Giáo trình: Kỹ thuật Xung, Nguyễn Trọng Hải

MỤC LỤC CHƯƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Đại cương 1.2 Các xung thường gaëp 1.3 Một số khái niệm xung CHƯƠNG BIẾN ĐỔI DẠNG SÓNG BẰNG MẠCH R,L,C 13 2.1 Mạch lọc thông cao-mạch vi phaân 14 2.2 Mạch lọc thông thấp-mạch tích phân 23 2.3 Các suy hao 31 CHƯƠNG CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ 43 3.1 Chế độ xác lập 43 3.2 Cheá độ độ 52 CHƯƠNG MẠCH XÉN, MẠCH SO SÁNH 58 4.1 Khái niệm 58 4.2 Mạch xén với diode lý tưởng 59 4.3 Mạch xén với diode thực tế 66 4.4 Mạch xén hai mức độc laäp 69 CHƯƠNG MẠCH KẸP 73 5.1 Khaùi nieäm 73 5.2 Mạch kẹp dùng diode lý tưởng 74 5.3 Mạch kẹp kể đến điện trở thuận điện trở nguồn 80 5.4 Mạch kẹp cực BJT 84 CHƯƠNG MẠCH ĐA HÀI 88 6.1 Khái niệm 88 6.2 Đa hài dùng linh kiện tương tự 90 6.3 Đa hài dùng cổng logic 110 6.4 Dao động dùng thạch anh 119 Trang CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt LỜI NĨI ĐẦU Mục đích giảng nhằm cung cấp cho sinh viên kiến thức kỹ thuật xung, phương pháp tính tốn thiết kế cơng cụ tốn học hỗ trợ việc biến đổi, hình thành dạng xung mong muốn… Đây giảng để giảng dạy, trình bày tóm tắt sở lý thuyết kèm với ví dụ, ứng dụng, cuối chương có tập để sinh viên kiểm tra củng cố Bài giảng biên soạn cho khóa học 45 tiết dành cho sinh viên năm hệ đại học khoa Điện Điện tử trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ Tp HCM Danh sách thuật ngữ thường xuất hiện, có kèm theo tiếng Anh tương đương để sinh viên tiện tham khảo tài liệu Bài giảng gồm chương dựa nhiều nguồn tham khảo nước, với bố cục bám sát đề cương môn học Kỹ Thuật Xung dành cho sinh viên ngành Điện Tử Viễn Thông trường Đại học Kỹ Thuật sau: Chương Các khái niệm Chương Biến đổi dạng sóng mạch R,L,C Chương Chuyển mạch điện tử Chương Mạch xén, mạch so sánh Chương Mạch kẹp Chương Mạch đa hài NGUYỄN TRỌNG HẢI Trang CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương CHƯƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN I ĐẠI CƯƠNG Phân loại tín hiệu • Theo dạng sóng: Tín hiệu tam giác, sin, xung vng, nấc thang, • Theo tần số : Tín hiệu hạ tần, âm tần, cao tần, siêu cao tần, • Theo liên tục : Tín hiệu liên tục biên độ thời gian • Theo rời rạc : Tín hiệu rời rạc biên độ thời gian • Tuần hồn : Tín hiệu có dạng sóng lặp lại sau chu kỳ Một số tín hiệu liên tục p(t) +A T T/2 t t -A Hình 1.1b Chuỗi xung Hình 1.1a Tín hiệu A sin ωt K K t CuuDuongThanCong.com t Hình 1.1d Hàm mũ Hình 1.1c Xung tam giác GV: Nguyễn Trọng Hải Trang https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương Một số tín hiệu rời rạc x(n) = sin( x(n) 2π n) 8 n … n … … -1 … Hình 1.2a, Tín hiệu sin rời rạc Hình 1.2b, Hàm mũ rời rạc Ngày kỹ thuật vô tuyến điện, có nhiều thiết bị cơng tác chế độ đặc biệt: chế độ xung Trong thiết bị này, dòng áp tác dụng lên mạch cách rời rạc theo quy luật Ở thời điểm đóng ngắt điện áp, mạch phát sinh trình độ, phá hủy chế độ công tác tĩnh mạch Bởi việc nghiên cứu trình xảy thiết bị xung có liên quan mật thiết đến việc nghiên cứu trình q độ mạch Nếu có dãy xung tác dụng lên mạch điện mà khoảng thời gian xung đủ lớn so với thời gian độ mạch Khi tác dụng dãy xung xung đơn Ngược lại khoảng thời gian xung đủ nhỏ so với trình độ mạch phải nghiên cứu tác dụng dãy xung giống điện áp dịng điện có dạng phức tạp Việc phân tích mạch chế độ xung phải xác định phụ thuộc hàm số điện áp dòng điện mạch theo thời gian trạng thái độ Có thể dùng cơng cụ tốn học như: phương pháp tích phân kinh điển Phương pháp phổ (Fourier) phương pháp tốn tử Laplace… Phương pháp khảo sát Có nhiều cách để khảo sát biến đổi tín hiệu qua mạch RC, có phương pháp độ mạch điện với phương pháp quen thuộc: • Giải tìm nghiệm phương trình vi phân • Tìm hàm truyền đạt mạch biến đổi Laplace a Phương pháp tích phân kinh điển Phương trình mạch nghiệm an d n y (t ) d n−1 y (t ) dy (t ) a + + + a1 + a0 y (t ) = f (t ) n −1 n n −1 dt dt dt Vế phải phương trình f(t) xac định, y(t) vế trái nghiệm cần tìm (điện áp hay dòng điện), nghiệm (họ nghiệm) y(t) sau GV: Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương y(t) = yxl(t) + yqđ(t) Nghiệm phương trình an dy (t ) d n y (t ) d n −1 y (t ) + + + a1 + a y (t ) = a n − n n −1 dt dt dt có dạng: thực đơn, đơn phức, bội Nghiệm thực p1, p2, pn có dạng sau: y qd = K 1e p1t + K e p2t + + K n e pnt Nghiệm phức p1 = −α + j β , p2 = −α − j β có dạng sau: y qd = K 1e −αt cos( βt + φ ) Nghiệm kép p1=p2 có dạng sau: y qd = ( K + K t )e p1t b Phương pháp toán tử Laplace Biến đổi Laplace phía xác định sau: ∞ F ( s ) = L[ f (t )] = ∫ f (t )e − st dt Mạch tương đương R, L, C + + I(s) sL u(s) u(s) Li0 - + I(s) I(s) 1/sC - Cu0 sC I(s) u(s) u0/s 1/sL - + u(s) i0/s - Hình 1.3 Sơ đồ tương đương L,C GV: Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương Biến đổi Laplace số hàm Hàm f(t) Biến đổi Laplace f(t) 1 s T s2 tn n! s n +1 e-at s+a (1 − e − at ) a s( s + a) (e − a1t − e −a2t ) a − a1 ( s + a1 )( s + a2 ) (a1e − a1t − a e − a2t ) a1 − a s ( s + a1 )( s + a2 ) t n e − at n! ( s + a) n +1 sin ωt ω s + ω2 cos ωt 10 s s + ω2 II CÁC XUNG THƯỜNG GẶP Hàm bước đơn vị (Unit-step Function) u(t) ⎧1 u (t ) = ⎨ ⎩0 t≥0 t 0 t Hình 1.7 Xung Dirac Xung Dirac δ (t ) khảo sát đạo hàm u(t) GV: Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang https://fb.com/tailieudientucntt t Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương Hình 1.8a Hàm bước đơn vị gần Hình 1.8b Xung Dirac gần Rõ ràng bước nhảy đơn vị u(t) giới hạn u (t ) Δ → Từ đó, xác định xung Dirac gần δ (t ) đạo hàm bước nhảy đơn vị gần u (t ) , du (t ) dt δ (t ) = tức : t Và u(t) biểu diễn dạng tích phân : u(t) = ∫ δ (τ )dτ −∞ ∞ Một kết quan trọng ∫ x(t ).δ (t − to )dt = x(to) −∞ Hàm dốc (Ramp Function) ⎧t ⎩0 r(t) = ⎨ r(t) t≥0 = t.u(t) t 10000pF độ rộng xung tính theo công thức sau tW = K x REXT x CEXT với tW độ rộng xung (ns) REXT :điện trở (kΩ) CEXT: điện dung (pF) Mạch đa hài bất ổn a) Mạch Mạch ring oscillator Mạch đa hài phi ổn đơn giản sử dụng cổng mạch ring oscillator bao gồm N cổng đảo ghép nối tiếp hình sau (với N lẻ) Hình 6.36 Đa hài phi ổn Ring Oscillator Chu kỳ T tính sau T = N tpd Với giả sử thời gian trễ xung lên xuống cổng đảo tpd Vì tpd thay đổi theo nhiệt độ, nhà chế tạo nên chu kỳ T thay đổi Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang 113 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương b) Maïch Maïch dao động Schmitt Trigger Hình 6.37 Đa hài phi ổn Schmitt Trigger Mạch sử dụng cổng đảo Schmitt trigger với đặc tuyến sau Tần số dao động tính toán theo công thức sau f = 1/T = 1/RC Giải thích Hình 6.38 Dạng sóng điểm A, B Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang 114 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương Giả sử ban đầu Vc = nên VA = dẫn đến ngõ B mức VB = nạp điện cho C qua R Khi VC đạt đến VP ngõ vào cổng đảo đạt mức logic ngõ mức logic 0, lúc tụ xả điện qua R điện áp tụ giảm dần đến VN, VN ngõ vào cổng đảo chuyển xuống mức ngõ mức tức thời c) Mạch Hình 6.39 Tần số dao động f = 1/(2.2RC) Giải thích Hình 6.40 Dạng sóng điểm A, B, C, D Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang 115 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương Tại thời điểm đầu giả sử ngõ IC mức cao ngõ IC2 mức thấp V A = VB = Khi tụ C nạp điện, điện áp VB giảm dần, tốc độ giảm định tụ C R VTH điện áp ngưỡng IC Điện trở RP đặt vào mạch nhằm mục đích chống lại dòng ngõ vào IC chọn khoảng 10 đến 100K d) Mạch Mạch đa hài phi ổn đối xứng R1 Q C2 R3 R2 C1 /Q Hình 6.42 Đa hài phi ổn đối xứng Hai tụ C mạch hồi tiếp dương để tạo dao động Các điện trở R1, R2, R3 chọn để trì điện áp ngõ vào cổng gần mức điện áp ngưỡng nên tụ điện nạp xả, điện áp ngõ vào dao động mức điện áp ngưỡng làm điện áp ngõ dao động hai mức Giả sử thời điểm đầu Q=0 Q = , tụ C1 nạp tạo dòng qua R1 làm điện áp ngõ vào cổng mức cao Khi tụ C1 nạp đầy dòng qua R1 dẫn đến ngõ vào cổng xuống Q=1 Tụ C2 lúc nạp điện qua R2 dẫn đến ngõ vào cổng mức cao ngõ Q = Quá trình tiếp tục Điện trở R1 thường chọn R2 Tần số dao động tính theo công thức: f = 2( R1 + R3 )C Mạch thích hợp cho tần số cao Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang 116 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương e) Mạch Dao động đa hài đơn ổn dùng cổng NOT Hình 6.33 Đa hài đơn ổn dùng cổng NOT Giả sử ban đầu ngõ vào cổng đảo A mức thấp (ngõ A mức cao), xuất dòng qua Cy → Ry → Dy → ngõ cổng đảo B Do thời điểm đầu, VCy = , Cy xem ngắn mạch vậy, ngõ vào cổng B mức Khi tụ Cy nạp điện, Vc tăng dẫn đến điện áp ngõ vào cổng B giảm qua ngưỡng logic (VIL) ngõ vào B mức thấp → ngõ B mức đặt mức cathode diode nên trình nạp tụ Cy chấm dứt Nguyễn Trọng Haûi CuuDuongThanCong.com Trang 117 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương Do VCx ban đầu = nên ngõ B mức cao ngõ vào A mức cao Tụ Cx bắt đầu nạp qua Rx Dx Quá trình giải thích tương tự Hình 6.34 Thời gian tồn xung định C, R điện áp ngưỡng VT Thời gian để điện áp đạt đến điện áp ngưỡng Giá trị TL TH (thời gian mức cao mức thấp) phụ thuộc vào giá trị Rx, Cx, Ry, Cy Tần số dao động f = TL + TH Nguyễn Trọng Haûi CuuDuongThanCong.com Trang 118 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương f) Mạch Mạch đa hài phi ổn có điều khiển A Q R C Hình 6.43 Đa hài phi ổn có điều khiển Ngõ A chân nhận tín hiệu điều khiển Khi A=1, giải thích giống mạch phần đa hài phi ổn Khi A=0, làm cho cổng NAND có ngõ giữ nguyên mức cao nên mạchngưng dao động IV DAO ĐỘNG THẠCH ANH Tính chất mạch tương đương thạch anh: có yêu cấu tạo mạch dao động có tần số ổn định cao mà dùng biện pháp thông thường ổn định nguồn cung cấp, ổn định tải,… không đảm bảo ổn định tần số yêu cầu phải dùng nguồn thạch anh để ổn định tần số, thạch anh có đặc tính vật lý tốt độ bền học cao, chịu ảnh hưởng nhiệt độ, độ ảm tác dụng hóa học Thạch anh có tính áp điện, nghóa tác dụng điện trường sinh dao động học ngược lại, có dao động học sinh điện tích, dùng thạch anh khung cộng hưởng Tính chất dao động thạch anh biểu diễn sơ đồ tương đương hình sau: Lq Cp CRY STAL Cq rq Hình 6.44 Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang 119 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương Trong Lq, Cq rq phụ thuộc vào kích thước thạch anh cách cắt khối thạch anh Thạch anh có kích thước nhỏ Lq, Cq rq nhỏ, nghóa tần số cộng hưởng riêng cao Cp điện dung giá đỡ Thường rq nhỏ nên tính toán người ta bỏ qua Trở kháng tương đương thạch anh xác định sau Lq C q Z (s) = 1 sC p s +( + ) / Lq Cq C p s2 + Suy thạch anh có tần số cộng hưởng: tần số cộng hưởng nối tiếp ứng với Z(s) = tần số cộng hưởng song song ứng với ứng với Z(s) = ∞ ωz = ωp = Lq C q Lq ⎛ 1 ⎞⎟ ⎜ + ⎜C ⎟ ⎝ q Cp ⎠ Tuy nhieân Cp >> Cq nên ω z ≈ ω p biểu thức ω Z thường sử dụng Tần số dao động mạch xác định tần số dao động thạch anh phần tử mạch Ví dụ 10M R 2k CRYSTAL 60p 60p Hình 6.45 Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang 120 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương COÂNG TẮC CHỐNG DỘI DÙNG DAO ĐỘNG ĐA HÀI ĐƠN ỔN DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG CD4047BC Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang 121 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương CD4047B có khả hoạt động mạch dao động đa hài bất ổn hay đơn ổn Yêu cầu phải mắc thêm tụ điện (giữa chân 1, 3) điện trở (giữa chân 2,3) để xác định độ rộng xung ngõ dạng đơn ổn tần số ngõ dạng bất ổn Thiết lập mạch đa hài bất ổn dùng 4047B cách đặt mức điện áp cao vào ngõ ASTABLE mức điện áp thấp vào ngõ ASTABLE Thiết lập mạch đa hài đơn ổn dùng 4047B cách kích xung cạnh lên vào ngõ trigger + kích cạnh xuống vào ngõ trigger – Khi ngõ Reset o mức logic 1, ngõ Q = Đặc tính Nguồn cung cấp: từ đến 15V Khả chống nhiễu cao Tương thích với họ TTL Ứng dụng: - Mạch thời gian - Mạch trễ - Nhân tần - Chia tần - Tách đường bao Công thức tính độ rộng xung tAstable (10,11) = 4.4 RC tAstable (13) = 2.2 RC tMonostable (10,11) = 2.48 RC Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang 122 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương Bài tập chương Cho mạch hình, với nguồn cung cấp VCC = ± 9V a) Giải thích hoạt động mạch, vẽ dạng sóng VC VOUT b) Từ dạng sóng trên, tìm biểu thức chu kỳ T VOUT D1 R D2 2R + Vout(t) R C R Cho mạch hình a) Giải thích hoạt động mạch, vẽ dạng sóng VC VOUT b) Từ dạng sóng trên, tìm biểu thức chu kỳ T ngõ VOUT c) Tính toán thiết kế mạch để ngõ sau 5v 0v 0,125ms 0,025ms R VOUT 74HC14 C Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang 123 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương Thiết kế mạch đa hài bất ổn dùng OpAmp a) Vẽ mạch, giải thích hoạt động mạch, vẽ dạng sóng VC VOUT b) Từ dạng sóng trên, tìm biểu thức chu kỳ T ngõ VOUT Xác định giá trị linh kiện để mạch có tần số ngõ f=5Khz; hệ số công tác q=70%; Vγ = 0V Thiết tính mạch dao động đơn ổn có biên độ từ (0V đến + 5V) độ rộng xung Tx= giây a) Vẽ dạng mạch giải thích b) Tính toán giá trị linh kiện Cho mạch sau 1K 10K P1 E 2.2K J1 0.47 uF U33 Reset Vcc Output F Discharge CV Threshold Trigger 0.1 uF 0.1 uF 555 a) Vẽ dạng sóng điểm F dạng sóng ngõ P1=5K b) Lặp lại câu a với gía trị biến trở P1 vị trí max c) Lặp lại câu a tiếp điểm J1 nối lại Cho mạch sau a) Vẽ dạng sóng điểm F dạng sóng ngõ P1=5K b) Lặp lại câu a với gía trị biến trở P1 vị trí max c) Lặp lại câu a tiếp điểm J1 nối lại d) Lặp lại câu a đặt vào chân tín hiệu có tần số 1khz e) Nhận xét tăng tần số tín hiệu câu d f) Tìm trạng thái cấm cho mạch Nguyễn Trọng Haûi CuuDuongThanCong.com Trang 124 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương +5V R3 1K P2 10K D1 1N414B R5 1M R E1 C5 1nF DIS Q R4 2.2K INPUT F J3 F C5 0.1uF VCC C6 0.1uF J2 TR THR GND LM555 CV OUTPUT C7 0.47uF C8 0.1uF Cho mạch hình a) Giải thích hoạt động mạch, vẽ dạng sóng VX VOUT1 b) Từ dạng sóng trên, tìm biểu thức chu kỳ T ngõ VOUT1 c) Tính toán linh kiện để mạch có fout = 38Khz, q=40% 74HC14 74HC14 Vout1 Vout2 I2 I1 R VX C Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com Trang 125 https://fb.com/tailieudientucntt ... định đoạn Vẽ hàm sau: x10(t) = 5(t - 4)u(t - 4) x11(t) = (t - 1)[u(t -1 )- u(t -3 )] x12(t) = t.[ u(t +3)+ u(t -3 )-u(t +1 )- u(t -1 )] x13(t) = 5(1-e-(t-1)).u(t - 1) Cho mạch sau: C K R E a Tại thời... với x1(t) = u (t - t1) x2(t) = -u(t - t2) Ví dụ, Tương tự cho ý niệm hàm nấc thang x(t) 1 t Hình 1.6 Hàm nấc thang Hàm x(t) viết thành x(t) = u(t) + u(t - 1) + u(t - 2) - 3u(t - 3) Sinh viên tự... x2(t) x1(t) -1 t t x4(t) x3(t) 2 t 0 x5(t) x6(t) 3 t 2 t 1 -2 -1 t -1 Viết hàm x(t) sau thành dạng tổng hàm u(t), r(t) x9(t) GV: Nguyễn Trọng Hải CuuDuongThanCong.com 1 -1 x8(t) x7(t) -1 2 t Trang