giao trinh ky thuat xung so 1958

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XàHỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH  Mơ đun: KỸ THUẬT XUNG – SỐ NGHỀ: ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG  Ban hành kèm theo Quyết  định số:120/QĐ­TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013   của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể  được phép dùng ngun 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 tử cơng nghiệp ở  trình độ Cao Đẳng Nghề và Trung Cấp Nghề, giáo trình Kỹ Thuật Xung – Số  là một trong những giáo trình mơ đun đào tạo chun ngành được biên soạn   theo nội dung chương trình khung được Bộ Lao động Thương binh Xã hội và  Tổng cục Dạy Nghề  phê duyệt. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích  hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc.   Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo   150 giờ gồm có:  Phần 1: Kỹ thu ật xung Bài MĐ19­01: Các khái niệm cơ bản   Bài MĐ19­02: Mạch dao động đa hài.  Bài MĐ19­03: Mạch hạn chế biên độ và ghim áp.  Phần 2: Kỹ thu ật s ố  Bài MĐ19­01: Đại cươ ng   Bài MĐ19­02: FLIP – FLOP Bài MĐ19­03: Mạch đếm và thanh ghi Bài MĐ19­04: Mạch logic MSI Bài MĐ19­05: Họ vi mạch TTL – CMOS Bài MĐ19­06: Bộ nhớ Bài MĐ19­07: Kỹ thuật ADC – DAC Trong q trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo u cầu cũng như khoa học   và cơng nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian, bổ sung những kiến thức   mới và trang thiết bị phù hợp với điều kiện giảng dạy.  Tuy   nhiên,   tùy   theo   điều   kiện     sở   vật   chất     trang   thiết   bị,     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 khơng tránh được những khiếm khuyết   Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cơ giáo, bạn đọc để nhóm  biên soạn sẽ  hiệu chỉnh hồn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về  Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai                          Đồng Nai, ngày 10 tháng 06 năm 2013                            Tham gia biên soạn  1. Chủ biên: TS. Lê Văn Hiền  2. KS. Hồ Dự Luật  3. KS. Nguyễn Văn Tuấn  4. Kỹ sư Trần Tấn Nguyện MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC Phần 1: kỹ thuật xung  Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Định nghĩa xung điện, các tham số và dãy xung Tác dụng của R­C đối với xung cơ bản Tác dụng của R­C đối với xung cơ bản Khảo sát dạng xung ( đo, đọc các thông số cơ bản) Bài 2: MẠCH DAO ĐỘNG  ĐA HÀI Mạch dao động đa hài  không đơn ổn  Mạch dao động đa hài  đơn  Mạch dao động đa hài  lưỡng ổ n Mạch Schmitt­ trigger  Bài 3: MẠCH HẠN CHẾ BIÊN ĐỘ VÀ GHIM ĐIỆN ÁP Mạch hạn biên Mạch ghim áp Phần 2: Kỹ thuật số Bài 1: ĐẠI CƯƠNG Hệ thống số và mã số Các cổng logic cơ bản Biểu thực Logic và mạch điện  Đại số Boole và định lý Demorgan  Đơn giản biểu thức logic  Giới thiệu một số IC số cơ bản  Bài 2: FLIP – FLOP  Flip flop RS  Flip flop  RS tác động theo xung lệnh  Flip flop JK  Flip flop T  Flip flop D  Flip flop MS ( master­ slaver)  Flip flop với ngõ vào preset và clear  Tính tốn, lắp ráp một số mạch ứng dụng cơ bản Bài 3 MẠCH ĐẾM VÀ THANH GHI  TRANG 10 10 10 31 34 53 53 65 69 71 118 118 130 170 170 170 172 184 191 197 200 212 223 223 225 227 230 231 232 233 254 253 Mạch đếm  Thanh ghi  Giới thiệu một số IC đếm và thanh ghi thong dụng  Tính tốn, lắp ráp một số mạch ứng dụng cơ bản Bài 4: MẠCH LOGIC MSI  Mạch mã hóa (Encoder)  Mạch giãi mã ( Decoder)  Mạch ghép kênh  Mạch tách kênh  Giới thiệu một số IC mã hóa và giải mã thơng dụng  Tính tốn, lắp ráp một số mạch ứng dụng cơ bản Bài 5: HỌ VI MẠCH TTL­ CMOS  Cấu trúc và thơng số cơ bản của TTL  Cấu trúc và thơng số cơ bản  của CMOS  Giao tiếp TTL và CMOS  Giao tiếp giữa mạch logic và tải cơng suất  Tính tốn, lắp ráp một số mạch ứng dụng cơ bản Bài 6: BỘ NHỚ ROM RAM Mở rộng dung lượng bộ nhớ  Giới thiệu IC  Bài 7: KỸ THUẬT ADC – DAC  Mạch chuyển đổi số sang tương tự (DAC)  Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC)  Giới thiệu IC  TÀI LIỆU THAM KHẢO  253 263 265 269 279 279 284 298 300 303 312 315 315 333 345 346 351 354 357 366 369 372 380 380 389 399 407 MƠ ĐUN KỸ THUẬT XUNG – S Ố Mã Mơ đun: MĐ 19 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơ đun::  Mơ đun đượ c bố  trí dạy sau khi h ọc xong các môn cơ  bản như  linh kiện  diện tử, đo lườ ng điện tử, điệ n tử tươ ng tự, điện tử cơ bản Kỹ  thuật xung là môn học cơ  sở  của nghành Ðiệ n – Ðiệ n tử  và có vị  trí   khá quan trọng trong tồn bộ  chươ ng trình học của sinh viên và học sinh,   nhằm cung c ấp các kiến thức liên quan đến các phươ ng pháp cơ  bản để  tạo tín hiệu xung và biến đổi dạng tín hiệu xung, các phươ ng pháp tính   tốn thiết  kế  và các  cơng cụ  tốn học  hỗ  trợ  trong việc bi ến  đổ i, hình   thành các dạng xung mong mu ốn…    Cơng nghệ  kỹ  thu ật s ố  đã và đang đóng vai trị quang trọng trong cu ộc   cách mạng khoa học k ỹ thu ật và cơng nghệ. Ngày nay, cơng nghệ  số  đượ c  ứng dụng rộng rãi và có mặt hầu hết trong các thiết bị  dân dụ ng đế n thiế t   bị cơng nghiệp, đặc biệt trong các lĩnh vực thơng tin liên lạc, phát thanh,   và kỹ thuật số đã và đang đượ c thay thế dần k ỹ thuật t ương t ự Tính chất của mơn học: Là mơ đun kỹ thuật cơ sở Mục tiêu của Mơ đun:   Sau khi học xong mơ đun này học viên có năng lực  * Về kiến th ức:  ­ Phát biểu đượ c các khái niệm cơ  bản về  xung điệ n, các hệ  thơng   số cơ bản của xung điệ n, ý nghĩa của xung điệ n trong kỹ thuật điện tử ­ Trình bày đượ c cấu tạo các mạch dao động tạo xung và mạch xử lí  dạng xung ­  Phát  biểu  khái  niệm  về   kỹ   thu ật  số,  các   cổng  logic     Kí   hiệu, nguyên lí hoạt động, bảng sự th ật c ủa các cổng lơgic ­ Trình bày đượ c cấu tao, ngun lý các mạch số  thơng dụng như:  Mạch đếm, mạch đóng ngắt, mạch chuy ển đổi, mạch ghi dịch, mạch điề u  khiển * Về kỹ năng:        ­ Lắp ráp, kiểm tra đượ c các mạch tạo xung và xử lí dạng xung       ­ Lắp ráp, kiểm tra  đượ c các mạch số  cơ  bản trên panel và trong  thực  tế * Về thái độ:        ­ Rèn luyện cho h ọc sinh thái độ  nghiêm túc, tỉ  mỉ, chính xác trong  học tập và trong thực hiện cơng việc.  Mã bài Tên các bài trong mơ đun Phần 1: Kỹ thuật xung MĐ19­1 Các khái niệm cơ bản kỹ  thuật xung 01.1 Định nghĩa xung điện, các  tham số và dãy xung 01.2 Tác dụng của R­C đối với  các xung c ơ bản  01.3 Tác dụng của m ạch R.L.C  đối với các xung cơ b ản 01.4 Khảo sát dạng xung MĐ19­2 Mạch dao động đa hài 02.1 Mạch dao động đa hài không  ổn 02.1 Mạch đa hài đơn ổn 02.1 Mạch đa hài lưỡ ng ổn 02.1 Mạch schmitt – trigger MĐ19­3 Mạch hạn ch ế biên độ và  ghim áp 03.1 Mạch hạn biên 03.1 Mạch ghim áp Phần 2: Kỹ thu ật s ố MĐ19­1 Đại cươ ng 01.1 Tổng quan về m ạch t ương  tự và mạch số Thời gian Lý  Kiểm  Tổn Thực  thuyế tra g số hành t 50 10 38 10 1 1 1 30 24 8 1 6 10 5 100 10 1 40 4 45 0,5 0.5 01.2 Hệ thống số và mã số 1,5 01.3 Các cổng logic c ơ b ản 2 01.4 Biểu thức logic và mạch  1 0,5 1 điện 01.5 Đại số bool và định lý  Demorgan 01.6 01.7 1,5 0,5 Đơn giản biểu th ức logic 1 Giới thiệu một số IC s ố c ơ  1 10 MĐ19­2 Flip – Flop 02.1 Flip ­ Flop R­S 1 02.2 FF R­S tác động theo xung  lệnh 0,5 0,5 02.3 Flip ­ Flop J –K 0,5 0,5 02.4 Flip ­ Flop T 0,5 0,5 02.5 Flip ­ Flop D 0,5 0,5 02.6 Flip ­ Flop M­S 0,5 0,5 02.7 Flip ­ Flop v ới ngõ vào Preset  và Clear 0,5 0,5 02.8 Tính tốn lắp ráp một số  mạch ứng dụng MĐ19­3 Mạch đếm và thanh ghi 25 16 03.1 Mạch đếm 03.2 Thanh ghi 1.5 2.5 03.3 Giới thiệu một số IC đế m và  thanh ghi thông dụng 1,5 0,5 03.4 Tính tốn, lắp ráp một số  10 mạch ứng dụng MĐ19­4 Mạch logic MSI 25 18 04.1 Mạch mã hóa 04.2 Mạch giải mã 2 04.3 Mạch ghép kênh 04.4 Mạch tách kênh    4     1      3 04.5 Giới thiệu một số IC mã hóa  và giải mã  thơng dụng 1 04.6 Tính tốn, lắp ráp một số  mạch ứng dụng c ơ bản 1 MĐ19­5 Họ vi mạch TTL ­ CMOS 14 05.1 Cấu trúc và thông số cơ bản  của TTL 1,5 0,5 05.2 Cấu trúc và thông số cơ bản  của CMOS 1,5 0,5 05.3 Giao tiếp TTL và CMOS 1 1 3 2 1 1 Giao tiếp gi ữa m ạch logic và  tải cơng suất Tính tốn, lắp ráp một số  05.5 mạch ứng dụng c ơ bản MĐ19­6 Bộ nhớ 06.1 ROM 06.2 RAM 06.3 Mở rộng dung l ượng b ộ nh 06.4 Giới thiệu IC MĐ19­7 Kỹ thuật ADC ­ DAC 05.4 07.1 07.2 07.3 Mạch chuyển đổi số ­ tương  tự (DAC) Mạch chuyển đổi tươ ng tự ­  số (ADC) Giới thiệu IC Tổng cộng: 3 2 150 50 93 10 Phần 1:  KỸ THUẬT XUNG BÀI 1  CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mã Bài: MĐ19­1 Giới thiệu Các tín hiệu điện có biên độ  thay đổi theo thời gian đượ c chia ra làm   hai loại cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu gián đoạn. Tín hiệu liên tục   cịn đượ c gọi là tín hiệu tuyến tính hay tươ ng tự, tín hiệu gián đoạ n cịn   gọi là tín hiệu xung s ố.  Tín hiệu sóng sin đượ c xem như là tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu   liên tục, ta có thể  tính đượ c biên độ  của nó   từng thời điểm. Ngượ c lại   tín hiệu sóng vng đượ c xem là tín hiệu tiêu biểu cho lo ại 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 ngượ c lại rất ngắn và   đượ c xem như tức th ời Một chế  độ  mà các thiết bị  điện tử  thườ ng làm việc hiện nay đó là   chế độ xung.  Mục tiêu:       ­ Trình bày đượ c các khái niệm về xung điện, dãy xung            ­ Gi ải thích đượ c sự  tác động của các linh kiện th ụ  độ ng đến dạng  xung       ­ Rèn luyện tính tư duy, tác phong cơng nghiệp Nội dung Định nghĩa xung điện, các tham số và dãy xung ­ Mục tiêu: Trình bày và phân tích các dạng tín hiệu, các hàm, các thơng  số của xung c ơ b ản 1.1.Định nghĩa           ­ Xung là tín hiệu tạo nên do sự  thay đổi mức của điện áp hay   dịng điện trong một kho ảng th ời gian r ất ng ắn, có thể  so sánh với thời  gian q độ  của mạch điện mà chúng tác động. Thời gian q 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 đượ c sử  dụng rất rộng rãi trong các mạch   điện tử: truyền thơng, cơng nghệ thơng tin, vơ tuyến, hữu tuyến… 11  Một số dạng xung c ơ b ản ­ Một số tín hiệu liện tục (xem hình 1.1) Hình 1.1a. Tín hiệu sin Asin ω t Hình 1.1b.  Tín hiệu xung vng Hình 1.1c. Tín hiệu xung tam giác ­  Một số tín hiệu rời rạc (hình 1.2)  Hình 1.2. Tín hiệu sin rời rạc  ­  hàm mũ rời rạc Ngày  nay  trong  kỹ  thuật  vơ  tuyến  điện,  có  rất  nhiều  thiết  bị,  linh ki ệ n  v ậ n   hành   ở  chế  độ  xung.  Ở  những  thời  điểm  đóng  hoặc  ngắt  điện  áp,  trong mạch sẽ phát sinh q trình q độ, làm ảnh hưởng đến hoạt động của  mạch. Bởi vậy việc nghiên  cứu các  q  trình xảy ra trong các  thiết bị xung  có  liên  quan  mật  thiết  đến  việc  nghiên  cứu  q  trình  q  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.  Việc phân tích mạch ở chế độ xung phải  12 xác định sự phụ thuộc hàm số của điện áp  hoặc  dịng điện trong  mạch  theo  thời  gian  ở trạng thái  q  độ.  Có  thể  dùng cơng  cụ  tốn  học  như:  phương  pháp  tích  phân  kinh  điển.  Phương  pháp  phổ  (Fourier)  hoặc  phương  pháp  tốn tử Laplace.    1.2.Các thơng số của xung điện và dãy xung 1.2.1. Các thơng số của xung điện.  Tín hiệu xung vng như  hình 1.3 là một tín hiệu xung vng lý tưởng,  thực tế khó có 1 xung vng nào có biên độ tăng và giảm thẳng đứng như vậy: u u Um 0.9Um tx Um tng T A, xung vuông lý tưởng Um Δu 0.1Um t ttr tđ tx ts t B, xung vng thực tế Hình 1.3: Dạng xung Xung vng 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 hồn 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) 13 T = tx + tng (1.1) ­ Tần số xung là số lần xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian (1.2) T F= (1.2) 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) ­ γ= tx T (1.3) Do T = tx + tng , vậy ta ln có  γ < ­ Độ  rỗng của xung   Q   là tỷ  số  giữa chu kỳ  xung T và độ  rộng xung t x  (1.4) Q= T tx (1.4)  Trong kỹ  thuật xung ­ số, chúng ta sử  dụng phương pháp số  đối với   tín hiệu xung với 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 UH thường chọn cỡ từ 1/2Vcc đến Vcc.  ­ Trạng thái khơng có xung (tng) với biên độ nhỏ  hơn 1 ngưỡng UL gọi là  trạng thái thấp hay mức “0”, UL được chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito hay  IC) ­ Các mức điện áp ra trong dải UL > Xc = 1/2  fi C    VR (t) >> VC (t)                             (1.9)  (vì dịng 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) = V i (t)/R                       (1.10) Điện áp ra V0 (t):  - V0 (t ) =Vc (t ) = i (t ) dt c Vi (t ) � V0 (t ) = dt c R � V0 (t ) = Vi (t )dt RC (1.11)     Như  vậy, điện áp ra V 0(t) tỉ  lệ  với tích phân theo thời gian c ủa điện  áp vào Vi (t) với hệ số t ỉ lệ K = 1/RC khi t ần s ố f i rất lớn so v ới f c  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: Trườ ng hợp điện áp vào Vi(t) là tín hiệu hình sin qua m ạch tích  phân Vi (t ) =Vm sin ω (t ) (1.12 )    Điện áp ra:   V0 (t ) = = Vm sin ωtdt RC Vm cos ω.t ωRC Vm � V0 (t ) = sin(ωt −90 ) ωRC =− (1.13 )    19 Như vậy, nếu thỏa mãn điề u kiện của mạch tích phân như  trên thì điệ n áp  ra bị trễ pha 90 0 và biên độ bị giảm xuống v ới t ỉ l ệ là   ω RC Điện áp vào là tín hiệu xung vng: khi điện áp vào là tín hiệu xung vng   có chu kỳ  Ti thì có thể  xét tỉ  lệ  hằng số  th ời gian  = RC so với Ti để  giải  thích các dạng sóng ra theo hi ện t ượng n ạp x ả c ủa t ụ Giả sử điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vng đố i xứng có chu kỳ  Ti (hình  1.14a) ­ Nếu mạch tích phân có hằng số  thời gian  = RC rất nhỏ  so v ới Ti thì tụ  nạp và xả rất nhanh nên điện áp ngõ ra V 0(t) có dạng sóng giống như d ạng  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 d ạng hàm số mũ, biên độ của điệ n áp ra nhỏ Vp hình 1.14c ­ 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 đườ ng tăng   giảm điện áp gần như  đườ ng thẳng. Như  vậy, m ạch tích phân chọn trị  số  RC thích hợp thì có thể  sửa dạng xung vng có ngõ vào thành dạng sóng  tam giác   ngõ ra. Nếu xung vng đối xứng thì xung tam giác ra là tam  giác cân  ... tốn tử Laplace.    1.2.Các thơng số của? ?xung? ?điện và dãy? ?xung 1.2.1. Các thơng số của? ?xung? ?điện.  Tín hiệu? ?xung? ?vng như  hình 1.3 là một tín hiệu? ?xung? ?vng lý tưởng,  thực tế khó có 1? ?xung? ?vng nào có biên độ tăng và giảm thẳng đứng như vậy:... ngồi, mạch cho ra một? ?xung? ?có biên độ và độ rộng? ?xung? ?khơng thay đổi, nghĩa  là dạng? ?xung? ?đưa ra hồn tồn lặp lại giống nhau sau mỗi? ?xung? ?kích thích 1.2.3 Độ rộng? ?xung? ?(hình 1.4) Hinh1.4: Độ rộng? ?xung Trong đó: Vm:  Biên độ? ?xung ∆V: Độ sụt áp đỉnh? ?xung. .. Tên các bài trong mô đun Phần 1: Kỹ thuật? ?xung MĐ19­1 Các khái niệm cơ bản kỹ  thuật? ?xung 01.1 Định nghĩa? ?xung? ?điện, các  tham số và dãy? ?xung 01.2 Tác dụng của R­C đối với  các? ?xung? ?c ơ bản  01.3 Tác dụng của m