CHƯƠNG 1 ; LÝ THUYẾT CÁC MẠCH TÍNH TOÁN, ĐIỀU KHIỂN VÀ TẠO HÀM DÙNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

Chia sẻ: Nguyencvan Hung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:20

Thêm vào BST

Báo xấu

457
lượt xem 101
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương này nhằm giới thiệu việc ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán (KĐTT) trong các mạch khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm. Khảo sát các mạch cộng, trừ, nhân chia, khai căn, mạch khuếch đại loga và đối loga, mạch vi, tích phân, PD, PID, mạch chỉnh lưu chính xác, mạch so sánh tương tự... 1.1. Khái niệm chung Hiện nay, các bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm, tạo tín hiệu hình sine và xung,...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: CHƯƠNG 1 ; LÝ THUYẾT CÁC MẠCH TÍNH TOÁN, ĐIỀU KHIỂN VÀ TẠO HÀM DÙNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

CHƯƠNG 1 CÁC MẠCH TÍNH TOÁN, ĐIỀU KHIỂN VÀ TẠO HÀM DÙNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Chương này nhằm giới thiệu việc ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán (KĐTT) trong các mạch khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm. Khảo sát các mạch cộng, trừ, nhân chia, khai căn, mạch khuếch đại loga và đối loga, mạch vi, tích phân, PD, PID, mạch chỉnh lưu chính xác, mạch so sánh tương tự... 1.1. Khái niệm chung Hiện nay, các bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm, tạo tín hiệu hình sine và xung, sử dụng trong ổn áp và các bộ lọc tích cực... Trong kỹ thuật mạch tương tự, các mạch tính toán và điều khiển được xây dựng chủ yếu dựa trên bộ KĐTT. Khi thay đổi các linh kiện mắc trong mạch hồi tiếp ta sẽ có được các mạch tính toán và điều khiển khác nhau. Có 2 dạng mạch tính toán và điều khiển: tuyến tính và phi tuyến. Tuyến tính: có trong mạch hồi tiếp các linh kiện có hàm truyền đạt tuyến tính. Phi tuyến: có trong mạch hồi tiếp các linh kiện có hàm truyền phi tuyến tính. Về mặt kỹ thuật, để tạo hàm phi tuyến có thể dựa vào một trong các nguyên tắc sau đây: 1. Quan hệ phi tuyến Volt - Ampe của mặt ghép pn của diode hoặc BJT khi phân cực thuận (mạch khuếch đại loga) 2. Quan hệ phi tuyến giữa độ dốc của đặc tuyến BJT lưỡng cực và dòng Emitơ (mạch nhân tương tự). 3. Làm gần đúng đặc tuyến phi tuyến bằng những đoạn thẳng gấp khúc (các mạch tạo hàm dùng diode). 4. Thay đổi cực tính của điện áp đặt vào phân tử tích cực làm cho dòng điện ra thay đổi (khoá diode, khoá transistor). 1.2 Các mạch tính toán và điều khiển 1.2.1 Mạch cộng đảo Áp dụng phương trình cân bằng dòng điện dòng tại nút N ta có : vin1 vin 2 v v + + ... + inn + out = 0 R2 Rn R f R1 1
⎞ ⎛ Rf Rf Rf vinn ⎟ ⇒ vout = −⎜ vin1 + vin 2 + ... + ⎟ ⎜R R2 Rn ⎠ ⎝1 R1 vin1 Rf R2 vin2 vinn vout Rn Hình 1.1 Sơ đồ mạch cộng 1.2.2 Mạch khuếch đại đảo với trở kháng vào lớn Rf R1 vin vout R2 v3 R3 Hình 1.2 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo có trở kháng vào lớn Viết phương trình cân bằng dòng điện tại nút N: Rf vin v3 = 0 suy ra v3 = − + vin R1 R1 R f R2 + R3 Mà vout = ( với điều kiện RN >> R3 ) v3 R3 Rf R2 ⇒ vout = − (1 + )vin R1 R3 Rf R2 Vậy hệ số khuếch đại của mạch : K ' = (1 + ) R1 R3 Trường hợp yêu cầu hệ số khuếch đại lớn thì phải chọn R1 nhỏ. Lúc đó trở kháng vào của mạch ZV = R1 nhỏ. Có thể khắc phục nhược điểm đó bằng cách chọn R1 = Rf R2 lớn. Do đó K’ chỉ còn phụ thuộc vào (1 + ) , có thể tăng tỷ số này tùy ý mà vẫn R3 không ảnh hưởng đến trở kháng vào ZV = R1 = Rf của mạch. 2
1.2.3 Mạch trừ RN R1 vin1 vout vin2 R2 Rp Hình 1.3 Sơ đồ mạch trừ R N RP = =a Giả thiết R1 R2 Điện áp ở cửa vào thuận: avin 2 RP v P = vin 2 = (1) R a +1 RP + P a Điện áp ở cửa vào đảo: RN avin1 vout v N = (vin1 − vout ) + vout = + (2) R a +1 a +1 RN + N a Vì vd = vP – vN = 0 ( vP = vN ) nên từ (1) và (2) ta suy ra: avin 2 avin1 vout = + a +1 a +1 a +1 Vậy vout = a(vin2-vin1) 1.2.4 Mạch trừ với trở kháng vào lớn Vín2 vout Vin1 R KR R/n Hình 1.4 Sơ đồ mạch trừ với trở kháng vào lớn Viết phương trình dòng điện nút cho nút N1 và N2 ta có : vin1 − v N v N vout − v N − + = 0 Mà vN = vin2 R KR R n 3
vout − vin 2 ⇒ vin1-vin2 = nvin2 + =0 K ⇒ Kvin1 - (n + 1) Kvin2 + vout - vin2 = 0 ⇒ vout = vin2 + K(n + 1) vin2 -Kvin1 ⇒ vout = (1 + K + nK) vin2 -Kvin1 Hệ số của Vin2 luôn luôn lớn hơn hệ số của Vin1 ( mạch không tạo được điện áp ra có dạng : K (Vin2 -Vin1). Trở kháng vào của cửa P lớn (Zv = rd), nên không yêu cầu nguồn vin2 có công suất lớn. v3 vin1 R3 N1 R3 R2 R1 N2 R2 vout vin2 Hình 1.4.b mạch điện có trở kháng vào lớn ở cả hai cửa vào Hình 1.4.b trình bày mạch điện có trở kháng vào của cả hai cửa (cửa vin1 và vin2) đều lớn. Viết phương trình dòng điện nút cho N1 và N2 ta có : − vin1 vin 2 − vin1 − vin1 ⎧ v3 + + =0 ⎪ R3 R1 R2 ⎪ ⎨ − vin 2 vout − vin 2 vin1 − vin 2 ⎪ v3 + + =0 ⎪ R3 R2 R1 ⎩ R1 + 2 R3 vout = ( 1 + R2 Suy ra: )(vin2 -vin1) R1 R3 Ta thấy trở kháng vào của cả hai cửa đều lớn và bằng rd của KĐTT. Có thể thay R1 + 2 R3 đổi được hệ số khuếch đại K’ = 1 + R2 khi thay đổi R1. R1 R3 K = Kmin khi R1 = ∞ R2 vout = ( 1 + Lúc đó: )(vin2 -vin1) R3 4
R2 ≠ 0, R3 ≠ ∞ nên K’ > 1 Vì 1.2.5 Mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi R1 R1 vin vout R2 qR2 Hình 1.5 mạch tạo điện áp ra có cực tính thay đổi Vin − Vout V + Vout VN = + Vout = in Ta có: 2 2 VP = qVin Vín + Vout VP = V N ⇒ = qVin Vì: 2 ⇒ Vout = (2q − 1)Vin Khi thay đổi tiếp điểm trên chiết áp R2 ta có hệ số của Vin lúc dương, lúc âm. Khi q = 1/2 (Vout = 0 mặc dù Vin ≠ 0 ) Khi q > 1/2 ( Vout và Vin cùng pha) Khi q < 1/2 ( Vout và Vin ngược pha) 1.2.6 Mạch tích phân đảo iC i1 R vin vout 1.6.a Mạch tích phân đảo Phương trình dòng điện nút tại N: vin dv + C out = 0 i1 + ic = 0 hay R dt t 1 1 vout = − ∫ vin (t).dt = − ∫ vin (t)dt + vout(t = 0) Suy ra RC RC 0 (điện áp ra tỉ lệ với tích phân điện áp vào). 5
Thường chọn hằng số thời gian t = RC = 1s vout (t = 0) là điều kiện đầu, không phụ thuộc vào điện áp vào vin. Nếu vin là điện áp xoay chiều hình sin: vin = Vin sin ωt thì: Vin 1 ∫Vin.sinωt.dt = ωRC.cosωt = Vout cosωt vout = − RC Nghĩa là biên độ điện áp ra tỷ lệ nghịch với tần số. Đặc tuyến biên độ - tần số của mạch tích phân : Vout 1 = f (ω ) = có độ dốc -20dB/decade. ωRC Vin Mạch được gọi là mạch tích phân trong một phạm vi tần số nào đó nếu trong phạm vi tần số đó đặc tuyến biên - tần của nó giảm với độ dốc 20dB/decade. Để giảm ảnh hưởng của dòng tĩnh It và dòng điện lệch không có thể gây sai số đáng kể cho mạch tích phân, ở cửa thuận của bộ KĐTT người ta mắc thêm một điện trở thay đổi được R1 và nối xuống masse. C R vin vout R1 Hình 1.6.b Mạch tích phân đảo có điện trở R1 bù dòng lệch không Điều chỉnh R1 sao cho R1 ≅ R thì giảm được tác dụng của dòng điện lệch không Io = IP - IN 1.2.7 Mạch tích phân tổng C R1 vin1 vin2 R2 vinn vout Rn RP Hình 1.7 Sơ đồ mạch tích phân tổng 6
Dùng phương pháp xếp chồng và viết phương trình dòng điện nút đối với nút N ta tìm được: 1 ⎛ vin1 vin 2 vinn ⎞ ∫ ⎜ R1 + R2 + ... + Rn ⎟dt vout = − ⎜ ⎟ C⎝ ⎠ 1.2.8 Mạch tích phân hiệu CN R1 vin1 vout vin2 R2 CP Hình 1.8 Sơ đồ mạch tích phân hiệu Viết phương trình đối với nút N : vin1 − v N d (vout − v N ) + CN =0 (1) dt R1 vin 2 − v P dv − CP . P = 0 Đối với nút P : (2) dt R2 Biến đổi và cho vN = vP, R1CN = R2CP = RC dv dvout (1) ⇒ vin1 - vN = - R1CN + R1C N N dt dt dv P (2) ⇒ vin2 - vP = R2CP dt dvout Suy ra: vin2 - vin1 = RC dt 1 RC ∫ ⇒ vout = (vin 2 − vin1 )dt 1.2.9. Mạch vi phân RN C1 vin vout Hình 1.9 Sơ đồ mạch vi phân 7
dvin v i = C1 = − out Ta có : dt RN dvin ⇒ vout = - RNC1 dt vin = Vinsinωt Giả thiết: ⇒ vout = -RNC1ωVincosωt = -Voutcosωt Đặc tuyến biên độ - tần số của mạch vi phân: Vout = f (ω ) = ωRC có độ dốc 20dB/decade. Vin Vậy : Mạch được gọi là mạch vi phân trong một phạm vi tần số nào đó nếu trong phạm vi tần số đó đặc tuyến biên - tần của nó tăng với độ dốc 20dB/decade. 1.2.10 Mạch PI (Proportional Integrated) RN v1 C i1 iN vin vout N R1 Hình 1.9 Sơ đồ mạch PI Mạch thường được sử dụng trong các mạch điều khiển. Mạch có điện áp ra được biểu diễn theo dạng: vout = A.vin + B ∫ vin dt vin Áp dụng phương trình cân bằng dòng tại N: i1 + iN = 0 ⇒ i N = −i1 = − (1) R1 1 C∫ vout = vC + v1 = − i1dt + RN i N Mặt khác: (2) RN 1 Thay (1) vào (2) ⇒ vout = −vin R1C ∫ - vin dt R1 vin = Vincosωt Giả sử RN V ⇒ vout = − Vin cos ωt − in sin ωt = Vout cos(ωt + Φ ) ωR1C R1 ⇒ Đặc tuyến biên tần: 2 ⎞ ⎛ω ⎟ +1 ⎜ ⎟ ⎜ω 1 ω 2 RN C 2 + 1 1 2 Vout 1 1 ⎠ ⎝o K= = RN + 2 2 = = ' 2 ωC ω 2C 2 ωC 22 Vin R1 R1 R1 1 11 Đặt: ωo = Khi ω
Suy ra đặc tuyến biên độ tần số có độ dốc -20dB/decade (tương ứng khu vực I) Suy ra sơ đồ làm việc như một mạch tích phân 20 log K ′ I P RN 20 log R1 -20dB/decade log ω 1 ωo = RN C Hình 1.10 Đặc tuyến biên-tần của mạch PI RN Khi ω >> ω o ⇒ K ' ≈ ⇒ Mạch mang tính chất khuếch đại nhiều hơn (tương ứng với R1 khu vực P). Khu vực trung gian là khu vực chuyển tiếp. 1.2.11 Mạch PID (Proportional Integrated Differential) RN v1 CN C1 iN Vin Vout N R1 Hình 1.11.a Sơ đồ mạch PID PID cũng là mạch hay được sử dụng trong kỹ thuật điều khiển để mở rộng phạm vi tần số điều khiển của mạch và trong nhiều trường hợp tăng tính ổn định của hệ thống điều khiển trong một dải tần số rộng. dvin Điện áp ra có dạng: vout = A.vin + B ∫ vin dt + C dt vin dv + C1 in + i N = 0 Từ phương trình dòng điện nút tại N: (1) R1 dt 1 CN ∫ Và phương trình điện áp ra trên nhánh ra: vout = i N RN + (2) i N dt Thay (1) vào (2): ⎞ ⎛ vin ⎞ ⎛v dv dvin 1 ∫⎜ R ⎟dt ⎟ RN + vout = −⎜ in + C1 in + C1 ⎟ ⎜ ⎟ ⎜R dt CN dt ⎠ ⎝ ⎠ ⎝1 1 9
⎛R C⎞ dvin 1 ∫ vin dt − RN C1 dt (*) vout = −⎜ N + 1 ⎟vin − Suy ra: ⎜R ⎟ ⎝ 1 CN ⎠ R1C N 1 * Ở tần số thấp ω > ω1 = thì thành phần vi phân trong (*) chiếm ưu thế. R1C1 ⎛ RN C1 ⎞ • Trong dải: ω N < ω < ω1 thì thành phần khuếch đại ⎜ ⎟vin chiếm ưu thế. + ⎜ ⎟ ⎝ R1 C N ⎠ Do đó đặc tuyến biên tần của mạch có dạng như hình vẽ: 20 log K I: Tích phân I D P : T ỉ lệ D: Vi phân P ωN ω1 log ω Hình 1.11.b Đặc tuyến biên-tần của mạch PID 1.3 Các mạch khuếch đại và tính toán phi tuyến liên tục 1.3.1 Mạch khuếch đại Loga D R vin vout Hình 1.12.a Sơ đồ mạch khuếch đại Loga dùng Diode Để tạo mạch khuếch đại loga, mắc diode hoặc BJI ở mạch hồi tiếp của bộ KĐTT. Mạch điện dùng diode (1.12.a.) có thể làm việc tốt với dòng điện I nằm trong khoảng nA → mA Dòng điện qua diode và điện áp đặt lên diode có quan hệ : ⎛v ⎞ iD = I o exp⎜ D ⎟ ⎜v ⎟ ⎝T ⎠ Trong đó : iD, vD : dòng điện qua diode và điệp áp đặt lên diode. Io: dòng điện ban đầu, có trị số bằng dòng qua diode ứng với điện áp ngược cho phép. 10
vT : điện áp nhiệt. Ở nhiệt độ bình thường thì vT= 26mV v iD ⇒ vout ≅ −v D = −vT ln = −vT ln in Io RI o R vout vin Hình 1.12.b Sơ đồ mạch khuếch đại Loga dùng BJT Mạch (1.12.b.) làm việc tốt với dòng điện trong khoảng pA → mA Dòng Colectơ iC phụ thuộc vào điện áp Bazơ - emitơ theo quan hệ : VBE iC = AN iE = AN I Ebh (e − 1) vT Với AN: hệ số khuếch đại dòng điện khi mắc Bazơ chung (BC) IEbh: là dòng điện emitơ ở trạng thái bão hòa. vBE vBE − 1 >> 0 ⇔ e >> 1 vT vT Khi e VBE iC = AN I Ebh (e vT Ta có: ) Mà vout =-vBE; vin=RiC iC vin ⇒ vout = −vT ln = −vT . ln AN I Ebh AN I Ebh R Mạch chỉ làm việc với điện áp vào dương (do mối nối p-n) Muốn làm việc với điện áp âm thì ta thay BJT npn bằng BJT pnp. 1.3.2 Mạch khuếch đại đối Loga R D vin vout Hình 1.13.a. Sơ đồ mạch khuếch đại đối Loga dùng Diode VD vout = − I D R = − RI o e VT Vin vD = vin nên vout = − RI o e VT Vì: 11
R vin vout Hình 1.13.b. Sơ đồ mạch khuếch đại đối Loga dùng Transitor −Vin VBE iC = AN I Ebh e = AN I Ebh e VT VT ( Do vBE = -vin) −Vin ⇒ vout = iC R = RAN I Ebh e V T 1.3.3 Mạch nhân dùng nguyên tắc khuếch đại loga và đối loga vx K1ln(vx/K2) ln vZ = K3vxvy/K22 K1ln(vxvy/K22) ln(vxvy/K22) KĐại Tổng exp 1/K1 vy ln K1ln(vy/K2) Hình 1.14. Mạch nhân dùng nguyên tắc khuếch đại Loga và đối Loga Các mạch khuếch đại loga và đối loga có thể dùng mạch như đã xét ở mục trên. Coi mạch tổng có thể dùng một khuếch đại tổng KĐTT. Mạch nhân này có sai số khoảng 0,25% đến 1% so với giá trị cực đại của tín hiệu vào. Mạch chỉ làm việc được với các tín hiệu vx, vy > 0 (do tính chất hàm loga). Mạch nhân 4200 là một trong những mạch tiêu biểu được chế tạo theo nguyên tắc này. 1.3.4 Chia mạch dùng khuếch đại loga và đối loga vZ K1ln(vZ/K2) ln ln(vZ /vx) K1ln(vZ /vx) Vy = K3vZ/vx Kđại Hiệu exp 1/K1 vx ln K1ln(vx/K2) Hình 1.15. Mạch chia tương tự dung nguyên tắc khuếch đại Loga và đối Loga 12
v vz v − K1 ln x = K1 ln z A = K1 ln K2 K2 vx vz vz v ln = K3 =K z vx vY = K 3 e vx vx Điều kiện : vZ, vX, vY : chỉ lấy giá trị dương 1.3.5 Mạch luỹ thừa bậc hai Đấu hai đầu vào của mạch nhân với nhau ta sẽ có mạch lũy thừa: vx vZ K Hình 1.16. Sơ đồ mạch luỹ thừa bậc hai Lúc này vx = vy ⇒( vZ = Kvx2) Giả sử điện áp vào có dạng sin: vX = Vcosωt KV 2 vout = K (V cos ωt ) 2 = (1 + cos 2ωt ) Thì điện áp ra: 2 ⇒ có thể dùng mạch lũy thừa bậc hai để nhân tần số. 1.3.6 Mạch chia theo nguyên tắc nhân đảo a. Mạch chia thuận Kvxvy vx Mạch nhân K>0 vy = vZ/Kvx vZ Hình 1.17. Sơ đồ mạch chia thuận Ta có tại cửa thuận : vN = KvX vY vP = vZ mà vP = vN ⇒ vZ = KvXvY vZ ⇒ vout = vY = Kv X 13
b. Mạch chia đảo Kvxvy vx K>0 R R vZ vy Hình 1.18. Sơ đồ mạch chia đảo K .v x v z v + = 0 ⇒ vy = − z PTCB dòng tại N : R R Kv x Trong các biểu thức trên vZ có thể lấy dấu tùy ý, còn vX luôn luôn dương. Nếu vX < 0 thì hồi tiếp qua bộ nhân về đầu vào bộ KĐTT là hồi tiếp dương, làm cho mạch chuyển sang trạng thái bão hòa gây méo lớn. vX > 0 chỉ đúng với mạch nhân thuận (K > 0) vX < 0 chỉ đúng với mạch nhân đổi dấu (K < 0) 1.3.7 Mạch khai căn Mạch khai căn được thực hiện bằng cách mắc vào mạch hồi tiếp của bộ KĐTT một mạch lũy thừa. Kvx2 K R R vZ vx= vy Hình 1.19.a. Mạch khai căn đảo 2 v Z Kv x + =0 vP = 0; R R 2 v Z Kv x vP = vN = 0 ⇒ + =0 Do : 2 2 14
− vZ ⇒ v X = vY = vout = 2 2 2 K 1 (− v Z ) với vZ < 0 ⇒ vout = K Kvx2 K R vx = vy vZ Hình 1.19.b. mạch khai căn thuận Ta có: vZ = vN v N = Kv X = KvY = Kvout 2 2 2 Mà vZ ⇒ Kvout = v N ⇒ vout = với vZ ≥ 0 2 K Mạch điện hình 1.19.a chỉ làm việc với điện áp vào vZ < 0, còn mạch điện hình 1.19.b thì vZ > 0. Trong trường hợp ngược lại thì mạch sẽ có hồi tiếp dương làm mạch bị kẹt. Để ngăn ngừa người ta mắc thêm diode (mỗi mạch một diode) ở đầu ra của bộ KĐTT như hình vẽ. 1.4 Các mạch phi tuyến không liên tục 1.4.1 Nguyên tắc thực hiện các mạch phi tuyến không liên tục và các phần tử cơ bản của nó Các phần tử cơ bản dùng để tạo hàm phi tuyến không liên tục là các bộ so sánh tương tự và diode lý tưởng. Diode lý tưởng được cấu tạo bằng cách mắc vào mạch hồi tiếp của bộ KĐTT một diode thực. Ta so sánh nguyên lý làm việc và sai số trong trường hợp dùng diode thực và diode v tưởng. lý D vin ~ R vout Hình 1.20.a. Mạch phi tuyến không liên tục dùng diode thực vout = vin - vD 15
Khi vin < vng thì mạch không làm việc, vout = 0; Khi vin > vng thì vout ≠ 0 ⇒ mạch điện dùng diode thực có điện áp ngưỡng vng nên không thể làm việc với điện áp vào bé được. vD vo R vout vin ~ Hình 1.20.b. Mạch phi tuyến không liên tục dùng diode lý tưởng vo = AOLvD = AOL (vin -vout); vD + vout = AOL (vin -vout) với AOL >> 1 vng vD ⇒ vout ≈ vin - ⇒ điện áp ngưỡng: v'ng = AOL AOL Với AOL cỡ 104 ÷105 và vng ≈ 0,6V thì mạch điện này có thể chỉnh lưu được điện áp cỡ mV. 1.4.2 Mạch chỉnh lưu chính xác Được dùng chủ yếu trong các bộ nguồn cung cấp, trong các máy đo. Phân loại mạch chỉnh lưu: - Mạch chỉnh lưu nửa sóng. - Mạch chỉnh lưu toàn sóng : gồm chỉnh lưu cân bằng và chỉnh lưu cầu. 1.4.2.1 Mạch chỉnh lưu nửa sóng R D1 vout v0 vout R vin vin Hình 1.24. Mạch chỉnh lưu nửa sóng Khi vin < 0 thì vo < 0 ⇒ D1 tắt ⇒ vout = 0; Khi vin > 0 thì vo > 0 ⇒ D1 mở ⇒ vout = vo; vout = vin ⇒ vout = 2 vin Mặt khác : v N = 2 1.4.2.2 Mạch chỉnh lưu toàn sóng dùng sơ đồ cầu: (c.lưu giá trị trung bình số học) 16
vin Khi vin > 0 ⇒ iin = chạy qua R1, diode D1, điện trở tải (dụng cụ đo), diode D3 R1 rồi đến đầu ra bộ KĐTT và về đất. Khi vin < 0 ( iin chạy từ đầu ra bộ KĐTT, qua D2, qua dụng cụ đo, qua diode D4, qua R1 rồi trở về đầu vào. vin iin = Do đó dòng điện qua dụng cụ đo bằng: R1 D2 D1 D3 D4 vout R1 vin Hình 1.25. Mạch chỉnh lưu toàn song dung sơ đồ cầu vout = vt (trên cơ cấu đo) = vin (lấy N làm mốc). 1.4.2.3 Mạch chỉnh lưu giá trị hiệu dụng Khi mắc thêm vào cửa đảo mạch nối tiếp R2, C2 thì ta có một mạch chỉnh lưu giá D2 trị hiệu dụng. D1 C2 D3 D4 R2 Vout Vin R1 Hình 1.26. Mạch chỉnh lưu giá trị hiệu dụng T T 2 2I 1 2I T∫ ∫ sin ωt dt = π I sin ωt dt I Sh = I Sh = Ta đã biết: T0 0 T 1 I 1 ∫ ( I sin ωt ) dt = I T T / 2 = 2 I hd = 2 T0 17
π ⇒ so với trị trung bình số học thì trị hiệu dụng lớn gấp lần. 22 1π π I hd = I Sh = I Sh 22 22 Lúc đó điện áp một chiều thì R2, C2 không có tác dụng. Lúc đó điện áp xoay chiều thì R2, C2 tham gia vào điện trở R1 dưới dạng R1 // R2. Để đồng hồ chỉ giá trị hiệu dụng thì ta phải có : R1 R2 22 22 = R1 ⇒ R2 = R1 π R1 + R2 π −2 2 Tụ C2 phải chọn sao cho trở kháng của nó đối với thành phần xoay chiều không đáng kể, nếu không hạ áp trên nó sẽ gây ra sai số đo. Giả thiết sai số đo cho phép là 1% ứng với tần số vào thấp nhất fmin bằng cách tính toán trở kháng Z của R1 // (R2 + 1/j(ωC2) ta có thể tìm được giá trị C2. 0,32 C2 = 2πf min R1 1.4.2.4 Mạch chỉnh lưu giá trị đỉnh D vC vin vout A1 A2 C K iC v vout vin t Hình 1.27. Mạch chỉnh lưu giá trị đỉnh và dạng sóng ra Khi vin > 0 và vin > vc thì diode thông và dòng ra của bộ KĐTT A1 nạp điện cho tụ C cho tới khi bằng điện áp cực đại của tín hiệu vào (điện áp đỉnh): vc ≈ Vinmax. Nếu sau đó vin giảm thì D ngắt, tụ C phóng điện qua điện trở ngược của diode và tạo dòng tải it. Nếu điện trở ngược của diode và điện trở vào A1 lớn ⇒ điện áp trên tụ C là điện áp đỉnh có giá trị ổn định. Nếu đổi chiều diode D thì điện áp trên tụ C là điện áp đỉnh âm A2 là mạch lặp điện áp làm tầng đệm để tăng trở kháng tải cho mạch chỉnh lưu. Khóa K tạo đường xã cho tụ khi cần đo giá trị mới. 18
1.4.2.5 Mạch so sánh tương tự Mạch so sánh tương tự có nhiệm vụ so sánh một điện áp vào vin với một điện áp chuẩn Vch. Tín hiệu vào dạng tương tự sẽ được biến thành tín hiệu ra dưới dạng mã nhị phân. Nghĩa là đầu ra hoặc ở mức thấp (L) hoặc ở mức cao (H). Nó là mạch ghép nối giữa ANALOG và DIGITAL. Đặc điểm: Phân biệt giữa bộ KĐTT thông thường với bộ so sánh chuyên dụng (mà thực chất cũng là một bộ KĐTT). - Bộ so sánh có tốc độ đáp ứng cao hơn để thời gian xác lập và phục hồi nhỏ. - Là KĐTT làm việc ở trạng thái bão hòa nên mức ra thấp (L) và mức ra cao (H) của nó gần với mức dương và mức âm của nguồn. Các mức này phải tương ứng vout với mức logic. VRH VN vin vout VP vP - vN VRL Hình 1.28. Mạch so sánh và đặc tuyến vào ra 1.4.2.5.1 Đặc tuyến truyền đạt tĩnh của bộ so sánh vP - vN > 0 ⇒ vout = vRH : điện áp ra ứng với mức cao. vP - vN < 0 ⇒ vout = vRL : điện áp ra ứng với mức thấp. 1.4.2.5.2 Đặc tuyến truyền đạt thực vout CHƯA BÙ LỆCH vout KHÔNG vP - vN CÓ BÙ LỆCH KHÔNG Δv vout V0 Hình 1.29. Đặc tuyến truyền đạt thực 19
Δv: đặc trưng cho bộ nhạy của bộ so sánh V0: điện áp lệch không. 1.4.2.5.3 Đặc tính động của bộ so sánh vin = vP - vN 1 t vin = 20mV vout vin = 1mV t tc Hình 1.30. Đặc tính động của bộ so sánh tc ≈ 10ns : gọi là thời gian chết. Sườn dốc của đặc tuyến ra tỷ lệ thuận với biên độ vin. Bộ so sánh yêu cầu phải có độ nhạy cao : đáp ứng nhanh. tc nhỏ và phải có độ dốc lớn : vùng khuếch đại bé. 1.4.2.5.4 Bộ so sánh không có trễ R1 vin R2 vin vout Vch Vch vout V + Vo (a) (b) Hình 1.31. Bộ so sánh không trễ Hình a) vin = vch + Vo vin − Vo Vch − Vo = IN + Hình b) R1 R2 ⎛ R⎞ R1 Vch + Vo ⎜1 + 1 ⎟ + I N R1 ⇒ vin = − ⎜ R⎟ R2 ⎝ 2⎠ 20