Đồ án Thiết kế mạch điện tử - Chủ đề: Mạch phân tích phổ âm tần

khí đặc biệt.
Từ các thống kê tương đối ở trên, ta có được một số ý niệm về công dụng của các bộ lọc. Việc thiết kế bộ lọc có thể phân chia thành nhiều bộ lọc dải thông độc lập có tần số trung tâm riêng biệt để tính toán.
Một bộ lọc dải thông loại tích cực dùng OP-AMP, ta có thể sử dụng các công thức sau là kết quả của hàm truyền đạt mạch:
Tần số trung tâm Fc được xác định với tụ C1 = C2.
Điện trở R1, R2 xác định trở kháng vào của mạch: Z = R1 + R2.
Độ lợi điện áp của mạch được xác định bằng: 
Hệ số phẩm chất: Q = pFc.C.R3.
Tần số trung tâm được xác định bằng công thức: 
Các giá trị R1, R2, R3 được tính toán bằng công thức:
Khi tính toán bộ lọc, có thể chọn trước một vài thông số, sau đó suy ra các giá trị còn lại nhờ vào các công thức trên.
Trong thiết kế, chọn Av =12dB là độ lợi của mạch tương ứng với K = 4, hệ số phẩm chất Q = 2, điện trở R1 = R2 = 120K, ta suy ra các thông số khác như:
R2 = 120KW; Þ R3 = 960KW (chọn R3 = 1MW)
Q = pFc.C.R3.
Þ 
Þ 
Để đạt được các tần số trung tâm khác nhau cho các bộ lọc, ta có thể thay số Fc để tính ra giá trị C1 = C2 = C.
Trong thiết kế, ta chọn 10 bộ lọc với các tần số trung tâm như sau: 32Hz, 64Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1KHz, 2KHz, 4KHz, 8KHz, 16KHz. Kết quả tính toán được cho ở bảng sau:
Fc (Hz)
C1 = C2 (lý thuyết)
C1 = C2 (thực tế)
32
19,87 nF
22 nF
64
9,93 nF
10 nF
125
5,08 nF
4,7 nF
250
2,54 nF
2,2 nF hoặc 2,7 nF
500
1,27 nF
1,2 nF hoặc 1,5 nF
1K
636 pF
620 pF
2K
318 pF
330 pF
4K
159 pF
160 pF
8K
79,5 pF
82 pF
16K
39,7 pF
39 pF
Trở kháng vào của OP AMP cao nên các bộ lọc hầu như rất ít phụ thuộc vào số hiệu OP AMP (ngoại trừ đáp ứng tần số). Trở kháng vào của bộ mạch lọc này là (do có 10 mạch lọc riêng lẻ ghép song song).
Các OP AMP trong mạch sử dụng loại nguồn đôi. Vì có 10 mạch lọc nên sử dụng 2 vi mạch có 4 OP AMP bên trong và 1 vi mạch có 2 OP AMP. Các vi mạch được sử dụng là TL084 (4 OP-AMP) và TL082 (2 OP-AMP).
Sau đây là các đặc tính kỹ thuật của hai vi mạch này:
- Dải điện áp làm việc: ±3 ¸ ±18V.
- Điện áp offset Vos(max): 15mV.
- Dòng tĩnh ngã vào IB(max): 400pA.
- Độ rộng dải khuếch đại: 3MHz.
- Điện áp ngã vào vi sai cực đại: ±30V.
- Tốc độ tăng điện áp: 13V/ms.
- Điện trở ngã vào: >1012W.
- Dòng tiêu thụ(max): 5,6mA đối với TL082 và 11,2mA đối với TL084.
Các thông số khi được thử với Vcc = ±15V, nhiệt độ T = 25oC.
- Độ lợi vòng hở: 106dB.
- Dòng phân cực ngã vào: 30pA.
- Biên độ ra ±13,5V.
Ta có sơ đồ của toàn bộ 10 mạch lọc như sau:
	Fc1	Fc2	Fc3	Fc4	Fc5	Fc6	Fc7	Fc8	Fc9	Fc10
dB
f
Đáp tuyến tần số - biên độ của các mạch lọc
Vì để có điện áp trung bình để đưa đến các chuyển mạch điện tử nên tại ngõ ra của các bộ lọc phải có thêm mạch chỉnh lưu.
Từ mạch lọc
dải thông
Đến chuyển mạch điện tử
Tụ C1 được chọn bằng thực nghiệm để có được sự hiển thị tối ưu (tốc độ lên và xuống của cột đèn phải không được nhanh quá cũng như chậm quá so với tiếng nhạc, thông thường chọn C1 = 1uF).
Do mức DC tại ngõ ra của các mạch lọc coi như là 0V, khi qua mạch chỉnh lưu sẽ bị sụt áp 0,6V trên diode chỉnh lưu. Vì thế ngõ ra của các mạch lọc phải được nâng mức DC lên 0,6V để bù lại sự sụt áp khi qua mạch chỉnh lưu. Điều này được thực hiện như sau:
b. Chuyển mạch điện tử:
Phân cực:
VC > VB > VE
VB = VE + 0,6V
Ta có các trường hợp để xét điều kiện tắt/dẫn của transistor như sau:
Trong các mạch điện tử, các chuyển mạch hay còn được gọi là khóa điện (SW) được sử dụng khá đa dạng. Các chuyển mạch này có thể dùng diode, transistor, ... Phần này chỉ trình bày về các chuyển mạch dùng transistor.
Các sơ đồ trên chỉ cho ngõ ra là đóng hoặc ngắt là so với mức nguồn (hay với mass). Yêu cầu mạch của ta là có đường vào và đường ra riêng. Ta xét sơ đồ sau:
Ngõ điều khiển khi ở mức điện áp cao sẽ làm cho transistor dẫn, làm thông mạch giữa đường vào và đường ra. Điện trở R phải được chọn để dòng IB ngã vào không ảnh hưởng đến ngõ ra (IE) khi không có tín hiệu vào tại ngã vào. R được chọn bằng thực nghiệm. Q là transistor công suất nhỏ để có b lớn.
Ta có sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh của khối mạch lọc và chuyển mạch điện tử như sau:
Sơ đồ nguyên lý các mạch lọc dải thông và chuyển mạch điện tử
2. Khối mạch dao động, đếm & giải mã, thúc với mạch VU LED:
a. Mạch dao động:
Mạch dao động tạo xung clock có thể được tạo từ hai cổng đảo. Mạch có sơ đồ như sau:
Trong mạch dùng hai tầng đảo IC1A và IC1B ráp thành một mạch dao động đa hài để phát ra dạng xung vuông. Ngã ra của tầng IC1B cho liên lạc thẳng vào tầng IC1B. Tụ C1 tạo đường hồi tiếp thuận giữa tầng IC1A về tầng IC1B. R1 và C1 là mạch định thời. Với mạch dao động này, tần số ra được tính theo công thức:
Trong mạch, xung nhịp kiểm soát tốc độ quét của chuyển mạch và hiển thị. Trong một chu kì xung nhịp thì chỉ có một tần số được so sánh biên độ và chỉ có một cột LED sáng với chiều cao tương ứng với biên độ. Nếu ta cho cột LED sáng hơn hoặc bằng 25 lần trong 1 giây thì mắt ta không cảm nhận được sự nhấp nháy của cột LED tức là tần số của mạch dao động đa hài tạo xung phải lớn hơn hoặc bằng 10 x 25 = 250Hz.
b. Mạch đếm & giải mã:
Mạch đếm có nhiều loại, trong thiết kế do yêu cầu cần 10 đường ra. Ta có thể dùng một IC đếm BCD rồi từ các ngõ ra BCD này đưa vào một IC giải mã BCD ra từng đường riêng biệt nhưng để cho gọn nhẹ ta dùng thẳng một IC có chức năng đếm lẫn chức năng giải mã. IC này chỉ cần xung clock vào và cho ra các đường. Đó là IC 4017. 4017 là một IC đơn phiến được chế tạo theo công nghệ CMOS, có 16 chân. Trong IC có 5 tầng đếm Johnson, IC dùng đếm các xung vào theo hệ cơ 10.
Các đặc tính của 4017:
- Mức nguồn làm việc 3 ¸ 18V.
- Tốc độ làm việc có thể lên đến 12MHz.
- Ở ngã vào dùng một cổng NAND trigger nên không cần chuẩn hóa dạng xung kích ngã vào.
Sơ đồ chân:
5
1
0
2
6
7
3
VSS
VDD
RST
CLK
INH
CO
9
4
8
Chức năng các chân như sau:
- Chân 14: xung clock vào, xung này dẫn vào một cổng NAND dạng trigger, do vậy nó không cần các xung vào có các độ dốc lên và xuống quá thẳng, nghĩa là không cần phải vuông hóa các xung kích thích bằng cách thêm mạch ngoài.
- Chân 13: là ngã vào của một tầng đảo, ngã ra của tầng đảo nối vào một cổng vào của cổng NAND. Như vậy khi chân này ở mức cao, nó sẽ đặt một cổng vào của tầng NAND ở mức thấp, điều này sẽ khóa cổng NAND và vô hiệu các xung đếm đưa vào trên chân 14. Lúc hoạt động bình thường, chân này được nối mass.
- Chân 15: là ngã vào của một tầng đảo và ngã ra của tầng này cho nối vào các chân R\ (các chân làm phục nguyên các tầng FF). Như vậy khi chân 15 ở mức cao, nó sẽ tạo mức logic thấp trên chân R\ của các FF và có tác dụng phục nguyên. Lúc thưởng, chân này phải ở mức thấp hay thường được nối mass.
- Các chân ra được lấy theo thứ tự từ chân 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11. Trên các đường ra này đều có tầng khuếch đại đệm, nhờ vậy dòng ngã ra có thể lấy cao đến 10mA. Các chân này ra tác động mức cao.
- Chân 12: là ngõ ra tràn số.
Lúc mới cấp điện, IC cần phải được RESET, để được RESET một cách tự động, ta cần một mạch AUTO-RESET như sau:
Thời hằng
T = RC.
Sơ đồ mạch của 4017 như sau:
Các đường ra được đưa tới chuyển mạch điện tử đồng thời được đưa đến mạch thúc để quét các cột.
c. Mạch thúc:
Mạch thúc có tác dụng nâng dòng ngã ra để điều khiển các LED. Cung cấp dòng từ Vcc cho các cột LED. Các cổng đảo dùng để cách ly với tầng trước cũng như để đảo pha dữ liệu ra từ mạch đếm & giải mã.
d. Mạch VU-LED:
Mạch VU–LED sử dụng vi mạch LM3914 đã được xét ở phần trên.
Sau đây là sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh của khối mạch dao động, đếm & giải mã, và mạch VU-LED:
Sơ đồ nguyên lý mạch dao động, đếm & giải mã và mạch VU-LED
 3. Khối mạch ma trận LED hiển thị:
Ma trận LED bao gồm 10 hàng và 10 cột. Có sơ đồ nguyên lý như sau:
Sơ đồ nguyên lý ma trận LED
III. Thiết kế mạch in:
1. Mạch lọc tần và chuyển mạch:
Mạch in
Sơ đồ lắp linh kiện
2. Mạch dao động, đếm & giải mã, và mạch VU-LED:
Mạch in lớp trên
Mạch in lớp dưới
Sơ đồ lắp linh kiện
3. Ma trận LED:
Sơ đồ lắp linh kiện
Lớp dưới
Lớp trên
Kết luận
Mạch phân tích phổ tần đã được ráp thử và hoạt động khá ổn định, đáp ứng được những yêu cầu của một mạch phân tích phổ tần chuyên dùng. Tuy nhiên việc hiển thị chưa thể hiện tính thẩm mỹ vì việc sử dụng các LED, nếu dùng ma trận hiển thị tinh thể lỏng thì việc hiển thị sẽ có kết quả tốt hơn.
Nếu kết hợp mạch phân tích phổ âm tần với một mạch điều chỉnh âm sắc (tone equalizers) thì ta sẽ có một thiết bị điều chỉnh âm sắc dạng đồ thị (Graphic Equalizer). Thiết bị này được sử dụng khá phổ biến trong các dàn âm thanh từ trung tới cao cấp. Việc kết hợp hai mạch cũng chính là hướng phát triển cho đề tài và người viết cũng mong mỏi đây là một tài liệu bổ ích cho những người quan tâm đến đề tài này.