Giáo trình Kỹ thuật xung số (Nghề Điện công nghiệp Cao đẳng)

- Vẽ và phân tích được sơ đồ mạch điện của các mạch dao động tạo xung cơ bản - lắp ráp được các mạch tạo xung cơ bản hoạt động theo đúng yêu cầu - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TĐH

GIÁO TRÌNH

NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG

(Ban hành kèm theo quyết định sô: QĐ-TrCDN Ngày tháng năm của Hiệu Trưởng Trường cao đẳng cơ điện xây dựng Việt Xô)

NINH BÌNH năm 2019

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo

Mọi mục đích mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

LỜI GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây công nghệ vi điện tử phát triển rất mạnh mẽ Sự

ra đời của các vi mạch cỡ lớn, cực lớn với giá thành giảm nhanh, khả năng lập trình ngày càng cao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong ngành kỹ thuật điện tử Ngày nay, trong kỹ thuật kỹ thuật vô tuyến điện có rất nhiều thiết bị công tác trong một chế độ đặc biệt là chế độ xung Các thiết bị xung được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật hiện đại như: thông tin, điều khiển, ra đa, vô tuyến truyền hình, điện tử ứng dụng, điều khiển tự động hóa trong công nghiệp Ở những mức độ khác nhau chúng đã và đang thâm nhập vào tất cả các thiết bị điện tử thông dụng và chuyên dụng

Giáo trình Kỹ thuật xung - số được biên soạn nhằm đáp ứng nhu cầu tiếp cận kỹ thuật hiện đại và được biên soạn theo chương trình khung của Bộ lao động thương binh xã hội Giáo trình được làm tài liệu giảng dạy cho nghề Sửa chữa và lắp ráp máy tính ở cấp trình độ cao đẳng nghề Giáo trình cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các kỹ thuật viên, công nhân ngành công nghệ tin học Nhằm trang bị cho bạn đọc nền kiến thức tốt nhất để tiếp cận nhanh chóng với các thiết bị xung số, bằng những kinh nghiệm tác giả đúc kết được từ thực tiễn trên các máy công nghệ điều khiển số hiện đại và từ thực tế giảng dạy cũng như tham khảo một số tài liệu đáng tin cậy trong nước và tài liệu dự án, tác giả

đã biên soạn ra quyển giáo trình này

Quá trình biên soạn giáo trình, không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong sự đóng góp của các độc giả gần xa

Tam Điệp, ngày……tháng… năm 2018

MỤC LỤC

10 Bài 4: Mạch dồn kênh, phân kênh 60

CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN

Tên mô đun: Kỹ thuật xung số

Mã số mô đun: MĐ 18

Thời gian mô đun: 90h (Lý thuyết : 24giờ ; Thực hành, thí nghiệm, bài tập, thảo luận: 60giờ; Kiểm tra: 6 giờ)

I Vị trí, tính chất của mô đun:

- Vị trí của mô đun: Mô đun được bố trí sau khi học sinh học xong các

mô đun Đo lường Điện – điện tử, Điện tử tử cơ bản

- Tính chất của mô đun: Là mô đun cơ sở chuyên môn nghề

II Mục tiêu mô đun :

Học xong môn học này học viên có khả năng:

- Trình bày được sơ đồ mạch điện của các mạch tạo xung cơ bản

- Trình bày được sơ đồ mạch điện và nguyên lý làm việc của các mạch

mã hoá, giải mã, dồn kênh, phân kênh, mạch đếm, ghi dịch, mạch chuyển đổi AD/DA, DA/AD các bộ nhớ ROM và RAM một cách nhanh chóng và chính xác;

- Lắp ráp, kiểm tra và sửa chữa được các mạch trên đảm bảo các chỉ tiêu:

an toàn, hoạt động ổn định, đúng thời gian quy định

III Nội dung mô đun :

1 Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:

Kiểm tra *

Bài 1 : mạch dao động tạo xung

1 Khái quát chung

3

3

1

1 0.5 0.25 0.25

9

3

3

2 Mạch tạo sung dùng IC555

3 0.25 0.1 0.15

2

2 3.75

0.25 1.25

9

3

6 1.75

1.75 2.5

2

1

2

0.5 0.5 0.5 0.5

2

1.5 0.5

5 0.5 4.5 4.5 0.5

0.5 0.5

0.5 0.5

16

7.5

7.5 4.5

1 Mạch chuyển đổi A/D

1.1 Khái niệm chung

1.2 Sơ đồ nguyên lý

1.3 Nguyên lý làm việc

1.4 Thưck hành lắp ráp mạch

2 Mạch chuyển đổi D/A

2.1 Khái niệm chung

6 0.1 0.2 0.2 5.5

2

1

0.5 0.1 0.2 0.2

0.5 0.1 0.2 0.2

11

5.5

5.5 5.5

5.5

2

2

BÀI 1: M ẠCH DAO ĐỘNG VÀ TẠO XUNG

Mã bài: MĐ19.01 Giới thiệu:

Trong kỹ thuật xung điện đóng vai trò quan trọng, đôi khi nguyên nhân hệ thống điều khiển điện tử-số không hoạt động khi lắp ráp hoặc hư hỏng khi thiết

bị đang vận hành không phải do quá tải, quá áp mà do ngay các xung điều khiển không đạt các thông số kỹ thuật

Bài này giới thiệu về các khái niệm, các đặc trưng, đại lượng, các ảnh hưởng của các xung trong các mạch điện tử-số Học viên cần hiểu rõ và vận dụng các kiến thức cơ bản của xung vào các mạch điện tử -số trong công nghiệp được điều khiển bằng các xung điện

Mục tiêu:

- Trình bày được các khái niệm về xung điện, dãy xung

- Vẽ và phân tích được sơ đồ mạch điện của các mạch dao động tạo xung cơ bản

- lắp ráp được các mạch tạo xung cơ bản hoạt động theo đúng yêu cầu

- Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác

Tín hiệu là sự biến đổi của các đại lượng điện (dòng điện hay điện áp) theo

thời gian, chứa đựng một thông tin nào đó

Tín hiệu được chia làm 2 loại: tín hiệu liên tục (tín hiệu tuyến tính) và tín hiệu gián đoạn (tín hiệu xung) Trong đó tín hiệu hình sin được xem là tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên tục ,có đường biểu diễn như hình 1-1 Ngược lại tín hiệu hình vuông được xem là tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu không liên tục như hình 1-2

Hình 1-1: Tín hiệu hình sin Hình 1-2: Tín hiệu hình vuông

1.1.2 Định nghĩa xung điện

Xung điện là tín hiệu điện có giá trị biến đổi gián đoạn trong một khoảng thời gian rất ngắn có thể so sánh với quá trình quá độ của mạch điện

Xung điện trong kỹ thuật được chia làm 2 loại: loại xung xuất hiện ngẫu nhiên trong mạch điện, ngoài mong muốn, được gọi là xung nhiễu, xung nhiễu

- Cạnh xuất hiện trước xung được gọi là sườn trước của xung

- Cạnh nằm trên đỉnh có giá trị cực đại gọi là đỉnh xung

- Cạnh xuất hiện sau của xung để trở về trạng thái ban đầu được gọi là sườn sau

của xung

- Cạnh nối khỏang cách từ sườn trước và sườn sau ở trục tọa độ của xung gọi là

đáy xung

1.2 Các thông số cơ bản của xung điện và dãy xung

1.2.1 Các tham số cơ bản của xung điện

Dạng xung vuông lý tưởng được trình bày trên Hình 1-5

t (u,t)

Hình 1-5: Các thông số cơ bản của xung

a Độ rộng xung là thời gian xuất hiện của xung trên mạch điện, thời gian này thường được gọi là thời gian mở ton Thời gian không có sự xuất hiện của xung gọi là thời gian nghỉ t off

b Chu kỳ xung là khỏang thời gian giữa 2 lần xuất hiện của 2 xung liên tiếp, được tính theo công thức:

c Độ rỗng và hệ số đầy của xung:

- Độ rỗng của xung là tỷ số giữa chu kỳ và độ rộng xung, được tính theo công thức:

on

T T

đủ dòng, đủ công suất, cung cấp cho tải

d Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau:

Trong thực tế, các xung vuông, xung chữ nhật không có cấu trúc một cách

lí tưởng Khi các đại lượng điện tăng hay giảm để tạo một xung, thường có thời gian tăng trưởng (thời gian quá độ)nhất là các mạch có tổng trở vào ra nhỏ hoặc

có thành phần điện kháng nên 2 sườn trước và sau không thẳng đứng một cách lí tưởng

Do đó thời gian xung được tính theo công thức:

Hình 1-6: Cách gọi tên các cạnh xung

Độ rộng sườn trước t1 được tính từ thời điểm điện áp xung tăng lên từ 10% đến 90% trị số biên độ xung và độ rộng sườn sau t2 được tính từ thời điểm điện

áp xung giảm từ 90% đến 10% trị số biên độ xung Trong khi xét trạng tháI ngưng dẫn hay bão hòa của các mạch điện điều khiển

Ví dụ, xung nhịp điều khiển mạch logic có mức cao H tương ứng với điện

áp +5V Sườn trước xung nhịp được tính từ khi xung nhịp tăng từ +0,5V lên đến +4,5V và sườn sau xung nhịp được tính từ khi xung nhịp giảm từ mức điện

áp +4,5V xuống đến +0,5V 10% giá trị điện áp ở đáy và đỉnh xung được dùng cho việc chuyển chế độ phân cực của mạch điện Do đó đối với các mạch tạo xung nguồn cung cấp cho mạch đòi hỏi độ chính xác và tính ổn định rất cao

e Biên độ xung và cực tính của xung

Biên độ xung là giá trị lớn nhất của xung với mức thềm 0V (U, I)Max

(Hình 1-7)

Hình dưới đây mô tả dạng xung khi tăng thời gian quét của máy hiện sóng Lúc đó ta chỉ thấy các vach nằm song song (Hình 1-7b) và không thấy được các vạch hình thành các sườn trước và sườn sau xung nhịp Khi giảm thời gian quét ta có thể thấy rõ dạng xung với sườn trước và sườn sau xung (1-7c)

Sườn Trước

Sườn sau Đỉnh

Xung

Hình 1-7: Xung vuông trên màn hình máy hiện sóng

a)Xung vuông lý tưởng

b) Các vạch trên máy hiện sóng c) Dãn rộng vạch trên máy hiện sóng

Hình 1-8: Giá trị đỉnh xung Cực tính của xung là giá trị của xung so với điện áp thềm phân cực của xung.Hình 1-8:

Hình 1-9: Các dạng xung dương và xung âm

Trong thực tế xung điện là nền tảng của kỹ thuật điều khiển Ví dụ Mạch đóng mở cửa tự động: Khi có người đi vào hoặc ra qua hệ thống cảm biến nhận dạng tạo ra một xung tác động vào mạch điều khiển đóng mạch rơ le điều khiển động cơ mở cửa

Trong kỹ thuật, để điều khiển, mạch điện thường không dùng một

xung để điều khiển, mà dùng nhiều xung trong một khỏang thời gian nhất định,

gọi là chuỗi xung hay một dãy xung (Hình 1-10)

Trong một chuỗi xung, các xung có hình dạng giống nhau và biên độ bằng nhau

Nếu chuỗi xung được tạo ra liên tục trong quá trình làm việc thì gọi là

chuỗi xung liên tục

Nếu chuỗi xung được tạo ra trong từng khỏang thời gian nhất định gọi là

chuỗi xung gián đọan Đối với chuỗi xung gián đọan, ngoài các thông số cơ bản

của xung còn có thêm các thông số:

- Số lượng xung trong chuỗi,

- Độ rộng chuỗi xung,

- Tần số chuỗi xung

Hình 1-10: Chuỗi xung liên tục (a) và chuỗi xung gián đoạn (b)

1.3 Phân loại xung

U,

I

t b)

U,

I

t b)

U,

t

Hình 1-11:Hình dạng các loại xung điện

2 Mạch dao dộng tạo xung dùng transistor

2 1 Sơ đồ mạch điện căn bản :

Mạch dao động đa hài hai trạng thái không ổn định còn gọi là mạch đa hài tự dao động Mạch điện như hình 1 - 12

Hình 1-12: Sơ đồ nguyên lý mạch dao động tao xung dùng BJT

Transistor T1 và T2làm việc ở chế độ khóa điện tử đóng ngắt mạch với tốc độ nhanh 10-10-10-6s, do vậy điện áp đầu ra có hai trạng thái khác biệt

Lưu ý: Cần nâng cao tính tác động nhanh của khóa và ngăn ngừa hiện tượng bão

hòa sâu của transistor

Nhận xét: Kết cấu mạch đối xứng gồm hai transistor T1 và T2 giống hệt nhau,

T1T2cùng mắc CE và có hai vòng hồi tiếp dương qua hai bộ lọc tần số cao R1C1

và R2C2 Cực góp(cực C) của transistor này nối với cực gốc (cực B) transistor kia thông qua tụ C1 và C2

RC1, RC2: Cung cấp điện áp một chiều cho cực C;đồng thời là tải của T1, T2tương ứng

RB1, RB2: Điện trở định thiên kiểu dòng IB cho T1, T2

C1, C2: Các tụ thực hiện quá trình phóng hoặc nạp

T1, T2: Hai khóa điện tử sử dụng transistor mắc E chung

tụ C ) 1 tăng dần Mà V BE2 V C1  V BE2 cũng tăng dần Tới một lúc nào đó, V BE2

đủ lớn làm T2 dẫn  tụ C 2 đặt điện áp âm vào mối nối BE của Q1  V BE10làm T1tắt

Khi mạch ở trạng T1tắt, T2dẫn, mạch ở hình 15.1.a trở thành như hình 15.1.c:

 V O1Vcc, V O2 0V Lúc này, tụ C 1 xả năng lượng qua mối nối BE của T2 Sau đó, nạp năng lượng từ nguồn qua R v C1 à mối nối BE của T2, điện áp trên tụ đảo chiều và tăng dần xem hình 15.1.c, ngoài dòng nạp qua tụ dòng I còn B2

được cung cấp từ nguồn qua R B2 Do đó, T2 vẫn được duy trì ở trạng thái dẫn cho dù tụ C 1 đã nạp đầy Đồng thời, tụ C 2 được nạp qua R và T B1 2sau khi đã xả hếtxem hình 15.1.c  điện áp trên tụ C , 2 V C2 (điện áp trên tụ C2) tăng dần

Mà V BE1 V C2  V BE1 cũng tăng dần Tới một lúc nào đó, V BE1 đủ lớn làm T1

dẫn  tụ C 1 đặt điện áp âm vào mối nối BE của T2  V BE2 0 làm T2tắt

Ta thấy, ban đầu, T1 dẫn, T2 tắt, sau một thời gian mạch tự động đổi qua trạng thái T1tắt, T2dẫn Khi T1 tắt, T2 dẫn sau một thời gian mạch lại tự đổi qua trạng thái T1 dẫn, T2 tắt và cứ lặp đi lặp lại Do đó, không có trạng thái ổn định Vì vậy, mạch được gọi là mạch dao động bất ổn hay mạch dao động phi ổn

Từ hình 15.2 ta thấy, T x1 chính là thời gian tụ C 2 xả và nạp qua R , B1 T x2

chính là thời gian tụ C 1 xả và nạp qua R B2 Tương tự như mạch dao động đơn ổn

ta có công thức:

2 1

1 0.693R C

1 2

2 0.693R C

T x  B

1

x

T , T x2 có đơn vị là s Tụ C , 1 C có 2 đơn vị là F R , B1 R B2 có đơn vị là Ω

Chu kỳ của điện áp ra: T T x1T x2 0,693(R B1C2 R B2C1)

Tần số của điện áp ra:

- Khi f > 10kHz phải chú ý đến tần số cắt của Transistor

- Biên độ xung ra được xác định gần đúng bằng giá trị nguồn VCC cung cấp khi không tải

- Để khắc phục hạn chế về tần số, người ta đưa ra các sơ đồ mạch đa hài dùng IC tuyến tính

2.3 Mạch tạo xung có điều chỉnh tần số

Tần số và chu kỳ của chuỗi xung phụ thược vào các thông số R, C trong mạch, để có thể điều chỉnh tần số, chu kỳ của chuỗi xung ta có thể thay đổi C hoặc R Trong trường hợp đơn giản nhất ta thường sử dụng phương pháp thay đổi R , Khi đó ta sử dụng thêm biến trở trong mạch định thiên cho các đèn BJT Sơ đồ mạch điện cụ thể như sau:

Hình 1.1 :Sơ đồ mạch dao động tạo xung điều chỉnh tần số

Với sơ đồ trên tần số của chuỗi xung vuông được xác định như sau:

Ra Led

B3: Kiểm tra tính đúng đắn của mạch điện kết nối

B4: Bật công tắc nguồn, quan sát trạng thái làm việc của đèn led, tính chu kỳ, tần

số của chuỗi xung đầu ra và rút ra kết luận

B5: Thay đổi các thông số của các phần tử trong mạch như R, C, Xác định chu

kỳ,

tần số của chuỗi xung sau khi thay đổi và rút ra kết luận

3 Mạch dao động đa hài dùng IC 555

IC 555 trong thực tế còn gọi là IC định thời Họ IC được ứng dụng rất rộng rãi, nhất là trong lĩnh vực điều khiển, vì nó có thể thực hịên nhiều chức năng như định thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích thích điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất

Họ IC 555 được ký hiệu dưới nhiều dạng ký hiệu khác nhau: MN555, LM555,

C555, NE555, HA17555, A555

4 Ctl 5Dis 7 555

Chân 2 được nối với chân 6 để cho chân ngõ vào và chân giữ mức thềm

(mức ngưỡng) có chung điện áp phân cực

Chân 5 được nối với tụ C2 xuống GND để lọc nhiễu tần số cao Vì vậy, tụ

này thường có trị số không lớn lắm, được chọn vào khoảng từ 1 đến 0,001F

Chân 4 nối nguồn Vcc vì không dùng chức năng Reset

Chân 7 là chân xả điện, nên được nối giữa 2 điện trở R1 và R2làm đường nạp và

xả điện cho tụ C1

3.2 Nguyên lí hoạt động của mạch

Khi được cấp nguồn Vcc, tụ C1được nạp điện qua R1, R2 với hằng số thời

Do thời gian nạp vào và thời gian xả ra không bằng nhau (tnạp > txả) nên

tần số của tín hiệu xung là:

f =

T

1 =

1 2

1 2R )C (R

0,69

1

Dạng xung ngõ ra ở chân 3 có dạng:

3.3 Sơ đồ mạch tạo xung có điều chỉnh tần số:

Để tạo ra chuỗi xung đối xứng và có thể điều chỉnh được tần số ta sử dụng

sơ đồ như sau:

Vcc

t

Hình 1 – 16: Sơ đồ mạch dao động có điều chỉnh tần số

Với sơ đồ mạch điện trên ta thấy mạch nạp và mạch phóng của tụ điện có điện trở hoàn toàn như nhau vì vậy ta có xung đầu ra là đối xứng Tần số của chuồi xung đầu ra được xác định như sau:

f = 1/1,4(R+VR)C ( Bỏ qua điện trở của điốt)

Khi điều chỉnh biến trở VR thì tần số của chuỗi xung sẽ thay đổi

2.4 Thực hành lắp ráp, khảo sát mạch tạo xung

B3: Kiểm tra tính đúng đắn của mạch điện kết nối

B4: Bật công tắc nguồn, quan sát trạng thái làm việc của đèn led, tính chu kỳ, tần

số của chuỗi xung đầu ra và rút ra kết luận

B5: Thay đổi các thông số của các phần tử trong mạch như R, C, Xác định chu

kỳ, tần số của chuỗi xung sau khi thay đổi và rút ra kết luận

4 Mạch dao động tạo xung dùng vi mạch thuật toán

4.1 Sơ đồ mạch điện căn bản

Mạch điện này chính là mạch dao động tích thoát dùng Op-amp để cho ra tín hiệu xung vuông

Hình 1-17: Mạch dao động tích thoát

Sơ đồ có hai mạch hồi tiếp từ ngõ ra về hai ngõ vào

Cầu phân áp RC hồi tiếp về ngõ vào đảo

Cầu phân áp R1và R2 hồi tiếp về ngõ vào không đảo R1 và R2 tạo ngưỡng so sánh điện áp, còn RC tạo nạp phóng

2

R V

A (V in > 0V)

Trong khi đó, ở ngõ In- có điện áp tăng dần lên từ 0V, điện áp tăng do tụ

C nạp qua R theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian là  = RC

V thì OP-AMP đổi thành trạng thái bão hòa âm, ngõ

ra có V0 = -VCC Lúc này cầu phân áp R1 – R2 đưa điện áp âm về ngõ In+ với mức điện áp là:

2

R R

R V

in

V < 0V ) Trong khi đó ở ngõ In- vẫn còn đang ở mức điện áp dương với trị số:

2 1

2

R V

mức điện áp âm nên Op-amp vẫn ở trạng thái bão hòa âm Khi tụ C xả hết điện

áp dương sẽ nạp điện qua R để có điện áp âm đang có do ngõ ra đang ở trạng thái bão hòa âm chiều nạp bây giờ ngược với chiều dòng điện nạp trên hình vẽ Khi tụ C nạp điện áp âm đến mức 

Mạch đã trở lại trạng thái giả thiết ban đầu và hiện tượng trên cứ tiếp diễn liên tục tuần hoàn

Hình 1- 18: Dạng sóng ở các chân

Mức giới hạn điện áp ở hai ngõ vào là:

VA

2 1

2

R R

là dạng tam giác Thời gian điện áp ở ngõ vào In

-tăng từ VB lên VA là Op-amp ở trạng thái bão hòa dương, Thời gian điện áp ở ngõ vào In- giảm từ VA xuống VB là Op_amp ở trạng thái bão hòa dương Dạng điện áp ở ngõ In+ và ngõ ra là trạng thái xung vuông đối xứng Chu kỳ của tín hiệu được tính theo công thức

1

2

1 2

2

R

R R

4 , 1

1

69 , 0 2

1



 R1 = R2  T = 2.R.CLn3 =2.R.C.1,1

 f RC

2,2

B4: Bật công tắc nguồn, quan sát trạng thái làm việc của đèn led, tính chu kỳ, tần

số của chuỗi xung đầu ra và rút ra kết luận

B5: Thay đổi các thông số của các phần tử trong mạch như R, C, Xác định chu

kỳ,

tần số của chuỗi xung sau khi thay đổi và rút ra kết luận

CÂU HỎI THẢO LUẬN VÀ BÀI TẬP

1, Hãy vẽ mạch điện và phân tích quá trình tạo xung ở đầu ra của mạch dao

động đa hài

2, Nêu điều kiện thực hiện dao động đa hài

3, Chứng minh công thức tính tần số mạch dao động đa hài tự dao động.Tần

số ra của mạch dao động đa hài phụ thuộc vào những tham số nào của mạch

điện ?

4, Phân tích ưu điểm của mạch dao động đa hài sử dụng IC so với mạch dao

động đa hài sử dụng Transistor

5, Hãy nêu những ứng dụng của mạch dao động đa hài trong thực tế

6, Thiết kế mạch đa hài phi ổn dùng Transistor có tần số dao động 1Hz,

1kHz

7, Cho mạch phi ổn như hình 1- 20 Hãy

Hình 1- 20: Mạch dao dùng BJT

- Vẽ dạng xung ra của mạch

- Tính chu kỳ và tần số dao động của mạch

8, Tính tần số dao động của mạch dao động tích thoát với các thông số như sau: R =1,2KΩ ; C =100nF; R1=18KΩ; R2 = 10KΩ

9, Thiết kế một mạch dao động tích thoát dùng Op-amp có tần số f = 100H Z , biên độ nguồn cung cấp ±VCC = ± 5V, R1 = R2= 10KΩ

- Tìm thời hằng τ = RC

- Nếu cho C = 1μF và tìm R = ?

ta có tín hiệu tương tự hay tín hiệu analog mô tả biểu diễn đại lượng cần xử lí

Biểu diễn đại lượng ở dạng số: Khi đó hàm biểu diễn sẽ biến thiên không liên

lục theo thời gian và người ta dùng các ký hiệu số để mô tả biểu diễn nó , ta

nhận được tín hiệu số hay tín hiệu digital

10 , B =11

10 , , F=15

10) Bảng sau đây trình bày 16 giá trị đầu của các hệ đếm:

1.2 Qui đổi giữa hệ 2 và hệ 10

a Qui đổi từ hệ 10 sang hệ 2

* Nguyên tắc qui đổi:

Ta lấy số thập phân chia liên tiếp cho 2 số dư mỗi lần chia được ghi ở bên trái của kết quả Phép chia chỉ dừng lại khi kết quả cuối cùng là 1 ta ghi 1 vào vị chí cuối cùng của dãy số dư, Đọc ngược dãy số dư từ dưới lên trên ta được số nhị phân cần qui đổi:

* Ví dụ minh họa: Qui đổi số 217(10) Hệ 2:

b, Quí đổi từ hệ 2 sang hệ 10

* Nguyên tắc qui đổi :

- Xác định số mũ cửa các cơ số:

Số mõ của các cơ số được xác định tăng dần từ 0 bắt đầu từ cơ số nhỏ nhất bên phải

- Số thập phân cần tìm được xác định là tổng của các tích giữa cơ số nhân với 2 với số mũ tương ứng với cơ số đó:

2.1 Mã BCD

Mã BCD là bộ mã dùng số nhị phân 4 bit để biểu diễn cho các số, Mỗi số thập phân sẽ được chuyển đổi về một trạng thái( giá trị) logics của chuỗi số nhj phân 4 bít Do số nhị phân 4 bít có 16 trạng thái lô gic vì vậy phát sinh ra nhiều phương án khác nhau bao gồm các bộ mã: BCD 8421, BCD 7421, BCD 5421, BCD 2421

Các bộ mã trên cụ thể được thể hiện ở bảng sau:

Y = X1 + X2 +… + Xn

3.3 Phép hội ( phép nhân):

Phép hội là phép nhân logic mà ở đó kết quả chỉ bằng 1 khi tất cả các thừa

số đều bằng 1 Phép hội được biểu diễn dưới dạng biểu thức như sau:

Y = X1 X2….Xn

4 Các cổng logic cơ bản

Các cổng logic là các cổng thực hiện các phép toán logic

- Bảng trạng thái mô tả hoạt động của cổng OR:

Đặc điểm của cổng OR là: Tín hiệu ngõ ra chỉ bằng 0 khi và chỉ khi tất cả các ngõ vào đều bằng 0, ngược lại tín hiệu ngõ ra bằng 1 khi chỉ cần có ít nhất một ngõ vào bằng 1

- Hình biểu diễn của cổng ngược và được thể hiện như sau:

- Bảng trạng thái thể hiện mức logicđau ra với các đầu vào với cổng ngược hoặc

2 cửa và như sau:

4.1.5 Cổng ngược hoặc (NOR)

Cổng ngược hoặc là cổng logic thực hiện trình tự tổ hợp 2 phép toán logic

- Bảng trạng thái thể hiện mức logic ở đầu ra phụ thuộc vào các mức logic ở đầu vào tương ứng với cổng ngược hoặc 2 của vào như sau:

4.1.6 Cổng hoặc loại trừ, cổng so sánh, (XOR)

Là cổng thực hiện chức năng so sành mức logic ở hai đầu vào giống hoặc khác nhau được thể hiện thông qua mức logic ở đầu ra

- Biểu thức logic:

Y = X1X2 + X1X2

- Hình biểu diễn của cổng hoặc loại trừ được thể hiện như sau:

- Ở cổng hoặc loại trừ quan hệ logic giữa đầu ra và hai đầu vào được thể hiện như sau:

4.2 Các vi mạch cổng thông dụng:

Trong kỹ thuật số người ta chế tạo ra các IC thực hiện các cổng logic cơ bản được gọi là các vi mạch cổng, Sau đây xin phép được giới thiệu một số vi mạch cổng thông dụng sẵn có trên thị trường :

4.2.1 Vi mạch cổng đảo:

- Mã hiệu: 74LS04, 7404

X1

- Sơ đồ chân

Như vậy IC 74LS04 gồm 6 cổng đảo hoạt động độc lập với nhau như hình vẽ nguồn cấp Vcc là nguồn 5V Các chân vào của IC nếu bỏ trống tương đương với mức logic đầu vào bằng 1

4.2.2 Vi mạch cổng AND

- Mã hiệu: 74LS08, 7408

- Sơ đồ chân:

Như vậy IC 74LS08 gồm 4 cổng AND hoạt động độc lập với nhau như hình

vẽ nguồn cấp Vcc là nguồn 5V Các chân vào của IC nếu bỏ trống tương đương với mức logic đầu vào bằng 1

4.2.3 Vi mạch cổng OR

- Mã hiệu: 74LS32, 7432

- Sơ đồ chân:

Như vậy IC 74LS32 gồm 4 cổng OR hoạt động độc lập với nhau như hình

vẽ nguồn cấp Vcc là nguồn 5V Các chân vào của IC nếu bỏ trống tương đương với mức logic đầu vào bằng 1

4.2.5 Vi mạch cổng NOR

- Mã hiệu : 74LS02, 7402

- Sơ đồ chân:

Như vậy IC 74LS02 gồm 4 cổng NOR hoạt động độc lập với nhau như hình vẽ nguồn cấp Vcc là nguồn 5V Các chân vào của IC nếu bỏ trống tương đương với mức logic đầu vào bằng 1

4.3 Thực hành khảo sát, kiểm tra các vi mạch cổng

Đây là một kỹ năng quan trọng khi sử dụng các cổng logic để lắp ráp các mạch logic tổ hợp khi tiến hành khảo sát, kiểm tra các vi mạch cổng trình tự tiến hành như sau:

B1: Nghiên cứu kỹ sơ đồ chân của các vi mạch cổng cần khảo sát, kiểm tra;

B2: Gắn vi mạch cổng vào bo cắm ma trận

B3: Nối chân nguồn của vi mạch vào nguồn cấp 5V trên mô đun thực hành

B4: Tiến hành khảo sát từng cổng trong vi mạch:

Khi khảo sát, kiểm tra từng cổng ta kết nối đầu ra của cổng với Led, các đầu vào vào các SW trên mô đun thực hành, bật công tắc nguồn dùng SW thay đổi các mức logics đầu vào, quan sát trạng thái sáng tối của các đèn led đầu ra trong từng trường hợp và so sánh với bảng trạng thái của từng loại cổng để rút ra kết luận

5 Hàm logic

5.1 Khái niệm:

Hàm logic là 1 hàm mà trong đó quan hệ giữa hàm số và biến số được thực hiện qua các phép toán logic Trong hàm logic cả hàm số và các biến số đều chỉ nhận 1 trong 2 giá trị 0, 1

5.2 Các phương pháp biểu diễn hàm logic

Để thể hiện quan hệ giữa hàm với các biến của hàm logic ta có thể sử dụng các phương pháp như sau:

5.2.1 Biểu diễn dưới dạng bảng trạng thái:

* Nguyên tắc biểu diễn:

Ở phương pháp này ta tiến hành lập 1 bảng theo cột liệt kê tất cả các biến đầu vào và các hàm đầu ra cần biểu diễn, theo cột ta liệt kê tất cả các trạng thái logc của các biến đầu vào(2n trạng thái với n là số biến đầu vào) Ở mỗi hàng trạng thái logic của các biến đầu vào theo yêu cầu điều khiển nếu hàm bằng 0 ta ghi số

0, nếu hàm bằng 1 ta ghi số 1 Cột đầu tiên của bảng ta dụng để ký hiệu trạng thái logic của các biến đầu vào từ m0 đến m2

5.2.2 Biểu diễn dưới dạng biểu thức đại số

Ở phương pháp này hàm logic được thể hiện qua các phép logic dưới dạng biểu thức đại số Biểu thức đại số có thể biểu diễn ở 2 dạng

- Dạng chuẩn tắc tuyển

- Dạng chuẩn tắc hội

Cụ thể như sau :

a Dạng chuẩn tắc tuyển:

* Nguyên tắc biểu diễn:

- Hàm logic được biểu diễn gồm tổng của nhiều số hạng, mỗi số hạng tượng ứng với mỗi trạng thái logic của các biến đầu vào mà hàm bằng 1

- Mỗi số hạng là tích của đầy đủ các biến được viết dưới dạng nguyên hoặc dạng đảo

- Trong mỗi số hạng tương ứng với mỗi trạng thái logic mà hàm bằng 1 nếu biến nào bằng 0 phải viết dưới dạng đảo, nếu biến nào bằng 1 được viết dưới dạng nguyên

* Ví dụ minh họa:

Giả sử ta xét 2 hàm logic gồm 3 biến đầu vào là A,B,C như được thể hiện trong ví dụ mục 5.2.1 Khi đó các hàm F1, F2 được biểu diễn dưới dạng biểu thức đại số chuẩn tắc tuyển như sau:

F1 = ABC + ABC + ABC + ABC

F2 = ABC + ABC + ABC

b, Dạng chuẩn tắc hội:

* Nguyên tắc biểu diễn:

- Hàm logic được biểu diễn gồm tích của nhiều số thừa số, mỗi thừa số tượng ứng với mỗi trạng thái logic của các biến đầu vào mà hàm bằng 0

- Mỗi thừa số là tổng của đầy đủ các biến được viết dưới dạng nguyên hoặc dạng đảo

- Trong mỗi thừa số tương ứng với mỗi trạng thái logic mà hàm bằng 0 nếu biến nào bằng 0 phải viết dưới dạng nguyên, nếu biến nào bằng 1 được viết dưới dạng đảo

* Ví dụ minh họa:

Giả sử ta xét 2 hàm logic gồm 3 biến đầu vào là A,B,C như được thể hiện trong ví dụ mục 5.2.1 Khi đó các hàm F1, F2 được biểu diễn dưới dạng biểu thức đại số chuẩn tắc hội như sau:

F1 = (A+B+C)(A+B+C)(A+B+C)(A+B+C)

F1 = (A+B+C)(A+B+C)(A+B+C)(A+B+C)(A+B+C)

5.2.3 Biểu diễn hàm bằng bảng Karnaugh

Phương pháp biểu biễn hàm logic dưới dạng bảng Karnaugh được sử dụng khi ta thực hiện tối giản hóa hàm logic trong quá trình thiết kế mạch logic tổ hợp

* Nguyên tắc xây dựng bằng:

- Để biểu diễn hàm logic có n biến đầu vào ta cần xây dựng một bảng gồm có 2n

ô mỗi ô tương ứng với với 1 trạng thái logic của các biến đầu vào

- Các ô cạch nhau hoặc đối xứng nhau các biến phải có mức logic giống nhau và

1 biến có mức logic đối nhau

- Tại mồi ô tương ứng với mỗi trạng thái logic của các biến đầu vào nếu hàm bằng 1 sẽ ghi số 1, nếu hàm bằng 0 thì bỏ trống, nếu hàm không xác định ta ghi chữ x

( Hàm không xác định tại các ô mà trạng thái logic của các biến tương ứng với ô

đó hàm không sử dụng đến)

- Mỗi bảng chỉ biểu diễn cho 1 hàm logic

* Ví dụ minh họa:

- Hàm 3 biến:

5.2.4 Biểu diễn hàm dưới dạng biểu thức tổng quát:

Ở phương pháp này ta biểu diễn Hàm dưới dạng ký hiệu tổng của các trạng thái logic của các biến đầu vào mà hàm bằng 1

Ví dụ hàm F có quan hệ với 4 biến đầu vào và bằng 1 ở các trạng thái của các biến đầu vào là m0, m2, m3, m5, m7, m10,, m12 Khi đó hàm được biểu diễn dưới dạng tổng quát như sau:

F = ( m0, m2, m3, m5, m7, m10,, m12)

6 Tối giản hóa hàm logic

Tối giản hóa hàm logic là quá trình thực hiện đưa biểu thức hàm logic về dạng đơn giản nhất mà không làm thay đổi giá trị của hàm ở từng trạng thái logics của các biến đầu vào

Để thực hiện một hàm logic bằng mạch điện tử, người ta luôn luôn nghĩ đến việc sử dụng lượng linh kiện ít nhất Muốn vậy, hàm logic phải ở dạng tối giản, nên vấn đề rút gọn hàm logic là bước đầu tiên phải thực hiện trong quá trình thiết kế

6.1 Các phép biến đổi logic cơ bản:

6.1.1 Các phép biến đổi logic cơ bản

13 AB + AB = A 14 (A+B)(A+B)=A

15 A+B+C=(A+B)+C=A+(B+C) 16 A.B.C = A(B.C) = (A.B)C

17.AB = A B 18A B = A + B

6 2 Tối giản hóa hàm logic

Có 2 phương pháp tối giản hàm logic:

Bước 1: Biểu diễn hàm logic dưới dạng chuẩn tắc tuyển

Bước 2: Ta thực hiện tối giản theo nguyên tắc như sau:

- Giữa 2 số hạng trong biểu thức có các biến được biểu diễn giống nhau và có một biến biểu diễn đối nhau ( Dạng nguyên và dạng đảo) ta tối giản

về thành 1 số hạng, số hạng sau khi tối giản bỏ đi biến đối

- Một số hạng có thể tham gia tối giản với các số hạng khác nhiêu lần nhưng ở mỗi lần tối giản phái có một số hạng chưa tham gia tối giản lần nào;

- Những số hạng không đảm bảo điều kiện để tham gia tối giản với các

số hạng khác thì ta giữ nguyên số hạng đó

* Ví dụ minh họa:

F1 = ABC + ABC = AC

F2 = ABCD + ABCD + ABCD + ABCD + ABCD + ABCD

F2 = ABC + ABC + ABC + ABCD

Phương pháp tối giản hóa hàm logic trên biểu thức đại số gặp nhiều khó khăn nhất là việc nhận diện các số hạng có thể thực hiện việc tối giản vì vậy đôi khi kết quả chưa thực sự tối giản triệt để

6.2.2 Tối giản hóa hàm logic bằng bảng Karnaugh

Dùng bảng Karnaugh cho phép rút gọn dễ dàng các hàm logic chứa từ 3 tới 6

biến * Nguyên tắc tối giản:

Để thực hiện tối giản hàm logic trên bảng Karnaugh ta thực hiện theo trình tự các bước như sau:

Bước 1: Biểu diễn hàm logic dưới dạng bảng Karnaugh

Bước 2: Thực hiện việc tối giản theo nguyên tắc như sau:

- Ta chỉ thực hiện tối giản giữa các ô có ghi số 1 hoặc chữ x

- Giữa 2 ô tham gia tối giản liên kề hoặc đối xứng ta tối giản về thành 1

số hạng và bỏ đi biến đối

- Giữa 4 ô tham gia tối giản liên kề hoặc đối xứng ta tối giản về thành 1

số hạng và bỏ đi 2 biến đối;

- Giữa 8 ô tham gia tối giản liên kề hoặc đối xứng ta tối giản về thành 1 số hạng và bỏ đi 3 biến đối vvv

- Mỗi ô tham gia tối giản có thể sử dụng để tối giản nhiều lần nhưng trong mỗi lần tối giản phải có ít nhất 1 ô chưa tham gia tối giản lần nào;

- Những ô tham gia tối giản nhưng không liên kề hoặc không đối xứng với bất kỳ ô tham gia tối giản khác thì ta chuyển về thành 1 số hạng và giữ nguyên các biến cũng như dạng của chúng

- Biểu thức đại số của hàm logic sau khi tối giản được viết ngay dưới bảng Karnaugh của hàm đó

F = BD + ABD + ACD + ABC + BCD

7 Vẽ sơ đồ mạch logic tổ hợp:

Sơ đồ Mạch logic tổ hợp là hình vẽ thể hiện sự kết nối giữa các cổng logic

để thực hiện các phép logic trong biểu thức hàm logic tử đó làm cơ sở để thực hiện việc lắp ráp các mạch logic tổ hợp Khi vẽ mạch logic tổ hợp cần căn cứ vào đặc điểm cấu trúc của các vi mạch cổng để có được sơ đồ mạch phù hợp dễ dàng lắp ráp theo điều kiện thực tế

Trong sơ đồ mạch logic tổ hợp các đầu vào là các biến của hàm còn các đầu ra là các hàm cần thực hiện Trong quá trình vẽ để sơ đồ đơn giản ta cần thực hiện vẽ hàm ở dạng đơn giản nhất, Tận dụng triệt để các các phép toán đã thực hiện

Ví dụ1: Vẽ mạch logic cho hàm tối giản sau: