Giáo trình kỹ thuật sung số (nghề điện tử công nghiệp cđ)

QUÂN KHU TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ SỐ 20 - - GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT XUNG – SỐ Nghề đào tạo: Điện tử cơng nghiệp Trình độ đào tạo: Cao đẳng nghề LƯU HÀNH NỘI BỘ Biên soạn: Phạm Thanh Nga Năm 2022 Lời mở đầu Cùng với môn học kỹ thuật điện tử, môn học KỸ THUẬT XUNG SỐ môn học kỹ thuật sở quan trọng Khoa điện - điện tử, môn học ứng dụng hầu hết ngành kỹ thuật lĩnh vực điều khiển khác Môn học ứng dụng cho sinh viên tất ngành trường đặc biệt ngành Điện tử Điện công nghiệp trường ta Bởi để tạo điều kiện cho việc học tập nghiên cứu môn học học viên thuận lợi Bộ môn Điện tử thuộc Khoa Điện - Điện Tử - Điện lạnh trường trung cấp nghề số 20 tổ chức biên soạn giáo trình KỸ THUẬT XUNG SỐ làm giảng lưu hành nội Trong trình biên soạn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, tơi mong thơng cảm góp ý bạn đồng nghiệp Tập giảng môn học Kỹ thuật xung số xây dựng theo chương trình mơn học Kỹ thuật xung số 90 tiết trường TCN số 20 Toàn tập giảng gồm phần chính: Phần I : Kỹ thuật xung gồm chương Phần II : Kỹ thuật số gồm chương Toàn nội dung giáo trình phần kiến thức lý thuyết kỹ thuật xung kỹ thuật số Nhằm mục đích hỗ trợ cho môn học chuyên môn khác như: KT Vi xử lý, Kỹ thuật truyền thanh, KT truyền hình, Kỹ thuật điều khiển, Trang bị điện, TĐ điện, Đo lường điện tử PHẦN I: KỸ THUẬT XUNG CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Định nghĩa xung điện, tham số dãy xung 1.1 Định nghĩa Các tín hiệu điện áp hay dòng điện biến đổi theo thời gian chia thành loại tín hiệu liên tục tín hiệu rời rạc (gián đoạn) Tín hiệu liên tục cịn gọi tín hiệu tuyến tính hay tương tự Tín hiệu rời rạc gọi tín hiệu xung hay số Tiêu biểu cho tín hiệu liên tục tín hiệu hình Sin (hình 1.1) với tín hiệu hình Sin ta tính biên độ tín hiệu thời điểm khác V Vp + + - + - + + - t - - -Vp Hình 1.1: Tín hiệu hình Sin Ngược lại tiêu biểu cho tín hiệu rời rạc tín hiệu vng (hình 1.2), biên độ tín hiệu có giá trị mức cao VH mức thấp VL, thời gian chuyển mức tín hiệu từ mức cao sang mức thấp ngược lại ngắn coi V V VH VH VL t t VL a) b) Hình 1.2: a, Xung vng điện áp > b, Xung vuông điện áp Tín hiệu xung khơng có tín hiệu xung vng mà cịn có số dạng tín hiệu khác như: xung tam giác, xung cưa, xung nhọn, xung nấc thang có chu kỳ tuần hồn theo thời gian với chu kỳ lặp lại T u u t t B Xung nhọn (vi phân) A: xung tam giác u u C Xung cưa (hàm mũ - tích phân) t t D xung nấc thang Hình 1.3: Các dạng tín hiệu xung Trong nhiều trường hợp xung tam giác coi xung cưa Các dạng xung khác dạng sóng, có điểm chung thời gian tồn xung ngắn, biến thiên biên độ từ thấp lên cao (xung nhọn) từ cao xuống thấp (nấc thang, tam giác) xảy nhanh Định nghĩa: Tín hiệu xung điện áp hay xung dịng điện tín hiệu có thời gian tồn ngắn, so sánh với trình độ mạch điện mà chúng tác dụng 1.2 Các thông số xung điện dãy xung V * Chu kỳ xung – Tần số xung - Độ rộng xung : thời gian ứng với mức điện áp cao ton - Thời gian xung ứng với điện áp thấp toff - Chu kỳ xung là: T = ton + toff (s) toff ton T Hình 1.4 - Tần số xung : số lần xuất đơn vị thời gian tính theo cơng thức : f = (Hz) T * Độ rỗng hệ số đầy xung Trong chu kỳ xung, thời gian có xung (ton) thường ngắn so với chu kỳ T Độ rỗng xung tỉ lệ chu kỳ T độ rộng xung ton : Độ rỗng : Q= T ton Nghịch đảo độ rỗng Q gọi hệ số đầy xung: Hệ số đầy:  = ton T * Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau Thực tế xung vng khơng có dạng hình 1.4, mà có dạng hình sau : Khi 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 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 V Độ rộng thực tế : ton = tr + + tf Độ sụt đỉnh xung : V độ giảm Vm V 0,9Vm biên độ phần đỉnh xung 0,1Vm tr tf ton Tác dụng mạch R-L-C xung 2.1 Tác dụng mạch R-C đối xung a) Mạch tích phân Theo định nghĩa, mạch tích phân mạch mà điện áp Vo(t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian điện áp đầu vào Vi(t) Ta có : Vo(t) = k  Vi (t )dt ( k hệ số tỉ lệ ) R Vi C Vo Đây mạch lọc thấp qua dùng RC Tần số cắt mạch lọc: fc = 2 RC Ta có : Vi(t) = VR(t) + Vc(t) Xét điện áp đầu vào Vi có tần số fi cao so với tần số cắt fc Lúc dung kháng Xc nhỏ ( Xc = ) 2fiC Ta có : fi >> fc  R >> Xc suy VR (t) >> Vc(t) ( dịng i(t) qua R C nhau) Do Vi(t) = VR(t) = i(t).R Đối với tụ C, điện áp tụ tính theo cơng thức : Vc(t) = i (t )dt C  Điện áp tụ C điện áp đầu nên: Vo(t) = Vc(t) = Trong : i(t) = Vi(t ) R Suy : Vo(t) = C  i (t )dt C  Vi(t ) dt = Vi (t )dt RC  R Như : Điện áp Vo(t) tích phân điện áp đầu vào Vi(t) với hệ số tỉ lệ tần số fi lớn so với fc RC Ti Điều kiện mạch : fi >> fc = hay RC >> hay  >> 2RC 2 2fi k : k = Trong :  = RC số thời gian, Ti chu kỳ • Trường hợp điện áp vào Vi tín hiệu hình Sin Vi(t) = Vm sin t (v) Vm cos t Vm sin tdt =  RC RC Vm  Vo(t) = sin ( t - ) (v) RC Vo(t) = Như vậy: thoả mãn điều kiện mạch tích phân điện áp bị trễ pha 90 độ biên độ bị giảm xuống với hệ số tỉ lệ RC • Trường hợp điện áp vào tín hiệu xung vng Khi điện áp vào tín hiệu xung vng đối xứng có chu kỳ Ti xét tỉ lệ số thời gian  so với Ti để giải thích dạng sóng theo tượng nạp xả tụ điện C Vi Vp Dạng sóng ngõ vào Vo Dạng sóng ngõ  > Ti Hình 1.5 * Nếu mạch tích phân có số thời gian  = RC nhỏ so với Ti, tụ C nạp xả nhanh nên điện áp ngõ Vo có dạng giống điện áp đầu vào * Nếu mạch tích phân có số thời gian  = RC = Ti/5, tụ C nạp theo hàm −t /  −t /  mũ Vo = Vp (1- e ) xả theo hàm mũ Vo = Vp e , biên độ đỉnh điện áp thấp Vp * Nếu mạch tích phân có số thời gian  = RC lớn so với Ti, tụ C nạp xả chậm nên điện áp ngõ Vo có biên độ thấp đường tăng giảm điện áp gần đường thẳng Như : Mạch tích phân chọn trị số RC thích hợp sửa dạng xung ngõ vào thành dạng sóng cưa hay tam giác ngõ Nếu xung vuông đối xứng xung tam giác tam giác cân • Trường hợp điện áp vào dãy xung vuông không đối xứng với ton > toff Vi Vp t Vo 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 C xả điện ton > toff nên tụ C chưa xả hết điện lại nạp điện làm cho điện áp đầu tăng dần b) Mạch vi phân Theo định nghĩa mạch vi phân mạch có điện áp ngõ Vo(t) tỉ lệ với đạo hàm theo thời gian điện áp ngõ vào Vi(t) Ta có : Vo(t) = k d Vi(t) dt ( k hệ số tỉ lệ ) Trong kỹ thuật xung, 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… C Vi R Vo Đây mạch lọc cao qua dùng RC Tần số cắt mạch lọc fc = 2RC Ta có : Vi(t) = VR(t) + Vc(t) Xét điện áp đầu vào Vi có tần số fi thấp so với tần số cắt fc Lúc dung kháng Xc lớn ( Xc = ) 2fiC Ta có : fi