Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng dụng về các mạch đa hài

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, cùng với sự bùng nổ của cách mạng thôngtin, ngành kĩ thuật điện tử là một trong những ngành phát triển với tốc độ nhanhnhất Những người có trí tưởng tượng phong phú nhất cũng không thể hìnhdung được tương lai của ngành điện tử sẽ diễn biến theo chiều hướng nào Các

đồ điện tử tin học, các thiết bị thông tin giải trí vừa mới mua sắm đã trở thànhlạc hậu, lỗi thời

Linh kiên điện tử càng ngày càng nhỏ bé, vừa tiết kiệm năng lượng vừatích hợp nhiều chức năng mạch điện tử vì thế càng ngày càng thay đổi về hìnhdáng và cấu trúc Các vi mạch (IC) đời mới chứa được hàng trăm linh kiện, một

IC có thể thay thế cho nhiều tầng hay nhiều khối chức năng

Mỗi thiết bị điện tử đều gồm rất nhiều mạch, hầu hết những mạch ấy

đều được cải tiến từ một số mạch cơ bản ban đầu Chỉ cần một thay đổi nhỏ là

một mạch ban đầu có thể biến thành một mạch mới với tính năng mới Bằngcách thay đổi cách nối dây, thay đổi vị trí hay thêm bớt linh kiện là người ta cóthể biến mạch cơ bản thành hàng trăm mạch mới với nhiều tính năng tác dụngmới

Mạch dao động đa hài cũng là một mạch cơ bản, nó được dùng nhiều

trong hầu hết các thiết bị kĩ thuật số, trong máy thu hình, đầu đĩa, máy tính, tròchơi,đồng hồ hay các thiết bị quảng cáo trang trí …

Riêng lĩnh vực trang trí, có đến vài chục loại IC chuyên điều khiển cácđèn chớp sáng hay các chữ chạy nhảy như AN6879, 6877, 6878, 6884, 6891,

6888, 6887… các IC này đều được cải tiến từ mạch dao động đa hài dùngTranzistor

Với sự hướng dẫn của thầy Phạm Duy Khánh, sinh viên nhóm 12 – lớphọc phần H2 xin được trình bày những hiểu biết về mạch đa hài tự kích trongbài viết dưới đây

PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1 Mạch đa hài tự kích dùng tranzistor

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý mạch đa hài tự kích và giản đồ thời gian.

Ta giả thiết mạch là đối xứng thì khi đóng mạch nguồn cung cấp cả haiTranzistor đều thông, dòng điện qua hai Tranzistor là bằng nhau, điện thế trêncực góp của các Tranzistor là như nhau Tuy nhiên hiện tượng đối xứng tuyệtđối trong thực tế là không tồn tại do có sai số giữa các điện trở, tụ điện, độ tảnmạn các tham số của các Tranzistor cùng loại v.v nên một trong haiTranzistor sẽ dẫn mạnh hơn

1.2 Nguyên lí hoạt động

Giả thiết Tranzistor T1 dẫn mạnh hơn  IC1 tăng  UC1 giảm, lượng giảm

áp này thông qua tụ C1 đưa cả sang cực gốc đèn T2 làm UB2 giảm theo Điện ápđiều khiển UB2 của T2 giảm làm IC2 giảm và UC2 tăng Lượng tăng áp trên cực

EC

R

R

T2T

UC2 EC) và IC1 đạt giá trị IC1bh (T1 mở boã hòa: UC1  0)

Ngay khi T1 mở bão hoà, T2 khoá chắc chắn thì tụ C2 được nạp theo đường:+EC  RC2  C2  rbeTr1  mát (âm nguồn EC) Đồng thời với quá trình nạp điệncủa tụ C2 là quá trình phóng điện của tụ C1: +C1  rceTr1  EC (qua nội trở củanguồn)  RB2  -CC1 Chính quá trình phóng điện của tụ C1 tạo nên một sụt áp

âm trên tiếp giáp gốc -C phát của T2 giữ cho T2 ở trạng thái khóa chắc chắn

Theo thời gian dòng phóng của tụ C1 giảm dần, điện thế trên cực gốccủa T2

bớt âm dần Khi điện áp UbeTr2  0 thì đèn T2 sẽ thông lại bắt đầu một quá trìnhhồi tiếp như sau:

IC2 tăng  UC2 giảm  UB1 giảm  IC1 giảm  UC1 tăng  UB2 tăng

Kết thúc quá trình hồi tiếp trên, T1 khóa, T2 thông bão hòa bắt đầu quá trìnhnạp điện của tụ C1 và phóng điện của tụ C2, UC1  EC, UC2  0

Qua các phân tích ở trên ta thấy mạch có thể tự động chuyển từ trạng thái cân bằng không ổn định này sang trạng thái cân bằng không ổn định khác mà không cần tín hiệu kích thích từ ngoài

1.3 Các thông số cơ bản đáp ứng các yêu cầu cho trước

6

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

Mạch có hai đầu ra được lấy trên hai cực góp của hai Tranzistor T1 (UC1) và

T2 (UC2) UC1, UC2 thực chất là hai dãy xung có biên độ sấp xỉ bằng nguồn nuôicủa mạch

là EC và UC1 = C2 Chu kỳ T của hai dẫy xung ra này được tính theo biểu thức:

T = 1 + 2

Trong đó : 1 = R1.C1.Ln2  0,7 R1.C1 là hằng số thời gian phóng của C1

2 = R2.C2.Ln2  0,7 R2.C2 là hằng số thời gian phóng của C2 T  0,7.(R1.C1 + R2.C2)

Nếu ta chọn: R1 = R2 = R, C1 = C2 = C thì

T =1,4.R.C

Nhìn vào biểu thức của T ta thấy khi muốn thay đổi tần số xung ra ta chỉ

việc thay đổi điện dung tụ C hoặc giá trị điện trở R Ở hình 1.2, khi ta thay

đổi biến trở WR thì hằng số thời gian phóng nạp của tụ C1 và C2 đều thayđổi, dẫn đến độ rộng xung ra thay đổi

Với cách mắc trên ta có chu kỳ T là: T  1,4.(WR + R).C.

Trong mạch ta chọn Tranzistor là loại N-CP-CN có công suất nhỏ nhưng hệ sốkhuếch đại lớn như loại Tranzistor silic có nhãn hiệu C828, hoặc C945

Ví dụ 1: Có các số liệu R B1 = R B2 = R = 10kΩ; R C1 = R C2 =1kΩ; C 1 = C 2 = 0,47µF ta có thể dùng biến trở để tần số xung ra là 50Hz như sau:

f = 50Hz  1

T f

Vậy cần điều chỉnh giá trị của biến trở WR = 20,4 kΩ thì tần số xung ra là 50Hz

Hằng số thời gian phóng của tụ C1 là: τ1 = RB2 .C1.Ln2 ≈ 0,7R1C1

Hằng số thời gian phóng của tụ C1 là: τ2= RB1 .C2.Ln2 ≈ 0,7R2C2

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

Hình 1.3 : Mô phỏng mạch đa hài dùng Tranzistor

Hình 1.4 : Giản đồ điện áp ra U C1 (màu đỏ) và điện áp U B1 (màu xanh)

10

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

Hình 1.5 : Giản đồ điện áp ra U C2 (màu đỏ) và điện áp U B2 (màu xanh)

2 Mạch đa hài dùng IC khuếch đại thuật toán

2.1 Phân tích mạch điện

Để lập các xung vuông tần số thấp hơn 1000Hz sơ đồ đa hài (đối xứng hoặckhông đối xứng) dùng IC tuyến tính dựa trên cấu trúc của một mạch so sánh hồitiếp dương có nhiều ưu điểm hơn sơ đồ dùng Tranzistor đã nêu Tuy nhiên dotính chất tần số của IC khá tốt nên ở tần số cao việc ứng dụng sơ đồ IC mangnhiều ưu điểm hơn

Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý (hình 2.1a) và giản đồ thời gian (hình 2.1b) làmviệc của mạch phát xung dùng vi mạch khuếch đại thuật toán

12

+

_

KĐTT R

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung (a) và giản đồ thời gian (b).

Nhìn vào sơ đồ nguyên lý ta thấy KĐTT (khuếch đại thuật toán) cùng haiđiện trở R1 và R2 tạo thành một mạch trigơ smit có điện áp ngưỡng lấy trênđiện trở R1: uP = uR1 Điện áp đặt tới đầu vào của trigơ Smit (đầu vào đảo củaKĐTT) được lấy trên tụ C và tuân theo quy luật biến thiên của điện áp trên tụ:

UN = UC

Với cách mắc của trigơ smit nói trên cùng mạch R, C như hình vẽ ta được

một mạch dao động tự kích có giản đồ thời gian mô tả hoạt động như hình

2.1b

2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch

Khi điện thế trên đầu vào N (điện áp trên tụ C) đạt tới ngưỡng lật của trigơSmit thì sơ đồ sẽ lật trạng thái và điện áp ra đột biến giá trị ngược lại với giá trị

cũ Sau đó thế trên đầu vào N thay đổi theo hướng ngược lại và tiếp tục cho đếnkhi đạt ngưỡng lật khác Quá trình thay đổi UN được điều khiển bởi thời gianphóng nạp của C từ Ur qua R

+ Khoảng thời gian (0  t1) điện áp ra của KĐTT ở giá trị ura = +Ura max.

R U

U

2 1

1 max

ra P

2 1

1

RR

R







Đến thời điểm t1 điện thế trên N đạt đến ngưỡng uc UP Uramax.

của trigơ Smit nên sơ đồ lật trạng thái

+ Từ t1  t2 , ura = -C Uramax  điện áp ngưỡng cũng lật trạng thái:







uP P ramax , đồng thời tụ C phóng điện từ + C  R  KĐTT  -C

UCC  nội trở nguồn  mát  -C C Khi điện áp trên tụ giảm về bằng không thì

tụ lại nạp theo chiều ngược lại từ mát  C  R  KĐTT  -C Ucc, điện áp trên

tụ tăng dần với cực tính ngược lại Tại t2 điện thế trên N đạt đến giá trị ngưỡng

uC=U-C

P=-C.Uramax  sơ đồ lại lật trạng thái  ura=+ Uramax  uc  UP   Uramax 

, đồng thời tụ C phóng điện theo đường +C  mát  nội trở nguồn  +UCC 

R   -CC Khi điện áp trên tụ giảm về “0” thì tụ được nạp theo chiều ngược lại

từ +UCC  KĐTT  R  C  mát

2.3 Các thông số cơ bản đáp ứng các yêu cầu cho trước

Qua các phân tích trên ta thấy quá trình phóng và nạp của tụ C đều thông quađiện trở R trong các khoảng thời gian 0  t1, t1  t2, lúc đó phương trình viphân để xác định UN(t) có dạng:

.RC

U_U

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

Giải phương trình vi phân trên với điều kiện đầu là UN(t = 0) = U-C

P = -C Ura

max. ta có nghiệm sau: U ( t ) U 1 ( 1 e R C)

t max

ra N

U)t(

max ra P

1 N

1

R R

R

R 2 1 ( Ln C

1 1

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung sử dụng A741.

Nhìn vào biểu thức trên ta thấy: khi muốn thay đổi tần số của dẫy xung ra ta

có thể thực hiện bằng cách thay đổi điện dung của tụ C hoặc thay đổi giá trị

điện trở R Hình 2.2 là sơ đồ nguyên lý một mạch phát xung dùng khuyếch đại

thuật toán dùng vi mạch A741 có độ rộng thay đổi được nhờ biến trở WR Vớimạch này ta có công thức tính chu kỳ của xung ra như sau:

16

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

Với R = 1,3kΩ và WR = (1-C226)kΩ thì tần số điện áp thay đổi từ

(10-1000)Hz

2.4 Mô phỏng mạch bằng phần mềm mutilsim

Hình 2.3 : Mô phỏng mạch đa hài dùng IC khuếch đại thuật toán

Hình 2.4 : Giản đồ điện áp U v (màu xanh) và điện áp U ra (màu đỏ)

thị Hình 3.1 là sơ đồ nguyên lý của một mạch phát xung chủ đạo đáp ứng được

các yêu cầu trên

18

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung chuẩn dùng IC 555

Vi mạch 555 là loại vi mạch được dùng để phát xung vuông chuyên dụng.Muốn tạo ra được dẫy xung liên tục người ta tiến hành ghép vi mạch này với tụđiện và điện trở như hình vẽ Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động của phát xung

của vi mạch 555 ta quan sát sơ đồ trải của vi mạch 555 hình 3.2.

Hình 3.2: Sơ đồ trải của 555 trong mạch phát xung chủ đạo.

Phần được đóng khung bằng nét đứt là vi mạch 555, nó có cấu tạo cơ bản từ

2 phần tử khuếch đại thuật toán OA1, OA2 và 1 Trigơ R-CS Trong đó haikhuếch đại thuật toán được mắc theo kiểu mạch so sánh có điện áp ngưỡngđược lấy trên bộ phân áp dùng 3 điện trở có cùng giá trị R Với cách mắc nhưtrên thì điện áp ngưỡng của các mạch so sánh là Ucc/ 3 đối với OA2 và 2U CC / 3

đối với OA1 Quan sát trên sơ đồ ta thấy điện áp trên tụ C được đặt tới đầu vàocòn lại của hai mạch so sánh nên giá trị điện áp trên tụ sẽ quyết định trạng tháicủa chúng

20

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

Hình 3.3: Giản đồ thời gian của điện áp trên mạch phát xung.

3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch

* Giả sử tại thời điểm đầu (t = 0) điện áp trên tụ C là

3

Ucc 2

UC  thì đầu raOA1 có mức logic “1” còn đầu ra OA2 có mức logic “0”, đầu ra  có mức logic

“1” (R = 1, S = 0), tranzitor T thông Tụ C phóng điện qua RB, qua T về mátlàm cho điện áp trên nó giảm dần Đầu ra của mạch phát xung không có xung ra(mức logic “0”)

+Khi

3

Ucc 2 U 3

Ucc

C 

 thì đầu ra của OA1 và OA2 đều có mức logic “0”trigơ vẫn giữ nguyên trạng thái (R = 0, S = 0), T vẫn mở, tụ C tiếp tục phóngđiện, điện áp trên nó tiếp tục giảm, xung ra ở mức logic “0”

+ Đến thời điểm t1

3

Ucc

UC  , đầu ra OA2 có mức logic “1”, còn đầu ra

OA1 vẫn có mức logic “0”,  nhận trị “0” (R = 0, S = 1) Qua cổng NAND tanhận được xung ra ở mức logic “1”, đồng thời tranzitor T khoá tụ C được nạp

từ +UCC  RA  RB  C  mát Quá trình tụ nạp điện áp trên nó tăng dần theobiểu thức sau:

e

3

U ) e

1 (

U

t CC

C ).

R R ( t CC

A B B

3.3 Các thông số cơ bản đáp ứng các yêu cầu cho trước

Để thay đổi tần số xung ra thì thay đổi hằng số thời gian phóng, nạp của tụ Cbằng cách thay đổi giá trị các điện trở RA và RB

Thời gian để điện áp trên tụ được nạp từ giá trị UCC/3 đạt đến giá trị 2UCC /3

ta tính được theo công thức sau:

R R ( tn CC

C ).

R R (

tn CC

3

U 3

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

3

U e

3

Trong khoảng từ 0  t1 tụ C phóng điện từ giá trị ban đầu là 2UCC /3 đến UCC /3

Biểu thức điện áp trên tụ: Ucc e

3

2 ) t (

T = tn + tp = 0,69.RA.C + 0,69.RB.C = 0,69.(RA + RB).C

Nếu ta chọn RA = RB  tn = tp  T = 2.tn = 2.tp = 2.0,69 RA.C = 1,4.RA.C.Trong trường hợp này xung ra có độ rộng và khoảng thời gian không tồn tạixung là bằng nhau Nhìn vào biểu thức ta thấy khi muốn thay đổi chu kỳ T của

xung ra ta có thể thực hiện bằng 2 cách là thay đổi dung lượng của tụ C hoặcthay đổi giá trị của điện trở RA, và RB Trên hình 5 để có thể thay đổi được T ta

điều chỉnh hai biến trở WR1 và WR2, đây là hai biến trở đồng trục mà khi tatăng thì chúng cùng tăng còn khi ta giảm thì chúng cùng giảm nên WR1 = WR2

= WR Với mạch như hình 3.1 công thức tính chu kỳ của xung ra như sau:

Với R = 1,43kΩ và WR = (3,33-C70)kΩ thì tần số điện áp thay đổi từ

(100-1500)Hz

3.4 Mô phỏng mạch bằng phần mềm mutilsim

24

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

Hình 2.3 : Mô phỏng mạch đa hài dùng IC 555

Hình 2.3 : Giản đồ điện áp ra chân 3 của IC555

PHẦN III KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Sau quá trình tìm hiểu về các mạch đa hài đặc biệt là các mạch đa hài tự

kích em đã hoàn thành đề tài Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng

dụng về các mạch đa hài tự kích với 3 mạch cơ bản đó là : Mạch đa hài tự kích

dùng 2 tranzistor, mạch đa hài tự kích dùng IC KDTT và mạch đa hài tự kíchdùng IC555 Bước đầu hiểu rõ được chức năng của các linh kiện trong mạch,hiểu và phân tích nguyên lí hoạt động của từng mạch, biết thiết kế mô phỏngmạch trực quan bằng phần mềm multisim Qua đó làm tăng niềm đam mênghiên cứu yêu thích môn học, tìm tòi và ứng dụng vào các bài toán mạch điện

tử thực tế

Khi viết bài này, chúng em đã tìm hiểu và mô phỏng nhiều mạch để nghiêncứu và khảo sát Tuy nhiên vấn đề thì quá phức tạp, tài liệu tham khảo ở trongcác loại sách chuyên ngành và trên mạng Internet nhiều nhưng không có tàiliệu nào thật sự chi tiết, khả năng thì có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót.Rất mong nhận được sự góp ý của thầy và các bạn để bài viết của nhóm hoànthiện hơn

26

Nghiên cứu khai thác đặc điểm và ứng ứng dụng về các mạch đa hài

Tháng 8 năm 2014Xin chân thành cám ơn !

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Giáo trình Kỹ thuật điện tử tương tự, Trường

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

[2] TS Nguyễn Viết Nguyên, Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất bản Giáo