Giáo trình Kỹ thuật xung số (Nghề: Điện công nghiệp - Trung cấp) - Trường CĐ Công nghiệp Hải Phòng

Chia sẻ: Cuchoami2510 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:303

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Kỹ thuật xung số cung cấp cho người học những kiến thức như: Các khái niệm cơ bản kỹ thuật xung; mạch dao động đa hài; mạch logic MSI; mạch đếm và thanh ghi; họ vi mạch TTL-CMOS;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật xung số (Nghề: Điện công nghiệp - Trung cấp) - Trường CĐ Công nghiệp Hải Phòng

UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP HẢI PHÒNG GIÁO TRÌNH Môn học/Mô đun: Kỹ thuật xung số NGHỀ:ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP Hải Phòng, 2019
1 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
2 LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện công nghiệp ở trình độ Cao Đẳng, giáo trình Kỹ thuật xung số là một trong những giáo trình môn học đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình đào tạo trường Cao đẳng Công nghiệp Hải Phòng đã phê duyệt. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logic. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết và bài tập được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế trong sản xuất đồng thời có tính thực tiển cao. Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo. Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên thức mới cho phù hợp. Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực hành của từng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Tổ bộ môn
3 MỤC LỤC PHẦN 1 : KỸ THUẬT XUNG ....................................................................... 7 Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ................................................................. 7 1. Định nghĩa xung điện, các tham số và dãy xung ................................................. 7 1.1. Định nghĩa xung điện ....................................................................................... 7 1.2. Các thông số của xung điện và dãy xung ..................................................... 7 2. Tác dụng của R-C đối với các xung cơ bản ................................................... 11 2.1. Tác dụng của mạch RC đối với các xung cơ bản ....................................... 11 2.2. Tác dụng của mạch RL đối với các xung cơ bản ....................................... 23 3. Tác dụng của mạch R.L.C đối với các xung cơ bản ..................................... 25 Bài2: MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI .............................................................. 48 1. Mạch dao động đa hài không ổn ........................................................................ 48 1.1. Mạch dao động đa hài dùng Transistor ....................................................... 48 1.2. Mạch dao động đa hài dùng IC 555 ............................................................ 51 1.3. Mạch dao động đa hài dùng cổng logic ...................................................... 54 2. Mạch đa hài đơn ổn ........................................................................................... 57 2.1 Mạch đa hài đơn ổn dùng Transistor ............................................................ 57 2.2. Mạch đa hài đơn ổn dùng IC 555 ............................................................... 59 3. Mạch đa hài lưỡng ổn ........................................................................................ 59 3.1. Mạch đa hài lưỡng ổn dùng Transistor ....................................................... 60 3.2. Mạch đa hài lưỡng ổn dùng IC 555 ............................................................. 61 4. Mạch Schmitt-trigger ......................................................................................... 63 4.1. Mạch Schmitt-trigger dùng Transistor ........................................................ 63 4.2. Mạch Schmitt-trigger dùng cổng logic ....................................................... 65 PHẦN 2 : KỸ THUẬT SỐ ........................................................................... 79 Bài 1: ĐẠI CƯƠNG ...................................................................................... 79 1.Tổng quan về mạch tương tự và mạch số ........................................................ 79 1.1 Định nghĩa ....................................................................................................... 79 1.2 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự .......................... 80 2 . Hệ thống số và mã số ........................................................................................ 81 2.1 Hệ thống số thập phân (Decimal system) ........................................................ 81 2.2 Hệ thống số nhị phân (Binary system) ............................................................ 82 2.3 Hệ thống số bát phân (Octal system) ............................................................... 83 2.4 Hệ thống số thập lục phân (Hexadecimal system) .......................................... 84 2.5 Mã BCD (Binary code decimal) ...................................................................... 86 2.6 Mã ASCII......................................................................................................... 87 3. Các cổng Logic cơ bản ...................................................................................... 93 3.1 Cổng AND ...................................................................................................... . 93 3.2 Cổng OR .......................................................................................................... 94 3.3 Cổng NOT ....................................................................................................... 95 3.4 Cổng NAND ............................................................................................ ........ 95 3.5 Cổng NOR ....................................................................................................... 97
4 3.6 Cổng EX-OR .................................................................................................... 98 3.7 Cổng EX-NOR ................................................................................................. 98 3.8 Cổng đệm (Buffer) ........................................................................................... 99 4. Biểu thức Logic và mạch điện ......................................................................... 100 4.1 Mạch điện biểu diễn biểu thức Logic ............................................................ 100 4.2 Xây dựng biểu thức Logic theo mạch điện cho trước ................................... 103 5. Đại số Boole và định lý Demorgan ................................................................. 106 5.1 Hàm Bool một biến ........................................................................................ 107 5.2 Hàm Bool nhiều biến ..................................................................................... 107 5.3 Định lý Demorgan ........................................................................................ 108 6. Đơn giản biểu thức logic ................................................................................. 108 6.1 Đơn giản biểu thức logic bằng phương pháp đại số .................................. 110 6.2 Rút gọn biểu thức logic bằng biểu đồ Karnaugh ....................................... 111 7. Giới thiệu một số IC số cơ bản ........................................................................ 119 Bài 2: FLIP - FLOP ..................................................................................... 130 1. Flip - Flop R-S ................................................................................................ 130 1.1. FF R-S sử dụng cổng NAND ..................................................................... 130 1.2 Mạch FF R-S sử dụng cổng NOR ................................................................ 131 1.3. FF R-S tác động theo xung lệnh ................................................................ 131 2. Flip - Flop J-K ............................................................................................... 133 3. Flip - Flop T .................................................................................................... 136 4. Flip - Flop D ................................................................................................... 137 5. Flip - Flop với ngõ vào Preset và Clear ....................................................... 138 Bài 3: MẠCH LOGIC MSI .......................................................................... 156 1. Mạch mã hóa (Encoder) ................................................................................. 156 1.1. Sơ đồ khối tổng quát ..................................................................................... 156 1.2. Mạch mã hóa từ 4 sang 2 .............................................................................. 157 1.3. Mạch mã hóa từ 8 sang 3 .............................................................................. 158 1.4. Mạch mã hóa ưu tiên .................................................................................... 159 2. Mạch giải mã (Decoder) .................................................................................. 161 2.1 Đặc điểm chung ............................................................................................ 162 2.2 Mạch giải mã 2 sang 4 ................................................................................... 162 2.3. Mạch giải mã 3 sang 8 .................................................................................. 163 2.5. Mạch giải mã BCD sang Led 7 đoạn ......................................................... 166 2.6. Mạch giải mã BCD sang chỉ thị tinh thể lỏng (LCD) .............................. 173 3. Mạch ghép kênh ............................................................................................... 174 3.1. Tổng quát ..................................................................................................... 174 3.2. Mạch ghép 2 kênh sang 1 ........................................................................... 175 3.3. Mạch ghép 4 kênh sang 1 ........................................................................... 176 4. Mạch tách kênh ................................................................................................ 177 4.2. Mạch tách kênh 1 sang 2 ............................................................................. 177 4.3. Mạch tách kênh 1 sang 4 ............................................................................. 178
5 5. Giới thiệu một số IC mã hóa và giải mã thông dụng ....................................... 179 5.1. IC giải mã ..................................................................................................... 179 5.2.Một số IC ghép kênh hay dùng ...................................................................... 182 5.3. Một số IC giải mã tách kênh hay dùng ........................................................ 185 5.4. Mạch ghép kênh ............................................................................................ 187 6. Tính toán, lắp ráp một số mạch ứng dụng cơ bản ........................................... 188 6.1. Mạch ghép kênh ............................................................................................ 188 6.2. Dùng mạch ghép kênh để thiết kế tổ hợp ..................................................... 189 Bài 4: MẠCH ĐẾM VÀ THANH GHI ........................................................ 191 1. Mạch đếm ...................................................................................................... .. 191 1.1. Mạch đếm lên không đồng bộ ...................................................................... 191 1.2. Mạch đếm xuống không đồng bộ ................................................................. 193 1.3. Mạch đếm lên, đếm xuống không đồng bộ (n=4) ........................................ 195 1.4. Mạch đếm không đồng bộ chia n tần số ....................................................... 196 1.5. Mạch đếm đồng bộ ....................................................................................... 197 1.6. Mạch đếm vòng ............................................................................................ 198 1.7 Mạch đếm vòng xoắn (Jonhson) .................................................................... 200 1.8. Mạch đếm với số đếm đặt trước ................................................................... 200 2. Thanh ghi ......................................................................................................... 201 2.1. Thanh ghi vào nối tiếp ra song song dịch phải ............................................. 201 2.2. Thanh ghi vào nối tiếp ra song song dịch trái .............................................. 202 2.3. Thanh ghi vào song song ra song song ......................................................... 203 3. Giới thiệu một số IC đếm và thanh ghi thông dụng ........................................ 203 Bài 5: HỌ VI MẠCH TTL – CMOS ............................................................ 216 1. Cấu trúc và thông số cơ bản của TTL ............................................................. 216 1.1. Cơ sở của việc hình thành cổng logic họ TTL ............................................. 216 1.2. Cấu trúc cơ bản của TTL .............................................................................. 218 2. Cấu trúc và thông số cơ bản của CMOS ......................................................... 233 2.1. Đặc trưng của các vi mạch số họ CMOS ..................................................... 235 2.2. Cấu trúc CMOS của các cổng logic cơ bản .................................................. 236 2.3. Các thông số cơ bản của các vi mạch số họ CMOS ..................................... 241 3. Giao tiếp TTL và CMOS ................................................................................. 244 3.1. TTL kích thích CMOS .................................................................................. 244 3.2. CMOS kích thích TTL .................................................................................. 245 4. Giao tiếp giữa mạch logic và tải công suất ...................................................... 246 4.1. Giao tiếp với tải DC ...................................................................................... 246 4.2. Giao tiếp với tải AC ...................................................................................... 249 4.3. Giao tiếp sử dụng nối quang ......................................................................... 250 4.4. Giao tiếp sử dụng rơ le ................................................................................. 250 Bài 6: BỘ NHỚ ........................................................................................... 253 1. ROM ................................................................................................................ 255 1.1. Cấu trúc ROM............................................................................................... 255
6 1.2. Cấu trúc ma trận nhớ ..................................................................................... 259 1.3. Cấu trúc tế bào ROM .................................................................................... 261 1.4. Cấu trúc tế bào PROM .................................................................................. 263 1.5. EPROM......................................................................................................... 264 2. RAM ................................................................................................................ 265 2.1. Cấu trúc RAM ............................................................................................... 265 2.2. Cấu trúc tế bào RAM .................................................................................... 267 3. Mở rộng dung lượng bộ nhớ ............................................................................ 268 3.1. Phương pháp mở rộng số đường địa chỉ ....................................................... 268 3.2. Phương pháp mở rộng số đường dữ liệu ...................................................... 269 4. Giới thiệu IC .................................................................................................... 271 4.1 Chip EPROM M2732A ................................................................................. 271 4.2 Chip EPROM M27C64A ............................................................................... 272 4.3. IC SRAM MCM6264C................................................................................. 273 4.4. IC DRAM TMS44100 .................................................................................. 275 Bài 7: KỸ THUẬT ADC – DAC ................................................................. 278 1. Mạch chuyển đổi số sang tương tự (DAC) ...................................................... 278 1.1. Tổng quá về chuyển đổi DAC ...................................................................... 278 1.2. Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi DAC .................................................. 279 1.3. Mạch DAC dùng điện trở có trị số khác nhau .............................................. 282 1.4. Mạch DAC sử dụng nguồn dòng .................................................................. 283 1.5. Mạch ADC dùng điện trở R và 2R ............................................................... 285 2. Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC) ...................................................... 286 2.1. Tổng quát về chuyển đổi ADC ..................................................................... 286 2.2. Vấn đề lấy mẫu và giữ .................................................................................. 288 2.3. Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang ........................................... 290 2.4. Mạch ADC gần đúng lấy liên tiếp ................................................................ 293 2.5. Mạch ADC chuyển đổi song song ................................................................ 294 3. Giới thiệu IC .................................................................................................... 296 3.1. IC AD7524.................................................................................................... 296 3.2 IC DAC0830 .................................................................................................. 299 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 302
7 PHẦN 1 : KỸ THUẬT XUNG Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Giới thiệu Các tín hiệu điện có biên độ thay đổi theo thời gian được chia ra làm hai loại cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu gián đoạn. Tín hiệu liên tục còn được gọi là tín hiệu tuyến tính hay tương tự, tín hiệu gián đoạn còn gọi là tín hiệu xung số. Tín hiệu sóng sin được xem như là tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên tục, ta có thể tính được biên độ của nó ở từng thời điểm. Ngược lại tín hiệu sóng vuông được xem là tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu gián đoạn và biên độ của nó chỉ có hai giá trị là mức cao và mức thấp, thời gian để chuyển từ mức biên độ thấp lên cao và ngược lại rất ngắn và được xem như tức thời. Một chế độ mà các thiết bị điện tử thường làm việc hiện nay đó là chế độ xung. Mục tiêu: Trình bày được các khái niệm về xung điện, dãy xung Giải thích được sự tác động của các linh kiện thụ động đến dạng xung Rèn luyện tính tư duy, tác phong công nghiệp Nội dung Định nghĩa xung điện, các tham số và dãy xung 1.1. Định nghĩa xung điện Xung là tín hiệu tạo nên do sự thay đổi mức của điện áp hay dòng điện trong một khoảng thời gian rất ngắn, có thể so sánh với thời gian quá độ của mạch điện mà chúng tác động. Thời gian quá độ là thời gian để một hệ vật lý chuyển từ trạng thái vật lý này sang trạng thái vật lý khác. Các tín hiệu xung được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử: truyền thông, công nghệ thông tin, vô tuyến, hữu tuyến… 1.2. Các thông số của xung điện và dãy xung Tín hiệu xung vuông như hình 1.3 là một tín hiệu xung vuông lý tưởng, thực tế khó có 1 xung vuông nào có biên độ tăng và giảm thẳng đứng như vậy:
8 u Um 0.9Um u tx u Um tng Um 0.1Um 0 T t 0 tđ t ttr ts tx A, xung vuông lý tưởng B, xung vuông thực tế Hình 1.3: Dạng xung Xung vuông thực tế với các đoạn đặc trưng như: sườn trước, đỉnh, sườn sau. Các tham số cơ bản là biên độ Um, độ rộng xung tx, độ rộng sườn trước ttr và sau ts, độ sụt đỉnh ∆u. Biên độ xung Um xác định bằng giá trị lớn nhất của điện áp tín hiệu xung có được trong thời gian tồn tại của nó. Độ rộng sườn trước ttr, sườn sau ts là xác định bởi khoảng thời gian tăng và thời gian giảm của biên độ xung trong khoảng giá trị 0.1Um đến 0.9Um Độ rộng xung Tx xác định bằng khoảng thời gian có xung với biên độ trên mức 0.1Um (hoặc 0.5Um). Độ sụt đỉnh xung ∆u thể hiện mức giảm biên độ xung tương tứng từ 0.9Um đến Um.   Với dãy xung tuần hoàn ta có các tham số đặc trưng như sau: Chu kỳ lặp lại xung T là khoảng thời gian giữa các điểm tương ứng của 2 xung kế tiếp, hay là thời gian tương ứng với mức điện áp cao t x và mức điện áp thấp tng , biểu thức (1.1) T = tx + tng (1.1) Tần số xung là số lần xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian (1.2) 1 F= (1.2) T Thời gian nghỉ tng là khoảng thời gian trống giữa 2 xung liên tiếp có điện áp nhỏ hơn 0.1Um (hoặc 0.5Um). Hệ số lấp đầy γ là tỷ số giữa độ rộng xung tx và chu kỳ xung T (1.3) tx  (1.3) T
9 Do T = tx + tng , vậy ta luôn có   1 - Độ rỗng của xung Q là tỷ số giữa chu kỳ xung T và độ rộng xung tx (1.4) T Q  (1.4) tx xung vớiTrong kỹ thuật xung - số, chúng ta sử dụng phương pháp số đối với tín hiệu quy ước chỉ có 2 trạng thái phân biệt - Trạng thái có xung (tx) với biên độ lớn hơn một ngưỡng UH gọi là trạng thái cao hay mức “1”, mức U thường chọn cỡ từ 1/2Vcc đến Vcc. H - Trạng thái không có xung (tng) với biên độ nhỏ hơn 1 ngưỡng UL gọi là trạng thái thấp hay mức “0”, U được chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito hay IC) L  - Các mức điện áp ra trong dải UL < U < UH được gọi là trạng thái cấm.  Dãy xung : Kỹ thuật xung không chỉ phát ra một xung đơn mà còn phát ra được một dãy xung liên tiếp tuần hoàn với chu kỳ T, nghĩa là sau mỗi thời gian T lại có một xung lăp lại hoàn toàn giống như xung trước.  - Các dạng dãy xung tuần hoàn thường gặp: Dãy xung vuông góc là dạng dãy xung thường gặp nhất trong kỹ thuật điện tử. Các thông số đặc trưng cho dãy xung gồm: biên độ U M, độ rộng xung tx, thời gian nghỉ tn, chu kỳ T= tx + tn, tần số f=1/T. Ngoài ra còn có 2 thông số phụ đặc trưng khác là hệ số lấp đầy  = tx/T và độ hổng (rỗng) Q= 1/  = T/tx. Nếu Q = 2, (tx = tn) thì dãy xung gọi là dãy xung vuông góc đối xứng. Dãy xung răng cưa thuần túy (tf = 0), chu kỳ T. Mạch phát dãy xung này thường dùng trong thiết bị dao động kí điện tử, với vai trò bộ tạo sóng quét ngang. Dãy xung tuần hoàn. Nó thường dùng để kích khởi những hoạt động có tính chu kỳ. Các mạch phát xung tuần hoàn thường là những mạch hoạt động không chịu sự điều khiển bởi các xung kích Dãy xung có thể không tuần hoàn. Mạch phát các xung này thường là những mạch hoạt động theo sự điều khiển của các xung kích khởi bởi ở bên ngoài, và gọi là các mạch kích khởi. Ứng với mỗi xung kích thích bên ngoài, mạch cho ra một xung có biên độ và độ rộng xung không thay đổi, nghĩa là dạng xung đưa ra hoàn toàn lặp lại giống nhau sau mỗi xung kích thích. Các dạng hàm cơ bản của tín hiệu xung Hàm đột biến (hình 1.5). v(t) = a.1(t - t0). Đột biến xảy ra tại thời điểm t = t0 với biên độ là a. 1(t – t0) : Hàm đột biến đơn vị.
10 Khi t < t0 : v = 0 Khi t ≥ t0 : v = a Hình 1.5 Hàm đột biến Hàm tuyến tính (hình 1.6) v(t) = k(t - t0) k : Độ dốc của hàm. Hình 1.6 Hàm tuyến tính Hàm mũ giảm (hình 1.7) v(t) = a.e −(t − t0 ) / τ Hình 1.7 Hàm mũ giảm Hàm mũ tăng (hình 1.8) −(t − t0 ) / τ v(t) = a.(1− e ) Hình 1.8 Hàm mũ tăng  Để phân tích 1 tín hiệu xung, phải đưa về dạng tổng các hàm cơ bản. Ví dụ: Như hình 1.9 ta phải đưa về tổng các hàm cơ bản, sau đó mới tính ra được hàm
11 của nó. Hình 1.9 Ta có : V(t) = V1(t) + V2(t) Suy ra: V(t) = V1(t) + V2(t) = a.1(t) – a.1( t-t0 ) 2. Tác dụng của R-C đối với các xung cơ bản Mục tiêu: Trình bày và phân tích sự giống và khác nhau giữa RC, RL đối với các mạch của xung cơ bản. 2.1. Tác dụng của mạch RC đối với các xung cơ bản Mạch lọc thông thấp, hình 1.12 Hình 1.12. Mạch lọc thông thấp Tín hiệu lấy ra trên C Mạch lọc thông thấp cho các tín hiệu có tần số nhỏ hơn tần số cắt qua hoàn toàn.Tín hiệu có tần số cao bị suy giảm biên độ . Tín hiệu lấy trên tụ C làm cho tín hiệu ra trể pha so với tin hiệu vào (1.5) 1 - Tần số cắt fc  (1.5) 2RC Tại tần số cắt điện áp ta có biên độ V Vi 0  2  1.6
12 Hình 1.13. Mạch lọc RC và đáp ứng xung của mạch lọc Mạch tích phân RC Mạch lọc RC là mạch mà điện áp ra V0 (t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào Vi (t). Trong đó K là hệ số tỉ lệ, mạch tích phân RC chính là mạch lọc thông thấp khi tín hiệu vào có tần số fi rất lớn so với tần số cắt fc của mạch. Ta có công thức: Vi (t) = VR (t) +VC (t) (1.7) Từ điều kiện tần số fi rất lớn so với tần số cắt fc ta có (1.8): fi >> fc = 1/ 2 RC  R >> Xc = 1/2 fi C  VR (t) >> VC (t) (1.9) (vì dòng I (t) qua R và C bằng nhau) Từ (1.7) và (1.9) ta có Vi (t)  VR (t) = R.i (t)  i(t) = Vi (t)/R (1.10) Điện áp ra V0 (t): 0 c 1  V (t )  V (t )  c i (t ) dt V (t ) V0 (t )  c  iR dt 0 1  i  V (t )  RC V (t )dt 1.11 Như vậy, điện áp ra V0(t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào Vi (t) với hệ số tỉ lệ K = 1/RC khi tần số fi rất lớn so với fc . Điều kiện mạch tích phân fi >> fc  fi >> 1/2RC. RC >> 1/2 fi  >> 1/2 fi = Ti / 2 Trong đó:  = RC là hằng số thời gian. Ti là chu kỳ tín hiệu vào. Ví dụ: Trường hợp điện áp vào Vi(t) là tín hiệu hình sin qua mạch tích phân. Vi (t )  Vm sin (t ) 1.12
13 Điện áp ra: 0 1  m V (t )  RC  V sin tdt   Vm cos .t RC  V (t )  V m sin(t  90 0 ) 1.13 0 RC Như vậy, nếu thỏa mãn điều kiện của mạch tích phân như trên thì điện áp ra bị 1 trễ pha 90 và biên độ bị giảm xuống với tỉ lệ là 0 . RC Điện áp vào là tín hiệu xung vuông: khi điện áp vào là tín hiệu xung vuông có chu kỳ 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. Giả sử điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng có chu kỳ Ti (hình 1.14a). Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian = RC rất nhỏ so với Ti thì tụ nạp và xả rất nhanh nên điện áp ngõ ra V0(t) có dạng sóng giống như dạng điện áp vào Vi(t) hình 1.14b. Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian = Ti /5 thì tụ nạp và xã điện áp theo dạng hàm số mũ, biên độ của điện áp ra nhỏ Vp hình 1.14 c. Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian  rất lớn so với Ti thì tụ C nạp rất chậm nên điện áp ra có biên độ rất thấp hình 1.14d, nhưng đường tăng giảm điện áp gần như đường thẳng. Như vậy, mạch tích phân chọn trị số RC thích hợp thì có thể sửa dạng xung vuông có ngõ vào thành dạng sóng tam giác ở ngõ ra. Nếu xung vuông đối xứng thì xung tam giác ra là tam giác cân.
14 Hình 1.14: Dạng sóng vào ra của tín hiệu xung vuông Mạch tích phân dùng Op Amp Mạch tích phân đảo hình 1.15 \ Hình 1.15 Thiết lập quan hệ vào ra. Với i1 = - i2 Mà i  vv  v vv ( v  v  0), i (t ) C dvr (t) 1 R R  2 dt  vv (t )  C dvv (t)  v (t )  1 v (t ) dt R dt r RC v 1 Hệ số tỉ lệ K  RC , hai linh kiệ R và C để tạo hằng số thời gian của mạch. Mạch lọc thông cao ( hình 1.16)
15 Hình 1.15a. Mạch lọc thông cao Hình 1.15b: Mạch đáp ứng tần số Mạch lọc thông cao cho các tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt qua hoàn toàn, tín hiệu có tần số thấp bị suy giảm biên độ. Tín hiệu ra lấy trên R, làm cho tín hiệu sớm pha so với tín hiệu vào. Tương tự, ta có: 1 Tần số cắt:fc   2 RC Tại tần số cắt điện áp ra có biên độ: V  V i 0 2 Mạch vi phân RC: là mạch có điện áp ngõ ra V0 tỉ lệ với đạo hàm theo  thời gian của điện áp ngõ vào Vi (t). Ta có:   V (t )  K d V (t ) 1.14 0 i dt Trong đó k là hệ số tỉ lệ mạch vi phân RC chính là mạch lọc thông cao RC khi tín hiệu vào có tần số fi rất thấp so với tần số cắt của fc của mạch. Từ hình 1.15a, ta có: Vi(t) = V R(t) + V C (t) (1.15) Từ điều kiện tần số fi rất thấp so với tần số cắt fc ta có : fi
16 dV (t ) dV (t ) i  c dt dt  1 dq (t )  1 i (t ) 1.18 c dt c   Từ đây ta có phương trình theo (1.18) dV (t ) i (t )  C i dt  1.19  Điện áp ra V0(t): V0 (t )  VR (t )  Ri (t) dV1 (t )  V0 (t )  RC 1.20  dt Như vậy điện áp ra V0(t) tỉ lệ với vi phân theo thời gian của điện áp vào với hệ số tỉ lệ K là K = RC khi tần số fi rất thấp so với fc. Điều kiện mạch vi phân fi
17   A  1 , ( ar tan f ) 1.21 f 2 fc 1 ( ) fc Với tần số cắt là : f  1 1.22 2 RC  c Hình 1.16 Đáp ứng tần số của mạch lọc Nếu tần số f > fc (ở dãi tần số cao) thì điện áp ngõ ra giảm. Do vậy, xem như ở ngõ ra không có thành phần tần số cao. Nếu tần số f < fc (ở dải tần số thấp), điện áp ngõ ra có biên độ cao, tức ngõ ra có thành phần tần số thấp. Đây cũng là vấn đề gặp ở mạch khuếch đại tần số cao, xuất hiện tần số cắt trên fc . Mối quan hệ giữa tần số và độ lợi hình 1.17. Tại tần số f c độ lợi giảm – 3 dB, đây là giá trị lớn nhất của độ lợi tại tần số cao.Như vậy,tại tần số cắt thì biên độ giảm -3dB. Hình 1.17: Biểu diễn độ lợi  Khi ngõ vào là xung chữ nhật: uv(t) = E[u(t)-u(t-t1)], hình 1.18
18 Hình 1.18: Ngõ vào là xung chữ nhật Trường hợp: uv(t) = 0, nếu t < 0 và t  0 uv(t) = E, nếu 0  t < t1 Trong khoảng thời gian từ 0 đến t1 ngõ vào có biên độ điện áp là E, tụ C nạp điện, điện áp trên tụ C tăng dần theo quy luật hàm mũ.  t      u (t )  E 1  e  , với n n .   RC c     Điện áp trên điện trở giảm dần cũng theo quy luật hàm mũ t  u (t )  Ee  n R Vậy, ta có: uR(t) = uV(t) – uC(t) ( 1.27) Khi uc(t) tăng dần thì uR(t) giảm dần, tùy theo giá trị của t lớn hay nhỏ mà tụ nạp trong thời gian dài hay ngắn khác nhau. Trong khoảng thời gian t > t1, điện áp ngõ vào mạch RC có giá trị là 0. Lúc này, tụ C là đóng vai trò như nguồn điện áp cung cấp cho mạch, nghĩa là tụ C xả điện qua điện trở R. Do đó điện áp trên tụ C giảm dần theo quy luật hàm mũ, còn điện áp trên điện trở tăng dần cũng theo quy luật hàm mũ, nhưng mang giá trị âm. t / f vC (t )  E .e t / f (1.28) v R (t ) E .e  Điện áp vào là tín hiệu xung vuông: Khi điện áp vào là tín hiệu xung vuông có chu kỳ 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 điện. Giả sử điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng có chu kỳ Ti (hình 1.19a) + Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian = (Ti /5) thì tụ nạp và xả điện tạo dòng i(t)
19 qua điện trở R tạo ra điện áp giảm theo hàm số mũ. Khi điện áp ngõ vào bằng 0V thì đầu dương của tụ nối mass và tụ sẽ xả điện áp âm trên điện trở R. Ở ngõ ra sẽ có hai xung ngược nhau có biên độ giảm dần hình 1.19b Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian rất nhỏ so với Ti thì tụ sẽ nạp xả điện rất nhanh nên cho ra hai xung ngược dấu nhưng có độ rộng xung rất hẹp được gọi là xung nhọn. Như vậy, nếu thỏa điều kiện của mạch vi phân thì mạch RC sẽ đổi tín hiệu từ xung vuông đơn cực ra xung nhọn lưỡng cực. Hình 1.19. Dạng sóng vào và ra của mạch vi phân Bài tập: Cho mạch như hình vẽ hình. 1.20 Hình 1.20 Vi =5.1 (t), R = 1kΩ, C = 470pF. Hãy xác định và vẽ đồ thị V C(t), VR(t) cho các trường hợp sau: a. E = 0, R1 =∞ b. E = 1V, R1 =∞ c. E = 1V, R1 = 2 kΩ Giải : a. E = 0, R1 =∞. Mạch tương đương, hình 1.21. Hình 1.21