Đang tải... (xem toàn văn)
CHƢƠNG 6 CÁC MẠCH TẠO VÀ BIẾN ĐỔI DẠNG XUNG 1 Khái niệm chung 2 Chế độ khoa của dụng cụ bán dẫn 3 Các mạch trigơ 4 Mạch đa hài tự kích 5 Mạch đa hài đợi 6 Mạch phát xung sử dụng IC555 7 Mạch tạo điện.
CHƢƠNG CÁC MẠCH TẠO VÀ BIẾN ĐỔI DẠNG XUNG Khái niệm chung Chế độ khoa dụng cụ bán dẫn Các mạch trigơ Mạch đa hài tự kích Mạch đa hài đợi Mạch phát xung sử dụng IC555 Mạch tạo điện áp biến đổi đƣờng thẳng Mạch sửa xung §1 KHÁI NIỆM CHUNG “Kỹ thuật xung - số” thuật ngữ bao gồm lĩnh vực rộng quan trọng ngành kĩ thuật điện tử - tin học Ngày bước phát triển nhảy vọt kĩ thuật tự động hố, mang ý nghĩa khâu then chốt công cụ thiếu để giải nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể hướng tới mục đích làm giảm chi phí lượng thời gian cho q trình cơng nghệ hay kỹ thuật, nâng cao tính hiệu chúng Trong chương này, thời gian có hạn nên đề cập đến số vấn đề có tính chất kỹ thuật xung số mạch tạo biến đổi dạng xung Ngày có nhiều thiết bị làm việc chế độ đặc biệt, chế độ xung Khác với thiết bị điện tử làm việc chế độ liên tục, chế độ xung, dòng điện hay điện áp tác dụng lên mạch cách rời rạc theo mơt quy luật Ở thời điểm đóng ngắt điện áp, mạch phát sinh trình độ, phá huỷ chế độ làm việc tĩnh mạch Vì việc nghiên cứu trình xảy thiết bị xung có liên quan mật thiết đến việc nghiên cứu trình độ mạch Các thiết bị xung ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật đại như: thông tin, điều khiển, rađa, vơ tuyến truyền hình, máy tính điện tử, điện tử ứng dụng… Tùy theo nhiệm vụ mà thiết bị có sử dụng nhiều loại sơ đồ xung khác Chúng khác nguyên tắc cấu tạo, nguyên lí làm việc tham số Tổ hợp tất phương pháp thiết bị để tạo biến đổi dạng xung, để biểu thị chọn xung gọi “KỸ THUẬT XUNG” Trước vào nghiên cứu trình xung, ta cần hiểu tín hiệu xung tham số đặc trưng Tín hiệu xung dạng tín hiệu xung 1.1 Tín hiệu xung: Các tín hiệu điện có giá trị thay đổi theo thời gian chia làm hai loại tín hiệu liên tục tín hiệu gián đoạn Tín hiệu liên tục cịn gọi tín hiệu tương tự, tín hiệu gián đoạn cịn gọi tín hiệu xung hay số Nói cách khác: Xung điện điện áp hay dòng điện tồn khoảng thời gian ngắn so sánh với thời gian độ mạch điện mà chúng tác dụng 1.2 Các dạng tín hiệu xung: Tín hiệu hình sin xem tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên tục.Với tín hiệu hình sin, có đường biểu diễn hình 3.1, ta tính giá trị thời điểm u u U H +Um UL 0 t t -Um Hình 3.1: Tín hiệu hình sin Hình 3.2: Tín hiệu hình vng Ngược lại tín hiệu hình vng xem tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu gián đoạn Với tín hiệu hình vng, có đường biểu diễn hình 3.2, có giá trị mức cao (UH) mức thấp (UL), thời gian để chuyển từ mức thấp lên mức cao hay từ mức cao xuống mức thấp ngắn xem tức thời Trên thực tế tín hiệu xung khơng có loại hình vng, mà cịn có dạng khác xung tam giác, xung cưa, xung nhọn, xung hình thang…Trong nhiều trường hợp xung tam giác gọi xung cưa ngược lại u u a) tx c) Um t Tx u t Tx u t t b) Tx d) Tx Hình 3.3: Một số dạng xung thường gặp: a - xung vuông; b - xung tam giác; c - xung hình thang ; d - xung kim Các dạng xung hình 3.3 khác dạng sóng, có điểm chung thời gian tồn xung ngắn hay biến thiên giá trị từ thấp lên cao (như xung nhọn) hay từ cao xuống thấp (xung tam giác) xảy nhanh Các tham số tín hiệu xung Thơng thường hay gặp dãy xung có chu kỳ lặp lại Tx, dãy xung đặc trưng tham số như: Tần số lặp lại fx , độ rỗng Qx hệ số đầy + Độ rỗng dãy xung tỷ số chu kỳ lặp lại Tx với độ rộng xung tx Qx Tx tx + Trị số nghịch đảo Qx hệ số đầy xung = tx Tx Thông thường phạm vi biến đổi Qx lớn từ vài hàng trăm, chí hàng nghìn đơn vị + Tần số lặp lại dãy xung đo Hz tức số xung giây liên hệ với độ rỗng theo biểu thức : fx = 1 Tx Qx t x Dạng xung qui luật biến đổi trị số điện áp (dòng điện) xung theo thời gian, tham số tín hiệu xung Tuỳ theo mục đích cơng tác mà người ta sử dụng dãy xung có hình dạng khác Qua ví dụ ta thấy thơng thường thời gian tồn xung t x nhỏ so với chu kỳ lặp lại T x có thời điểm xung biến đổi đột ngột Tuy thực tế gặp dãy xung mà thời gian tồn tx nửa lớn nửa chu kỳ lặp lại Những dãy xung gọi dãy xung rộng Tuy nhiên khái niệm hồn tồn khơng phải tuyệt đối, ví dụ: điều khiển tự động thường dùng xung có độ rộng đến hàng giây, thông tin liên lạc dùng xung có độ rộng vài chục s đến vài ms vật lý lại dùng xung cỡ ns xung có độ rộng hẹp Để đặc trưng cho dạng tín hiệu xung, người ta thường dùng số tham số sau (hình 3.4) u U 0,9Um Um 0,9 Um 0,1 Um 0,1Um t ts2 ts1 tx Hình 3.4 - Độ rộng xung tx: khoảng thời gian tồn xung - Biên độ xung Um (Im): giá trị cực đại xung - Độ rộng sườn trước ts1 : khoảng thời gian tăng giá trị xung từ 0,1Um tới 0,9Um - Độ rộng sườn sau ts2 : khoảng thời gian giảm giá trị xung từ 0,9Um tới 0,1Um Đôi để thay cho tham số độ rộng sườn xung người ta sử dụng tham số “độ dốc sườn xung" độ tăng giảm xung (độ dốc sườn trước SS1 , độ dốc sườn sau SS2 ) S S1 Um , t S1 SS2 Um ; tS - Độ sụt đỉnh xung U: độ giảm giá trị xung phần đỉnh xung Trong thực tế thường dùng độ sụt đỉnh tương đối để dễ dàng so sánh mức sụt đỉnh xung với biên độ nó: U U Um Trong thực tế khó xác định điểm bắt đầu kết thúc sườn xung đỉnh xung Bởi người ta thường đo độ rộng sườn xung theo quy ước khoảng thời gian để xung tăng từ 0,1Um đến 0,9Um ngược lại Khi độ rộng xung đo khoảng thời gian xung lớn 0,1Um Có thể lấy mức Um tuỳ ý, thông thường người ta lấy = 0,1; 0,01; 0,05 Trong thực tế người ta cịn sử dụng thơng số độ rộng hiệu dụng xung tx , tức độ rộng xung mức giá trị xung 0,5Um Trong kỹ thuật xung - số, người ta thường sử dụng phương pháp số dạng tín hiệu xung với quy ước có hai trạng thái phân biệt: Trạng thái có xung ( khoảng t x ) với giá trị xung lớn mức ngưỡng U H gọi mức cao hay mức “1”, mức U H thường chọn cỡ 1/2 điện áp nguồn cung cấp Trạng thái khơng có xung (khoảng t ng ) với giá trị nhỏ mức ngưỡng U L gọi mức thấp hay mức “0”, mức U L chọn tuỳ theo phần tử khoá (tranzito,IC) Các mức điện áp dải U L < u < U H trạng thái cấm §2 CHẾ ĐỘ KHĨA CỦA CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN Trong thiết bị xung, dụng cụ điện tử bán dẫn thường làm việc tất chế độ, song chủ yếu làm việc chế độ đóng mở Khi thực chất, đèn điện tử dụng cụ bán dẫn đóng vai trị khóa điện tử nằm hai trạng thái: khóa hở đèn tắt khố đóng đèn thơng Chế độ đóng mở đặc trưng chuyển đổi khoá cách nhanh chóng từ trạng thái đèn tắt sang trạng thái đèn thơng bão hồ, ngược lại, tác dụng tín hiệu vào đặt lên điện cực điều khiển Khi đèn nằm hai trạng thái thay đổi nhỏ đầu vào khơng làm ảnh hưởng đến điện áp dòng điện đầu Một cách gần đúng, so với sơ đồ thực tế, ta coi khóa lý tưởng có nội trở vơ khóa hở khơng khóa đóng Như khóa điện tử đặc trưng giá trị nội trở khóa hai trạng thái Ngồi khóa cịn đặc trưng công suất yêu cầu tín hiệu điều khiển đầu vào thời gian cần thiết để chuyển khóa từ trạng thái sang trạng thái khác Về mặt lượng mà nói, khóa điện tử dùng tranzito u cầu cơng suất điều khiển nhỏ so với đèn điện tử Song nội trở khóa tranzito khóa mở lại nhỏ nhiều so với đèn điện tử Đó điều cần lưu ý sơ đồ thực tế Nhìn chung, thiết bị xung, đèn điện tử bán dẫn làm việc chế độ mà điện áp điều khiển điện cực thay đổi phạm vi lớn thường gọi chế độ tín hiệu lớn Khi đặc tuyến vơn – ampe đèn có độ cong lớn tuỳ theo độ xác, thay chúng đường cong toán học khác Song việc thay đặc tuyến vôn – ampe đèn đường cong dùng phạm vi hẹp để giải toán đặc biệt, khơng áp dụng rộng rãi tính tốn kỹ thuật Bởi vậy, thực tế thường thay đường cong đường gẫy gọi phương pháp tuyến tính hố đoạn Khi đó, với cơng cụ tốn thơng thường, việc giải toán cụ thể trở nên dễ dàng, thuận lợi Chế độ khóa tranzito Tranzito làm việc chế độ khóa hoạt động khóa điện tử đóng mở mạch với tốc độ nhanh (10-9 –10-6s), có trạng thái làm việc khu vực cắt dòng khu vực bão hòa, khoảnh khắc trình độ (chuyển từ bão hòa sang cắt dòng & ngược lại) tranzito làm việc khu vực khuếch đại * Các yêu cầu bản: Yêu cầu với tranzito chế độ khố điện áp đầu có hai trạng thái khác biệt : (3-1) ura UH uvào ≤ UL (tranzito khóa) ura ≤ UL uvào UH (tranzito mở) Chế độ khoá tranzito xác định chế độ điện áp hay dòng điện chiều cung cấp từ qua mạch phụ trợ (khố thường đóng hay thường mở) Việc chuyển trạng thái khóa thường thực nhờ tín hiệu xung có cực tính thích hợp (biên độ đủ lớn) tác động tới đầu vào Cũng có trường hợp khoá tự động chuyển đổi trạng thái cách tuần hoàn nhờ mạch hồi tiếp dương nội bộ, khơng cần xung điều khiển (xem phần mạch tạo xung tiếp sau) Để đưa đặc điểm chủ yếu chế độ khoá, xét mạch cụ thể (hình 3.5) + Ec _ IC Rc C RB uv B T IB IE Rt E ur Hình 3.5: Mạch khóa (đảo) dùng Tranzitor Sơ đồ thực điều kiện (3-1) lựa chọn mức UH, UL giá trị Rc RB thích hợp - Ban đầu (khi uv = hay uv ≤ UL) tranzito trạng thái cắt dòng, dòng điện Ic = 0, lúc khơng có tải Rt ura +Ec - Khi có xung điều khiển cực tính dương đưa tới đầu vào uvào UH , tranzito chuyển sang trạng thái mở (bão hòa), điện áp phải thỏa mãn điều kiện ura ≤ UL ura = U CEbh = (0,2 0,3)V Đối với tranzito silic người ta thường chọn UL = 0,4V Điện trở Rc chọn thích hợp để thời gian độ đủ nhỏ dịng Ic khơng q lớn, chẳng hạn Rc =5k Một điểm cần lưu ý sử dụng tranzito làm phần tử khóa cần ý tới tính chất động (quá độ) mạch yêu cầu cần nâng cao tính tác động nhanh khóa Hồn tồn tương tự sử dụng FET (tranzito trường) làm phần tử khóa với nhiều ưu điểm mức tiêu hao cơng suất tín hiệu nhỏ, tác động nhanh Ví dụ: Xác định RB để uv = UH = 1,5V ura ≤ UL = 0,4V Biết ICbh=Ecc /Rc =1mA với = 100 dịng bazơ IBbh =10 A Để tranzito bão hồ vững, chọn IB=100 A (tức có dự trữ 10 lần ), lúc lưu ý UBE =0,6V ta có: RB = (1,5 0,6)V 9k 100 A Chế độ khóa khuếch đại thuật toán Khi làm việc chế độ xung, mạch vi điện tử tuyến tính hoạt động khóa điện tử đóng, mở mạch với tốc độ nhanh, điểm làm việc ln nằm vùng bão hồ đặc tuyến truyền đạt ura = f (uvào ) Khi điện áp nằm hai mức bão hoà U+ramax U-ramax ứng với giá trị uv đủ lớn Để minh hoạ nguyên lý hoạt động IC khố ta xét ví dụ điển hình mạch so sánh (comparator) 2.1 Mạch so sánh ngƣỡng ura +E +E U +ra max U0 ura uvào -E Ungưỡng Ungưỡng a) U -ra max -E b) ura +E +E U +ra U0 ura uvào uvào -E max Ungưỡng Ungưỡng -E c) uvào U- max d) Hình 3.6: a),c) – Bộ so sánh dùng IC thuật toán với hai kiểu mắc khác b),d) – Hàm truyền đạt tương ứng chúng Mạch so sánh (hình 3.6) thực trình so sánh giá trị điện áp đưa vào (uvào ) với điện áp chuẩn (Ungưỡng ) có cực tính dương hay âm Thơng thường giá trị Ungưỡng định trước cố định mang ý nghĩa thông tin chuẩn (tương tự cân phép cân trọng lượng kiểu so sánh), giá trị uvào lượng biến đổi theo thời gian cần giám sát theo dõi, đánh giá, mang thông tin trình động (thường biến đổi chậm theo thời gian) cần điều khiển dải hay trạng thái mong muốn Khi hai mức điện áp (uvào = Ungưỡng ) đầu so sánh có thay đổi cực tính điện áp từ U+ramax tới U-ramax ngược lại Trong trường hợp riêng, chọn Ungưỡng = thực chất mạch so sánh đánh dấu lúc đổi cực tính uvào Trong mạch hình (3.6a), uvào Ungưỡng đưa tới hai đầu vào đảo không đảo tương ứng IC Hiệu chúng u0 = uv - Ungưỡng điện áp hai đầu vào IC xác định hàm truyền nó: Khi uv < Ungưỡng u0 < ura = U+ramax Khi uv Ungưỡng u0 > ura = U-ramax (3-2 ) tức điện áp đổi cực tính uvào chuyển qua giá trị ngưỡng Ungưỡng Nếu uvào Ungưỡng hình (3.6a) đổi vị trí cho hay đổi cực tính (khi vị trí giữ ngun) đặc tính hình (3.6b) đảo ngược lại nghĩa hình 3.6c d * Chú ý : Trong trường hợp giá trị uvào Ungưỡng lớn giá trị điện áp đầu vào tối đa cho phép IC, cần mắc chúng qua phân áp điện trở nối hai điốt mắc song song ngược trước đưa tới đầu vào IC Giống khoá tranzito, làm việc với tín hiệu xung biến đổi nhanh cần lưu ý tới tính chất quán tính (trễ) IC thuật toán Với IC thuật toán tiêu chuẩn nay, thời gian tăng điện áp khoảng V/ s , việc dùng chúng mạch so sánh (comparator) có nhiều hạn chế địi hỏi độ xác cao Trong điều kiện tốt hơn, việc sử dụng IC chuyên dụng chế tạo sẵn có tốc độ chuyển biến nhanh nhiều cấp (cỡ V/ns ví dụ loại A710, A110, LM310-339 hay NE521 ) Hoặc dùng biện pháp kĩ thuật mạch để giảm khoảng cách hai mức U ra max 2.2 Mạch so sánh hai ngƣỡng Để xác định xem điện áp vào có nằm giới hạn giá trị cho trước hay không, người ta sử dụng mạch so sánh hai ngưỡng hình 3.7a Thực chất mạch kết hợp mạch hình 3.6a 3.6c sơ đồ Để phối hợp đầu cửa K1 K2, dùng cửa logic phụ G (gọi cửa “Và”) Tại lối G, ura =Y = (tương ứng với mức điện áp cao ) lối K1 K2 có X1 = X2 = Các trường hợp lại với giá trị X1 X2 (tức X1.X1 = ) , ura = Y = (tương ứng với mức điện áp thấp) X1 u2 K2 a b uvào 1 uvào uvào X2 Dz1 uvào u1 R1 K1 c R2 d ura Dz2 ura Hình 3.7: Mạch ngun lí so sánh hai ngưỡng (a) đặc tuyến truyền đạt (b) Ungưỡng b) Ungưỡng ...§1 KHÁI NIỆM CHUNG ? ?Kỹ thuật xung - số” thuật ngữ bao gồm lĩnh vực rộng quan trọng ngành kĩ thuật điện tử - tin học Ngày bước phát triển nhảy vọt kĩ thuật tự động hố, mang ý nghĩa khâu... lần ), lúc lưu ý UBE =0,6V ta có: RB = (1,5 0 ,6) V 9k 100 A Chế độ khóa khuếch đại thuật toán Khi làm việc chế độ xung, mạch vi điện tử tuyến tính hoạt động khóa điện tử đóng, mở mạch với... bị xung ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật đại như: thông tin, điều khiển, rađa, vơ tuyến truyền hình, máy tính điện tử, điện tử ứng dụng… Tùy theo nhiệm vụ mà thiết bị có sử dụng