K Ĩ THUẬT XUNG - S Ố Chương 1: mở đầu "Kĩ thuật xung - số'' là thuật ngữ bao gồm một lĩnh vực khá rộng và quan t r ọ ng của ngành kĩ thuật điện tử - tin học. Ngày nay, trong bước phát triển nhảy vọt của kĩ thuật tự động hóa, nó mang ý nghĩa là khâu then chốt, là công cụ không thể thiếu đ ể giải quyết các nhiệm vụ kĩ thuật cụ thể hướng tới mục đích giảm các chi phí về n ă ng lượng và thời gian cho một quá trình công nghệ hay kĩ thuật, nâng cao độ tin cậy hay hiệu quả của chúng. Trong chương này, do thời gian hạn chế, chúng ta ch ỉ đề cập tới một số vấn đ ề có tính chất cơ bản, mở đầu của kĩ thuật xung - số. Việc nghiên cứu chi tiết hơn s ẽ được thực hiện ở giáo trình Kỹ thuật xung, Kỹ thuật số và Xử lý tín hiệu s ố . 3.1. KHÁI NIỆM CHUNG 3.1.1. Tín hiệu xung và tham s ố Tín hiệu điện áp hay dòng điện biến đổi theo thời gian (mang nội dung của m ộ t quá trình thông tin nào đó) có hai dạng cơ bản: liên tục hay rời rạc (gián đ o ạ n) . Tương ứng với chúng, tồn tại hai loại hệ thống gia công, xử lí tín hiệu có những đ ặ c điểm kĩ thuật khác nhau mang những ưu, nhược điểm khác nhau là hệ thống liên t ụ c (analog) và hệ thống rời rạc (digital). Nhiều khi, do đặc điểm l ị ch sử phát triển và đ ể phát huy đầy đủ ưu thế của từng loại ta gặp trong thục tế hệ thống lai ghép kết h ợ p cả việc gia công xử lí hai loại tín hiệu trên. Đối tượng của chương này ch ỉ đề cập tới loại tín hiệu rời rạc theo thời gian g ọ i là tín hiệu xung. Dạng các tín hiệu xung thường gặp cho trên hình 3.1. Chúng có thể là một dãy xung tuần hoàn theo thời gian với chu kì lặp lại T, hay ch ỉ là một xung đơn xuất hi ệ n một lần, có cực tính dương, âm hoặc cực tính thay đổ i . Hình 3.1: Các dạng tín hiệu xung a) Dãy xung vuông; b) Dãy xung tam giác (răng cưa); c) Dãy xung hàm mũ (xung kim) Hình 3.2 ch ỉ ra một xung vuông thực tế với các đoạn đặc trưng: sườn t r ướ c , đ ỉ nh và sườn sau. Các tham số cơ bản là biên độ, độ rộng xung, độ rộng sườn t r ướ c và sau, độ sụt đ ỉ nh . Hình 3.2: Các tham số của một tín hiệu xung • Biên độ xung U m xác đinh bằng giá tr ị lớn nhất của điện áp tín hiệu xung có được trong thời gian tồn tại của nó. • Độ rộng sườn trước và sườn sau (t tr và t s ) xác đinh bởi khoảng thời gian t ă ng và thời gian giảm của biên độ xung trong khoảng giá tr ị 0,l U m đến 0,9U m • Đ ộ rộng xung t x xác đ ị nh bằng khoảng thời gian có xung với biên độ trên m ứ c 0,1U m (hay mức 0,5U m tùy theo chuẩn quy ướ c) . • Đô sụt đ ỉ nh xung thể hiện mức giảm biên độ xung ở đoạn đ ỉ nh xung. Với dãy xung tuần hoàn, còn có các tham số đặc trưng sau (cụ thể xét với dãy xung vuông). • Chu kì lặp lại xung T (hay tần số xung f = 1/T) là khoảng thời gian giữa các điểm tương ứng của hai xung kế tiếp nhau. • Thời gian ngh ỉ t ng (h3.1a) là khoảng thời gian trống giữa hai xung liên t i ế p . • Hệ số lấp đầy γ là t ỉ số giữa độ rộng t x và chu kì T. γ = t X T từ đó có hệ thực : T = t x + t ng và γ < 1 Trong kĩ thuật xung - số, người ta thường sử dụng phương pháp số đối với d ạ ng tín hiệu xung với quy ước ch ỉ có hai trạng thái phân bi ệ t: 200 • Trạng thái có xung (khoảng t x ) với biên độ lớn hơn một mức ngưỡng U H gọi là mức cao hay mức "1', mức U H thường được chọn cỡ bằng 1/2 điện áp ngu ồ n cung c ấ p . • Trạng thái không có xung (khoảng t ng với biên độ nhỏ hơn một mức ng ưỡ ng U L ) gọi là mức thấp hay mức "O". Mức U L được chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito, IC). • Các mức điện áp ra trong dải U L < U ra < U H là các trạng thái cấm. Vấn đề này sẽ được đề cập kĩ hơn ở phần tiếp theo. 3.1.2. Chế độ khóa của tranzito Tranzito làm việc ở chế độ khóa hoạt động như một khóa điện tử đóng mở m ạ ch với tốc độ nhanh (l0 -9 + l0 -6 s), do đó có nhiều đặc điểm khác với chế độ khuếch đ ạ i đã xét ở Chương 2. a - Yêu cầu cơ bản với một tranzito ở chế độ khóa là điện áp đầu ra có hai trạng thái khác bi ệ t: • U ra ≥ U H khi U vào ≤ U L (3-1) • U ra ≤ U L khi U vào ≥ U H Chế độ khóa của tranzito được xác đinh bởi chế độ điện áp hay dòng điện m ộ t chiều cung cấp từ ngoài qua 1 mạch phụ trợ (khóa thường đóng hay thường m ở ) . Việc chuyển trạng thái của khóa thường được thực hiện nhờ một tín hiệu xung có cực tính thích hợp tác động tới đầu vào. Cũng có trường hợp khóa tự động chuy ể n đổi trạng thái một cách tuần hoàn nhờ mạch hồi tiếp dương nội bộ, khi đó không c ầ n xung điều khiển (xem các phần mạch tạo xung tiếp sau). Để đưa ra những đặc điểm chủ yếu của chế độ khóa, hãy xét mạch cụ thể hình 3 . 3 . 201 Hình 3.3: Mạch khóa (đảo) dùng Tranzito 202 Sơ đồ thực hiện được điều kiện (3-1) khi lựa chọn các mức U H , U L cũng nh ư các giá tr ị R c và R B thích hợp. Ban đầu (khi U v = 0 hay U v ≤ U L ) tranzito ở trạng thái đóng, dòng điện ra I c = 0, lúc không có tải R t . U ra = +E cc Lúc điện trở tải nhỏ nhất R c = R t (với R t là điện trở vào của mạch tầng sau n ố i với đầu ra của sơ đồ) U ra = 0,5E cc là mức nhỏ nhất của điện áp ra ở trạng thái H, đ ể phân biệt chắc chắn, ta chọn U H < 0,5Ecc (chẳng hạn U H = l,5V khi E cc = 5V). Phù hợp với điều kiện (3-1), điện áp vào phải nằm dưới mức U L (được hiểu là điện áp vào lớn nhất để tranzito vẫn b ị khóa chắc chắn U L =U Vmax ). Với tranzito silic người ta ch ọ n U L = 0,4V. Khi có xung điều khiển cực tính dương đưa tới đầu vào U vào ≥ U H tranzito chuyển sang trạng thái mở (bão hòa), điện áp ra khi đó phải thỏa mãn điều ki ệ n U ra ≤ U L . Điện trở R c chọn thích hợp để thời gian quá độ đủ nhỏ và dòng I c không quá lớn, chẳng hạn R c = 5kΩ. Xác đ ị nh R B để khi U v = U H = 1,5V thì U ra ≤ U L = 0,4V. Muốn vậy I cbh = E CC /R C = 1mA, với β = 100 khi đó dòng bazơ I BbH = 10µA. Để tranzito bão hòa vững, chọn I B = 100µA (tức là có dự trữ 10 lần), lúc đó lưu ý U BE = 0,6V có R = (1,5 − 0,6)V = 9kΩ B 100µ0 b - Đặc tính truyền đạt của sơ đồ với những tham số trên cho ở hình 3.4. Để đ ánh giá mức tin cậy của khóa, người ta đ ị nh nghĩa các tham số độ dự trữ chống nhiễu ở mức cao S H và ở mức thấp S L : S H = U ra khóa – U H (3- 2) S L = U L - U ra m ở Ở đây, U ra khóa và U ra mở là các điện áp thực tế tại lối ra của tranzito lúc khóa hay mở tương ứng với trường hợp cụ thể trên S H = 2,5V – l,5V = 1V (lúc U v ≤ U L ) S L = 0,4V – 0,2V = 203 0,2V (lúc U v ≥ U H ) Từ đó có nhận xét sau: - Có thể dễ dàng đạt được mức S H lớn bằng cách chọn E cc và các tham số R c , R B thích h ợ p . - Do S L thường nhỏ, cần phải quan tâm đặc biệt tới việc nâng cao tính chống nhi ễ u với mức thấp. Vì tr ị số điện áp ra U rabh = U CEbh thực tế không thể giảm được, mu ố n S L tăng, cần tăng mức U L (xem biểu thức 3.2). 204 Hình 3.4: Đặc tuyến truyền đạt của tranzito khóa . K Ĩ THUẬT XUNG - S Ố Chương 1: mở đầu " ;Kĩ thuật xung - số'' là thuật ngữ bao gồm một lĩnh vực khá rộng và quan t r ọ ng của ngành kĩ thuật điện tử - tin học. Ngày nay,. t ng và γ < 1 Trong kĩ thuật xung - số, người ta thường sử dụng phương pháp số đối với d ạ ng tín hiệu xung với quy ước ch ỉ có hai trạng thái phân bi ệ t: 200 • Trạng thái có xung (khoảng. cứu chi tiết hơn s ẽ được thực hiện ở giáo trình Kỹ thuật xung, Kỹ thuật số và Xử lý tín hiệu s ố . 3 .1. KHÁI NIỆM CHUNG 3 .1. 1. Tín hiệu xung và tham s ố Tín hiệu điện áp hay dòng điện biến