các hệ ổn định tĩnh, dao động tự do không có nguồn duy trì nên tắt dần theo thời gian. Khi dao động tự do tắt hẳn, trong mạch chỉ còn lại dao động cưỡng bức và khi đó mạch đạt đến trạng thái xác lập mới. Đối với các hệ không ổn định tĩnh, dao động tự do có thể tăng dần theo thời gian và trong mạch xuất hiện hiện tượng tự kích. Có một dạng mô hình mạch rất quan trọng trong thực tế, đó là các mạch dao động đơn. Mạch dao động đơn đầy đủ là các mạch gồm có ba thông số thụ động R, L, Cmắc nối tiếp hoặc song song với nhau. Dòng điện trong mạch được phân ra thành giai đoạn quá độ và giai đoạn xác lập. Dòng điện tổng hợp trong giai đoạn quá độ là tổng dòng điện tự do và dòng điện cưỡng bức, kéo dài trong suốt thời gian tt. Khi hai vectơ thành phần dao động theo những tần số khác nhau sẽ dẫn đến hiện tượng phách, nội dung của hiện tượng này như sau: 26 Dòng điện trong mạch được phân ra thành giai đoạn quá độ và giai đoạn xác lập. Dòng điện tổng hợp trong giai đoạn quá độ là tổng dòng điện tự do và dòng điện cưỡng bức, kéo dài trong suốt thời gian tt. Khi hai vectơ thành phần dao động theo những tần số khác nhau sẽ dẫn đến hiện tượng phách, nội dung của hiện tượng này như sau: + Khi hai vectơ thành phần cùng phương & chiều (tức cùng pha) thì biên độ vectơ tổng hợp sẽ đạt giá trị max (bằng tổng đại số của hai thành phần). + Khi hai vectơ thành phần cùng phương nhưng ngược chiều (tức ngược pha) thì biên độ vectơ tổng hợp sẽ đạt giá trị min (bằng hiệu đại số của hai thành phần). 3.2. Mô phỏng mạch mạch RLC. 3.2.1. Đo dao động mạch bằng Tín hiệu tương tự (Anolog). 27 28 Nhìn qua biểu đổ thì ta thấy Hiệu điện thế bị giảm dần theo thời gian và dần về 0. Vì năng lượng bị tiêu hao khi dòng điện đi qua điện trở. Khi điện tích giữa 2 bản tụ bị trung hòa thì không còn dòng điện trong mạch. 3.1.2. Đo thông số hiệu điện thế 2 đầu cuộn cảm bằng thiết bị đo dao động ký. + khi khóa k mở. 29 + Đóng khóa k: quá trình nạp 30 + mở khóa k: quá trình phóng. Hiệu điện thế trong tụ dao động yếu dần do điện năng bị yếu đi dần khi qua điện trở. Và tiến về 0. 3.3. Mở rộng đề tài. - Ứng dụng trong thực tế: Sử dụng để hình dung sự hoạt động của mạch dao động RLC, sự thay đổi điện áp, cường độ dòng điện mà thực tế chúng ta không thể quan sát bằng mắt thường. 31 - Tự thí nghiệm ở nhà trước khi đi thí nghiệm ở trường để tránh thí nghiệm sai làm hỏng hóc thiết bị đắt tiền trên phòng thí nghiệm. -Chạy mô phỏng bằng Protues giúp ta thực hành được các mạch điện tử phức tạp mà có thể ta không đủ kinh phí để mua đầy đủ các linh kiện đắt tiền Kết luận Trong quá trình thực hiện đồ án chúng tôi đã thực hiện mô phỏng mạch bằng phần mềm Protues khá đơn giản. Quan sát được sự thay đổi cụ thể của các thong số qua các linh kiện. Tuy mới lúc đầu sử dụng còn nhiều bỡ ngỡ nhưng sau một thời gian tìm hiểu và thực hành trên máy vi tính thì chúng tôi nhận thấy phần mềm Protues quả là một phần mềm có tác dụng rất lớn trong việc học tập, làm quen với các thiết bị mà sau này là các thiết bị lien quan đến công việc. Tuy bây giờ chúng em chưa được thành thạo về sử dụng Protues vì mới được tiếp cân trong thời gian ngắn. nhưng chúng em nghĩ sau này việc sử dụng nhiều Proteus trong việc khảo sát, mô phỏng nhiều sẽ giúp chúng em nắm rõ, thao tác thành thạo trên Proteus để nghiên cứu học tập tốt hơn. Chúng tôi rất cảm ơn đồ án đã mang lại cho chúng tôi một công cụ học tập thú vị và hữu ích 32