218 Hình 3.24: Xung tam giác lý tưởng Biên độ U max m ứ c m ộ t chi ề u ban đầ u U q (t = 0) = U 0 chu kì l ặ p l ạ i T (so v ớ i xung tu ầ n hoàn), th ờ i gian quét thu ậ n t q và th ờ i gian quét ng ượ c t ng (thông th ườ ng t ng << tq), t ố c độ quét thu ậ n hay độ nghiêng vi phân c ủ a đườ ng quét. dt (t)dU K q = Để đ ánh giá ch ấ t l ượ ng U q th ự c t ế so v ớ i lý t ưở ng có h ệ s ố không đườ ng th ẳ ng ε đượ c đị nh ngh ĩ a là : % (0)U' )(tU'(0)U' 0)/dt(tdU )t/dt(tdU0)/dt(tdU ε q qqq q qqq − = = =−≈ = (3-33b) Ngoài ra còn các tham số khác như: tốc độ quét trung bình K TB = U max / t q và hiệu suất năng lượng: η = U max / E nguồn Từ đó có hệ số phẩm chất của U q là Q = η / ε. Nguyên lí tạo xung tam giác dựa trên việc sử dụng quá trình nạp hay phóng điện của một tụ điện qua một mạch nào đó. Khi đó quan hệ dòng và áp trên tụ biến đổi theo thời gian có dạng dt (t)dU C(t)i c c = (3-34) trong điều kiện C là một hằng số, muốn quan hệ U c (t) tuyến tính cần thỏa mãn điều kiện i c (t) = hằng số. Nói cách khác sự phụ thuộc của điện áp trên tụ điện theo thời gian càng tuyến tính khi dòng điện phóng hay nạp cho tụ càng ổn định. Có hai dạng xung tam giác cơ bản là: trong thời gian quét thuận t q , U q tăng đường thẳng nhờ quá trình nạp cho tụ từ nguồn một chiều nào đó và trong thời gian quét thuận t q , U q giảm đường thẳng nhờ quá trình phóng của tụ điện qua một mạch tải. Với mỗi dạng kể trên có các yêu cầu khác nhau, để đảm bảo t ng <<t q , với dạng U o U U max t t q t ng T 219 tăng đường thẳng cần nạp chậm phóng nhanh và ngược lại với dạng giảm đường thẳng cần nạp nhanh phóng chậm. . . , Để điều khiển tức thời các mạnh phóng nạp, thường sử dụng các khóa điện tử tranzito hay IC đóng mở theo nhịp điều khiển từ ngoài. Trên thực tế để ổn định dòng điện nạp hay dòng điện phóng của tụ cần một khối tạo nguồn dòng điện (xem 2.6) để nâng cao chất lượng xung tam giác. Về nguyên lí có 3 phương pháp cơ bản sau: a - Dùng một mạch tích phân đơn giản (h.3.25a) gồm một khâu RC để nạp điện cho tụ từ nguồn E. Quá trình phóng, nạp được một khóa điện tử K điều khiển. Khi đó, U max << E do đó phẩm chất của mạch thấp vì hệ số phi tuyến tỷ lệ với tỷ số U max /E; E U ε max = (3-35) Nếu sử dụng phần tăng đường thẳng ta có U c (t) = E [1- exp( - t/R n C)] với R n C >>R phóng .C. Nếu chọn nguồn E cực tính âm ta có U c (t) là giảm đường thẳng. Hình 3.25: Phương pháp Mille tạo Uq b - Dùng một phần tử ổn định dòng kiểu thông số có điện trở phụ thuộc vào điện áp đặt trên nó R n =f(U Rn ) làm điện trở nạp cho tụ C. Để giữ cho dòng nạp không đổi, điện trở R n giảm khi điện áp trên nó giảm, lúc đó ε = U max /E td với E td = I nạp . R i (8-36) R i là điện trở trong của nguồn dòng nên khá lớn, do vậy E td lớn và cho phép nâng cao U max với một mức méo phi tuyến cho trước. c - Thay thế nguồn E cố định ở đầu vào bằng một nguồn biển đổi e(t) = E + K (U c - U o ) hay e(t) = E + K∆U C (3-37) với K là hằng số tỉ lệ bé hơn một: k = de(t)/dU c < l (với hình 3.26a) Nguồn bố sung K∆U C bù lại mức giảm của dòng nạp nhờ một mạch khuếch đại có hồi tiếp thay đổi theo điện áp trên tụ U c khi đó mức méo phi tuyến xác định bởi: 220 ε = (1-k)U max /E (3-38) giá trị này thực tế nhỏ vì k ≈ 1 nên 1-k là V CB và vì thế có thể lựa chọn được U max lớn xấp xỉ E làm tăng hiệu suất của mạch mà ε vẫn nhỏ. 3.6.2. Mạch tạo xung tam giác dùng tranzito Hình 3.27 đưa ra các sơ đồ dùng tranzito thông dụng để tạo xung tam giác trong đó (a) là dạng đơn giản, (b) là mạch dùng phần tử ổn dòng (phương pháp Miller) và (c) là mạch bù có khuếch đại bám kiểu Bootstrap. Hình 3.27: Các mạch tạo xung tam giác dùng tranzito thông dụng nhất a. Với mạch (a): Ban đầu khi U v = 0 (chưa có xung điều khiển) T mở bão hòa nhờ R B , điện áp ra U ra = U c = U CEbh ≈ 0V. Trong thời gian có xung vuông, cực tính âm điều khiển đưa tới cực bazơ, T khóa, tụ C được nạp từ nguồn +E qua R làm điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật U c (t) = E (1 - e -t/RC ) (3-39) Điện áp này U c (t) = U ra (t) ở gần đúng bậc nhất tăng đường thẳng theo t với hệ số phi tuyến 221 E U i )i(ti ε m 0 q0 = − = với i(0) = E/R (3-40) và R U-E )i(t m q = là các dòng nạp lúc đầu và cuối Khi hết xung điểu khiển T mở lại, C phóng điện nhanh qua T; U ra = U c ≈ 0 mạch về lại trạng thái ban đầu. Từ biểu thức sai số ε (3-40) thấy rõ muốn sai số bé cần chọn nguồn E lớn và biên độ ra của xung tam giác U m nhỏ. Đây là nhược điểm căn bản của sơ đồ đơn giản hình 3.27a. b. Với mạch (b) tranzito T 2 mắc kiểu bazơ chung có tác dụng như một nguồn ổn dòng (có bù nhiệt nhờ dòng ngược qua D Z là điôt ổn áp (xem 2.6) cung cấp dòng I E2 ổn định nạp cho tụ trong thời gian có xung vuông cực tính âm điều khiển làm khóa T 1 . Với điều kiện gần đúng dòng cực colectơ T 1 không đổi thì: t C I =dtI C 1 =(t)U c2 t 0 c2c q ∫ là quan h ệ b ậ c nh ấ t (3-41) M ạ ch (b) cho phép t ậ n d ụ ng toàn b ộ E t ạ o xung tam giác v ớ i biên độ nh ậ n đượ c là U m ≈ E. Tuy v ậ y, khi có t ả i R t n ố i song song tr ự c ti ế p v ớ i C thì có phân dòng qua R t và U m gi ả m và do đ ó sai s ố ε t ă ng. Để s ử d ụ ng t ố t c ầ n có bi ệ n pháp nâng cao R t hay gi ả m ả nh h ưở ng c ủ a R t đố i v ớ i m ạ ch ra c ủ a s ơ đồ . c. Với mạch (c) T 1 là ph ầ n t ử khóa th ườ ng m ở nh ờ R B và ch ỉ khóa khi có xung vuông c ự c tính d ươ ng đ i ề u khi ể n. T 2 là ph ầ n t ử khu ế ch đạ i đệ m ch ế độ đ óng m ở (k < 1). Ban đầ u (U v = 0) T 1 m ở nh ờ R b , đ iôt D thông qua R có dòng I o ≈ E/(R + R d ) v ớ i U c = U CE1bh ≈ 0. Qua T 2 ta nh ậ n đượ c U ra ≈ 0. T ụ C o đượ c n ạ p t ớ i đ i ệ n áp U N - U E2 ≈ E v ớ i c ự c tính nh ư hình 3.27. Trong th ờ i gian có xung vào T 1 b ị khóa, C đượ c n ạ p qua D và R làm đ i ệ n th ế t ạ i M (c ũ ng là đ i ệ n th ế c ự c baz ơ T 2 ) âm d ầ n T 2 m ở m ạ nh, gia s ố ∆ U c qua T 2 và qua C o (có đ i ệ n dung l ớ n) g ầ n nh ư đượ c đư a toàn b ộ v ề đ i ể m N bù thêm v ớ i giá tr ị s ẵ n có t ạ i N ( đ ang gi ả m theo quy lu ậ t dòng n ạ p) gi ữ ổ n đị nh dòng trên R n ạ p cho C. Chú ý khi dòng h ồ i ti ế p qua C o v ề N có tr ị s ố b ằ ng E/R thì không còn dòng qua D d ẫ n t ớ i cân b ằ ng độ ng, ngu ồ n E d ườ ng nh ư c ắ t kh ỏ i m ạ ch và C đượ c n ạ p nh ờ đ i ệ n th ế E đ ã đượ c n ạ p tr ướ c trên C o . S ơ đồ (c) có ư u đ i ể m là biên độ U m đạ t x ấ p x ỉ giá tr ị ngu ồ n E trong khi sai s ố gi ả m đ i (1 - k) l ầ n (v ớ i k là h ệ s ố truy ề n đạ t c ủ a T 2 m ắ c chung emit ơ ) và ả nh h ưở ng c ủ a R t m ắ c t ạ i c ự c emit ơ c ủ a T 2 thông qua t ầ ng đệ m phân cách T 2 t ớ i U c (t) r ấ t y ế u. Các s ơ đồ 3.27 a b c có th ể s ử d ụ ng v ớ i xung đ i ề u khi ể n c ự c tính ng ượ c l ạ i khi chuy ể n m ạ ch T 1 đượ c thi ế t k ế ở d ạ ng th ườ ng khóa (không có R B ) 3.6.3. Mạch tạo xung tam giác dùng vi mạch thuật toán Hình 3.28 a và b đư a ra hai s ơ đồ t ạ o xung tam giác dùng IC thu ậ t toán. 222 Hình 3.28: Các mạch tạo xung tam giác dùng IC tuyền ttnh a) Dạng mạch tích phân đơ n gi ả n b) Dùng mạch phức tạp có điều chỉnh hướng quét và cực tính a - Mạch 3.28 a xây d ự ng trên c ơ s ở khu ế ch đạ i có đả o trong đ ó thay đ i ệ n tr ở R ht b ằ ng t ụ C, khi đ ó đ i ệ n áp ra đượ c mô t ả b ở i (gi ả thi ế t U o = 0) ( ) ( ) ( ) Q+dttI C 1 = C tQ =tU t 0 0cra ∫ (3-42) với Q o là điện tích có trên tụ tại lúc t = 0 với ( ) ( ) R tU =tI vào c ta có ( ) ( ) U+dttU RC 1 =tU t 0 ravàora ∫ (3-43) Thành ph ầ n U rao xác đị nh t ừ đ i ề n ki ệ n ban đầ u c ủ a tích phân U rao = U ra (t = 0) = Q 0 / C N ế u U vào (t) là m ộ t xung vuông có giá tr ị không đổ i trong kho ả ng 0 ÷ t thì U ra (t) là m ộ t đ i ệ n áp đườ ng th ẳ ng U ra (t) = ( - U vào /RC). t + U rao (3-44) Độ chính xác c ủ a (3.44) là tùy thu ộ c vào gi ả thi ế t g ầ n đ úng U o ≈ 0 hay dòng đ i ệ n đầ u vào IC g ầ n b ằ ng 0, các vi m ạ ch ch ấ t l ượ ng cao đả m b ả o đ i ề u ki ệ n này khá t ố t. 223 b – Phân tích hoạt động của mạch 3.28b. Khi có xung đ i ề u khi ể n c ự c tính d ươ ng, T m ở bão hòa, thông m ạ ch phóng đ i ệ n cho t ụ C trong kho ả ng th ờ i gian t o (t o < t nghỉ v ớ i t nghỉ = t vào là th ờ i gian có xung đ i ề u khi ể n). Trong kho ả ng t q (không có xung đ i ề u khi ể n) IC làm vi ệ c ở ch ế độ khu ế ch đạ i tuy ế n tính, n ế u U o = 0 thì U p = U N = U c (3-45) Ta xác đị nh quy lu ậ t bi ế n đổ i c ủ a U c (t), t ừ đ ó tìm đ i ề u ki ệ n để có quan h ệ là tuy ế n tính nh ư sau: Ph ươ ng trình dòng đ i ệ n t ạ i nút N v ớ i m ạ ch h ồ i ti ế p âm: 2 raN 1 N0 R UU = R UE suy ra 1 2 0 1 21 cra R R E R RR UU − + = (3-46) Ph ươ ng trình dòng t ạ i núi P v ớ i m ạ ch h ồ i ti ế p d ươ ng: 4 racc 3 c R UU + dt dU C= R UE (3-47) T ừ hai h ệ th ứ c (346) và (3-47) rút ra ph ươ ng trình c ủ a U c (t) RR RE R E C 1 = RR R R 1 C U = dt dU 41 20 341 2 3 cc (3-48) Tính ch ấ t bi ế n đổ i c ủ a U c (t) ph ụ thu ộ c vào h ệ s ố c ủ a s ố h ạ ng th ứ hai v ế trái c ủ a (3- 48). N ế u R 3 > R 1 R 4 /R 2 đườ ng U c (t) có d ạ ng đườ ng cong l ồ i. N ế u R3<R 1 R 4 /R 2 R 2 đườ ng U c (t) có d ạ ng đườ ng cong lõm. Khi R 1 /R 2 =R 3 /R4 (3-49) thì U c ph ụ thu ộ c b ậ c nh ấ t vào t. Khi đ ó có: t RR R E R E C 1 =U 41 2 0 3 c (3-50) N ế u ch ọ n R 1 = R 3 và R 2 = R 4 ta có bi ể u th ứ c thu g ọ n ( ) tEE CR 1 =U 0 3 c (3-51) T ừ đ ó: 224 N ế u E > E o có U ra là đ i ệ n áp t ă ng đườ ng th ằ ng. N ế u E < E o có U ra gi ả m đườ ng th ẳ ng. N ế u ch ọ n E o = 0 ta nh ậ n đượ c xung tam giác c ự c tính d ươ ng, còn ch ọ n E o là 1 ngu ồ n đ i ề u ch ỉ nh đượ c thì U ra có d ạ ng có hai c ự c tính v ớ i biên độ g ầ n b ằ ng 2E c Trên th ụ c t ế , th ườ ng ch ọ n E = Ec và E o l ấ y t ừ E c qua chia áp. Biên độ c ự c đạ i trên t ụ C xác đị nh b ở i: U cmax = (E - E o )t q / R 3 C (3-52) Ng ườ i ta có th ể t ạ o ra đồ ng th ờ i m ộ t xung vuông và m ộ t xung tam giác nh ờ ghép n ố i ti ế p m ộ t b ộ tích phân sau m ộ t trig ơ Smit (h. 3.30). B ộ tích phân IC 2 l ấ y tích phân đ i ệ n áp ra ổ n đị nh trên l ố i ra (U ra1 ) c ủ a trig ơ Smit. Khi U ra2 đạ t ng ưỡ ng t ắ t c ủ a trig ơ thì đ i ệ n áp ra c ủ a nó đổ i d ấ u độ t bi ế n do đ ó U ra2 đổ i h ướ ng quét ng ượ c l ạ i. Quá trình l ạ i ti ế p di ễ n cho t ớ i khi đạ t t ớ i ng ưỡ ng l ậ t th ứ hai c ủ a trig ơ Smit và s ơ đồ quay v ề tr ạ ng thái đầ u. T ầ n s ố c ủ a dao độ ng thay đổ i nh ờ R ho ặ c C. Biên độ U ra2 ch ỉ ph ụ thu ộ c ng ưỡ ng l ậ t c ủ a trig ơ Smit, đượ c xác đị nh b ở i: U ra2 = U max R 1 /R 2 (3-53) (v ớ i U max là giá tr ị đ i ệ n áp ra bão hòa c ủ a IC 1 ). Chu kì dao độ ng xác đị nh b ở i T= 4RCR 1 /R 2 (3-54) Hình 3.30: Sơ đồ tạo đồng thời xung vuông (Ura1) và xung tam giác (Ura2) . E (1 - e -t/RC ) ( 3-3 9) Điện áp này U c (t) = U ra (t) ở gần đúng bậc nhất tăng đường thẳng theo t với hệ số phi tuyến 221 E U i )i(ti ε m 0 q0 = − = với i(0) = E/R ( 3-4 0) và R U-E )i(t m q =. trên tụ U c khi đó mức méo phi tuyến xác định bởi: 220 ε = (1-k)U max /E ( 3-3 8) giá trị này thực tế nhỏ vì k ≈ 1 nên 1-k là V CB và vì thế có thể lựa chọn được U max lớn xấp xỉ E làm. vì hệ số phi tuyến tỷ lệ với tỷ số U max /E; E U ε max = ( 3-3 5) Nếu sử dụng phần tăng đường thẳng ta có U c (t) = E [ 1- exp( - t/R n C)] với R n C >>R phóng .C. Nếu chọn nguồn E cực