Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Phần 1 - Trường ĐH Lâm nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:67

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như:một số khái niệm cơ bản; các linh kiện điện tử cơ bản; diode; transistor. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Phần 1 - Trường ĐH Lâm nghiệp

TS. HOÀNG SƠN - ThS. ĐINH HẢI LĨNH Kü THUËT §IÖN Tö TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2020
TS. HOÀNG SƠN, ThS. ĐINH HẢI LĨNH BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2020
MỤC LỤC Mục lục ...................................................................................................................................i Danh mục các bảng ..............................................................................................................v Danh mục các hình ...............................................................................................................v Lời nói đầu ............................................................................................................................1 Chương 1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN .................................................................2 1.1. Tin tức và tín hiệu ............................................................................................ 3 1.2. Các tính chất của tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian ................................. 4 1.3. Các hệ thống điện tử điển hình ........................................................................ 5 1.3.1. Hệ thống thông tin thu - phát ................................................................... 5 1.3.2. Hệ đo lường điện tử .................................................................................. 6 1.4. Các đại lượng cơ bản ....................................................................................... 6 1.4.1. Điện áp và dòng điện................................................................................ 6 1.4.2. Nguồn điện................................................................................................ 7 1.5. Một số định luật cơ bản ................................................................................... 8 1.5.1. Định luật Ohm .......................................................................................... 8 1.5.2. Định luật Kirchhoff .................................................................................. 8 Câu hỏi và bài tập chương 1.............................................................................................. 10 Chương 2. CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN .................................................... 11 2.1. Điện trở (Resistor) ......................................................................................... 11 2.1.1. Khái niệm................................................................................................ 11 2.1.2. Các tham số đặc trưng của điện trở ....................................................... 11 2.1.3. Phân loại và ứng dụng của điện trở ....................................................... 12 2.1.4. Cấu tạo điện trở...................................................................................... 12 2.1.5. Cách đọc giá trị điện trở ........................................................................ 14 2.2. Tụ điện (Capacitor) ........................................................................................ 15 2.2.1. Khái niệm................................................................................................ 15 2.2.2. Các tham số cơ bản của tụ điện ............................................................. 16 2.2.3. Phân loại, cấu tạo, đặc tính của tụ điện................................................. 17 2.2.4. Cách đọc giá trị tụ điện .......................................................................... 20 2.2.5. Ứng dụng ................................................................................................ 21 i
2.3. Cuộn cảm (Inductor) .......................................................................................21 2.3.1. Khái niệm ................................................................................................21 2.3.2. Các tham số .............................................................................................22 2.3.3. Phân loại .................................................................................................23 2.3.4. Cách đọc giá trị cuộn cảm ......................................................................23 2.4. Biến áp (Transformer) ....................................................................................24 2.4.1. Khái niệm ................................................................................................24 2.4.2. Cấu tạo ....................................................................................................24 2.4.3. Các thông số kỹ thuật của máy biến áp...................................................25 2.4.4. Một số loại máy biến áp thường gặp.......................................................28 2.4.5. Ký hiệu một số máy biến áp ....................................................................29 Câu hỏi và bài tập chương 2 ..............................................................................................30 Chương 3. DIODE............................................................................................................31 3.1. Chất bán dẫn ...................................................................................................31 3.1.1. Khái niệm ................................................................................................31 3.1.2. Mặt ghép P-N ..........................................................................................32 3.1.3. Đặc tuyến V-A của tiếp xúc P-N .............................................................35 3.2. Diode bán dẫn .................................................................................................36 3.2.1. Cấu tạo, hoạt động của diode .................................................................36 3.2.2. Đặc tuyến V-A của diode .........................................................................36 3.2.3. Các tham số của diode ............................................................................37 3.2.4. Các loại diode .........................................................................................38 3.3. Một số mạch ứng dụng của diode ...................................................................43 3.3.1. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ .....................................................................43 3.3.2. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ ...............................................................44 3.3.3. Mạch chỉnh lưu cầu .................................................................................46 3.3.4. Mạch nhân đôi áp ....................................................................................48 3.3.5. Các mạch hạn chế biên độ (mạch ghim) .................................................48 3.3.6. Ổn định điện áp bằng diode Zener (diode ổn áp) ...................................51 Câu hỏi và bài tập chương 3 ..............................................................................................53 Chương 4. TRANSISTOR ..............................................................................................57 4.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến và tham số của transistor lưỡng cực (BJT - Bipolar Junction Transistor) ......................................................................57 ii
4.1.1. Cấu tạo BJT ............................................................................................ 57 4.1.2. Nguyên lý làm việc của BJT ................................................................... 57 4.1.3. Tham số của transistor ........................................................................... 59 4.1.4. Cách mắc transistor và tham số ở chế độ tín hiệu nhỏ .......................... 60 4.1.5. Các họ đặc tuyến tĩnh của transistor ..................................................... 61 4.2. Các dạng mắc mạch cơ bản của transistor và họ đặc tuyến........................... 62 4.2.1. Sơ đồ emitơ chung (EC) ......................................................................... 62 4.2.2. Sơ đồ bazơ chung (BC)........................................................................... 64 4.2.3. Mạch colectơ chung (CC) ...................................................................... 66 4.3. Đường tải tĩnh và điểm công tác tĩnh ............................................................ 68 4.3.1. Xác định đường tải tĩnh và điểm công tác tĩnh ...................................... 68 4.3.2. Ổn định điểm công tác tĩnh khi nhiệt độ thay đổi .................................. 71 4.4. Các phương pháp phân cực cho transistor ..................................................... 71 4.4.1. Phân cực transistor bằng dòng cố định ................................................. 71 4.4.2. Phân cực transistor bằng điện áp phản hồi ........................................... 72 4.4.3. Phương pháp tự phân cực (Phân cực bằng dòng emitơ) ....................... 73 4.5. Transistor trường (FET - Field Effect Transistor) ......................................... 74 4.5.1. Transistor có cực cửa tiếp giáp JFET (Junction gate Field - Effect Transistor) ........................................................................................................ 75 4.5.2. Transistor có cực cửa cách li MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET) .................................................................................................................. 78 4.5.3. Đặc điểm của transistor trường ............................................................. 80 Câu hỏi và bài tập chương 4.............................................................................................. 81 Chương 5. MẠCH KHUẾCH ĐẠI............................................................................... 86 5.1. Những vấn đề chung ...................................................................................... 86 5.1.1. Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại............................................... 86 5.1.2. Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại ............................................... 87 5.1.3. Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại .............................................. 88 5.1.4. Hồi tiếp trong khuếch đại ....................................................................... 90 5.2. Mạch khuếch đại dùng transistor BJT ........................................................... 92 5.2.1. Tầng khuếch đại EC ............................................................................... 92 5.2.2. Tầng khuếch đại CC ............................................................................... 98 5.2.3. Tầng khuếch đại BC ............................................................................. 100 iii
5.3. Ghép tầng giữa các tầng khuếch đại .............................................................101 5.3.1. Ghép tầng bằng điện dung ....................................................................102 5.3.2. Ghép tầng bằng biến áp ........................................................................103 5.4. Khuếch đại thuật toán (Khuếch đại dùng vi mạch thuật toán) .....................105 5.4.1. Khái niệm chung....................................................................................105 5.4.2. Đặc tuyến truyền đạt .............................................................................106 5.4.3. Các giả thiết lý tưởng ............................................................................107 5.4.4. Các hệ quả .............................................................................................107 5.4.5. Các mạch ứng dụng của khuếch đại thuật toán ....................................107 Câu hỏi và bài tập chương 5 ............................................................................................115 Chương 6. PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P-N .....................................................119 6.1. Thyristor .......................................................................................................119 6.1.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của Thyristor ...........................................119 6.1.2. Đặc tuyến V-A của Thyristor.................................................................121 6.1.3. Các thông số cơ bản của Thyristor .......................................................122 6.1.4. Một số ứng dụng của Thyristor .............................................................122 6.2. Triac ..............................................................................................................124 6.2.1. Đặc điểm cấu tạo và làm việc của Triac ...............................................124 6.2.2. Ứng dụng ...............................................................................................125 6.3. Điac ...............................................................................................................126 6.3.1. Đặc điểm cấu tạo và làm việc của Điac ................................................126 6.3.2. Các tham số đặc trưng của Điac ...........................................................128 6.3.3. Ứng dụng của Điac ...............................................................................128 Câu hỏi ôn tập chương 6 ..................................................................................................129 Phụ lục A. Một số mạch điện tử ứng dụng .....................................................................130 Phụ lục B. Giới thiệu một số phần mềm mô phỏng mạch điện tử ................................132 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................142 iv
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các giá trị màu của điện trở ..................................................................... 14 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Tín hiệu tuần hoàn ...................................................................................... 4 Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống thông tin dân dụng .................................................... 5 Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống đo lường .................................................................... 6 Hình 1.4. Ký hiệu nguồn áp ....................................................................................... 7 Hình 1.5. Nguồn dòng ................................................................................................ 8 Hình 1.6. Dòng tại một nút mô tả định luật Kirchhoff 1............................................ 8 Hình 1.7. Hình minh họa định luật Kirchhoff 2 ......................................................... 9 Hình 2.1. Ký hiệu điện trở trong mạch điện ............................................................. 11 Hình 2.2. Điện trở than ............................................................................................. 13 Hình 2.3. Kết cấu và ký hiệu của chiết áp, biến trở ................................................. 13 Hình 2.4. Hình dạng các chiết áp ............................................................................. 13 Hình 2.5. Ký hiệu các loại tụ điện trong mạch điện ................................................. 16 Hình 2.6. Hình ảnh tụ giấy ....................................................................................... 18 Hình 2.7. Hình ảnh tụ mica ...................................................................................... 18 Hình 2.8. Hình ảnh tụ gốm ....................................................................................... 19 Hình 2.9. Cấu tạo tụ xoay ......................................................................................... 20 Hình 2.10. Hình ảnh cuộn cảm ................................................................................. 22 Hình 2.11. Ký hiệu các loại cuộn cảm trong mạch điện .......................................... 22 Hình 2.12. Hình ảnh máy biến áp công suất nhỏ ..................................................... 24 Hình 2.13. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy biến áp một pha ....................................... 26 Hình 2.14. Ký hiệu một số máy biến áp trong mạch điện ........................................ 29 Hình 3.1. Sự hình thành vùng nghèo ở mặt ghép P-N ............................................. 32 Hình 3.2. Mặt ghép P-N khi phân cực thuận ............................................................ 33 Hình 3.3. Mặt ghép P-N khi phân cực ngược .......................................................... 34 Hình 3.4. Đặc tuyến V-A của chuyển tiếp PN ......................................................... 35 Hình 3.5. Các kiểu ký hiệu diode trong mạch điện .................................................. 36 v
Hình 3.6. Đặc tuyến Von-ampe của diode bán dẫn ..................................................36 Hình 3.7. Ký hiệu và đặc tính V-A của diode Zener ................................................38 Hình 3.8. Ký hiệu của diode biến dung .....................................................................39 Hình 3.9. Mối quan hệ giữa điện dung và điện áp ngược .........................................40 Hình 3.10. Ký hiệu và đặc tuyến của diode ổn dòng ................................................40 Hình 3.11. Cấu tạo và ký hiệu của diode Schottky ...................................................41 Hình 3.12. Cấu tạo diode PIN ...................................................................................41 Hình 3.13. Ký hiệu và đặc tuyến V-A của diode Tunel ............................................42 Hình 3.14. Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ .................43 Hình 3.15. Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ ...........44 Hình 3.16. Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu cầu .............................46 Hình 3.17. Sơ đồ mạch nhân đôi điện áp ..................................................................48 Hình 3.18. Sơ đồ mạch hạn chế nối tiếp ...................................................................49 Hình 3.19. Giản đồ điện áp của mạch hạn chế nối tiếp trên mức E ..........................49 Hình 3.20. Giản đồ điện áp của mạch hạn chế nối tiếp dưới mức E.........................50 Hình 3.21. Sơ đồ mạch hạn chế nối tiếp ...................................................................50 Hình 3.22. Kí hiệu, đặc tuyến V-A và sơ đồ ứng dụng diode Zener ........................51 Hình 4.1. Mô hình lý tưởng hóa và kí hiệu của transistor pnp (a) và npn (b) ..........57 Hình 4.2. Sơ đồ phân cực của transistor NPN (a) và PNP (b) ..................................58 Hình 4.3. Phương pháp mắc transistor trong thực tế ................................................60 Hình 4.4. Transistor như một mạng bốn cực ............................................................60 Hình 4.5. Sơ đồ xác định đặc tuyến của transistor khi mắc EC ................................62 Hình 4.6. Họ đặc tuyến vào của transistor khi mắc EC ............................................62 Hình 4.7. Đặc tuyến truyền đạt (a) và đặc tuyến ra (b) của transistor trong cách mắc EC đối với transistor NPN ........................................................................................63 Hình 4.8. Sơ đồ xác định đặc tuyến của transistor khi mắc BC ................................64 Hình 4.9. Đặc tuyến vào của transistor khi mắc BC .................................................65 Hình 4.10. Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của transistor mắc BC .................65 Hình 4.11. Sơ đồ xác định đặc tuyến của transistor khi mắc CC ..............................66 Hình 4.12. Đặc tuyến vàocủa transistor khi mắc BC ................................................67 Hình 4.13. Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của transistor khi mắc BC ...........68 Hình 4.14. Xây dựng đường tải tĩnh .........................................................................68 Hình 4.15. Chọn điểm công tác tĩnh .........................................................................70 vi
Hình 4.16. Sơ đồ phân cực dòng cố định ................................................................. 72 Hình 4.17. Sơ đồ phân cực bằng điện áp phản hồi ................................................... 72 Hình 4.18. Sơ đồ tự phân cực ................................................................................... 73 Hình 4.19. Hình ảnh các loại transistor trường ........................................................ 74 Hình 4.20. Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu JFET ................................................................ 75 Hình 4.21. Họ đặc tuyến ra của JFET ...................................................................... 76 Hình 4.22. Họ đặc tuyến truyền đạt của JFET ......................................................... 77 Hình 4.23. Cấu tạo của MOSFET ............................................................................ 78 Hình 4.24. Ký hiệu quy ước của MOSFET .............................................................. 79 Hình 4.25. Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt MOSFET .................................... 80 Hình 5.1. Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại ............................................... 86 Hình 5.2. Sơ đồ một tầng khuếch đại dùng BJT ...................................................... 86 Hình 5.3. Biểu đồ thời gian của dòng điện và điện áp tại mạch ra .......................... 87 Hình 5.4. Sơ đồ mạch khuếch đại transistor kiểu EC và đặc tuyến ra ..................... 88 Hình 5.5. Dạng tín hiệu vào, ra của KĐ khi ở chế độ A .......................................... 89 Hình 5.6. Sơ đồ khối bộ khuếch đại có hồi tiếp ....................................................... 91 Hình 5.7. Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại EC ....................................................... 93 Hình 5.8. Xác định chế độ tĩnh của tầng khuếch đại EC ......................................... 93 Hình 5.9. Đồ thị thời gian minh họa sự hoạt động của tầng khuếch đại EC ............ 95 Hình 5.10. Sơ đồ tương đương của tầng khuếch đại EC .......................................... 97 Hình 5.11. Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế tương đương của tầng khuếch đại CC.... 98 Hình 5.12. Đồ thị thời gian minh họa sự hoạt động của tầng khuếch đại CC ......... 99 Hình 5.13. Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại BC ................................................... 100 Hình 5.14. Sơ đồ biến đổi tương đương và sơ đồ thay thế tương đương của tầng khuếch đại BC ........................................................................................................ 100 Hình 5.15. Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại nhiều tầng ..................................... 102 Hình 5.16. Sơ đồ bộ khuếch đại ghép tầng bằng điện dung ................................... 102 Hình 5.17. Sơ đồ bộ khuếch đại ghép bằng biến áp ............................................... 103 Hình 5.18. Sơ đồ tầng khuếch đại vi sai khi uv = 0 và biểu đồ tín hiệu ra ............ 104 Hình 5.19. Sơ đồ tầng khuếch đại vi sai khi uv1 > 0, uv2 = 0 và biểu đồ tín hiệu ra ..... 104 Hình 5.20. Ký hiệu khuếch đại thuật toán trong sơ đồ điện tử .............................. 105 Hình 5.21. Sơ đồ cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán μA741 .................. 106 Hình 5.22. Đặc tuyến truyền đạt của khuếch đại thuật toán .................................. 106 vii
Hình 5.23. Sơ đồ mạch khuếch đại đảo ..................................................................107 Hình 5.24. Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo .......................................................108 Hình 5.25. Sơ đồ mạch khuếch đại cộng đảo ..........................................................109 Hình 5.26. Sơ đồ mạch khuếch đại cộng không đảo ...............................................110 Hình 5.27. Sơ đồ mạch khuếch đại trừ ....................................................................111 Hình 5.28. Sơ đồ mạch tích phân ............................................................................113 Hình 5.29. Sơ đồ mạch vi phân ...............................................................................114 Hình 6.1. Cấu trúc 4 lớp p-n, sơ đồ tương đương và kí hiệu của Thyristo .............119 Hình 6.2. Đặc tuyến V-A của Thyristor ..................................................................121 Hình 6.3. Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu không chế kiểu pha xung ...................122 Hình 6.4. Giản đồ điện áp mạch chỉnh lưu không chế kiểu pha xung ....................123 Hình 6.5. Sơ đồ nguyên lý Mạch biến đổi điện áp xoay chiều - xoay chiều dùng hai Thyristo ...................................................................................................................123 Hình 6.6. Giản đồ điện áp mạch biến đổi điện áp xoay chiều ................................124 Hình 6.7. Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu Triac .................................................................124 Hình 6.8. Đặc tuyến V-A của Triac ........................................................................125 Hình 6.9. Sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi xoay chiều - xoay chiều công suất nhỏ..125 Hình 6.10. Giản đồ điện áp mạch biến đổi xoay chiều - xoay chiều công suất nhỏ ......126 Hình 6.11. Cấu tạo, kí hiệu của Điac .....................................................................127 Hình 6.12. Đặc tuyến V-A của Điac .......................................................................127 viii
LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điện tử là môn học dành cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử. Mục tiêu của môn học là cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về các linh kiện điện tử cơ bản, IC thuật toán; hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách kiểm tra, lựa chọn các linh kiện; thiết kế các mạch điện tử ứng dụng đơn giản. Để phù hợp với mục tiêu đào tạo và điều kiện học tập của sinh viên, bài giảng được biên soạn bao gồm có 6 chương: Chương 1: Một số khái niệm cơ bản; Chương 2: Các linh kiện điện tử cơ bản; Chương 3: Didode; Chương 4: Transistor; Chương 5: Mạch khuếch đại; Chương 6: Phần tử nhiều mặt ghép P-N. Bài giảng được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử nói riêng và các sinh viên bắt đầu làm quen với kỹ thuật điện tử nói chung một bài giảng tham khảo, học tập hữu ích. Tạo điều kiện thuận lợi cho sinh viên học tập môn học Kỹ thuật điện tử. Bài giảng lần đầu tiên được biên soạn, trong quá trình biên soạn không tránh khỏi những thiếu sót, nhóm tác giả mong nhận được các ý kiến đóng góp, xây dựng để bài giảng được hoàn chỉnh hơn. Nhóm tác giả 1
2
Chương 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Tin tức và tín hiệu Tin tức (information) là nội dung của một quá trình, một hiện tượng hay một sự kiện. Trong đời sống hàng ngày chúng ta thường truyền đi tiếng nói, hình ảnh hay âm nhạc, gọi chung là tin tức. Để có thể truyền tin tức qua các hệ thống điện tử, người ta thường biến đổi chúng thành điện áp hoặc dòng điện, biến thiên tỷ lệ với lượng tin tức nguyên thủy. Ta gọi đó là tín hiệu. Tín hiệu (signal) là sự biểu diễn vật lý của tin tức. Các khái niệm về tín hiệu xuất hiện trong nhiều lĩnh vực. Những ý tưởng và các vấn đề kỹ thuật có liên quan tới các khái niệm về tín hiệu đóng một vai trò quan trọng không chỉ trong lĩnh vực thông tin mà trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau, như hàng không, khí tượng, năng lượng, xử lý tín hiệu hay xử lý hình ảnh… Về mặt toán học có thể coi tín hiệu là một hàm của một hay nhiều biến độc lập. Hàm số này có thể là một hàm đơn giản hay phức tạp. Chẳng hạn như tín hiệu tiếng nói có thể được biểu diễn như một hàm ánh sáng của hai biến không gian I (x,y). Tín hiệu có thể được phân theo dạng tuần hoàn hoặc không tuần hoàn; tín hiệu liên tục theo thời gian gọi là tín hiệu tương tự (Analog), tín hiệu gián đoạn theo thời gian gọi tín hiệu số (Digital). Ví dụ: Xét một tín hiệu được biển diễn trên hình 1.1 có biểu thức toán học như sau: x(t) = x(t + mT) Trong đó: m là số nguyên; T là một hằng số, giá trị nhỏ nhất của T được gọi là chu kỳ. Như vậy, cứ sau một khoảng thời gian nhất định, tín hiệu x(t) lặp lại như trước. Tín hiệu và tần số f của tín hiệu tuần hoàn được xác định theo công thức: 1 f  T Một tín hiệu không tuần hoàn, dạng bất kỳ, có thể coi như là tín hiệu tuần hoàn có chu kỳ T → ∞. 3
Hình 1.1. Tín hiệu tuần hoàn 1.2. Các tính chất của tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian  Độ dài tín hiệu Khi biểu diễn tín hiệu theo thời gian, khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu kể từ lúc bắt đầu cho đến khi kết thúc được gọi là độ dài tín hiệu. Nếu tín hiệu là tuần hoàn, độ dài được tính tương ứng với thời gian tồn tại tín hiệu trong một chu kỳ.  Giá trị trung bình Nếu tín hiệu x(t) xuất hiện tại thời điểm t0 có độ dài là , thì giá trị trung bình của tín hiệu x(t) trong khoảng thời gian được xác định bởi: t0  1 x(t )    x(t )dt t0  Năng lượng của tín hiệu Thông thường tín hiệu x(t) là tín hiệu dòng điện hoặc điện áp qua một điện trở R. Năng lượng của tín hiệu x(t) được định nghĩa là: t0  1 E  x (t )dt 2 R t0 Hiện nay, các quá trình xử lý tín hiệu được thực hiện chủ yếu qua các hệ thống điện tử. Do vậy, trong thực tế các tín hiệu phi điện trước hết cần phải được biến đổi thành các tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi hoặc cảm biến để có thể đưa vào hệ thống điện tử xử lý. Ví dụ: Biến đổi âm thanh, chúng ta có thể dùng microphone. Tín hiệu điện là tín hiệu chứa dòng điện, điện từ trường biến đổi theo thời gian và không gian với các tham số xác định. Tín hiệu điện thường được sử dụng dưới dạng điện áp, dòng điện hay sóng điện từ. 4
1.3. Các hệ thống điện tử điển hình Hệ thống điện tử là một tập hợp các thiết bị điện tử nhằm thực hiện một nhiệm vụ kỹ thuật nhất định như gia công xử lý tin tức, truyền thông tin dữ liệu, đo lường thông số điều khiển tự chỉnh… Về cấu trúc một hệ thống điện tử có hai dạng cơ bản: Dạng hệ kín ở đó thông tin được gia công xử lý theo cả hai chiều nhằm đạt tới một điều kiện tối ưu định trước hay hệ hở ở đó thông tin chỉ được truyền theo một hướng từ nguồn tin tới nguồn nhận tin. 1.3.1. Hệ thống thông tin thu - phát Hệ thống thông tin thu - phát có nhiệm vụ truyền một tin tức dữ liệu theo không gian (trên một khoảng cách nhất định) từ nguồn tin tới nơi nhận tin. a) Cấu trúc sơ đồ khối Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống thông tin dân dụng b) Các đặc điểm chủ yếu - Hệ thống thông tin thu - phát là dạng hệ thống hở. - Hệ thống bao gồm hai quá trình cơ bản: Quá trình điều chế và quá trình dải điều chế. - Quá trình gắn tin tức cần gửi đi vào một tải tin tần số cao bằng cách bắt dao động tải tin có một thông số biến thiên theo quy luật của tin tức gọi là quá trình điều chế tại thiết bị phát. - Quá trình tách tin tức ra khỏi tải tin để lấy lại nội dung tin tức tần số thấp tại thiết bị thu gọi là quá trình dải điều chế. 5
1.3.2. Hệ đo lường điện tử Hệ loại này có nhiệm vụ thu thập tin tức dữ liệu về một đối tượng hay quá trình nào đó để đánh giá thông số hoặc trạng thái của chúng. Cấu trúc sơ đồ khối như hình 1.3. Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống đo lường Hệ thống đo lường nói chung có các đặc điểm cơ bản sau: + Có hai phương pháp cơ bản thực hiện quá trình đo: phương pháp tiếp xúc và phương pháp không tiếp xúc; + Bộ biến đổi đầu vào là quan trọng nhất, có nhiệm vụ biết đổi thông số đại lượng đầu cần đo (thường ở dạng đại lượng vật lý) về dạng tín hiệu điện tử có tham số tỷ lệ với đại lượng cần đo. (Ví dụ: Áp suất biến đổi thành điện áp, nhiệt độ hoặc độ ẩm hay vận tốc biến đổi; thành điện áp hoặc dòng điện...); + Sự can thiệp của bất kỳ thiết bị đo nào vào đối tượng đo dẫn đến hệ quả là đối tượng đo không còn đứng độc lập và do đó xảy ra quá trình mất thông tin tự nhiên dẫn đến sai số đo; + Mọi cố gắng nhằm nâng cao độ chính xác của phép đo đều là tăng tính phức tạp; tăng chi phí kỹ thuật và làm xuất hiện các nguyên nhân gây sai số mới và đôi khi làm giảm độ tin cậy của phép đo; + Về nguyên tắc có thể thực hiện gia công tin tức đó liên tục theo thời gian (phương pháp analog) hay gia công rời rạc theo thời gian (phương pháp digital). Yếu tố này quy định các đặc điểm kỹ thuật và cấu trúc: Cụ thể là ở phương pháp analog; đại lượng đo được theo dõi liên tục theo thời gian còn ở phương pháp digital đại lượng đo được lấy mẫu giá trị ở những thời điểm xác định và so mới các mức cường độ chuẩn xác định. Phương pháp digital cho phép tiết kiệm năng lượng, nâng cao độ chính xác và khả năng phối ghép với các thiết bị xử lý tin tức tự động. 1.4. Các đại lượng cơ bản 1.4.1. Điện áp và dòng điện a) Dòng điện Dòng điện (Electrical Current) là dòng chuyển đổi có hướng của các điện tích thông qua vật dẫn hoặc phần tử mạch điện. 6
Ký hiệu I là dòng điện một chiều DC (Direct Current) và I(t) là dòng xoay chiều AC (Alternating Current). Đơn vị của dòng điện là Ampe, (A). b) Điện áp Điện áp chính là năng lượng được truyền trong một đơn vị thời gian của điện tích dịch chuyển giữa hai điểm. Ký hiệu điện áp một chiều là U (hoặc V), điện áp xoay chiều là u(t) (hoặc v(t)). Đơn vị điện áp là Vôn (V). 1.4.2. Nguồn điện Mạch điện tử bao gồm các linh kiện điện tử được kết nối với nhau. Các linh kiện điện tử gồm linh kiện thụ động và linh kiện tích cực. Linh kiện tích cực có khả năng tạo ra năng lượng, còn linh kiện thụ động thì không. Ví dụ: Điện trở, tụ điện và cuộn cảm là những linh kiện thụ động. Một trong những linh kiện tích cực quan trọng nhất trong mạch điện là nguồn dòng hay nguồn áp. Nguồn điện có thể tạo ra và cung cấp năng lượng điện đến các phần tử trong mạch điện. a) Nguồn điện áp Nguồn điện áp là thông số của mạch điện đặc trưng cho khả năng tạo ra và duy trì trên hai cực của nguồn điện một điện áp có giá trị không phụ thuộc vào dòng điện mà nguồn cung cấp. Nguồn áp được ký hiệu như trên hình 1.4 và được biểu diễn bởi một sức điện động e(t). Chiều của sức điện động e(t) là từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao, chiều của điện áp u(t) là từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp, do đó u(t) = e(t). Hình 1.4. Ký hiệu nguồn áp 7
b) Nguồn dòng điện Nguồn dòng điện là thông số của mạch điện đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài có cường độ dòng điện không phụ thuộc vào điện áp giữa hai cực của nguồn. Nguồn dòng được ký hiệu như trên hình 1.5. j(t) = i(t) Hình 1.5. Nguồn dòng 1.5. Một số định luật cơ bản Để phân tích mạch điện tử, người ta thường dựa vào các định luật cơ bản như: định luật Ohm và định luật Kirchhoff. 1.5.1. Định luật Ohm U = I.R Điện áp trên điện trở R tỷ lệ với dòng điện chạy qua nó. 1.5.2. Định luật Kirchhoff a. Định luật Kirchhoff 1 Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào và đi ra tại một nút trong mạch điện bằng không. N i n 1 n 0 Trong đó: N là số nhánh được kết nối tới nút và in là dòng điện đi vào hay đi ra khỏi nút. Quy ước: Dòng đi vào nút thì mang dấu dương (+); Dòng đi ra khỏi nút thì mang dấy âm (-). Ví dụ: Xét một nút trên mạch điện như hình vẽ 1.6. Hình 1.6. Dòng tại một nút mô tả định luật Kirchhoff 1 Tại nút K trên hình 1.6 theo định luật K1 ta có: i1 - i2 - i3 = 0 i1 = i2 + i3 8
Nghĩa là tổng các dòng điện đi vào nút bằng tổng các dòng điện đi ra khỏi nút. Định luật K1 nói lên tính chất liên tục của dòng điện, trong một nút không có hiện tượng tích lũy điện tích, có bao nhiêu điện tích tới nút thì có bấy nhiêu điện tích rời khỏi nút. b. Định luật Kirchhoff 2 Tổng các thành phần điện áp trong một vòng kín bằng không. u  0 Ví dụ: Viết định luật K2 cho các vòng I và II trên hình 1.7. Hình 1.7. Hình minh họa định luật Kirchhoff 2 Đối với vòng I: u1 – u2 + u’2 – u’1 = 0 Đối với vòng II: u1 – u3 + u’3 – u’1 = 0 Trong đó u’1, u’2, và u’3 lần lượt là điện áp trên hai cực của các nguồn s.đ.đ e1, e2 và e3. Thay u’1, u’2 và u’3 bởi các s.đ.đ và chuyển chúng sang vế phải ta có: - Vòng I: u1 – u2 = e1 – e2 - Vòng II: u1 – u3 = e1 – e3 Tổng quát: u  e p Trong đó: up là điện áp rơi trên các phần tử không phải là nguồn sđđ. Định luật K2 có thể được phát biểu như sau: Đi theo một vòng khép kín theo một chiều tùy ý, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử R, L, C bằng tổng đại số các sức điện động trong vòng; trong đó những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều đi của vòng lấy dấu dương, ngược lại mang dấu âm. 9