Để lập các xung vuông tần số thấp hơn 1000Hz sơ đồ đa hài (đối xứng hoặc không đối xứng) dùng IC tuyến tính dựa trên cấu trúc của một mạch so sánh hồi tiếp dương có nhiều ưu điểm hơn sơ đồ dùng Tranzito đã nêu. Tuy nhiên do tính chất tần số của IC khá tốt nên ở tần số cao việc ứng dụng sơ đồ IC mang nhiều ưu điểm hơn. Hình 3.19 là sơ đồ nguyên lý (a) và giản đồ thời gian (b) làm việc của mạch phát xung dùng vi mạch khuếch đại thuật toán.
Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung (a) và giản đồ thời gian (b).
+ _
KĐTT R
R1 R2
C ura
N P
+Ucc
-Ucc
a)
t3
t2
t1
-Uramax
+Uramax
U(-)ramax
Uramax (+)
uR uR2 u0 = uC - uR1 uR1 ura uC
0 0 0 0 0
t t t t
t t
0
t 1 t 2
T
u +P u -P
b)
Nhìn vào sơ đồ nguyên lý ta thấy KĐTT (khuếch đại thuật toán) cùng hai điện trở R1 và R2 tạo thành một mạch trigơ Smit có điện áp ngưỡng lấy trên điện trở R1: uP = uR1. 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: uN = 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 3.19b.
* 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 uN được điều khiển bởi thời gian phóng nạp của tụ C từ ura qua R.
+ Khoảng thời gian (0 t1) điện áp ra của KĐTT ở giá trị ura = +Ura max.
max.
2 1
1
max ra
ra P
P U
R R U R
U
u
, với
2 1
1
R R
R
Đến thời điểm t1 điện thế trên N đạt đến ngưỡng uc UP Uramax. của trigơ Smit nên sơ đồ lật trạng thái.
+ Từ t1 t2 , ura = - Uramax điện áp ngưỡng cũng lật trạng thái:
max.
ra P
P U U
u , 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 - Ucc, điện áp trên tụ tăng dần với cực tính ngược lại. Tại t2 điện thế trên N đạt đến giá trị ngưỡng uC = UP = -.Uramax sơ đồ lại lật trạng thái ura = + Uramax uP UP Uramax., 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.
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 t1, t1 t2, lúc đó phương trình vi phân để xác định uN(t) có dạng:
RC u U
dt
duN ramax N (3-17)
Giải phương trình vi phân trên với điều kiện đầu là uN(t = 0) = UP = - Ura max. ta có nghiệm sau:
1 (1 ). ) )
( max R.C
t ra
N t U e
u (3-18) Tại thời điểm t1 điện áp trên tụ đạt giá trị uN(t1) = UP = Ura max.
(1) max 1 1 . . max
1
ra RC
ra P
N t U U e U
u
(*)
Với 1 là hằng số thời gian phóng nạp của tụ C khi ura = Ura max.
(*) e RC
1
. 1 ) 1 (
, thay
2 1
1
R R
R
, tối giản và lấy ln hai vế ta được:
(1 2 ) . . (1 2 )
. 2
1 1
2 1 1
R Ln R
C R R
Ln R C
R
(3-19) Nếu ta chọn R1 = R2 thì : 1 = R.C.Ln3 1,1. R.C
Do quá trình phóng nạp của tụ đều qua R nên ta có 1 = 2 = 1,1.R.C nên chu kỳ T của xung ra :
T = 2. 2.1,1.R.C = 2,2.R.C (3-20) 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 3.20 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:
T = 2. 2.1,1.(WR + R).C = 2,2.(WR + R).C (3-21)
C +
_
A741 R
R1 R2
ura
N P
+Ucc
-Ucc WR Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý mạch phát
xung sử dụng A741.
* Khi cần dạng xung ra không đối xứng, ta có sơ đồ nguyên lý (hình 3.21a) và giản đồ thời gian (hình 3.21b). Sơ đồ này có đặc điểm là tạo ra sự không đối xứng giữa mạch phóng ( qua R4 , D2 ) và mạch nạp ( qua R3 , D1) với R3 R4 .
Khi đó : ( )ln(1 2 )
2 ) 1 ln(
2 ) 1 ln(
2 1 4
3 2 1
2 1 3
2
2 1 4
1
R R R
R C T
R C R
R
R C R
R
(3-22)
Như vậy bằng cách thay đổi giá trị của R3 và R4 ta sẽ thay đổi được 1 hoặc 2 trong khi đó chu kỳ T = 1 + 2 được giữ nguyên không đổi . Các điốt D1 và D2 có nhiệm vụ khoá , ngắt nhánh tương ứng khi nhánh kia làm việc hoặc ngược lại.
+ _
KĐTT R3
R1 R2
C ura
N P
(a) +Ucc
-Ucc R4
D1 D2
ur Ur Urmax
Urmin
Urmax
uc(t)
1 2 (b)
Hình 3.21
§5. CÁC MẠCH ĐA HÀI ĐỢI
Đây là loại mạch có một trạng thái ổn định bền .Trạng thái thứ hai của nó chỉ ổn định trong một khoảng thời gian nhất định nào đó (phụ thuộc vào tham số của mạch ) sau đó mạch lại quay về trạng thái ổn định bền ban đầu .Vì thế mạch còn có tên là trigơ một trạng thái ổn định hay đa hài đợi hay đơn giản hơn là mạch rơle thời gian .