Bài giảng kỹ thuật xung số phần 2 trường đại học thái bình

CHƯƠNG TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH RLC Mở đầu Kỹ thuật xung phần kiến thức quan trọng tồn chương trình học sinh viên ngành Điện tử Chương cung cấp cho sinh viên kiến thức bản: khái niệm thông số tín hiệu xung; sơ đồ, nguyên lí hoạt động ứng dụng mạch biến đổi dạng xung Trong thực tế, từ tín hiệu xung có, u cầu cần tín hiệu xung có hình dạng khác (xung vng, xung tam giác, xung nhọn….) để thực chức khác Mục tiêu chương 5: sinh viên có khả năng: - Nhận diện dạng xung, xác định thông số tín hiệu xung - Nhận diện mạch biến đổi dạng xung (mạch tích phân, mạch vi phân) Phân tích nguyên lí hoạt động, xác định dạng tín hiệu theo tín hiệu vào trường hợp cụ thể Ứng dụng mạch biến đổi dạng xung theo yêu cầu cụ thể - Thiết kế mạch biến đổi dạng xung theo yêu cầu kỹ thuật cho trước 5.1 Khái niệm dạng xung - Các tín hiệu điện có biên độ thay đổi theo thời gian chia loại bản: tín hiệu liên tục (tín hiệu tương tự hay tín hiệu tuyến tính) tín hiệu gián đoạn (tín hiệu xung hay số) - Tín hiệu xung dịng điện điện áp tín hiệu có thời gian tồn ngắn, so sánh với trình độ mạch điện mà chúng tác dụng Trong mạch điện tác động xung dãy xung Các dạng xung - Có nhiều dạng tín hiệu xung: xung vng, xung tam giác, xung cưa, xung nhọn, xung nấc thang… v v VH VL t xung vuông xung tam giác t v v v xung nấc thang t xung nhọn t xung cưa t Nhận xét: Các dạng xung khác dạng sóng, có điểm chung thời gian tồn xung ngắn hay biến thiên từ thấp lên cao (như xung nhọn) hay từ cao xuống thấp (như xung tam giác) xảy nhanh Trong nhiều trường hợp xung tam giác gọi xung cưa ngược lại 95 5.2 Các thơng số tín hiệu xung 1) Chu kỳ xung - tần số xung - Độ rộng xung ton hay tx: thời gian ứng với mức cao tín hiệu (vd mức điện áp cao) (hay thời gian tồn xung) - Thời gian khơng có xung ứng với mức thấp tín hiệu (vd điện áp thấp) gọi toff hay tng (thời gian nghỉ xung) v VH VL ton t toff T * Chu kỳ xung : T = ton + toff * Tần số xung: số lần xung xuất đơn vị thời gian, tính theo cơng thức: F= T 2) Độ rỗng hệ số đầy xung Trong chu kỳ xung, thời gian có xung (ton) thường ngắn so với chu kỳ T Định nghĩa độ rỗng xung: tỉ số chu kỳ T độ rộng xung t on Q= T t on Hệ số lấp đầy xung: nghịch đảo độ rỗng Q : n = t on  Q T 3) Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau Trong thực tế khó có tín hiệu xung vng lý tưởng có đường biên độ tăng đường biên độ giảm thẳng đứng v(t) Theo dạng xung hình bên, tăng điện áp có thời gian trễ tr gọi độ rộng sườn trước Ngược lại giảm điện áp có thời gian trễ tf gọi độ rộng sườn sau Vm V 0.9Vm t tr tf ton Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau thời gian biên độ xung tăng hay giảm khoảng 0,1Vm đến 0,9Vm Thời gian xung có biên độ từ 0,9Vm đến Vm ứng với đoạn đỉnh xung gọi t p  Độ rộng xung thực tế là: ton = tr + + tf 96 Độ sụt đỉnh xung V độ giảm biên độ phần đỉnh xung 5.3 Mạch tích phân - Mạch tích phân mạch mà điện áp v0(t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian điện áp vào vi(t): v0(t) = k.vi(t)dt với k: hệ số tỉ lệ - Ứng dụng: + tạo xung quét (xung cưa) + biến đổi tương tự  số + thực phép tích phân máy tính điện tử 5.3.1 Mạch tích phân RC R C vi Mạch tích phân mạch lọc thấp qua dùng RC với tần số cắt: v0 i fC = 2RC Ta có: vi(t) = vR(t) + vC(t) Nguồn điện áp vào vi(t) có tần số fi  Xét trường hợp fi >>fC Mà XC = 2f i C  R >> XC (nhân vế với i(t))  vR(t) >> vC(t) Điện áp tụ tính theo cơng thức: vC(t) = i(t)dt C Điện áp tụ điện áp ra, nên ta có: v0(t) = vC(t) = i(t) = Suy ra: i(t)dt C vi (t ) (Vì R>>XC  bỏ qua XC) R v0(t) = vi (t ) dt  vi (t )dt  C R RC  Như vậy, điện áp v0(t) tỉ lệ với tích phân điện áp vào vi(t) với hệ số tỉ lệ k = tần số fi >> fC Vậy điều kiện mạch là: fi >> fC Nói cách khác: hay fi >> 2RC 97 RC RC >> 2f i hay  >> Ti = 2f i 2  = RC số thời gian Ti : chu kỳ  Trường hợp điện áp vào vi tín hiệu hình sin: vi(t) = Vm.sin t  v0(t) = V  Vm sin(t )dt   m cost RC RC  v0(t) =  Vm sin(t  900 ) RC Kết luận: Nếu thoả mãn điều kiện mạch tích phân điện áp bị trễ pha 900 biên độ giảm xuống với hệ số tỉ lệ so với điện áp vào RC *Trường hợp điện áp vào tín hiệu xung vng Khi điện áp vào tín hiệu xung vng có chu kỳ Ti xét tỉ lệ số thời gian  = RC so với Ti để giải thích dạng sóng theo tượng nạp xả tụ 98 vi(t) Ti Giả thiết, điện áp ngõ vào tín hiệu xung vng đối xứng VP a) Dạng sóng ngõ vào (ton = toff ) có chu kỳ Ti t v0(t) Nếu mạch tích phân có số thời gian  = RC nhỏ so với Ti, tụ nạp xả nhanh nên điện áp ngõ v0(t) có dạng giống dạng điện áp vào vi(t) VP b) Dạng sóng ngõ  Ti tụ nạp chậm nên điện áp có biên độ thấp, đường tăng giảm điện áp gần đường thẳng v0(t) VP d) Dạng sóng ngõ >>Ti t Như vậy, mạch tích phân chọn trị số RC thích hợp sửa dạng xung vng ngõ vào thành dạng sóng cưa hay tam giác ngõ Nếu xung vuông đối xứng xung tam giác tam giác cân 99 * Trường hợp tín hiệu ngõ vào chuỗi xung vuông không đối xứng với t on > toff vi(t) ton toff VP t v0(t) Trong thời gian ton ngõ vào có điện áp cao, tụ C nạp điện Trong thời gian toff ngõ vào có điện áp 0V, tụ xả điện Nhưng thời gian toff < ton nên tụ chưa xả hết lại nạp điện tiếp làm cho điện áp tụ tăng dần VP t 5.3.2 Mạch tích phân RL Mạch lọc thấp qua dùng RL dùng làm mạch tích phân L v0(t) R vi(t) L Ta có: v0(t) = vR(t) = R.iL(t) = R .vL(t)dt vi(t) = vL(t) + vR(t) XL = 2fiL Nếu fi>>fC  XL >>R  vL(t) >> vR(t)  vL(t)  vi(t)  v0(t) = R vi(t)dt m L Vậy hệ số tỉ lệ: k = 5.3.3 Mạch tích phân dùng OP-AMP 100 R L C iC R1 Hai linh kiện R1 C để tạo số thời gian  = R1C Điện trở R1 điện trở vào, điện trở R2 để bù nhiệt cho OP-AMP, thường chọn R2 = R1 vi + iin v0 Do điện áp ngõ vào đảo nên điện áp tính theo cơng thức: R2 v0(t) = - vi (t ) dt R1C  Nếu ngõ vào nhận xung vng qua điện trở R1 ngõ vào đảo có xung tam giác ngõ có xung tam giác 5.4 Mạch vi phân - Là mạch có điện áp ngõ v0(t) tỉ lệ với đạo hàm theo thời gian điện áp ngõ vào vi(t) Ta có: v0(t) = k d vi(t) dt (k: hệ số tỉ lệ) - Ứng dụng: mạch vi phân có tác dụng thu hẹp độ rộng xung, tạo xung nhọn để kích linh kiện điều khiển hay linh kiện công suất khác SCR, triac, … 5.4.1 Mạch vi phân RC C Vi i R V0 Mạch mạch lọc cao qua dùng RC Tần số cắt mạch lọc là: fC  2RC Ta có: vi(t) = vC(t) + vR(t) v0(t) = vR(t) = R.i(t) Vì vC(t) = dv (t ) dq(t ) q(t )  C   i (t ) C dt C dt C  i(t )  C Vậy v0(t) = R.C dvC (t ) dt dvC dt  Xét trường hợp nguồn vi(t) có tần số fi vR(t)  R 2f i C  vC(t)  vi(t) 101 Vậy v0(t) = RC dvi (t ) dt Điện áp vi phân (đạo hàm) theo thời gian điện áp vào, với hệ số tỉ lệ k =RC tần số fi