a. Xung ựiều khiển.
Như chúng ta ựã biết, xung là tắn hiệu ựược tạo nên do sự thay ựổi mức của ựiện áp hoặc dòng ựiện trong một khoảng thời gian rất nhỏ từ mức thấp lên mức cao và ngược lại.
Trong thực tế có thể chia thành 3 loại xung: Xung kim, xung răng cưa và xung vuông. Trong lĩnh vực kỹ thuật số, người ta thường xử dụng xung vuông là tắn hiệu ựiều khiển ựể tạo ra các trạng thái khác nhau ở ựầu ra của một mạch ựiện.
Hình 3.2 Xung vuông
Các tham số cơ bản của xung vuông gồm có:
- độ rộng xung: Là khoảng thời gian tồn tại xung ở mức cao - Thời gian nghỉ: Là khoảng thời gian xung tồn tại ở mức thấp. - Chu kỳ: Là khoảng thời gian lặp lại của xung.
23
- Biên ựộ của xung: là giá trị ựiện áp, hoặc dòng ựiện tương ứng với mức cao của xung.
Các giá trị mức cao (H) và mức thấp (L) của xung do người thiết kế tạo ra và ựược tắnh toán theo từng sơ ựồ mạch tạo xung cụ thể hoặc ựược quy ựịnh tùy theo loại linh kiện sử dụng trong mạch tạo xung. Thông thường với các mạch tắch hợp sử dụng công nghệ TTL thì Ộmức caoỢ có giá trị ựiện áp nằm trong khoảng từ 3VDC Ờ 5VDC, còn Ộmức thấpỢ có giá trị ựiện áp nằm trong khoảng từ 0VDC Ờ 2VDC. Với các mạch các mạch tắch hợp sử dụng công nghệ CMOS thì Ộmức caoỢ có giá trị ựiện áp nằm trong khoảng từ 2VDC Ờ 5VDC, còn Ộmức thấpỢ có giá trị ựiện áp nằm trong khoảng từ 0VDC Ờ 0,8VDC.
b. Các phương pháp tạo xung vuông cơ bản.
Trong thực tế có rất nhiều phương pháp ựể tạo xung ựiều khiển các mạch kỹ thuật số như: tạo xung bằng các linh kiện rời, tạo xung bằng khuếch ựại thuật toán, sử dụng IC chuyên dùng, tạo xung sử dụng các IC cổng logic. Trong mỗi trường hợp cụ thể, tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế, chất lượng, ựộ ổn ựịnh ta có thể sử dụng các phương pháp tạo xung ựiều khiển khác nhau. Dưới ựây trình bày các phương pháp tạo xung vuông cơ bản.
Tạo xung bằng linh kiện rời:
Thông thường các linh kiện rời ựược kết hợp với nhau ựể tạo ra xung vuông có thể sử dụng Transistor lưỡng cực hoạt ựộng ở chế ựộ khóa, các mạch ựa hàiẦ
Dưới ựây ựưa ra một vắ dụ về cấu tạo, nguyên lý hoạt ựộng và tắnh toán các tham số trong mạch tạo xung vuông dùng linh kiện rời
24
Hình 3.3 Mạch tạo ựa hài tự dao ựộng dùng linh kiện rời
Nguyên lý hoạt ựộng:
Thông thường mạch ựa hài tự dao ựộng là mạch ựối xứng nên hai transistor có cùng tên, các linh kiện ựiện trở và tụ ựiện có cùng một trị số.
Tuy là mạch có các transistor cùng tên và các linh kiện có cùng một chỉ số nhưng các chỉ số ựó không thể giống nhau hoàn toàn do mỗi trở và tụ lại có các sai số khác nhau dẫn tới việc hai transistor trong mạch dẫn ựiện không bằng nhau.
Khi cấp nguồn ựiện sẽ có một transistor dẫn ựiện mạch hơn và một transistor dẫn ựiẹn yếu hơn. Nhờ tác dụng của mạch hồi tiếp dương C2B1 và C1B2 sẽ làm cho transistor dẫn mạnh hơn tiến dần ựến bão hòa, transistor dẫn ựiện yếu hơn tiến dần ựến cấm hoàn toàn
Giả sử ban ựầu transistor T1 ựẫn ựiện mạnh hơn, khi ựó tụ C1 ựược nạp ựiện từ RC2 qua C1 làm dòng IB1 tăng cao dẫn ựến T1 tiến dần ựến bão hòa. Khi T1bão hòa, dòng IC1 tăng cao và UC1 = UCE1 sat ≈0.2V, Tụ C2 phóng ựiện từ +C2 qua T1 và R1 về - C2, ựiện áp âm trên tụ C2 ựược ựưa vào cực bazơ của transistor T2 làm cho T2 cấm hoàn toàn.
Thời gian cấm của tụ C2 chắnh là thời gian phóng ựiện tụ C2 ựược ựưa tới R1, sau khi tụ xả hết ựiện thì cực bazơ của T2 ựược phân cực nhờ ựiện trở R1 làm cho T2 dẫn bão hòa khi ựó UC2 = UCE2 sat ≈0.2V. Do ựó dẫn tới tụ C1 phóng ựiện, tụ phóng ựiện từ +C1 qua T2 và R1 về -C1 ựưa và cực bazơ của T1 làm cho T1 cấm, khi ựó tụ C2 ựược
25
nạp ựiện từ +Ecc qua RC1 , +C2 qua bazơ T2 xuống ựất làm cho dòng IB2 tăng lên cao và T2 bão hòa nhanh.
Thời gian cấm của tụ C1 chắnh là thời gian phóng ựiện tụ C1 ựược ựưa tới R2, sau khi tụ xả hết ựiện thì cực bazơ của T1 ựược phân cực nhờ ựiện trở R2 làm cho T2 dẫn bão hòa như trạng thái giả thiết ban ựầu, hiện tượng này ựược lặp ựi lặp lại tuần hoàn tự dao ựộng.
Trạng thái xung ở các ựầu ra và các tham số của mạch:
Hình 3.4 Trạng thái xung ở các ựầu ra.
Xét cực B1 khi T1 bão hòa: UB1 = 0.6V. Khi T1 cấm C1 phóng ựiện làm cực B1 có ựiện áp âm (khoảng Ờ Ecc) và ựiện áp âm này tăng dần theo hàm mũ.
Lối ra khi T1 bão hòa Ura1 = 0.2V, T1 cấm Ura1 ≈ +Ecc, dạng tắn hiệu lối ra trên colector của T1 là xung xuông.
Tương tự T2 ta có Lối ra khi T2 bão hòa Ura2 = 0.2V, T2 cấm Ura2 ≈ +Ecc, dạng tắn hiệu lối tara trên colector của T2 là xung xuông.
Dạng xung của 2 lối ra là cùng dạng xung nhưng ngược pha nhau .
ura1 t ura1 t ub2 t ub1 t 0.8V 0.8V -Ecc -Ecc Ecc Ecc C1phãng ệiỷn t1 C2phãng ệiỷn
26
Chu kỳ xung lối ra là T = t1 + t2
Trong ựó t1 là thời gian tụ C1 phóng ựiện qua R2 từ ựiện áp ỜEcc lên 0V. Vì tụ C1 phóng ựiện từ -Ecclên nguồn +Ecc nên ựiện áp tức thời của tụ là (lấy mức ỜEcc làm gốc) ta có 1 2 1 1( ) 2 . t R C Uc t Ecc e − =
Thời gian t1 ựể tụ C1 phóng ựiện từ -Ecc lên 0V là
1 2 1 2 . t R C Ecc Ecc e − = => 1 2 1 2 t R C e = => 1 2 1 ln 2 t R C = => t1 = ln2*R2C1 = 0.69*R2C1 Tương tự thời gian t2 ựể tụ C2 phóng ựiện từ -Ecc lên 0V là
t1 = ln2*R1C2 = 0.69*R1C2 Chu kỳ dao ựộng của mạch là
T = t1 + t2 = 0.69( R2C1 + R1C2)
Trong trường hợp mạch ựa hài tự dao ựộng có các phần tử ựối xứng là R1 = R2 = R; C1 = C2 = C khi ựó chu kỳ dao ựộng của mạch là:
T = 2*0.69*RC ≈ 1.4RC Tần số dao ựộng của mạch là: 2 1 1 2 1 1 0.69( R C + R C ) f T = =
Trong trường hợp mạch ựa hài tự dao ựộng ựối xứng thì ta có: 1 1
1.4
f
T RC
27
Tạo xung bằng IC khuếch ựại thuật toán (OA):
Các IC thuật toán thường ựược sử dụng ựể khuếch ựại tắn hiệu. Tuy nhiên, OA còn ựược sử dụng ựể tạo xung vuông khi làm việc ở trạng thái khóa. Kết hợp với các linh kiện rời có thể mạch tạo xung dùng OA có thể tạo xung vuông với ựộ ổn ựịnh cao hơn mạch tạo xung dùng linh kiện rời. Dưới ựây là vắ dụ về mạch tạo xung dùng khuếch ựại thuật toán.
Hình 3.5. Sơ ựồ mạch ựa hài tự dao ựộng dùng khuếch ựại thuật toán
Nguyên lý hoạt ựộng
Giả sử trạng thái lối ra ban ựầu là ura = u ra max khi ựó ựiện áp trên cực P là
ax 1 1 2 ra m P u u R R R =
+ tụ ựiện C sẽ ựược nạp ựiện từ u ra max qua R, C xuống ựất, ựiện áp trên tụ
C tăng dần, khi ựiện áp trên tụ C tăng ựến mức uC = uN > uP khi ựó lối ra bộ khuếch ựại thuật toán sẽ bị lật trạng thái từ ura = u ra max sang ura = -u ra max = u ra min , ựiện áp trên cực P là ax 1 1 2 ra m P u u R R R = −
+ khi ựó tụ C lại phóng ựiện từ C qua R ựến -u ra max Tụ phóng
ựiện và ựiện áp trên tụ giảm dần, khi ựiện áp trên tụ uC = uN < uP khi ựó lối ra của bộ khuếch ựại thuật toán sẽ lật trạng thái từ ura = -u ra max sang ura = u ra max trở về trạng thái ban ựầu và tự tiếp tục mạch sẽ tự dao ựộng.
u ra R1 R2 R C N P
28
Dạng xung lối ra của mạch
Hình 3.6. Dạng xung lối ra mạch tạo xung vuông dùng OA
Dạng tắn hiệu ra mạch ựa hài tự dao ựộng dùng khuếch ựại thuật toán Chọn Ura max = Ura min = Umax khi ựó
Uựóng = -βUmax ; Ungắt = βUmax với 1 1 2 R R R β =
+ là hệ số hồi tiếp dương của mạch dao ựộng.
điện áp UN = UC là ựiện áp biến thiên theo thời gian khi tụ phóng và nạp ựiện từ Umax hoặc -Umax qua ựiện trở R, các khoảng thời gian 0 ọ t1, t1 ọ t2, ...phương trình ựiện áp trên tụ ựiện là
ax N m N dU U U dt RC − = ổ {do UN = icdt/C => ic = C.UN/dt và iR = Umax UN R − ổ } Với ựiều kiện ban ựầu UN (t = 0) = Uựóng = -βUmax ,
Khi ựó phương trình trên có nghiệm là:
Ura max -Ura max t Ura 0 t1 t2 t3 t Tra UP Ungớt Uệãng ưUra max -ưUra max t UN Ura max -Ura max Ungớt Uệãng t1 t2 t3
29
UN(t) = Umax[1 Ờ (1 + exp(- t ) RC
β ]
UN sẽ ựạt tới ngưỡng lật của trigơ smit sau một khoảng thời gian:
1 2 2 1 ln ln(1 ) 1 R RC RC R β τ β + = = + −
Khi ựó chu kỳ (T) của dao ựộng ựược xác ựịnh bởi
T = 2τ = 2 1 2 2 ln(1 R ) RC R + Nếu chọn R1 = R2 ta có T ≈2.2RC
Tức là chu kỳ dao ựộng chỉ phụ thuộc vào các thông số của mạch ngoài R1, R2 (mạch hồi tiếp dương) và R, C (mạch hồi tiếp âm)
Tạo xung bằng IC chuyên dùng.
để tăng ựộ ổn ựịnh, chắnh xác cũng như giảm thiểu diện tắch trên các mạch ựiện người ta thường sử dụng các IC chuyên dùng ựể tạo xung ựiều khiển các mạch kỹ thuật số. Thông dụng nhất chúng ta vẫn thường sử dụng ựó các vi mạch ựịnh thời dòng xx555 như LM555 chẳng hạn. Dưới ựây là sơ ựồ mạch ựiện và nguyên lý hoạt ựộng của mạch tạo xung vuông dùng LM555. Các tham số cụ thể về IC LM555 sẽ ựược trình bày ở phần sau:
30
Trong mạch trên chân ngưỡng (6) ựược nối với chân nhớ (2), và 2 chân này có chung 1 ựiện áp trên tụ là UC. để so với ựiện áp chuẩn 1/3 Vcc và 2/3Vcc của 2 bộ so sánh 1 và 2 ở lối vào của IC555.
Tụ 0.01 ộF nối chân 5 với ựất ựể lọc nhiễu tần số cao có ảnh hưởng ựến ựiện áp chuẩn lối vào 2/3Vcc.
Chân 4 ựược nối lên nguồn Vcc ựể không sử dụng chức năng Reset IC555. Chân 7 ựược nối với ựiện trở R1 và R2 ựể tạo ựường phóng nạp cho tụ.
Chân 3 có dạng xung vuông, có thể nối qua trở với Led chỉ thị có xung ra (với ựiều kiện tần số dao ựộng mạch < 20 Hz) do tần số cao thì không quan sát ựược ựền Led sáng tối.
Nguyên lý hoạt ựộng của mạch:
Khi mới ựóng ựiện, ựiện áp trên tụ C là UC = 0 V tương ứng với ựiện áp chân 2 và chân 6 bằng 0V (U2(-) < 1/3Vcc, U6(+) < 2/3Vcc) qua 2 bộ so sánh IC555 lối ra Out ở mức cao(xấp xỉ Vcc), khi ựó transistor chân 7 ở trạng thái cấm và tụ C ựược nạp ựiện. Tụ ựược nạp ựiện từ Vcc qua R1 qua R2 và qua C xuống ựất, ựiện áp trên tụ C tăng dần với hằng số thời gian nạp là:
τnạp = (R1 + R2)C
điện áp trên tụ tăng dần UC = Vcc(1 Ờ exp(-t/τnạp))
Khi ựiện áp trên tụ tăng ựến mức ≥1/3 Vcc (và < 2/3Vcc) thì khi ựó ựiện áp trên chân 2 của bộ so sánh thứ 1 (U2(-) > 1/3 Vcc) và bộ so sánh 2 với (U6(+) < 2/3Vcc) lối ra ở trạng thái nhớ Out ở mức cao.
Khi ựiện áp trên tụ tăng ựến mức ≥2/3 Vcc thì khi ựó ựiện áp trên chân 2 của bộ so sánh thứ 1 (U2(-) > 1/3 Vcc) và bộ so sánh 2 với (U6(+) > 2/3Vcc) lối ra ựổi trạng thái từ lối ra Out (3) ở mức cao sang lối ra Out (3) ở mức thấp (tương ứng 0V). Lúc này transistor ở chân 7 chuyển sang trạng thái mở bão hòa và ựiện áp chân 7 xấp xỉ 0V
31
và tụ C lúc này bắt ựầu phóng ựiện, tụ phóng ựiệ từ C qua R2 và qua chân 7 và transistor trong IC555 xuống ựất với hằng số thời gian là: τphóng = R2C
Khi này ựiện áp trên tụ C lại giảm dần từ mức ựiện áp 2/3Vcc xuống 0V UC = Vcc(1 Ờ exp(-t/τphóng))
Khi ựiện áp trên tụ giảm ở mức >1/3 Vcc (và < 2/3Vcc) thì khi ựó ựiện áp trên chân 2 của bộ so sánh thứ 1 (U2(-) > 1/3 Vcc) và bộ so sánh 2 với (U6(+) < 2/3Vcc) lối ra ở trạng thái nhớ Out ở mức thấp.
Khi ựiện áp trên tụ giảm ựến mức ≤1/3 Vcc thì khi ựó ựiện áp trên chân 2 của bộ so sánh thứ 1 (U2(-) < 1/3 Vcc) và bộ so sánh 2 với (U6(+) < 2/3Vcc) lối ra ựổi trạng thái từ lối ra Out (3) ở mức thấp sang lối ra Out (3) ở mức cao (tương ứng Vcc). Lúc này transistor ở chân 7 chuyển sang trạng thái cấm và tụ C lúc này lại ựược nạp ựiện lại. Quá trình này ựược lặp ựi lặp lại và mạch tự dao ựộng
điện áp trên tụ C ựược nạp từ giá trị 1/3Vcc ựến 2/3Vcc (trừ chu kỳ ựầu tiên khi ựóng mạch là tụ ựược nạp từ 0V ựến 2/3Vcc). Tụ phóng ựiện từ ựiện áp 2/3Vcc xuống tới 1/3Vcc.
Thời gian tụ nạp ựiện là:
tnạp = 0.69* τnạp = 0.69(R1 + R2)C Thời gian tụ phóng là
tphóng = 0.69* τphóng = 0.69R2C Chu kỳ dao ựộng của mạch là:
32
Do thời gian phóng và thời gian nạp không bằng nhau (thường tnạp > tphóng) nên xung vuông ở lối ra không ựối xứng và có thời gian có xung lớn hơn thời gian không có xung.
Dạng xung ra:
Hình 3.8. Dạng xung lối ra mạch tạo xung vuông dùng LM555
Ngoài ra ta cũng có thể tạo xung vuông từ các cổng logic cơ bản.
3.1.2.2. Cơ sở lý thuyết thiết kế khối bộ ựếm.
a. định nghĩa:
Bộ ựếm là loại mạch tuần tự ựơn giản, hoạt ựộng theo chế ựộ tuần hoàn, có một lối vào và một lối ra chắnh. Kết thúc vòng tuần hoàn bộ ựếm lại quay về trạng thái ban ựầu và hàm ra lấy giá trị 1. Ngoài các lối vào và lối ra chắnh còn có các lối vào và lối ra phụ. Các lối vào phụ có thể dùng ựể lập, xóa trạng thái trong của bộ ựếm về một giá trị ban ựầu theo mong muốn, hoặc lập trình ựể tạo mod ựếm, hoặc thay ựổi tắnh năng của bộ ựếm. Lối ra phụ cũng có thể bao gồm nhiều loại khác nhau, các lối ra từ QO ựến
1
−
n
Q chắnh là trạng thái của bộ ựếm. Khi cần có thể dẫn tắn hiệu này qua một bộ giải mã ựể hiển thị kết quả ựếm.
b. đặc ựiểm và phân loại bộ ựếm.
Mạch ựếm là loại mạch dãy ựơn giản, cũng như các mạch dãy khác, mạch ựếm ựược xây dựng từ các phần tử nhớ là các trigger và các phần tử tổ hợp.
Các mạch ựếm là phần tử cơ bản của các hệ thống số, chúng ựược sử dụng ựể ựếm thời gian, chia tần số, ựiều khiển các mạch khác. Mạch ựếm ựược dùng rất nhiều trong
33
các dụng cụ ựo lường chỉ thị số, các máy tắnh ựiện tử. Bất kỳ hệ thống số hiện ựại nào ựều sử dụng các bộ ựếm. để xây dựng các bộ ựếm, người ta có thể dùng mã nhị phân, hoặc các mã khác như mã Gray, mã N BCD, mã vòngẦ
để phân loại bộ ựếm có nhiều cách khác nhau:
Căn cứ vào sự khác biệt tình huống chuyển ựổi trạng thái của trigger trong bộ ựếm, người ta phân thành hai loại: Bộ ựếm ựồng bộ (Synchronous), bộ ựếm dị bộ (không ựồng bộ) (Asynchronous).
Trong bộ ựếm ựồng bộ các trigger ựều chịu tác dụng ựiều khiển của một xung ựồng hồ duy nhất, ựó là xung ựiều khiển ựầu vào. Vậy sự chuyển ựổi trạng thái của chúng là ựồng bộ. Bộ ựếm dị bộ thì khác, có trigger chịu tác dụng ựiều khiển trực tiếp của xung ựếm ựầu vào, nhưng cũng có trigger chịu tác dụng ựiều khiển của xung ở ựầu