Tiểu luận : MÔN HỌC: KỸ THUẬT XUNG

Tiểu luận : MÔN HỌC: KỸ THUẬT XUNG

Kỹ thuật xung là môn học cơ sở của nghành Điện – Điện tử và có vị trí khá quan trọng trong toàn bộ chương trình học của sinh viên và học sinh, nhằm cung cấp các kiến thức liên quan đến các phương pháp cơ bản để tạo tín hiệu xung và biến đổi dạng tín hiệu xung

Giáo trình Kỹ thuật xung gồm 4 chương, được biên soạn cho hệ cao đẳng nhằm giúp sinh viên có các kiến thức cơ bản về tín hiệu xung và hiểu được các nguyên lý cơ bản của các mạch tạo xung, biến đổi dạng xung với nhiều linh kiện khác nhau Để giúp sinh viên nắm vững lý thuyết, có các ví dụ, bài tập ứng dụng và bài tập thiết kế mạch ứng với từng phần Sau khi hoàn tất môn học sinh viên có thể tự thiết kế một mạch tạo xung với các thông số yêu cầu cho những mạch ứng dụng cụ thể

Dù có nhiều cố gắng, giáo trình cũng không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến từ các đồng nghiệp và các sinh viên

Tp, Hồ Chí Minh năm 2006

Đào Thị Thu Thủy

MÔN HỌC: KỸ THUẬT XUNG

1 Mã môn học:

2 Số đơn vị học trình: 2

3 Trình độ thuộc khối kiến thức: Khối chuyên ngành

4 Phân bố thời gian: Lý thuyết 80% - bài tập 20%

5 Điều kiện tiên quyết: Không

6 Mô tả vắn tắt nội dung môn học:

Môn học bao gồm các phương pháp tạo xung và biến đổi dạng xung: mạch RLC,

mạch xén, mạch kẹp, mạch so sánh, dao động đa hài

7 Nhiệm vụ của sinh viên: Tham dự học và thảo luận đầy đủ Thi và kiểm tra giữa học kỳ

theo qui chế 04/1999/QĐ-BGD&ĐT

8 Tài liệu học tập:

9 Tài liệu tham khảo:

[1] Jacob Millman, PULSE DIGITAL AND SWITCHING WAREFORMS ,

[2] Nguyễn Việt Hùng, KỸ THUẬT XUNG VÀ SỐ

10 Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên:

- Nắm được cơ bản nội dung môn học

- Có tính chủ động và thái độ nghiêm túc trong học tập

- Kiểm tra giữa môn học để được dự thi

- Thi với hình thức trắc nghiệm, viết và bài tập

11 Thang điểm thi: 10/10

12 Mục tiêu của môn học: Sau khi hoàn tất môn học sinh viên cần nắm vững các phương

pháp tạo xung và biến đổi dạng xung

13 Nội dung chi tiết của chương trình:

thuyết

Bài tập

Kiểm tra

Chương 1: Tín hiệu xung và mạch

RLC

6 4 2

Chương 3: Mạch dao động đa hài

dùng BJT

12 10 2

Chương 1: TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH R L C

§1.1 Khái niệm và các dạng xung

Chương 2: MẠCH GIAO HOÁN DIODE, OP-AMP, BJT

Chương 3: MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI

§3.1 Khái niệm chung

§3.2 Hai trạng thái của Transistor

Chương 4: CÁC MẠCH TẠO XUNG KHÁC

§4.1 Mạch dao đông đa hài dùng Op_amp

§4.2 Mạch dao động đa hài dùng vi mạch định thời IC555

§4.3 Mạch Schmitt Trigger

Chương 1:Tín hiệu xung và mạch giao hoán RLC

1.1 Khái niệm 1 1.2 Các thông số cơ bản của tín hiệu xung 2

Chương 3: Mạch dao động đa hài dùng BJT

3.3 Mạch dao động đa hài lưỡng ổn dùng BJT 33

3.4 Mạch dao động đa hài đơn ổn 37

3.5 Mạch dao động đa hài phi ổn 43

Chương 4:Các mạch dao động khác

4.2 Mạch dao động đa hài dùng vi mạch định thì IC555 55

CHƯƠNG 1 TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH GIAO HOÁN RLC

• Các tín hiệu điện có biên độ thay đổi theo thời gian được chia làm hai loại

cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc

ƒ Tín hiệu liên tục (còn được gọi là tín hiệu tuyến tính hay tương tự) là tín hiệu có biên độ biến thiên liên tục theo thời gian

ƒ Tín hiệu rời rạc (còn được gọi là tín hiệu xung hay số) là tín hiệu có biên độ biến thiên không liên tục theo thời gian

• Tín hiệu xung: là tín hiệu rời rạc theo thời gian

• Đặc điểm chung: là thời gian tồn tại xung rất ngắn hay sự biến thiên biên độ

từ thấp lên cao hay từ cao xuống thấp xảy ra rất nhanh

1.2 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU XUNG

ƒ Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau là thời gian biên độ xung tăng hay giảm trong khoảng 0,1Vm đến 0,9Vm

ƒ Độ rộng đỉnh xung là thời gian xung có biên độ nằm trong khoảng từ 0,9 Vm đến Vm ứng với đoạn đỉnh

ƒ Độ rộng xung thực tế là:

ton = tr + tp +tf

ƒ Độ sụt áp đỉnh xung ∆V là độ giảm biên độ ở phần đỉnh xung

1.2.2 Dãy xung

• Khái niệm: dãy xung là tín hiệu gồm nhiều xung đơn

Dãy xung có thể tuần hoàn hoặc không tuần hoàn

Trong đó:

Vm : Biên độxung

ton : Độ rộng xung

toff : Thời gian không có xung

T : Chu kỳ

ƒ Độ rộng của xung là thời gian ứng với điện áp cao gọi là ton (hay tx)

ƒ Thời gian không có xung ứng với điện áp thấp gọi là toff (hay thời gian nghỉ tng)

ƒ Chu kỳ xung là: T = ton + toff (s)

ƒ Xung vuông đối xứng: ton = toff

t

∆V v(t)

Hình 1.3 Dãy xung vuông tuần hoàn

ƒ Tần số là số xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian, được tính theo công thức:

Để phân tích tín hiệu xung cần đưa về các dạng hàm cơ bản: hàm đột biến, hàm tuyến tính, hàm mũ giảm, hàm mũ tăng

ta

t(

• t = 0 : vi= a Mặt khác: vi = vC + vR

Mà vC = 0 (Điện áp trên tụ không đột biến)

R

aR

)e1(.a

C = − − τ

τ = RC : Được gọi là thời hằng

ra quá trình quá độ τ càng lớn, quá trình quá độ càng kéo dài, mạch lâu xác lập

1.4.2 Phản ứng với xung vuông:

™ Phân tích vi thành tổng các hàm cơ bản, ta có:

vi = v1 + v2Với :

= / (t tp)/

R a.e a.ev

)e

1(.a)e1(.a

a

t

v

ƒ 0 ≤ t < tp : vi = a ; tụ C nạp điện bằng dòng

R

vv

i i − C

vC tăng dần, ⇒ i giảm dần, vR giảm

ƒ tp ≤ t : vi = 0, tụ C phóng điện qua R, với dòng

R

v

i=− C Điệp áp vR giảm dần đến 0

1.4.3 Phản ứng với hàm tuyến tính:

vi = kt Bằng cách lý luận tương tự, ta có:

)e1(.k

R = τ − − τ

)e1(.kktvv

R i

9 Mạch RC lấy tín hiệu ra trên tải C thì được gọi là mạch thông thấp(hạ thông ) Nếu mạch hạ thông có thời hằng rất lớn thì được gọi là mạch tích phân (Mạch lọc thông thấp)

9 Mạch RC lấy tín hiệu ra trên tải R thì được gọi là mạch thông cao(thượng thông ) Nếu mạch thượng thông có thời hằng rất nhỏ thì được gọi là mạch vi phân (Mạch lọc thông cao)

+

Vo

-

vC

BW

• Tín hiệu ra lấy trên C

• Mạch thông thấp cho các tín hiệu có tần số nhỏ hơn tần số cắt qua hoàn toàn, tín hiệu có tần số cao bị suy giảm biên độ Tín hiệu ra trễ pha so với tín hiệu vào

= 2 1

⇒ R >>

C f

X

i

C = 2 π 1

⇒ VR(t) >> Vc(t) (2) (vì dòng i(t) qua R và C bằng nhau)

Từ (1) và (2) ta có:Vi (t) ≈ VR(t) = R i(t)

⇒

R

t Vi t

i ( ) = () (3) Điện áp ra V0 (t):

V0 (t) = = ∫i t dt

C t

VC( ) 1 ( ) ⇒ V0(t) = ∫ dt

R

tViC

)(1

⇒ V0(t) = ∫Vi t dt

RC >>

i

f π 2

1 ⇔ τ>>

i

f π 2

1 =

π 2

i

T Trong đó: τ= R.C là hằng số thời gian

Ti là chu kỳ của tín hiệu vào

VD: Trường hợp điện áp vàoVi(t) là tín hiệu hình sin qua mạch tích phân:

Như vậy, nếu thỏa mãn điều kiện của mạch tích phân như trên thì điện áp ra bị trễ pha 900 và biên độ bị giảm xuống với hệ số tỉ lệ là

RC ω

1

b Điện áp vào là tín hiệu xung vuông :

Khi điện áp vào là tín hiệu xung vuông có chu kỳ Ti thì có thể xét tỉ lệ hằng số thời gian τ =RC so với Ti để giải thích các dạng sóng ra theo hiện tượng nạp xả của tụ Giả sử điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng có chu kỳ Ti(hình 1.9a)

• Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian τ=RC rất nhỏ so với Ti thì tụ nạp và

xả rất nhanh nên điện áp ngõ ra V0(t) có dạng giống như dạng điện áp vào Vi(t) (hình 1.9b)

• Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian τ=

5

i

Tthì tụ nạp và xả điện áp theo dạng hàm số mũ, biên độ đỉnh của điện áp ra nhỏ hơn Vp( hình 1.9c)

• Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian τ rất lớn so với Ti thì tụ C nạp rất chậm nên điẹân áp ra có biên độ rất thấp (hình 1.9d) nhưng đường tăng giảm điện áp gần như đường thẳng

Như vậy, mạch tích phân chọn trịsố RC thích hợp thì có thể sửa dạng xung vuông ở ngõ vào thành dạng sóng tam giác ở ngõ ra Nếu xung vuông đối xứng thì xung tam giác ra là tam giác cân

Trường hợp ngõ vào là một chuỗi xung

vuông không đối xứng với ton> toff qua

mạch tích phân

Trong thời gian tonở ngõ vào có điện áp cao

nên tụ C nạp điện

Trong thời gian toff ngõ vào có điện áp 0V

nên tụ xả điện nhưng do thời gian toff nhỏø

hơn ton nên tụ chưa xả điện hết thì lại nạp

điện tiếp làm cho điện áp của tụ tăng dần

(hình 1.10)

Như vậy, tín hiệu ra có dạng xung nấc thang

TiVi(t)

ta) Dạng sóng ngõ vào

V

Vo(t)

tb) Dạng sóng ngõ ra khi τ <<Ti

V

Vo(t)

tc) Dạng sóng ngõ ra khi τ =

5

i

TV

Vo(t)

td) Dạng sóng ngõ ra khi τ >>Ti

1.4.5 Mạch thông cao RC

• Tín hiệu ra lấy trên R

• Mạch thông cao cho các tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt qua hoàn toàn, tín hiệu có tần số thấp bị suy giảm biên độ Tín hiệu ra sớm pha so với tín hiệu vào

Mạch vi phân RC chính là mạch lọc thông cao RC khi tín hiệu vào có tần số fi rất thấp so với tần số cắt fc của mạch

Trong kỹ thuật xung, mạch vi phân có tác dụng thu hẹp độ rộng xung tạo ra các xung nhọn để kích các linh kiện điều khiển hay linh kiện công suất khác như SCR, Triac…

= 2 1

⇒ R <<

C f

X

i

C = 2 π 1

⇒ VR(t) << Vc(t) (2) (vì dòng i(t) qua R và C bằng nhau)

Vi

Hình 1.11a Mạch thông cao RC

() ( ) 1 ( ) 1 i ( t )

C dt

t dq C dt

t dV dt

C i ( )

(3) Điện áp ra V0 (t):

V0(t) = VR(t) = R.i(t)

⇒ V0(t) = R

dt

t dV

C i ( )

Như vậy, điện áp ra V0(t) tỉ lệ với vi phân ( đạo hàm) theo thời gian của điện áp vào

với hệ số tỉ lệ K là K = RC khi tần số fi rất thấp so với fC

• Điều kiện mạch vi phân:

fi << fC ⇔ fi <<

RC π 2

1

i

f π 2

1 ⇔ τ <<

i

f π 2

1 =

π 2

i

T Trong đó: τ= R.C là hằng số thời gian

Ti là chu kỳ của tín hiệu vào

VD: Trường hợp điện áp vàoVi(t) là tín hiệu hình sin qua mạch vi phân:

Vi(t) = Vm.sinω(t)

Điện áp ra là: V0(t) =

dt

d C

R. ( Vm.sinωt ) = ωR.C.Vmcosωt

= ωR.C.Vm.sin(ωt + 900)

Như vậy, nếu thỏa mãn điều kiện của mạch vi phân như trên thì điện áp ra bị sớm pha

900 và biên độ nhân với hệ số tỉ lệ làωRC

b Điện áp vào là tín hiệu xung vuông:

Khi điện áp vào là tín hiệu xung vuông có chu kỳ Ti thì có thể xét tỉ lệ hằng số thời

gian τ =RC so với Ti để giải thích các dạng sóng ra theo hiện tượng nạp xảcủa tụ Giả

sử điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng có chu kỳ Ti(hình1.12a)

• Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian τ =

5

i

T thì tụ nạp và xả điện tạo dòng i(t) qua điện trở R tạo ra điện áp giảm theo hàm số mũ Khi điện áp ngõ vào

bằng 0V thì đầu dương của tụ nối mass và tụ sẽ xả điện áp âm trên điện trở R Ở

ngõ ra sẽ có hai xung ngược nhau có biên độ giảm dần (1.12b)

• Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian τ rất nhỏ so với Ti thì tụ sẽ nạp xả điện

rất nhanh nên cho ra hai xung ngược dấu nhưng có độ rộng xung rất hẹp được

gọi là xung nhọn

Như vậy, nếu thỏa điều kiện của mạch vi phân thì mạch RC sẽ đổi tín hiệu từ xung

vuông đơn cực ra 2 xung nhọn lưỡng cực

Vi(t)

tTi

vE E

R = =

0R.i

vE

9 Xét tác dụng của nguồn vi:

0R.i

vE

)e1.(

= 2KΩ

c E = 1V, R1

Mạch tương đương:

9 Xét tác dụng của nguồn E:

1RR

Ei

+

−

=

)V(3

11RR

RER.i

2R

.iv

1 R

E

C =− = =−

9 Xét tác dụng của nguồn vi :

)K()R//

R(

vR

5 4

)(t

vi)

t(

C

E

+ -

i

1e

.5

R = − τ −

3

2)e1.(

L a.ev

Với τ = L/R được gọi là thời hằng

t

v

)t(

vR

5-1/3

5

=)t(

vi)

t(

vC

5-2/3

-1/3 -2/3

a

t

v

1.5.2 Phản ứng với hàm tuyến tính: vi = kt

Tương tự ta có được:

)e(.k

L = τ 1− − τ

)e(.kkt

R = − τ 1− − τVới τ = L/R

9 Mạch RL lấy tín hiệu ra trên tải R thì được gọi là mạch hạ thông (thông thấp)

9 Mạch RL lấy tín hiệu ra trên tải L thì được gọi là mạch thượng thông (thông cao)

™ Nhận xét:

• Phản ứng của mạch RL thông cao giống phản ứng của mạch RC thông cao

• Phản ứng của mạch RL thông thấp giống phản ứng của mạch RC thông thấp

v

BÀI TẬP CHƯƠNG I Bài 1: Cho mạch như hình vẽ:

R = 1KΩ

C = 470 pF Hãy xác định và vẽ đồ thị vi (t), vC(t), vR(t) cho các trường hợp sau:

a vi(t) = 5.1(t) – 5.1(t – t0) ; t0 = 10 µs ; R1 = ∞ ; E = 0

b vi(t) = 5.1(t) – 5.1(t – t0) ; t0 = 10 µs ; R1 = 5,6KΩ ; E = 2V

c vi(t) = 5.1(t) – 7.1(t – t0) ; t0 = 10 µs ; R1 = 5,6KΩ ; E = 2V

Bài 2: Cho vi như hình vẽ:

a Phân tích vi(t) thành dạng tổng các hàm cơ bản

b Khi đặt vi ở ngõ vào của mạch RC thượng thông, hãy xác định và vẽ vOUT khi

vi

ta

-a

a

t vi

L R2

CHƯƠNG 2 MẠCH BIẾN ĐỔI DẠNG XUNG

2.1 MẠCH XÉN

Chức năng: Giới hạn biên độ tín hiệu

Phân loại theo chức năng có 3 loại:

- Mạch xén trên (xén dương)

- Mạch xén dưới (xén âm)

- Mạch xén hai mức(xén dương và xén âm)

Phân loại theo cấu trúc có 2 loại:

- Mạch xén nối tiếp: phần tử xén mắc nối tiếp với tải

- Mạch xén song song: phần tử xén mắc song song với tải

2.1.1 Mạch xén dùng Diode

Đn: là một dạng mạch sửa dạng sóng rất phổ biến trong thực tế

Giả sử các diode lý tưởng:

VN

™ Dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là tín hiệu sin:

™ Đặc tuyến hàm truyền đạt: Biểu diễn sự phụ thuộc giữa tín hiệu ngõ vào

và tín hiệu ngõ ra

VN

t v

vo vi

VN

vi vo

VN

™ Dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là tín hiệu sin:

vi

vo

vo vi

VN 1

D1 R

™ Dạng tín hiệu ngõ ra khi tín hiệu ngõ vào có dạng hình sin:

Ví dụ: Cho mạch xén như hình vẽ

R1 = 100KΩ V1 = 25V

R2 = 200KΩ V2 = 100V

Các diode D1 và D2 là diode lý tưởng

Điện áp ngõ vào vi biến thiên từ 0V đến 150V

1 2

RR

VVi

1

2 RRR

VV+

−

= 25 + 100

200100

25100+

Vz : điện áp ổn định củ Z khi phân cực nghịch

a Giới hạn xung dương

b Giới hạn xung âm

Hình 2.4 Mạch giới hạn xung dương

-

VZ

+

• Vi < 0 : Z phân cực nghịch

+ Vi > - VZ : Z tắt ⇒ V0 = Vi + Vi <- VZ : Z dẫn ổn áp ⇒ V0 = - VZ

• Vi > 0 : Z phân cực thuận, Z dẫn giống Diode ⇒ V0 = 0

c Giới hạn xung âm dương

Z2

Vo Vi

VZ 1 – +

2.2 MẠCH GHIM (MẠCH KẸP)

ĐN: Mạch ghim là mạch cố định đỉnh trên hay đỉnh dưới của tín hiệu ở một giá trị điện áp nhất định

Mach ghim không làm thay đổi biên độ đỉnh đỉnh của tín hiệu

Có hai loại mạch ghim đỉnh trên và mạch ghim đỉnh dưới

-Hình 2.6 Mạch ghim đỉnh trên ở 0V

• t = (3÷4): Vi=-1,5 Vm , D tắt ⇒ tụ C không xả được ⇒ Vc = 1,5Vm = const

⇒ điện áp ra: Vo = Vi- VC= -1,5Vm –1,5Vm =- 3Vm

• t = (4÷5): Vi giảm biên độ, Vi=Vm , D tắt ⇒ tụ C không xả được ⇒ Vc = 1,5Vm = const

⇒ điện áp ra: Vo = Vi- VC= Vm –1,5Vm =-0,5Vm

(Mạch mất khả năng ghim áp khi Vi giảm)

* Như vậy mạch sẽ mất khả năng ghim đỉnh trên ở mức 0V khi biên độ điện áp giảm Để khắc phục tình trạng này ta mắc điện trở R rất lớn song song với Diode,

tụ C sẽ xả bớt điện tích qua R sau một vài chu kỳ mạch sẽ hồi phục lại khả năng ghim

* Chú ý : Khi phân tích mạch ghim ta bắt đầu tại bán kỳ mà tụ C nạp điện

2.2.2 Mạch ghim đỉnh trên ở VN

Vn -

-C

Vn

Hình 2.5 Mạch ghim đỉnh dưới ở Vn

2.3 MẠCH SO SÁNH:

• Nguyên lý:

vi < VN : vo = -Vcc

vi > VN : vo = Vcc

Mạch so sánh dùng khuyếch đại thuật toán (op_amp):

Khuyếch đại thuật toán ở chế độ xung tồn tại chủ yếu ở trạng thái bão hòa

V+ > V- : Vo = +Vc c : bão hòa dương

V+ < V- : Vo = -Vc c : bão hòa âm

™ Đặc tuyến hàm truyền đạt:

• Vi < VN (hayV+< V- ) thì V0 = -VCC

• Vi > VN(hayV+ > V- ) thì V0 = +VCC

2.3.2 Mạch so sánh không đảo

Điện áp Vi vào ngõ đảo V-

VR vào ngõ không đảo V+

VCC

-Vi VN

Ví dụ:

v + = vi

v - = 0 Khi vi > 0 ⇒ V+ > V- ⇒ vo = +Vcc

V i

+

+Vcc