Giáo trình về kỹ thuật xung - số ppsx

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG KỸ THUẬT XUNG - SỐ Biên soạn: Đoàn Thị Thanh Thảo Phạm Văn Ngọc Lưu hành nội bộ THÁI NGUYÊN 2008 1 Phần 1: Kỹ thuật xung 2 Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1. Tín hiệu xung và tham số: 1.1. Định nghĩa Các tín hiệu điện áp hay dòng điện biến đổi theo thời gian được chia thành 2 loại cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc (gián đoạn). Tín hiệu liên tục còn gọi là tín hiệu tuyến tính hay tương tự. Tín hiệu rời rạc gọi là tín hiệu xung hay số Tiêu biểu cho tín hiệu liên tục là tín hiệu sin, như hình 1, với tín hiệu sin ta có thể tính được biên độ của tín hiệu tại từng thời điểm khác nhau. Hình 1.1: Tín hiệu hình sin Ngược lại tiêu biểu cho tín hiệu rời rạc là tín hiệu vuông, dạng tín hiệu như hình 2, biên độ của tín hiệu chỉ có 2 giá trị mức cao V H và mức thấp V L , thời gian chuyển mức tín hiệu từ mức cao sang mức thấp và ngược là rất ngắn coi như bằng 0 Hình 1.2: a, xung vuông điện áp > 0. b, xung vuông điện áp đều nhau Tín hiệu xung không chỉ có tín hiệu xung vuông mà còn có mốt số dạng tín hiệu khác như xung tam giác, răng cưa, xung nhọn, xung nấc thang có chu kỳ tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ lặp lại T. 3 Hình 1.3: Các dạng tín hiệu xung: Trong nhiều trường hợp xung tam giác có thể coi là xung răng cưa Các dạng xung cơ bản trên rất khác nhau về dạng sóng, nhưng có điểm chung là thời gian tồn tại xung rất nhắt, sự biến thiên biên độ từ tấp lên cao (xung nhọn) và từ cao xuống thấp (nấc thang, tam giác) xảy ra rất nhanh Định nghĩa: Tín hiệu xung điện áp hay xung dòng điên là những tín hiệu có thời gian tồn tại rất ngắn, có thể so sánh với quá trình quá độ trong mạch điện mà chúng tác dụng. 1.2. Các tham số cơ bản của tín hiệu xung: Tín hiệu xung vuông như hình 1 là một tín hiệu xung vuông lý tưởng, thực tế khó có 1 xung vuông nào có biên độ tăng và giảm thẳng đứng như vậy: Hình 1.4 Dạng xung 4 Xung vuông thực tế với các đoạn đặc trưng như: sườn trước, đỉnh, sườn sau. Các tham số cơ bản là biên độ U m , độ rộng xung t x , độ rộng sườn trước t tr và sau t s , độ sụt đỉnh u∆ - Biên độ xung U m xác định bằng giá trị lớn nhất của điện áp tín hiệu xung có được trong thời gian tồn tại của nó. - Độ rộng sườn trước t tr , sườn sau t s là xác định bởi khoảng thời gian tăng và thời gian giảm của biên độ xung trong khoảng giá trị 0.1U m đến 0.9U m . - Độ rộng xung T x xác định bằng khoảng thời gian có xung với biên độ trên mức 0.1U m (hoặc 0.5U m ). - Độ sụt đỉnh xung u∆ thể hiện mức giảm biên độ xung tương tứng từ 0.9U m đến U m . Với dãy xung tuần hoàn ta có các tham số đặc trưng như sau: - Chu kỳ lặp lại xung T là khoảng thời gian giữa các điểm tương ứng của 2 xung kế tiếp, hay là thời gian tương ứng với mức điện áp cao t x và mức điện áp thấp t ng T = t x + t ng (1) - Tần số xung là số lần xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian. 1 F= T (2) - Thời gian nghỉ t ng là khoảng thời gian trống giữa 2 xung liên tiếp có điện nhỏ hơn 0.1U m (hoặc 0.5U m ). - Hệ số lấp đầy γ là tỷ số giữa độ rộng xung t x và chu kỳ xung T x t T γ = (3) Do T = t x + t ng vậy ta luôn có 1 γ < - Độ rỗng của xung Q là tỷ số giữa chu kỳ xung T và độ rộng xung t x . x T Q t = (4) * Trong kỹ thuật xung - số người ta sử dụng phương pháp số đối với tín hiệu xung với quy ước chỉ có 2 trạng thái phân biệt 5 - Trạng thái có xung (t x ) với biên độ lớn hơn một ngưỡng U H gọi là trạng thái cao hay mức “1”, mức U H thường chọn cỡ từ 1/2Vcc đến Vcc. - Trạng thái không có xung (t ng ) với biên độ nhỏ hơn 1 ngưỡng U L gọi là trạng thái thấp hay mức “0”, U L được chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito hay IC) - Các mức điện áp ra trong dải U L < U < U H được gọi là trạng thái cấm 2. Các dạng điện áp đơn giản và phản ứng của mạch điện RC – RL đối với dạng xung. Trong lý thuyết về mạch lọc người ta chia mạch lọc thành 2 loại là mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực, các mạch lọc thụ động dùng các phần tử cơ bản R-L-C còn được chia thành một số loại Theo linh kiện có mạch lọc RC, RL, LC Theo tần số chọn lọc có: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải và mạch lọc chặn dải tùy theo các sắp xếp của từng loại linh kiện trong mạch mà ta sẽ được các mạch lọc tương ứng. 2.1. Khái niệm - Để xác định điện áp đầu ra của mạch điện tuyến tính u ra (t) khi đầu vào tác dụng một điện áp u vào (t) có dạng phức tạp ta có thể áp dụng nguyên lý xếp chồng để xác định điện áp lối ra phụ thuộc vào điện áp lối vào. - Khi tín hiệu lối vào phức tạp ta phân tích thành dạng tín hiệu đơn giản lối vào rồi từ đó ta tính kết quả tại đầu ra của từng thành phần tín hiệu đơn giản u ra (1) (t), u ra (2) (t), … cuối cùng ta thực hiện lấy tổng tín hiệu ra tại ta được tín hiệu ra u ra (t) - Những dạng xung cơ bản là dạng xung hình chữ nhật, hình thang, hình tam giác, hình chuông, dạng e mũ. - Tín hiệu vào có thể là tổng của tín hiệu điện áp hay dòng điện của dạng xung dưới đây a. Là dạng tín hiệu xung vuông đột biến E tt 0 u 6 U(t) = E.1(t 0 ) =    < >= 0 0 0 ttkhi ttkhiE Trong đó hàm 1(t) là hàm xung đơn vị hay hàm đóng mạch tại thời điểm t = t 0 (t 0 > 0) ta có 1(t 0 ) = 1(t – t 0 ) =     < >= 0 0 0 1 ttkhi ttkhi b. Dạng điện áp biến đổi theo quy luật đường thẳng U(t) = k(t – t 0 ).1(t 0 ) =    < >=− 0 00 0 )( ttkhi ttkhittk Với hệ số góc )(karctg= α c. Dạng điện áp biến đổi theo quy luật hàm số mũ U(t) = E[1 – exp(-α(t – t 0 )].1(t 0 ) = 0 0 0 0 ))](exp(1[ tt tt khi khittE >= >=    −−− α d. Ví dụ: một số trường hợp thay đổi dạng xung phức tạp thành dạng xung đơn giản * Dạng xung vuông U(t) = 21 21 1 ttortt ttt khi khi >< <=<=    U(t) = u 1 (t) + u 2 (t) với U 1 (t) = 1(t 0 ) =    < >= 1 1 0 1 ttkhi ttkhi )(karctg = α t 0 u t E tt 0 u 7 u tt 1 t 2 T x u t t 1 t 2 1 1 -1 U 1 (t) U 2 (t) U 2 (t) = -1(t 0 ) =    < >=− 2 2 0 1 ttkhi ttkhi * Dạng xung hình thang u(t) = u 1 (t) + u 2 (t) + u 3 (t) + u 4 (t) Trong đó u 1 (t) =    = < >=− )( 0 )( 1 1 11 karctg tt ttttk α U 2 (t) =    = < >=−− )( 0 )( 1 2 22 karctg tt ttttk α U 2 (t) =    = < >=− )( 0 )( 2 3 33 harctg tt tttth α U 2 (t) =    = < >=−− )( 0 )( 2 4 44 harctg tt tttth α * Dạng hàm mũ U(t) = u 1 (t) + u 2 (t) với U 1 (t) =    < >=−−− 1 11 0 )(1)))(exp(1( ttkhi ttkhitttE α U 2 (t) =    < >=−−−− 2 22 0 )(1)))(exp(1( ttkhi ttkhitttE α Ta có u(t) =       >= <=<=−− <=<=−−− < 3 321 211 1 0 ))(exp( )))(exp(1( 0 tt tttttE tttttE tt α α * Dạng răng cưa. u(t) =      <= <=<=−− <=<=− tt tttttE tttttk 3 322 211 0 ))(exp( )( β U(t) = u 1 (t) + u 2 (t) + u 2 (t) trong đó: U 1 (t) = k(t – t 1 ) t >= t 1 U 2 (t) = -k(t – t 2 ) t >= t 2 8 u t u t t 1 t 2 U 1 (t) U 2 (t) a 1 a 1 a 1 a 1 a 2 a 2 a 2 t 3 t 4 t 3 t 4 t 1 t 2 U 4 (t) U 3 (t) u t t 1 t 2 u t t 1 t 2 u t t 1 t 2 u 1 (t) u 2 (t) a a t 3 u t t 1 a t 3 t 2 u 3 (t) U 3 (t) = -E(1 – exp(-β(t – t 2 )))t >= t 2 2.2. Mạch lọc RC: Cơ bản có mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao Hình 1.5: Mạch lọc RC và đáp ứng xung của mạch lọc - Tần số cắt của mạch lọc là 1 2 C F RC π = (5) tương ứng với điện áp 0 2 i V V = V 0 là biên độ điện áp lối ra, V i là biên độ điện áp lối vào - Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là 0 1 ( ) ( ) i v t v t dt RC = ∫ (6) - Điện áp lối ra của mạch lọc thông cao là 0 ( ) ( ) i dv t v t RC dt = (7) - Trong đó v 0 (t), v i (t) là điện áp tín hiệu lối ra và lối vào tại thời điểm t 2.3. Mạch RL Người ta có thể dùng điện trở R kết hợp với cuộn cảm L để tạo thành các mạch lọc thay cho tụ C, do tích chất của L và C ngược nhau Z L = j L ω , Z C = 1 Cj ω do đó khi dùng mạch lọc thông thấp, thông cao RL thì cách mắc ngược lại với mạch RC 9 Hình 1.6: Mạch lọc thông thấp, thông cao dùng RL Đáp ứng tần số như mạch lọc RC. Tần số cắt của mạch lọc là 2 C R F L π = (8) Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là 0 ( ) ( ) i R v t v t dt L = ∫ (9) Điện áp lối ra của mạch lọc thông cao là 0 ( ) ( ) i dv t L v t R dt = (10) 3. Phản ứng của mạch lọc RC đối với các xung đơn 3.1. Điện áp lấy ra trên điện trở (mạch vi phân) Hình 1.7: Mạch RC điện áp lấy ra trên R Tín hiệu lối vào là v i (t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là 2 T π ω = , tín hiệu lối ra là v 0 (t) Trở kháng của mạch là 2 2 2 1 1 1 C Z R R RC ω ω     = + = +  ÷  ÷     (11) Khi đó đặt 1 2 C F RC π = là tần số cắt của mạch Dòng điện trong mạch là ( ) ( ) i v t i t Z = (12) 2 ( ) ( ) . ( ) 1 1 RC i R v t v t R i t ω = =   +  ÷   Điện áp lối ra biến thiên sau khoảng thời gian t∆ là từ t 0 đến t 1 là 10 [...]... và điện áp đặt vào lối vào đảo (-) là UiTùy thuộc điện áp của 2 lối vào đảo và không đảo này so sánh với nhau mà lối ra của bộ khuếch đại thuật toán ở 1 trong 2 trạng thái như sau - Nếu lối vào Ui+ > Ui- thì tối ra U0 = +VCC gọi là trạng thái bão hòa dương - Nếu lối vào Ui+ < Ui- thì tối ra U0 = -VCC gọi là trạng thái bão hòa âm Thực tế thông thường mạch khuếch đại thuật toán dùng làm mạch so sánh... Trong đó k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào các hệ số của mạch vi phân Trong kỹ thuật xung mạch vi phân cáo tác dụng thu hẹp độ rộng xung lối vào và tạo ra các xung nhọn để kích các linh kiện điều khiển hay linh kiện công xuất như triac a Mạch vi phân dùng RC C V0 Vi R i Hình 2.1: Mạch vi phân dùng RC Tín hiệu lối vào là vi(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là ω = 2π T , tín hiệu lối ra là v0(t) Trở... với trường hợp bỏ qua sụt áp trên Diode, U 0 = -Ura max Qua mạch hồi tiếp dương R1R2 điện áp lối ra là -Ura max được đưa tới lối vào P khi đó điện áp lối vào là U p = β U0 = - β Ura max Với β = R1 đây là trạng thái ổn định bền của mạch đa hài đợi dùng khuếch đại R1 + R2 thuật toán Tại thời điểm t = t1 có 1 xung vuông lối vào qua mạch RC ta có 1 xung nhọn (xung vi phân) tác dụng tới lối vào P, khi U vào... giá trị RC phù hợp ta sẽ được các dạng xung lối ra khác nhau khi dạng xung lối vào là xung vuông Trường hợp khi xung vuông lối vào có độ rộng khác nhau thì khi tín hiệu lối ra trên tụ thực hiện với thời gian nạp lớn hơn thời gian phóng và ngược gại gây ra hiện tượng điện áp rơi trên tụ tăng hoặc giảm dần Hình 2.7: Dạng tín hiệu vào và ra của xung xuông có độ rộng xung khác nhau 26 b Mạch tích phân dùng... Để mạch ở trạng thái ổn định thì K β >=1 trong đó K là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán và β = R2 R1 + R2 Hình 3.3: giản đồ xung lối ra của trigơ smit dùng IC tuyến tính lối vào đảo b Trigơ smit lối vào thuận Hình 3.4: Sơ đồ và giản đồ xung trigor smit dùng IC tuyến tính Khi Uvào có giá trị âm lớn tức u+ > u- khi đó lối ra ura = -ura max, qua mạch hồi tiếp dương tới lối vào không đảo ta... t định trên tụ) Do đó tranzitor T2 -E Tra cấm và lối ra ở mức thấp Tụ C lúc Ura tx này được nạp điện từ +Ecc qua R, C qua CE của tranzitor xuống đất và điện áp trên tụ C tăng dần từ -Ecc t t t t 0 1 2 Hình 3.7: Giản đồ xung tín hiệu ra mạch đa hài đợi dùng tranzitor Điện áp trên tụ tăng dần biến đổi theo hàm mũ UBE2 = E(1-exp(-t/RC) Do điều kiện đầu là UB2(t=t1) = -ECC và khi tụ C nạp đến giá trị cực... lợi khi cần theo dõi và khống chế tự động một thông số nào đó của một quá trình giới hạn cho phép đã được định sẵn (giá trị trong điện áp ngưỡng) hoặc ngược lại không cho phép thông số này rơi vào vùng giới hạn cấm nhờ có 2 ngưỡng điện áp lối vào tương ứng F 20 Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI VÀ TẠO DẠNG XUNG Như chương 1 chúng ta đã biết về một số loại mạch lọc dùng các phần tử thụ động LR, RC,... D thực hiện ghim điện áp ở cực N không âm quá do tụ C phóng điện Khi này mạch sẽ trở về trạng thái cân bằng bền Độ rộng xung tx = t2 – t1 liên quan đến quá trình phóng nạp điện cho tụ C từ mức 0V tới β Ura max Điện áp trên tụ C là UC = Umax(1-exp(-t/RC)) Thay giá trị UC(t1) = 0 và UC(t2) = β Ura max thay vào phương trình trên ta được 1 R 1 tx = t2 – t1 =RC ln(1 − ) = RC ln(1 + ) β R2 3 Các mạch không... dt uu ur r u Với khuếch đại thuật toán ta có I in + I c = 0 hay Iin - Ic = 0 => Iin = IC Dòng điện trên tụ C là I c = −C Do đó ta có ui du 1 = −C 0 ⇒ u0 = − RC ∫ ui (t )dt R dt 27 1 ở đây k = − RC vì mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán với lối vào đảo do đó tín hiệu lối ra sẽ ngược pha so với tín hiệu lối vào Nếu tín hiệu lối vào là xung vuông thì tín hiệu lối ra là xung tam giác như dạng tín... đảo của khuếch đại thuật toán, điện trở R 2 lấy tín hiệu hồi tiếp từ lối ra tới lối vào đảo của khuếch đại thuật toán Dòng điện lối vào đảo của khuếch đại thuật toán là Iin = C dui dt Dòng điện hồi tiếp từ lối ra tới lối vào là IR2 = − U0 R2 Do tính chất của bộ khuếch đại thuật toán điện trở lối vào vô cùng lớn, điện trở lối ra vô cùng nhỏ nên ta coi dòng lối vào đảo của khuếch đại thuật toán xấp xỉ . ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG KỸ THUẬT XUNG - SỐ Biên soạn: Đoàn Thị Thanh Thảo Phạm Văn Ngọc Lưu hành nội bộ THÁI NGUYÊN 2008 1 Phần 1: Kỹ thuật xung 2 Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1. Tín hiệu xung. Hệ số lấp đầy γ là tỷ số giữa độ rộng xung t x và chu kỳ xung T x t T γ = (3) Do T = t x + t ng vậy ta luôn có 1 γ < - Độ rỗng của xung Q là tỷ số giữa chu kỳ xung T và độ rộng xung. t x . x T Q t = (4) * Trong kỹ thuật xung - số người ta sử dụng phương pháp số đối với tín hiệu xung với quy ước chỉ có 2 trạng thái phân biệt 5 - Trạng thái có xung (t x ) với biên độ lớn hơn