Bài giảng Kỹ thuật xung số: Phần 2 - Trường Đại học Thái Bình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiếp nội dung phần 1, Bài giảng Kỹ thuật xung số: Phần 2 được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Tín hiệu xung và mạch RLC; Mạch xén và mạch ghim điện áp; Mạch dao động đa hài; Mạch Schmitt Trigger. 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 xung số: Phần 2 - Trường Đại học Thái Bình

CHƯƠNG 5. TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH RLC Mở đầu Kỹ thuật xung là phần kiến thức khá quan trọng đối với toàn bộ chương trình học của sinh viên ngành Điện tử. Chương 5 sẽ cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ bản: khái niệm và thông số của tín hiệu xung; sơ đồ, nguyên lí hoạt động và ứng dụng của các mạch biến đổi dạng xung. Trong thực tế, từ một tín hiệu xung đã có, có thể yêu cầu cần một tín hiệu xung có hình dạng khác (xung vuông, xung tam giác, xung nhọn….) để thực hiện các chức năng khác nhau. Mục tiêu chương 5: sinh viên có khả năng: - Nhận diện được các dạng xung, xác định được các thông số của tín hiệu xung. - Nhận diện được các mạch biến đổi dạng xung (mạch tích phân, mạch vi phân). Phân tích được nguyên lí hoạt động, xác định được dạng tín hiệu ra theo tín hiệu vào trong từng trường hợp cụ thể. Ứng dụng được các mạch biến đổi dạng xung theo yêu cầu cụ thể. - Thiết kế các mạch biến đổi dạng xung theo yêu cầu kỹ thuật cho trước. 5.1. Khái niệm và các dạng xung - Các tín hiệu điện có biên độ thay đổi theo thời gian được chia ra 2 loại cơ bản: tín hiệu liên tục (tín hiệu tương tự hay tín hiệu tuyến tính) và tín hiệu gián đoạn (tín hiệu xung hay số) - Tín hiệu xung dòng điện hoặc điện áp là những tín hiệu có thời gian tồn tại rất ngắn, có thể so sánh với quá trình quá độ trong mạch điện mà chúng tác dụng. Trong mạch điện có thể tác động 1 xung hoặc 1 dãy xung. Các dạng xung - Có nhiều dạng tín hiệu xung: xung vuông, xung tam giác, xung răng cưa, xung nhọn, xung nấc thang… v v VH VL t t xung vuông xung tam giác v v v t t t xung nấc thang xung nhọn xung răng cưa Nhận xét: Các dạng xung cơ bản rất khác nhau về dạng sóng, nhưng có điểm chung là thời gian tồn tại xung rất ngắn hay sự biến thiên từ thấp lên cao (như xung nhọn) hay từ cao xuống thấp (như xung tam giác) xảy ra rất nhanh. Trong nhiều trường hợp xung tam giác có thể gọi là xung răng cưa và ngược lại. 95
5.2. Các thông số tín hiệu xung 1) Chu kỳ xung - tần số xung - Độ rộng xung ton hay tx: là thời gian ứng v với mức cao của tín hiệu (vd mức điện áp VH cao) (hay thời gian tồn tại của xung). - Thời gian không có xung ứng với mức thấp VL của tín hiệu (vd điện áp thấp) thì gọi là toff ton toff t hay tng (thời gian nghỉ của xung) T * Chu kỳ xung là : T = ton + toff * Tần số xung: là số lần xung xuất hiện trong 1 đơn vị thời gian, và được tính theo công 1 thức: F= T 2) Độ rỗng và hệ số đầy của xung Trong một chu kỳ của xung, thời gian có xung (ton) thường rất ngắn so với chu kỳ T. Định nghĩa độ rỗng của xung: là tỉ số giữa chu kỳ T và độ rộng xung t on T Q= t on 1 t on Hệ số lấp đầy của xung: là nghịch đảo của độ rỗng Q : n =  Q T 3) Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau Trong thực tế khó có một tín hiệu xung vuông lý tưởng có đường biên độ tăng và đường biên độ giảm thẳng đứng. v(t) Theo dạng xung hình bên, khi tăng điện Vm áp sẽ có thời gian trễ tr gọi là độ rộng sườn V trước. Ngược lại khi giảm điện áp cũng sẽ có 0.9Vm thời gian trễ tf gọi là độ rộng sườn sau. t tr tp tf ton Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau là thời gian biên độ xung tăng hay giảm trong khoảng 0,1Vm đến 0,9Vm. Thời gian xung có biên độ từ 0,9Vm đến Vm ứng với đoạn đỉnh của xung gọi là t p.  Độ rộng xung thực tế là: ton = tr + tp + tf 96
Độ sụt đỉnh xung V là độ giảm biên độ ở phần đỉnh xung. 5.3. Mạch tích phân - Mạch tích phân là mạch mà điện áp ra v0(t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào vi(t): v0(t) = k.vi(t)dt với k: hệ số tỉ lệ. - Ứng dụng: + tạo xung quét (xung răng cưa) + biến đổi tương tự  số. + thực hiện phép tích phân trong máy tính điện tử. 5.3.1. Mạch tích phân RC R Mạch tích phân chính là mạch lọc thấp qua dùng RC với tần số C v0 vi cắt: i 1 fC = 2RC Ta có: vi(t) = vR(t) + vC(t). Nguồn điện áp vào vi(t) có tần số fi.  Xét trường hợp fi >>fC 1 Mà XC = 2f i .C  R >> XC (nhân cả 2 vế với i(t))  vR(t) >> vC(t). Điện áp trên tụ được tính theo công thức: 1 vC(t) = .i(t)dt C Điện áp trên tụ cũng là điện áp ra, nên ta có: 1 v0(t) = vC(t) = .i(t)dt C vi (t ) trong đó i(t) = (Vì R>>XC  bỏ qua XC) R 1 vi (t ) 1 Suy ra: v0(t) = C  R dt  RC  vi (t )dt 1 Như vậy, điện áp ra v0(t) là tỉ lệ với tích phân của điện áp vào vi(t) với hệ số tỉ lệ k = RC khi tần số fi >> fC. Vậy điều kiện của mạch là: fi >> fC hay 1 fi >> Nói cách khác: 2RC 97
1 1 Ti RC >>  >> = 2f i hay 2f i 2 trong đó  = RC là hằng số thời gian. Ti : chu kỳ  Trường hợp điện áp vào vi là tín hiệu hình sin: vi(t) = Vm.sin t. 1 V  v0(t) = . Vm sin(t )dt   m .cost RC RC Vm  v0(t) =  . sin(t  900 ) RC Kết luận: Nếu thoả mãn điều kiện của mạch tích phân như trên thì điện áp ra bị trễ pha 1 900 và biên độ giảm xuống với hệ số tỉ lệ là so với điện áp vào. RC *Trường hợp điện áp vào là tín hiệu xung vuông. Khi điện áp vào là tín hiệu xung vuông có chu kỳ là Ti thì có thể xét tỉ lệ hằng số thời gian  = RC so với Ti để giải thích các dạng sóng ra theo hiện tượng nạp xả của tụ. 98
vi(t) Ti VP Giả thiết, điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng (ton = toff ) có chu kỳ Ti. t a) Dạng sóng ngõ vào v0(t) Nếu mạch tích phân có hằng số thời VP gian  = RC rất nhỏ so với Ti, tụ nạp và xả rất nhanh nên điện áp ngõ ra v0(t) có dạng giống như dạng của điện áp vào vi(t). t b) Dạng sóng ngõ ra khi  Ti thì tụ nạp rất chậm nên VP điện áp ra có biên độ rất thấp, nhưng đường tăng giảm điện áp gần như đường thẳng. t d) Dạng sóng ngõ ra khi >>Ti Như vậy, mạch tích phân nếu chọn trị số RC thích hợp thì có thể sửa dạng xung vuông ở ngõ vào thành dạng sóng răng cưa hay tam giác ở ngõ ra. Nếu xung vuông đối xứng thì xung tam giác ra là tam giác cân. 99
* Trường hợp tín hiệu ngõ vào là một chuỗi xung vuông không đối xứng với t on > toff. vi(t) ton toff Trong thời gian ton ngõ vào có điện VP áp cao, tụ C nạp điện. Trong thời gian toff ngõ vào có điện áp 0V, tụ xả điện. Nhưng do thời gian toff < ton nên tụ chưa xả hết thì lại nạp t điện tiếp làm cho điện áp trên tụ tăng dần. v0(t) VP t 5.3.2. Mạch tích phân RL. Mạch lọc thấp qua dùng RL cũng có thể dùng làm mạch tích phân. L v0(t) R vi(t) 1 Ta có: v0(t) = vR(t) = R.iL(t) = R. .vL(t)dt. L vi(t) = vL(t) + vR(t) XL = 2fiL Nếu fi>>fC  XL >>R  vL(t) >> vR(t)  vL(t)  vi(t). R R  v0(t) = vi(t)dt m Vậy hệ số tỉ lệ: k = L L 5.3.3. Mạch tích phân dùng OP-AMP. 100
C iC Hai linh kiện R1 và C để tạo hằng số R1 thời gian  = R1C. Điện trở R1 còn là - điện trở vào, điện trở R2 để bù nhiệt vi iin + v0 cho OP-AMP, thường chọn R2 = R1. R2 Do điện áp ngõ vào đảo nên điện áp ra được tính theo công thức: 1 R1C  v0(t) = - vi (t ) dt Nếu ngõ vào nhận xung vuông thì qua điện trở R1 ở ngõ vào đảo sẽ có xung tam giác và ở ngõ ra cũng có xung tam giác. 5.4. Mạch vi phân - Là mạch có điện áp ngõ ra v0(t) tỉ lệ với đạo hàm theo thời gian của điện áp ngõ vào vi(t). Ta d có: v0(t) = k. vi(t) (k: hệ số tỉ lệ) dt - Ứng dụng: mạch vi phân có tác dụng thu hẹp độ rộng xung, tạo ra các xung nhọn để kích các linh kiện điều khiển hay linh kiện công suất khác như SCR, triac, … 5.4.1. Mạch vi phân RC C Mạch này chính là mạch lọc cao qua dùng V0 RC. Tần số cắt của mạch lọc là: Vi R i 1 fC  2RC Ta có: vi(t) = vC(t) + vR(t). v0(t) = vR(t) = R.i(t). q(t ) dv (t ) 1 dq(t ) 1 Vì vC(t) =  C  .  i (t ) C dt C dt C dvC (t )  i(t )  C. dt dvC Vậy v0(t) = R.C dt 1  Xét trường hợp nguồn vi(t) có tần số fi vR(t)  vC(t)  vi(t) 101
dvi (t ) Vậy v0(t) = RC. dt Điện áp ra chính là vi phân (đạo hàm) theo thời gian của điện áp vào, với hệ số tỉ lệ k =RC khi tần số fi
Vi(t) Giả thiết điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng (ton = toff) có chu kỳ Ti. V0(t) t Nếu mạch tích phân có  = Ti/5, tụ nạp và xả điện tạo dòng i(t) qua điện trở R, tạo ra điện áp giảm theo hàm số mũ. Khi điện áp ngõ vào bằng 0V thì đầu t dương của tụ nối mass và tụ sẽ xả điện thế âm trên điện trở R. Ở ngõ ra sẽ có 2 xung ngược đầu nhau có dạng sóng ra khi =Ti/5 biên độ giảm dần. V0(t) Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian 
R2 IR2 R1 C - vi iin + v0 R3 Mạch vi phân trên có cách mắc theo kiểu mạch đảo, với mạch phân áp là tụ C và điện trở R2 . Tụ C là tụ đưa tín hiệu vào, R2 là điện trở hồi tiếp từ ngõ ra về ngõ vào. Điện trở R1 để ổn định tổng trở ngõ vào. Điện trở R3 thường chọn có trị số bằng điện trở R2 có tác dụng bù trừ nhiệt. Dòng điện vào cũng là dòng điện nạp vào tụ được tính theo công thức: dvi (t ) iin = C. dt Do tính chất của OP-AMP nên dòng điện vào nạp qua tụ cũng chính là dòng điện trở hồi tiếp R2 và được tính theo công thức: V0 dv (t ) iR2 =   iin  C i R2 dt dvi (t ) Suy ra: v0 = -iin.R2 Hay v0 = -R2C dt Nếu cho tín hiệu vào là xung vuông, dòng qua tụ sẽ cho ra hai xung nhọn. Đối với OP- AMP, khi cho xung tam giác đặt ở ngõ vào thì sẽ cho xung vuông ở ngõ ra. Thiết kế mạch vi phân dùng RL và tìm điều kiện của mạch. 104
TỔNG KẾT CHƯƠNG 5 Chương 5 đã cung cấp cho sinh viên các kiến thức để sinh viên có những khả năng: - Nhận diện được các dạng xung. Xác định được các thông số của tín hiệu xung đơn (t on, toff, độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau, độ rộng đỉnh xung, độ sụt đỉnh xung, biên độ xung), các thông số của dãy xung (chu kì, tần số, độ rỗng, hệ số lấp đầy, chu trình làm việc). - Nhận diện được các mạch biến đổi dạng xung (mạch tích phân, mạch vi phân) dùng RL, RC,Op-amp. Phân tích được nguyên lí hoạt động, xác định được dạng tín hiệu ra theo tín hiệu vào trong từng trường hợp cụ thể. Ứng dụng được các mạch biến đổi dạng xung theo yêu cầu cụ thể. Chú ý các mạch biến đổi dạng xung không làm biến đổi tần số (chu kì) tín hiệu xung. - Thiết kế các mạch biến đổi dạng xung theo yêu cầu kỹ thuật cho trước. 105
BÀI TẬP CHƯƠNG 5 Bài 1: Cho bộ lọc thông thấp RC, cho R=100K, C=1mF. Nếu tín hiệu vào là xung vuông tần số 1KHz thì tín hiệu ra có hình dạng như thế nào? Bài 2: Cho bộ lọc thông cao RC, cho R=100K, C=1mF. Nếu tín hiệu vào là xung vuông tần số 1KHz thì tín hiệu ra có hình dạng như thế nào? Bài 3: Cho bộ lọc thông thấp RL, cho R=100K, L=2mH. Nếu tín hiệu vào là xung vuông tần số 1KHz thì tín hiệu ra có hình dạng như thế nào? Bài 4: Điều kiện mạch tích phần là gì? Bài tập trắc nghiệm 1. Thông số nào cuả tín hiệu xung vuông mà ta mong muốn càng nhỏ càng tốt : a- độ rộng xung b- độ rộng sườn sau, độ rộng sườn trước c- chu kỳ d- độ rộng đỉnh xung 2. Khoảng điện áp từ 0.9Vm đến Vm cuả tín hiệu xung vuông ứng với độ rộng : a- độ rộng đỉnh xung b- độ rộng sườn trước c- độ rộng sườn sau d- độ rộng xung 3. Biên độ xung ra cuả mạch so sánh dùng op – amp thực tế là : a- Cao hơn Vcc từ 1v - 3v b- Thấp hơn Vcc từ 1v - 3v c- Bằng Vcc d- Tất cả đều sai 4. Mạch so sánh sử dụng Op - Amp : a. Làm việc trong vùng bão hòa. b. Làm việc trong vùng tuyến tính. c. Dạng tín hiệu ra phụ thuộc tín hiệu vào. d. tất cả các câu trên đều đúng 5. Cho mạch như hình vẽ: +15V + -15V Vo Vi a- là mạch so sánh đảo và op-amp đươc cung cấp nguồn đôi b- là mạch so sánh đảo và op-amp đươc cung cấp nguồn đơn c- là mạch so sánh không đảo và op-amp đươc cung cấp nguồn đôi d- là mạch so sánh không đảo và op-amp đươc cung cấp nguồn đơn 106
6. Cho mạch như hình câu 5 ( biết op-amp bão hòa thì biên độ Vo nhỏ hơn Vcc 1 V), op_amp bão hòa dương khi: a. Vi > 0V b. Vi > 15V c. Vi < 0V d. Vi< 15V 7. Cho mạch như hình câu 5 ( biết op-amp bão hòa thì biên độ Vo nhỏ hơn Vcc 1 V), op_amp bão hòa âm khi: a. Vi > 0V b. Vi > 15V c. Vi < 0V d. Vi< 15V 8. Cho mạch như hình câu 5 ( biết op-amp bão hòa thì biên độ Vo nhỏ hơn Vcc 1 V), khi tín hiệu vào Vi= 10sin2t (v) và Vcc= 15 V thì tín hiệu ra có biên độ đỉnh –đỉnh Vopp bằng: a. 14 v b. 18 v c. 10 v d. 28 v 9. Mạch tích phân có điều kiện là : a- fi > fc d- tất cả đều đúng 10. Mạch vi phân được tạo từ : a- R và C b- op-amp c- L và R d- tất cả đều đúng 11. Cho mạch như hình vẽ tín hiệu vào là xung vuông đơn cực có chu kỳ Ti >> RC thì tín hiệu ra có dạng: a- xung vuông b- xung răng cưa c- xung tam giác d- 2 xung nhọn C Vo Vi R 12. Cho mạch như hình câu 11 có tần số cắt fc = 1 Khz , tín hiệu vào là xung vuông đơn cực có tần số fi=10 Khz thì tín hiệu ra có dạng: a- xung vuông b- xung răng cưa 107
c- xung tam giác d-2 xung nhọn R Vi Vo C 13. Cho mạch như hình vẽ tín hiệu vào là xung vuông đơn cực có chu kỳ Ti > C b- R >>Xc c- R
16. Tín hiệu vào là xung vuông qua mạch lọc thông thấp khi f I
22. Cho mạch lọc thông thấp RC có xung vào là xung vuông lưỡng cực có Ti
CHƯƠNG 6. MẠCH XÉN VÀ GHIM ĐIỆN ÁP Mở đầu Chương 5 đã cung cấp cho sinh viên các phương pháp để biến đổi dạng xung. Trong trường hợp yêu cầu không làm biến đổi dạng xung mà yêu cầu xén trên hoặc xén dưới mức điện áp thì dùng mạch xén, còn trong trường hợp yêu cầu không làm biến đổi dạng xung và không làm thay đổi điện áp đỉnh đỉnh mà yêu cầu ghim mức điện áp ở mức trên hoặc mức dưới thì dùng mạch ghim. Chương 6 cung cấp kiến thức mạch xén và mạch ghim điện áp. Sinh viên sau khi học xong chương 6 phải có khả năng: - Nhận diện được các loại mạch xén, xác định được mức xén điện áp. Phân tích được nguyên lí hoạt động. Ứng dụng được các mạch xén trong thực tế. - Nhận diện được các mạch giới hạn biên độ xung (mạch ghim điện áp). Phân tích được nguyên lí hoạt động , tính toán được các thông số điện. Ứng dụng được các mạch ghim điện áp trong các trường hợp cụ thể. - Thiết kế được các mạch xén, mạch ghim theo các yêu cầu kỹ thuật cho trước. Biết ứng dụng mạch xén, mạch ghim vào các bài toán cụ thể. 6.1. Mạch xén Tùy yêu cầu của mạch cần điều khiển, đối với các tín hiệu xung có biên độ lớn, có thể cần phải giới hạn đến một mức điện áp tối đa nào đó. Ở đây chúng ta sử dụng mạch xén (còn gọi là mạch giới hạn xung). Khi phân loại theo sơ đồ cấu tạo người ta chia ra làm 2 loại: Mạch xén song song và mạch xén nối tiếp. 6.1.1. Mạch xén dương a. Dùng điốt: R D + D + + R + Vi Vo Vi Vo Vn Vn - - - - Hình 6.1a. Mạch xén song song Hình 6.1b. Mạch xén nối tiếp Vi > VN : D dẫn Vi  VN : D tắt  V0 = V N  V0 = V N Vi  VN : D tắt Vi < VN : D dẫn  V0 = V i  V0 = V i * Đặc tuyến hàm truyền đạt : biểu diễn sự phụ thuộc giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra. 111
vo VN VN vi * Khi tín hiệu vào là tín hiệu sin, ta có dạng tín hiệu ra : v VN vi t vo b. Mạch xén dùng điốt Zener: R + Vi Z Vo VZ - Hình 6.2. Mạch xén xung dương  Vi < 0 : Z phân cực thuận, Z dẫn giống Diode  V0 = 0  Vi  0 : Z phân cực nghịch + Vi < VZ : Z tắt  V0 = Vi + Vi  VZ : Z dẫn ổn áp  V0 = VZ 6.1.2. Mạch xén âm a. Mạch xén âm dùng Điốt: Xét phần tín hiệu nhỏ hơn giá trị VN 112
R D + D + + R + Vi Vo Vi Vo Vn Vn - - - - Hình 6.3a. Xén dưới song song Hình 6.3 b.Xén dưới nối tiếp  Vi  VN : D tắt  Vi > VN : D dẫn  V0 = V i  V0 = V i  Vi < VN : D dẫn  Vi  VN : D tắt  V0 = V N  V0 = V N  Đặc tuyến hàm truyền đạt: vo VN VN vi  Dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là tín hiệu sin: v vo VN t vi b. Mạch xén âm dùng Điốt Zener 113
R - Vi Z Vo VZ + Hình 6.4. Maïch xén xung aâm  Vi  0 : Z phân cực nghịch + Vi > - VZ : Z tắt  V0 = V i + Vi  - VZ : Z dẫn ổn áp  V0 = - V Z  Vi > 0 : Z phân cực thuận, Z dẫn giống Diode  V0 = 0V. 6.1.3. Mạch xén 2 mức a. Mạch xén 2 mức dùng Điốt. Kết hợp mạch xén trên và mạch xén dưới  Xén 2 mức song song.  Xén 2 mức nối tiếp  Xén 2 mức nối tiếp và song song. R  Vi < VN1 < VN2 : D1 dẫn, D2 tắt D1 D2  V0 = VN1 vi vo  VN1  Vi  VN2 : D1 tắt, D2 tắt VN1 VN2  V0 = Vi  Vi >VN2 >VN1 : D1 tắt, D2 dẫn VN1  VN2  V0 = VN2 Hình 6.5. Mạch song song vo  Đặc tuyến hàm truyền đạt: VN2 VN1 VN1 VN2 vi 114