Bài giảng kỹ thuật xung số phần 2 trường đại học thái bình

Chương 5 sẽ cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ bản: khái niệm và thông số của tín hiệu xung; sơ đồ, nguyên lí hoạt động và ứng dụng của các mạch biến đổi dạng xung.. Khái niệm và cá

CHƯƠNG 5 TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH RLC

Mở đầu

Kỹ thuật xung là phần kiến thức khá quan trọng đối với toàn bộ chương trình học của sinh viên ngành Điện tử Chương 5 sẽ cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ bản: khái niệm và thông số của tín hiệu xung; sơ đồ, nguyên lí hoạt động và ứng dụng của các mạch biến đổi dạng xung Trong thực tế, từ một tín hiệu xung đã có, có thể yêu cầu cần một tín hiệu xung có hình dạng khác (xung vuông, xung tam giác, xung nhọn….) để thực hiện các chức năng khác nhau Mục tiêu chương 5: sinh viên có khả năng:

- Nhận diện được các dạng xung, xác định được các thông số của tín hiệu xung

- Nhận diện được các mạch biến đổi dạng xung (mạch tích phân, mạch vi phân) Phân tích được nguyên lí hoạt động, xác định được dạng tín hiệu ra theo tín hiệu vào trong từng trường hợp cụ thể Ứng dụng được các mạch biến đổi dạng xung theo yêu cầu cụ thể

- Thiết kế các mạch biến đổi dạng xung theo yêu cầu kỹ thuật cho trước

5.1 Khái niệm và các dạng xung

- Các tín hiệu điện có biên độ thay đổi theo thời gian được chia ra 2 loại cơ bản: tín hiệu liên tục (tín hiệu tương tự hay tín hiệu tuyến tính) và tín hiệu gián đoạn (tín hiệu xung hay số)

- Tín hiệu xung dòng điện hoặc điện áp là những tín hiệu có thời gian tồn tại rất ngắn, có thể so sánh với quá trình quá độ trong mạch điện mà chúng tác dụng

Trong mạch điện có thể tác động 1 xung hoặc 1 dãy xung

Trong nhiều trường hợp xung tam giác có thể gọi là xung răng cưa và ngược lại

5.2 Các thông số tín hiệu xung

1) Chu kỳ xung - tần số xung

* Chu kỳ xung là : T = ton + toff

* Tần số xung: là số lần xung xuất hiện trong 1 đơn vị thời gian, và được tính theo công thức: F=

T1

2) Độ rỗng và hệ số đầy của xung

Trong một chu kỳ của xung, thời gian có xung (ton) thường rất ngắn so với chu kỳ T

Định nghĩa độ rỗng của xung: là tỉ số giữa chu kỳ T và độ rộng xung ton

Q =

on

t T

Hệ số lấp đầy của xung: là nghịch đảo của độ rỗng Q : n =

T

t Q

on

 1

3) Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau

Trong thực tế khó có một tín hiệu xung vuông lý tưởng có đường biên độ tăng và đường biên độ giảm thẳng đứng

Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau là thời gian biên độ xung tăng hay giảm trong khoảng 0,1Vm đến 0,9Vm

Thời gian xung có biên độ từ 0,9Vm đến Vm ứng với đoạn đỉnh của xung gọi là tp

- Độ rộng xung ton hay tx: là thời gian ứng

với mức cao của tín hiệu (vd mức điện áp

cao) (hay thời gian tồn tại của xung)

- Thời gian không có xung ứng với mức thấp

của tín hiệu (vd điện áp thấp) thì gọi là toff

hay tng (thời gian nghỉ của xung)

Theo dạng xung hình bên, khi tăng điện

áp sẽ có thời gian trễ tr gọi là độ rộng sườn

trước Ngược lại khi giảm điện áp cũng sẽ có

thời gian trễ tf gọi là độ rộng sườn sau

t

V v(t)

ton

Vm0.9V m

Độ sụt đỉnh xung V là độ giảm biên độ ở phần đỉnh xung

5.3 Mạch tích phân

- Mạch tích phân là mạch mà điện áp ra v0(t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào vi(t): v0(t) = k.vi(t)dt với k: hệ số tỉ lệ

- Ứng dụng: + tạo xung quét (xung răng cưa)

+ biến đổi tương tự  số

+ thực hiện phép tích phân trong máy tính điện tử

1



 R >> XC (nhân cả 2 vế với i(t))  vR(t) >> vC(t)

Điện áp trên tụ được tính theo công thức:

tv

khi tần số fi >> fC.

Vậy điều kiện của mạch là:

hay Nói cách khác:

fC =

RC



21

hay trong đó  = RC là hằng số thời gian

 v0(t) =  sin( t900)

RC

Kết luận: Nếu thoả mãn điều kiện của mạch tích phân như trên thì điện áp ra bị trễ pha

900 và biên độ giảm xuống với hệ số tỉ lệ là

RC



1 so với điện áp vào

*Trường hợp điện áp vào là tín hiệu xung vuông

Khi điện áp vào là tín hiệu xung vuông có chu kỳ là Ti thì có thể xét tỉ lệ hằng số thời gian  = RC so với Ti để giải thích các dạng sóng ra theo hiện tượng nạp xả của tụ

Như vậy, mạch tích phân nếu chọn trị số RC thích hợp thì có thể sửa dạng xung vuông ở ngõ vào thành dạng sóng răng cưa hay tam giác ở ngõ ra Nếu xung vuông đối xứng thì xung tam giác ra là tam giác cân

Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian  = RC rất nhỏ so với Ti, tụ nạp

và xả rất nhanh nên điện áp ngõ ra

v0(t) có dạng giống như dạng của điện áp vào vi(t)

Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian  = Ti/5, tụ nạp và xả theo dạng hàm mũ, biên độ của điện áp ngõ ra

v0(t) thấp hơn VP

Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian  >>Ti thì tụ nạp rất chậm nên điện áp ra có biên độ rất thấp, nhưng đường tăng giảm điện áp gần như đường thẳng

Giả thiết, điện áp ngõ vào là tín

hiệu xung vuông đối xứng (ton = toff ) có chu kỳ Ti

v 0 (t)

V P

t c) Dạng sóng ngõ ra khi  =Tt/5

v 0 (t)

V P

t d) Dạng sóng ngõ ra khi  >>T i

* Trường hợp tín hiệu ngõ vào là một chuỗi xung vuông không đối xứng với ton > toff

 v0(t) =

L

Rvi(t)dt m Vậy hệ số tỉ lệ: k =

LR

5.3.3 Mạch tích phân dùng OP-AMP

Trong thời gian ton ngõ vào có điện

áp cao, tụ C nạp điện Trong thời gian toff ngõ vào có điện áp 0V, tụ

xả điện Nhưng do thời gian toff<

ton nên tụ chưa xả hết thì lại nạp điện tiếp làm cho điện áp trên tụ tăng dần

Nếu ngõ vào nhận xung vuông thì qua điện trở R1 ở ngõ vào đảo sẽ có xung tam giác và ở ngõ

ra cũng có xung tam giác

tdqCdt

tdvC

.)( 

Do điện áp ngõ vào đảo nên điện áp

ra được tính theo công thức:



hay Với  = RC: hằng số thời gian ; Ti : chu kỳ

* Với trường hợp điện áp vào vi(t) là tín hiệu hình sin

nhân với hệ số tỉ lệ là RC

* Điện áp vào là tín hiệu xung vuông

Khi điện áp vào là tín hiệu xung vuông có chu kỳ Ti, có thể xét tỉ lệ hằng số thời gian

=RC so với Ti để giải thích các dạng sóng ra theo hiện tượng nạp xả của tụ

i( ).

1  v0(t)

dt

tdvR

L i( )

 Hệ số tỉ lệ: k =

RL

Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian <<Ti, tụ

sẽ nạp và xả điện rất nhanh cho ra 2 xung ngược dấu nhưng có độ rộng xung rất hẹp được gọi là xung

Mạch vi phân trên có cách mắc theo kiểu mạch đảo, với mạch phân áp là tụ C và điện trở

R2

Tụ C là tụ đưa tín hiệu vào, R2 là điện trở hồi tiếp từ ngõ ra về ngõ vào Điện trở R1 để ổn định tổng trở ngõ vào Điện trở R3 thường chọn có trị số bằng điện trở R2 có tác dụng bù trừ nhiệt

Dòng điện vào cũng là dòng điện nạp vào tụ được tính theo công thức:

in

) (

TỔNG KẾT CHƯƠNG 5

Chương 5 đã cung cấp cho sinh viên các kiến thức để sinh viên có những khả năng:

- Nhận diện được các dạng xung Xác định được các thông số của tín hiệu xung đơn (ton, toff, độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau, độ rộng đỉnh xung, độ sụt đỉnh xung, biên độ xung), các thông số của dãy xung (chu kì, tần số, độ rỗng, hệ số lấp đầy, chu trình làm việc)

- Nhận diện được các mạch biến đổi dạng xung (mạch tích phân, mạch vi phân) dùng RL, RC,Op-amp Phân tích được nguyên lí hoạt động, xác định được dạng tín hiệu ra theo tín hiệu vào trong từng trường hợp cụ thể Ứng dụng được các mạch biến đổi dạng xung theo yêu cầu

cụ thể Chú ý các mạch biến đổi dạng xung không làm biến đổi tần số (chu kì) tín hiệu xung

- Thiết kế các mạch biến đổi dạng xung theo yêu cầu kỹ thuật cho trước

1 Thông số nào cuả tín hiệu xung vuông mà ta mong muốn càng nhỏ càng tốt :

2 Khoảng điện áp từ 0.9Vm đến Vm cuả tín hiệu xung vuông ứng với độ rộng :

3 Biên độ xung ra cuả mạch so sánh dùng op – amp thực tế là :

a- Cao hơn Vcc từ 1v - 3v b- Thấp hơn Vcc từ 1v - 3v

4 Mạch so sánh sử dụng Op - Amp :

a Làm việc trong vùng bão hòa b Làm việc trong vùng tuyến tính

c Dạng tín hiệu ra phụ thuộc tín hiệu vào d tất cả các câu trên đều đúng

5 Cho mạch như hình vẽ:

a- là mạch so sánh đảo và op-amp đươc cung cấp nguồn đôi

b- là mạch so sánh đảo và op-amp đươc cung cấp nguồn đơn

c- là mạch so sánh không đảo và op-amp đươc cung cấp nguồn đôi

d- là mạch so sánh không đảo và op-amp đươc cung cấp nguồn đơn

+15V

-15V Vo

Vi

+

6 Cho mạch như hình câu 5 ( biết op-amp bão hòa thì biên độ Vo nhỏ hơn Vcc 1 V), op_amp bão hòa dương khi:

12 Cho mạch như hình câu 11 có tần số cắt fc = 1 Khz , tín hiệu vào là xung vuông đơn cực có tần số fi=10 Khz thì tín hiệu ra có dạng:

C

R

c- xung tam giác d- 2 xung nhọn

16 Tín hiệu vào là xung vuông qua mạch lọc thông thấp khi fI<<fC thì tín hiệu ra có dạng:

17 Cho mạch vào như hình vẽ Tín hiệu vào là xung vuông đơn cực có chu kỳ Ti<<RC thì tín hiệu ra có dạng:

18 Cho mạch điện như hình vẽ Tín hiệu vào là xung vuông đơn cực có chu kì Ti<<RC thì tín hiệu ra có dạng:

19 Mạch vi phân được tạo từ:

20 Khoảng điện áp từ 0.9Vm đến Vm của tín hiệu xung vuông ứng với độ rộng:

21 Thông số nào của tín hiệu xung mà ta mong muốn càng nhỏ càng tốt:

22 Cho mạch lọc thông thấp RC có xung vào là xung vuông lưỡng cực có Ti<<RC thì tín hiệu

ra có dạng

23 Cho mạch lọc thông cao RC có xung vào là xung vuông lưỡng cực có Ti<<RC thì tín hiệu

ra có dạng

24 Tín hiệu vào xung vuông qua mạch lọc thông cao khi fi<<fc thì tín hiệu ra có dạng:

25 Tín hiệu vào xung vuông qua mạch lọc thông cao khi fi>>fc thì tín hiệu ra có dạng:

CHƯƠNG 6 MẠCH XÉN VÀ GHIM ĐIỆN ÁP

Mở đầu

Chương 5 đã cung cấp cho sinh viên các phương pháp để biến đổi dạng xung Trong trường hợp yêu cầu không làm biến đổi dạng xung mà yêu cầu xén trên hoặc xén dưới mức điện áp thì dùng mạch xén, còn trong trường hợp yêu cầu không làm biến đổi dạng xung và không làm thay đổi điện áp đỉnh đỉnh mà yêu cầu ghim mức điện áp ở mức trên hoặc mức dưới thì dùng mạch ghim

Chương 6 cung cấp kiến thức mạch xén và mạch ghim điện áp Sinh viên sau khi học xong chương 6 phải có khả năng:

- Nhận diện được các loại mạch xén, xác định được mức xén điện áp Phân tích được nguyên lí hoạt động Ứng dụng được các mạch xén trong thực tế

- Nhận diện được các mạch giới hạn biên độ xung (mạch ghim điện áp) Phân tích được nguyên lí hoạt động , tính toán được các thông số điện Ứng dụng được các mạch ghim điện áp trong các trường hợp cụ thể

- Thiết kế được các mạch xén, mạch ghim theo các yêu cầu kỹ thuật cho trước Biết ứng dụng mạch xén, mạch ghim vào các bài toán cụ thể

6.1 Mạch xén

Tùy yêu cầu của mạch cần điều khiển, đối với các tín hiệu xung có biên độ lớn, có thể cần phải giới hạn đến một mức điện áp tối đa nào đó Ở đây chúng ta sử dụng mạch xén (còn gọi là mạch giới hạn xung) Khi phân loại theo sơ đồ cấu tạo người ta chia ra làm 2 loại: Mạch xén song song và mạch xén nối tiếp

* Đặc tuyến hàm truyền đạt : biểu diễn sự phụ thuộc giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra

Hình 6.1a Mạch xén song song Hình 6.1b Mạch xén nối tiếp

* Khi tín hiệu vào là tín hiệu sin, ta có dạng tín hiệu ra :

Hình 6.2 Mạch xén xung dương

+

V Z

-

 Đặc tuyến hàm truyền đạt:

 Dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là tín hiệu sin:

b Mạch xén âm dùng Điốt Zener

 Vi 0 : Z phân cực nghịch

+ Vi > - VZ : Z tắt  V0 = Vi + Vi  - VZ : Z dẫn ổn áp  V0 = - VZ

 Vi > 0 : Z phân cực thuận, Z dẫn giống Diode  V0 = 0V

Dạng tín hiệu ngõ ra khi tín hiệu ngõ vào hình sin:

Z2

Vo Vi

V Z1 – +

VZ2 +

6.2 Mạch ghim

Định nghĩa: Mạch ghim là mạch cố định đỉnh trên hay đỉnh dưới của tín hiệu ở một giá trị điện

áp nhất định

Mạch ghim không làm thay đổi biên độ đỉnh đỉnh của tín hiệu

Phân loại: có 2 loại mạch ghim là mạch ghim trên và mạch ghim dưới

(Mạch mất khả năng ghim áp khi Vi giảm)

* Như vậy mạch sẽ mất khả năng ghim đỉnh trên ở mức 0V khi biên độ điện áp giảm Để khắc phục tình trạng này, ta mức điện trở R rất lớn song song với Diode, tụ C sẽ xả bớt điện tích qua R, sau một vài chu kì mạch sẽ hồi phục lại khả năng ghim

* Chú ý: Khi phân tích mạch ghim: bắt đầu tại bán kì mà tụ C nạp điện

b Mạch ghim đỉnh trên ở VN

Vn -

-+

Hình 6.8 Mạch ghim đỉnh trên ở V n

6.2.2 Mạch ghim đỉnh dưới

Mạch ghim đỉnh dưới ở VN

R >>

Vi -

D

Vo +

-C

Vn

Hình 6.9 Mạch ghim đỉnh dưới ở V n

Câu hỏi: - SV trình bày nguyên lý hoạt động của mạch trên

- Vẽ sơ đồ mạch ghim đỉnh dưới ở mức 0 và trình bày nguyên lý hoạt động

- Trình bày được khái niệm, tác dụng của mạch ghim điện áp Nhận diện được tác dụng mạch ghim trên, ghim dưới Sinh viên cần phân tích được nguyên lí hoạt động và tính năng của mạch, xác định được hình dạng mức điện áp ngõ ra, xác định được mạch ghim ở mức điện áp nào, có khả năng ghim trong trường hợp tín hiệu vào thỏa mã điều kiện nào Đồng thời thiết kế được mạch xén trong các yêu cầu thực tế cụ thể

BÀI TẬP CHƯƠNG 6 Bài 1

Cho tín hiệu vào là sin có biên độ đỉnh đỉnh là 12V, cho VN1 = 3V, VN2 = 10V Hãy vẽ dạng tín hiệu ra theo tín hiệu vào

Bài 2: Cho mạch xén như hình vẽ

R1 = 100K V1 = 25V

R2 = 200K V2 = 100V Các diode D1 và D2 là diode lý tưởng

Điện áp ngõ vào vi biến thiên từ 0V đến 150V

Hãy xác định và vẽ hàm truyền đạt

Bài tập trắc nghiệm

1 Mạch xén là mạch :

2 Mạch ghim là mạch:

3 Mạch xén nối tiếp là mạch có phần tử xén được mắc:

a song song ngõ ra b nối tiếp ngõ ra

4 Cho mạch và dạng sóng như hình vẽ:

a Khi 0<t<t1 thì Vo =Vi b Khi t1<t<t2 thì Vo = Vdc

c Khi t2<t<t3 thì Vo = Vi d Tất cả đều sai

Vdc

V

0 47K

CHƯƠNG 7: MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI

Mở đầu

Một trong những yêu cầu quan trọng của kỹ thuật xung là tạo ra được xung vuông có các

thông số kỹ thuật theo yêu cầu Mạch dao động đa hài là mạch tạo xung vuông Chương 7 cung

cấp kiến thức về mạch dao động đa hài: mạch lưỡng ổn, mạch đơn ổn, mạch phi ổn Với mỗi

loại mạch dao động, sinh viên cần phải có khả năng:

- Trước hết sinh viên cần có kiến thức về BJT, Op-amp, các cổng logic cơ bản

- Trình bày được khái niệm và tính năng của từng loại mạch dao động

- Nhận diện được loại mạch dao động

- Tính toán được các thông số điện

- Thiết kế được mạch dao động theo các yêu cầu về kỹ thuật cho trước

- Trình bày được cấu tạo, tính năng, chức năng chân của IC555 Ứng dụng IC555 trong

thiết kế các mạch tạo dao động

7.1 Khái niệm

Mạch dao động là mạch có 2 trạng thái Mạch dao động đa

hài là các mạch tạo xung vuông

Mạch lưỡng ổn: cả hai trạng thái đều ổn định Muốn đổi

trạng thái phải kích tác động

Mach đơn ổn: một trạng thái ổn định và một trạng thái

không ổn định (trạng thái tạo xung) Bình thường mạch ở

trạng thái ổn định, khi có kích tác động mạch chuyển sang

trạng thái tạo xung, sau 1 thời gian tự động trở về trạng thái

ổn định

Mạch phi ổn: cả hai trạng thái đều không ổn định Mạch tự

động chuyển đổi giữa hai trạng thái

7.2 Trạng thái tắt, dẫn bão hòa của BJT

Transistor có 3 trạng thái:

- Trạng thái tắt

- Trạng thái dẫn khuếch đại

- Trạng thái dẫn bão hoà

Trong kĩ thuật xung, transistor dùng để tạo xung vuông nên

chỉ hoạt động ở 2 trạng thái tắt và dẫn bão hoà

a Trạng thái ngắt (tắt)

Trong hình 7.1 Transistor có điện áp:Vi = 0V  VB =0V,

Transistor không phân cực nên tắt  IB = 0 và IC =0

Điện áp ngõ ra tại cực C của Transistor

V0 = VC =VCC – IC.RC  V0 = VCC

Như vậy, ngõ vào Vi ở mức thấp, ngõ ra Vo ở mức cao

b Trạng thái dẫn bão hoà

Transistor chuyển từ trạng thái ngắt như hình 7.1 sang trạng thái bão hoà thì ngõ vào phải cấp một điện áp Vi sao cho Vb lớn hơn mức ngưỡng để Transistor phân cực bão hoà Điện áp vào

VBesat có trị số tuỳ thuộc bản chất của chất tạo ra Transistor

Ta có VBEsat = 0,7 V 0,8 V (Transistor Si)

VBEsat = 0,3 V (Transistor Ge)

Khi transistor ở trạng thái bão hoà:

V0 = VC = VCEsat  0,1V 0,2V

Như vậy ngõ vào Vi ở mức cao thì Vo ở mức thấp

Dòng điện Ic tính theo công thức:

C

CEsat CC

C

R

VV

IB

I  Trường hợp cần cho Transistor chạy bão hoà vững (bão hoà sâu) thì chọn:

βC

IB

hay

βC

Ik

B

Điện trở Rb được chọn theo công thức:

B

I BEsat

Vi

VB

2 C R

1 BE

2 C

R

1 C

R

2 O V 1

1 1

RR

Để thay đổi trạng thái ta cấp một xung âm vào Vi, làm VBE1 0  Q1 ngưng dẫn làm điện thế tại VO1 lớn  VBE2 đủ lớn  Q2 dẫn, mạch ở hình 7.3a trở thành như hình 7.3c

Lúc này, dòng

1 1

2 2

RR

VVccI

Để thay đổi trạng thái ta cấp một xung dương vào Vi, làm VBE1 đủ lớn  Q1 dẫn làm điện thế tại

R

2 O V 1

O

V

Hình 7.3c Mạch dao động lưỡng

ổn trạng thái Q1 tắt, Q2 dẫn

1 O V

2 O V

1 BE V

2 BE V

i V

B R

1 O

V

1 C

R

2 C

R

1 B

R

2 BE

V