Tài liệu Mạch đa hài ppt

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 Nguyễn Trọng Hải Trang 88 CHƯƠNG 6. MẠCH ĐA HÀI I. KHÁI NIỆM Hệ thống mạch điện tử có thể tạo ra dao động ở nhiều dạng khác nhau như: dao động hình sin (dao động điều hòa), mạch tạo xung chữ nhật, mạch tạo xung tam giác . các mạch tạo dao động xung được ứng dụng khá phổ biến trong hệ thống điều khiển, thông tin số và trong hầu hết các hệ thống điện tử số. Trong kỹ thuật xung, để tạo các dao động không sin, người ta thường dùng các bộ dao động tích thoát. Dao động tích thoát là các dao động rời rạc, bởi vì hàm của dòng điện hoặc điện áp theo thời gian có phần gián đoạn. Về mặt vật lý, trong các bộ dao động sin, ngoài các linh kiện điện tử còn có hai phần tử phản kháng L và C để tạo dao động, trong đó xảy ra quá trình trao đổi năng lượng một cách lần lượt giữa năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây và năng lượng điện trường tích lũy trong tụ điện, sau mỗi chu kỳ dao động, năng lượng tích lũy trong các phần tử phản kháng bò tiêu hao bởi phần tử điện trở tổn hao của mạch dao động, thực tế lượng tiêu hao này rất nhỏ. Ngược lại trong các bộ dao động tích thoát chỉ chứa một phần tử tích lũy năng lượng, mà thường gặp nhất là tụ điện. Các bộ dao động tích thoát thường được sử dụng để tạo các xung vuông có độ rộng khác nhau và có thể làm việc ở các chế độ sau : chế độ tự dao động, kích thích từ ngoài. Dao động đa hài là một loại dạng mạch dao động tích thoát, nó là mạch tạo xung vuông cơ bản nhất các dạng đa hài thường gặp trong kỹ thuật xung như sau : 1. Mạch Đa Hài Bất Ổn (Astable Multivibrator) Đây là dạng mạch không có trạng thái ổn đònh (đa hài tự dao động, tự kích). Chu kỳ lập lại và biên độ của xung tạo ra được xác đònh bằng các thông số của bộ đa hài và điện áp nguồn cung cấp. Các mạch dao động đa hài tự kích có độ ổn đònh thấp. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 Nguyễn Trọng Hải Trang 89 Ngõ ra của bộ dao động đa hài tự kích luân phiên thay đổi theo hai giá trò ở mức thấp và mức cao. 2. Mạch Đa Hài Đơn Ổn (Monostable Multivibrator) Khi mạch hoạt động ở chế độ này, nếu không cung cấp điện áp điều khiển từ bên ngoài thì bộ dao động đa hài nằm ở trạng thái ổn đònh. Khi có xung điều khiển, thường là các xung kích thích có độ rộng hẹp, thì nó chuyển sang chế độ không ổn đònh trong một khoảng thời gian rồi trở lại trạng thái ban đầu và kết quả ngõ ra cho ra một xung. Thời gian bộ dao động đa hài nằm ở trạng thái không ổn đònh dài hay ngắn là do các tham số của mạch quyết đònh. Ngõ ra của bộ dao động đa hài đơn ổn có một trạng thái ổn đònh (hoặc ở mức cao hoặc mức thấp). Mạch này còn có tên gọi là đa hài đợi, đa hài một trạng thái bền. Xung kích từ bên ngoài có thể là xung gai nhọn âm hoặc dương, chu kỳ và biên độ do mạch quyết đònh. 3. Mạch Đa Hài Hai Trạng Thái n Đònh Không Đối Xứng (Schmitt Trigger) Đây là dạng mạch sửa dạng xung để cho ra các xung vuông. Điện áp ngõ ra ở mức cao, thấp và quá trình chuyển đổi trạng thái giữa mức thấp và mức cao là tùy thuộc vào thời điểm điện áp ngõ vào vượt qua hai ngưỡng kích trên và kích dưới. 4. Mạch Đa Hài Hai Trạng Thái n Đònh Đối Xứng (Bistable Multivibrator) Dạng mạch này còn gọi là Flip-Flop (mạch lật hay bấp bênh). Đây là phần tử quan trọng trong lónh vực điện tử số, máy tính. Bao gồm các loại Flip-Flop RS, JK, T, D, nó được tạo ra bởi các linh kiện rời. Ngày nay chủ yếu chế tạo bằng công nghệ vi mạch. 5. Chế tạo mạch đa hài Có nhiều cách tạo ra mạch đa hài, trong đó ta quan tâm đến • Dùng vi mạch tương tự (OpAmp) • Dùng vi mạch số • Dùng vi mạch chuyên dụng (VD 555) • Dùng linh kiện rời (BJT, FET) • Dùng các linh kiện có vùng điện trở âm (diode tunnel hay UJT) • Dùng dạng mạch dao động nghẹt (blocking oscilator) Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 Nguyễn Trọng Hải Trang 90 II. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG CÁC LINH KIỆN TƯƠNG TỰ 1. Mạch Schmitt Trigger Trong lónh vực điều khiển, các thiết bò điện chỉ làm việc ở một trong hai trạng thái, tượng trưng bởi hai mức 1 và 0 như trong kỹ thuật số. Người ta dùng mạch Schmitt Strigger để đổi từ tín hiệu liên tục ra tín hiệu vuông có khả năng chống nhiễu cao. Mạch Schmitt Trigger là mạch có hai trạng thái cân bằng ổn đònh và có khả năng chuyển một cách đột biến từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác khi mạch được kích thích Các Schmitt trigger được sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật xung như đếm xung, chia tần, tạo các xung điều khiển trong các mạch tích phân, mạch tạo điện áp biến đổi đường thẳng v.v… Hình 6.1.Đặc tuyến của trigger Nói chung các trigger đều có đặc tuyến U ra = f(U v ) có dạng là một vòng trễ như hình trên, các mức điện áp U ng1 U ng2 được gọi là các mứxc điện áp ngưỡng t 1 t 2 U ng1 U ng2 U v U ra t 0 t 1 t 2 U 1 U 2 U ra U v Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 Nguyễn Trọng Hải Trang 91 a. Dạng Mạch Dùng Chuyển Mạch BJT Dạng 1 Hình 6.2. Schmitt trigger dùng BJT Trong sơ đồ mạch trên, 2 transistor T1, T2 được ghép trực tiếp và có chung R E . Để có điện áp ra là xung vuông thì hai transistor phải chạy ở chế độ bão hòa, ngưng dẫn. Khi T1 ngưng dẫn sẽ điều khiển T2 chạy bão hòa và ngược lại khi T1 bão hòa sẽ điều khiển T2 ngưng dẫn Ngưỡng cao và ngưỡng thấp của mạch (sinh viên tự chứng minh qua 2 trạng thái tắt và bão hòa của BJT) U ng1 = V TH+ = 8.0 2 + + − E EC CEsatCC R RR VV U ng2 = V TH- = 8.0 1 + + − E EC CEsatCC R RR VV Dạng 2 Hình 6.3 +Vcc Rb Re Vin Vout Rc2 0 0 Rc1 Vv Vcc T1 C 0 Rc2 Rb R Rc1 Re Vra T2 Vcc Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 Nguyễn Trọng Hải Trang 92 Mạch bao gồm hai Transitor T 1 và T 2 , các điện trở phân cực tónh. Điện trở R E tạo phản hồi, tụ C : tụ tăng tốc (năng lượng tích lũy trong tụ sẽ làm phân cực mối nối BE của T 2 nhanh hơn). Mạch được thiết kế sao cho ở trạng thái bình thường T 1 tắt T 2 dẫn bão hòa.Trong hai trạng thái phân biệt của mạch thì mỗi trạng thái ứng với một Transitor dẫn và một Transitor tắt. Giải thích nguyên lý hoạt động Khi v v = 0, T 1 tắt, dòng I C1 = 0, toàn bộ dòng I RC1 qua R và R B đến cực B của T 2 , làm T 2 dẫn bão hòa. Đồng thời tại cực E của T 1 có điện áp V E = I E2bh .R E , làm T 1 tiếp tục tắt. Ta có v r = V C = V E + V CE2bh. Sự chuyển đổi trạng thái sẽ diễn ra khi tín hiệu vào vượt qua mức ngưỡng kích trên (tương ứng với V E ở trạng thái này), nghóa là v v = V E. Lúc này T 1 bắt đầu dẫn, dòng I C2 tăng lên làm dòng I B2 giảm. Và nhờ quá trình hồi tiếp qua điện trở R E làm T 2 tắt, do đó v r = V CE . Nếu tiếp tục tăng v v lớn hơn nữa thì T 1 chỉ dẫn bảo hòa sâu thêm, còn mạch vẫn không đổi trạng thái. Khi T 1 đang dẫn, T 2 đang tắt, để đưa mạch về trạng thái ban đầu cần phải giảm tín hiệu vào v v xuống dưới ngưỡng kích dưới. Lúc đó dòng I C1 giảm mạnh, nên điện thế cực thu của T 1 tăng lên, làm V B2 tăng. Và nhờ tác dụng của hồi tiếp qua R E , quá trình nhanh chóng đưa đến T 1 tắt và T 2 dẫn bão hòa. Ta có : v r = V E + V CE2bh b. Dạng Mạch Dùng Op-Amp Dạng Mạch 1 Xét mạch điện có dạng sau : Hình 6.4 R1 R Vv R2 + - Vra Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 Nguyễn Trọng Hải Trang 93 Điện trở R = R1//R2 làm giảm dòng điện off set để hoạt động gần với Op- amp lý tưởng, nhằm mục đích làm cho mạch hoạt động ổn đònh hơn. Ta có rr Av RR R vv = + = + 21 1 Và v - = -v v Khi v v >v + thì v r = -V Do đó AV RR R Vv −= + −= + 21 1 . Đây là ngưỡng kích mức thấp. Khi v v < v + thì v r = +V, do đó AV RR R Vv = + += + 21 1 . Ngưỡng kích mức cao. Dạng sóng vào – ra Hình 6.5 Quan hệ vào – ra Khi v v > AV thì v r = -V Khi v v < -AV thì v r = +V Hình 6.6 0 V ra V V -AV +AV Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 Nguyễn Trọng Hải Trang 94 Nhận xét. Hai trạng thái của Schmitt Trigger tương ứng với mức điện thế bão hòa dương +V và bão hòa âm –V của ngõ ra bộ khuếch đại thuật toán. Dạng sóng ngõ vào được sửa thành xung chữ nhật. Dạng Mạch 2 Hình 6.7 Ta có v - = v v 12 Re 12 12 ra f RR vvv RR RR + =+ ++ Khi v v > v + thì v ra = -V Do đó 12 Re 12 12 f RR vV V RR RR + =− + ++ = -AV+B : ngưỡng kích mức thấp. Khi v v < v + thì v r = +V Do đó 12 Re 12 12 f RR vV V R RRR + =+ ++ = AV + B Quan hệ vào – ra Khi v v > -AV + B ⇒ v r = -V Khi v v < AV + B ⇒ v r = +V Hình 6.8 R Vref R1 + - Vv R2 Vra Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 Nguyễn Trọng Hải Trang 95 c. Dạng Mạch Dùng cổng logic Hình 6.9. Ký hiệu và đặc tuyến của cổng NOT Schmitt trigger (74HC14) Hình 6.10 d. Schmitt Trigger chính xác Hình 6.11. Schmitt trigger chính xác R1 Vin Q D /Q R V TH+ S V in + - Q R V TH- + - /Q Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 Nguyễn Trọng Hải Trang 96 2. Mạch FlipFlop a. Dạng Mạch Dùng OpAmp Xét mạch sau : Hình 6.12 Điện trở hồi tiếp R1 có trò số khá nhỏ so với điện trở R. Mạch F/F dùng Op- amp như trên gồm hai Op-amp làm việc như hai mạch khuếch đại so sánh. Op-amp ở trạng thái bào hòa dương nếu v + > v - ⇒ v 0 = V CC Op-amp ở trạng thái bào hòa âm nếu v + < v - ⇒ v 0 = 0 Giả thuyết mạch có trạng thái ban đầu là v r1 = V CC , v r2 = 0. Ngõ vào âm của Op-amp 1 được hồi tiếp từ v r2 = 0(v) về qua điện trở R 1 , nên vẫn có v + > v - , do đó v r1 = V CC , ổn đònh như trạng thái ban đầu. Đây là trạng thái ổn đònh thứ nhất của mạch F/F. Op-amp 1 ở trạng thái bão hòa dương và Op-amp 2 ở trạng thái bão hòa âm. Để chuyển trạng thái của F/F , cho công tắc S chuyển sang vò trí 2. Lúc đó ở Op-amp 2 có v - = 0, v + = v - nên Op-amp 2 chuyển sang bão hòa dương, v r2 = +V CC . Điện áp này hồi tiếp về ngõ vào âm của Op-amp 1 qua điện trở R 1 (R 1 << R) sẽ làm đổi trạng thái của nó từ bão hòa dương sang bão hòa âm (do lúc này có v + < v - ). b. Mạch FlipFlop Cơ Bản Sơ đồ nguyên lý : Hình 6.13 Rb2 0 Rc1 Vra2 Vcc Rc2 T1 -Vbb 0 R2 Vra1 T2 Rb1 Vcc R1 1 2 Vcc OpAmp1 R1 Vra1 + - R + - OpAmp2 R1 R Vcc Vra2 0 Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 Nguyễn Trọng Hải Trang 97 Mạch này là ghép hai mạch đảo dùng hai Transitor theo kiểu đối xứng. Trong sơ đồ dùng 2 nguồn điện áp DC: Nguồn V CC để cấp I B và I C cho Transitor dẫn bão hòa và nguồn -V BB để phân cực ngược cho cực B của Transitor ngưng dẫn. Giải thích nguyên lý hoạt động Giả thiết 2 Transitor T 1 và T 2 cùng thông số và cùng loại. Các điện trở phân cực R C1 = R C2 , R 1 = R 2 , R B1 = R B2 . Nhưng thực tế hai Transitor không thể cân bằng một cách tuyệt đối nên sẽ có một Transitor chạy mạnh hơn và một Transitor chạy yếu hơn khi ta cung cấp nguồn. Giả sử T 1 hoạt động mạnh hơn T 2 , dòng I C1 mạnh làm V C1 giảm, tức V B2 giảm, nên T 2 hoạt động yếu hơn. Do đó I C2 giảm, dẫn đến V C2 tăng, tức V B1 tăng, làm T 1 hoạt động mạnh hơn và cuối cùng T 1 sẽ tiến đến trạng thái bão hòa còn T 2 tiến đến ngưng dẫn. Khi đó : v r1 = V CE1bh = 0 , v r2 = V CC . Đây là trạng thái thứ hai của Flip-Flop. Mạch Flip-Flop sẽ ở một trong hai trạng thái trên nên được gọi là mạch lưỡng ổn. Tuy nhiên phải chọn các điện trở và nguồn điện thích hợp thì mới đạt được nguyên lý trên. 3. Mạch đa hài dùng Transistor Đây là một loại mạch có một trạng thái bền vững và một trạng thái không bền. Khi có xung kích khởi, mạch chuyển sang trạng thái không bền và sau một khoảng thời gian nhất đònh, mạch tự động trở về trạng thái bền ban đầu. Thời gian mạch tồn tại ở trạng thái không bền phụ thuộc vào độ rộng xung kích khởi và phụ thuộc vào các linh kiện trong mạch. a. Mạch đơn ổn dùng Transistor Sơ đồ mạch điện cơ bản : Hình 6.14 Vra2 R2 0 C R Vcc Vcc Vv R C R3 T2 R1 Vra1 Rc1 Rc2 T1 -Vbb [...]... trong các mạch tạo xung, tạo delay, phát hiện độ rộng xung, mạch lọc thông dải v.v… Khi được kích khởi, mạch đa hài đơn ổn tạo một xung ở ngõ ra có độ rộng độc lập với độ rộng của tín hiệu ngõ vào Có 2 dạng mạch: mạch có khả năng kích khởi lại và mạch không có khả năng kích khởi lại So sánh sự khác nhau giữa 2 loại mạch trên như sau nonretriggerable retriggerable t1 t1 Hình 6.31 a) Mạch 1 Mạch đa hài đơn... 0,69 (RB2C2 +RB1C1) Trong mạch đa hài bất ổn đối xứng ta có RB1 = RB2 = RB và C1 = C2 = C Chu kỳ dao động T = 2 x 0,69 RB.C = 1,4 RB.C 4 Mạch đa hài dùng OpAmp a Mạch đơn ổn dùng OpAmp Sơ đồ mạch điện R D C + Vra R2 R1 Vv Hình 6.18 R1, R2: Tạo ngưỡng điện áp để so sánh R, C: Tạo mạch RC nhằm thực hiện quá trình nạp và xả của tụ Diode D tạo mạch ghim điện áp, ngắn mạch tụ C khi mạch ở trạng thái bền Nguyên... Kỹ thuật Xung Chương 6 f) Mạch 6 Mạch đa hài phi ổn có điều khiển A Q R C Hình 6.43 Đa hài phi ổn có điều khiển Ngõ A là chân nhận tín hiệu điều khiển Khi A=1, giải thích giống mạch 4 phần đa hài phi ổn Khi A=0, làm cho cổng NAND có ngõ ra giữ nguyên ở mức cao nên mạchngưng dao động IV DAO ĐỘNG THẠCH ANH Tính chất và mạch tương đương của thạch anh: khi có yêu cấu tạo các mạch dao động có tần số ổn... sau tW = K x REXT x CEXT với tW độ rộng xung ra (ns) REXT :điện trở ngoài (kΩ) CEXT: điện dung ngoài (pF) 2 Mạch đa hài bất ổn a) Mạch 1 Mạch ring oscillator Mạch đa hài phi ổn đơn giản sử dụng cổng là mạch ring oscillator bao gồm N cổng đảo được ghép nối tiếp như hình sau (với N lẻ) Hình 6.36 Đa hài phi ổn Ring Oscillator Chu kỳ T được tính như sau T = 2 N tpd Với giả sử rằng thời gian trễ của xung lên... xung Rất nhiều mạch tạo xung trước đây dùng linh kiện bán dẫn rời như BJT, UJT,… đều có thể thay thế bằng các mạch tích hợp số Trong phần thí nghiệm trước, đã giới thiệu IC đònh thì 555 ứng dụng trong kỹ thuật tạo xung Phần này sẽ giới thiệu thêm các mạch tạo xung chủ yếu sử dụng các cổng logic cơ bản Nguyễn Trọng Hải Trang 110 Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 1 Mạch đa hài đơn ổn Mạch đa hài đơn ổn thường... động của mạch được xác đònh bằng tần số dao động của thạch anh hơn là bằng các phần tử trong mạch Ví dụ 10M R 2k CRYSTAL 60p 60p Hình 6.45 Nguyễn Trọng Hải Trang 120 Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 CÔNG TẮC CHỐNG DỘI DÙNG DAO ĐỘNG ĐA HÀI ĐƠN ỔN DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG CD4047BC Nguyễn Trọng Hải Trang 121 Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 CD4047B có khả năng hoạt động như một mạch dao động đa hài bất ổn... lập mạch đa hài bất ổn dùng 4047B bằng cách đặt mức điện áp cao vào ngõ ASTABLE hoặc mức điện áp thấp vào ngõ ASTABLE Thiết lập mạch đa hài đơn ổn dùng 4047B bằng cách kích xung cạnh lên vào ngõ trigger + hoặc kích cạnh xuống vào ngõ trigger – Khi ngõ Reset o mức logic 1, ngõ ra Q = 0 Đặc tính Nguồn cung cấp: từ 3 đến 15V Khả năng chống nhiễu cao Tương thích với họ TTL Ứng dụng: - Mạch thời gian - Mạch. .. = 1 2( R1 + R3 )C Mạch chỉ thích hợp cho các tần số cao Nguyễn Trọng Hải Trang 116 Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 e) Mạch 5 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 ở mức thấp (ngõ ra A sẽ ở mức cao), xuất hiện dòng qua Cy → Ry → Dy → ngõ ra cổng đảo B Do tại thời điểm đầu, VCy = 0 , Cy có thể được xem là ngắn mạch và vì vậy, ngõ... tụ C và R VTH là điện áp ngưỡng của IC 2 Điện trở RP đặt vào mạch nhằm mục đích chống lại quá dòng tại ngõ vào IC 2 và được chọn khoảng 10 đến 100K d) Mạch 4 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 là mạch hồi tiếp dương để tạo dao động Các điện trở R1, R2, R3 được chọn để duy trì điện áp ở ngõ vào của 2 cổng gần mức điện áp ngưỡng nên khi tụ điện nạp... Như vậy mạch đã trở về trạng thái ban đầu với T1 tắt và T2 bão hòa vr = VCE2bh Trong khoảng thời gian ngắn, tụ C sẽ nạp trở lại từ nguồn VCC thông qua R1 và mối nối BE của T2 đang dẫn để có điện áp xấp xỉ bằng Vcc Mạch chờ đợi xung kích mới Nguyễn Trọng Hải Trang 98 Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6 b Mạch bất ổn dùng Transistor Dạng mạch Vcc Vcc RB1 Rc1 C1 RB2 C2 Rc2 Vra1 Vra2 T2 T1 Hình 6.16 Mạch được . vi mạch. 5. Chế tạo mạch đa hài Có nhiều cách tạo ra mạch đa hài, trong đó ta quan tâm đến • Dùng vi mạch tương tự (OpAmp) • Dùng vi mạch số • Dùng vi mạch. động đa hài là một loại dạng mạch dao động tích thoát, nó là mạch tạo xung vuông cơ bản nhất các dạng đa hài thường gặp trong kỹ thuật xung như sau : 1. Mạch