Bộ tài liệu kỹ thuật xung số chương3

9/29/2020 KỸ THUẬT XUNG SỐ Đỗ Thế Cần Email : dtcan@dut.udn.vn Mobile: 0907971768 CHƯƠNG 3: MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI 9/29/2020 Chương – Mạch dao động đa hài – Mạch đa hài phi ổn - Mạch dao động lưỡng ổn có hai trạng thái ổn định cần xung kích để thay đổi trạng thái - Mạch dao động đơn ổn có trạng thái ổn định trạng thái không ổn định Chúng ta cần sử dụng xung kích để tạo xung ngõ mạch dao động đơn ổn - Mạch phi ổn hoạt động theo nguyên lý mạch dao động, mạch tự chuyển đổi trạng thái để tạo sóng vng liên tục mà khơng cần tín hiệu điều khiển Dẫn Chương – Mạch dao động đa hài Nguyên lý hoạt động VCC RC1 C2 RB2 RB1 C1 Gỉả sử T1 dẫn mạnh T2: RC2 - Tụ C1 nạp điện qua RC2 -> IB1 tăng cao -> T1 bão hòa - Khi T1 bão hòa -> IC1 tăng cao VC1 ≈ 0,2V -> C2 xả qua RB2 C2 xả - Khi C2 xả điện, cực âm tụ C2 đặt lên cực B T2 làm T2 ngưng dẫn C1 - Thời gian ngưng dẫn T2 thời gian xả tụ C2 T1 T2 Dẫn Ngưng 9/29/2020 Chương – Mạch dao động đa hài Nguyên lý hoạt động VCC RC1 C2 RB2 RB1 RC2 C1 C1 xả Sau C2 xả xong: - Cực B2 phân cực thuận nhờ dòng qua RB2 -> T2 dẫn bão hòa -> VC2 ≈ 0,2V - Khi T2 bão hòa -> C1 xả qua RB1 - Khi C1 xả điện, cực âm tụ C1 đặt lên cực B T1 làm T1 ngưng dẫn C2 - Khi T1 ngưng C2 nạp qua RC1 làm cho IB2 tăng cao -> T2 nhanh bão hòa T1 T2 Ngưng Dẫn - Thời gian ngưng dẫn T1 thời gian xả tụ C1 Chương – Mạch dao động đa hài Trạng thái bão hòa – ngưng dẫn T1 T2 thay đổi lặp lặp lại tuần hoàn VCC RC1 C2 RB2 RB1 VCC C1 RC1 RC2 C2 RB2 RB1 RC2 C1 C1 xả C2 xả C1 C2 T1 T2 T1 T2 Dẫn Ngưng Ngưng Dẫn 9/29/2020 Chương – Mạch dao động đa hài Dạng sóng chân Điện áp B1: - Khi T1 bão hòa: VB1 ≈ 0,8V - Khi T1 ngưng, tụ C1 xả làm điện áp VB1 = -VCC Điện áp giảm theo hàm số mũ tính chất nạp xả tụ điện Điện áp C1: - Khi T1 bão hòa: VC1 ≈ 0,2V - Khi T1 ngưng: VC1 ≈ VCC Dạng sáng cực C sóng vng Điện áp B2 C2 có dạng với B1 C1 đảo chiều Chu kỳ xung vuông cực C là: T= t1 + t2 Với: t1 thời gian xả C1 từ -VCC lên đến ≈ 0V t2 thời gian xả C2 từ -VCC lên đến ≈ 0V Thời gian t1 để C1 xả qua RB1 từ -VCC lên 0V tính tương tự việc tính độ rộng xung mạch đơn ổn, ta có được: t1 = RB1.C1.ln2 ≈ 0,69RB1.C1 t2 = RB2.C2.ln2 ≈ 0,69RB2.C2 Chương – Mạch dao động đa hài Dạng sóng chân Thời gian t1 để C1 xả qua RB1 từ -VCC lên 0V tính tương tự việc tính độ rộng xung mạch đơn ổn, ta có được: t1 = RB1.C1.ln2 ≈ 0,69RB1.C1 t2 = RB2.C2.ln2 ≈ 0,69RB2.C2  T = 0,69(RB1.C1 + RB2.C2) Đối với mạch phi ổn đối xứng ta chọn RB1= RB2 = RB C1 = C2 =C Nên ta có: T = 2.0,69RB.C = 1,4RB.C Tần số xung vuông: f = 1/T = 1/1,4RBC 9/29/2020 Chương – Mạch dao động đa hài Ví dụ: Thiết kế mạch đa hài phi ổn theo thơng số sau: VCC =12V; dịng tải IT = 10mA; transistor có thơng số β = 100, tần số dao động xung vuông 1000Hz Với mạch đa hài phi ổn đối xứng, Transistor dẫn bão hịa ta có: VC ≈ 0,2V IC = IT = 10mA 12V RC1 C2 RB2 RB1 C1 RC2 Ta có RC = ≈ 1,2kΩ Để transistor bão hịa sâu ta thường chọn hệ số bão hòa k = Ta có IB = k(IC/β) = 3(10/100) = 0,3mA Khi BJT bão hịa VB=VBEsat ≈ 0,8V Ta có: RB = ≈ 37kΩ Ta chọn RB theo giá trị tiêu chuẩn gần RB = 39kΩ Tính giá trị tụ C: Ta có: f= 1/1,4RB.C => C = 1/1,4RB f = 0,018µF Chương – Mạch dao động đa hài Mạch phi ổn thay đổi tần số +VCC Như tính tốn trên, để thay đổi tần số dao động xung ta thay đổi trị số RB trị số tụ C Thông thường ta VR R1 RC1 C2 dùng biến trở VR để thay đổi trị số RB hình bên R2 Khi điều chỉnh VR trị số RB1 RB2 thay đổi sau: C1 RC2 RB1max = R1 + VR RB1min = R1 RB2max = R2 + VR RB2min = R2 Giới hạn điều chỉnh VR tạo khoản tần số định mà mạch tạo Ví dụ: Mạch dao động đa hài phi ổn thiết kế với tần số dao động điều chỉnh từ fmin = 500Hz đến fmax = 1500Hz, ta tính tốn mạch sau: 10 9/29/2020 Chương – Mạch dao động đa hài Mạch phi ổn thay đổi tần số +VCC Ban đầu ta đưa giả thiết mạch dao động với tần số không đổi giá trị trung bình fmin fmax ta có: VR ftb =(fmin + fmax)/2 = 1000Hz R2 R1 RC1 C2 Với ftb = 1000Hz tần số khơng đổi nên ta tính mạch C1 RC2 dao động đa hài phi ổn thơng thường tính phần trước, ta có kết sau: RC = RC1 = RC2 = 1,2kΩ RB = RB1 = RB2 = 39kΩ C = C1 = C2 = 0,018µF Bây ta giữ trị số C không đổi, ta thay đổi RB để thay đổi tần số f: f = 1/1,4RBC => RB = 1/1,4fC (*) 11 Chương – Mạch dao động đa hài Mạch phi ổn thay đổi tần số +10V Từ (*) ta thấy RB tỉ lệ nghịch với tần số f nên ta có hai trường hợp: 50kΩ 27kΩ - Khi fmax Rbmin fmin RBmax 27kΩ 1,2kΩ Ta có: 1,2kΩ 0,02µF 0,02µF RBmax = 1/(1,4fminC) = 80kΩ RBmin = 1/(1,4fmaxC) = 27kΩ Theo nguyên lý mạch phi ổn ta có: RBmin = R1 = R2 = 27kΩ RBmax = R1 + VR = R2 +VR= 80kΩ => VR = 80-27=53kΩ Ta chọn biến trở tiêu chuẩn VR=50kΩ 12 9/29/2020 Chương – Mạch dao động đa hài Kiểm tra điều kiện bão hòa +10V Điều kiện mạch phi ổn dẫn điện transistor phải trạng thái bão hòa Khi ta thay đổi trị số biến trở VR điện trở RB thay đổi 50kΩ nên ta phải kiểm tra lại trạng thái dẫn transistor có RBmax 27kΩ 27kΩ Ta có: 1,2kΩ 1,2kΩ = 0,14mA Do dịng điện IC = 10mA, với β = 100 trạng thái khuếch đại 0,02µF 0,02µF IBmin = ta có: IB = IC/β = 0,1mA Ta thấy IBmin = 0,14mA > IB nên đảm bảo transistor dẫn bão hòa Trong trường hợp khơng thỏa điều kiện ta chọn loại BJT có β lớn 13 Chương – Mạch dao động đa hài Mạch phi ổn thay đổi chu trình làm việc +VCC Trong phần thơng số tín hiệu xung ta học chu kỳ xung T = ton + toff Với ton thời gian xung có điện áp cao toff thời gian xung có R R2 RC1 C2 điện áp thấp R1 R2 VR C1 RC2 Từ chu kỳ T, người ta đưa hai khái niệm khác độ rỗng Q hệ số đầy η xung, đó: Q = T/ton η = ton/T (η nghịch đảo Q) Hệ số đầy gọi khái niệm kỹ thuật khác chu trình làm việc D (Duty Cycle) với: D = (ton/T).100% D tỉ lệ phần trăn thời gian có xung ton so với chu kỳ xung T 14 9/29/2020 Chương – Mạch dao động đa hài Trong phần thơng số tín hiệu xung ta có: T = ton + toff Mạch phi ổn thay đổi chu trình làm việc Với ton thời gian xung có điện áp cao toff thời gian xung có điện áp +VCC thấp Từ chu kỳ T, người ta đưa hai khái niệm khác độ rỗng Q hệ số đầy R R2 RC1 R1 R2 C2 η xung, đó: Q = T/ton RC2 C1 VR η = ton/T (η nghịch đảo Q) Hệ số đầy gọi khái niệm kỹ thuật khác chu trình làm việc D (Duty Cycle) với: D = (ton/T).100% D tỉ lệ phần trăm thời gian có xung ton so với chu kỳ xung T Trong mạch phi ổn đối xứng ton = toff = T/2  D = ton/T.100%= 50% Để thay đổi chu trình D, người ta phải thay đổi ton toff T phải không đổi 15 Chương – Mạch dao động đa hài Trong phần thông số tín hiệu xung ta có: T = ton + toff Mạch phi ổn thay đổi chu trình làm việc +VCC Với ton thời gian xung có điện áp cao toff thời gian xung có điện áp thấp R C2xả R2 R2 RC1 C2 Từ chu kỳ T, người ta đưa hai khái niệm khác độ rỗng Q hệ số đầy η xung, đó: R1 VR C1 RC2 Q = T/ton η = ton/T (η nghịch đảo Q) Hệ số đầy gọi khái niệm kỹ thuật khác chu trình làm việc D (Duty Cycle) với: D = (ton/T).100% D tỉ lệ phần trăn thời gian có xung ton so với chu kỳ xung T Trong mạch phi ổn đối xứng ton = toff = T/2 C1nạp  D = ton/T.100%= 50% T1 T2 Dẫn Ngưng Để thay đổi chu trình D, người ta phải thay đổi ton toff T phải không đổi 16 9/29/2020 Chương – Mạch dao động đa hài Trong mạch biến trở VR sử dụng để thay đổi chu trình làm việc: Mạch phi ổn thay đổi chu trình làm việc +VCC VR = R1 + R2 Điện trở R dùng chung cho hai BJT, ta có: R C2xả R2 R2 RC1 C2 RB1 = R + R1 Khi ta điều chỉnh VR theo hướng tăng R1 R2 giảm ngược lại hay nói R1 RC2 cách khác ta thay đổi VR RB1 RB2 thay đổi tỉ lệ nghịch với Ta có thời gian xả C1 C2 tính theo cơng thức: C1 VR RB2 = R + R2 t1 = 0,69RB1C1 = 0,69(R+R1).C1 t2 = 0,69RB2C2 = 0,69(R+R2).C2 Gỉả thiết C1 = C2 = C ta có: T = t1 + t2 = 0,69(2R + R1 + R2).C C1nạp Từ biểu thức ta thấy việc điều chỉnh VR không làm thay đổi T mà T1 T2 Dẫn Ngưng làm thay đổi ton toff hay nói cách khác làm thay đổi chu trình làm việc D 17 Chương – Mạch dao động đa hài Nguyên lý thiết kế: Mạch phi ổn thay đổi chu trình làm việc +VCC - Giả thiết mạch đa hài phi ổn thiết kế có tần số dao động f =1000Hz chu trình làm việc thay đổi từ 40% đến 60% R C2xả R2 R2 RC1 C2 - Đầu tiên ta giả thiết mạch phi ổn hoạt động với tần số f=1000Hz chu trình làm việc 50% (Dtb = (Dmax + Dmin)/2) R1 VR C1 RC2 - Với giả thiết mạch trở thành mạch phi ổn đối xứng ta tính tốn phần trước, ta có kết quả: RC = RC1 = RC2 = 1,2kΩ RBtb = RB1 = RB2 = 39kΩ ( ứng với VR giữa) C = C1 = C2 = 0,018µF - Ta giữ C khơng đổi, thay đổi RB1 RB2 để thay đổi t1 t2 C1nạp Với f=1000Hz T1 T2 Dẫn Ngưng => T = 1/f = 1ms 18 9/29/2020 Chương – Mạch dao động đa hài Mạch phi ổn thay đổi chu trình làm việc +VCC Khi chu trình làm việc D = 40% thời gian t1 là: t1 = T.40/100 = 0,4ms Và t1 = 0,69RB1min.C => RB1min = t1/0,69C = 32,2kΩ R C2xả R2 R2 RC1 C2  R = RB1min = 32,2kΩ R1 VR Ta chọn R = 33kΩ (theo trị số tiêu chuẩn R) C1 RC2 Khi chu trình làm việc D = 60% thời gian t1 là: t1 = T.60/100 = 0,6ms Và t1 = 0,69RB1max.C => RB1max = t1/0,69C = 48,3kΩ Ta có: RB1max = R + VR  VR = RB1max – R = 48,3-33 = 15,3 kΩ C1nạp Ta chọn VR = 15kΩ (theo trị số tiêu chuẩn R) T1 T2 Dẫn Ngưng 19 Chương – Mạch dao động đa hài Mạch dao động dùng IC555 20 10 9/29/2020 HẾT PHẦN THANKS! 21 11