Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 12 pps

Cấu trúc và hoạt động của một bộ chuyển mạch tương tự Bộ chuyển mạch tương tự còn được gọi là khoá tương tự được điều khiển bằng logic.. Trên hình 12.5 là cấu trúc, sơ đồ nguyên lý của

Bài 12 các sơ đồ chuyển mạch tương tự

Mục đích: Nghiên cứu về cấu tạo, hoạt động của bộ chuyển mạch tương tự Phân

tích và khảo sát các sơ đồ có sử dụng các bộ chuyển mạch tương tự

Phần lý thuyết

1 Họ CMOS và ứng dụng

Họ vi mạch này sử dụng phối hợp 2 loại transistor trường MOSFET kênh n

và MOSFET kênh p

Mạch Đảo (Phủ định NOT) họ CMOS

• Hàm logic : y= x

• Sơ đồ mạch như trên hình 12.1

Mạch hoạt động như sau:

Khi lối vào X ở mức điện áp cao

(H), ở đây mức H bằng điện áp nguồn

transistor trường kênh

p T

) 15 3

V DD = ữ

1 cấm, transistor trường kênh n T2

thông, lối ra Y ở mức L Khi X = L (mức

L = 0V) T2 cấm T1 thông mạch Y = H

Như vậy điện áp ra luôn là đảo của điện

áp vào, hoạt động của mạch diễn ra đúng

như phương trình lôgic của mạch NOT

đã nêu ở trên

→

←

o Y

X o

o VDD

T1

T2

P

N

Hình 12.1

Mạch Không Hoặc (NOR)

Sơ đồ cho trên hình 12.2

Bảng chân lý là bảng 12.1

X1 X2

2

1 x x

Y = +

L L H

H L L

L H L

H H L

Bảng 12.1: bảng chân lý của mạch NOR

←

→ o

o VDD

→

o Y

•

•

•

•

•

•

•

X2

X1

Hình 12.2

Giải thích hoạt động của mạch:

a) Khi 2 lối vào x1 =x2 =L:

T1, T2 thông và T3, T4 cấm dẫn đến y = H

b) Khi : x1 =H, x2 =L: Từ sơ đồ mạch ta thấy khi x1 =H →T2 cấm, T4 thông nên y nối đất làm cho Y = L

3

2 L T

x = → cấm, T1 thông nh−ng T2 cấm nên lối ra y vẫn đ−ợc nối xuống

đất qua T1 làm cho y = L

c) Khi x1 =L, x2 = H → T4, T1 cấm còn T2, T3 thông → y= L

d) Khi x1 = x2 =H cả T1, T2 cấm và T3, T4 thông → y= L

Mạch hoạt động đúng nh− bảng chân lý 12.1

Mạch Không Và (NAND)

2

1.x

x

Y =

L L H

H L H

L H H

H H L

Bảng 12.2: Mạch NOR họ CMOS

→

o VDD

o

•

←

N

•

•

o

→

←

T3

•

•

o Y

•

•

X1

X2

Hình 12.2

Giải thích hoạt động của mạch:

a) Khi 2 lối vào x1 =x2 =L; T1, T2 thông và T3, T4 cấm dẫn đến y= H

b) Khi : x1 =H, x2 =L;

T2 cấm T3 thông ; T1 thông T4 cấm Lối ra y được nối với nguồn VDD :

H

y=

c) Khi x1 =L, x2 = H → T1 cấm, T2 thông, T3 cấm, T4 thông → y= H d) Khi x1 = x2 =H cả T1, T2 cấm T3, T4 thông → y = L

(*) Ưu điểm của họ CMOS : Có điện trở lối vào rất lớn

- Vi mạch chỉ tiêu thụ dòng điện khi chuyển mạch (lúc chuyển mạch mới

có dòng qua) Vì vậy công suất tiêu thụ cực kỳ nhỏ (cỡ nw)

- CMOS có hệ số mắc tải ở lối ra (FAN OUT) rất lớn (Số cổng lôgic cùng loại có thể mắc vào lối ra của nó là 50, gấp 10 ữ 20 lần họ TTL)

(*) Nhược điểm:

Tốc độ chuyển mạch thấp nên tần số làm việc không cao và phụ thuộc vào nguồn nuôi

Khi V DD =5V → f =1MHz, V DD =10V → f =1,6MHz,

MHz f

V

V DD =15 → =2

Bảo vệ CMOS khỏi bị hỏng:

- Vì điều khiển bằng điện trường, lớp điện môi cực cửa rất mỏng nên lối vào dễ bị hỏng khi điện áp đặt vào lớn Để bảo vệ lối vào IC họ CMOS người ta mắc thêm các mạch bảo vệ cực cửa khỏi bị quá áp như hình 12.4

→

←

o Y

o VDD

T1

T2

P

N

•

•

•

•

D2

D4

D1

D3

Hình 12.4: Mạch bảo vệ lối vào CMOS

Mạch bảo vệ gồm 4 diode

- Nếu xung dương vào x lớn hơn VDD thì D1, D2 dẫn thông mạch lối vào x

được nối lên nguồn VDD

- Nếu xung vào x âm so với đất thì D3, D4 dẫn thông mạch, lối vào x được

nối xuống đất Nhờ các diode bảo vệ mà điện áp đưa vào cực cửa của các transistor T1,T2 không vượt quá mức lôgic VH và VL của họ lôgic CMOS Như vậy các transistor trường MOS đã được bảo vệ khi các xung lối vào quá lớn

Mặc dù đã có mạch bảo vệ lối vào nhưng khi dùng hoặc bảo quản vi mạch

ta vẫn phải có biện pháp phòng ngừa các điện áp tĩnh điện có điện áp cao hoặc nguồn cao áp xoay chiều cảm ứng thâm nhập vào phá hỏng cửa cách điện của vi mạch CMOS Khi hàn các panel trên đó có vi mạch thuộc họ CMOS, mỏ hàn tay người hàn phải được nối đất thật tốt để tránh những hư hỏng đáng tiếc không ngờ tới xẩy ra trong khi hàn mạch

Khi dùng nguồn nuôi 5V ta có thể ghép CMOS với TTL và DTL Họ CMOS được nuôi bằng nguồn V DD =+3V ữ+15V, có ký hiệu CD40 xx hoặc 40 xxx các chữ ở đầu dùng để chỉ hãng sản xuất; 2 hoặc 3 chữ số đứng sau số 40 để chỉ chức năng của mạch ví dụ:

CD 4001: CD là ký hiệu của hãng RCA của Hoa kỳ;

40 chỉ rõ là vi mạch thuộc họ CMOS;

2 số sau cùng 01 chỉ chức năng của mạch là mạch có 4 cửa NOR 2 lối vào; 4011: 4 cửa NAND hai lối vào họ CMOS;

4049: 6 cửa NOT;

4050: 6 cửa đệm

Ký hiệu vi mạch CMOS của hãng Motorola: MC 14001 là mạch 4 mạch NOR hai lối vào, họ CMOS ta thấy 4 số sau trong ký hiệu của hãng Motorola đều giống ký hiệu của hãng khác

Các vi mạch CMOS có ký hiệu giống như ở họ TTL có chức năng và bố trí chân giống như vi mạch TTL có thể thay thế cho vi mạch TTL 74L xx, 74LS xx

có ký hiệu đặc trưng bằng chữ C để chỉ họ CMOS ví dụ:

74C00: NAND giống như 7400 nhưng là CMOS có thể dùng thay thế cho 74L00

74C02: NOR - CMOS có thể dùng thay thế cho 74L02

74HC00: NAND - CMOS có tốc độ cao có thể dùng thay thế cho 74LS00 Khi dùng vi mạch họ CMOS ghép nối với họ TTL thì CMOS phải nuôi bằng nguồn +5V cùng chung nguồn nuôi với điện áp nuôi vi mạch TTL

2 Cấu trúc và hoạt động của một bộ chuyển mạch tương tự

Bộ chuyển mạch tương tự còn được gọi là khoá tương tự được điều khiển bằng logic Trên hình 12.5 là cấu trúc, sơ đồ nguyên lý của một chuyển mạch tương tự thuộc họ logíc CMOS

Chuyển mạch tương tự là một khoá điện tử có hai lối vào A, C và lối ra B

C là lối vào điều khiển Khi VC = H (mức cao) thì T3, T4 thông mạch và A được

nối với B Khi VC = L (mức thấp) thì T3, T4 bị cấm và A ngắt khỏi B Bộ khoá tương tự khác với khoá logíc: ở bộ khoá logíc, tín hiệu vào và ra là nhị phân, có

điện áp cố định (2 mức) ở khoá tương tự thì tín hiệu vào và ra đều là tương tự và tín hiệu ra giống tín hiệu vào cả về biên độ, tần số và dạng của tín hiệu vào Khoá tương tự giống như công tắc điện cơ khí có thể hoán vị hai đầu vào và ra A và B

o

C

o

o B

o

A

T4

T3

C A

o

C

o

B

o

A

T1

VDD o

P

N

T2

Hình 12.5

Các thông số cơ bản của bộ khoá tương tự là:

- Tốc độ chuyển mạch (hoặc tần số làm việc) có thể lên đến 10MHz

- Điện trở thông mạch RON nhỏ - Điện trở ngắt mạch R0FF lớn

Người ta thường thiết kế bộ khoá tương tự dựa trên transistor trường JFET hoặc transistor MOSFET

Các bộ khoá tương tự thường được chế tạo tổ hợp trong một vi mạch Ví dụ như vi mạch: CD- 4016, CD- 4066 vi mạch này có 14 chân và có 4 khoá tương

tự Chân 7 là chân đất và chân 14 là nguồn nuôi Vì vi mạch thuộc họ CMOS nên

điện áp nuôi có thể là từ 3V đến 12V Để mạch làm việc bình thường thì các điện

áp vào không được lớn hơn điện áp nguồn Họ loại vi mạch này có các thông số cơ bản sau:

Điện trở lối vào cực điều khiển vô cùng lớn (~1012Ω):Tín hiệu điều khiển hoàn toàn cách li với tín hiệu vào, ra R ON = 300Ω, vô cùng lớn (dòng qua công tắc khi ngắt mạch khoảng 10 pA Có thể đưa vào tín hiệu tương tự hoặc số

có giá trị cực đại là Khi nguồn nuôi V

OFF

R

V

5 , 7

chân 7

Để khảo sát bộ chuyển mạch tương tự ta hãy xem phần thực nghiệm Hình A12-1 là sơ đồ chân của vi mạch khoá tương tự CD - 4066 Hình A12-1a là sơ đồ

để khảo sát một bộ chuyển mạch tương tự riêng rẽ

3 Các ứng dụng của chuyển mạch tương tự

Các bộ chuyển mạch tương tự có thể dùng trong các bộ: hợp kênh, phân kênh tín hiệu số và tín hiệu tương tự Dùng trong các mạch điều chế, giải điều chế, trong các bộ biến đổi ADC, DAC Ngoài ra, các bộ chuyển mạch tương tự còn được dùng trong các mạch điều khiển số: Điều khiển tần số, điều khiển hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại

Trong bài thực tập này chúng ta sẽ nghiên cứu và khảo sát hai ứng dụng sau:

3.1 Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại thay đổi:(Xem hình 12-6)

Hệ số khuếch đại của mạch sẽ là

Vi

f i

R

R

A = Như vậy bằng cách đóng, mở

các khoá Ki ta sẽ có được các hệ số khuếch đại khác nhau

-+

o

Ura

o

RV2

•

•

o

o

àA 741

Rf

K2

K3

K4

K1

RV1

RV3

RV4

Hình 12.6

Hình A12- 2 (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ mạch để cho ta khảo sát

Để điều khiển đóng mở các khoá Ki sơ đồ có thêm bộ đếm dịch dùng IC có kí

hiệu CD 4017 Chúng ta hãy khảo sát mạch theo trình tự và ghi kết quả vào bảng A12- 2, vẽ dạng các tín hiệu và giải thích?

3.2 Bộ chuyển mạch tương tự 8 → 1 điều khiển theo m∙ nhị phân:

Các bộ chuyển mạch tương tự được tích hợp trong một vi mạch có tên là CD-4051 Thực chất vi mạch này là một bộ hợp kênh tương tự Xem hình 12- 7

Khi là hợp kênh vi mạch có 8 đường dữ liệu vào với một đường ra chung là X Ba đường điều khiển cho 8 đường vào là , , Đường điều khiển E cấm lối ra Vi mạch này cũng còn có thể dùng làm bộ phân kênh và khi

đó đầu vào là X, các đầu ra là Hãy xem hình A12-3 (phần thực nghiệm)

và tiến hành khảo sát mạch trên panel thực nghiệm Ghi các kết quả vào bảng A12-3 và giải thích?

o

Y Y7

o

A A1 A2

o

Y Y7

4051

13 14 15 12 1 5 2 4 6 11 10 9

Yo

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

Y6

Y7 E

Ao

A1

A2

16

8 7

Vss Vee

Vcc

Hình 12.7

Phần thực nghiệm

A Thiết bị sử dụng:

1 Thiết bị chính cho thực tập tương tự (Khối đế nguồn)

2 Panel thí nghiệm AE - 112N cho bài thực tập về bộ chuyển mạch tương

tự (Gắn lên khối đế nguồn)

3 Dao động ký 2 chùm tia

4 Dây nối cắm 2 đầu

B Cấp nguồn và nối dây

Panel thí nghiệm AE - 112N chứa 3 mảng sơ đồ A12-1 A12-3, với các chốt cắm nguồn riêng Khi sử dụng mảng nào thì nối dây nguồn cho mảng đó

Đất (GND) của các mảng sơ đồ đất được nối sẵn với nhau Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối đế

1 Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị cung cấp các thế

chuẩn ±5V, ±12V cố định

2 Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị cung

cấp các giá trị điện thế một chiều 0 +15V và 0 ư15V Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết, sử dụng đồng hồ đo thế DC trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt

(Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo)

C Các bài thực tập

1 Bộ chuyển mạch tương tự riêng rẽ

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu bộ chuyển mạch tương tự sử dụng với điều khiển bằng số (Digital)

Các bước thực hiện: Thí nghiệm tiến hành trên mảng sơ đồ hình A12-1

1.1 Cấp nguồn ±5V cho mảng sơ đồ A12- 1

1.2 Máy phát xung FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở chế

độ phát xung vuông góc với tần số phát 1 KHz

1.3 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 1V cm, thời gian quét ở 1ms cm Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dưới của màn dao động ký

SINGLE ANALOG SW: khóa tương tự riêng rẽ

Hình A12-1: Sơ đồ chân và cách nối của vi mạch khóa tương tự CD- 4066

1.4 Nối máy phát xung với lối vào IC1 (A12-1a) Ví dụ IN1 Nối kênh 1

dao động ký với lối ra OUT 1 Quan sát tín hiệu

Nối chốt điều khiển C1 với nguồn +5V Quan sát và đo biên độ tín hiệu ra Ghi kết quả vào bảng A12-1 Thay đổi biên độ tín hiệu vào, đo biên độ tín hiệu ra tương ứng

Ngắt chốt điều khiển C1 khỏi nguồn +5V (khi đó C1 nối sẵn với nguồn

−5V qua trở) Quan sát và đo biên độ tín hiệu ra Ghi kết quả vào bảng A12-1

Bảng A12- 1

1.5 Đổi chiều kênh truyền: nối tín hiệu từ máy phát xung vào chân OUT1

Nối dao động ký vào chân IN1 Chân C1 nối +5V Quan sát tín hiệu và nhận xét kết quả

2 Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại thay đổi

2.1 Đặt nguồn âm điều chỉnh đ−ợc 0: −15V của thiết bị chính ở giá trị

300mV Nối nguồn âm với lối vào IN của sơ đồ hình A12- 2

2.2 Dùng dây một đầu nối với lối vào điều khiển CTRL (hình A12-2)

Đầu còn lại chấm (tiếp xúc) vào chốt nguồn +5V Mỗi lần tiếp xúc thực hiện +1 vào bộ đếm, ghi điện thế lối ra IC1, biên độ xung ra IC3 vào bảng A12- 2

Bảng A12-2

Số lần tiếp xúc

CTRL với +5V

IC3/6

K(đo) = Ura/Uvào

K(tính) = R8/Ri

= R8/R4

=

= R8/R5

=

= R8/R6

=

= R8/R7

=

= R8/R4

=

Tính hệ số khuếch đại theo các giá trị đo K =U ra U vào và giá trị lý thuyết

Ri

R

K ≈ 8 (Ri = R4, R5, R6 hoặc R7) Ghi kết quả vào bảng A12-2

2.3 Máy phát xung của thiết bị chính (khối đế) ở chế độ vuông góc, tần số

1KHz, biên độ ra 5V Nối máy phát xung với lối vào điều khiển (CTRL) của mạch A12-2

2.4 Lối vào IN vẫn nối với nguồn âm của thiết bị chính đang đặt ở

300mV

Quan sát và vẽ lại tín hiệu ra ở các chân 3, 2, 4, 7 của bộ đếm IC1

Vẽ lại dạng và đo biên độ tín hiệu ra tại lối ra OUT theo nhịp xung điều khiển

Giải thích nguyên tắc điều khiển hệ số khuếch đại của sơ đồ A12-2

3 bộ chuyển mạch tương tự 1 →8 với điều khiển số theo

mã nhị phân (Bộ phân kênh)

3.1 Cấp nguồn ±5V cho mảng sơ đồ A12-3

3.2 Nối đầu chung Z/ IC1 với lối ra máy phát tín hiệu của thiết bị chính

(phát xung vuông tần số 1KHz, biên độ 1V)

3.3 Nối các lối vào điều khiển E (cho phép), A0, A1, A2 với đất (ký hiệu

bằng 0) hoặc với +5V (ký hiệu = 1) lần lượt theo các giá trị cho trong bảng A12-3

ANALOG SWITCH: khóa tương tự

3.4 Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu tại các lối ra Y0 ữ Y7 theo

trạng thái các lối vào điều khiển E, A0, A1, A2 Tìm kênh ra có tín hiệu và đánh

dấu “x” vào cột tương ứng trong bảng A12-3

Đo biên độ tín hiệu ra và so sánh với tín hiệu vào

Bảng A12- 3

0 0 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 0 1

0 1 1 0

0 1 1 1

3.5 Nếu cho tín hiệu vào các lối Y0 ữ Y7 , còn lối ra ở Z, sơ đồ có làm

việc hay không và làm việc như thế nào?