Tự động hóa thiết kế mạch điện tử trên Computer

Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com Tự động hóa thiết kế mạch điện tử trên Computer 1. Introduction Trong bài này bạn sẽ được học một vài đặc trưng phân tích trong Electronic Workbench (EW): Multisim và việc tạo những mạch điện tử để phân tích. Sơ đồ cuối cùng sẽ được dùng cho thí nghiệm thứ 3: Chuyển từ sơ đồ nguyên lí sang mạch in (PCB) 2. Phân tích mạch. Chúng ta sẽ mô phỏng mạch đã được thiết kế trong phần thí nghiệm truớc. Chúng ta sẽ thêm vào nhiều thiết bị để xác định rõ mạch chạy thees nào và sẽ tiếp tục sửa mạch bằng cách cho thêm một số thành phần khác. Nhớ lại mạch đã được thiết kế trong thí nghiệm trước có dạng như sau: Hình 1: Mạch dao động LED cơ bản Mạch trong hình 1 đã được kết nối với một máy hiện sóng XSC1 để giám sát điện áp trên 2 điểm : đầu ra của NAND và đầu vào của tranzitor Q1. Trong thí nghiệm trước, chúng ta đã được học cách chạy mô phỏng và mở cửa sổ máy hiện sóng. Chúng ta sẽ học cách điều chỉnh máy hiện sóng để đạt được hình ảnh quan sát tốt nhất. 3. Điều chỉnh máy hiện sóng Đầu tiên, khởi động Multisim, mở lại mạch bạn đã thiết kế và Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com ghi lại ở thí nghiệm trước (mạch như trên hình 1). Chạy mô phỏng, click đúp lên icon của máy hiện sóng để làm xuất hiện cửa sổ màn hình máy hiện sóng. Bật máy hiện sóng bằng cách click vào nút ở dưới cùng của cửa sổ máy hiện sóng. Trên màn hình máy hiện sóng, dạng sóng đo được ở kênh 1 biểu diễn điện áp đầu ra của cổng NAND, có dạng xung kim, phần lớn có trị số điện áp bằng 0 và phần nhỏ là 5 V. Những xung kim này diễn ra khi LED sáng. Bây giờ chúng ta sẽ quan sát điện áp đo được trên kênh 2 của máy hiện sóng (đầu vào của tranzitor Q1). Hình 2: Máy hiện sóng và những phần quan trọng (đóng khung màu đỏ). Trong hình 2, chúng ta thấy có 2 hệ thống điều khiển quan trọng của máy hiện sóng, có tên là : Horizontal và Analog. Hai phần này điều chỉnh thuộc tính ngang và dọc của sóng hiển thị trên máy hiện sóng. Để quan sát kênh thứ 2, Bấm nút số 2 trong phần Analog. Núm xoay ở bên trái trong phần Horizontal điều chỉnh độ chia thời gian trên truc nằm ngang của máy hiện sóng. Các núm xoay phía trên của phần Analog dùng để điều chỉnh riêng rẽ các kênh quan sát. Hãy thử điều chỉnh máy hiện sóng sao cho sóng quan sát được có dạng như hình Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com sau: Hình 3: Điều chỉnh độ chia điện áp và thời gian của máy hiện sóng Bằng cách điều chỉnh các thiết lập trên chiều thẳng đứng của máy hiện sóng (điều chỉnh độ chia điện áp), bạn có thể quan sát được những thay đổi diễn ra ở đầu vào của tranzitor Q1. Hãy nhớ lại nguyên lí hoạt động của mạch đã đề cập trong phần trước. Sự thay đổi điện áp diễn ra ở cực bazơ của Q1 là kết quả của sự phóng hay nạp điện của tụ C1. Khi điện áp trên đầu ra của cổng NAND lên đến đỉnh xung kim (đồ thị phía trên), tụ sẽ phóng điện qua tranzitor Q2 ( theo đường quan sát được ở đồ thị bên dưới của hình 3). Máy hiện sóng cũng cho phép kiểm tra những đặc tính quan trọng của mạch dao động. Đó là: tần số dao động ( đơn vị Hz), nghĩa là số dao động mà mạch đã thực hiện được trong 1 giây. Trong trường hợp này, một dao động là một chu kì bật tắt của LED. Hãy điều chỉnh để trên máy hiện sóng giống như hình 3, mạch đang ở chế độ chạy (running). Click vào nút Single (nút trên cùng phí bên phải của máy hiện sóng), Máy hiện sóng sẽ chỉ ghi lại đồ thị trong một lần chạy, sau khi lần chạy đó kết thúc, nút Run/Stop sẽ chuyển thành màu đỏ. Click nút cursor Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com (ngay bên dưới phần Horizontal), một chuỗi các nút khác sẽ xuất hiện trên màn hình máy hiện sóng. Hình 4 :các chức năng thời gian của máy hiện sóng Chúng ta chỉ quan tâm đến các nút 2, 3 , 4. Nút 2 để chuyển đổi quan sát theo truc X hay trục Y. Nút 3 để chọn điều khiển đường đánh dấu thứ nhất (X1),nút 4 để chọn điều khiển đường đánh dấu thứ 2 (X2). Đường đánh dấu là đường nét đứt có thể di chuyển theo màn hình nhờ xoay nút (núm xoay duy nhất ngay dưới phần horizontal). Núm xoay này được gọi là núm xoay đánh dấu. Click nút 2 để chắc chắn rằng trục X được chọn. Click nút 3 để chọn điều khiển đường đánh dấu thứ nhất, xoay núm xoay đánh dấu theo chiều kim đồng hồ để điều khiển đường đánh dấu thứ nhất di chuyển dọc theo màn hình, dừng lại khi đường đánh dấu trùng với một đỉnh xung kim. Click nút thứ 4 để chọn đường đánh dấu thứ 2, xoay núm xoay đánh dấu cho đến khi đường này trùng với xung kim tiếp theo. Khoảng cách giữa 2 đường (dX=X2-X1) cũng là khoảng cách giữa 2 xung kim về thời gian. Máy hiện sóng sẽ đo chính xác thời gian dX và 1/dX là tần số, số xung kim trong 1 giây hay số lần mạch dao động trong 1s. dX = ……. μs Frequency = ………. Hz Bằng kĩ thuật này, bạn cũng có thể đo được điện áp chênh lệch giữa 2 điểm trên đồ thị của một sóng như sau. Click nút thứ 2 và chắc chắn rằng trục y được chọn. Đánh dấu 2 điểm cần đo chênh áp bằng 2 đường đánh dấu (bây Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com giờ chúng nằm ngang màn hình). Tương tự như trên, bạn sẽ có được kết quả cần tìm. Độ chênh lêch điện áp giữa điểm với điểm: Peak to Peak voltage = ……… V Một phân tích nữa mà chúng ta sẽ thực hiện trên mạch dao động LED, đó là phân tích đáp ứng trên miền thời gian (transient analysis ) Phân tích này có đủ khả năng cho chúng ta theo dõi dòng và áp của mạch điện trong một chu kì hoạt động. Multisim sẽ tính toán đáp ứng của mạch như một hàm của thời gian. Mỗi chu kì sẽ được chia thành các khoảng thời gian nhỏ, phân tích DC sẽ được thực hiện cho từng điểm trong chu kì đó. Tiện lợi của phương pháp này là cho bạn quan sát được số dao động trong một thời gian xác định, mà bình thường tần số dao động đó lớn khiến mắt không quan sát được. Để phân tích đáp ứng thời gian ta làm như sau.Chọn Transient Analysis từ memu Simulate / Analyses . Một cửa sổ hiện ra cho bạn thiết lập các thông số phân tích, quan trọng nhất là : start time và stop time. Chọn tab output, khung bên trái là tất cả các điểm trên mạch có thể tiến hành phân tích, chọn những điểm cần phân tích (đưa chúng sang khung bên phải).Cuối cùng là click vào nút Simulate để tiến hành phân tích. Để quan sát được điện áp ở nhiều điểm khác nhau, chọn show/Hide cursor từ menu View. 4. Tạo sóng với khối Tạo chức năng (function generator ) Với nhiều mạch chúng ta cần kiểm tra thiết kế với tín hiệu đầu vào theo nhiều dạng khác nhau. Do đó ta phải sử dụng khối tạo chức năng . Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com Hình 5: The Agilent function generator set to 1 kHz (1000 Hz) Để kiểm tra thiết kế với các điều kiện khác nhau, từ sơ đồ mạch đa thiết kế ở trên, loại bỏ vòng phản hồi và điều khiển trực tiếp đầu vào của cổng NAND bằng một khối tạo chức năng (function generator). Khối này cung cấp sóng dạng sine hoặc dạng xung vuông với tần số định trước. Khối tạo chức năng này có 3 thiết lập quan trọng: tần số sóng, điện áp (biên độ) sóng và độ sai lệch điện áp. Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com Hình 6 Bây giờ chúng ta sẽ thay đổi sơ đồ đa thiết kế ỏ trên để sử dụng khối tạo chức năng. Bắt đầu bằng việc ngắt bỏ dây nối từ đầu ra của LED đến đầu vào của cổng NAND. Nối đầu vào của cổng NAND với một khối tạo chức năng, cần thay thế tụ C1 bằng một điện trở 2 kΩ . Sơ đồ mới có dạng như hình 7: Figure 7. Sơ đồ của mạch dao động LED điều khiển bởi một function generator Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com Trên hình 7, khối tạo chức năng XGF1 điều khiển cỏng NAND. Thiết lập thông số của XGF1 như sau. Mở cửa sổ màn hình của nó bằng cách click đúp lên icon. Trên cửa sổ màn hình, bấm nút Ampl sau đó vặn núm xoay để trên màn hinh hiển thị 10Vpp. Tiếp tục, click chọn nút Freq, xoay núm để trên màn hình xuất hiện 100.00000 kHz. Bật máy hiện sóng lên, chọn 2 kênh và mô phỏng mạch. Điều chỉnh sao cho màn hình của máy hiện sóng có dạng như sau: Khối tạo chức năng cho phép bạn thay đổi tần số ngay khi đang thực hiện mô phỏng. Hãy thay đổi tần số của khối tạo chức năng và quan sát tần số làm Led ngừng nhấp nháy. Có rất nhiều linh kiện điện tử thay đổi điện trở theo tần số. Ví dụ, tụ điện có trở kháng tăng khi tần số giảm. 5. Mạch khuếch đại một chiều và xoay chiều (DC and AC Amplifier ) Sau đây chúng ta sẽ xem xét một vài mạch điện khuếch đại đơn giản sử dụng các bộ khuếch đại thuật toán (LM741CN) Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com Hình 9 : Mạch khuếch đại tín hiệu. XMM1 và XMM2 là các đồng hồ đo vạn năng (Agilent multimeters), dùng để đo dòng và áp trong mạch điện. Click đúp vào icon của XMM1 và XMM2, điều chỉnh sang chế độ đo DC. Trên màn hình đồng hồ, bạn sẽ thấy đầu ra của mạch phía trên cho điện áp dương, đầu ra của mạch bên dưới cho điện áp âm. Bởi vậy, ta gọi mạch trên là mạch khuếch đại không đảo, còn mạch bên dưới là mạch khuếch đại đảo. Điện áp vào và ra hoặc điện áp tại các điểm khác cũng có thể đo bởi một công cụ rất tiện lợi đó là Dynamic Measurement Probe ( Công cụ ở dưới cùng của thanh memu các dụng cụ đo ở bên phải màn hình). Sử dụng nó bằng cách click vào biểu tượng của nó trên thanh dụng cụ đo, sau đó chỉ con trỏ vào điểm cần đo trên mạch. Nếu muốn đo dòng, bạn phải dừng chế độ mô phỏng, dùng công cụ đó để xác định điểm cần quan sat, một menu màu vàng hiện ra, cho bạn tất cả các thông số muốn theo dõi. Chạy lại chế độ mô phỏng, các thông số tại điểm cần đo sẽ hiện lên trên menu màu Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com vàng đó. Rất tiện lợi. Hệ số khuếch đại của mạch phụ thuộc vào điện trở sử dụng và được tính theo công thức sau: - Khuếch đại không đảo: - Khuếch đại đảo: Gain = - R6/R5 Sử dụng các phương trình này để tính các điện trở sao cho đạt hệ số khuếch đại bằng 10 ở cả mạch khuếch đại đảo và không đảo. R3 = ……. Ohms; R4 = ……. Ohms; R5 = ……. Ohms; R6 = ……Ohms Kiểm tra lại tính toán trên bằng các đồng hồ vạn năng. Thay V5 và V6 bằng các khối tạo chức năng đã nghiên cứu ở trên, đặt chế độ tạo sóng sine. Điều chỉnh các thông số như sau: cường độ ampl = 0.2 V (200 mV) và tần số freq = 1 kHz.Nối thêm vào các đầu ra của bộ khuếch đại thuận và đảo một máy hiện sóng. Quan sát tín hiệu ra đã được khuếch đại trên máy hiện sóng. Chuyển sang quan sát trên đồng hồ đa năng, chọn chế độ AC, bạn sẽ thấy trị số điện áp khác so với trên máy hiện sóng. Nguyên nhân : giá trị đo được trên đồng hồ vạn năng là trị hiệu dụng của điện áp đầu ra. Xác định chính xác điện áp hiệu dụng này và ghi lại: AC Voltage = …… V 6. Mạch tạo dao động sử dụng Timer 555 Trước tiên hãy xây dựng sơ đồ mạch như hình sau: Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com Tương tự mạch dao động LED, Dao động trong mạch sử dụng Timer 555 phụ thuộc vào tụ C2. Quan sát dòng chảy qua R1, R2 trước khi được nạp vào tụ C2. ta nói rằng tụ C2 được nạp điện thông qua R1 và R2 nhưng lại chỉ phóng qua R2. Nối một máy hiện sóng tới đầu OUT và TRI của timer 555. Chu kỳ hoạt động của Timer có thể xác định thông qua việc chọn các giá trị thích hợp cho các điện trở R1 và R2. Thời gian nạp (Timer ở trạng thái ‘on’): t1 = 0.693 × (R1 + R2) × C2. Thời gian phóng (Timer ở trạng thái ‘off’): t2 = 0.693 × R2 × C2. Như vậy, chu kỳ dao động của 555 là T=t1+t2 và tần số dao động là f=1/T. Nối Agilent Oscilloscope với đầu OUT and TRI của LM555CN. Chạy mô phỏng mạch và quan sát trên máy hiện sóng. Điều chỉnh máy hiện sóng sao cho hình ảnh quan sát được giống như hình sau: Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com Hình 11: Tín hiệu trên đầu ra của mạch 555 Đo tần số dao động, chu kỳ, điện áp bắt đầu chuyển mạch dao động và ghi lại: Oscillation frequency: Duty Cycle: Switching voltages: Sử dụng các phương trình trên để tính toán giá trị điện trở và điện dung trong mạch khi : An oscillation of ……… Hz Duty cycle of …….… %. Kiểm tra tần số dao động và tần số đếm của mạch. 7. Hoàn thiện mạch tạo dao động 555. Từ mạch dao động 555 đã thiết kế ở trên, thêm vào một vài thành phần như cầu chì bảo vệ mạch…Cuối cùng hoàn thiện thiết kế để có được sơ đồ mạch như sau: Lớp Điều khiển tự động khóa 1 – Học viện Kĩ thuật quân sự acbossvn@yahoo.com Hình 12: Mạch dao động 555 hoàn thiện. Cuối cùng bạn click vào tùy chọn Transfer trên thanh menu và chọn Transfer to Ultiboard để ghi lại file đã thiết kế dưới dạng cần thiết cho việc thiết kế mạch in trong thí nghiệm sau. 8. Kết thúc thí nghiệm 2: Trong thí nghiệm này chúng ta đã cùng nhau nghiên cứu tỉ mỉ viêch thiết kế, chạy mô phỏng và một vài phương pháp phân tích mạch.