Giáo trình môn điện tử viễn thông

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG KỸ THUẬT XUNG - SỐ Biên soạn: Đồn Thị Thanh Thảo Phạm Văn Ngọc Lưu hành nội THÁI NGUYÊN 2010 Phần 1: Kỹ thuật xung Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG Tín hiệu xung tham số: 1.1 Định nghĩa Các tín hiệu điện áp hay dòng điện biến đổi theo thời gian chia thành loại tín hiệu liên tục tín hiệu rời rạc (gián đoạn) Tín hiệu liên tục cịn gọi tín hiệu tuyến tính hay tương tự Tín hiệu rời rạc gọi tín hiệu xung hay số Tiêu biểu cho tín hiệu liên tục tín hiệu sin, hình 1, với tín hiệu sin ta tính biên độ tín hiệu thời điểm khác V Vp + + - -Vp + + + - - - - t Hình 1.1: Tín hiệu hình sin Ngược lại tiêu biểu cho tín hiệu rời rạc tín hiệu vng, dạng tín hiệu hình 2, biên độ tín hiệu có giá trị mức cao V H mức thấp VL, thời gian chuyển mức tín hiệu từ mức cao sang mức thấp ngược ngắn coi V V VH VH VL t a) t VL b) Hình 1.2: a, xung vng điện áp > b, xung vng điện áp Tín hiệu xung khơng có tín hiệu xung vng mà cịn có mốt số dạng tín hiệu khác xung tam giác, cưa, xung nhọn, xung nấc thang có chu kỳ tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ lặp lại T u u t t B Xung nhọn (vi phân) A: xung tam giác u u t C Xung cư a (hàm mũ - tích phân) t D xung nấc thang Hình 1.3: Các dạng tín hiệu xung: Trong nhiều trường hợp xung tam giác coi xung cưa Các dạng xung khác dạng sóng, có điểm chung thời gian tồn xung nhắt, biến thiên biên độ từ tấp lên cao (xung nhọn) từ cao xuống thấp (nấc thang, tam giác) xảy nhanh Định nghĩa: Tín hiệu xung điện áp hay xung dịng điên tín hiệu có thời gian tồn ngắn, so sánh với trình độ mạch điện mà chúng tác dụng 1.2 Các tham số tín hiệu xung: Tín hiệu xung vng hình tín hiệu xung vng lý tưởng, thực tế khó có xung vng có biên độ tăng giảm thẳng đứng vậy: u u Um 0.9Um tx Um t ng Um T A, xung vuông lý tưởng 0.1Um t Δu t tr tđ tx ts t B, xung vng thự c tế Hình 1.4 Dạng xung Xung vuông thực tế với đoạn đặc trưng như: sườn trước, đỉnh, sườn sau Các tham số biên độ Um, độ rộng xung tx, độ rộng sườn trước ttr sau ts, độ sụt đỉnh ∆u - Biên độ xung Um xác định giá trị lớn điện áp tín hiệu xung có thời gian tồn - Độ rộng sườn trước ttr, sườn sau ts xác định khoảng thời gian tăng thời gian giảm biên độ xung khoảng giá trị 0.1Um đến 0.9Um - Độ rộng xung Tx xác định khoảng thời gian có xung với biên độ mức 0.1Um (hoặc 0.5Um) - Độ sụt đỉnh xung ∆u thể mức giảm biên độ xung tương tứng từ 0.9Um đến Um Với dãy xung tuần hồn ta có tham số đặc trưng sau: - Chu kỳ lặp lại xung T khoảng thời gian điểm tương ứng xung kế tiếp, thời gian tương ứng với mức điện áp cao tx mức điện áp thấp tng T = tx + tng (1) - Tần số xung số lần xung xuất đơn vị thời gian F= T (2) - Thời gian nghỉ tng khoảng thời gian trống xung liên tiếp có điện nhỏ 0.1Um (hoặc 0.5Um) - Hệ số lấp đầy γ tỷ số độ rộng xung tx chu kỳ xung T γ= tx T (3) Do T = tx + tng ta ln có γ < - Độ rỗng xung Q tỷ số chu kỳ xung T độ rộng xung tx Q= T tx (4) * Trong kỹ thuật xung - số người ta sử dụng phương pháp số tín hiệu xung với quy ước có trạng thái phân biệt - Trạng thái có xung (tx) với biên độ lớn ngưỡng UH gọi trạng thái cao hay mức “1”, mức UH thường chọn cỡ từ 1/2Vcc đến Vcc - Trạng thái khơng có xung (tng) với biên độ nhỏ ngưỡng UL gọi trạng thái thấp hay mức “0”, UL chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito hay IC) - Các mức điện áp dải UL < U < UH gọi trạng thái cấm Các dạng điện áp đơn giản phản ứng mạch điện RC – RL dạng xung Trong lý thuyết mạch lọc người ta chia mạch lọc thành loại mạch lọc thụ động mạch lọc tích cực, mạch lọc thụ động dùng phần tử R-LC chia thành số loại Theo linh kiện có mạch lọc RC, RL, LC Theo tần số chọn lọc có: mạch lọc thơng thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải mạch lọc chặn dải tùy theo xếp loại linh kiện mạch mà ta mạch lọc tương ứng 2.1 Khái niệm - Để xác định điện áp đầu mạch điện tuyến tính ura(t) đầu vào tác dụng điện áp uvào(t) có dạng phức tạp ta áp dụng nguyên lý xếp chồng để xác định điện áp lối 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 từ ta tính kết đầu thành phần tín hiệu đơn giản ura(1)(t), ura(2)(t), … cuối ta thực lấy tổng tín hiệu ta tín hiệu ura(t) - Những dạng xung dạng xung hình chữ nhật, hình thang, hình tam giác, hình chng, dạng e mũ - Tín hiệu vào tổng tín hiệu điện áp hay dịng điện dạng xung a u E t0 t Là dạng tín hiệu xung vng đột biến  E t >= t t < t U(t) = E.1(t0) =  0 Trong hàm 1(t) hàm xung đơn vị hay hàm đóng mạch thời điểm t = t (t0 1 t >= t > 0) ta có 1(t0) = 1(t – t0) = 0 t < t   b u α = arctg (k ) t0 t Dạng điện áp biến đổi theo quy luật đường thẳng k (t − t ) t >= t t < t  U(t) = k(t – t0).1(t0) =  Với hệ số góc α = arctg (k ) c u E t0 t Dạng điện áp biến đổi theo quy luật hàm số mũ U(t) = E[1 – exp(-α(t – t0)].1(t0)  E[1 − exp(−α (t − t ))] t >= t 0 t >= t  = d Ví dụ: số trường hợp thay đổi dạng xung phức tạp thành dạng xung đơn giản * Dạng xung vuông t1 = t1 t < t1 U1(t) = 1(t0) =  0 Tx u t1 t2 u U (t) t1 -1 t t2 t U2(t) − t >= t t < t U2(t) = -1(t0) =  0 u t1 t2 u u(t) = u (t) + u (t) + u (t) + u (t) t t3 t4 U1(t) a1 α 1= arctg (k ) k (t − t1 ) t >= t1 Trong u1(t) =  t < t1  t1 t2 a1 U4(t) t3 t4 a1 a2 a2 t U3(t) U2(t) α 1= arctg (k ) − k (t − t ) t >= t U2(t) =  t < t2  h(t − t ) t >= t U2(t) =  t < t3  a2 a1 * Dạng xung hình thang α = arctg (h) − h(t − t ) t >= t U2(t) =  t < t4  α = arctg (h) * Dạng hàm mũ U(t) = u1(t) + u2(t) với u  E (1 − exp(−α (t − t1 )))1(t ) t >= t1 t < t1  t1 U1(t) =  t2 t u t2 − E (1 − exp(−α (t − t )))1(t ) t >= t U (t) =  t < t  t t1   E (1 − exp(−α (t − t ))) Ta có u(t) =   E exp(−α (t − t1 ))   t < t1 t1