Bài tiểu luận HP kỹ thuật điện tử tương tự

Bài tiểu luận HP kỹ thuật điện tử tương tự

TRUONG DAI HOC KY THUAT CONG NGHIEP THAI NGUYEN

KHOA DIEN TU

BO MON: KY THUAT DIEN TU

ako taf] Zap

il

BÀI TIỂU LUẬN

HP: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TƯƠNG TƯ

TRUONG DAI HOC KY THUAT CONG NGHIEP THAI NGUYEN

MUC LUC

PHAN I: DAT VAN DE

Trong những năm gần đây, cùng với sự bùng nổ của cách mạng thông tin,

ngành kĩ thuật điện tử là một trong những ngành phát triển với tốc đỘ nhanh nhất

Những người có trí tưởng tượng phong phú nhất cũng không thể hình dung được

tương lai của ngành điện tử sẽ diễn biến theo chiều hướng nào Các đồ điện tử tin

học, các thiết bị thông tin giải trí vừa mới mua sắm đã trở thành lạc hậu, lỗi thời

Linh kiên điện tử càng ngày càng nhỏ bé, vừa tiết kiệm năng lượng vừa tích

hợp nhiều chức năng mạch điện tử vì thế càng ngày càng thay đổi về hình dáng và

cấu trúc Các vi mạch (IC) đời mới chứa được hàng trăm linh kiện, một IC có thể

thay thế cho nhiều tầng hay nhiều khối chức năng

Mỗi thiết bị điện tử đều gồm rất nhiều mạch, hẩu hết những mạch ấy đều được cải tiến từ một số mạch cơ bản ban đầu Chỉ cần một thay đổi nhỏ là một mạch ban đầu có thể biến thành một mạch mới với tính năng mới Bằng cách thay đổi cách nối dây, thay đổi vị trí hay thêm bớt linh kiện là người ta có thể biến

mạch cơ bản thành hàng trăm mạch mới với nhiều tính năng tác dụng mới

Mạch dao động đa hài cũng là một mạch cơ bản, nó được dùng nhiều trong hầu hết các thiết bị kĩ thuật sỐ, trong máy thu hình, đầu đĩa, máy tính, trò chơi,đồng hồ hay các thiết bị quảng cáo trang trí

Riêng lĩnh vực trang trí, có đến vài chục loại IC chuyên điều khiển các đèn

6887 các IC này đều được cải tiến từ mạch dao động đa hài dùng Tranzistor

Với sự hướng dẫn của thầy Phạm Duy Khánh, sinh viên nhóm 12 - lớp học

phần H2 xin được trình bày những hiểu biết về mạch đa hài tự kích trong bài viết

dưới đây.

PHAN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1 Mạch đa hài tự kích dùng tranzistor

(b)

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý mạch đa hài tự kích và giản đồ thời gian

Ta giả thiết mạch là đối xứng thì khi đóng mạch nguồn cung cấp cả hai

Tranzistor đều thông, dòng điện qua hai Tranzistor là bằng nhau, điện thế trên cực

góp của các Tranzistor là như nhau Tuy nhiên hiện tượng đối xứng tuyệt đối trong

thực tế là không tồn tại do có sai số giữa các điện trở, tụ điện, độ tản mạn các

tham sỐ củỦa các Tranzistor cùng loại v.v nên một trong hai Tranzistor sẽ dẫn mạnh hơn

1.2 Nguyên lí hoạt động

Giả thiết Tranzistor T: dẫn mạnh hơn —>I‹; tăng —>Uc¡ giảm, lượng giảm áp

này thông qua tụ C; đưa cả sang cực gốc đèn T; làm Us; giảm theo Điện áp điều

khién Up: cUa T2 gidm lam Ic gidm va Uc ting Lung tang áp trên cực gop cla Tz thông qua tụ C; đưa cả đến cực gốc của T: nên Us: tang > Ic: ti€p tục tăng Quá trình này chỉ kết thúc khi I‹; giảm về bằng “0” (T: khoá hẳn: Ucz Ec) và I‹; đạt

gid tri Ic (T¡ mở boã hòa: Uc¡= 0)

Ngay khi T¡ mở bão hoà, T; khoá chắc chắn thì tu C2 dugc nap theo đường: +Ec

—>Rc¿ —>C: —>nr¡ —> mát (âm nguồn Ec) Đồng thời với quá trình nạp điện của tụ

C, 1 quá trình phóng điện cỦa tụ C¡: +C¡ —>r«ri —>Ec (qua nội trở của nguồn) > Ra; —>-C¡ Chính quá trình phóng điện của tụ C¡ tạo nên một sụt áp âm trên tiếp giáp gỐc - phát của T: giỮ cho T› ở trạng thái khóa chắc chắn

Theo thời gian dòng phóng của tụ C¡ giảm dần, điện thế trên cực gốc của T; bớt 4m dan Khi dién Ap Users = 0 thì dén T, sẽ thông lại bắt đầu một quá trình hồi tiếp như sau:

rs ting >Ue giam —>Us¡ giảm —>Ic¡ giảm —>Uc¡ tăng —>Us¿ tăng

|

Kết thúc quá trình hồi tiếp trên, T: khóa, T› thông bão hòa bắt đầu quá trình

nạp điện của tụ C¡ và phóng điện của tụ C¿, Uc¡= Ec, Uc;~ 0

Qua các phân tích Ở trên ta thấy mạch có thể tự động chuyển từ trạng thái cân

bằng không ổn định này sang trạng thái cân bằng không ổn định khác mà không cần

Mạch có hai đầu ra được lấy trên hai cực góp của hai Tranzistor T: (Ue¡) và T; (Uc) Uc¡, Uc; thực chất là hai dãy xung có biên độ sấp xỈ bằng nguồn nuôi của

mạch

là Ec và Uci = Sco Chu ky T của hai dẫy xung ra này được tính theo biểu thức:

T= +%

Trong đó : t¡ = Rị.C¡.Ln2 = 0,7, Rị.C¡ là hằng số thời gian phóng cỦa C¡

% = Ra.C¿.Ln2 ~ 0,7 R.C; là hằng số thời gian phóng của C;

=T= 0,7(R.C¡ + Rạ.C;)

Nếu ta chọn: R¡ = Rz= R, C¡ = C; = C thì

T =1,4.R.C

Nhìn vào biểu thức của T ta thấy khi muốn thay đổi tần số xung ra ta chỉ

việc thay đổi điện dung tụ C hoặc giá trị điện trở R Ở hình 1.2, khi ta thay đổi

biến trở WR thì hằng số thời gian phóng nạp của tụ C¡ và C; đều thay đổi, dẫn đến đỘ rộng xung ra thay đổi

Với cách mắc trên ta có chu kỳ T là: T= 1,4.(WR + R).C

Trong mạch ta chọn Tranzistor là loại N-P-N có công suất nhỏ nhưng hệ số khuếch đại lớn như loại Tranzistor silic có nhãn hiệu Cazs, hoặc Cau

Ví dụ 1: Có các số liệu Re: = Rez = R = 10kQ; Res = Rc›=1kQ; C¡ = C; = 0,47uF ta

có thể dùng biến trở để tần số xung ra là 50Hz như sau:

Vậy cần điều chỉnh giá trị của biến trở WR = 20,4 kQ thì tần số xung ra là 50Hz

Hằng số thời gian phóng của tụ C: là: 1¡ = Rsz C¡.Ln2 0,7R:C;

Hằng số thời gian phóng của tụ C; là: t;= Rạ¡ C;.Ln2 z 0,7RạC;

T® 0,7(R:C: + RG)

Khi C1 +C2thiti#%) cAc xung ra sé là các xung không đối xứng hay

nói cách khác đỘ rộng của 2 xung là khác nhau

Xpos.(0iv): 0 Ypos.(Dv): 0 2 B le: 0 v

Hình 1.5 : Giản đồ điện áp ra Uc: (màu đỏ) và điện áp Usz(màu xanh)

2 Mạch đa hài dùng IC khuếch đại thuật toán

2.1 Phân tích mạch điện

Để lập các xung vuông tần số thấp hơn W000Hz SƠ đồ đa | hài (đối xỨng hoặc không đối xứng) dùng IC tuyến tính dựa trên,cỗ 5i tiếp dương có nhiều ưu điểm hơn sơ đồ dùng PP

chất tần số của IC khá tốt nên ở tần số cao việ

ưu điểm hơn ——E——Ì |

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung (a) và giản đồ thời gian (b)

Nhìn vào sơ đồ nguyên lý ta thấy KĐTT (khuếch đại thuật toán) cùng hai điện

trở R, và R; tạo thành mỘt mạch trigơ_smit có điện áp ngưỡng lấy trên điện trở R;: u; = uạ¡ Điện áp đặt tới đầu vào của trigơ Smit (đầu vào đảo của KĐTT) được lấy trên tụ C và tuân theo quy luật biến thiên của điện áp trên tụ: Uy = Uc

Với cách mắc cỦa trigƠ smit nói trên cùng mạch R, C như hình vẽ ta được một mạch dao động tự kích có giản đồ thời gian mô tả hoạt động như hình 2.1b

2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch

Khi điện thế trên đầu vào N (điện áp trên tụ C) đạt tới ngưỡng lật của trigơ

Smit thì sơ đồ sẽ lật trạng thái và điện áp ra đột biến giá trị ngược lại với giá trị

cũ Sau đó thế trên đầu vào N thay đổi theo hướng ngược lại và tiếp tục cho đến khi đạt ngưỡng lật khác Quá trình thay đổi U„ được điều khiển bởi thời gian

Đến thời điểm t¡ điện thé trên N dat dén nguGng uy =UTP =+Usamax-B cua

trigo Smit nén so d6 lat trạng thái

+ TU ti + te, Ua = - Unmx — điện áp ngưỡng cũng lật trạng thái:

up =U~p =—U,„m„„Ö, đồng thời tụ C phóng điện từ + C —>R —>KĐTT —>-Ucc —>

nội trở nguồn —>mát —›- C Khi điện áp trên tụ giảm về bằng không thì tụ lại nạp

theo chiều ngược lại từ mát —>C —>R —>› KĐTT —>- Ưcc, điện áp trên tụ tăng dần với cực tính ngược lại Tại t¿ điện thế trên N đạt đến giá trị ngưỡng uc=U›;=-B.Ua„„ —> sƠ đỒ lại lật trạng thái —> ua=+ Uama —> uẹ=UTp=+UramaxÖ,

đồng thời tụ C phóng điện theo đường +C —>mát —>nỘi trở nguồn —>+Ucc —>R —>

—>-C Khi điện áp trên tụ giảm về “0” thì tụ được nạp theo chiều ngược lại từ

+Ucc —KĐTT —›R —›C —>mát

2.3 Các thông số cơ bản đáp ứng các yêu cầu cho trước

Qua các phân tích trên ta thấy quá trình phóng và nạp của tụ C đều thông qua

điện trở R trong các khoảng thời gian 0 + tị, tị + t;, lúc đó phương trình vi phân để xác định Ua(t) có dạng:

dU, —, Usamay =+_— tamax— Uy

dt ˆ RC

Giải phương trình vi phân trên với điều kiện đầu là Ux(t = 0) = Up = - Ura max-B ta

t

có nghiệm sau: Uy (t) = Uramay| 1 (1- Be RC) |

Tại thời điểm t; điện áp trên tụ đạt giá trị Uu(t:) = U'»= Uama.Ö

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung sử dụng A741

Nhìn vào biểu thức trên ta thấy: khi muốn thay đổi tần số của dẫy xung ra ta có

thể thực hiện bằng cách thay đổi điện dung của tụ C hoặc thay đổi giá trị điện trở

R Hình 2.2 là sơ đồ nguyên lý một mạch phát xung dùng khuyếch đại thuật toán

dùng vi mạch A741 có đỘ rộng thay đổi được nhờ biến trở WR Với mạch này ta

có công thức tính chu kỳ cỦa xung ra nhƯ sau:

Xpos.(Div): 0 Ypos.(Div): 0 ° S Steve: 0 v

3 Mạch đa hài tự kích dùng IC 555

3.1 Phân tích mạch điện

Khối phát xung chủ đạo có nhiệm vụ phát ra một dãy xung vuông liên tục cung

cấp cho khối đếm Yêu cầu đặt ra đối với khối này là dãy xung vuông được tạo ra

có tần số thay đổi được để từ đó có thể thay đổi được tốc độ hiển thị Hình 3.1 là

sơ đồ nguyên lý của một mạch phát xung chủ đạo đáp ứng được các yêu cầu trên

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung chuẩn dùng IC 555

Vi mạch 555 là loại vi mạch được dùng để phát xung vuông chuyên dung

Muốn tạo ra được dẫy xung liên tục người ta tiến hành ghép vi mạch này với tụ

điện và điện trở như hình vẽ Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động cỦa phát xung của

vi mạch 555 ta quan sát sơ đồ trải của vi mạch 555 hình 3.2

Hình 3.2: Sơ đồ trải của 555 trong mạch phát xung chủ dao

Phần được đóng khung bằng nét đứt là vi mạch 555, nó có cấu tạo cơ bản t 2

phần tử khuếch đại thuật toán OA1, OA2 và 1 Trigơ R-S Trong đó hai khuếch đại thuật toán được mắc theo kiểu mạch so sánh có điện áp ngưỡng được lấy trên bộ phân áp dùng 3 điện trở có cùng giá trị R Với cách mắc như trên thì điện áp ngưỡng cỦa các mạch so sánh là Ucc/3 đối với OA; và 2U /3 đối với OA¡ Quan sát trên sơ đồ ta thấy điện áp trên tụ C được đặt tới đầu vào còn lại của hai mạch

so sánh nên giá trị điện áp trên tụ sẽ quyết định trạng thái của chúng

3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch

* Gia su tai thoi diém dau (t = 0) điện áp trên tụ C là Uc “` thì đầu ra OA1

có mức logic “1” còn đầu ra OA2 có mức logic “0”, đầu ra 1 có mức logic “1” (R =

1, § = 0), tranzitor T thông Tụ C phóng điện qua R;, qua T về mát làm cho điện áp trên nó giảm dần Đầu ra của mạch phát xung không có xung ra (mức logic “0”)

+ Đến thời điểm t¡ Uc a đầu ra OA; có mức logic “1”, còn đầu ra OA¡

vẫn có mức logic “0”, 1 nhận trị “0” (R = 0, S = 1) Qua cổng NAND ta nhận được xung ra ở mức logic “1”, đồng thời tranzitor T khoá tụ C được nạp từ +Ucc —>Ra —>

Rs —>C —>mát Quá trình tụ nạp điện áp trên nó tăng dần theo biểu thức sau:

t g+RA)C

+ Trong khoảng thời gian điện áp trên tụ thoả mãn: 22 > >Uc a3 các dau

ra bộ so sánh đều nhận trị “0”, trigơ giỮ nguyên trạng thái (R = 0, S = 0), xung ra

vẫn tồn tại ở mức logic “1”, T vẫn khóa tụ C tiếp tục được nạp điện

+ Cho đến thời điểm to, Uc2 2Ucec/3 dau ra cua OA, chuyén trang thai lén

mức logic “1”, đầu ra của OA; vẫn giỮ nguyên trạng thái, 1 nhận trị “1” (R =1, S =

0), xung ra nhận mức logic “0” đồng thời T thông bão hoà, tụ C phóng điện, hoạt động của mạch lặp lại như quá trình từ 0 + t; Kết quả là ta thu được một day xung vuông ở đầu ra trên chân 3 của vi mạch 555

3.3 Các thông số cơ bản đáp ứng các yêu cầu cho trước

_ Dé thay đổi tần số xung ra thì thay đổi hằng số thời gian phóng, nạp của tụ C

bằng cách thay đổi giá trị các điện trở Ra và Ra

Thời gian để điện áp trên tụ được nạp từ giá trị Ucc/3 đạt đến giá trị 2Ucc /3 ta tính được theo công thỨc sau:

2Ucc _ Ucc fe (RatRe)-C Ly qe

Đơn giản phương trình ta được :

Chu kỳ T của dãy xung ra:

T= ty + tp = 0,69(Ra + Ra).C + 0,69Ru.C = 0,69(Rạ + 2Ra).C

Nếu mắc thêm điôt D song song với điện trở Rs như hình vẽ thi tu C sé nap

điện theo đường +Ucc —>Rạ —>D —>C —>mát, thời gian nạp của tụ C sẽ được

tính: t, = 0,69.C.Ra, và khi này chu kỳ cỦa dãy xung ra sẽ được tính:

T =ty + tp = 0,69.Ra.C + 0,69.Rs.C = 0,69.(Ra + Rs).C

Néu ta chon Ry = Rg >t, =t, OT = 2.t, = 2.t, = 2.0,69 Ra.C = 1,4.Ra.C Trong

trường hợp này Xung ra có độ rộng và khoảng thời ¡ gian không tỒn tại xung là bằng nhau Nhìn vào biểu thức ta thấy khi muốn thay đổi chu kỳ T của xung ra ta có thể thực hiện bằng 2 cách là thay đổi dung lượng của tụ C hoặc thay đổi giá trị của

điện trở Rạ, và Rạ Trên hình 5 để có thể thay đổi được T ta điều chỉnh hai biến trở WR; và WR¿, đây là hai biến trở đồng trục mà khi ta tăng thì chúng cùng tăng còn

khi ta giảm thì chúng cùng giảm nén WR: = WR; = WR Với mạch như hình 3.1 công thức tính chu kỳ cỦa xung ra nhƯ sau:

T =2.0,69.(WR+R.).C¡ = 1,4.(WR+RI).C¡

Vidu 3: Cho IC 555 biét C =100nF tim thông số WR để tần số điên áp thay đổi từ

Xpos.(Div): 0 Ypos.(DW): — 0 a @ B Level: 0 v

Hình 2.3 : Giản đồ điện áp ra chân 3 của IC555

PHẦN III KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN