Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 8 docx

Bài 8bộ khuếch đại thuật toán 2 Mục đích: Nghiên cứu sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện các mạch so sánh, trigger Schmitt, bộ tích phân, bộ vi phân, bộ biến đổi lôgarit, bộ

Bài 8

bộ khuếch đại thuật toán (2)

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

so sánh, trigger Schmitt, bộ tích phân, bộ vi phân, bộ biến đổi lôgarit, bộ biến đổi

hàm mũ và nguyên lý hoạt động của các mạch này

Phần lý thuyết

1 Bộ so sánh

Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh một điện áp UV với một điện áp Uch

Trong mạch so sánh, tín hiệu vào tương tự sẽ được biến thành tín hiệu ra dưới mã

nhị phân, nghĩa là đầu ra hoặc ở mức thấp (L) hoặc ở mức cao (H) Vì vậy mạch

so sánh là mạch nối ghép giữa phần tử tương tự và phần tử số

Bộ so sánh tương tự thực chất là bộ khuếch đại thuật toán có kết cấu đặc

biệt để đảm bảo những yêu cầu riêng Sự khác nhau cơ bản của bộ khuếch đại

thuật toán và bộ so sánh chuyên dụng là ở chỗ bộ so sánh phải có tốc độ đáp ứng

cao sao cho thời gian xác lập và hồi phục nhỏ Ngoài ra khi làm nhiệm vụ so sánh

thì bộ khuếch đại thuật toán làm việc ở chế độ bão hoà, do đó mức ra thấp (L) và

mức ra cao (H) chính là mức dương và âm của nguồn Trong khi đó mức ra của

bộ so sánh chuyên dụng phù hợp với mức logíc TTL

Sơ đồ của bộ so sánh dùng khuếch đại thuật toán và đặc trưng của nó như

sau:

+

U+

ư + ưU

U

Có bù lệch không

o

ư + ưU

U

UrH

UrL

Chưa bù lệch không

Ura

Ura

(a) (b) (c)

Hình 8.1 (a) Sơ đồ quy ước của bộ so sánh

(b) Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng

(c) Đặc tuyến truyền đạt thực

Khi U+ ưUư >0→U ra =U rH (UrH :ứng điện áp ra ở mức điện áp cao)

U+ưUư <0→U ra =U rL (UrL :ứng điện áp ra ở mức điện áp thấp) Hình A8-1 (phần thực nghiệm) là sơ đồ của hai mạch so sánh, trong đó có dùng vi mạch LM-311 là bộ so sánh chuyên dụng và vi mạch LM-741 mắc trong chế độ hở mạch làm mạch so sánh Điện áp chuẩn lấy từ nguồn nuôi, thay đổi

được nhờ chiết áp P1

2 Trigger Schmitt

Trigger Schmitt dùng khuếch đại thuật toán có dạng cơ bản là một mạch

so sánh, nhưng vì có mạch phản hồi dương nên nó có hai ngưỡng chuyển trạng thái Có hai dạng Trigger Schmitt: Trigger Schmitt đảo và Trigger Schmitt không

đảo Trigger Schmitt đảo có sơ đồ sau:

Ungưỡng 2 Ungưỡng 1

Ura max

Ura min

Ura

UV

R1

o

o

o

N

P

•

Uv

Hình 8.2

Khi UV có giá trị âm lớn Ura = Ura max ở lối vào không đảo P có:

= +

2 1

max

R R

U

Tăng dần Uvào, trạng thái của trigger không đổi cho đến khi Uvào chưa đạt tới

Ungưỡng1 Khi Uvào ≥ Ungưỡng 1 thì trigger chuyển trạng thái: Ura = - Ura min Khi đó:

= +

ư

2 1

min

R R

U

trạng thái này giữ nguyên trong lúc Uvào tiếp tục tăng

Khi Uvào giảm cho đến khi Uvào ≤ Ungưỡng 2 thì trigger lại chuyển trạng thái:

Ura chuyển từ - Ura min đến Ura max Để hai trạng thái của trigger ổn định cần có điều kiện:

1

2 1

+R K R

R

K là hệ số khuếch đại của khuếch đại thuật toán

Hình A8-2 (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ của trigger Schmitt dùng khuếch đại thuật toán LM-741 mắc theo kiểu đảo Trong sơ đồ này có mắc thêm

hệ phân áp và diode D1 để điều chỉnh ngưỡng thấp của trigger

3 Bộ tích phân

Bộ lấy tích phân thực hiện phép toán học U ra =K∫U vào dt

K là hệ số

Sơ đồ của mạch tích phân đảo như sau:

R

-+

o

Ura o o

UV

Hình 8.3

0

= + C

i

dt

dU C R

Suy ra =ư ∫U dt

RC

U ra 1 V

Trong trường hợp Uvào là một thế nhảy bậc không đổi ta có Ura là một hàm tuyến tính Với bộ khuếch đại thuật toán thực, ảnh hưởng của dòng vào và điện áp lệch không có thể gây ra sai số đáng kể trong mạch tích phân Để khắc phục ta có thể dùng mạch tích phân có bù dòng tĩnh đầu vào như sau: (xem hình 8.4)

Hình A8-3a (phần thực nghiệm) là sơ đồ tích phân dùng vi mạch thuật toán LM-741

Tổ hợp các giá trị của điện trở và tụ điện bằng cách nối các chốt J khác nhau cho ta 5 hệ số lấy tích phân khác nhau

R

ra

o

UVo

iv

i C

'

R

•

o o

Hình 8.4

4 Bộ vi phân

Bộ vi phân thực hiện phép toán

dt

dU K

ra = : K là hệ số

Sơ đồ của một mạch lấy vi phân nh− sau:

-+

o

UV o

R C

i r

•

o

o

Ura

Hình 8.5

0

= + R

C i i

R

U dt

dU

C vào ra

Suy ra

dt

dU RC

ra =− Giả sử Uvào =U osinωt, ta có U ra =−RCωU ocosωt Khi đó hệ số khuếch

đại của mạch sẽ là:

RC U

U K

vào

ra =ω

= tức là K tăng theo tần số

Với mạch vi phân ở trên có một số nh−ợc điểm sau:

- Tạp âm ở tần số cao ở lối ra lớn, có thể lấn át tín hiệu ra

- Trở kháng vào của mạch

C j

z V

ω

1

= giảm khi tần số tăng Do đó với

nguồn tín hiệu có trở nội lớn thì chỉ một phần tín hiệu được vi phân Đồng thời ở tần số cao thì hệ số hồi tiếp của mạch giảm

- Mạch kém ổn định vì mạch hồi tiếp gây ra sự di pha ư90o

Để khắc phục các nhược điểm trên trong thực tế người ta dùng mạch vi phân sau:

-+

o

C1

R

ir

R1

UV

o

C

•

o

o

Ura

Hình 8.6

R1 làm giảm tạp âm tần số cao và mạch chỉ có tác dụng vi phân khi

1 1

1

C R

o =

<<ω ω

Tụ C tiếp tục hạn chế tạp âm ra vì ở tần số cao thì trở kháng của nó nhỏ Hình A8-5b (phần thực nghiệm) là sơ đồ tầng vi phân dùng vi mạch thuật toán LM-741 có 3 hệ số vi phân khác nhau

5 Bộ biến đổi logarit

Mạch thực hiện chức năng khuếch đại và tạo hàm phi tuyến

U

ln

K

U ra = vào dựa vào đặc trưng phi tuyến của diode hoặc transistor khi phân cực thuận

Mạch có sơ đồ như trên hình 8.7

Dòng và điện áp của diode có quan hệ:

o

D I

I = exp (U D U T);

ID, UD là dòng qua diode và điện áp đặt lên diode

Io là dòng ban đầu

UT là điện áp nhiệt

-+

o

UV

o

R

-+

o

UV

o

•

• o

o

Ura

Ura o

o

Hình 8.7

Nhìn trên sơ đồ ta thấy:

o

D T D

ra

I

I U U

U ≈− =− ln

Vậy:

o

vào T

ra

I R

U U U

ln

−

=

Hình A8- 4a (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ bộ biến đổi lôgarit dùng mạch khuếch đại thuật toán LM-741 Sơ đồ có 3 chốt cắm để chọn dòng qua diode khác nhau

6 Bộ biến đổi dạng hàm mũ

R

UV

o

D

i D

•

R

I C

T

o

o

Ura

o

o

Ura

Hình 8.8

Hình 8.8 là sơ đồ bộ biến đổi dạng hàm mũ dùng vi mạch LM-741 Mạch thực hiện chức năng tạo hàm:

K

U ra = exp (Uvào) K là hệ số

Vì: U ra =I D.R=−R.I o exp (U D U T)

do UD = Uvào nên U ra =−R.I o exp (U vào U T)

Hình A8- 4b (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ bộ biến đổi dạng hàm mũ Hãy khảo sát sơ đồ này trên panel thí nghiệm

Phần thực nghiệm

A Thiết bị sử dụng:

1 Thiết bị chính cho thực tập điện tử tương tự

2 Panel thí nghiệm AE - 108N cho bài thực tập về 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 - 108N chứa 4 mảng sơ đồ A8-1 A8- 4, 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 đã được nối sẵn với nhau Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối AE -108N

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

trạm nguồn của khối, hoặc cấp trực tiếp cho mảng sơ đồ cần khảo sát

C Các bài thực tập

1 bộ so sánh

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại thuật toán để so sánh tín hiệu tương tự - xây dựng sơ đồ biến đổi phi tuyến tín hiệu

Các bước thực hiện:

1.1 Cấp nguồn ±12V cho mảng sơ đồ A8- 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

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 vào IN/A Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát thế ngưỡng (điểm E) hoặc tín hiệu ở các lối ra OUT/C1 và C2

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

(khối đế) ở chế độ:

- Phát dạng sin (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình sin)

- Tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY)

- Biên độ ra 5V đỉnh tới đỉnh (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE)

1.4 Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ A8-

1 Thay đổi biến trở P1, ứng với mỗi giá trị thế của P1, vẽ dạng tín hiệu ra ở C1–

C2 tương ứng với tín hiệu vào

COMPARATOR: bộ so sánh

1.5 Xác định độ nhạy của các bộ so sánh

Sử dụng khuếch đại thuật toán IC1 và vi mạch so sánh IC2:

* Cố định biên độ tín hiệu vào, vặn biến trở P1 để xác định vị trí khi lối

ra C xuất hiện hoặc mất tín hiệu Dùng dao động ký để xác định độ lệch nhỏ nhất giữa biên độ tín hiệu và thế ngưỡng P1 mà IC1 và IC2 hoạt động

1.6 Đo mặt tăng tín hiệu ra cho IC1, IC2

1.7 So sánh các xung quan sát đo được giữa các bộ so sánh dùng khuếch

đại thuật toán IC1 và dùng vi mạch so sánh IC2

2 Trigger Schmitt

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để tạo sơ đồ trigger Schmitt

Các bước thực hiện:

2.1 Cấp nguồn ±12V cho mảng sơ đồ A8-2 Chú ý cắm đúng phân cực

nguồn

SCHMITT TRIGGER: Trigger schmitt

2.2 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở 2V 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 vào IN/A Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát thế ngưỡng (điểm E) hoặc tín hiệu ở các lối ra OUT/C1

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

chế độ:

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

- Biên độ ra 1V đỉnh tới đỉnh (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE)

2.4 Vặn biến trở P1 để V(U)=+3V , thế ra V o(c) ≅+12V ư1V =11V

Đo thế tại điểm E=V u (e) Ghi kết quả vào bảng A8- 1

2.5 Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ

A8-3 Vặn nút chỉnh tăng biên độ máy phát cho tới khi lối ra có tín hiệu biên độ

đỉnh đỉnh Xác định biên độ tín hiệu vào tại thời điểm IC1 có tín hiệu lối ra U

V c

V o( )=22

u in Đo thế tại điểm E =V l (e) Ghi kết quả vào bảng A8- 1

2.6 Vặn nút chỉnh giảm biên độ máy phát cho tới khi lối ra C mất tín hiệu

và ở giá trị V o(c)≅+12V ư1V =11V Xác định biên độ tín hiệu vào Vl in tại thời

điểm IC1 mất tín hiệu ra Đo thế tại điểm e= Ghi kết quả vào bảng A8- 1 V1

2.7 Biểu diễn giản đồ xung, trong đó:

- Vẽ dạng tín hiệu vào với hai ngưỡng trên Vu in và dưới Vl in theo giá trị đo

được

- Vẽ dạng tín hiệu ra tương ứng với tín hiệu vào

Bảng A8- 1

Vin (a) V(e) đo V(e) tính Vo(c)

Vin tăng Vu in Vu (e) V u(e)=11.R4 (R5+R4)

Vin giảm Vl in V1 (e) V l(e)=(ư11.R4 (R5+R4))+V(P1)ưV(D1)

2.8 Thay đổi vị trí P1 = +2V, lặp lại các bước 5, 6, 7 Ghi các kết quả vào

bảng A8- 2

Bảng A8- 2

Vin (a) V(e) đo V(e) tính Vo(c)

Vin tăng Vu in Vu (e) V u(e)=11.R4 (R5+R4)

Vin giảm Vl in V1 (e) V l(e)=(ư11.R4 (R5+R4))+V(P1)ưV(D1)

Nhận xét kết quả

2.9 Kết luận về nguyên tắc hoạt động của trigger Schmitt với hai ngưỡng

3 bộ tích phân

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện phép toán tích phân

Các bước thực hiện:

3.1 Cấp nguồn ±12V cho mảng sơ đồ A8-3a Chú ý cắm đúng phân cực

nguồn

Nối J8 để chuyển mảng A8-3 làm việc ở chế độ tích phân

3.2 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 1V cm, thời gian quét ở

cm

ms

1 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 Nối kênh 2 dao động ký với lối

ra OUT/C

3.3 Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính

ở chế độ:

- Phát dạng 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 4V (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE)

3.4 Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ

A8-3a

3.5 Tạo các mạch tích phân với thông số khác nhau bằng cách nối các

chốt theo bảng A8-3 Quan sát tín hiệu và đo biên độ xung ra Vo Tính thời gian kéo dài độ dốc mặt tăng của tín hiệu ra tr Ghi kết quả vào bảng A8-3

Sử dụng các giá trị R, C trong mạch được tạo tương ứng (ví dụ nối A ì 11,

Ω

= 1R

R , C = C4 [Fara], t = [giây], tính giá trị:

tr (tính) =V o RC V in =

Trong đó Vin là biên độ tín hiệu vào Ghi kết quả vào bảng A8- 3

Bảng A8- 3 Nối AìI1 Nối AìI2 Nối AìI3 Nối AìI1,J9 Nối AìI2,J9 Nối AìI3,J9

Vo

So sánh giá trị tr đo và tính toán Giải thích nguyên nhân sai lệch giữa chúng

3.6 Giải thích tại sao mặt dốc tăng và giảm của tín hiệu giống nhau

3.7 Giải thích tại sao tín hiệu trên lối ra lại có các độ dốc tuyến tính

không giống như dạng mũ trong mạch tích phân RC thông thường

3.8 Đặt sơ đồ hình 8-3a ở chế độ Aì I3 và J9 nối Tăng dần tần số máy

phát, quan sát đoạn đỉnh phẳng giảm dần cho đến lúc xung từ dạng hình thang chuyển sang dạng tam giác

Xác định độ rộng xung vào tại thời điểm đó So sánh giá trị này với Tr

3.9 Nếu tiếp tục tăng tần số máy phát, sẽ có hiện tượng gì xẩy ra, giải

thích vì sao?

4 bộ vi phân

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu nguyên tắc vi phân của sơ đồ dựa trên bộ khuếch đại thuật toán

Các bước thực hiện:

4.1 Cấp nguồn ±12V cho mảng sơ đồ A8-4 Chú ý cắm đúng phân cực

nguồn

Nối J7 để chuyển mảng A8-3 làm việc ở chế độ vi phân

4.2 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 1 V/cm, thời gian quét ở

1 V/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 Nối kênh 2 dao động ký với lối

ra OUT/C

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

chế độ:

- Phát dạng 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 4V (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE)

4.4 Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ

A8- 3b

4.5 Nối các chốt theo bảng A8-12, đo biên độ xung ra Vo, vẽ dạng xung

ra Tính thời gian kéo dài mặt giảm của tín hiệu ra tđ (tính từ 10% đến 90% giá trị biên độ) Ghi kết quả vào bảng A8-4

Từ kết quả thu được viết công thức liên hệ giữa tđ (đo) và RC

Bảng A8- 4 Nối A ì D1 Nối A ì D2 Nối A ì D3

Vo

t = R.C

)

(đo

t đ

k = tđ (đo) / RC

5 bộ biến đổi logarit

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện các thuật toán lấy logarit tín hiệu

Các bước thực hiện:

5.1 Cấp nguồn ±12V cho mảng sơ đồ A8-5a Chú ý cắm đúng phân cực

nguồn

Nối J6 để chuyển mảng A8-5a làm việc ở chế độ biến đổi logarit

5.2 Nối biến trở P = 10K của thiết bị chính với nguồn +12V và đất Điểm

giữa biến trở nối với chốt lối vào IN/A của sơ đồ A8-5a

5.3 Nối các chốt theo bảng A8-5 Vặn biến trở P, thay đổi thế Vin , đo

điện thế ra Vo cho mỗi trường hợp nối chốt Ghi kết quả vào bảng A8-5

Bảng A8- 5

Vin 100mV 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V

Vo

(A ì L1)

Vo

(A ì L2)

Vo

(A ì L3)

Biểu diễn đồ thị sự phụ thuộc thế lối ra Vo (trục y) theo thế vào Vin

Kết luận về sự phụ thuộc thế ra đối với thế vào

6 bộ biến đổi hàm mũ

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện phép biến đổi hàm mũ

Các bước thực hiện:

6.1 Cấp nguồn ±12V cho mảng sơ đồ A8-5b Chú ý cắm đúng phân cực

nguồn

Nối J5 để chuyển mảng A8-4 làm việc ở chế độ hàm mũ

6.2 Nối biến trở P = 10K của thiết bị chính với nguồn +12V và đất Điểm

giữa biến trở nối với chốt lối vào IN/A của sơ đồ A8-5b

6.3 Vặn biến trở P, thay đổi thế Vin , đo điện thế ra Vo Ghi kết quả vào bảng A8- 6

Bảng A8- 6

Vin 100mV 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V

Vo

Biểu diễn đồ thị sự phụ thuộc thế lối ra Vo (trục y) theo thế vào Vin (trục x)

Kết luận về sự phụ thuộc thế ra đối với thế vào