Mạch tạo xung

Chia sẻ: Van Kent Kent | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:23

0
201
lượt xem
101
download

Mạch tạo xung

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương này trình bày các mạch tạo tín hiệu xung, gồm các vấn đề sau: - Nêu khái niệm về tín hiệu xung: tín hiệu xung là tín hiệu rời rạc theo thời gian. Các tham số của tín hiệu xung: biên độ xung, độ rộng xung, sườn xung. độ sụt đỉnh xung, chu kỳ xung, tần số lặp lại, hệ số lấp đầy. - Chế độ làm việc của tranzito ở chế độ xung. Tranzito trong mạch xung làm việc ở hai chế độ cơ bản là chế độ tắt và chế độ bão hoà tuỳ thuộc vào điện...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Mạch tạo xung

  1. Chương 4: Mạch tạo xung CHƯƠNG 4: MẠCH XUNG GIỚI THIỆU CHUNG Chương này trình bày các mạch tạo tín hiệu xung, gồm các vấn đề sau: - Nêu khái niệm về tín hiệu xung: tín hiệu xung là tín hiệu rời rạc theo thời gian. Các tham số của tín hiệu xung: biên độ xung, độ rộng xung, sườn xung. độ sụt đỉnh xung, chu kỳ xung, tần số lặp lại, hệ số lấp đầy. - Chế độ làm việc của tranzito ở chế độ xung. Tranzito trong mạch xung làm việc ở hai chế độ cơ bản là chế độ tắt và chế độ bão hoà tuỳ thuộc vào điện áp đặt vào cực điều khiển ở đầu vào. Khi UBE ≤ 0 tranzito tắt, dòng cực góp IC = 0 điện áp UC đạt cực đại bằng EC, khi UBE > 0 đủ để IB ≥ Ibh thì tranzito bão hoà, dòng cực góp đạt cực đại IC = IC max, UC = 0. - BKĐTT làm việc trong mạch xung: BKĐTT làm việc ở chế độ so sánh, đầu ra ở một trong hai trạng thái bão hoà dương, Ur = +Ur max hoặc bão hoà âm Ur = - Ur max tuỳ thuộc điện áp đầu vào điều khiển. - Các mạch tạo xung: + Mạch trigơ Smít dùng để tạo xung vuông từ điện áp hình sin ở đầu vào. Xét mạch trigơ Smit đảo, tín hiệu hình sin đưa vào cửa đảo còn điện áp hồi tiếp dương đưa về cửa thuận của BKĐTT. + Mạch đa hài đợi. Mạch này có điốt mắc ở cửa đảo BKĐTT để có trạng thái ổn định ban đầu. Mạch cho dãy xung vuông đầu ra có tần số bằng tần số xung vào. + Mạch đa hài tự dao động. Mạch đa hài tự dao động dùng tranzito và mạch đa hài tự dao động dùng BKĐTT. Loại mạch này khi có nguồn nuôi nó tự làm việc tạo ra dãy xung vuông đầu ra. Tần số xung ra phụ thuộc vào thông số RC của mạch. + Mạch dao động nghẹt: mạch gồm tranzito và biến áp ghép chặt để tạo hồi tiếp dương sâu. Mạch tự làm việc cho ra dãy xung vuông hẹp, có độ rỗng lớn. - Mạch hạn chế: Mạch hạn chế có thể dùng điốt hoặc tranzito. Mạch dùng tranzito ngoài tác dụng hạn chế còn có tác dụng khuếch đại tín hiệu lớn lên. Xét mạch hạn chế dùng điốt lý tưởng (điốt tắt điện trở bằng vô cùng, điốt thông điện trở bằng không). Mạch hạn chế một phía là mạch cắt xén một phía biên độ của tín hiệu, mạch hạn chế hai phía cắt xén hai phía biên độ của tín hiệu. Mức hạn chế trong mạch hạn chế phải thoả mãn điều kiên về biên độ tín hiệu vào. Mạch hạn chế hai phía có mạch hạn chế hai phía song song, mạch hạn chế hai phía nối tiếp. - Mạch tạo xung răng cưa: Loại mạch này dùng để tạo xung răng cưa điều khiển tia điện tử quét trong máy hiện sóng hoặc dùng trong các mạch điện tử khác. Xung răng cưa có các tham số: biên độ xung, thời gian quét thuận tqt, thời gian quét ngược (yêu cầu tqt >> tqn), 105
  2. Chương 4: Mạch tạo xung hệ số phi tuyến ε và hiệu suất sử dụng điện áp η. Có một số mạch tạo xung răng cưa dùng mạch tích phân RC, dùng mạch có nguồn dòng, dùng mạch có tầng khuếch đại hồi tiếp. Khi phân tích cần chú ý các mạch cho xung đầu ra có biên độ lớn, méo phi tuyến nhỏ và hiệu suất cao. - Mạch tạo tín hiệu tổng hợp giới thiệu sơ đồ khối của mạch tạo các tín hiệu xung vuông, xung tam giác và tín hiệu sin đồng thời. Nó được dùng phổ biến trong bộ tạo sóng dùng ở phòng thí nghiệm. - Mạch tạo dao động điều khiển ở điện áp (VCO). Giới thiệu mạch đa hài tự dao động có tần số tín hiệu ra được điều khiển bằng điện áp. Quan hệ tần số với điện áp điều khiển theo quy luật tuyến tính. Kết thúc chương này người học cần nắm được khái niệm tín hiệu xung, tranzito và BKĐTT làm việc ở mạch xung, các mạch tạo xung, nguyên lý làm việc của mạch để tạo ra tín hiệu xung. NỘI DUNG 4.1. TÍN HIỆU XUNG VÀ THAM SỐ Tín hiệu xung là tín hiệu rời rạc theo thời gian. Thường được gọi theo hình dạng của nó như xung vuông, xung tam giác, xung nhọn …vv, như ở hình 4-1. U tx t 0 T U t Hình 4-1. Các dạng tín hiêu xung 0 tqt tqn U T Các tham số cơ bản của tín hiệu. xung là biên độ, độ rộng xung, độ rộng sườn trước, sườn sau, độ sụt đỉnh, hình 4-2. t 0 tx T - Biên độ xung xác định bằng giá trị lớn nhất của tín hiệu xung , ký hiệu Û. - Độ rộng sườn trước và sườn sau xác định khoảng thời gian tăng, giảm của biên độ xung trong khoảng 0,1Û đến 0,9Û. U U ΔU 106 Hình 4-2. Các tham số của tín hiệu xung t 0 ttr ts tx
  3. Chương 4: Mạch tạo xung - Độ rộng xung tx là khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu xung. - Độ sụt đỉnh xung ΔU thể hiện mức giảm biên độ ở đoạn đỉnh xung. Với dãy xung tuần hoàn có các tham số đặc trưng sau: - Chu kỳ lặp lại T, tần số xung f = 1/T. - Hệ số lấp đầy δ = tx/T. 4.2. CHẾ ĐỘ KHÓA CỦA TRANZITO Trong các mạch xung tranzito làm việc ở chế độ khoá, như một khoá điện tử có hai trạng thái đặc biệt: tranzito tắt và tranzito thông bão hoà do điện áp đặt lên đầu vào quyết định, mạch ở hình 4-3. +Ec Ic R R1 c 1k IB T Hình 4-3. Mạch khóa dùng tranzito RB Ur Uv - Khi Uv ≤ 0 trazito tắt .Dòng Ib = o, Ic = 0 nên Ur =Ec. - Khi Uv>0.Tranzito thông có dòng Ib, Ic. Nếu thoả mãn điều kiện Ib ≥ Ib bh tức là Uv/Rb ≥ Ec/β Rc thì tranzito chuyển sang trạng thái bão hoà. Lúc này Ur = Ec- Ic bh. Rc = Urbh = 0 (thực tế Ur bh = 0,4v) - Khi tín hiệu vào chuyển đổi từ điều kiện UV ≤ 0 sang điều kiện UV >0, đủ lớn thì tranzito sẽ chuyển đổi tắt sang bão hòa, khi điều kiện ngược lại thì tranzito lại chuyển đổi từ bão hòa sang tắt. 4.3. CHẾ ĐỘ KHÓA CỦA BKĐTT Khi làm việc ở mạch xung, BKĐTT hoạt động như một kkhoá điện tử, điểm làm việc luôn nằm trong vùng bão hoà của đặc tuyến truyền đạt Ur = f(Uv). Khi đó điện áp ra chỉ nằm 107
  4. Chương 4: Mạch tạo xung ở một trong hai mức bão hoà dương +Ur max và bão hoà âm- Ur max, ứng với các biên độ Uvào đủ lớn. Để minh hoạ hoạt động của khoá ta xét ví dụ điển hình là mạch so sánh. Mạch so sánh điện áp dùng IC khuếch đại thuật toán cho ở hình 4-4. Đó là quá trình so sánh biên độ điện áp đưa vào với một điện áp chuẩn (Uch) có cực tính có thể dương hay âm. Thông thường điện áp chuẩn được định trước không đổi. Ura _ +E U0 + +Urama Uv + Ura Uvào Uch 0 Uch -Uramax -E (a) (b) Ur +E + + U0 +Urama Uv - Uc + Ura Uvào 0 Uch -Uramax -E (c) (d) Hình 4-4: Mạch so sánh điện áp dùng a, c: IC khuếch đại thuật toán Trong mạch hình 4-4a, điện áp vào đưa tới cửa đảo còn Uch ở cửa thuận. Uch > 0. b, d: Hàm truyền đạt Hiệu điện áp U0 = UV-Uch giữa hai đầu vào của IC sẽ xác định hàm truyền đạt của nó. Do hệ số của khuếch đại của IC rất lớn, xem K0 = ∞ nên: - Khi UV < Uch thì U0 < 0 do đó Ura = + Uramax - Khi UV > Uch thì U0 > 0 do đó Ura = - Uramax - Khi Ura = +Uramax thì ta nói IC bão hoà dương. - Còn Ura = -Uramax thì ta nói IC bão hoà âm. Đặc tuyến truyền đạt hình 4-4b. Về giá trị điện áp ra bão hoà thấp hơn nguồn nuôi 2 vôn. Ở hình 4-4b điện áp vào đưa đưa tới cửa thuận còn điện áp chuẩn ở cửa đảo. Trong trường hợp này khi: - UV < Uch thì Ura = -Uramax - UV > Uch thì Ura = +Uramax. Đặc tuyến truyền đạt hình 4-4d. 108
  5. Chương 4: Mạch tạo xung Với Uch < 0 đặc tuyến có dạng như trên nhưng nằm ở phía trái góc toạ độ một khoảng bằng –Uch. Với Uch = 0 đặc tuyến nằm ngay ở góc toạ độ. Khi làm việc với tín hiệu xung biến đổi nhanh cần chú ý đến tính quán tính (trễ) của IC thuật toán. Với các IC thuật toán tiêu chuẩn hiện nay thời gian tăng của điện áp ra khoảng V/ μ s. Trong điều kiện tốt hơn nên sử dụng các IC chuyên dùng có tốc độ chuyển biến nhanh hơn như loại μ A710, A110, LM310 -339; loại này đạt mức tăng V/ ns. 4.4. TRIGƠ Trigơ là mạch có hai trạng thái ổn định. Khi có nguồn mạch ở một trạng thái ổn định nào đó. Có một xung vào mạch chuyển đổi trạng thái một lần . Như vậy cứ hai xung vào mạch cho một xung ra . Mạch trigơ có thể dùng tranzito hay IC thuật toán. Ta xét mạch trigơ Smít dùng IC thuật toán khi tác dụng đầu vào là điện áp sin đưa vào cửa đảo. Mạch điện và dạng điện áp ở hình 4-5. Ura Uvào _ +Ura max Uvào U K + Ura U1(+) R2 t U1(-) R1 - Ura max U1 Tra (a) Từ dạng sóng ta thấy khi uv có giá trị âm lớn, mạch (b) ở trạng thái bão hoà dương Ur = +U +Urmax , trên lối vào Hình 4-5:U1( + ) = Smítmax dạng Uvào tăngvào, ra thuận có Trigơ và .R . điện áp dần, trạng thái này vẫn không R1 + R2 1 đổi cho tới khi UV > U1(+) điện áp vào hai đầu IC đổi dấu nên đầu ra đột biến sang trạng thái bão hoà âm, Ura = -Umax lập tức qua mạch phân áp đưa về cửa thuận điện áp − U r max U1( − ) = .R1 . R1 + R2 Điện áp vào tăng lên rồi giảm xuống. Khi UV < U1(-), điện áp đầu vào IC đổi dấu làm đầu ra IC lật trạng thái sang bão hoà dương Ura=+Urmax. Và cứ như vậy, khi tác dụng điện áp sin vào cửa đảo, đầu ra ta nhận được dãy xung vuông có độ rộng xung tx=Txvào/2. Txra=Txvào (4-1) Để mạch có hai trạng thái ổn định cần thoả mãn điều kiện: R1 .K ≥ 1 (4-2) R1 + R 2 trong đó K là hệ số khuếch đại không tải của BKĐTT. 4.5. MẠCH ĐA HÀI ĐỢI 109
  6. Chương 4: Mạch tạo xung Mạch đa hài đợi có hai trạng thái, trong đó có một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định. Khi có nguồn mạch ở trạng thái ổn định. Có xung kích thích mạch chuyển sang trạng thái không ổn định một thời gian rồi tự trở về trạng thái ổn định ban đầu chờ xung kích thích tiếp. Như vậy cứ một xung vào mạch chuyển đổi trạng thái hai lần cho một xung vuông ra. Mạch có thể dùng tranzito hay IC thuật toán. Mạch đa hài đợi dùng IC thuật toán ở hình 4-6a và dạng điện áp ở các cực như ở hình 4-6b. Ban đầu mạch ở trạng thái ổn định, đầu ra bão hoà âm, Ura= -Umax. Qua mạch phân áp − U r max .R1 đưa về cửa thuận điện áp U1( − ) = điốt D được phân cực thuận, thông nên UC = R1 + R2 0. Tại t = t1 có xung nhọn cực tính dương tới đầu vào. Nếu biên độ đủ lớn vượt quá giá trị u1(+), sơ đồ lật trạng thái sang bão hoà dương Ura= +Urmax.Qua mạch hồi tiếp dương đưa về U r max cửa thuận U1( + ) = .R , điốt D tắt. Sau t1 điện áp ra Urmax nạp điện cho tụ C làm cho R1 + R2 1 UC tăng lên. Tới t2, UC > U1(+) đầu vào của IC có điện áp đổi dấu, đầu ra IC lật sang trạng thái bão hoà, Ura= -Urmax. Qua bộ phân áp lại đưa về điện áp U1(-), tụ C phóng điện qua R hướng tới -Urmax, đến t1 = t3; uC = 0, điốt D thông trở lại mạch trở về trạng thái đợi ban đầu. Với mạch có nguồn nuôi đối xứng để Urmax= |-Urmax| ta xác định được độ rộng xung ra (khoảng thời gian mạch ở trạng thái không ổn định) là: R1 tx= R.C. ln(1 + ) (4-3) R2 Thời gian phục hồi tph là thời gian mạch trở về trạng thái ổn định ban đầu, xác định theo biểu thức: R1 t ph = R.C.ln(1 + ) (4-4) R1 + R2 Để mạch làm việc bình thường, chu kỳ xung vào cần thoả mãn điều kiện: Txvào > tx + tph. (4-5) Chu kỳ xung ra bằng chu kỳ xung vào: Txra = Txvào. R Uvào + D C _ _ t1 Tvào t + Ura UC +Ura maxUP Cg β.Ura max UC = UN R2 t t1 t2 UV R1 U1 110 a) -β.Ura max - Ura max tX Ura Hình 4-6: +Ura max a) Mạch đa hài đợi b) Dạng điện áp t1 t2 t
  7. Chương 4: Mạch tạo xung 4.6. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI TỰ DAO ĐỘNG 4.6.1. Mạch đa hài tự dao động dùng tranzito Có mạch điện như ở hình 4-7 và điện áp các cực theo thời gian ở hình 4-8. Mạch gồm hai tranzito mắc phát chung, đầu ra T1 ghép tới đầu vào tầng T2 qua tụ C1, còn đầu ra tầng T2 ghép trở lại qua tụ C2. Như vậy mỗi tầng gây di pha một góc 1800, hai tầng di pha 3600, bảo đảm hồi tiếp dương khi mạch làm việc. Khi có nguồn hai tụ C1, C2 thay nhau nạp điện và phóng điện, hai tranzito thay nhau thông (bão hoà), tắt tạo cho mạch có hai trạng thái cân bằng không ổn định: T1 tắt, T2 thông (bão hoà) và T1 thông (bão hoà), T2 tắt và tự chuyển đổi trạng thái cho nhau, đầu ra nhận được dãy xung vuông. Xem như mạch đã bình thường, xung ra có biên độ ổn định, xét tại thời điểm mạch đang ở trạng thái T1 tắt, T2 thông (bão hoà). Lúc này tụ C2 (trước đó nạp điện) đang phóng điện từ +C2 qua T2, nguồn E, qua điện trở R 3 đến -C2 đặt điện áp âm lên cực gốc T1 làm cho uB1 < 0 giữ T1 tắt trong một khoảng thời gian. +EC R1 R2 R3 R4 Hình 4-7: C1 C2 Mạch đa hài tự dao động dùng tranzito T1 T2 Ura2 Ura1 UB1 UB2 UB1 t Ura1 EC t Hình 4-8: UB2 Dạng xung các cực của t mạch đa hài 111 Ura2 EC t tX1 tX2
  8. Chương 4: Mạch tạo xung Đồng thời với quá trình đó, tụ C1 nạp điện từ +E qua R1 đến +C1, -C1 qua rBET2 đến - E nhanh chóng đến điện áp bằng E (do trong mạch có R1
  9. Chương 4: Mạch tạo xung C1=C2=C, các tranzito T1, T2 cùng loại, cùng tham số thì: tx1=tx2 tx1 = tx2 = 0,7.RB.C T = 2tx = 1,4.RB.C 1 1 f= = (4-11) T 1,4.R B .C 4.6.2. Mạch đa hài tự dao động dùng bộ khuếch đại thuật toán Mạch đa hài tự dao động dùng IC thuật toán và dạng xung ở các cực theo thời gian như ở hình 4-9. Phân tích nguyên lý làm việc của mạch bắt đầu tại thời điểm mạch đang ở trạng thái bão hoà dương Ura = +Urmax. Lập tức qua mạch phân áp R1 R2 cho điện áp hồi tiếp: U r max u1( + ) = .R = β .U r max (4-12) R1 + R2 1 R UC +Urmax U1(+) _ 0 t1 t2 t3 t U1(-) UC C + Ura -Urmax U1 R2 U1 R1 U1(+) t1 t2 t3 βUrmax 0 (a) t U1(-) - βUrmax Ura Hình 4-9: +Urmax a. Bộ đa hài trên cơ sở bộ khuếch t1 t2 t3 đại thuật toán. 0 -Urmax t b. Đồ thị thời gian. tx Tụ C (trước đó nạp điện) phóng điện qua +E, Tra ra IC, điện trở R, rồi nạp tiếp làm đầu (b) cho UC tăng lên. Khi UC > U1(+) thì đầu ra lập tức đột biến về -Urmax, mạch chuyển sang trạng thái bão hoà âm. Qua mạch phân áp R1 R2 đưa về một điện áp: − U r max U1( − ) = .R = − βU r max . (4-13) R1 + R2 1 Tụ C phóng điện qua đầu ra IC, qua điện trở R làm cho uC giảm xuống, rồi nạp tiếp về phía - Urmax. Khi UC < U1(-) thì đầu ra đột biến từ -Urmax về +Urmax, mạch chuyển sang trạng 113
  10. Chương 4: Mạch tạo xung thái bão hoà dương ban đầu. Cứ như vậy mạch tự làm việc chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác cho dãy xung vuông ở đầu ra. Khi nguồn nuôi đối xứng có +Urmax= |-Urmax| thì độ rộng xung tx được xác định: 2R 1 tx = R.C. ln(1 + ) (4-14) R2 Nếu chọn R1 = R2 thì: tx = R.C.ln3 ≈ 1,1R.C (4-15) Chu kỳ dao động: T = 2tx ≈ 2,2 R.C Tần số dao động: 1 1 f= = (4-16) T 2,2R.C Khi cần dạng xung ra không đối xứng ta dùng mạch ở hình 4-10. R'' D2 U Ura UC(t) +Urmax R' D1 _ + ura C t R2 -Urmax R1 tX1 tX2 (a) (b) Hình 4-10: a. Mạch đa hài không đối xứng Bằng cách thay đổi giá trị tương quan giữa R' và R'' ra thay đổi được tx1 và tx2. Khi R' b. Đồ thị thời gian dạng xung sẽ + R'' không đổi thì chu kỳ T = tx1 + tx2 sẽ được giữ nguyên. 4.7. MẠCH DAO ĐỘNG NGHẸT (BLOCKING) Mạch dao động nghẹt gồm một tranzito mắc phát chung và một biến áp xung có hồi tiếp dương sâu - nhờ đó tạo ra xung vuông có độ rộng hẹp cỡ (10-3÷10-6)s và biên độ lớn. Mạch điện và dạng điện áp ở hình 4-11. Trong mạch biến áp xung có ba cuộn. Để có hồi tiếp dương cuộn WB và WC có cực tính ngược nhau. Cuộn Wt lấy tín hiệu ra tải. Điốt D dùng hạn chế xung cực tính âm ra tải. Điện trở R(
  11. Chương 4: Mạch tạo xung wC wC nB = ; nt = (4-17) wB wt Xét loại mạch nghẹt tự dao động. Xem như mạch đã làm việc ổn định, xung ra như hình vẽ. Trong khoảng thời gian 0 ÷ t1 tranzito T đang tắt, IB, IC = 0, lúc này tụ C đang phóng điện từ +C qua cuộn WB, đất, nguồn EC, RB, R, → -C làm cho UB < 0, Ur = EC. Đến t1 UB > 0 đủ để T thông dòng IB, IC xuất hiện và tăng lên. Trên WC xuất hiện sức điện động chống lại sự tăng của IC có cực dương ở trên, cảm ứng qua cuộn WB điện áp U2 có cực dương ở phía dưới. Qua tụ C và điện trở R đặt vào cực gốc làm cho UB càng dương. Hồi tiếp dương xảy ra nhanh chóng đưa tranzito T sang chế độ bão hoà UB đạt cực đại, IC ≈ IC bh nên Ur= 0. UB t1 t2 t3 t4 t +EC 0 U2 * D Rt RB Ut Ur * EC C R Ur t UB 0 Ut t 0 tx tph tx Tiếp theo là thời gian nạp điện của tụ C bởi điện áp U2 trên cuộn WB. Do C nạp UC tăng lên làm cho UB giảm xuống Mạch dao trong nghẹt và điệnU2 hầu như không đổi (mà Hình 4-11: vì thực tế động quá trình này áp các cực U2 = UB + UC) t1 ÷ t3 là thời gian thiết lập đỉnh xung. Đến t2 do UB giảm làm tranzito rời khỏi chế độ bão hoà nên IB giảm kéo theo IC giảm. Trên cuộn WC xuất hiện sức điện động chống lại sự giảm của IC có cực âm ở phía trên. Nó cảm ứng qua cuộn WB điện áp U2 có cực âm phía dưới làm cho UB càng giảm, IB, IC càng giảm. Hồi tiếp dương lại xẩy ra nhanh chóng đưa tranzito sang chế độ cắt, tắt, IB, IC=0. Do sức điện động chống lại sự giảm của dòng IC trên cuộn WC mà ur có mức biên độ điện áp lớn hơn nguồn nuôi EC. Sau đó tụ C lại phóng điện như quá trình ban đầu. Khi cần lấy xung ra tải có cực tính EC dương ta quấn cuộn Wt ngược chiều WC với biên độ U t = Điốt D dùng để hạn chế (cắt nt bỏ) phần xung âm. Các tham số của xung ra: 115
  12. Chương 4: Mạch tạo xung - Độ rộng xung: là thời gian nạp điện của tụ C. β.R ′t tx = t2 - t1 = (R + rV ).C. ln( ) (4-18) n B .(R t + rV ) trong đó: rV là điện trở vào của tranzito. R ′t = n 1 .R t là tải phản về mạch cực góp. 2 β là hệ số khuếch đại tĩnh của tranzito. - Thời gian phục hồi t2 ÷ t3 là thời gian phóng điện của tụ C và được xác định bởi: 1 tph = t3 - t2 = C.R B . ln(1 + ) (4-19) nB - Bỏ qua thời gian tạo sườn thì chu kỳ dao động là: T = tx + tph - Tần số dao động là: 1 1 f dd = = (4-20) T t x + t ph 4.8. MẠCH HẠN CHẾ BIÊN ĐỘ Mạch hạn chế biên độ còn gọi là mạch xén biên, trong đó tín hiệu ra ur luôn tỷ lệ với tín hiệu vào uV nếu uV chưa một giá trị, một mức ngưỡng cho trước, còn khi uV vượt quá mức ngưỡng thì tín hiệu ra ur luôn giữ ở một giá trị không đổi. Các linh kiện tích cực được sử dụng trong mạch hạn chế thường là điốt, tranzito hay IC. Sau đây ta sẽ nghiên cứu các mạch hạn chế dùng điốt lý tưởng (tức là các điốt mà ở trạng thái tắt điện trở bằng vô cùng, thông có điện trở bằng không). Tuỳ theo cách mắc điốt là nối tiếp hay song song với tải, người ta phân biệt thành mạch hạn chế nối tiếp hay hạn chế song song. Cũng có thể phân loại theo chức năng hạn chế ở mức trên, hạn chế ở mức dưới (một phía) hoặc hạn chế ở hai mức (hai phía). R D Uv D Uv R Ura Ura + + E E _ _ (a) (b) U Ur Uv E E 0 0 t E Uv Ur 116 (c) (d) Hình 4-12: Mạch hạn chế trên
  13. Chương 4: Mạch tạo xung Mạch hạn chế một phía mắc song song cho ở hình 4-12a. Ở mạch này khi UV ≤ E điốt tắt nên Ur = Uv. Ngược lại khi UV > E điốt thông Ur = E (lúc này UV sụt áp tất cả trên R). Đây là mạch hạn chế ở mức trên. Mạch hạn chế nối tiếp ở hình 4-12b, khi UV < E điốt thông, nối tắt lối ra với lối vào nên Ur = UV. Ngược lại khi UV > E điốt tắt nên Ur = E. Trên hình 4-12c là dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là hình sin, còn hình 4-12d là đặc tuyến truyền đạt của mạch hạn chế trên. Trong các mạch đã nêu, nếu ta đổi chiều các điốt thì mach sẽ thực hiện chức năng hạn chế ở mức dưới. Ví dụ mạch hạn chế song song ở hình 4-13a, khi UV < E, D thông nên Ur= E. Trường hợp UV ≥ E, D tắt nên Ur = uV. Còn trong mạch hạn chế nối tiếp ở hình 4-13b, khi UV ≤ E điốt tắt nên Ur = E, khi UV > E điốt thông nên Ur = UV. Trên hình 4-14a, b là mạch hạn chế hai phía trong đó E2 > E1 Mạch hạn chế song song hình 4-14a khi UV < E1 thì D1 thông, D2 tắt do đó Ur=E1. Nếu UV > E2 thì D2 thông ,D1 tắt nên Ur = E2. Khi tín hiệu vào biến thiên trong phạm vi E1 ≤ UV ≤ E2 thì D1, D2 đều tắt nên Ur = UV. Mạch ở hình 4-14b cũng có nguyên lý tương tự nhưng cần chọn R2>>R1. Ở các mạch hạn chế thực tế dạng tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào thông số thực của các linh kiện trong mạch, phụ thuộc giá trị tải cũng như điện dung ký sinh. Các yếu tố đó có thể gây méo dạng tín hiệu ra một cách đáng kể nên cần tính toán một cách đầy đủ. Trong kỹ thuật, mạch hạn chế được dùng để tạo xung, sửa xung, chọn xung hay chống nhiễu.v.v.. R D Uv D Ura Uv R Ura + + E E - - (a) (b) U Ur Ur E E 0 0 t E Uv Uv (c) (d) R Hình 4-13: Mạch hạn chế dưới D1 D2 117 Uv D1 D2 Uv R1 R2 Ura Ura + + + + E1 E2 E1 E2 - - (a) (b) Ur U
  14. Chương 4: Mạch tạo xung 4.9. MẠCH TẠO XUNG RĂNG CƯA 4.9.1 Tham số tín hiệu xung răng cưa Tín hiệu xung răng cưa được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, chẳng hạn làm tín hiệu quét trong các máy hiện sóng, làm tín hiệu so sánh biến đổi điện áp hay thời gian.v.v... Trên hình 4-15 là một tín hiệu xung U răng cưa thông thường. Nó bao gồm hai phần rõ rệt: phần biến thiên tuyến tính theo thời Uˆ gian gọi là thời gian quét thuận tqt và phần còn lại là thời gian quét ngược tqn. Các mạch tạo tín hiệu răng cưa phải bảo đảm sao cho thời gian quét thuận lớn hơn rất nhiều thời gian quét ngược. Biên độ của xung răng cưa t Λ 0 tqt tqn là U . Tín hiệu răng cưa có thể dương hay âm, thực hiện quét lên hoặc quét xuống và T mạch tạo xung răng cưa có thể hoạt động ở Hình 4-15: Tín hiệu xung răng cưa chế độ đợi hay tự dao động. Trong thực tế, phần quét thuận của xung răng cưa không hoàn toàn tuyến tính. Do đó để đánh giá chất lượng đường quét của xung răng cưa, ta đưa ra hệ số phi tuyến ε, định nghĩa như sau: U (′0 ) − U (′tqt ) ε= (4-21) U (′0 ) 118
  15. Chương 4: Mạch tạo xung trong đó U (′0 ) là độ dốc ở điểm bắt đầu đường quét thuận. U (′tqt ) là độ dốc ở điểm kết thúc đường quét thuận. Ngoài ra mạch quét còn được đánh giá theo hiệu suất sử dụng nguồn cung cấp. Λ U η= (4-22) EC Λ Với U là biên độ, EC là điện áp nguồn. Nói chung tín hiệu răng cưa được tạo ra dựa trên quá trình nạp và phóng của tụ. Các mạch tạo xung răng cưa đều dựa theo một trong ba nguyên lý cơ bản sau: - Nạp, phóng cho tụ bằng mạch RC đơn giản. - Nạp hoặc phóng cho tụ qua nguồn dòng ổn định. - Dùng hồi tiếp để ổn định dòng nạp cho tụ. 4.9.2. Mạch tạo xung răng cưa dùng mạch tích phân RC. Trên hình 4-16 là sơ đồ nguyên lý tạo xung răng cưa dùng mạch RC. Trong mạch tranzito hoạt động ở chế độ khoá. Bình thường, khi không có xung kích thích, tranzito thông bão hoà do được cung cấp dòng IB khá lớn qua, do đó tín hiệu ra U r ≈ 0 . Khi mạch được kích thích xung âm, tranzito tắt, tụ C nạp điện từ nguồn EC qua R. Điện áp trên tụ tăng dần theo: U r = EC (1 − e −t / R.C ) (4-23) Để xung ra tăng lên gần như tuyến tính cần chọn trị số R, C đủ lớn sao cho τ = RC >> txvào (txvào là độ rộng xung vào) Khi xung vào kết thúc tranzito thông và bão hoà trở lại, tụ C phóng điện nhanh qua tranzito tới giá trị gần bằng không. Thời gian quét thuận của mạch bằng thời gian tồn tại của xung vào, còn thời gian quét ngược là thời gian phóng điện của tụ C. Nhược điểm của loại mạch này là chất lượng tuyến tính của phần quét thuận không cao, do ở cuối dòng nạp cho tụ giảm dần. Để khắc phục nhược điểm trên, có thể sử dụng nguồn dòng ổn định để nạp cho tụ. Uv +EC t R1 RC 0 Ur EC Λ Ur Uv C1 C Ur t 0 Ubh tqt tqn Hình 4-16: Mạch tạo xung răng cưa dùng mạch RC. 119
  16. Chương 4: Mạch tạo xung 4.9.3. Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng Trên hình 4-17 là sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung răng cưa theo nguyên tắc dùng nguồn ổn dòng. Uv +EC t R2 RE 0 R1 T2 Ur D Λ Ur C1 T1 C Ura t UV 0 Ubh tqt tqn Như ta đã biết, khi tụ nạp điện áp trên nó tỷ lệ với tích phân theo thời gian của dòng nạp qua nó. Hình 4-17: Mạch tạo xung răng cưa dùng nguồn dòng t 1 UC = C ∫ idt 0 Vì vậy nếu dòng nạp cho tụ lấy từ một nguồn dòng, tức là: i =I0 = const. thì điện áp trên tụ sẽ biến đổi tuyến tính theo thời gian. t 1 I0 C ∫ UC = . I 0 dt = .t (4-24) 0 C Mạch ở hình 4-17 tranzito T1 hoạt động như một khoá điện tử. Bình thường khi chưa có xung vào do được cấp dòng IB1 đủ lớn nên T1 bão hoà, do đó điện áp ra gần như bằng không. Tranzito T2 đóng vai trò nguồn dòng. Nhờ có điốt ổn áp D nên điện áp cực gốc T2 luôn ổn định. Vì vậy dòng qua T2, IE2 cũng như IC2 có giá trị ổn định. E C − U EB2 − U D I C2 ≈ I E 2 = (4-25) RE Trong khi T1 bão hoà, dòng IC2 này bằng dòng IC1. Khi có xung âm vào T1 tắt, tụ C nạp điện bởi dòng IC2 và điện áp trên tụ tăng tuyến tính theo thời gian: t 1 E − U BE 2 − U D U r = U C = ∫ iC 2 dt = C t (4-26) C0 C.RE 120
  17. Chương 4: Mạch tạo xung Khi hết xung kích thích T1 lại thông và bão hoà, tụ C phóng điện nhanh qua T1 làm cho Ur giảm xuống nhanh chóng về điện áp gần bằng không. 4.9.4. Mạch tạo xung răng cưa thêm tầng khuếch đại có hồi tiếp Để tăng độ tuyến tính của đường quét thuận, trong một số mạch tạo xung răng cưa ta dùng thêm mạch khếch đại có hồi tiếp như trên hình 4-18 (còn gọi là mạch quét Boostrap). Trong mạch này T1 luôn thông bão hoà khi không có xung vào, do đó điện áp trên tụ C luôn xấp xỉ bằng không (UC ≈ 0). Lúc đó tồn tại một dòng điện chạy từ nguồn EC, qua điốt D, qua R đến T1. Tầng khuếch đại T2 mắc cực góp chung, có độ khuếch đại điện áp gần bằng một nên điện áp ra U r ≈ U C = 0 , tụ C0 (có điện dung rất lớn hơn tụ C) lúc này nạp điện tới giá trị EC, UC0 = EC. Khi có xung kích thích, tranzito T1 tắt, tụ C bắt đầu được nạp điện bởi dòng do tụ C0 phóng ra qua R. Theo mức độ nạp của tụ C, điện áp ra tăng dần và do đó điốt tắt. Ta thấy dòng nạp cho tụ C khá ổn định nhờ điện áp trên tụ C0 hầu như không đổi trong suốt thời gian quét thuận nên điện áp ra tuyến tính. Về mặt giải tích, có thể xác định dòng nạp cho tụ C thông qua điện áp hạ trên R. u R u C0 + u r − u C I= = (4-27) R R Uv +EC t D C0 0 R1 R T2 Ur C1 C UV T1 RE Ur t ơ 0 Ubh tqt tqn Do tầng khuếch đại T2 có hệ số khuếch đại điện áp gần bằng 1, u C ≈ u r nên: Hình 4-18: Mạch tạo xung răng cưa thêm tầng khuếch đại có hồi tiếp U C 0 EC I≈ = (4-28) R R Trong quá trình nạp: 1 t EC C∫ Ur ≈ UC = idt = .t (4-29) 0 R.C 121
  18. Chương 4: Mạch tạo xung Sau khi xung vào kết thúc, T1 thông và bão hoà trở lại, tụ C phóng điện qua T1. Khi tụ C phóng điện giảm xuống xấp xỉ bằng không điốt D thông và tụ C0 lại nạp bổ sung đến giá trị U C 0 = EC ban đầu. Trong mạch này thời gian quét thuận cũng bằng độ rộng xung vào. Cũng có thể dùng mạch tích phân có BKĐTT để tạo xung răng cưa. 4.10. MẠCH TẠO TÍN HIỆU HỖN HỢP Loại mạch này được sử dụng trong các máy tạo sóng đa chức năng. Nó có thể đồng thời tạo ra ba loại tín hiệu xung vuông, xung tam giác và điện áp hình sin. Sơ đồ khối của mạch được thể hiện trên hình 4-19. Nó gồm ba khối chính là M1, M2 và M3. Hệ kín gồm một mạch tích phân (một mạch khuếch đại thuật toán và hai phần tử R1C1) phần tử chuyển mạch M2 (mạch khuếch đại thuật toán và một khâu hồi tiếp dương R1, R2) tạo thành một hệ tự dao động, cho ra hai dạng tín hiệu: tín hiệu tam giác (U1) và tín hiệu xung chữ nhật (U2). M3 là bộ biến đổi xung tam giác - hình sin cho tín hiệu đầu ra U3 là sin. Các tín hiệu này có cùng tần số, dạng điện áp ở các đầu ra như ở hình 4-20. U2 M1 M2 U1 U3 M3 Hình 4-19: Sơ đồ khối máy tạo sóng đa chức năng U2 t U1 Hình 4-20: Dạng điện áp các đầu ra máy tạo sóng chức năng. t U3 t 122
  19. Chương 4: Mạch tạo xung 4.11. MẠCH TẠO DAO ĐỘNG CÓ TẦN SỐ ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN ÁP (VCO) Yêu cầu chung đối với các mạch tạo dao động có tần số điều khiển được là quan hệ giữa điện áp điều khiển và tần số dãy xung ra phải tuyến tính. Ngoài ra mạch phải có độ ổn định tần số cao, giải biến đổi của tần số theo điện áp rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh. Về nguyên tắc, có thể dùng một mạch tạo dao động mà tần số dao động của nó có thể biến thiên được trong phạm vi ± 10% đến ± 50% xung quanh tần số dao động tự do f0. Tuy nhiên người ta thường dùng các bộ tạo xung chữ nhật hơn cả, vì loại này có thể làm việc trong phạm vi tần số khá rộng. Trong phạm vi ( 1÷ 50 MHz) thường dùng các mạch tạo dao động đa hài. Các bộ tạo dao động điều khiển bằng dòng điện ưu việt hơn các bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp ở chỗ: nó có phạm vi tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt rộng hơn. Một sơ đồ đơn giản của VCO là mạch dao động đa hài được biểu diễn trên hình 4-21. Khi nối đầu điều khiển với EC thì đây là một mạch dao động đa hài thông thường. Khi tách ra và đặt điện áp điều khiển vào đầu đó Ud thì tần số dãy xungra biến thiên theo U d. Cụ thể nếu Ud tăng thì thời gian phóng nạp của tụ giảm, do đó tần số của dao động tăng và ngược lại. Ta có đặc tuyến truyền đạt f = f(Ud) biểu diễn trên hình 4-22. +EC RC C C RC Hình 4-21: Mạch tạo dao động đa hài có tần số điều khiển T1 T2 bằng điện áp Ur R R Ud fr (Khz) - EC 1,1 1,0 0,9 -5V 0 +5V Ud(v) Vùng làm việc Hình 4-22: Quan hệ giữa tần số dao động ra của VCO với điện áp điều khiển 123
  20. Chương 4: Mạch tạo xung TÓM TẮT Chương này nêu lên các mạch tạo xung, nguyên lý tạo xung và dạng xung đầu ra của mạch. Các vấn đề chung cần hiểu và nắm được: - Khái niệm về tín hiệu xung, các tham số của tín hiệu xung. - Chế độ làm việc của tranzito ở mạch xung. Tranzito trong mạch xung mắc cực phát chung làm việc ở chế độ tắt và chế độ bão hoà do điện áp đặt lên cực điều khiển quyết định. Với tranzito loại NPN, khi UBE ≤ 0 tranzito tắt IC = 0, UCE = E, khi UBE > 0 đủ lớn thì tranzito bão hoà IC = IC max, UCE = 0. - Chế độ làm việc của BKĐTT trong mạch xung. Trong mạch xung BKĐTT làm việc ở chế độ so sánh. Do có hệ số khuếch đại rất lớn, lý tưởng K = ∞ nên khi làm việc điện áp ra BKĐTT ở một trong hai trạng thái bão hoà dương hoặc bão hoà âm. Biên độ điện áp ra cực đại bằng E – 2V. - Các mạch tạo xung vuông: + Mạch trigơ Smit tín hiệu hình sin đưa vào cửa đảo, mạch hồi tiếp dương đưa về cửa thuận qua bộ phân áp R1, R2. Tuỳ theo mức điện áp vào so sánh với điện áp hồi tiếp mà mạch chuyển đổi trạng thái đầu ra để tạo ra dãy xung vuông. Tần số xung ra bằng tần số tín hiệu vào. + Mạch đa hài đợi: khi có nguồn mạch ở trạng thái ổn định bão hoà âm do có điốt D. Khi có xung đầu vào mạch chuyển sang trạng thái không ổn định (bão hoà dương) một thời gian rồi tự trở về trạng thái ổn định chờ xung vào tiếp. Có một xung vào đầu ra nhận được một xung ra, tần số xung ra bằng xung vào. + Mạch đa hài tự dao động: Mạch đa hài tự dao động dùng tranzito. Mạch có hai tranzito mắc cực phát chung và hai tụ C. Khi có nguồn hai tranzito thay nhau thông bão hoà, tắt; hai tụ thay nhau nạp phóng cho đầu ra dãy xung vuông trên trục thời gian. Khi mạch đối xứng, xung ra có biên độ bằng EC, tần số xung ra f = 1/1,4RB.C. Mạch đa hài tự dao động dùng BKĐTT. Mạch có phần tử nạp phóng RC, mạch hồi tiếp dương lấy điện áp về so sánh qua R1, R2. Khi mạch làm việc tại các thời điểm điện áp trên tự C (UC) lớn hơn hay bé hơn điện áp hồi tiếp (U1 lấy trên R1) thì đầu ra mạch chuyển đổi trạng thái tạo ra dãy xung vuông. Dãy xung vuông biến đổi xung quanh trục thời gian có biên độ là Ur max. Khi chọn R1 = R2 tần số dao động của mạch f = 1/2,2RC. Khi thay đổi một trong hai thông số RC của mạch đa hài tự dao động thì tần số xung ra thay đổi theo. - Mạch hạn chế: mạch này có thể dùng để tạo xung, chọn xung, chống nhiễu. Xét loại mạch hạn chế dùng điốt. Mạch hạn chế một phía có thể hạn chế ở mức 0 hoặc mức E. Muốn thay đổi phía hạn chế ta đổi chiều điốt. Mạch hạn chế hai phía phải có hai điốt và hai mức hạn chế. Mức hạn chế phải thoả mãn điều kiện của mạch. Ở mạch hạn chế một phía mức E bé hơn biên độ tín hiệu vào. Mạch hạn chế hai phía có mức hạn chế E1, E2 phải thoả mãn biên độ tín hiệu vào > E2 > E1. Xét hai mạch hạn chế song song và nối tiếp cùng có mức hạn chế E1, E2. 124
Đồng bộ tài khoản