Mạch tạo tín hiệu dùng MAX038

Trong đó A,   , là các hằng số và lần lượt gọi là biên độ, tần số góc và góc pha ban đầu của St, có mối quan hệ giữa T, và f như sau: Khác với tín hiệu tương tự, tín hiệu số chứa thô

Trong những năm gần đây ngành kĩ thuật điện tử phát triển nhanh chóng và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống Sự

ra đời của những con IC dù rất nhỏ bé nhưng những gì mà chúng làm được lại không hề nhỏ chút nào

IC là vi mạch điện tử tích hợp được chế tạo bằng công nghệ đặc biệt hết sức tinh vi và chính xác Trên thị trường xuất hiện rất nhiều loại IC với những công dụng khác nhau

IC MAX038 là một sản phẩm của hãng MAXIM, MAX038 phát ra chính xác các hàm sin, vuông, tam giác, răng cưa ở tần số cao

Một trong những ứng dụng quan trọng của IC MAX038 là máy phát sóng đa năng Máy phát sóng đa năng là một thiết bị điện tử rất quen thuộc trên các phòng thí nghiệm điện tử Nó được thiết kế dựa trên linh kiện MAX038 Máy phát sóng có thể phát ra các dạng sóng khác nhau

Với lòng say mê môn học và ham học hỏi, nghiên cứu, để rõ hơn về lĩnh vực

này, chúng tôi chọn đề tài "Mạch tạo tín hiệu dùng MAX038"

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Mạch tạo tín hiệu dùng MAX038

+ Tìm hiểu về IC MAX038

3 Đối tượng nghiên cứu

Mạch tạo tín hiệu dùng MAX038

4 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu về các mạch tạo tín hiệu

- Sơ đồ nguyên lí của mạch tao tín hiệu dùng MAX038

- Ứng dụng trong thực tế

5 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng nghiên cứu lí thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp nghiên cứu các tài liệu liên quan

- Tìm kiếm trên các mạng thông tin điện tử

6 Cấu trúc khoá kuận

Chương 1 Tín hiệu

Trong chương này đề cập tới các dạng tín hiệu: Tín hiệu tương tự, tín hiệu

số

Chương 2 Mạch tạo tín hiệu

Trình bày về các mạch tạo tín hiệu

Chương 3 Máy tạo tín hiệu rời rạc MAX038

Giới thiệu tổng quan về IC phát sóng MAX038 và ứng dụng của nó trên máy phát sóng đa năng

PHẦN 2 NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TÍN HIỆU

1.1 Khái niệm tín hiệu

Tín hiệu là khái niệm để mô tả các khái niệm vật lí của tin tức

Các biểu hiện này đa dạng và thường được phân thành hai nhóm:

- Nếu biểu thức theo thời gian của một tín hiệu là S(t) thoả mãn điều kiện:

S(t) = S(t + T) (1)

Với mọi t, T là hằng số thì S(t) là một tín hiệu tuần hoàn theo thời gian với T

là chu kì của S(t)

- Nếu không tồn tại T thoả mãn (1) thì S(t) là một tín hiệu không tuần hoàn.

1.2 Phân loại tín hiệu

Cũng có thể chia tín hiệu theo các cách khác thành hai dạng cơ bản:

+ Tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian (tín hiệu tương tự - Analog) + Tín hiệu biến thiên không liên tục theo thời gian (tín hiệu xung số - Digital) Theo đó sẽ có hai dạng mạch điện tử cơ bản làm việc (gia công, xử lí) với từng loại trên

Tín hiệu tương tự thường là điện thế hay dòng điện có dạng biến thiên liên tục theo thời gian như hình vẽ sau:

Hình 1: Tín hiệu tương tự (điện thế và dòng điện)

Thông tin mà các tín hiệu muốn truyền đạt cho con người là biên độ của nó biên độ này là một hàm của thời gian:

u = f(t)

i = g(t) Tuỳ theo dạng của f và g mà ta có thể kết luận được về bản chất của tín hiệu

u, i nói trên

Ví dụ:

Dao động hình sin: S(t) = Acost  (2)

Hình 2: Tín hiệu hình sin với các tham số đặc trưng A, T,   ,

Trong đó A,   , là các hằng số và lần lượt gọi là biên độ, tần số góc và góc pha ban đầu của S(t), có mối quan hệ giữa T, và f như sau:

Khác với tín hiệu tương tự, tín hiệu số chứa thông tin ở vị trí các xung hay

sự thay đổi đột ngột của biên độ (so với tín hiệu thời gian chuẩn) còn trị tuyệt đối của biên độ xung thì không quan trọng

Vídụ:

Các dạng xung thường gặp

Hình 3: Các dạng xung thường gặp

Hình 4: Tín hiệu số

Như vậy bản chất của hai loại tín hiệu tương tự và số là khác nhau

Tín hiệu tương tự thường gặp trong thực tế vì dễ tạo ra, hơn nữa tính chất liên tục theo thời gian của nó phù hợp với hiện tượng vật lí thông thường Còn tín hiệu số chỉ xuất hiện trong các thiết bị số và thường được dùng như một hình thức trung gian thuận tiện cho viêc đo lường và xử lí tín hiệu Nó thường không xuất hiện trực tiếp trong các hiện tượng thực tế

Các dạng tín hiệu vừa nêu trên nếu có biểu thức S(t) hoặc đồ thị biểu diễn

xác định, được gọi là loại tín hiệu xác định rõ ràng Ngoài ra, còn một lớp các tín hiệu mang tính ngẫu nhiên và chỉ xác định được chúng qua các phép lấy mẫu nhiều lần và nhờ các qui luật của phân bố xác suất thống kê, được gọi là các tín hiệu ngẫu nhiên

CHƯƠNG 2 MẠCH TẠO TÍN HIỆU

2.1 Tạo tín hiệu hình sin

Có ba phương pháp chính để tạo ra tín hiệu hình sin:

- Dùng hệ tự dao động gần với hệ bảo toàn tuyến tính

- Biến đổi một tín hiệu tuần hoàn từ một dạng khác thành dạng hình sin

- Dùng bộ biến đổi số - tương tự (DAC)

2.1.1 Dùng hệ tự dao động gần với hệ bảo toàn tuyến tính

Phương pháp này được ứng dụng khá rộng rãi trong các máy tạo dao động hình sin cổ điển

Sơ đồ khối của mạch tạo tín hiệu hình sin dùng hệ tự dao động gần với hệ bảo toàn tuyến tính như sau:

Hình 5: Sơ đồ khối của mạch tạo tín hiệu hình sin dùng hệ tự

dao động gần với hệ bảo toàn tuyến tính

Với AE là phần tử tích cực có hệ số khuyếch đại là K

, W là mạch hồi tiếp tuyến tính có hệ số truyền đạt là  

phụ thuộc vào tần số, B là mạch hồi tiếp phi tuyến dùng để ổn định biên độ dao động

cầu Hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại và hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp là số phức, nghĩa là có tính đến sự phụ thuộc của chúng vào tần số Tín hiệu vào sơ đồ máy phát là một phần của điện áp ra được truyền theo mạch hồi tiếp dương

Để sơ đồ làm việc trong chế độ phát sóng thì cần có hai điều kiện: là tổng các góc dịch pha của tín hiệu trong bộ khuyếch đại và trong mạch hồi tiếp (theo một vòng kín) là bội số của 2 n

- Máy phát dao động hình sin thường dùng mạch dao động LC và mạch RC phụ thuộc tần số

+ Máy phát dùng LC tạo ra tín hiệu cao tần (tần số cao hơn vài chục kHz) + Máy phát dùng RC tạo ra tín hiệu thấp tần (tới vài Hz)

Để tạo ra dao động hình sin thì tần số điều chuẩn fo và trở kháng của mạch dao động phải là thuần trở

- Mạch điện của máy phát LC rất đa dạng Chúng có thể khác nhau do phương pháp mắc mạch dao động LC trong bộ khuyếch đại và việc thực hiện hồi tiếp dương

Sơ đồ máy phát thực hiện hồi tiếp dương nhờ cách ghép biến áp thích hợp như sau:

Hình 6: Máy phát ghép biến áp hồi tiếp

Các tham số của mạch dao động này là điện dung C và điện cảm L của cuộn

sơ cấp biến áp Trong sơ đồ khuyếch đại một tầng tải thuần trở thì tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào

Tần số dao động tạo ra gần với tần số cộng hưởng của mạch dao động:

f = 1

2  LC

Tín hiệu hồi tiếp cũng có thể lấy trực tiếp từ colectơ mạch dao động bằng cách làm cuộn dây hay tụ có nhiều đầu ra Mạch dao động có ba điểm nối với

bộ khuyếch đại như sau:

Hình 7: Sơ đồ máy phát ba điểm điện cảm

Hình 8: Sơ đồ máy phát ba điểm điện dung

Ở dải tần số thấp (dưới vài chục kHz) người ta dùng mạch phát sóng RC Ở đây không dùng mạch LC vì nó làm tăng kích thước và trọng lượng của các phần tử ở trong mạch dao động

- Mạch phát sóng RC dựa trên cơ sở dùng mạch phụ thuộc tần số gồm điện trở và tụ điện Trong khối khuyếch đại, tín hiệu ra có thể ngược pha với tín hiệu vào

Khi tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào thì mạch hồi tiếp RC phụ thuộc tần số phải dịch pha tín hiệu 180 độ ở tần số phát sóng

Khi tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào thì không cần dịch pha tín hiệu Với nhiều sơ đồ mạch RC khác nhau như sau:

Hình 11 : Sơ đồ cầu viên và sơ đồ máy phát hình sin kiểu RC dùng cầu viên 2.1.2 Biến đổi một tín hiệu tuần hoàn từ một dạng khác thành dạng hình sin

Phương pháp này được sử dụng trong các loại máy phát đa chức năng (máy phát hàm) Loại máy phát này cũng lúc có thể cho nhiều dạng tín hiệu ở các đầu ra khác nhau như tín hiệu hình tam giác, tín hiệu xung chữ nhật, tín hiệu hình sin, v.v Tín hiệu hình sin nhận được nhờ một bộ biến đổi xung tam giác - hình sin

Loại máy phát này gần đây được sử dụng rộng rãi nhờ tính đa chức năng của

nó

Tuy nhiên hệ số méo ở đây lớn hơn so với phương pháp trên

Sơ đồ khối:

Hình 12 : Sơ đồ khối của máy phát đa tín hiệu

Trong đó: I là bộ tích phân, R là phần tử rơle, F là bộ biến đổi xung tam

giác - hình sin, mạch I - R tạo nên một hệ tự dao động, sinh ra hai loại tín hiệu

có dạng xung tam giác và xung chữ nhật

Đây là dạng máy phát vạn năng hơn, có nhiều ưu điểm và hiện nay được sử dụng khá rộng rãi

Sơ đồ cấu trúc của máy phát loại này (máy phát hàm) như sau:

Hình 13: Sơ đồ cấu trúc máy phát hàm (a), đặc tuyến truyền đạt của phần tử rơle (b), bộ biến đổi xung tam giác - hình sin (c), và các dạng tín hiệu ra (d)

F

Hệ bao kín gồm một mạch tích phân I, (một khuyếch đại thuật toán và hai phần tử R1C1), phần tử rơle R (mạch khuyếch đại thuật toán gồm một khâu

hồi tiếp dương R1 R2 ) tạo thành một hệ tự dao động và cho ra hai dạng tín hiệu: tín hiệu tam giác (U1) và tín hiệu xung chữ nhật (U2) Hàm truyền đạt của bộ biến đổi xung tam giác - hình sin U2 = f1(U1) như hình (b)

Hàm truyền đạt của bộ biến đổi xung tam giác - hình sin "U3 = f(U1)" có dạng như hình (c)

* Nguyên tắc làm việc:

Nếu tín hiệu vào có dạng tuyến tính đi xuống hình (d) cho đến khi đạt tới mức -U1 sẽ làm lật mạch rơle thành +U2 Từ thời điểm này tại đầu ra của mạch tích phân tín hiệu có dạng tuyến tính đi lên cho đến khi đạt tới giá trị U1

làm cho rơle chuyển về trạng thái ban đầu -U2 Quá trình cứ tiếp tục như vậy

và ở đầu ra của rơle có dạng xung chữ nhật lớn U2 và đầu ra của mạch tích phân có dạng xung tam giác biên độ U1 như hình (d) Các tín hiệu này cùng tần số và các khoảng cách xung (độ dày, độ rỗng )U2

Để nhận được tín hiệu hình sin từ xung tam giác, bộ biến đổi xung tam giác - hình sin cần có hàm truyền đạt có hai phương pháp chính đó là: Xấp xỉ từng đoạn tuyến tính và xấp xỉ từng đoạn không tuyến tính

Phương pháp xấp xỉ bằng những đoạn tuyến tính là chia khoảng hình sin thành 4n phần nhỏ và thay thế mỗi phần bằng một đoạn thẳng có độ nghiêng khác nhau như hình vẽ:

Hình 14: Xấp xỉ dạng hình sin bằng 4n những đoạn thẳng

có góc nghiêng thay đổi

Số n càng lớn thì độ chính xác càng cao và hệ số méo của hình sin càng nhỏ

Ví dụ:

+ Mạch biến đổi xung tam giác - hình sin dùng phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính:

Hình 15 : Mạch biên đổi xung tam giác - hình sin dùng

phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính

+ Mạch bộ biến đổi xung tam giác - hình sin dùng JFET:

Hình 16: Mạch bộ biến đổi " xung tam giác - hình sin" dùng JFET 2.1.3 Dùng bộ biến đổi số - tương tự

Dựa trên sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực kĩ thuật

số, người ta có thể xây dựng máy phát hình sin dựa trên nguyên tắc xấp xỉ hoá từng đoạn kết hợp với lấy mẫu đều theo thời gian như hình sau:

Hình 17: Xấp xỉ hoá từng đoạn tín hiệu hình sin bằng các tín hiệu

Sơ đồ khối máy tạo tín hiệu hình sin dùng phương pháp số

AC

Trong đó Tx là khối tạo - xung nhịp, C là bộ đếm thuận nghịch dùng để mở theo thời gian giá trị tức thời của đối số, DFC là bộ biến đổi số - hàm để tạo ra các tín hiệu của hình sin (ở dạng số), DAC là bộ biến đổi số - tương tự để biến tín hiệu từ dạng số (dầu ra của DFC) thành tín hiệu tương tự (hình sin) Độ méo tín hiệu hình sin phụ thuộc vào số lượng mẫu lấy trong một chu kì Nếu

số lượng mẫu lấy càng lớn thì hình sin có độ chính xác càng cao Điều này phụ thuộc vào giới hạn tần số làm việc của các bộ DFC và DAC Vì vậy phương pháp này không thể ứng dụng ở tần số cao để tạo tín hiệu hình sin với

hệ số méo nhỏ được

2.2 Mạch tạo xung tam giác (xung răng cưa)

- Xung tam giác được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điện tử: Thông tin, đo lường hay tự động điều khiển làm tín hiệu chuẩn hai chiều biên độ và thời gian có vai trò quan trọng không thể thiếu được hầu như trong mọi hệ thống điện tử hiện đại

Hình 19: Xung tam giác lí tưởng

- Với biên độ Umax, mức một chiều ban đầu Uq(t=0) = Uo, chu kì lặp lại T (với xung tuần hoàn ), thời gian quét thuận tq và thời gian quét ngược tng

2.2.1 Mạch tạo xung tam giác dùng transistor

Các sơ đồ dùng transistor thông dụng để tạo xung tam giác: Trong đó (a) là

mạch đơn giản, (b) là mạch dùng phần tử ổn dòng (phương pháp Miller), (c)

là mạch bù có khuyếch đại bám kiểu Bootstrap

Hình 20: Các mạch tạo xung tam giác dùng transistor

Hình 21: Mạch tao xung tam giác dùng IC tuyến tính

Người ta có thể đồng thời tạo ra xung vuông và xung tam giác nhờ ghép nối tiếp các bộ tích phân sau một trigơ Smit như sau:

Hình 22: Sơ đồ tạo đồng thời xung vuông và xung tam giác

2.3 Mạch chuyển đổi số - tương tự

- Mạch chuyển đổi số - tương tự (Digital - Analog Converter: DAC) là một mạch dùng để chuyển đổi các tín hiệu số thành tín hiệu tương tự

- Mạch DAC cần phải biến đổi các nhóm xung khác nhau thành một mức độ điện thế hay một cường độ dòng điện tương ứng nào đó

Người ta sử dụng ba phương pháp chính trong các mạch DAC là:

- Phương pháp tạo ra điện thế

- Phương pháp tạo ra dòng điện

+ Mạch với điện trở hình thang (R -2R ladder DAC)

2.3.1.a Mạch với điện trở có trọng số khác nhau

Hình 23 : Mạch DAC với điện trở có trọng số khác nhau

Mạch gồm một nguồn điện thế chuẩn, các chuyển mạch, nhiều điện trở có

Hình 24: Mạch DAC với tín hiệu đầu vào là mã BCD8421

2.3.1.b Mạch với điện trở hình thang

Loại mạch DAC với điện trở hình thang 2R giải quyết được một số khuyết điểm của loại trên

Hình 25: Mạch DAC với tín hiệu đầu vào là mã BCD 8421

Mạch gồm có hai loại điện trở R và 2R mắc theo hình thang và có nhiều khoá điện và một nguồn điện thế chuẩn

Ví dụ:

Với mạch DAC 5 bit, ta đưa vào mạch tín hiệu 10101 hệ 2 Vì bit nhỏ nhất bằng 1 nên chuyển mạch 0

2 nối với Uchuẩn và dòng điện do nó cung cấp cho

mạch khuyếch đại thuật toán là:

Hình 26: Sơ đồ tại nút 2i

và mạch tương đương Thevenin

Hình 27: Mạc DAC với điện trở hình thang có đầu vào mã BCD8421 2.3.2 DAC chế tạo theo phương pháp tạo ra dòng điện

Các mạch DAC ở trên có đặc điểm là sử dụng mạch khuyếch đại thuật toán

Trong nhiều trường hợp ta lại cần một dòng điện đầu ra có cường độ tỉ lệ với tín hiệu số ở đầu vào và cần làm việc ở tần số cao Trong trường hợp này

sẽ không sử dụng mạch khuyếch đại thuật toán và có một loại DAC khác với các loại đã nêu trên

Ví dụ:

Hình 28: Mạch DAC chế tạo theo phương pháp tạo ra dòng điện

2.3.3 DAC chế tạo theo phương pháp nhân

Nếu bây giờ ta không giữ Uchuẩn cố định mà cho nó thay đổi theo một tín hiệu tương tự và một tín hiệu số thì ta sẽ được một loại DAC mới gọi là DAC chế tạo theo phương pháp nhân

Khi thiết kế loại mạch này phải lưu ý: Chuyển mạch vẫn phải hoạt động (đóng ngắt) chính xác khi điện thế chuẩn giảm tới một trị số thấp nhất hay đổi dấu

+ Nếu Uchuẩn biến thiên nhưng lại không bao giờ đổi dấu thì chuyển mạch có thể dùng loại transistor lưỡng cực

+ Nếu Uchuẩn đổi dấu thì ta dùng FET lưỡng cực hay MOSFET

Mạch DAC chế tạo theo phương pháp này có nhiều ứng dụng trong điều khiển số và máy tính số

2.4 Mạch chuyển đổi tương tự - số (Analog - Digitl Converter:ADC)

Có nhiều phương pháp để thực hiện một mạch ADC nhưng ta chỉ khảo sát một vài phương pháp chính trong đó đều có sử dụng một mạch đặc biệt gọi là mạch so sánh

Mạch so sánh là mạch có hai đầu vào U1, U2: U1 là đầu vào âm, U2 là đầu vào dương và một đầu ra Ur Mạch được kí hiệu như hình vẽ:

Hình 29: Ký hiệu (a) và đặc tính (b) của mạch so sánh

Đầu ra Ur của mạch thường có hai trạng thái rõ rệt: cao và thấp

2.4.1 Mạch ADC kiểu so sánh song song

Mạch ADC kiểu này có tốc độ chuyển đổi cao nên còn được gọi là ADC nhanh (flash ADC)