Bài giảng kỹ thuật xung số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ KỸ THUẬT XUNG – SỐ Hưng Yên 2015 (Tài liệu lưu hành nội bộ) CHƢƠNG 1: TÍN HIỆU XUNG VÀ QUÁ TRÌNH TÁC ĐỘNG XUNG LÊN KHÂU TUYẾN TÍNH 1.1 Mở đầu Các thiết bị điện tử có nhiều chế độ làm việc khác Một số quan trọng phát triển thiết bị điện, điện tử nói chung hay công nghệ chuyển mạch tự động chế độ xung Hay người ta thường gọi chế độ khoá mạch điện tử * Đặc điểm chế độ xung: - Điện áp (hay dòng điện) không tồn liên tục mà tồn cách gián đoạn theo thời gian * Các ưu điểm thiết bị làm việc chế độ xung: - Cho phép thực phép đo khoảng cách đơn giản hệ thống Rada xung Trong đó: D t.c - D : khoảng cách từ vật cần đo đến Rađa (đơn vị tính m) - c : vận tốc ánh sáng c = 3.10 m/s - t : khoảng thời gian từ phát tín hiệu từ Rada đến nhận tín hiệu phản xạ Được tính giây (s) - Cho phép thực mã hoá tín hiệu đảm bảo độ bảo mật thông tin cao - Tính chống nhiễu hệ thống làm việc với tín hiệu xung cao độ sai lệch cho phép tín hiệu xung lớn nhiều lần so với tín hiệu tương tự - Cho phép thực việc nén thông tin, mã hoá thông tin thực việc ghép nhiều kênh thông tin đường truyền tín hiệu - Dễ dàng ghép nối với hệ thống máy tính để tự động xử lý kết lưu trữ thông tin để xử lý Thiết bị làm việc chế độ xung gọi thiết bị xung Nhiệm vụ môn học nghiên cứu tín hiệu xung, trình xung mạch tạo tín hiệu xung 1.2 Tín hiệu xung tham số tín hiệu xung vuông 1.2.1Tín hiệu xung Định nghĩa: Tín hiệu xung tín hiệu tồn gián đoạn theo thời gian Thời gian tồn tín hiệu ngắn so sánh với thời gian trình độ (QTQĐ) thiết bị mà tác động lên Thời gian tồn xung gọi độ rộng xung, ký hiệu tx có thứ nguyên giây (s) Độ rộng xung có tính chất tương đối phụ thuộc vào thiết bị mà chúng tác động lên Ví dụ: - Trong hệ thống điều khiển tự động tx tính giây (s) - Trong hệ thống thông tin liên lạc tx tính mili giây (ms) đến micro giây (s) - Trong Vật lý hạt nhân tx tính nanô giây đến picro giây (ns – ps) 1.2.2 Các dạng tín hiệu xung Trong thực tế có nhiều loại tín hiệu xung có dạng khác nhau, thể quy luật biến thiên phức tạp nhiều loại tín hiệu khác Chúng ta xét số dạng tín hiệu xung thường gặp sử dụng xung chữ nhật (vuông), xung hình thang, xung hàm mũ (xung kim), xung tam giác (xung cưa) xung hình chuông Các dạng tín hiệu xung biểu diễn hình vẽ sau: a) b) c) d) e) a) xung chữ nhật; b) xung hình thang; c) xung hàm mũ; d) xung tam giác; e) xung hình chuông Hình 1.1 Các dạng tín hiệu xung thị tần âm tần Trong kỹ thuật để truyền tín hiệu xung người ta phải tiến hành điều chế chúng tần số sóng mang dải tần cao để tránh làm suy giảm tín hiệu lớn Tín hiệu xung điều chế sóng mang cao tần gọi xung cao tần (hay gọi xung xạ tần) U(t) t Hình 1.2: Dạng tín hiệu xung cao tần Trong chương trình không xét đến xung cao tần tín hiệu điều chế mà xét xung đường bao tức xung thị tần hay âm tần Vì nói đến tín hiệu xung ta hiểu xung thị tần âm tần 1.2.3 Các tham số tín hiệu xung vuông Tín hiệu xung đặc trưng thông số chúng Mỗi loại tín hiệu xung có tham số đặc trưng riêng để đánh giá khảo sát chúng Đối với xung vuông ta xét số tham số đặc trưng cho với trường hợp tổng quát u(t) i(t) U(m) I(m) U(m) I(m) (+) ts (-) tđ ts t tx Hình 1.3: Các tham số xung vuông 1-Biên độ xung(Um ; Im ): giá trị điện áp hay dòng điện cực đại mà tín hiệu xung đạt 2-Độ rộng xung tx : thời gian tồn tín hiệu xung 3-Độ rộng đỉnh xung tđ : thời gian tồn đỉnh xung 4-Độ rộng sườn trước ts(+): thời gian điện áp hay dòng điện thay đổi từ chân đến đỉnh xung Độ rộng sườn sau ts(-): thời gian điện áp hay dòng điện thay đổi từ đỉnh xung đến chân để kết thúc xung 6-Độ sụt đỉnh xung ∆U (∆I): mức độ suy giảm điện áp hay dòng điện phần đỉnh xung Độ sụt đỉnh xung đánh giá giá trị tuyệt đối ∆U ∆I đánh giá theo giá trị tương đối tính phần trăm U  U 100% Um I  I 100% Im Thực tế việc truyền tín hiệu qua môi trường thiết bị điện tử có dải tần làm việc hạn chế (dải thông chúng vô hạn) làm cho méo tín hiệu xung Vì để xét đặc trưng thời gian tín hiệu xung vuông tx ; ts(+) ; ts(-) ; tđ đạt độ xác tuyệt đối mà giá trị gần Việc xác định tham số thông qua giá trị đặc trưng α để khảo sát tuỳ theo yêu cầu xác khác Thông thường α = 0,2; 0,1; 0,05; 0,01 Như việc xác định tham số thời gian thực mức biên độ tương đối αUm (1 – α )Um hình vẽ sau: u(t) U(m) U(m) U(m) U(m) (+) ts (-) tđ ts t tx Hình 1.4: Nguyên tắc xác định tham số thời gian tín hiệu xung theo hệ số α Khi xét dãy tín hiệu xung có chu kỳ lặp lại (tín hiệu xung tuần hoàn) ta xét tham số sau: 7-Chu kỳ lặp lại (tần số lặp) dãy xung T (f = 1/T) Dãy xung vuông tuần hoàn có chu kỳ lặp lại biểu diễn sau: tx T 8-Độ thưa chuỗi xung Q = T/t x Độ thưa chuỗi xung Q thay đổi khoảng rộng từ vài đơn vị đến hàng nghìn đơn vị Đối với dãy xung có Q < gọi dãy xung rộng Đối với dãy xung có Q > gọi dãy xung hẹp 9-Hệ số lấp đầy chuỗi xung   tx  Q T 1.3 Các trình đặc trƣng mạch xung lôgic Khi tín hiệu tác động lên mạch điện tử xảy hai trình trình dừng trình độ Quá trình dừng trạng thái cân điện mạch điện tử Quá trình độ (QTQĐ) trình mạch điện chuyển từ trình dừng sang trình dừng khác Như mục trước đề cập, độ rộng xung có thời gian nhỏ xấp xỉ thời gian Quá trình độ mạch điện tử mà tác động lên, thời gian Quá trình độ mạch làm méo dạng tín hiệu xung, làm thay đổi tham số thời gian tx ; ts(+) ; ts(-) ; tđ Có tượng phần tử ký sinh mạch có tính cảm tính dung gây lên Chúng phụ thuộc vào độ rộng xung tác động lên mạch khoảng cách xung Tóm lại: Quá trình độ trình chuyển đổi trạng thái mạch xung Quá trình độ mạch chủ yếu làm ảnh hưởng đến tham số độ rộng sườn xung *Điều kiện để mạch xung làm việc bình thường: - tx >> tQT QĐ Tức động rộng xung tác động lên mạch điện phải lớn thời gian Quá trình độ mạch mà tác động lên - T – tx >> tQT QĐ Tức khoảng trống dãy xung (hay khoảng cách hai xung kế tiếp) phải lớn thời gian trình độ mạch điện mà tác động lên Khi đảm bảo hai điều kiện việc xét mạch xung (phân tích mạch xung) tác động chuỗi xung tương tự việc xét tác động xung đơn lên mạch Để phân tích tác động tín hiệu xung lên mạch điện tử sử dụng công cụ toán học giáo trình Lý thuyết mạch 1.3.1 Đối với mạch tuyến tính Đối với mạch tuyến tính ta sử dụng phương pháp sau: - Phương pháp kinh điển sử sụng việc mô tả mạch phương trình vi phân tích phân với tác động đầu vào phản ứng đầu Giải phương trình để tìm quan hệ tín hiệu tác động đầu vào với tín hiệu phản ứng đầu mạch - Phương pháp toán tử phương pháp sử dụng thuật toán Laplace để mô tả mạch thông qua hàm ảnh Sau tìm hàm ảnh phản ứng đầu ta tìm hàm gốc phụ thuộc vào thời gian - Phương pháp phân tích phổ tín hiệu sử dụng chuỗi Fourier tích phân Fourier để phân tích mạch tìm phản ứng đầu mạch hàm thời gian phụ thuộc vào phổ tín hiệu vào - Phương pháp xếp chồng sử dụng tích phân Du – – men, nguyên lý xếp chồng, tích phân tín hiệu vào phức tạp thành tín hiệu đơn giản để tìm phản ứng đầu tương ứng với chúng Tín hiệu mạch xếp chồng tín hiệu thành phần vừa tìm 1.3.2 Với mạch phi tuyến Việc phân tích mạch phi tuyến phức tạp khó khăn ta thường tính toán gần chúng cách sử dụng phương pháp tuyến tính hoá phần tử phi tuyến theo đặc tuyến Vôn-Ampe chúng sau I(t) I(t) C B A 0 a) U(t) b) U(t) Hình 1.5: Tuyến tính hóa phần tử phi tuyến Tuỳ theo đặc tuyến Vôn-Ampe phần tử phi tuyến yêu cầu độ xác phân tích mà ta sử dụng phương pháp tuyến tính cho phù hợp Thiết bị xung thiết bị phi tuyến ta nên sử dụng phương pháp để phân tích 1.4 Tín hiệu xung tác động lên khâu tuyến tính Khi nghiên cứu mạch xung chia làm loại: - Mạch xung tuyến tính - Mạch xung phi tuyến Tính chất mạch xung: - Khi tín hiệu truyền qua mạch xung có dạng đầu bị thay đổi khác với tín hiệu đầu vào mạch gọi mạch hình thành xung - Nếu dải thông mạch đủ rộng cho qua phần lớn thành phần phổ giữ lại số thành phần không không gây méo dạng xung so với dạng xung vào Thì mạch xung gọi mạch khuếch đại hay truyền tín hiệu xung 1.5 Tín hiệu xung tác động lên khâu RC, RL 1.5.1 Điện áp đột biến tác động lên khâu RC, RL a) Sơ đồ khâu RC, RL: Khâu tuyến tính RC, RL thể hình vẽ sau R R uR(t) uR(t) uv (t) u v(t) C uc (t) L uL(t) b-Khâu RL a-Khâu RC Hình 1.6: Các khâu RC, RL b) Xét mạch RC: Tín hiệu đột biến điện áp tín hiệu tác động lên khâu RC có dạng hình 1.7 u v (t) E t Hình 1.7: Tín hiệu vào đột biến điện áp t 0 Hằng số thời gian mạch là: = R.C Điện áp tụ biến thiên theo thời gian có dạng: UC(t) = UC(0) + [UC(∞) – UC(0)](1 – e-t/ ) (1.2) Xét thời điểm ban đầu (t = 0) ta có UC(0) = Tại thời điểm xác lập (t = ∞) ta có UC(∞) = E Thay vào công thức 2.2 ta tính được: UC(t) = E.(1 – e-t/ ) UR(t) = E – UC(t) = E.e (1.3) -t/ (1.4) Giải thích tượng: Tại thời điểm t = tín hiệu đầu vào đột biến ứng với tần số cao làm cho trở kháng tụ C Z c  vô nhỏ, tụ C ngắn mạch toàn lượng điện áp đột jC biến đặt lên điện trở R chúng mắc nối tiếp nên đảm bảo: UC(t) + UR(t) = UV(t) = E Tại thời điểm xác lập t = ∞ kết thúc đột biến ứng với tần số thấp tín hiệu vào, tụ C nạp đầy trở kháng tụ C ZC lớn nhiều so với điện trở R điện áp chủ yếu đặt tụ C Quy luật biến thiên điện áp tụ C điện trở R tuân theo quy luật hàm số mũ, với số thời gian  C = R.C phụ thuộc vào tham số mạch Được biểu diễn hình 1.8 u (t) u v (t) E u c (t) u R (t)  c t Hình 1.8: Quy luật biến thiên điện áp R C c) Xét mạch RL: Với điện áp đột biến tác động lên khâu RL phân tích tương tự khâu RC ta nhận kết quả: UR(t) = E.(1 – e-t/ ) (1.3) UL(t) = E – UC(t) = E.e -t/ (1.4) Nhưng số thời gian  tính số thời gian  = L/R phụ thuộc vào tham số mạch Quy luật biến thiên điện áp điện trở R L biểu diễn hình 2.4 Giải thích tượng: Tại t = tín hiệu đầu vào đột biến tần số tín hiệu tác động lớn trở kháng cuộn cảm ZL = jωL có giá trị lớn nhiều so với giá trị điện trở R ta có: Ura = UR(0) + UL(0) = i.R + i.|jωL| ≈ UL(0) = E Như sụt áp chủ yếu đặt lên cuộn cảm L Tại t = ∞ lúc tần số tín hiệu vào thấp làm cho ZL nhỏ chủ yếu điện trở vòng dây điện áp rachủ yếu dặt lên điện trở R u (t) u v (t) E u R (t) u L (t) t  L Hình 1.9: Quy luật biến thiên điện áp R L Việc xác định  C  L thông qua đồ thị theo phương pháp tiếp tuyến với đồ thị điểm t = với đồ thị uR(t); uC(t); uL(t) Tại thời điểm tiếp tuyến giao với trục hoành 0t đường uV(t) = E ta xác định  C  L khoảng thời gian từ đến giao điểm Phương pháp xác định hình 1.8 hình 1.9 1.5.2 Xung vuông tác động lên khâu RC, RL a) Đối với mạch RC Xét xung vuông có biên độ E độ rộng tx Xung phân tích thành điện áp đột biến u1(t) u2(t) có biên độ E biểu diễn hình (1.10) dụng thiết bị 1024 bit với tổ chức 256 x Kí hiệu logic hình 2.3.4 Khi 256 mã nhị phân (8 bit) đưa đến đường địa chỉ, bit liệ u xuất đầu đầu vào cho phép chip mức thấp (Có đường địa = 256) Thời gian truy cập ROM Một giản đồ thời gian điển hình minh họa cho thời gian truy cập ROM hình 2.3.5 t a thời gian tử địa mã hợp lệ gắn vào đường liệu hợp lệ xuất Thời gian truy cập đo từ đầu vào cho phép chip E hoạt động đến kiện liệu hợp lệ địa hợp lệ nằm đường vào 6.3.1.4 PROM EPROM PROM (Programmable ROM – ROM lập trình được) PROM viết tắt prorammable Read-only memory tiếng Anh, hay "chíp nhớ đọc lập trình được" PROM vi mạch lập trình đơn giản nhóm vi mạch bán dẫn lập trình (programmable logic device, hay PLD) PROM lập trình lần phương pháp hàn cứng PROM có số đầu vào hạn chế, thông thường đến 16 đầu vào, thực hàm đơn giản Lập trình cho PROM Có cấu tạo giống MROM vị trí nhớ có linh kiện nối với cầu chì Như xuất xưởng ROM chứa loại bit (gọi ROM trắng), lúc sử dụng người lập trình thay đổi bit mong muốn cách phá vỡ cầu chì vị trí tương ứng với bit Một cầu chì bị phá vỡ nối lại loại ROM cho phép lập trình lần để sử dụng, bị lỗi sửa chữa 152 Người ta dùng diod mắc ngược chiều nhau, mạch không dẫn điện, để tạo bit 0, lập trình diod bị phá hỏng tạo mạch nối tắt, diod lại dẫn điện cho bit EPROM (Ultra Violet Erasable Programmable ROM, U.V EPROM – ROM lập trình xóa tia UV) Đây loại ROM tiện cho người sử dụng dùng nhiều lần cách xóa nạp lại Cấu tạo tế bào nhớ U.V EPROM dựa vào transistor MOS có cấu tạo đặc biệt gọi FAMOS (Floating Gate Avalanche Injection MOS) Trên chất bán dẫn N pha loãng, tạo vùng P pha đậm (P+) nối cho cực S (Source) D (Drain) Trong lớp cách điện SiO2 cực người ta cho vào thỏi Silicon không nối với bên gọi cổng Khi nguồn VDD, phân cực ngược cực Drain nhỏ, transistor không dẫn, tăng VDD đủ lớn, tượng thác đổ (avalanche) xảy ra, electron đủ lượng chui qua lớp cách điện tới bám vào cổng Do tượng cảm ứng, điện lộ P hình thành nối hai vùng bán dẫn P+ , transistor trở nên dẫn điện Khi cắt nguồn, transistor tiếp tục dẫn điện electron trở để tái hợp với lỗ trống Để xóa EPROM, người ta chiếu tia U.V vào tế bào khoảng thời gian xác định để electron cổng nhận đủ lượng vượt qua lớp cách điện trở vùng tái hợp với lỗ trống xóa điện lộ P transistor trở trạng thái không dẫn ban đầu Mỗi tế bào nhớ EPROM gồm transistor FAMOS nối tiếp với transistor MOS khác mà ta gọi transistor chọn, vai trò FAMOS giống cầu chì phục hồi Để loại bỏ transistor chọn người ta dùng transistor SAMOS (Stacked Gate Avalanche Injection MOS) có cấu tạo tương tự transistor MOS có đến cổng nằm chồng lên nhau, nối cực Gate để Khi cổng tích điện làm gia tăng điện thềm khiến transistor trở nên khó dẫn điện Như ta chọn điện Vc khoảng VT1 VT2 giá trị điện thềm tương ứng với trạng thái transistor (VT1