Giáo trình kỹ thuật xung ĐTVT (ĐHBK )

Giáo trình kỹ thuật xung ĐTVT (ĐHBK ).........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG KỸ THUẬT XUNG Nguyễn Văn Phòng CHƯƠNG 1: TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH RLC 1.1 TÍN HIỆU XUNG 1.1.1 Định nghĩa: Tín hiệu xung dòng điện điện áp tồn thời gian ngắn so sánh với trình độ diễn mạch điện mà chúng tác động 1.1.2 Đặc tính: Tín hiệu xung tín hiệu có biên độ biến thiên khơng liên tục (gián đoạn) theo thời gian Tín hiệu xung tạo mạch điện tử thích hợp Trường hợp mạch điện tử tạo m?t xung riêng biệt, người ta gọi xung đơn Nếu tạo chuỗi xung liên tiếp, người ta gọi dãy xung Đối với dãy xung, có loại: - Có chu kỳ xác định: - Khơng có chu kỳ xác định: - Chùm xung: Về mặt đại lượng vật ly´, ta có loại xung: - Xung dòng - Xung áp - Xung ánh sáng  Một số dạng tín hiệu xung: - Xung vuông : - Xung nhọn : - Xung tam giác : - Xung cưa: 1.1.3 Các thông số : a) Đối với xung đơn : = V/Vm :độ sụt áp đỉnh xung tương đối V: :độ sụt áp đỉnh xung tuyệt đối t1 : thời gian trễ tín hiệu xung, thời gian cần thiết để v tăng từ đến 0,1Vm t2 : thời gian lên tín hiệu xung(độ dài sườn trước),là thời gian cần thiết để tín hiệu xung tăng từ 0,1Vm lên đến 0,9 Vm t3 : độ dài sườn sau tín hiệu xung (thời gian xuồng xung ,thời giảm ), thời gian để tín hiệu xung giảm từ 0,9 giá trị biên độ xuống 0,1 giá trị biên độ t4 : thời gian tồn đỉnh xung t5 =t2 + t3 + t4 : thời gian tồn xung t6 : độ dài phần quét ngược Vm: biên độ tín hiêu xung b) Đối với dãy xung Tx : chu kỳ xung, khoảng cách hai xung liên tiếp dãy xung Qx = Tx/tx : độ rỗng tín hiệu xung = 1/Qx=tx/Tx: hệ số đầy dãy xung fx=1/Tx=1/Qx.tx: tần số tín hiệu xung 1.1.4 Một số hàm thường dùng để phân tích tín hiệu xung : a) Hàm đột biến điện áp : v a o to t t vo(t) dt vi(t)=RC v0  với =RC nhỏ dv0  t  dt vi  t dt RC  1.2.3 Mạch phân : 1.2.3.1 Khái niệm : Mạch phân gọi cầu chia điện ,có nhiệm vụ lấy phần điện áp đầu vào đưa đến đầu Yêu cầu tín hiệu đầu phải trung thực so với tín hiệu đầu vào 1.2.3.2 Xét mạch : Vi Vo R1 R2 Dùng mạch gồm hai điện trở để điện trở khơng có tính cảm kháng dung kháng (tín hiệu pha tín hiệu vào).Mạch đặt vào đầu vào hệ thống có tác dụng suy giảm Do đầu vào tồn điện dung kí sinh (do dây cuốn),chính điều làm cho tín hiệu bị méo Để tránh tượng này,ta mắc song song với R1 tụ điện C1.Nghĩa ta chuyển thành cầu chia điện thể phụ thuộc tần số ,sau tính tốn cân để đưa khơng phụ thuộc tần C2 Vi Vo R1 R2 C1 số C1 Z1=R1//(1/jC1) v0  ; Z2=R2//(1/jC2) Z vi v Z2    A  jB Z1  Z vi Z  Z Để cầu chia điện khơng phụ thuộc tần số B=0  C1 R2  C R1 1.3 MẠCH RL 1.3.1 Mạch thượng thông : Vo Vi R L 1.3.1.1 Khái niệm : Giống mạch RC 1.3.1.2 Xét trường hợp tín hiệu vào : vi(t)=a1(t) - a1(t - to) Hàn truyền K  p  v0 pL p p    R vi R  pL 1 1 L  Với =L/R 10 VCC Rb Rc V0 Ci Q Vi C Mạch : VCC R1 C3 Rc1 Q1 Rc2 R C Q2 R2 Khi đóng nguồn, tính chất tụ C khơng đột biến  Vc = 0, Q1 tắt Q2 dbh Tụ C nạp từ Vcc qua R hướng đến giá trị điện nguồn Vcc với chiều vẽ tụ càngnạp điện áp tụ c àng tăng đến Uc= UTP  Q1 dẫn, Q2 tắt Tụ C xã điện qua Q1 dẫn, tụ xã Uc giãm đến Uc = ULTP  Q1 tắt Q2 dẫn Lúc tụ nạp bổ xung từ Vcc qua R Và qua trình mạch lại tiếp diễn Coi đoạn AB tuyến tính nên coi thời gian tụ C nạp thời gian tạo điện qúet,tụ C thời gian phục hồi Nhược : Dòng nạp C inạp = (Vcc - Uc)/R Tụ nạp  Uc tăng  UR = Ucc - Uc giảm  iNạP giảm Mặt khác Uc = 1/C( ic dt) làm cho Uc i c không tuyến tính Để khắc phục ngưòi ta cho  ic dt = I0t  Uc = I0t/C hàm bật theo thời gian  dùng nguồn dòng ưu: mạch RC đơn giản 5.4 MẠCH QUÉT ĐIỆN THẾ DÙNG NGUỒN DÒNG : 5.4.1 Khái niệm : 87 Do mạch quét điện dùng RC dòng nạp tụ C khơng ổn định điều chứng tỏ làm cho điện áp tụ C tăng khơng tuyến tính Để khắc phục nhược điếm đó, nghĩa tạo điện tụ tăng tuyến tính, người ta dùng phương pháp nguồn dòng để nạp tụ C 5.4.2 Mạch thực : 1.Mạch 1: VCC R1 DZ R Q2 R2 C Vi Vo Q1 Nguyên lý làm việc: Diod zener : Iz nằm đoạn thẳng diod zener ổn định IR = Ie Ic = Ie  hệ số truyền đạt song hệ số khuếch đại BJT mắc theo kiểu BC *Tại thời điểm đầu : Trang thái bền t = : Ui =0  Q1 dẫn bão hòa, Uc= Uces  0v.Tụ C không nạp điện t= to : Mạch kích khởi xung Ui Vcc, diod D bị phân cực nghịch, D tắt > Tụ C0 giữ vai trò nguồn dòng, trì cho dòng nạp tụ C không đổi để điện áp tụ C tăng tuyến tính Khi tụ C0 xả, VC0 giảm lượng VC0   QC0 = C0  VC0 ;  QC = C  VC   QC0 =  QC   VC0 = C/C0  VC Nếu chọn C0 lớn để C/C0 Lúc naỳ BJT dẫn chế độ khuếch đại Dòng I C bao gồm thành phần : dòng qua RC dòng qua R Nhờ có tụ điện C mắc hồi tiếp ngỏ vào & ngỏ nên dòng qua R ln ổn định Do tụ C xả dòng ổn định nên điện áp tụ C giảm tuyến tính Mà V  VC  V0 giảm tuến tính Khi kết thúc Vi, tụ C nạp bổ sung qua RC * Cải tiến : thay D BJT : Ban đầu Q2 tắt có dòng IC0 /Q2 = IC0 /Q1 Tiếp xúc JE phân cực thuận ( lợi dụng tiếp xúc tha D) Tụ C nạp từ Vcc qua RC qua JE /Q1 xuống mass t = t0 : xung Vi có biên độ đủ lớn để đảm bảo Q dẫn bão hòa  Q1 dẫn tụ C xả nạp theo chiều ngược lại 5.8 MẠCH QUÉT PHANTASTRON 94 5.8.1 Sơ đồ mạch dạng sóng : - Thời gian quét TS phụ thuộc vào thời gain tồn xung - Có thể điều chỉnh biên độ tín hiệu quét VS ( độ lớn nguồn -VR qua D) - Q1 giữ vai trò khóa điện tử ; Q2 Q3 giữ vai trò mạch kích khởi Schmitt 5.8.2 Hoạt động mạch : Trạng thái ban đầu chưa có Vi, Q2 tắt, Q1 Q3 dẫn bão hòa Tụ C nạp từ mass qua JE/Q1 qua R2 vói chiều cực tính hình vẽ Tụ C nạp lớn đến -VR ( D ghim áp) Tại t = t0 : mạch kích khởi Vi có cực tính âm với biên độ đủ lớn Ngay lúc JE /Q2 pct, Q2 dẫn,  IC1 tăng, Ib1 = const  điều kiện bão hòa khơng thỏa, Q1 khỏi chế độ bão hòa qua khuếch đại Mạch quét Miller lúc hoạt động Tụ C xả nạp theo chiều ngược lại từ Q1 Q2 Do tụ C mắc hồi tiếp ngỏ vào ngỏ điện áp tụ C giảm tuyến tính nhờ dòng xả ổn định Tụ xả V E /Q2 tăng lên (bớt âm) đến VE /Q2 > Vb/Q3  Q3 bắt đầu dẫn trở lại  Q2 tắt  Q1 dẫn bão hòa Tụ C nạp điện bổ sung từ Vcc qua R C2 JE /Q1 Thời gian tụ C xả đến giá trị -VR : gọi thời gian phục hồi Điện nguồn V & D giữ vai trò giói hạn giản thời gian phục hồi mạch 5.9 MẠCH QUÉT DÒNG ĐIỆN 95 5.9.1 Đặc điểm : Mạch quét dòng điện dùng chủ yếu hệ thống lái tia hay hội tụ tia từ tính ưu điểm hệ thống lái tia từ tính : - Tạo góc lệch lớn - Độ dài hệ thống lái tia ngắn - Có khả hội tụ tia với mật độ dòng cao, nhờ độ sáng tín hiệu lớn so với ống tia điện tử khác Nhược điểm hệ thống : - Dùng ống dây nên nặng - Dải thông hẹp - Mạch quét phức tạp 5.9.2 Mạch thực : 5.9.2.1 Mạch quét dòng điện đơn giản : 5.9.2.1.1 Sơ đồ mạch dạng sóng : Dùng cuộn cảm lý tưởng có tính cảm kháng mà khơng có tính dung kháng nội trở chiều = 5.9.2.1.2 Hoạt động mạch : * t = : Mạch kích khởi Vi có cực tính + với biên độ đủ lớn & trì suốt thời gian mạch tạo tín hiệu quét  JE phân cực thuận , BJT dẫn bão hòa  V0 = VCES = Tồn Vcc đặt R có giá trị khơng đổi suốt thời gian mạch tạo tín hiệu quét  I L  L1 VL dt  L1 .Vcc  hàm bậc theo thời gian  dòng qua L tăng tuyến tính 96 * t = t0 : Trong mạch xuất trình đột biến, Vi kết thúc  BJT tắt, dòng qua L giảm đột ngột  sinh suất điện động cảm ứng chống lại giảm  V0 = VL(t) + Vcc > Vcc  D phân cực thuận  D dẫn Cuộn dây L xả lượng từ trường tích lũy qua D & R.Điện trở R có tác dụng giới hạn dòng qua D 5.9.2.2 Mạch quét dòng cách tạo điện áp hình thang : 5.9.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý : Đây sơ đồ tương đương cuộn dây lái tia, V0 điện áp đưa vào cuộn dây lái tia VL :điện áp cuộn dây lái tia rl :điện trở cuộn dây C : tổng điện dung cuộn dây & mạch R : tổng điện trở : bao gồm điện trở tổn hao từ tính V0 (t ) VL  VrL L dil dt  il.rL I L  Im Ts t Im  V0 L Im Ts  tS rL t Im  I R  VoR2 ( L Im Ts  Ts rL t ) / R Ic C dVodt( t ) C L Im Ts (t )  C  rL Im Ts  I (t ) Ic  I L  Ir C L Im Ts (t )  C  rL Im Ts Im  Im Ts  Ts L Ts  TsIm R rL t 97 (t) : hàm đột biến thời điểm ban đầu Trong thực tế, người ta phải chấp nhận độ méo thời điểm ban đầu tạo (t) khó Để mạch hoạt động tốt, thực tế người ta chọn giá trị điện trở R  cho thỏa mãn biểu thức : Với cách chọn trên, mạch quét làm việc chế độ suy giảm tới hạn Lúc dòng qt tuyến tính Trong thực tế, để tạo điện áp hình thang, người ta sử dụng mạch quét điện áp Nhưng mạch qt Bistable dùng có trở kháng nhỏ, độ ổn định nhiệt cao 5.9.2.2.2 Mạch thực : Bình thường Q1 dbh, điện áp tụ C0 VC0  Khi có xung Vi cực tính âm với biên độ đủ lớn đưa vào cực Q  Q1 tắt .Mạch quét bắt đầu hoạt động Tụ C bắt đầu nạp dòng cố định điện trở R & điện áp C0 định Như điện áp có đột biến điện áp ban đầu sụt áp R tạo Phần điện áp tuyến tính tạo nên điện áp tụ C Khi xung Vi kết thúc, tụ C xả qua Q1 điện trở R Khi tụ C xả hết, D phân cực thuận , D dẫn tụ C0 nạp điện bổ xung từ Vcc qua D Để giảm méo đầu tính hiệu quét dòng, người ta kết hợp điều chỉnh cách thay đổi R r Thời gian phục hồi mạch > thời gian phục hồi mạch qt Bistable (vì có r làm thời gian xả chậm ) Để khắc phục, người ta mắc //R diode D, tụ C xả qua Q1 D 98 BÀI TẬP KTX – CHƯƠNG 17 Mạch Hình-BT1b có: +Vcc = +10V, Rb = 40K, R = 10K, Cb = 0,1àF, C = 1àF BJT loại Si, ò = 30, rbb’ = 200 Tín hiệu tạo quét ngõ vào Vi HìnhBT1a: E1 = +15V, è = +5V, độ rộng Tk = 1ms a)Tính vẽ dạng sóng Vbe, VCb Vs b) Tính biên độ quét Vs, thời gian quét tương ứng Ts +Vcc E1 R C b t Re Q R b Tk Vi E2 Vs +Vcc + Vi + VC b - C Vs D Dz R + C - - Hình-BT1a + Q Hình-BT1b Hình-BT2 18 Mạch qt dùng nguồn dòng BJT Hình-BT2 có: +Vcc = +30V, Re = 2K, C= 0,5àF, D BJT loại Si, cho hệ số ˜ Giả sử R đủ để phân cực cho Dz ổn áp, Vz = 9V Tại t < 0: khóa K đóng, t = 0+: khóa K hở, sau thời gian Ts khóa K lại đóng a)Tính tốc độ qt, thời gian quét Ts để có biên độ quét Vs = 15V b) Tính Ts,max Vs,max tương ứng 19 Cho mạch Hình-BT3 Tín hiệu xung ngõ vào Vi có biên độ đỉnh-đỉnh E = E1 – E2 Hình-BT1a Mạch vi phân tạo xung kích khởi chân 2/ IC555 có R1.C1