Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 9 ppsx

Bài 9bộ khuếch đại thuật toán 3 Mục đích: Nghiên cứu sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện các mạch hình thành xung đa hài đợi đơn hài, máy phát xung dạng vuông góc, máy phát x

Bài 9

bộ khuếch đại thuật toán (3)

Mục đích: Nghiên cứu sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện các mạch

hình thành xung đa hài đợi (đơn hài), máy phát xung dạng vuông góc, máy phát xung tổng hợp (phát ra cả xung vuông và xung tam giác) Ngoài ra còn nghiên cứu mạch phát xung dựa trên vi mạch NE-555

Phần lý thuyết

1 Đa hài đợi (đơn hài)

Đơn hài là mạch hình thành dạng tín hiệu, tín hiệu ở lối ra của đơn hài có biên độ và độ rộng chỉ phụ thuộc vào các yếu tố trong mạch mà không phụ thuộc vào tín hiệu lối vào

Sơ đồ cơ bản và giản đồ xung của một đơn hài nh− sau: (Xem hình 9.1)

Ung−ỡng

U+

-R

o

UV

CV

Ura

o

o

C

•

•

•

Ung−ỡng

t t t

U+

UV

U ra

Hình 9.1

Thực chất, đơn hài là một đa hài đợi có một trạng thái bền: Khi có tín hiệu lối vào, đơn hài chuyển trạng thái từ bền sang không bền và sau một thời gian phụ thuộc vào yếu tố bên trong mạch sẽ trở về trạng thái cũ

Khi chưa có tín hiệu vào, mạch ở trạng thái bền tuỳ thuộc Ungưỡng, giả sử

Ungưỡng > 0 ta có Ura = Ura max

Khi có Uvào > Ungưỡng Đơn hài chuyển trạng thái, Ura = ư Ura min Ngay lúc này thế ở lối vào thuận: làm cho đơn hài tiếp tục ở trạng thái này

Tụ điện C sẽ nạp điện dần qua RC cho đến khi , lúc này đơn hài chuyển trạng thái, trở về trạng thái bền ban đầu Ta thấy rằng trong thời gian ở trạng thái không bền nếu có tín hiệu lối vào ở mức dương thì đơn hài cũng không chuyển

trạng thái Thời gian ở trạng thái không bền chỉ phụ thuộc giá trị R và C, chúng

tạo ra độ rộng xung

min

ra U

U+ =ư

0

≥ +

U

Hình A9-1 (phần thực nghiệm) là sơ đồ của một đơn hài sử dụng vi mạch

thuật toán LM-741 Trong sơ đồ có mạch tạo ngưỡng là R3 và R5, thời gian kéo

dài của xung có thể thay đổi được nhờ chốt cắm J1 và chiết áp p2

2 Máy phát xung vuông góc

Về nguyên tắc, máy phát xung dùng khuếch đại thuật toán hoàn toàn tuân theo các điều kiện của một máy phát dùng các linh kiện điện tử khác, đó là một mạch khuếch đại có phản hồi dương với Kβ ≥1

R 2

R 3

R 1

Uư

U+

R

V

+

ư C

U cc o

U ra

o

•

•

•

Ura

U

-t

t U

U

Uo

Uo

U+

Hình 9.2

K là hệ số khuếch đại ; β là hệ số phản hồi dương

Mạch phản hồi dương nhằm kích động sự chuyển trạng thái, để hình thành

độ rộng xung ta thường sử dụng mạch R-C để làm kéo dài các trạng thái

Giả sử ta có một mạch như trên hình 9.2

Giả sử không có nhiễu, mạch hoàn toàn có thể ở trạng thái cân bằng với:

o cc

R R

R U

U U

+

=

=

2 1

2

.

Giả sử có can nhiễu lối vào (+) : U+ > Uư làm cho Ura = Ura max Nhờ mạch phản hồi R3 mà sẽ tăng lên trong khi tăng dần để nạp cho tụ C Do vậy

mà và mạch giữ nguyên trạng thái này (U

+

ư

+ > U

Lúc này mạch lật trạng thái, U

+

ư > U

nên mạch giữ nguyên trạng thái Tụ C phóng điện dần dần cho tới khi thì mạch lại chuyển trạng thái, tức là mạch tự dao động

+

U

+

ư >U

U

+

ư < U

U

Tần số dao động phụ thuộc thời gian phóng và nạp cho tụ C, tức phụ thuộc

R-C

Hình A9-2 (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ của mạch phát xung vuông

góc dùng vi mạch thuật toán LM-741 Tần số phát thay đổi được nhờ chốt cắm J1

và chiết áp P1

3 Máy phát xung tổng hợp

Hình A9-3 (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ của máy phát xung tổng hợp : Xung ra là xung vuông góc và xung tam giác

Máy phát này gồm 3 phần chính:

IC1 chính là máy phát xung vuông góc ta đã khảo sát ở phần trên

IC2 là khuếch đại đảo

IC3 là bộ tích phân đảo để tạo ra xung tam giác

Từ xung vuông góc, xung tam giác này lại được đưa trở về lối vào đảo của

IC1 Vai trò của bộ tích phân đảo này giống như mạch RC trong máy phát xung

vuông góc mà ta đã khảo sát

Ngoài ra sơ đồ này còn có hệ phân áp và các chiết áp P1 và P2 để thay đổi biên độ xung ra và tần số xung ra

4 mạch thời gian IC-555

Được hãng Signetic đưa ra năm 1973 Vi mạch này được dùng rất rộng rãi, chỉ đứng sau các hệ khuếch đại thuật toán và các bộ ổn thế Vi mạch này có khả

năng cho ra các xung có độ kéo dài từ vài micrô giây đến 1 giờ

Ek

8 o

VT14

6

7

o 4

o 5

Q

Q

Cx

R3

R4

R2

R5

− +

Ucx

o Ura

−

+

•

•

•

•

o

•

•

Rx

(a)

1,2R x C x

t

U

3

k

E

t

Ukhởi phát

t

t

Ucx

Ura

(b)

Hình 9.3

Về cấu trúc, IC-555 phải mắc thêm hai yếu tố bên ngoài là Cx và Rx Sơ đồ của IC-555 bao gồm 4 phần cơ bản là: Gồm 2 bộ so sánh, một trigger nhớ và một

transistor khoá VT14 Bộ chia thế R3, R4 và R5 xác lập ngưỡng cho 2 bộ so sánh

ở trạng thái bình thường VT14 mở bão hoà Khi lối vào còn lại của bộ so sánh dưới có xung khởi phát âm đủ để thế lối này thấp hơn thế ngưỡng bằng E k 3 thì

bộ so sánh lật trạng thái dẫn đến Q của trigơ chuyển sang thế âm làm cấm VT14 Lúc này tụ Cx bắt đầu tích điện từ nguồn Ek qua Rx, thế trên tụ Cx tăng dần đến khi nào vượt 2E k 3 thì bộ so sánh trên chuyển trạng thái lối ra làm cho trigơ trở

về trạng thái ban đầu

Chu trình làm việc của IC-555 kết thúc Nó kéo dài sau khi có xung khởi phát một thời gian T =1,2R x C x

Hình A9-4a (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ phát xung trên IC-555 Chân

số 2, tức lối vào của bộ so sánh dưới được nối với điểm giữa của mạch RxCx để

tạo khởi phát Tần số phát được thay đổi nhờ chốt cắm J1 và chiết áp P1

Hình A9-4b (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ đơn hài trên IC-555 Lối vào của bộ so sánh dưới, tức chân số 2 được treo trên thế dương Vì vậy hệ số có một trạng thái bền ứng với VT14 dẫn và lối ra ở mức thấp Khi có tín hiệu vào, nhờ có mạch vi phân tạo ra nhảy bậc âm làm chuyển trạng thái của hệ, lúc này VT14

cấm và hệ RxCx bên ngoài nạp điện hình thành độ rộng xung Sau khi nạp đủ với

mạch này Uc > 8V thì hệ quay về trạng thái bền ban đầu

Phần thực nghiệm

A Thiết bị sử dụng:

1 Thiết bị chính cho thực tập điện tử tương tự

2 Panel thí nghiệm AE - 109N cho bài thực tập về ứng dụng bộ khuếch

đại thuật toán (Gắn lên thiết bị chính)

3 Dao động ký 2 chùm tia

4 Dây nối cắm 2 đầu

B Cấp nguồn và nối dây

Panel thí nghiệm AE - 109N chứa 4 mảng sơ đồ A9-1 A9- 4, với các chốt cắm nguồn riêng Khi sử dụng mảng nào cần nối dây cấp nguồn cho mảng

đó Đất (GND) của các mảng sơ đồ đã được nối sẵn với nhau Do đó chỉ cần nối

đất chung cho toàn khối AE 109N

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

thế chuẩn ±5V, ±12V cố định

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

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

3 Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của thiết bị chính tới

cấp trực tiếp cho mảng sơ đồ cần khảo sát

Chú ý : cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo

C Các bài thực tập

1 đơn hài

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để tạo bộ hình thành dạng tín hiệu kiểu đơn hài

Các bước thực hiện:

1.1 Cấp nguồn ±12V cho mảng sơ đồ A9- 1 Chú ý cắm đúng phân cực

nguồn

1.2 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở 2V/cm, kênh 2 ở

5V/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

Nối kênh 1 dao động ký với lối vào IN/A Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát thế ng−ỡng (điểm E) hoặc tín hiệu ở lối ra OUT/C

1.3 Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở

chế độ:

- Phát dạng xung vuông góc (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình vuông góc), tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY)

- Biên độ ra đặt ở cực tiểu (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE về rìa trái)

MONOSTAB.MULTIVIBRATOR: Đơn hài

1.4 Vặn biến trở P1 cực tiểu (min) để nối tắt P1 Đo thế tại điểm E: V(e),

điểm C: Vo(c)

1.5 Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ A9-1

Vặn nút chỉnh tăng biên độ máy phát cho tới khi lối ra xuất hiện tín hiệu biên độ

V V

V

c

V o( )≅(−12 )−(−1 )=−11 Xác định biên độ tín hiệu vào Vin ứng với thời

điểm IC1 chuyển trạng thái lối ra Đo độ rộng tín hiệu ra tx Ghi kết quả vào bảng A9-1

Bảng A9-1

Vin (a) V(e) đo tx Vo (c) P1min, C3

P1max, C3

P1max, C2 // C3

1.6 Biểu diễn giản đồ xung trong đó :

- Vẽ dạng tín hiệu vào với giá trị ngưỡng V(e)

- Vẽ dạng tín ra tương ứng với tín hiệu vào

1.7 Văn P1 cực đại (max) Vặn nút chỉnh giảm biên độ máy phát về 0V

sau đó tăng dần cho tới khi lối ra xuất hiện tín hiệu biên độ

V V

V

c

V o( )≅(ư12 )ư(ư1 )=ư11 Xác định biên độ tín hiệu vào Vin ứng với thời

điểm IC1 chuyển trạng thái lối ra Đo độ rộng tín hiệu ra tx Ghi kết quả vào bảng A9-1

1.8 Giữ nguyên P1 ở giá trị cực đại Nối J1 để tăng tụ C (= C2 // C3) Vặn

nút chỉnh giảm biên độ máy phát về 0V sau đó tăng dần cho tới khi lối ra xuất hiện tín hiệu Xác định biên độ tín hiệu vào Vin ứng với thời điểm IC1 chuyển trạng thái lối ra Đo độ rộng tín hiệu ra tx Ghi kết quả vào bảng A9- 1

1.9 Giải thích về vai trò mạch tạo ngưỡng đơn hài (R2 R3) và mạch hình thành độ rộng xung gồm các linh kiện (R2, R3, R4 + P1 và C2, C3)

2 máy phát xung vuông góc

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để phát xung vuông góc

Các bước thực hiện:

2.1 Cấp nguồn +12V cho mảng sơ đồ A9- 2

OP.AMP.GENERATOR: Máy phát dùng KĐTT

2.2 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở 5V cm, kênh 2 ở

cm

V

5 , thời gian quét ở 1ms cm Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dưới của màn dao động ký

Nối kênh 1 dao động ký với lối ra C Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát thế tại các điểm ngưỡng (điểm E) hoặc tín hiệu F

2.3 Vặn biến trở P1 để nối tắt P1 Đo và vẽ dạng biên độ tín hiệu tại điểm

F và tại lối ra OUT/C

2.4 Vặn biến trở P1 để P1 có giá trị cực đại Đo và vẽ dạng biên độ tín

hiệu thế tại điểm F và lối ra OUT/C

2.5 Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn:

- Dạng xung tại F

- Dạng xung ra tại C, tương ứng với xung tại F

Tính toán giá trị V(E) theo hai trường hợp khi lối ra ở mức cao và mức thấp

So sánh giá trị tính toán với các giá trị ngưỡng thay đổi tín hiệu tại F Giải thích vai trò mạch R2, R3

2.6 Giữ nguyên P1 ở giá trị cực đại Nối J1 để tăng tụ C = (C1 // C2) Lặp lại bước 4 So sánh giá trị nhận được với bước 3 và 4 Giải thích vai trò mạch

R4 + P1 C (C2 hoặc C1 // C2)

3 máy phát xung tổng hợp

FUNCTION GENERATOR: máy phát chức năng

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để phát xung tam giác và vuông góc

Các bước thực hiện:

3.1 Cấp nguồn ±12V cho mảng sơ đồ A9-3 Chú ý cắm phân cực của

nguồn

3.2 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở 5V cm, kênh 2 ở

cm

V

5 , thời gian quét ở 1ms cm Chỉnh cho cả 2 tia ở vị trí dễ quan sát

Nối kênh 1 dao động ký với lối ra 01 Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát tín hiệu tại các điểm E hoặc tín hiệu ra ở 02

3.3 Vặn biến trở P1, P2 ở vị trí giữa Quan sát tín hiệu tại E, 01, 02 Đo

biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung tx, tính tần số máy phát f =1 2t x Ghi kết quả vào bảng A9- 2

Bảng A9- 2

P1 giữa

P2 giữa

P1 min

P2 giữa

P1 max

P2 giữa

P1 giữa

P2 min

P1 giữa

P2 max

3.4 Giữ nguyên P2 Vặn biến trở P1 cực tiểu (min), sau đó vặn P1 cực đại

(max), lặp lại bước 3 cho từng giá trị P1 Ghi kết quả vào bảng A9-2

Từ kết quả đo, xác định khoảng biên độ tín hiệu ra của máy phát

3.5 Đặt P1 ở vị trí giữa Vặn biến trở P2 = min, sau đó vặn P2 = max, lặp

lại bước 3 cho từng giá trị P2 Ghi kết quả vào bảng A9-2

Từ kết quả đo, xác định khoảng biên độ tín hiệu ra của máy phát

3.6 Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn:

- Dạng xung tại E

- Dạng xung ra 01, tương ứng với xung tại E

- Dạng xung ra 02, tương ứng với xung tại E

Giải thích nguyên tắc hoạt động dựa trên phân tích các sơ đồ trên IC1, IC2

và IC3

4 sơ đồ xung trên IC- 555

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng vi mạch 555 để hình thành xung vuông góc

Các bước thực hiện:

4.1 Cấp nguồn +5V cho mảng sơ đồ A9- 4

4.2 Máy phát xung - sử dụng sơ đồ trên IC1 hình A9- 4a

4.2.1 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở 5V cm, kênh 2 ở

cm

V

5 , thời gian quét ở 1ms cm Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên

và phần dưới của màn dao động ký

Nối kênh 1 dao động ký với lối ra OUT/C Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát tín hiệu điểm E hoặc F

NE555 GENERATOR: máy phát duìng vi mạch ne555

4.2.2 Vặn biến trở P1 ở vị trí cực tiểu Quan sát dạng tín hiệu tại E, F Đo

biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung tx, chu kỳ T, tần số máy phát f =1T Ghi kết quả vào bảng A9-3

Bảng A9-3

P1 min

C2

P1 max

C2

P1 max

C2 + C2

4.2.3 Vặn biến trở P1 ở vị trí cực đại Quan sát dạng tín hiệu tại E, F Đo

biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung tx, chu kỳ T, tần số máy phát f =1T Ghi kết quả vào bảng A9- 3

4.2.4 Nối J1 để tăng tụ C = C1 + C2 Giữ P1 cực đại Quan sát dạng tín hiệu tại E và F Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung tx, chu kỳ T, tần số máy phát f =1T Ghi kết quả vào bảng A9-3

4.2.5 Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn:

- Dạng tín hiệu tại E

- Dạng tín hiệu tại F

- Dạng xung ra C, tương ứng với xung tại F

4.2.6 So sánh các giá trị đo với giá trị tính toán:

T = T1 + T2 Trong đó: T1 (Thời gian nạp cho tụ C1), T2 (Thời gian phóng của tụ C1)

T1 = 0,693 (R1 + P1 + R2) C1

T2 = 0,693 R2 C1

4.3 Đơn hài - sử dụng sơ đồ trên IC2 hình A9- 4b

4.3.1 Đặt máy phát xung của khối thiết bị chính ở chế độ phát xung vuông

góc, tần số 1KHz, biên độ cực đại Nối lối ra của máy phát xung vào lối vào IN/A sơ đồ hình A9- 4b

4.3.2 Nối kênh 1 dao động ký với lối ra OUT/C Sử dụng kênh 2 dao động

ký để quan sát tín hiệu tại các điểm A, G hoặc H

NE555 GENERATOR: máy phát duìng vi mạch ne555

4.3.3 Vặn biến trở P2 ở vị trí cực tiểu Quan sát dạng tín hiệu tại A, G, H

Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung tx Ghi kết quả vào bảng A9- 4

Bảng A9- 4

P2 min

C5

P2 max

C5

P2 max

C5 + C6

4.3.4 Vặn biến trở P2 ở vị trí cực đại Quan sát dạng tín hiệu tại A, G, H

Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung tx Ghi kết quả vào bảng A9- 4

4.4 Nối J2 để tăng tụ C = C5 + C6 Giữ P1 cực đại Quan sát dạng tín hiệu

tại A, G và H Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung tx Ghi kết quả vào bảng A9- 4

4.5 Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn:

- Dạng tín hiệu tại A

- Dạng tín hiệu tại G, H

- Dạng xung ra C, tương ứng với xung vào