2. MẠCH DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA
2.4. Dao động thạch anh
Thạch anh (quartz) là tinh thể điện áp đƣợc tổng hợp từ SiO2 ở nhiệt độ 4000C, dƣới áp lực 1000kg/cm2. Nó là một hệ cơ - điện, dao động có khả năng phát sinh dao động điện và dƣới tác dụng của dao động điện thì phát sinh dao động cơ, ngƣời ta gọi đó là hiệu ứng áp điện nghịch. Ví dụ trên hai mặt đối diện của một tinh thể này phát sinh dao động cơ. Dao động cơ làm phát sinh trên bề mặt tiếp xúc điện cực một điện áp xoay chiều có tần số đúng bằng tần số cộng hƣởng riêng của thạch anh (dao động thạch anh).
Tùy theo góc cắt so với 3 trục tự nhiên của tinh thể và hình dạng kích thƣớc, các phiến tinh thể dùng cho mục đích tạo dao động và ổn định tần số dao động có tần số cộng hƣởng riêng nằm trong các dải tần (9… 80kHz), (80… 780kHz), (180… 550kHz), (1,6… 20MHz), (20… 200MHz). Tuy nhiên ở tần cỡ 100kHz thạch anh ít đƣợc dùng vì kích
thƣớc lớn, giá thành cao, khi đó ngƣời ta dùng thạch anh có tần số cỡ MHz và mạch chia tần kỹ thuật số để đạt đƣợc tần số mong muốn.
Trong mạch dao động, thạch anh có ký hiệu và mạch tƣơng đƣơng hình 1.22 gồm một mạch nối tiếp L, Rq, Cq song song với điện dung Cp.
Các thông số mạch đặc trƣng của Quartz: L là điện cảm động; Rq là điện trở động; Cq là điện dung động; Cp là điện dung tĩnh giữa 2 bản điện cực.
Mạch điện tƣơng đƣơng của Quartz có đặc điểm sau: - Phẩm chất rất lớn: Q = (104…. 106) - Độ ổn định tần số rất cao: (10 4....10 10) 0 f f - Cq << Cp: Tỷ số L/Cq lớn [1]
Hình 1.22: Ký hiệu và mạch tương đương của thạch anh.
Bộ thạch anh có thể chia làm 2 loại dao động: dao động cộng hƣởng song song và dao động cộng hƣởng nối tiếp.
Tần số của mạch dao động cộng hƣởng song song là:
tđ q ss C L f 2 1 với p q p q tđ C C C C C .
Tần số của mạch dao động cộng hƣởng nối tiếp là:
Cq L fnt 2 1
Hai tần số cộng hƣởng của thạch anh thực tế rất gần nhau, bởi vì Cq << Cp Ví dụ: thạch anh 1MHz có các thông số mạch nhƣ sau:
50 q R L = 5,533H; C = 0,01pF fq = 1.000,005 MHz; fp = 1.000,005 MHz Phẩm chất của thạch anh đƣợc tính theo công thức:
5 10 . 3 . q R L Q 2.4.1. Sơ đồ mạch nguyên lý
Hình 1.23: Sơ đồ mạch nguyên lý dao động thạch anh.
2.4.2. Nghiên cứu dao động lắp ráp trên board đa năng qua dao động ký
Hình 1.25: Tín hiệu V0 theo thời gian.
Quan sát từ dao động ký ta đƣợc: + Tần số f:
Ta có: Chu kỳ T= 1 khoảng x 1s x 10 (variable) = 10.10-6 = 10-5 (s)
f = 1 10 1 5 T =100 KHz + Hàm vo(t): Ta có: Điện thế Vpp = 3 khoảng x 1V = 3 V Vo max= 1,5 2pp V V
vo(t) = Vo maxsin(2ft) = 1,5 sin(200.105t)(V)
2.5. Một số mạch dao động khác 2.5.1. Mạch tạo xung dùng IC555 2.5.1. Mạch tạo xung dùng IC555
Cấu tạo của IC555 gồm OP-Amp so sánh điện áp, mạch lật và Transistor để xả điện. Cấu tạo của IC555 đơn giản nhƣng hoạt động tốt. Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện thế VCC thành 3 phần. Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dƣơng của OP-Amp 1 và 2/3 VCC nối vào chân âm của OP-Amp 2.
- Mô phỏng:
Đồ thị mạch tạo xung dùng IC555
Hình 1.26: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung IC555
2.5.2. Mạch dao dộng bằng cổng NAND
Đồ thị của mạch dao động dùng cổng NAND
Hình 1.29: Tín hiệu thu được theo thời gian
CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN VÀ THI CÔNG ĐỀ TÀI
1. TỔNG QUÁT VỀ IC 4093
1.1. Chức năng chung
- Thực hiện các mạch logic nhờ vào 4 cổng NAND - Tạo các dạng dao động sóng vuông, sin,…
1.2. Chức năng từng chân IC
Đƣợc cấu tạo từ 4 cổng NAND. (chân 1,2 và 3 ; 5,6 và 4 ; 8,9 và 10 ; 12,13 và 11) - Chân 14 nối với nguồn + VCC ( 9 – 15 V).
- Chân 7 nối masse để cấp dòng cho IC hoạt động.
Thực hiện các mạch điện xử lý tín hiệu tƣơng tự và mạch số, thông qua 4 cổng NAND.[3]
1.3. Sơ đồ cấu trúc và bảng chân lý IC 4093
Biểu diễn trạng thái Logic 1 và 0 - Ngƣời ta thƣờng gán: Logic dƣơng:
Điện thế cao Logic 1 ; Điện thế thấp
Logic 0
Thực tế, mức Logic 1 và mức logic 0 tƣơng ứng với môt khoảng điện thế xác định, có một khoảng chuyển tiếp giữa mức cao và mức thấp là khoảng không xác định (ngƣỡng logic). Khoảng này tùy thuộc vào họ IC sử dụng và đƣợc cung cấp trong bảng thông số kỹ thuật – Trong khoảng điện áp này có thể gây ra lỗi trong mạch số.
- Logic âm ngƣợc lại
Chức năng: Thực hiện cùng 1 lúc 2 chức năng: AND và NOT. Cổng NAND có 2 hay nhiều ngõ vào và có 1 ngõ ra.
Hình 2.1: Hình dạng và sơ đồ chân IC 4093. [3]
Hình 2.2: Mức điện thế 0 và 1. [3]
Khi nối chung 2 ngõ vào của cổng NAND Cổng NOT. A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Hình 2.3: Ký hiệu và bảng chân lý IC 4093. 2. TỔNG QUÁT VỀ IC 567
2.1. Vòng khóa pha PPL (Phase Locked Loop – PLL) 2.1.1. Cấu trúc 2.1.1. Cấu trúc
Vòng khóa pha (PLL), hay còn gọi là vòng giữ pha, thực chất là một vòng tự động điều chỉnh, nhằm mục đích hiệu chỉnh làm cho pha của tín hiệu pha luôn theo sát pha của tín hiệu vào. Nối khác đi, PLL đảm bảo tần số tín hiệu ra theo sát tần số tín hiệu vào. Sơ đồ khối cấu trúc của PLL.
Hình 2.4. Sơ đồ khối vòng khóa pha.
Cửa vào và cửa ra PLL là các tín hiệu chu kì, với pha tức thời tƣơng ứng là ϕv(t) và ϕr(t), (hoặc tần số tƣơng ứng fv(t) và fr(t)). Tùy theo tín iệu vào, khối so sánh pha có thể là một mạch nhận hay một phần tử không tƣơng đƣơng dùng để phát hiện sự sai khác pha Δϕ = ϕv(t)- ϕr(t). Bộ lọc vòng là mạch lọc thông thấp thụ động hoặc tích cực, chặn lại các thành phần tần số cao của u1(Δϕ). Để đảm bảo sự ổn định của hệ điều chỉnh, lọc thông thấp thƣờng là loại bậc 1. Mạch VCO phát dao động tần số fr (hoặc pha ϕr(t)) thay đổi theo u2(Δϕ). Vòng điều chỉnh làm cho Δϕ giảm dần tới gần nhƣ bằng 0 và ϕr(t)
ϕv(t), (fr fv). Thƣờng VCO là mạch tạo dao động vuông góc có điều khiển (u2 = 0), VCO dao động với tần số riêng f0. Khi có điều khiển (u2 ≠ 0), tần số VCO có thể thay đổi trong phạm vi ±10% ÷ ±5%.[1]
2.1.2. Hoạt động của vòng khóa pha(PLL)
Tín hiệu ở đầu ra VCO tuy có thể là dao động vuông góc tần số fr nhƣng chỉ có thành phần điều hòa tần số cơ bản là có ảnh hƣởng tới bộ so pha dùng mạch nhân, để tạo điện áp u2 điều khiển VCO. Vì vậy ta coi tín hiệu ra phản hồi về bộ so pha là tín hiệu điều hòa tần số 𝜔𝑟.
Khi không có tín hiệu điều khiển đặt vào PLL thì u1 = 0 nên u2 = 0. VCO làm việc ở tần số dao động riêng f0 (còn gọi là tần số giữa của PLL), với điện áp ra:
ur= Urmcosϕo=Urmcos(𝜔𝑜𝑡 + 𝜓𝑟)
Tại thời điểm nào đó, giả sử có tín hiệu hình sin đặt vào PLL, với tần số góc điều khiển không đổi 𝜔𝑣: uv=Uvmcosϕv= Uvmcos(𝜔𝑣 + 𝜓𝑣)
Tín hiệu đầu ra của bộ so pha:
u1 = Kuvur = KUvmUrmcos 𝜔𝑣𝑡 + 𝜓𝑣 cos(𝜔𝑜 + 𝜓𝑟)
=𝐾𝑈𝑣𝑚𝑈𝑟𝑚
2 cos[(𝜔𝑣−𝜔𝑜)𝑡 + 𝜓𝑣 − 𝜓𝑟] +
Trong đó K là hệ số của mạch nhân. Bộ lọc thông thấp sẽ chặn thành phần tần số cao của u1 và cho ra tín hiệu điều khiển VCO:
𝑢2 = 𝐾𝐾𝐿𝑈𝑣𝑚𝑈𝑟𝑚
2 cos[(𝜔𝑣−𝜔𝑜)𝑡 + 𝜓𝑣 − 𝜓𝑟]
= 𝐾𝐾𝐿 𝑈𝑣𝑚𝑈𝑟𝑚
2 cos(Δωt + φ)
Trong đó KL là modun của hàm truyền đạt bộ lọc ở tần số f = 0; Δ𝜔 =𝜔𝑣 −𝜔𝑜 ; φ = 𝜓𝑣 − 𝜓𝑟
Điện áp điều khiển u2(Δω ) làm thay đổi tần số góc 𝜔𝑜 của tín hiệu ở đầu ra VCO: 𝜔𝑟= KVCOu2.
Trong đó KVCO là hệ số truyền đạt của VCO. Nếu coi VCO là phần tử tuyến tính thì KVCO là không đổi. Kết quả là tần số của điện áp ở đầu ra VCO sẽ từ tần số giữa fo thay đổi dần, sao cho Δ → 0. Lúc đó ta nối PLL đã thành lập đƣợc chế độ đồng bộ, tần số đầu ra fr đã bắt kịp tần số điều khiển ở đầu vào fv (fr = fv). Ở chế độ đồng bộ (𝜔𝑜 ≈ 0), điện áp điều khiển VCO là không đổi:
u2đb = KKL .
Nếu tần số vào fv vàtần số giữa f0 của PPL sai khác nhau nhiều, tới mức (Δ𝜔
=𝜔𝑣 − 𝜔𝑜) vƣợt quá dãy thông của bộ lọc thông thấp, thành phần điều hòa tần số 𝜔𝑣 − 𝜔𝑜 của u1 cũng sẽ bị bộ lọc chặn lại. Do đó, u2 = 0, tấn số ra của VCO không đƣợc điều khiển và nó vẫn nằm ở tần số dao động riêng f0. Ta nối PLL không bắt đƣợc chế độ đồng bộ. Vậy, mỗi PLL sẽ có một dải tần số đặc trƣng gọi là dải bắt. Nó là dải tần số tín hiệu vào, nằm đối xứng về 2 phía tần số giữa f0. Khi tần số vào nằm trong dải đó, thì bảo đảm PLL bắt đƣợc chế độ đồng bộ, nối khác đi tần số ra sẽ bắt kịp tần số vào. Dải bắt của PLL đƣơng nhiên phụ thuộc dải thông bộ lọc vòng.
Khi PLL đã bắt đƣợc chế độ đồng bộ, nếu tần số vào thay đổi mà tần số ra vẫn kịp điều chỉnh thay đổi theo tƣơng ứng, ta nối PLL giữ đƣợc đồng bộ. Khi đã làm việc ở chế độ đồng bộ, mỗi PLL cũng có một dải tần số làm việc đặc trƣng, gọi là dải giữ. Nó là dải tần số tín hiệu vào, nằm đối xứng về 2 phía tần số giữa f0. Khi đang ở chế độ đồng bộ, nếu tần số vào thay đổi nhƣng vẫn nằm trong phạm vi dải đó, thì bảo đảm PLL sẽ giữ đƣợc đồng bộ. Dải giữ thƣờng lớn hơn dải bắt nó và nó phụ thuộc dải tần số có thể điều chỉnh đƣợc của VCO.
Ứng dụng: vòng khóa pha hiện nay đƣợc ứng dụng nhiều trong kỹ thuật vô tuyến
điện, trong kỹ thuật truyền số liệu và trong kỹ thuật đo. Một số ứng dụng của PLL: -Tách sóng tín hiệu điều tần (tách sóng FM).
-Tách sóng tín hiệu logic đƣợc điều chế tần số (tách sóng FSK)
-Tổng hợp tần số, tức là phép nhân tần số với hệ số M/N, trong đó M, N là các số nguyên dƣơng.[1]
2.2. Chức năng chung của IC
Signetics NE567 là linh kiện vòng khóa pha PLL có độ ổn định cao. IC này có chức năng cơ bản là một chuyển mạch công suất điện áp thấp. Chuyển mạch này đóng mỗi khi IC nhận đƣợc một âm hiệu ngõ vào âm hiệu này có tần số xác định trƣớc trong một tầm hẹp, nghĩa là IC hoạt động nhƣ một chuyển mạch điều khiển bởi âm hiệu chính xác.
NE567 cũng là một linh kiện khá linh hoạt, có thể đƣợc sử dụng nhƣ một mạch tạo sóng hoặc nhƣ một mạch PLL hoặc nhƣ một chuyển mạch âm hiệu chính xác. Khi đƣợc sử dụng ở chế độ âm hiệu chính xác, việc phát hiện tần số trung tâm có thể đƣợc thiết lập ở trị số bất kì từ vài Hz đến khoảng 500KHz, dải thông phát hiện cũng đƣợc thiết lập từ trị số bất kì đến trị số cực đại bằng 14% trị số của tần số trung tâm, và độ trì hoãn chuyển mạch ngõ ra có thể thay đổi trên tầm rộng. Tất cả đều nhờ vào các thành phần bên ngoài IC.[2]
2.3. Chức năng từng chân của IC
Chân số 1: Cho mắt tụ lọc C3, để lọc tín hiệu ngõ ra của tầng so áp vuông pha. Chân số 2: Cho mắc tụ lọc thấp qua đặc trên ngả ra của tầng so pha đặt ở ngõ vào. Chân số 3: Ngõ vào, tín hiệu đƣợc đƣa vào IC 567.
Chân số 4: Chân nguồn, nối vào nguồn nuôi VCC, mức áp làm việc dƣới 10v.
Chân số 5: Cho mắt từ chân 5 qua chân 6, 1 điện trở R1 để định tần số của tín hiệu tạo ra từ tầng dao động Curent Controlled Oscillator (CCO) .
Chân số 6: Cho mắc từ chân 6 xuốn mass một tụ điện C1 để định tần số của tín hiệu tạo ra từ tầng dao động CCO.
Chân số 7: Cho nối masse để lấy dòng cấp cho IC 567.
Chân số 8: Ngõ ra, Lúc thƣờng chân 8 hở mạch, không có dòng điện chảy ra, khi tín hiệu vào có tần số tần số trùng với tần số riêng của mạch dao động CCO, chân số 8 sẽ chuyển xuống mức áp thấp và lúc này sẽ cho dòng điện tử chảy ra trên chân số 8 và qua
2.4. Sơ đồ cấu trúc và chức năng chính của các bộ phận
Hình 2.5 : IC 567 và sơ đồ chân IC 567.
Phần mạch VCO của IC có tần số hoạt động thay đổi trên một tầm rộng xác định bởi các thành phần R1, C1 bên ngoài, nhƣng tần số chỉ đƣợc điều khiển bằng điện áp trên một tầm rất hẹp (cực đại bằng khoảng 14% tần số dao động tự do của mạch) thông qua chân điều khiển (chân 2). Kết quả là mạch PLL chỉ có thể khóa tới 1 tầm hẹp các trị số tần số ngõ vào định trƣớc.
Mạch tách pha vuông góc của IC sẽ so sánh các tần số và các pha liên quan của tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra của mạch VCO để tạo ra một tín hiệu kích ngõ ra có giá trị chỉ khi 2 tín hiệu này trùng khớp với nhau, nghĩa là chỉ khi PLL bị khóa. Tần số trung tâm của chuyển mạch âm hiệu NE567 nhƣ vậy bằng với tần số dao động tự do của mạch VCO còn băng thông bằng với tầm khóa của mạch PLL.[2]
3. TỔNG QUÁT VỀ IC 555
3.1. Chức năng chung của IC
- Thiết bị tạo xung chính xác. - Máy phát xung.
- Điều chế độ rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation).
- Điều chế vị trí xung (PPM: Pulse Position Modulation) thƣờng dùng trong thu phát hồng ngoại.
3.2. Chức năng từng chân IC 555
Chân số 1(GND): Cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung.
Chân số 2 -ngõ nảy (TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và đƣợc dùng nhƣ 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp. Mạch so sánh ở đây dùng các transitor NPN với mức điện áp chuẩn là 2/3VCC.
Chân số 3 - ngõ ra (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái của tín hiệu ra đƣợc xác định theo mức 0 và 1. Ở đây 1 là mức cao, nó tƣơng
ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tƣơng đƣơng với 0V, nhƣng trong thực tế mức 0 này không đƣợc 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 - 0.75V).
Chân số 4 - (RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6. Nhƣng trong mạch để tạo đƣợc dao động thƣờng hay nối chân này lên VCC.
Chân số 5- điện thế điều khiển VCC(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. Chân này có thể không nối cũng đƣợc nhƣng để giảm trừ nhiễu ngƣời ta thƣờng nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện trị số từ 0.01𝜇F đến 0.1𝜇F các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn đƣợc ổn định.
Chân số 6 ngõ ngƣỡng (THRESHOLD): Là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng đƣợc dùng nhƣ một chân chốt.
Chân số 7 ngõ xả (DISCHAGER): Là một khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngƣợc lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C, lúc IC 555 dùng nhƣ một tầng dao động .
Chân số 8 - (VCC): Chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. Nó đƣợc cấp điện áp từ 2V 18V (tùy từng loại 555 thấp nhất là NE7555).[2]