Bài 9 bộ khuếch đại thuật toán (3) Mục đích: Nghiên cứu sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện các mạch hình thành xung đa hài đợi (đơn hài), máy phát xung dạng vuông góc, máy phát xung tổng hợp (phát ra cả xung vuông và xung tam giác). Ngoài ra còn nghiên cứu mạch phát xung dựa trên vi mạch NE-555. Phần lý thuyết 1. Đa hài đợi (đơn hài) Đơn hài là mạch hình thành dạng tín hiệu, tín hiệu ở lối ra của đơn hài có biên độ và độ rộng chỉ phụ thuộc vào các yếu tố trong mạch mà không phụ thuộc vào tín hiệu lối vào. Sơ đồ cơ bản và giản đồ xung của một đơn hài nh sau: (Xem hình 9.1) U ngỡng U + R V + - R o U V C V U ra o o C U ngỡng t t t U + U V Ura Hình 9.1 178 Thực chất, đơn hài là một đa hài đợi có một trạng thái bền: Khi có tín hiệu lối vào, đơn hài chuyển trạng thái từ bền sang không bền và sau một thời gian phụ thuộc vào yếu tố bên trong mạch sẽ trở về trạng thái cũ. Khi cha có tín hiệu vào, mạch ở trạng thái bền tuỳ thuộc U ngỡng , giả sử U ngỡng > 0 ta có U ra = U ra max . Khi có U vào > U ngỡng . Đơn hài chuyển trạng thái, U ra = U ra min . Ngay lúc này thế ở lối vào thuận: làm cho đơn hài tiếp tục ở trạng thái này. Tụ điện C sẽ nạp điện dần qua RC cho đến khi , lúc này đơn hài chuyển trạng thái, trở về trạng thái bền ban đầu. Ta thấy rằng trong thời gian ở trạng thái không bền nếu có tín hiệu lối vào ở mức dơng thì đơn hài cũng không chuyển trạng thái. Thời gian ở trạng thái không bền chỉ phụ thuộc giá trị R và C, chúng tạo ra độ rộng xung. minra UU = + 0 + U Hình A9-1 (phần thực nghiệm) là sơ đồ của một đơn hài sử dụng vi mạch thuật toán LM-741. Trong sơ đồ có mạch tạo ngỡng là R 3 và R 5 , thời gian kéo dài của xung có thể thay đổi đợc nhờ chốt cắm J 1 và chiết áp . 2 p 2. Máy phát xung vuông góc. Về nguyên tắc, máy phát xung dùng khuếch đại thuật toán hoàn toàn tuân theo các điều kiện của một máy phát dùng các linh kiện điện tử khác, đó là một mạch khuếch đại có phản hồi dơng với 1 K . R 2 R 3 R 1 U U + R V + C U cc o U ra o U ra U - t t U U U o U o U + Hình 9.2 179 K là hệ số khuếch đại ; là hệ số phản hồi dơng Mạch phản hồi dơng nhằm kích động sự chuyển trạng thái, để hình thành độ rộng xung ta thờng sử dụng mạch R-C để làm kéo dài các trạng thái. Giả sử ta có một mạch nh trên hình 9.2. Giả sử không có nhiễu, mạch hoàn toàn có thể ở trạng thái cân bằng với: occra U RR R UUUU = + === + 21 2 . Giả sử có can nhiễu lối vào (+) : làm cho U + > UU ra = U ra max . Nhờ mạch phản hồi R 3 mà sẽ tăng lên trong khi tăng dần để nạp cho tụ C. Do vậy mà và mạch giữ nguyên trạng thái này (U + U U + > UU ra = U ra max ) cho đến khi . Lúc này mạch lật trạng thái, U + > UU ra = U ra min kéo thế xuống thấp. Vì nên mạch giữ nguyên trạng thái. Tụ C phóng điện dần dần cho tới khi thì mạch lại chuyển trạng thái, tức là mạch tự dao động. + U + > UU + < UU Tần số dao động phụ thuộc thời gian phóng và nạp cho tụ C, tức phụ thuộc R-C. Hình A9-2 (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ của mạch phát xung vuông góc dùng vi mạch thuật toán LM-741. Tần số phát thay đổi đợc nhờ chốt cắm J 1 và chiết áp P 1 . 3. Máy phát xung tổng hợp Hình A9-3 (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ của máy phát xung tổng hợp : Xung ra là xung vuông góc và xung tam giác. Máy phát này gồm 3 phần chính: IC 1 chính là máy phát xung vuông góc ta đã khảo sát ở phần trên IC 2 là khuếch đại đảo. IC 3 là bộ tích phân đảo để tạo ra xung tam giác. Từ xung vuông góc, xung tam giác này lại đợc đa trở về lối vào đảo của IC 1 . Vai trò của bộ tích phân đảo này giống nh mạch RC trong máy phát xung vuông góc mà ta đã khảo sát. Ngoài ra sơ đồ này còn có hệ phân áp và các chiết áp P 1 và P 2 để thay đổi biên độ xung ra và tần số xung ra. 4. mạch thời gian IC-555 Đợc hãng Signetic đa ra năm 1973. Vi mạch này đợc dùng rất rộng rãi, chỉ đứng sau các hệ khuếch đại thuật toán và các bộ ổn thế. Vi mạch này có khả 180 n¨ng cho ra c¸c xung cã ®é kÐo dµi tõ vµi micr« gi©y ®Õn 1 giê . E k 8 o VT14 6 7 o 4 o 5 o 2 o 1 Q Q C x R 3 R 4 R 2 R 5 − + U cx o U ra − + • • • • o • • R x (a) 1,2R x C x t U 3 k E t U khëi ph¸t t t U cx U ra (b) H×nh 9.3 181 Về cấu trúc, IC-555 phải mắc thêm hai yếu tố bên ngoài là C x và R x . Sơ đồ của IC-555 bao gồm 4 phần cơ bản là: Gồm 2 bộ so sánh, một trigger nhớ và một transistor khoá VT14. Bộ chia thế R 3 , R 4 và R 5 xác lập ngỡng cho 2 bộ so sánh. ở trạng thái bình thờng VT14 mở bão hoà. Khi lối vào còn lại của bộ so sánh dới có xung khởi phát âm đủ để thế lối này thấp hơn thế ngỡng bằng 3 k E thì bộ so sánh lật trạng thái dẫn đến Q của trigơ chuyển sang thế âm làm cấm VT14. Lúc này tụ C x bắt đầu tích điện từ nguồn E k qua R x , thế trên tụ C x tăng dần đến khi nào vợt 2 3 k E thì bộ so sánh trên chuyển trạng thái lối ra làm cho trigơ trở về trạng thái ban đầu. Chu trình làm việc của IC-555 kết thúc. Nó kéo dài sau khi có xung khởi phát một thời gian . xx CRT 2,1= Hình A9-4a (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ phát xung trên IC-555. Chân số 2, tức lối vào của bộ so sánh dới đợc nối với điểm giữa của mạch R x C x để tạo khởi phát. Tần số phát đợc thay đổi nhờ chốt cắm J 1 và chiết áp P 1 . Hình A9-4b (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ đơn hài trên IC-555. Lối vào của bộ so sánh dới, tức chân số 2 đợc treo trên thế dơng. Vì vậy hệ số có một trạng thái bền ứng với VT14 dẫn và lối ra ở mức thấp. Khi có tín hiệu vào, nhờ có mạch vi phân tạo ra nhảy bậc âm làm chuyển trạng thái của hệ, lúc này VT14 cấm và hệ R x C x bên ngoài nạp điện hình thành độ rộng xung. Sau khi nạp đủ với mạch này U c > 8V thì hệ quay về trạng thái bền ban đầu. 182 Phần thực nghiệm A. Thiết bị sử dụng: 1. Thiết bị chính cho thực tập điện tử tơng tự. 2. Panel thí nghiệm AE - 109N cho bài thực tập về ứng dụng bộ khuếch đại thuật toán (Gắn lên thiết bị chính). 3. Dao động ký 2 chùm tia. 4. Dây nối cắm 2 đầu. B. Cấp nguồn và nối dây Panel thí nghiệm AE - 109N chứa 4 mảng sơ đồ A9-1 A9- 4, với các chốt cắm nguồn riêng. Khi sử dụng mảng nào cần nối dây cấp nguồn cho mảng đó. Đất (GND) của các mảng sơ đồ đã đợc nối sẵn với nhau. Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối AE 109N. 1. Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị chính, cung cấp các thế chuẩn , cố định. V5 V12 2. Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị chính, cung cấp các giá trị điện thế một chiều V15 0 + và V15 0 . Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết. Sử dụng đồng hồ đo thế DC trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt. 3. Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của thiết bị chính tới cấp trực tiếp cho mảng sơ đồ cần khảo sát. Chú ý : cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo. C. Các bài thực tập 1. đơn hài Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để tạo bộ hình thành dạng tín hiệu kiểu đơn hài. Các bớc thực hiện: 1.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A9- 1. Chú ý cắm đúng phân cực nguồn. 1.2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở 2V/cm, kênh 2 ở 5V/cm, thời gian quét ở 1ms/cm. Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dới của màn dao động ký. 183 Nối kênh 1 dao động ký với lối vào IN/A. Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát thế ngỡng (điểm E) hoặc tín hiệu ở lối ra OUT/C. 1.3. Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở chế độ: - Phát dạng xung vuông góc (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình vuông góc), tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY). - Biên độ ra đặt ở cực tiểu (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE về rìa trái). MONOSTAB.MULTIVIBRATOR: Đơn hài 1.4. Vặn biến trở P1 cực tiểu (min) để nối tắt P1. Đo thế tại điểm E: V(e), điểm C: V o (c). 1.5. Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ A9-1. Vặn nút chỉnh tăng biên độ máy phát cho tới khi lối ra xuất hiện tín hiệu biên độ VVVcV o 11)1()12()( = . Xác định biên độ tín hiệu vào V in ứng với thời điểm IC1 chuyển trạng thái lối ra. Đo độ rộng tín hiệu ra t x . Ghi kết quả vào bảng A9-1. Bảng A9-1 V in (a) V(e) đo t x V o (c) P1 min , C3 P1 max , C3 P1 max , C2 // C3 184 1.6. Biểu diễn giản đồ xung trong đó : - Vẽ dạng tín hiệu vào với giá trị ngỡng V(e). - Vẽ dạng tín ra tơng ứng với tín hiệu vào. 1.7. Văn P1 cực đại (max). Vặn nút chỉnh giảm biên độ máy phát về 0V sau đó tăng dần cho tới khi lối ra xuất hiện tín hiệu biên độ VVVcV o 11)1()12()( = . Xác định biên độ tín hiệu vào V in ứng với thời điểm IC1 chuyển trạng thái lối ra. Đo độ rộng tín hiệu ra t x . Ghi kết quả vào bảng A9-1. 1.8. Giữ nguyên P1 ở giá trị cực đại. Nối J1 để tăng tụ C (= C2 // C3). Vặn nút chỉnh giảm biên độ máy phát về 0V sau đó tăng dần cho tới khi lối ra xuất hiện tín hiệu. Xác định biên độ tín hiệu vào V in ứng với thời điểm IC1 chuyển trạng thái lối ra. Đo độ rộng tín hiệu ra t x . Ghi kết quả vào bảng A9- 1. 1.9. Giải thích về vai trò mạch tạo ngỡng đơn hài (R 2 . R 3 ) và mạch hình thành độ rộng xung gồm các linh kiện (R 2 , R 3 , R 4 + P1 và C2, C3). 2. máy phát xung vuông góc Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để phát xung vuông góc. Các bớc thực hiện: 2.1. Cấp nguồn +12V cho mảng sơ đồ A9- 2. OP.AMP.GENERATOR: Máy phát dùng KĐTT 185 2.2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở cmV5 , kênh 2 ở cmV5 , thời gian quét ở cmms1 . Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dới của màn dao động ký. Nối kênh 1 dao động ký với lối ra C. Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát thế tại các điểm ngỡng (điểm E) hoặc tín hiệu F. 2.3. Vặn biến trở P1 để nối tắt P1. Đo và vẽ dạng biên độ tín hiệu tại điểm F và tại lối ra OUT/C. 2.4. Vặn biến trở P1 để P1 có giá trị cực đại. Đo và vẽ dạng biên độ tín hiệu thế tại điểm F và lối ra OUT/C. 2.5. Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn: - Dạng xung tại F. - Dạng xung ra tại C, tơng ứng với xung tại F. Tính toán giá trị V (E) theo hai trờng hợp khi lối ra ở mức cao và mức thấp. So sánh giá trị tính toán với các giá trị ngỡng thay đổi tín hiệu tại F. Giải thích vai trò mạch R 2 , R 3 . 2.6. Giữ nguyên P1 ở giá trị cực đại. Nối J1 để tăng tụ C = (C 1 // C 2 ) . Lặp lại bớc 4. So sánh giá trị nhận đợc với bớc 3 và 4. Giải thích vai trò mạch R 4 + P1. C (C 2 hoặc C 1 // C 2 ). 3. máy phát xung tổng hợp FUNCTION GENERATOR: máy phát chức năng 186 Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để phát xung tam giác và vuông góc. Các bớc thực hiện: 3.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A9-3. Chú ý cắm phân cực của nguồn. 3.2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở cmV5 , kênh 2 ở cmV5 , thời gian quét ở cmms1 . Chỉnh cho cả 2 tia ở vị trí dễ quan sát. Nối kênh 1 dao động ký với lối ra 01. Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát tín hiệu tại các điểm E hoặc tín hiệu ra ở 02. 3.3. Vặn biến trở P1, P2 ở vị trí giữa. Quan sát tín hiệu tại E, 01, 02. Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung t x , tính tần số máy phát x tf 21= . Ghi kết quả vào bảng A9- 2. Bảng A9- 2. V(01) V(02) x t f P1 giữa P2 giữa P1 min P2 giữa P1 max P2 giữa P1 giữa P2 min P1 giữa P2 max 3.4. Giữ nguyên P2. Vặn biến trở P1 cực tiểu (min), sau đó vặn P1 cực đại (max), lặp lại bớc 3 cho từng giá trị P1. Ghi kết quả vào bảng A9-2. Từ kết quả đo, xác định khoảng biên độ tín hiệu ra của máy phát. 3.5. Đặt P1 ở vị trí giữa. Vặn biến trở P2 = min, sau đó vặn P2 = max, lặp lại bớc 3 cho từng giá trị P2. Ghi kết quả vào bảng A9-2. Từ kết quả đo, xác định khoảng biên độ tín hiệu ra của máy phát. 3.6. Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn: - Dạng xung tại E. 187 [...]... quả vào bảng A 9- 3 4.2.5 Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn: - Dạng tín hiệu tại E - Dạng tín hiệu tại F - Dạng xung ra C, tơng ứng với xung tại F 4.2.6 So sánh các giá trị đo với giá trị tính toán: T = T1 + T2 Trong đó: T1 (Thời gian nạp cho tụ C1), T2 (Thời gian phóng của tụ C1) T1 = 0, 693 (R1 + P1 + R2) C1 T2 = 0, 693 R2 C1 4.3 Đơn hài - sử dụng sơ đồ trên IC2 hình A 9- 4b 4.3.1 Đặt.. .- Dạng xung ra 01, tơng ứng với xung tại E - Dạng xung ra 02, tơng ứng với xung tại E Giải thích nguyên tắc hoạt động dựa trên phân tích các sơ đồ trên IC1, IC2 và IC3 4 sơ đồ xung trên IC- 555 Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng vi mạch 555 để hình thành xung vuông góc Các bớc thực hiện: 4.1 Cấp nguồn +5V cho mảng sơ đồ A 9- 4 4.2 Máy phát xung - sử dụng sơ đồ trên IC1 hình A 9- 4a 4.2.1... trí cực đại Quan sát dạng tín hiệu tại A, G, H Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung tx Ghi kết quả vào bảng A 9- 4 4.4 Nối J2 để tăng tụ C = C5 + C6 Giữ P1 cực đại Quan sát dạng tín hiệu tại A, G và H Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung tx Ghi kết quả vào bảng A 9- 4 4.5 Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn: - Dạng tín hiệu tại A - Dạng tín hiệu tại G, H - Dạng... cực đại Nối lối ra của máy phát xung vào lối vào IN/A sơ đồ hình A 9- 4b 4.3.2 Nối kênh 1 dao động ký với lối ra OUT/C Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát tín hiệu tại các điểm A, G hoặc H 1 89 NE555 GENERATOR: máy phát duìng vi mạch ne555 4.3.3 Vặn biến trở P2 ở vị trí cực tiểu Quan sát dạng tín hiệu tại A, G, H Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung tx Ghi kết quả vào bảng A 9- 4 Bảng A 9- 4... T, tần số máy phát f = 1 T Ghi kết quả vào bảng A 9- 3 188 Bảng A 9- 3 V(01) V(02) tx f P1 min C2 P1 max C2 P1 max C2 + C2 4.2.3 Vặn biến trở P1 ở vị trí cực đại Quan sát dạng tín hiệu tại E, F Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung tx, chu kỳ T, tần số máy phát f = 1 T Ghi kết quả vào bảng A 9- 3 4.2.4 Nối J1 để tăng tụ C = C1 + C2 Giữ P1 cực đại Quan sát dạng tín hiệu tại E và F Đo biên độ tín... thời gian kéo dài xung tx Ghi kết quả vào bảng A 9- 4 4.5 Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn: - Dạng tín hiệu tại A - Dạng tín hiệu tại G, H - Dạng xung ra C, tơng ứng với xung vào 190 . 182 Phần thực nghiệm A. Thiết bị sử dụng: 1. Thiết bị chính cho thực tập điện tử tơng tự. 2. Panel thí nghiệm AE - 109N cho bài thực tập về ứng dụng bộ khuếch đại thuật toán (Gắn. chùm tia. 4. Dây nối cắm 2 đầu. B. Cấp nguồn và nối dây Panel thí nghiệm AE - 109N chứa 4 mảng sơ đồ A 9- 1 A 9- 4, với các chốt cắm nguồn riêng. Khi sử dụng mảng nào cần nối dây cấp nguồn cho. 555 để hình thành xung vuông góc. Các bớc thực hiện: 4.1. Cấp nguồn +5V cho mảng sơ đồ A 9- 4. 4.2. Máy phát xung - sử dụng sơ đồ trên IC1 hình A 9- 4a. 4.2.1. Đặt thang đo thế lối vào của