Giáo trình kỹ thuật xung cơ bản

LỜI GIỚI THIỆU Kỹ thuật xung là môn học cơ sở của nghành Điện – Điện tử và có vị trí khá quan trọng trong toàn bộ chương trình học của sinh viên và học sinh, nhằm cung cấp các kiến thức liên quan đến các phương pháp cơ bản để tạo tín hiệu xung và biến đổi dạng tín hiệu xung. Giáo trình Kỹ thuật xung gồm 4 chương, được biên soạn cho hệ cao đẳng nhằm giúp sinh viên có các kiến thức cơ bản về tín hi ệu xung và hiểu được các nguyên lý cơ bản của các mạch tạo xung, biến đổi dạng xung với nhiều linh kiện khác nhau. Để giúp sinh viên nắm vững lý thuyết, có các ví dụ, bài tập ứng dụng và bài tập thiết kế mạch ứng với từng phần. Sau khi hoàn tất môn học sinh viên có thể tự thiết kế một mạch tạo xung với các thông số yêu cầu cho những mạch ứng dụng cụ thể. Dù có nhiề u cố gắng, giáo trình cũng không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến từ các đồng nghiệp và các sinh viên. Tp, Hồ Chí Minh năm 2006 Đào Thị Thu Thủy MÔN HỌC: KỸ THUẬT XUNG 1. Mã môn học: 2. Số đơn vị học trình: 2 3. Trình độ thuộc khối kiến thức: Khối chuyên ngành. 4. Phân bố thời gian: Lý thuyết 80% - bài tập 20% 5. Điều kiện tiên quyết: Không 6. Mô tả vắn tắt nội dung môn học: Môn học bao gồm các phương pháp tạo xung và biến đổi dạng xung: mạch RLC, mạch xén, mạch kẹp, mạch so sánh, dao động đa hài. 7. Nhiệm vụ của sinh viên: Tham dự h ọc và thảo luận đầy đủ. Thi và kiểm tra giữa học kỳ theo qui chế 04/1999/QĐ-BGD&ĐT. 8. Tài liệu học tập: 9. Tài liệu tham khảo: [1]. Jacob Millman, PULSE DIGITAL AND SWITCHING WAREFORMS , [2]. Nguyễn Việt Hùng, KỸ THUẬT XUNG VÀ SỐ [3]. Nguyễn Tấn Phước, KỸ THUẬT XUNG 10. Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Nắm được cơ bản nội dung môn học. - Có tính chủ động và thái độ nghiêm túc trong học tập. - Kiểm tra giữ a môn học để được dự thi. - Thi với hình thức trắc nghiệm, viết và bài tập 11. Thang điểm thi: 10/10 12. Mục tiêu của môn học: Sau khi hoàn tất môn học sinh viên cần nắm vững các phương pháp tạo xung và biến đổi dạng xung. 13. Nội dung chi tiết của chương trình: Nội dung Số tiếtLý thuyết Bài tập Kiểm tra Chương 1: Tín hiệu xung và mạch RLC 6 4 2 Chương 2: Mạch biến đổi dạng xung 6 4 2 1 Chương 3: Mạch dao động đa hài dùng BJT 12 10 2 Chương 4:Các mạch tạo xung khác 4 4 Ôn tập 2 2 Chương 1: TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH R L C §1.1. Khái niệm và các dạng xung §1.2. Các thông số của tín hiệu xung §1.3. Mạch lọc 1.3.1. Mạch lọc RC 1.3.2. Mạch lọc RL 1.3.3. Mạch lọc LC §1.4. Mạch tích phân §1.5. Mạch vi phân Bài tập Chương 2: MẠCH GIAO HOÁN DIODE, OP-AMP, BJT §2.1. Mạch xén 2.3.1. Mạch xén dương 2.3.1. Mạch xén âm 2.3.2. Mạch xén 2 mức §2.2. Mạch ghim 2.4.1. Mạch ghim đỉnh trên 2.4.2. Mạch ghim đỉnh dưới §2.3. Mạch so sánh dùng Op-amp Bài tập Chương 3: MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI §3.1. Khái niệm chung §3.2. Hai trạng thái của Transistor §3.3. Mạch lưỡng ổn §3.4. Mạch đơn ổn Bài tập §3.5. Mạch phi ổn Bài tập Chương 4: CÁC MẠCH TẠO XUNG KHÁC §4.1. Mạch dao đông đa hài dùng Op_amp §4.2. Mạch dao động đa hài dùng vi mạch định thời IC555 §4.3. Mạch Schmitt Trigger MỤC LỤC Chương 1:Tín hiệu xung và mạch giao hoán RLC. 1.1. Khái niệm. 1 1.2. Các thông số cơ bản của tín hiệu xung. 2 1.3. Các dạng hàm cơ bản. 3 1.4. Mạch RC. 4 1.5. Mạch RL. 16 Chương 2: Mạch biến đổi dạng xung 2.1. Mạch xén. 20 2.2 Mạch ghim (Mạch kẹp). 26 2.3. Mạch so sánh. 28 Chương 3: Mạch dao động đa hài dùng BJT 1.1 Khái niệm chung. 31 1.2 Trạng thái ngắt dẫn của Transistor. 31 3.3. Mạch dao động đa hài lưỡng ổn dùng BJT. 33 3.4. Mạch dao động đa hài đơn ổn. 37 3.5. Mạch dao động đa hài phi ổn. 43 Chương 4:Các mạch dao động khác 4.1. Mạch dao động đa hài dùng Op_amp. 52 4.2. Mạch dao động đa hài dùng vi mạch định thì IC555. 55 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 1 CHƯƠNG 1 TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH GIAO HOÁN RLC. 1.1. KHÁI NIỆM • Các tín hiệu điện có biên độ thay đổi theo thời gian được chia làm hai loại cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc.  Tín hiệu liên tục (còn được gọi là tín hiệu tuyến tính hay tương tự) là tín hiệu có biên độ biến thiên liên tục theo thời gian.  Tín hiệu rời rạc (còn được gọi là tín hiệu xung hay số) là tín hiệu có biên độ biến thiên không liên tục theo thời gian. • Tín hiệu xung: là tín hiệu rời r ạc theo thời gian. • Đặc điểm chung: là thời gian tồn tại xung rất ngắn hay sự biến thiên biên độ từ thấp lên cao hay từ cao xuống thấp xảy ra rất nhanh. • Bản chất vật lý: dòng điện, điện áp, ánh sáng…. • Hình dạng: vuông, tam giác, răng cưa, nh?n, hình thang… T t a. Xung vuông đơn cực T t b. Xung vuông lưỡng cực T t e. Xung nhọn lưỡng cực T t d. Xung tam giác T t c. Xung răng cưa t T f. Xung nấc thang Hình 1.1 Các dạng tín hiệu xung Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 2 1.2. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU XUNG 1.2.1. Xung đơn • Khái niệm: xung đơn là chỉ có một xung riêng biệt. Trong đó: Vm : Biên độxung. ∆V : Độ sụt áp đỉnh xung. tr : Độ rộng sườn trước. tP : Độ rộng đỉnh xung. tf : Độ rộng sườn sau. ton : Độ rộng xung thực tế.  Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau là thời gian biên độ xung tăng hay giảm trong khoảng 0,1Vm đến 0,9Vm.  Độ rộng đỉnh xung là thời gian xung có biên độ nằm trong khoảng từ 0,9 Vm đến Vm ứ ng với đoạn đỉnh.  Độ rộng xung thực tế là: ton = tr + tp +tf  Độ sụt áp đỉnh xung ∆V là độ giảm biên độ ở phần đỉnh xung. 1.2.2. Dãy xung • Khái niệm: dãy xung là tín hiệu gồm nhiều xung đơn. Dãy xung có thể tuần hoàn hoặc không tuần hoàn. Trong đó: Vm : Biên độxung. ton : Độ rộng xung. toff : Thời gian không có xung. T : Chu kỳ  Độ rộng của xung là thời gian ứng với điện áp cao gọi là ton (hay tx).  Thời gian không có xung ứng với điệ n áp thấp gọi là toff (hay thời gian nghỉ tng).  Chu kỳ xung là: T = ton + toff (s)  Xung vuông đối xứng: ton = toff t ∆ V v(t) ton tr tp tf Vm 0.9Vm 0.2 Vm Hình 1.2 Xung vuông đơn t Vm v(t) ton T toff Hình 1.3 Dãy xung vuông tuần hoàn Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 3  Tần số là số xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian, được tính theo công thức: T 1 f = (Hz)  Độ rỗng của xung là tỉ số giữa chu kỳ T và độ rộng xung ton: on t T Q =  Nghịch đảo của độ rộng Q được gọi là hệ số đầy xung: T t on =η Để phân tích tín hiệu xung cần đưa về các dạng hàm cơ bản: hàm đột biến, hàm tuyến tính, hàm mũ giảm, hàm mũ tăng. 1.3. CÁC DẠNG HÀM CƠ BẢN 1.3.1. Hàm đột biến: v(t) = a.1(t - t 0 ). • Đột biến xảy ra tại thời điểm t = t 0 với biên độ là a. • 1(t – t 0 ) : Hàm đột biến đơn vị. • Khi t < t 0 : v = 0 Khi t ≥ t 0 : v = a 1.3.2. Hàm tuyến tính: v(t) = k(t - t 0 ). • k : Độ dốc của hàm. t 0 t a v v(t) Hình 1.4 Hàm đột biến t 0 t v Hình 1.5 Hàm tuyến tính. v(t) Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 4 1.3.3. Hàm mũ giảm: τ − − = /)tt( e.a)t(v 0 1.3.4. Hàm mũ tăng: ) /)tt( e1(.a)t(v 0 τ − − −=  Để phân tích 1 tín hiệu xung, phải đưa về dạng tổng các hàm cơ bản. Ví dụ: Suy ra: v(t) = v 1 (t) + v 2 (t) = a.1(t) – a.1(t – t 0 ) 1.4. MẠCH RC 1.4.1. Phản ứng với hàm đột biến điện áp: vi = a.1(t) • t < 0 : vi = 0 , i = 0 vR = 0 , vC = 0 t 0 t v Hình 1.6 Hàm mũ tăng. a ) /)tt( e1(.a)t(v 0 τ − − −= t t 0 a v v(t) t 0 a v t - a v 1 (t) v 2 (t) ⇔ 0 t a vi v t a to Hình 1.6 Hàm mũ giảm τ − − = /)tt( e.a)t(v 0 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 5 • t = 0 : vi = a Mặt khác: v i = vC + vR Mà vC = 0 (Điện áp trên tụ không đột biến). Do đó: vR = a ⇒ R a R v i R == • t > 0 : Tụ C nạp bằng dòng điện R vv i Ci − = vC tăng dần, ⇒ i giảm dần, vR giảm dần. • t = ∞ : Mạch xác lập. Tụ C nạp đầy với vC = vi = a , vR = 0 , i = 0 τ− = /t R e.av )e1(.av /t C τ− −= τ = RC : Được gọi là thời hằng. τ đặc trưng cho tốc độ diễn ra quá trình quá độ. τ càng lớn, quá trình quá độ càng kéo dài, mạch lâu xác lập. 1.4.2. Phản ứng với xung vuông:  Phân tích vi thành tổng các hàm cơ bản, ta có: vi = v 1 + v 2 Với : v 1 = a.1(t) v 2 = - a.1(t - tp) τ−− τ− −= /) p tt( /t R e.ae.av )e1(.a)e1(.av /) p tt( /t C τ−− τ− −−−=  Quá trình vật lý trong mạch:  t < 0 : vi = 0 , i = 0 , vC = 0 , vR = 0 0 t a vi tp 0 t a v 1 tp v 2 - a vC(t) vR(t ) a t v Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 6  0 ≤ t < tp : vi = a ; tụ C nạp điện bằng dòng R vv i Ci − = . vC tăng dần, ⇒ i giảm dần, vR giảm.  tp ≤ t : vi = 0, tụ [...]... khi bão hoà âm Vo = 0 Trang 29 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Ví dụ: +Vcc + Vi -Vcc Vo v+ = vi v- = 0 Khi vi > 0 ⇒ V+ > V- ⇒ vo = +Vcc Khi vi < 0 ⇒ V+< V- ⇒ vo = -Vcc v vi vo +Vcc t -Vcc Trang 30 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy CHƯƠNG 3 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG BJT 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG Các mạch tạo xung cơ bản nhất là các mạch tạo xung vuông được gọi chung là... ngõ ra sẽ có hai xung ngược nhau có biên độ giảm dần (1.12b) • Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian τ 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 2 xung nhọn lưỡng cực Trang 12 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào... điện áp ổn định củ Z khi phân cực nghịch a Giới hạn xung dương R + VZ Vi - Z Vo Hình 2.4 Mạch giới hạn xung dương • Vi < 0 : Z phân cực thuận, Z dẫn giống Diode ⇒ V0 = 0 • Vi ≥ 0 : Z phân cực nghịch + Vi < VZ : Z tắt ⇒ V0 = Vi + Vi > VZ : Z dẫn ổn áp ⇒ V0 = VZ b Giới hạn xung âm R Vi VZ + Z Vo Hình 2.5 Mạch giới hạn xung âm Trang 24 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung • Vi < 0 • Vi > 0 Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy... (hình 1.9d) nhưng đường tăng giảm điện áp gần như đường thẳng Như vậy, mạch tích phân chọn trịsố RC thích hợp thì có thể sửa dạng xung vuông ở ngõ vào thành dạng sóng tam giác ở ngõ ra Nếu xung vuông đối xứng thì xung tam giác ra là tam giác cân Trang 9 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Vi(t) V Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Ti t a) Dạng sóng ngõ vào Vo(t) V t b) Dạng sóng ngõ ra khi τ Vo Vn - - Hình 2.5 Mạch ghim đỉnh dưới ở Vn Trang 27 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy 2.3 MẠCH SO SÁNH: • Nguyên lý: vi So sánh vo + - VN vi < VN : vo = -Vcc vi > VN : vo = Vcc Mạch so sánh dùng khuyếch đại thuật toán (op_amp): Khuyếch đại thuật toán ở chế độ xung tồn tại chủ yếu ở trạng thái bão hòa +Vcc V- VO V+ V+ > VV+ < V- + -Vcc : Vo = +Vc... như hình vẽ: vi a t -a T T a Phân tích vi(t) thành dạng tổng các hàm cơ bản b Khi đặt vi ở ngõ vào của mạch RC thượng thông, hãy xác định và vẽ vOUT RC khi T = 10 Bài 3: Xác định và vẽ vR , vC của mạch RC khi vi là chuỗi xung vuông có tần số là T = 2t0 trong các trường hợp: a τ >> t0 b τ