Tài liệu Kỹ thuật xung - số pdf

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG KỸ THUẬT XUNG - SỐ Biên soạn: Đoàn Thị Thanh Thảo Phạm Văn Ngọc Lưu hành nội bộ THÁI NGUYÊN 2010 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 2 Chương 1: 5 KHÁI NIỆM CHUNG 5 1. Tín hiệu xung và tham số: 5 1.1. Định nghĩa 5 1.2. Các tham số cơ bản của tín hiệu xung: 6 2. Các dạng điện áp đơn giản và phản ứng của mạch điện RC – RL đối với dạng xung 8 2.1. Khái niệm 8 2.2. Mạch lọc RC: 11 2.3. Mạch RL 11 3. Phản ứng của mạch lọc RC đối với các xung đơn 12 3.1. Điện áp lấy ra trên điện trở (mạch vi phân) 12 3.2. Tín hiệu lấy ra trên tụ điện: 13 4. Chế độ khóa của tranzito 14 4.1. Các yêu cầu cơ bản: 14 4.2. Đặc tính truyền đạt 17 5. Chế độ khóa của khuếch đại thuật toán 19 5.1. Mạch so sánh một ngưỡng: 19 5.2. Mạch so sánh 2 ngưỡng 21 Chương 2: 23 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI VÀ TẠO DẠNG XUNG 23 1. Mạch vi phân 23 1.1. Định nghĩa và khái niệm 23 1.2. Mạch khuếch đại thuật toán vi phân 25 2. Mạch tích phân 26 2.1. Định nghĩa và khái niệm 26 2.2. Các mạch tạo điện áp biến đổi đường thẳng 29 3. Mạch hạn chế biên độ 30 Chương 3: 31 CÁC MẠCH DAO ĐỘNG XUNG 31 1. Các mạch không đồng bộ hai trạng thái ổn định 31 1.1. Trigơ đối xứng (RS) dùng tranzitor 31 1.2. Trigơ Smit dùng IC tuyến tính 32 2. Các mạch không đồng bộ một trạng thái ổn định 35 2.1. Đa hài đợi dùng tranzitor 35 2.2. Đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán 36 3. Các mạch không đồng bộ 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 40 4. Dao động Blocking 42 5. Mạch tạo xung tam giác 46 5.1. Vấn đề chung 46 5.2. Mạch ổn dòng cơ bản 48 5.3. Mạch tạo xung tam giác dùng transistor 49 5.4. Mạch tạo xung tam giác dùng vi mạch khuếch đại thuật toán 52 Chương 4: 56 VI MẠCH ĐỊNH THỜI 555, DAO ĐỘNG TÍCH THOÁT DÙNG UJT 56 2 1. Sơ đồ chân và cấu trúc 555 56 1.1. Sơ đồ chân IC 555 56 1.2. Sơ đồ cấu trúc IC 555 56 1.3. Nguyên tắc hoạt động các chân IC555 57 2. Mạch đa hài dùng IC555 58 3. Mạch đơn đa hài dùng IC555 62 4. Mạch dao động tích thoát dùng UJT 63 5. Mạch tạo tín hiệu xung tam giác dùng UJT 66 6. Mạch tạo tín hiệu xung nấc thang dùng UJT 68 7. Mạch dao động tích thoát tạo xung đồng bộ 70 7.1. Mạch đồng bộ điều khiển nắn nửa chu kỳ 70 7.2. Mạch đồng bộ điều khiển nắn toàn chu kỳ 71 Chương 5 72 MẠCH DAO ĐỘNG TẠO XUNG DÙNG CỔNG LOGIC, VCO, CCO 72 1. Mạch đa hài đơn ổn dùng cổng logic 72 2. Mạch đa hài tự dao động dùng cổng logíc 72 3. Mạch dao động VCO (Voltage Control Oscilator) dùng IC 566 73 Phần 2: Kỹ thuật số 80 CHƯƠNG I 81 HỆ THỐNG ĐẾM VÀ KHÁI NIỆM VỀ MÃ 81 1.1 HỆ THỐNG SỐ ĐẾM 81 1.1.1 Hệ đếm 81 1.1.2 Cơ số của hệ đếm 81 1.1.3 Đổi cơ số 83 1.2 HỆ ĐẾM NHỊ PHÂN VÀ KHÁI NIỆM VỀ MÃ 83 1.2.1 Hệ đếm nhị phân 83 1.2.2 Khái niệm về mã 85 CHƯƠNG II 90 ĐẠI SỐ BOOLE 90 2.1 MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA 90 2.2 CÁC PHÉP TOÁN CƠ BẢN CỦA ĐẠI SỐ BOOLE 90 2.3 CÁC ĐỊNH LÝ CỦA ĐẠI SỐ BOOLE 91 2.3.1 Định lý 91 2.3.2 Các phương pháp biểu diễn hàm logic 92 2.3.3 Tối thiểu hoá hàm Boole 96 CHƯƠNG III 103 CÁC PHẦN TỬ LOGIC CƠ BẢN 103 3.1 KHÁI NIỆM VỀ MẠCH SỐ 103 3.1.1 Mạch tương tự 103 3.1.2 Mạch số 103 3.1.3 Họ logic dương/âm 103 3.2 Cổng Logic 105 3.2.1 Khái niệm 105 3.2.2 Phân loại 105 3.2.3. Công suất tiêu tán Ptt 131 3.2.4. Fanout 132 3.2.5. Fanin (Hệ số mắc mạch đầu vào) 132 3.2.6. Độ chống nhiễu 132 3.2.7. Trễ truyền đạt 132 3.3. FLIP-FLOP (FF) 133 3 3.3.1. Khái niệm 133 CHƯƠNG IV 156 HỆ TỔ HỢP 156 4.1 Khái niệm chung 156 4.2. Mạch mã hoá và giải mã 157 4.2.1. Khái niệm 157 4.2.2. Mạch mã hoá (ENCODER) 157 4.2.3. Mạch giải mã 162 4.3 MẠCH CHỌN KÊNH – PHÂN ĐƯỜNG 171 4.3.1 Đại cương 171 4.3.2. Mạch chọn kênh 171 4.3.3. Mạch phân đường 174 4.4 MẠCH SO SÁNH 178 4.4.1. Đại cương 178 4.2.2. Mạch so sánh 1 bit 178 4.4.3. Mạch so sánh nhiều bit 180 4.5. MẠCH SỐ HỌC 183 4.5.1. Đại cương 183 4.5.2. Bộ cộng (Adder) 183 4.5.3. Bộ trừ (Subtractor) 186 CHƯƠNG V 191 HỆ TUẦN TỰ 191 5.1. KHÁI NIỆM CHUNG 191 5.2. MẠCH ĐẾM 191 5.2.1 Mạch đếm đồng bộ 191 5.2.2 Mạch đếm không đồng bộ 199 5.2.3 Mạch đếm vòng 207 5.3. BỘ GHI DỊCH 212 5.4. BỘ NHỚ 215 5.4.1. Các khái niệm 215 5.4.2. Bộ nhớ RAM 216 5.4.3. Bộ nhớ ROM 217 219 4 Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1. Tín hiệu xung và tham số: 1.1. Định nghĩa Các tín hiệu điện áp hay dòng điện biến đổi theo thời gian được chia thành 2 loại cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc (gián đoạn). Tín hiệu liên tục còn gọi là tín hiệu tuyến tính hay tương tự. Tín hiệu rời rạc gọi là tín hiệu xung hay số Tiêu biểu cho tín hiệu liên tục là tín hiệu sin, như hình 1, với tín hiệu sin ta có thể tính được biên độ của tín hiệu tại từng thời điểm khác nhau. Hình 1.1: Tín hiệu hình sin Ngược lại tiêu biểu cho tín hiệu rời rạc là tín hiệu vuông, dạng tín hiệu như hình 2, biên độ của tín hiệu chỉ có 2 giá trị mức cao V H và mức thấp V L , thời gian chuyển mức tín hiệu từ mức cao sang mức thấp và ngược là rất ngắn coi như bằng 0 Hình 1.2: a, xung vuông điện áp > 0. b, xung vuông điện áp đều nhau 5 Tín hiệu xung không chỉ có tín hiệu xung vuông mà còn có mốt số dạng tín hiệu khác như xung tam giác, răng cưa, xung nhọn, xung nấc thang có chu kỳ tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ lặp lại T. Hình 1.3: Các dạng tín hiệu xung: Trong nhiều trường hợp xung tam giác có thể coi là xung răng cưa Các dạng xung cơ bản trên rất khác nhau về dạng sóng, nhưng có điểm chung là thời gian tồn tại xung rất nhắt, sự biến thiên biên độ từ tấp lên cao (xung nhọn) và từ cao xuống thấp (nấc thang, tam giác) xảy ra rất nhanh Định nghĩa: Tín hiệu xung điện áp hay xung dòng điên là những tín hiệu có thời gian tồn tại rất ngắn, có thể so sánh với quá trình quá độ trong mạch điện mà chúng tác dụng. 1.2. Các tham số cơ bản của tín hiệu xung: Tín hiệu xung vuông như hình 1 là một tín hiệu xung vuông lý tưởng, thực tế khó có 1 xung vuông nào có biên độ tăng và giảm thẳng đứng như vậy: 6 Hình 1.4 Dạng xung Xung vuông thực tế với các đoạn đặc trưng như: sườn trước, đỉnh, sườn sau. Các tham số cơ bản là biên độ U m , độ rộng xung t x , độ rộng sườn trước t tr và sau t s , độ sụt đỉnh u∆ - Biên độ xung U m xác định bằng giá trị lớn nhất của điện áp tín hiệu xung có được trong thời gian tồn tại của nó. - Độ rộng sườn trước t tr , sườn sau t s là xác định bởi khoảng thời gian tăng và thời gian giảm của biên độ xung trong khoảng giá trị 0.1U m đến 0.9U m . - Độ rộng xung T x xác định bằng khoảng thời gian có xung với biên độ trên mức 0.1U m (hoặc 0.5U m ). - Độ sụt đỉnh xung u∆ thể hiện mức giảm biên độ xung tương tứng từ 0.9U m đến U m . Với dãy xung tuần hoàn ta có các tham số đặc trưng như sau: - Chu kỳ lặp lại xung T là khoảng thời gian giữa các điểm tương ứng của 2 xung kế tiếp, hay là thời gian tương ứng với mức điện áp cao t x và mức điện áp thấp t ng T = t x + t ng (1) - Tần số xung là số lần xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian. 1 F= T (2) - Thời gian nghỉ t ng là khoảng thời gian trống giữa 2 xung liên tiếp có điện nhỏ hơn 0.1U m (hoặc 0.5U m ). - Hệ số lấp đầy γ là tỷ số giữa độ rộng xung t x và chu kỳ xung T x t T γ = (3) Do T = t x + t ng vậy ta luôn có 1 γ < - Độ rỗng của xung Q là tỷ số giữa chu kỳ xung T và độ rộng xung t x . x T Q t = (4) * Trong kỹ thuật xung - số người ta sử dụng phương pháp số đối với tín hiệu xung với quy ước chỉ có 2 trạng thái phân biệt 7 - Trạng thái có xung (t x ) với biên độ lớn hơn một ngưỡng U H gọi là trạng thái cao hay mức “1”, mức U H thường chọn cỡ từ 1/2Vcc đến Vcc. - Trạng thái không có xung (t ng ) với biên độ nhỏ hơn 1 ngưỡng U L gọi là trạng thái thấp hay mức “0”, U L được chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito hay IC) - Các mức điện áp ra trong dải U L < U < U H được gọi là trạng thái cấm 2. Các dạng điện áp đơn giản và phản ứng của mạch điện RC – RL đối với dạng xung. Trong lý thuyết về mạch lọc người ta chia mạch lọc thành 2 loại là mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực, các mạch lọc thụ động dùng các phần tử cơ bản R-L-C còn được chia thành một số loại Theo linh kiện có mạch lọc RC, RL, LC Theo tần số chọn lọc có: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải và mạch lọc chặn dải tùy theo các sắp xếp của từng loại linh kiện trong mạch mà ta sẽ được các mạch lọc tương ứng. 2.1. Khái niệm - Để xác định điện áp đầu ra của mạch điện tuyến tính u ra (t) khi đầu vào tác dụng một điện áp u vào (t) có dạng phức tạp ta có thể áp dụng nguyên lý xếp chồng để xác định điện áp lối ra 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 rồi từ đó ta tính kết quả tại đầu ra của từng thành phần tín hiệu đơn giản u ra (1) (t), u ra (2) (t), … cuối cùng ta thực hiện lấy tổng tín hiệu ra tại ta được tín hiệu ra u ra (t) - Những dạng xung cơ bản là dạng xung hình chữ nhật, hình thang, hình tam giác, hình chuông, dạng e mũ. - Tín hiệu vào có thể là tổng của tín hiệu điện áp hay dòng điện của dạng xung dưới đây a. Là dạng tín hiệu xung vuông đột biến E tt 0 u 8 U(t) = E.1(t 0 ) =    < >= 0 0 0 ttkhi ttkhiE Trong đó hàm 1(t) là hàm xung đơn vị hay hàm đóng mạch tại thời điểm t = t 0 (t 0 > 0) ta có 1(t 0 ) = 1(t – t 0 ) =     < >= 0 0 0 1 ttkhi ttkhi b. Dạng điện áp biến đổi theo quy luật đường thẳng U(t) = k(t – t 0 ).1(t 0 ) =    < >=− 0 00 0 )( ttkhi ttkhittk Với hệ số góc )(karctg= α c. Dạng điện áp biến đổi theo quy luật hàm số mũ U(t) = E[1 – exp(-α(t – t 0 )].1(t 0 ) = 0 0 0 0 ))](exp(1[ tt tt khi khittE >= >=    −−− α d. Ví dụ: một số trường hợp thay đổi dạng xung phức tạp thành dạng xung đơn giản * Dạng xung vuông U(t) = 21 21 1 ttortt ttt khi khi >< <=<=    U(t) = u 1 (t) + u 2 (t) với U 1 (t) = 1(t 0 ) =    < >= 1 1 0 1 ttkhi ttkhi )(karctg= α t 0 u t E tt 0 u 9 u tt 1 t 2 T x u t t 1 t 2 1 1 -1 U 1 (t) U 2 (t) U 2 (t) = -1(t 0 ) =    < >=− 2 2 0 1 ttkhi ttkhi * Dạng xung hình thang u(t) = u 1 (t) + u 2 (t) + u 3 (t) + u 4 (t) Trong đó u 1 (t) =    = < >=− )( 0 )( 1 1 11 karctg tt ttttk α U 2 (t) =    = < >=−− )( 0 )( 1 2 22 karctg tt ttttk α U 2 (t) =    = < >=− )( 0 )( 2 3 33 harctg tt tttth α U 2 (t) =    = < >=−− )( 0 )( 2 4 44 harctg tt tttth α * Dạng hàm mũ U(t) = u 1 (t) + u 2 (t) với U 1 (t) =    < >=−−− 1 11 0 )(1)))(exp(1( ttkhi ttkhitttE α U 2 (t) =    < >=−−−− 2 22 0 )(1)))(exp(1( ttkhi ttkhitttE α Ta có u(t) =       >= <=<=−− <=<=−−− < 3 321 211 1 0 ))(exp( )))(exp(1( 0 tt tttttE tttttE tt α α * Dạng răng cưa. u(t) =      <= <=<=−− <=<=− tt tttttE tttttk 3 322 211 0 ))(exp( )( β U(t) = u 1 (t) + u 2 (t) + u 2 (t) trong đó: U 1 (t) = k(t – t 1 ) t >= t 1 U 2 (t) = -k(t – t 2 ) t >= t 2 10 u t u t t 1 t 2 U 1 (t) U 2 (t) a 1 a 1 a 1 a 1 a 2 a 2 a 2 t 3 t 4 t 3 t 4 t 1 t 2 U 4 (t) U 3 (t) u t t 1 t 2 u t t 1 t 2 u t t 1 t 2 u 1 (t) u 2 (t) a a t 3 u t t 1 a t 3 t 2 u 3 (t) [...]... và điện áp đặt vào lối vào đảo (-) là UiTùy thuộc điện áp của 2 lối vào đảo và không đảo này so sánh với nhau mà lối ra của bộ khuếch đại thuật toán ở 1 trong 2 trạng thái như sau - Nếu lối vào Ui+ > Ui- thì tối ra U0 = +VCC gọi là trạng thái bão hòa dương - Nếu lối vào Ui+ < Ui- thì tối ra U0 = -VCC gọi là trạng thái bão hòa âm Thực tế thông thường mạch khuếch đại thuật toán dùng làm mạch so sánh...U3(t) = -E(1 – exp (- (t – t2)))t >= t2 2.2 Mạch lọc RC: Cơ bản có mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao Hình 1.5: Mạch lọc RC và đáp ứng xung của mạch lọc - Tần số cắt của mạch lọc là FC = Vi 1 (5) tương ứng với điện áp V0 = V0 2 2π RC là biên độ điện áp lối ra, Vi là biên độ điện áp lối vào - Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là v0 (t ) = 1 vi (t )dt RC ∫ - Điện áp lối ra của... Trong đó k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào các hệ số của mạch vi phân Trong kỹ thuật xung mạch vi phân cáo tác dụng thu hẹp độ rộng xung lối vào và tạo ra các xung nhọn để kích các linh kiện điều khiển hay linh kiện công xuất như triac a Mạch vi phân dùng RC C V0 Vi R i Hình 2.1: Mạch vi phân dùng RC Tín hiệu lối vào là vi(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là ω = 2π T , tín hiệu lối ra là v0(t) Trở... với trường hợp bỏ qua sụt áp trên Diode, U 0 = -Ura max Qua mạch hồi tiếp dương R1R2 điện áp lối ra là -Ura max được đưa tới lối vào P khi đó điện áp lối vào là U p = β U0 = - β Ura max Với β = R1 đây là trạng thái ổn định bền của mạch đa hài đợi dùng khuếch đại R1 + R2 thuật toán Tại thời điểm t = t1 có 1 xung vuông lối vào qua mạch RC ta có 1 xung nhọn (xung vi phân) tác dụng tới lối vào P, khi U vào... Để mạch ở trạng thái ổn định thì K β >=1 trong đó K là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán và β = R2 R1 + R2 Hình 3.3: giản đồ xung lối ra của trigơ smit dùng IC tuyến tính lối vào đảo b Trigơ smit lối vào thuận 33 Hình 3.4: Sơ đồ và giản đồ xung trigor smit dùng IC tuyến tính Khi Uvào có giá trị âm lớn tức u+ > u- khi đó lối ra ura = -ura max, qua mạch hồi tiếp dương tới lối vào không đảo... định trên tụ) Do đó tranzitor T2 -E Tra cấm và lối ra ở mức thấp Tụ C lúc Ura tx này được nạp điện từ +Ecc qua R, C qua CE của tranzitor xuống đất và điện áp trên tụ C tăng dần từ -Ecc t t t t 0 1 2 Hình 3.7: Giản đồ xung tín hiệu ra mạch đa hài đợi dùng tranzitor 35 Điện áp trên tụ tăng dần biến đổi theo hàm mũ UBE2 = E(1-exp(-t/RC) Do điều kiện đầu là UB2(t=t1) = -ECC và khi tụ C nạp đến giá trị... giá trị RC phù hợp ta sẽ được các dạng xung lối ra khác nhau khi dạng xung lối vào là xung vuông Trường hợp khi xung vuông lối vào có độ rộng khác nhau thì khi tín hiệu lối ra trên tụ thực hiện với thời gian nạp lớn hơn thời gian phóng và ngược gại gây ra hiện tượng điện áp rơi trên tụ tăng hoặc giảm dần Hình 2.7: Dạng tín hiệu vào và ra của xung xuông có độ rộng xung khác nhau 28 b Mạch tích phân dùng... 2.8: Mạch tích phân dùng RL Đáp ứng tần số như mạch lọc RC Tần số cắt của mạch lọc là FC = Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là u0 (t ) = R 2π L R ui (t )dt L∫ 2.2 Các mạch tạo điện áp biến đổi đường thẳng Hình 2.9 Mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán điện áp ra biến đổi đường thẳng Mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán với phần tử R 1 và C, hằng số thời gian của mach là τ = 2π RC Ở đây... dt ur u u u r Với khuếch đại thuật toán ta có I in + I c = 0 hay Iin - Ic = 0 => Iin = IC Dòng điện trên tụ C là I c = −C Do đó ta có ui du 1 = −C 0 ⇒ u0 = − RC ∫ ui (t )dt R dt 29 1 ở đây k = − RC vì mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán với lối vào đảo do đó tín hiệu lối ra sẽ ngược pha so với tín hiệu lối vào Nếu tín hiệu lối vào là xung vuông thì tín hiệu lối ra là xung tam giác như dạng tín... đảo của khuếch đại thuật toán, điện trở R 2 lấy tín hiệu hồi tiếp từ lối ra tới lối vào đảo của khuếch đại thuật toán Dòng điện lối vào đảo của khuếch đại thuật toán là Iin = C dui dt Dòng điện hồi tiếp từ lối ra tới lối vào là IR2 = − U0 R2 Do tính chất của bộ khuếch đại thuật toán điện trở lối vào vô cùng lớn, điện trở lối ra vô cùng nhỏ nên ta coi dòng lối vào đảo của khuếch đại thuật toán xấp xỉ . Q là tỷ số giữa chu kỳ xung T và độ rộng xung t x . x T Q t = (4) * Trong kỹ thuật xung - số người ta sử dụng phương pháp số đối với tín hiệu xung với. 0.5U m ). - Hệ số lấp đầy γ là tỷ số giữa độ rộng xung t x và chu kỳ xung T x t T γ = (3) Do T = t x + t ng vậy ta luôn có 1 γ < - Độ rỗng của xung