Giáo trình : Kỹ thuật xung part 1

Chia sẻ: Ouiour Isihf | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

592
lượt xem 175
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của bài giảng này nhằm cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ bản về kỹ thuật xung, các phương pháp tính toán thiết kế và các công cụ toán học hỗ trợ trong việc biến đổi, hình thành các dạng xung mong muốn… Đây là bài giảng để giảng dạy, trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết đi kèm với ví dụ, ứng dụng, cuối mỗi chương đều có bài tập để sinh viên kiểm tra và củng cố.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình : Kỹ thuật xung part 1

MUÏC LUÏC CHÖÔNG 1. CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN ................................................................. 3 1.1. Ñaïi cöông .......................................................................................................... 3 1.2. Caùc xung thöôøng gaëp ........................................................................................ 6 1.3. Moät soá khaùi nieäm veà xung ................................................................................ 9 CHÖÔNG 2. BIEÁN ÑOÅI DAÏNG SOÙNG BAÈNG MAÏCH R,L,C .............................. 13 2.1. Maïch loïc thoâng cao-maïch vi phaân .................................................................. 14 2.2. Maïch loïc thoâng thaáp-maïch tích phaân ............................................................. 23 2.3. Caùc boä suy hao ................................................................................................ 31 CHÖÔNG 3. CHUYEÅN MAÏCH ÑIEÄN TÖÛ ............................................................... 43 3.1. Cheá ñoä xaùc laäp ................................................................................................ 43 3.2. Cheá ñoä quaù ñoä................................................................................................. 52 CHÖÔNG 4. MAÏCH XEÙN, MAÏCH SO SAÙNH ......................................................... 58 4.1. Khaùi nieäm ....................................................................................................... 58 4.2. Maïch xeùn vôùi diode lyù töôûng .......................................................................... 59 4.3. Maïch xeùn vôùi diode thöïc teá ............................................................................ 66 4.4. Maïch xeùn ôû hai möùc ñoäc laäp .......................................................................... 69 CHÖÔNG 5. MAÏCH KEÏP ......................................................................................... 73 5.1. Khaùi nieäm ....................................................................................................... 73 5.2. Maïch keïp duøng diode lyù töôûng ....................................................................... 74 5.3. Maïch keïp khi keå ñeán ñieän trôû thuaän vaø ñieän trôû nguoàn ................................. 80 5.4. Maïch keïp taïi cöïc neàn BJT .............................................................................. 84 CHÖÔNG 6. MAÏCH ÑA HAØI ................................................................................... 88 6.1. Khaùi nieäm ....................................................................................................... 88 6.2. Ña haøi duøng caùc linh kieän töông töï ................................................................. 90 6.3. Ña haøi duøng coång logic ................................................................................. 110 6.4. Dao ñoäng duøng thaïch anh ............................................................................. 119 Trang 1
LỜI NÓI ĐẦU Mục đích của bài giảng này nhằm cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ bản về kỹ thuật xung, các phương pháp tính toán thiết kế và các công cụ toán học hỗ trợ trong việc biến đổi, hình thành các dạng xung mong muốn… Đây là bài giảng để giảng dạy, trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết đi kèm với ví dụ, ứng dụng, cuối mỗi chương đều có bài tập để sinh viên kiểm tra và củng cố. Bài giảng được biên soạn cho khóa học 45 tiết dành cho sinh viên năm 3 hệ đại học khoa Điện Điện tử trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ Tp HCM Danh sách những thuật ngữ thường xuất hiện, có kèm theo tiếng Anh tương đương để sinh viên tiện tham khảo tài liệu Bài giảng gồm 6 chương dựa trên nhiều nguồn tham khảo trong và ngoài nước, với bố cục bám sát đề cương môn học Kỹ Thuật Xung dành cho sinh viên ngành Điện Tử Viễn Thông trường Đại học Kỹ Thuật như sau: Chương 1. Các khái niệm cơ bản Chương 2. Biến đổi dạng sóng bằng mạch R,L,C Chương 3. Chuyển mạch điện tử Chương 4. Mạch xén, mạch so sánh Chương 5. Mạch kẹp Chương 6. Mạch đa hài NGUYỄN TRỌNG HẢI Trang 2
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 1 CHƯƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN I. ĐẠI CƯƠNG Phân loại tín hiệu • Theo dạng sóng: Tín hiệu tam giác, sin, xung vuông, nấc thang, . . . • Theo tần số : Tín hiệu hạ tần, âm tần, cao tần, siêu cao tần, . . . • Theo sự liên tục : Tín hiệu liên tục biên độ và thời gian. • Theo sự rời rạc : Tín hiệu rời rạc biên độ và thời gian. • Tuần hoàn : Tín hiệu có dạng sóng lặp lại sau mỗi chu kỳ. Một số tín hiệu liên tục p(t) +A 1 T t T/2 t 0 -A Hình 1.1b. Chuỗi xung Hình 1.1a. Tín hiệu A sin ωt K K 0 t 0 t Hình 1.1d. Hàm mũ Hình 1.1c. Xung tam giác GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 3
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 1 Một số tín hiệu rời rạc x ( n) 2π x(n) = sin( n) 8 1 8 n n …0 … … -1 0 1 2 3 4 5 6 7 … Hình 1.2b, Hàm mũ rời rạc Hình 1.2a, Tín hiệu sin rời rạc Ngày nay trong kỹ thuật vô tuyến điện, có rất nhiều thiết bị công tác trong một chế độ đặc biệt: chế độ xung. Trong các thiết bị này, dòng và áp tác dụng lên mạch một cách rời rạc theo một quy luật nào đó. Ở những thời điểm đóng hoặc ngắt điện áp, trong mạch sẽ phát sinh quá trình quá độ, phá hủy chế độ công tác tĩnh của mạch. Bởi vậy việc nghiên cứu các quá trình xảy ra trong các thiết bị xung có liên quan mật thiết đến việc nghiên cứu quá trình quá độ trong các mạch đó. Nếu có một dãy xung tác dụng lên mạch điện mà khoảng thời gian giữa các xung đủ lớn so với thời gian quá độ của mạch. Khi đó tác dụng của một dãy xung như một xung đơn. Ngược lại nếu khoảng thời gian kế tiếp của xung đủ nhỏ so với quá trình quá độ của mạch thì phải nghiên cứu tác dụng của một dãy xung giống như của những điện áp hoặc dòng điện có dạng phức tạp. Việc phân tích mạch ở chế độ xung phải xác định sự phụ thuộc hàm số của điện áp hoặc dòng điện trong mạch theo thời gian ở trạng thái quá độ. Có thể dùng công cụ toán học như: phương pháp tích phân kinh điển. Phương pháp phổ (Fourier) hoặc phương pháp toán tử Laplace… Phương pháp khảo sát Có nhiều cách để khảo sát sự biến đổi tín hiệu khi đi qua mạch RC, trong đó có phương pháp quá độ trong mạch điện với 2 phương pháp quen thuộc: • Giải và tìm nghiệm của phương trình vi phân. • Tìm hàm truyền đạt của mạch và biến đổi Laplace. a. Phương pháp tích phân kinh điển. Phương trình mạch và nghiệm. d n−1 y (t ) d n y (t ) dy (t ) + a n−1 + ... + a1 + a0 y (t ) = f (t ) an n −1 n dt dt dt Vế phải của phương trình f(t) đã được xac định, y(t) ở vế trái là nghiệm cần tìm (điện áp hay dòng điện), nghiệm (họ nghiệm) của y(t) như sau GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 4
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 1 y(t) = yxl(t) + yqđ(t) Nghiệm của phương trình thuần nhất d n −1 y (t ) d n y (t ) dy (t ) + a n −1 + ... + a1 + a 0 y (t ) = 0 an n −1 n dt dt dt có 3 dạng: thực đơn, đơn và phức, bội Nghiệm thực p1, p2, pn có dạng như sau: y qd = K 1e p1t + K 2 e p2t + ... + K n e pnt Nghiệm phức p1 = −α + j β , p2 = −α − j β có dạng như sau: y qd = K 1e −αt cos( βt + φ ) Nghiệm kép p1=p2 có dạng như sau: y qd = ( K 1 + K 2 t )e p1t b. Phương pháp toán tử Laplace Biến đổi Laplace 1 phía được xác định như sau: ∞ F ( s ) = L[ f (t )] = ∫ f (t )e − st dt 0 Mạch tương đương R, L, C + + I(s) I(s) sL i 0/ s 1/sL u(s) u(s) Li0 - - + + I(s) I(s) 1/sC Cu0 u(s) u(s) sC u0/s - - Hình 1.3. Sơ đồ tương đương của L,C GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 5
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 1 Biến đổi Laplace của một số hàm Hàm f(t) Biến đổi Laplace của f(t) 1 1 1 s 2 T 1 s2 tn 3 n! s n +1 e-at 4 1 s+a 5 1 1 (1 − e − at ) s( s + a) a 6 1 1 (e − a1t − e −a2t ) a 2 − a1 ( s + a1 )( s + a2 ) 7 1 s (a1e − a1t − a 2 e − a2t ) a1 − a 2 ( s + a1 )( s + a2 ) 8 t n e − at n! ( s + a) n +1 ω sin ωt 9 s + ω2 2 cos ωt 10 s s + ω2 2 II. CÁC XUNG THƯỜNG GẶP 1. Hàm bước đơn vị (Unit-step Function) u(t) t≥0 1 ⎧1 u (t ) = ⎨ t
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 1 2. Xung chữ nhật (regtangular Pulse) p(t) 1 t1 ≤ t < t 2 ⎧1 p (t ) = ⎨ t t < t1 , t ≥ t 2 ⎩0 t1 t2 0 Hình 1.5. Xung chữ nhật Có thể xem xung vuông p(t) như là tổng của 2 xung x1 và x2 sau: p(t) = x1(t) + x2(t) với x1(t) = u (t - t1) x2(t) = -u(t - t2) Ví dụ, Tương tự cho các ý niệm về hàm nấc thang x(t) 3 2 1 t 1 0 2 3 Hình 1.6. Hàm nấc thang Hàm x(t) có thể viết thành x(t) = u(t) + u(t - 1) + u(t - 2) - 3u(t - 3) Sinh viên tự chứng minh 3. Xung đơn vị (Unit-Impulse Function) Còn gọi là xung δ (t ) hay phân bố Dirac, được định nghĩa như sau: δ(t ) ⎧δ(t ) = 0 t≠0 ⎪ε ⎨ ⎪ ∫ δ(λ)dλ ∀ε > 0 ⎩− ε t 0 Hình 1.7. Xung Dirac Xung Dirac δ (t ) có thể được khảo sát như là đạo hàm của u(t). GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 7
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 1 Hình 1.8a. Hàm bước đơn vị gần đúng Hình 1.8b. Xung Dirac gần đúng Rõ ràng bước nhảy đơn vị u(t) là giới hạn của u (t ) khi Δ → 0. Từ đó, có thể xác định xung Dirac gần đúng δ (t ) là đạo hàm của bước nhảy đơn vị gần đúng u (t ) , du (t ) δ (t ) = tức là : dt t ∫ δ (τ )dτ Và u(t) có thể được biểu diễn dưới dạng tích phân : u(t) = −∞ ∞ ∫ x(t ).δ (t − to )dt = x(to) Một kết quả quan trọng −∞ 4. Hàm dốc (Ramp Function) r(t) t≥0 ⎧t r(t) = ⎨ = t.u(t) t
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 1 5. Hàm mũ (Exponential Function) x1(t) = K.e-tu(t) x2(t) = K.(1 - e-t) u(t) x2(t) = K.(1 - e-t) u(t) x1(t)= K.e-tu(t) K K 0 t 0 t Hình 1.10a. Hàm mũ giảm Hình 1.10b. Hàm mũ tăng III. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ XUNG tp A t 0 toff ton T=ton + toff Hình 1.11. chuỗi xung vuông 1. Hệ số công tác (pulse duty factor) tp (%) q= q=10% T t(ms) 1 10 q=40% t(ms) 10 4 Hình 1.12. Hệ số công tác q GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 9
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 1 2. Độ rộng xung A 0.1A 0.9A 0.1A t tf tr tp Hình 1.13a. Độ rộng xung Trong đó: A: biên độ cực đại tr: thời gian lên (thời gian xung tăng từ 10% đến 90% biên độ A) tf: thời gian xuống (thời gian xung giảm từ 90% đến 10% biên độ A) Độ rộng xung tp tính từ giá trị 0.1 biên độ đỉnh cực đại, nghĩa là 0.1A Ngày nay trong các hệ thống số, người ta thường định nghĩa tp với giá trị từ 0.5A A 0.5A tp Hình 1.13b. Độ rộng xung trong các hệ thống số GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 10
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 1 Bài tập chương 1 1. Viết lại các hàm sau: x2(t) x1(t) 2 1 t t -1 0 01 x4(t) x3(t) 3 2 2 34t 0 t 01 2 x6(t) x5(t) 3 3 2 2 1 t 3 t 01 2 4 0 2 3 x8(t) x7(t) 1 1 -2 -1 1 2 t t 1 -1 -1 -1 2. Viết hàm x(t) sau thành dạng tổng của các hàm u(t), r(t) x9(t) 3 1 3 t 0 1 2 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 11
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 1 3. Viết hàm trên dưới dạng hàm xác định từng đoạn 4. Vẽ hàm sau: x10(t) = 5(t - 4)u(t - 4) x11(t) = (t - 1)[u(t -1)- u(t -3)] x12(t) = t.[ u(t +3)+ u(t -3)-u(t +1)- u(t -1)] x13(t) = 5(1-e-(t-1)).u(t - 1) 5. Cho mạch sau: C K R E a. Tại thời điểm t=0 đóng khóa K, dùng phương pháp tích phân kinh điển, xác định điện áp trên tụ C và trên điện trở R, giả sử điện áp ban đầu của tụ C bằng 0 K C 1 2 R E b. Tại thời điểm t=t0 chuyển khóa K sang vị trí 2, dùng phương pháp tích phân kinh điển, xác định điện áp trên tụ C và trên điện trở R. Giả sử VC(t0-)=0 6. Lặp lại bài 5 bằng phương pháp biến đổi Laplace GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 12
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 2 CHƯƠNG 2. BIẾN ĐỔI DẠNG SÓNG BẰNG R, L, C Neáu tín hieäu sin ñöôïc caáp cho moät heä thoáng bao goàm caùc phaàn töû tuyeán tính, ôû traïng thaùi xaùc laäp, tín hieäu ngoõ ra seõ coù daïng soùng laëp laïi daïng soùng ngoõ vaøo. Aûnh höôûng cuûa maïch leân tín hieäu ñöôïc chæ ra bôûi tæ leä bieân ñoä vaø pha cuûa ngoõ ra ñoái vôùi ngoõ vaøo. Ñaëc ñieåm naøy cuûa daïng soùng ñuùng trong taát caû caùc heä thoáng tuyeán tính, tín hieäu sin laø duy nhaát. Caùc daïng soùng tuaàn hoaøn khaùc, trong tröôøng hôïp toång quaùt, soùng ngoõ vaøo vaø ngoõ ra coù raát ít söï gioáng nhau. ÔÛ quaù trình naøy, daïng tín hieäu khoâng sin ñöôïc bieán ñoåi baèng caùch truyeàn qua moät heä thoáng tuyeán tính ñöôïc goïi laø “bieán ñoåi daïng soùng tuyeán tính”. Trong maïch xung coù moät soá daïng soùng khoâng sin nhö haøm böôùc, xung diract, xung vuoâng, haøm doác vaø haøm muõ. Töông öùng vôùi nhöõng tín hieäu naøy laø caùc maïch ñieän ñieån hình ñôn giaûn R, L, C ñöôïc moâ taû trong chöông naøy. Neáu heä thoáng ñieän töû caàn cung caáp nhöõng chuoãi xung coù taàn soá cao hoaëc taàn soá thaáp, khi ñoù ngöôøi ta duøng maïch phaùt xung vaø bieán ñoåi daïng xung theo yeâu caàu cuûa heä thoáng. Daïng maïch bieán ñoåi daïng xung cô baûn laø duøng maïng RC - RL - RLC, caùc phaàn töû naøy coù theå maéc noái tieáp hoaëc song song vôùi nhau. Tuøy theo tín hieäu ngoõ ra laáy treân phaàn töû naøo maø hình thaønh caùc maïch loïc khaùc nhau. Maïch loïc ñöôïc chia thaønh loïc thuï ñoäng vaø loïc tích cöïc. Maïch loïc thuï ñoäng chæ duøng nhöõng phaàn töû thuï ñoäng nhö R, L, C (baûn thaân caùc phaàn töû naøy khoâng mang naêng löôïng) ñeå thöïc hieän chöùc naêng loïc. Coøn maïch loïc tích cöïc duøng caùc phaàn töû tích cöïc nhö Op-amp keát hôïp vôùi voøng hoài tieáp goàm R vaø C. Neáu phaân theo taàn soá thì coù maïch loïc thoâng thaáp, maïch loïc thoâng cao, maïch loïc thoâng daûi vaø maïch loïc chaén daûi. GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 13