Kỹ thuật xung số Đoàn thị thanh ngọc Phạm văn thảo

kỹ thuật xung số Đoàn Thị Thanh Ngọc Phạm Văn Thảo kỹ thuật xung số Đoàn Thị Thanh Ngọc Phạm Văn Thảo kỹ thuật xung số Đoàn Thị Thanh Ngọc Phạm Văn Thảo kỹ thuật xung số Đoàn Thị Thanh Ngọc Phạm Văn Thảo kỹ thuật xung số Đoàn Thị Thanh Ngọc Phạm Văn Thảo kỹ thuật xung số Đoàn Thị Thanh Ngọc Phạm Văn Thảo

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG KỸ THUẬT XUNG - SỐ Biên soạn: Đồn Thị Thanh Thảo Phạm Văn Ngọc Lƣu hành nội THÁI NGUYÊN 2010 MỤC LỤC Phần 1: Kỹ thuật xung Chƣơng 1: KHÁI NIỆM CHUNG Tín hiệu xung tham số: 1.1 Định nghĩa 1.2 Các tham số tín hiệu xung: Các dạng điện áp đơn giản phản ứng mạch điện RC – RL dạng xung 2.1 Khái niệm 2.2 Mạch lọc RC: 11 2.3 Mạch RL 11 Phản ứng mạch lọc RC xung đơn 12 3.1 Điện áp lấy điện trở (mạch vi phân) 12 3.2 Tín hiệu lấy tụ điện: 13 Chế độ khóa tranzito 14 4.1 Các yêu cầu bản: 14 4.2 Đặc tính truyền đạt 17 Chế độ khóa khuếch đại thuật toán 19 5.1 Mạch so sánh ngƣỡng: 19 5.2 Mạch so sánh ngƣỡng 21 Chƣơng 2: 23 CÁC PHƢƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI VÀ TẠO DẠNG XUNG 23 Mạch vi phân 23 1.1 Định nghĩa khái niệm 23 1.2 Mạch khuếch đại thuật toán vi phân 25 Mạch tích phân 26 2.1 Định nghĩa khái niệm 26 2.2 Các mạch tạo điện áp biến đổi đƣờng thẳng 29 Mạch hạn chế biên độ 30 Chƣơng 3: 31 CÁC MẠCH DAO ĐỘNG XUNG 31 Các mạch không đồng hai trạng thái ổn định 31 1.1 Trigơ đối xứng (RS) dùng tranzitor 31 1.2 Trigơ Smit dùng IC tuyến tính 32 Các mạch không đồng trạng thái ổn định 34 2.1 Đa hài đợi dùng tranzitor 34 2.2 Đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán 35 Các mạch không đồng hai trạng thái không ổn định 37 3.1 Đa hài tự dao động dùng tranzitor 37 3.2 Đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán 39 Dao động Blocking 42 Mạch tạo xung tam giác 45 5.1 Vấn đề chung 45 5.2 Mạch ổn dòng 47 5.3 Mạch tạo xung tam giác dùng transistor 48 5.4 Mạch tạo xung tam giác dùng vi mạch khuếch đại thuật toán 51 Chƣơng 4: 55 VI MẠCH ĐỊNH THỜI 555, DAO ĐỘNG TÍCH THOÁT DÙNG UJT 55 Sơ đồ chân cấu trúc 555 55 1.1 Sơ đồ chân IC 555 55 1.2 Sơ đồ cấu trúc IC 555 55 1.3 Nguyên tắc hoạt động chân IC555 56 Mạch đa hài dùng IC555 57 Mạch đơn đa hài dùng IC555 61 Mạch dao động tích thoát dùng UJT 62 Mạch tạo tín hiệu xung tam giác dùng UJT 65 Mạch tạo tín hiệu xung nấc thang dùng UJT 67 Mạch dao động tích tạo xung đồng 69 7.1 Mạch đồng điều khiển nắn nửa chu kỳ 69 7.2 Mạch đồng điều khiển nắn toàn chu kỳ 70 Chƣơng 71 MẠCH DAO ĐỘNG TẠO XUNG DÙNG CỔNG LOGIC, VCO, CCO 71 Mạch đa hài đơn ổn dùng cổng logic 71 Mạch đa hài tự dao động dùng cổng logíc 71 Mạch dao động VCO (Voltage Control Oscilator) dùng IC 566 72 Phần 2: Kỹ thuật số 79 CHƢƠNG I 80 HỆ THỐNG ĐẾM VÀ KHÁI NIỆM VỀ MÃ 80 1.1 HỆ THỐNG SỐ ĐẾM 80 1.1.1 Hệ đếm 80 1.1.2 Cơ số hệ đếm 80 1.1.3 Đổi số 82 1.2 HỆ ĐẾM NHỊ PHAN VÀ KHÁI NIỆM VỀ MÃ 82 1.2.1 Hệ đếm nhị phân 82 1.2.2 Khái niệm mã 84 CHƢƠNG II 89 ĐẠI SỐ BOOLE 89 2.1 MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA 89 2.2 CÁC PHÉP TOÁN CƠ BẢN CỦA ĐẠI SỐ BOOLE 89 2.3 CÁC ĐỊNH LÝ CỦA ĐẠI SỐ BOOLE 90 2.3.1 Định lý 90 2.3.2 Các phần tử logic Error! Bookmark not defined 2.3.3 Các phƣơng pháp biểu diễn hàm logic 91 2.3.4 Tối thiểu hoá hàm Boole 95 CHƢƠNG III 102 CÁC PHẦN TỬ LOGIC CƠ BẢN 102 3.1 KHÁI NIỆM VỀ MẠCH SỐ 102 3.1.1 Mạch tƣơng tự 102 3.1.2 Mạch số 102 3.1.3 Họ logic dƣơng/âm 102 3.2 Cổng Logic 104 3.2.1 Khái niệm 104 3.2.2 Phân loại 104 3.2.3 Công suất tiêu tán Ptt 129 3.2.4 Fanout 130 3.2.5 Fanin (Hệ số mắc mạch đầu vào) 130 3.2.6 Độ chống nhiễu 130 3.2.7 Trễ truyền đạt 130 3.3 FLIP-FLOP (FF) 131 3.3.1 Khái niệm 131 CHƢƠNG IV 154 HỆ TỔ HỢP 154 4.1 Khái niệm chung 154 4.2 Mạch mã hoá giải mã 155 4.2.1 Khái niệm 155 4.2.2 Mạch mã hoá (ENCODER) 155 4.2.3 Mạch giải mã 160 4.3 MẠCH CHỌN KÊNH – PHÂN ĐƢỜNG 169 4.3.1 Đại cƣơng 169 4.3.2 Mạch chọn kênh 169 4.3.3 Mạch phân đƣờng 172 4.4 MẠCH SO SÁNH 176 4.4.1 Đại cƣơng 176 4.2.2 Mạch so sánh bit 176 4.4.3 Mạch so sánh nhiều bit 178 4.5 MẠCH SỐ HỌC 181 4.5.1 Đại cƣơng 181 4.5.2 Bộ cộng (Adder) 181 4.5.3 Bộ trừ (Subtractor) 184 CHƢƠNG V 189 HỆ TUẦN TỰ 189 5.1 KHÁI NIỆM CHUNG 189 5.2 MẠCH ĐẾM 189 5.2.1 Mạch đếm đồng 189 5.2.2 Mạch đếm không đồng 197 5.2.3 Mạch đếm vòng 205 5.3 BỘ GHI DỊCH 209 5.4 BỘ NHỚ 212 5.4.1 Các khái niệm 212 5.4.2 Bộ nhớ RAM 214 5.4.3 Bộ nhớ ROM 215 MỤC LỤC Chƣơng 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 đƣợc chia thành loại tín hiệu liên tục tín hiệu rời rạc (gián đoạn) Tín hiệu liên tục gọi tín hiệu tuyến tính hay tƣơng tự Tín hiệu rời rạc gọi tín hiệu xung hay số Tiêu biểu cho tín hiệu liên tục tín hiệu sin, nhƣ hình 1, với tín hiệu sin ta tính đƣợc biên độ tín hiệu thời điểm khác V Vp + + - + + + - - - - t -Vp Hình 1.1: Tín hiệu hình sin Ngƣợc lại tiêu biểu cho tín hiệu rời rạc tín hiệu vng, dạng tín hiệu nhƣ hình 2, biên độ tín hiệu có giá trị mức cao VH mức thấp VL, thời gian chuyển mức tín hiệu từ mức cao sang mức thấp ngƣợc ngắn coi nhƣ V V VH VH VL t a) t VL b) Hình 1.2: a, xung vng điện áp > b, xung vuông điện áp Tín hiệu xung khơng có tín hiệu xung vng mà có mốt số dạng tín hiệu khác nhƣ xung tam giác, cƣa, xung nhọn, xung nấc thang có chu kỳ tuần hồn 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 cưa (hàm mũ - tích phân) t D xung nấc thang Hình 1.3: Các dạng tín hiệu xung: Trong nhiều trƣờng hợp xung tam giác coi xung cƣa Các dạng xung khác dạng sóng, nhƣng 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 dòng 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 nhƣ hình tín hiệu xung vng lý tƣởng, thực tế khó có xung vng có biên độ tăng giảm thẳng đứng nhƣ vậy: u u Um 0.9Um tx Δu Um tng Um T A, xung vuông lý tưởng 0.1Um t ttr tđ tx ts t B, xung vng thực tế Hình 1.4 Dạng xung Xung vuông thực tế với đoạn đặc trƣng nhƣ: sƣờn trƣớc, đỉnh, sƣờn sau Các tham số biên độ Um, độ rộng xung t x, độ rộng sƣờn trƣớc ttr sau ts, độ sụt đỉnh u - Biên độ xung Um xác định giá trị lớn điện áp tín hiệu xung có đƣợc thời gian tồn - Độ rộng sƣờn trƣớc ttr, sƣờn 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 tƣơng tứng từ 0.9U m đến Um Với dãy xung tuần hồn ta có tham số đặc trƣng nhƣ sau: - Chu kỳ lặp lại xung T khoảng thời gian điểm tƣơng ứng xung kế tiếp, thời gian tƣơng 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 tỷ số độ rộng xung t x chu kỳ xung T tx T Do T = tx + tng ta ln có - (3) Độ rỗng xung Q tỷ số chu kỳ xung T độ rộng xung tx Q T tx (4) * Trong kỹ thuật xung - số ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp số tín hiệu xung với quy ƣớc có trạng thái phân biệt - Trạng thái có xung (tx) với biên độ lớn ngƣỡng UH gọi trạng thái cao hay mức “1”, mức UH thƣờng chọn cỡ từ 1/2Vcc đến Vcc - Trạng thái khơng có xung (tng) với biên độ nhỏ ngƣỡng U L gọi trạng thái thấp hay mức “0”, UL đƣợc chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito hay IC) - Các mức điện áp dải UL < U < UH đƣợc gọi trạng thái cấm Các dạng điện áp đơn giản phản ứng mạch điện RC – RL dạng xung Trong lý thuyết mạch lọc ngƣời ta chia mạch lọc thành loại mạch lọc thụ động mạch lọc tích cực, mạch lọc thụ động dùng phần tử R-L-C đƣợc 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 thơng cao, mạch lọc thông dải mạch lọc chặn dải tùy theo xếp loại linh kiện mạch mà ta đƣợc mạch lọc tƣơng 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 đƣợc tín hiệu u ra(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 dòng điện dạng xung dƣới u E a t0 t Là dạng tín hiệu xung vng đột biến E t t U(t) = E.1(t0) = t0 t0 Trong hàm 1(t) hàm xung đơn vị hay hàm đóng mạch thời điểm t = t (t0 > 0) ta có 1(t0) = 1(t – t0) = t t t0 t0 u arctg (k ) t0 b t Dạng điện áp biến đổi theo quy luật đƣờng thẳng U(t) = k(t – t0).1(t0) = Với hệ số góc k (t t ) t t t0 t0 arctg (k ) u E t0 c 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( (t t ))] t t t0 t0 d Ví dụ: số trƣờng hợp thay đổi dạng xung phức tạp thành dạng xung đơn giản * Dạng xung vuông U(t) = khi t1 t t t2 t1 or t t Tx u t1 U(t) = u (t) + u (t) với U1(t) = 1(t0) = t t t2 u t1 t1 U (t) t1 -1 t t2 t U2(t) U2(t) = -1(t0) = t t t2 t2 u * Dạng xung hình thang k (t t1 ) t Trong u1(t) = t U2(t) = U2(t) = k (t t ) t t h(t t ) t t t1 t1 t2 t2 t3 t3 h(t t ) t t U1(t) a1 a1 arctg (k ) t t3 t4 t1 U4(t) t3 t4 a1 t2 a2 a2 t U3(t) U2(t) arctg (k ) arctg (h) t4 t4 t2 u u(t) = u (t) + u (t) + u (t) + u (t) U2(t) = a2 a1 t1 arctg (h) * Dạng hàm mũ U(t) = u1(t) + u2(t) với U1(t) = E (1 exp( u (t t1 )))1(t ) t t t1 t1 t1 t2 t u t2 U2(t) = E (1 exp( (t t )))1(t ) t t Ta có u(t) = t E (1 exp( (t t1 ))) E exp( (t t1 )) t1 t2 t2 t2 t1 t t1 t t t t2 t3 t3 * Dạng cƣa k (t t1 ) u(t) = E exp( (t t )) t1 t2 t t t3 t2 t3 t u a u t2 t1 U(t) = u1(t) + u2(t) + u2(t) đó: U1(t) = k(t – t1) U2(t) = -k(t – t2) t3 a t1 t >= t1 t t3 u1(t) t2 a t u3(t) t >= t2 u2(t) 10 U3(t) = -E(1 – exp(-β(t – t2))) t >= t2 2.2 Mạch lọc RC: Cơ có mạch lọc thơng thấp mạch lọc thơng cao V0 R V0 Vi Vi f fC B Đáp ứng tần số A Mạch lọc thơng thấp Hình 1.5: Mạch lọc RC đáp ứng xung mạch lọc - Tần số cắt mạch lọc FC Vi V0 (5) tƣơng ứng với điện áp V0 RC biên độ điện áp lối ra, Vi biên độ điện áp lối vào vi (t )dt RC - Điện áp lối mạch lọc thông thấp v0 (t ) - Điện áp lối mạch lọc thông cao v0 (t ) RC (6) dvi (t ) dt (7) - Trong v0(t), vi(t) điện áp tín hiệu lối lối vào thời điểm t 2.3 Mạch RL Ngƣời ta dùng điện trở R kết hợp với cuộn cảm L để tạo thành mạch lọc thay cho tụ C, tích chất L C ngƣợc ZL = j L , ZC = j C dùng mạch lọc thơng thấp, thơng cao RL cách mắc ngƣợc lại với mạch RC L R V0 Vi R A Mạch lọc thông thấp Vi V0 L B Mạch lọc thông cao 11 Hình 1.6: Mạch lọc thơng thấp, thơng cao dùng RL Đáp ứng tần số nhƣ mạch lọc RC Tần số cắt mạch lọc FC R vi (t )dt L Điện áp lối mạch lọc thông thấp v0 (t ) Điện áp lối mạch lọc thông cao v0 (t ) R L L dvi (t ) R dt (8) (9) (10) Phản ứng mạch lọc RC xung đơn 3.1 Điện áp lấy điện trở (mạch vi phân) C V0 Vi R i Hình 1.7: Mạch RC điện áp lấy R Tín hiệu lối vào vi(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc T , tín hiệu lối v0(t) Trở kháng mạch Z Khi đặt FC R C R 1 RC (11) tần số cắt mạch RC Dòng điện mạch i(t ) vR (t ) vi (t ) (12) Z vi (t ) R.i(t ) 1 RC Điện áp lối biến thiên sau khoảng thời gian t từ t0 đến t1 12 v0 (t ) 1 RC dvi (t ) (13) dt Khi ta có lối vào tín hiệu xung vng lối tín hiệu xung vi phân v0 vi v0 t t A Tín hiệu vào B Tín hiệu t Các tín hiệu với RC thay đổi HHình 1.8: Đáp ứng xung lối vào mạch RC lối R Tín hiệu lối vào Sin tín hiệu lối sin sớm pha 900 vi (t ) Asin( t) tín hiệu lối v0 (t ) 1 RC Acos( t ) RC A sin( t 900 ) 3.2 Tín hiệu lấy tụ điện: R V0 Vi Hình 1.9: Mạch RC lối C Tín hiệu lối vào vi(t) tuần hồn với chu kỳ T, tần số góc T , tín hiệu lối v0(t) Trở kháng mạch Z R C R 1 RC 13 tần số cắt mạch RC Khi đặt FC Dòng điện mạch i(t ) vi (t ) Z Điện áp lối tụ vC (t ) q(t ) C i (t )dt C RC 1 RC vi (t )dt Điện áp lối thay đổi khoảng thời gian t vC (t ) RC vi (t )dt RC Vi V0 V0 A xung lối vào t t B xung lối tích RC thay đổi t Hình 1.10: Đáp ứng xung lối mạch RC lối C vi (t ) Asin( t) tín hiệu lối v0 (t ) RC 1 RC A sin( t 900 ) Chế độ khóa tranzito 4.1 Các yêu cầu bản: Tranzito làm việc chế độ khóa hoạt động nhƣ khóa điện tử đóng mở mạch với tốc độ nhanh (từ 10-9 đến 10-6 s) có nhiều đặc điểm khác so với chế độ khuếch đại nhƣ khảo sát trƣớc phần nguyên lý kỹ thuật điện tử - Yêu cầu với tranzito làm việc chế độ khóa điện áp đầu có trạng thái khác biệt là: * Ura >= UH Uvào = UH Chế độ khóa tranzito đƣợc xác định chế độ điện áp hay dòng điện chiều cung cấp từ qua mạch phụ trợ (điện trở làm khóa thƣờng đóng hay mở) Việc chuyển trạng thái khóa thƣờng đƣợc thực nhờ tín hiệu xung có cực 14 tính thích hợp tác động tới đầu vào Tùy trƣờng hợp mà tranzitor chuyển trạng thái tuần hồn nhờ mạch hồi tiếp dƣơng phản hồi từ đầu tới đầu vào mạch khơng cần xung điều khiển nhƣ mạch dao động đa hài dùng tranzitor ta khảo sát sau: Xét mạch điện nhƣ xau +ECC IC ura RB uv IB RC uCE Rt uBE Hình 1.11: Mạch khóa đảo dùng tranzitor Khi làm việc lựa chọn giá trị UL, UH, RB, RC cho phù hợp để mạch làm việc chế độ khóa Trạng thái đóng: Khi lối vào uV = (tƣơng ứng u V < UL) nên UB = 0, tranzitor không phân cực nên nhƣng dẫn tức tranzitor trạng thái đóng (cấm) dòng IB = IC = Điện áp lối cực C tranzitor khơng có trở tải Rt ura = +ECC, hay ura = ECC – ICRC = ECC Khi có trở tải Rt đƣợc mác thêm vào mạch (hoặc lối đƣợc đƣa tới lối vào mạch với trở tải lối vào Rt) điện áp lối (Ecc = Vcc) Ura = VCC Rt Rt RC , chọn RC = Rt ura = VCC hay ura = ECC/2 ura = ECC/2 mức nhỏ điện áp mứcc cao trạng thái H, để phân biệt đƣợc chắn với trạng thái H ta chọn UH < ECC/2 (ví dụ chọ UH = 1.5 V ECC = 5V) điện áp vào phải nằm dƣới mức UL để đảm bảo tranzitor bị đóng chắn tức UL = UVmax, điện áp lối vào phụ thuộc vào tƣờng loại tranzitor, nhƣ tranzitor silic chọn UL = 0.4V Trạng thái dẫn bão hòa: Khi có xung điều khiển cực tính dƣơng đƣa tới lối vào (hoặc nguồn chiều) chó điện áp vào U vào >= UH, tranzitor chuyển trạng thái 15 mở (thơng bão hòa), điện áp lối phải thỏa mãn điều kiện U lối Ura = Uramax = +VCC Nếu Ui > UR U < lối Ura = Uramax = -VCC Khi lối đảo cực tính Ui chuển qua giá trị UR Trường hợp 2: Điện áp lối vào đƣa tới lối vào không đảo điện áp chuẩn đƣa tới lối vào đảo: +VCC Ui +VCC U0 U+ramax U0 -VCC ΔU UR U-ramax UR Ui -VCC Hình 1.16: Mạch so sánh lối vào khơng đảo Theo mạch diện áp U V điện áp chuẩn UR đƣợc đƣa tới lối vào không đào đảo tƣơng ứng so sánh, hiệu tín hiệu lối vào U = UV – UR điện áp đầu vào so sánh IC từ ta xác định đƣợc hàm truyền Nếu Ui < UR U < lối Ura = Uramax = -VCC Nếu Ui > UR U > lối Ura = Uramax = +VCC Khi lối đảo cực tính Ui chuyển qua giá trị UR 20 ... trống xung liên tiếp có điện nhỏ 0.1Um (hoặc 0.5Um) - Hệ số lấp đầy tỷ số độ rộng xung t x chu kỳ xung T tx T Do T = tx + tng ta ln có - (3) Độ rỗng xung Q tỷ số chu kỳ xung T độ rộng xung tx... B Xung nhọn (vi phân) A: xung tam giác u u t C Xung cưa (hàm mũ - tích phân) t D xung nấc thang Hình 1.3: Các dạng tín hiệu xung: Trong nhiều trƣờng hợp xung tam giác coi xung cƣa Các dạng xung. .. 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 có mốt số dạng tín hiệu khác nhƣ xung tam giác, cƣa, xung nhọn, xung nấc thang có chu