›
›

Điện công nghiệp - Kỹ thuật xung – số

doc 408 trang vanle 2830
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Điện công nghiệp - Kỹ thuật xung – số", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docdien_cong_nghiep_ky_thuat_xung_so.doc

Nội dung text: Điện công nghiệp - Kỹ thuật xung – số

  1. BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Mô đun: KỸ THUẬT XUNG – SỐ NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề Năm 2013
  2. 1 BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
  3. 2 LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở trình độ Cao Đẳng Nghề và Trung Cấp Nghề, giáo trình Kỹ Thuật Xung – Số là một trong những giáo trình mô đun đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình khung được Bộ Lao động Thương binh Xã hội và Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, logíc. Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 150 giờ gồm có: Phần 1: Kỹ thuật xung Bài MĐ19-01: Các khái niệm cơ bản. Bài MĐ19-02: Mạch dao động đa hài. Bài MĐ19-03: Mạch hạn chế biên độ và ghim áp. Phần 2: Kỹ thuật số Bài MĐ19-01: Đại cương. Bài MĐ19-02: FLIP – FLOP. Bài MĐ19-03: Mạch đếm và thanh ghi. Bài MĐ19-04: Mạch logic MSI. Bài MĐ19-05: Họ vi mạch TTL – CMOS. Bài MĐ19-06: Bộ nhớ. Bài MĐ19-07: Kỹ thuật ADC – DAC. Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian, bổ sung những kiến thức mới và trang thiết bị phù hợp với điều kiện giảng dạy. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai. Đồng Nai, ngày 10 tháng 06 năm 2013 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: TS. Lê Văn Hiền 2. KS. Hồ Dự Luật 3. KS. Nguyễn Văn Tuấn 4. Kỹ sư Trần Tấn Nguyện
  4. 3 MỤC LỤC TRANG TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN 1 LỜI GIỚI THIỆU 2 MỤC LỤC 3 Phần 1: kỹ thuật xung 10 Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 10 Định nghĩa xung điện, các tham số và dãy xung 10 Tác dụng của R-C đối với xung cơ bản 31 Tác dụng của R-C đối với xung cơ bản 34 Khảo sát dạng xung ( đo, đọc các thông số cơ bản) 53 Bài 2: MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI 53 Mạch dao động đa hài không đơn ổn 65 Mạch dao động đa hài đơn 69 Mạch dao động đa hài lưỡng ổ n 71 Mạch Schmitt- trigger 118 Bài 3: MẠCH HẠN CHẾ BIÊN ĐỘ VÀ GHIM ĐIỆN ÁP 118 Mạch hạn biên 130 Mạch ghim áp 170 Phần 2: Kỹ thuật số 170 Bài 1: ĐẠI CƯƠNG 170 Hệ thống số và mã số 172 Các cổng logic cơ bản 184 Biểu thực Logic và mạch điện 191 Đại số Boole và định lý Demorgan 197 Đơn giản biểu thức logic 200 Giới thiệu một số IC số cơ bản 212 Bài 2: FLIP – FLOP 223 Flip flop RS 223 Flip flop RS tác động theo xung lệnh 225 Flip flop JK 227 Flip flop T 230 Flip flop D 231 Flip flop MS ( master- slaver) 232 Flip flop với ngõ vào preset và clear 233 Tính toán, lắp ráp một số mạch ứng dụng cơ bản 254 Bài 3 MẠCH ĐẾM VÀ THANH GHI 253 Mạch đếm 253 Thanh ghi 263 Giới thiệu một số IC đếm và thanh ghi thong dụng 265
  5. 4 Tính toán, lắp ráp một số mạch ứng dụng cơ bản 269 Bài 4: MẠCH LOGIC MSI 279 Mạch mã hóa (Encoder) 279 Mạch giãi mã ( Decoder) 284 Mạch ghép kênh 298 Mạch tách kênh 300 Giới thiệu một số IC mã hóa và giải mã thông dụng 303 Tính toán, lắp ráp một số mạch ứng dụng cơ bản 312 Bài 5: HỌ VI MẠCH TTL- CMOS 315 Cấu trúc và thông số cơ bản của TTL 315 Cấu trúc và thông số cơ bản của CMOS 333 Giao tiếp TTL và CMOS 345 Giao tiếp giữa mạch logic và tải công suất 346 Tính toán, lắp ráp một số mạch ứng dụng cơ bản 351 Bài 6: BỘ NHỚ 354 ROM 357 RAM 366 Mở rộng dung lượng bộ nhớ 369 Giới thiệu IC 372 Bài 7: KỸ THUẬT ADC – DAC 380 Mạch chuyển đổi số sang tương tự (DAC) 380 Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 389 Giới thiệu IC 399 TÀI LIỆU THAM KHẢO 407
  6. 5 MÔ ĐUN KỸ THUẬT XUNG – SỐ Mã Mô đun: MĐ 19 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun:: Mô đun được bố trí dạy sau khi học xong các môn cơ bản như linh kiện diện tử, đo lường điện tử, điện tử tương tự, điện tử cơ bản Kỹ thuật xung là môn học cơ sở của nghành Ðiện – Ðiện 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, các phương pháp tính toán thiết kế và các công cụ toán học hỗ trợ trong việc biến đổi, hình thành các dạng xung mong muốn Công nghệ kỹ thuật số đã và đang đóng vai trò quang trọng trong cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật và công nghệ. Ngày nay, công nghệ số được ứng dụng rộng rãi và có mặt hầu hết trong các thiết bị dân dụng đến thiết bị công nghiệp, đặc biệt trong các lĩnh vực thông tin liên lạc, phát thanh, và kỹ thuật số đã và đang được thay thế dần kỹ thuật tương tự Tính chất của môn học: Là mô đun kỹ thuật cơ sở. Mục tiêu của Mô đun: Sau khi học xong mô đun này học viên có năng lực * Về kiến thức: - Phát biểu được các khái niệm cơ bản về xung điện, các hệ thông số cơ bản của xung điện, ý nghĩa của xung điện trong kỹ thuật điện tử. - Trình bày được cấu tạo các mạch dao động tạo xung và mạch xử lí dạng xung. - Phát biểu khái niệm về kỹ thuật số, các cổng logic cơ bản. Kí hiệu, nguyên lí hoạt động, bảng sự thật của các cổng lôgic. - Trình bày được cấu tao, nguyên lý các mạch số thông dụng như: Mạch đếm, mạch đóng ngắt, mạch chuyển đổi, mạch ghi dịch, mạch điều khiển. * Về kỹ năng: - Lắp ráp, kiểm tra được các mạch tạo xung và xử lí dạng xung. - Lắp ráp, kiểm tra được các mạch số cơ bản trên panel và trong thực tế. * Về thái độ: - Rèn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, chính xác trong học tập và trong thực hiện công việc.
  7. 6 Thời gian Mã bài Tên các bài trong mô đun Tổng Lý Thực Kiểm số thuyết hành tra Phần 1: Kỹ thuật xung 50 10 38 2 MĐ19-1 Các khái niệm cơ bản kỹ 10 4 6 0 thuật xung 01.1 Định nghĩa xung điện, các 2 1 1 tham số và dãy xung 01.2 Tác dụng của R-C đối với các 2 1 1 xung cơ bản 01.3 Tác dụng của mạch R.L.C đối 2 1 1 với các xung cơ bản 01.4 Khảo sát dạng xung 4 1 3 MĐ19-2 Mạch dao động đa hài 30 4 24 2 02.1 Mạch dao động đa hài không 8 1 7 ổn 02.1 Mạch đa hài đơn ổn 8 1 6 1 02.1 Mạch đa hài lưỡng ổn 6 1 5 02.1 Mạch schmitt – trigger 8 1 6 1 MĐ19-3 Mạch hạn chế biên độ và 10 2 8 ghim áp 03.1 Mạch hạn biên 5 1 4 03.1 Mạch ghim áp 5 1 4 Phần 2: Kỹ thuật số 100 40 45 5 MĐ19-1 Đại cương 10 8 2 01.1 Tổng quan về mạch tương tự 0,5 0.5 và mạch số 01.2 Hệ thống số và mã số 2 1,5 0,5 01.3 Các cổng logic cơ bản 2 2 01.4 Biểu thức logic và mạch điện 1 1
  8. 7 01.5 Đại số bool và định lý 1,5 1 0,5 Demorgan 01.6 Đơn giản biểu thức logic 2 1 1 01.7 Giới thiệu một số IC số cơ 1 1 bản MĐ19-2 Flip – Flop 10 4 6 02.1 Flip - Flop R-S 1 1 02.2 FF R-S tác động theo xung 1 0,5 0,5 lệnh 02.3 Flip - Flop J –K 1 0,5 0,5 02.4 Flip - Flop T 1 0,5 0,5 02.5 Flip - Flop D 1 0,5 0,5 02.6 Flip - Flop M-S 1 0,5 0,5 02.7 Flip - Flop với ngõ vào Preset 1 0,5 0,5 và Clear 02.8 Tính toán lắp ráp một số 3 2 1 mạch ứng dụng MĐ19-3 Mạch đếm và thanh ghi 25 8 16 1 03.1 Mạch đếm 9 5 4 03.2 Thanh ghi 4 1.5 2.5 03.3 Giới thiệu một số IC đếm và 2 1,5 0,5 thanh ghi thông dụng 03.4 Tính toán, lắp ráp một số 10 9 1
  9. 8 mạch ứng dụng MĐ19-4 Mạch logic MSI 25 6 18 1 04.1 Mạch mã hóa 4 1 3 04.2 Mạch giải mã 4 2 2 04.3 Mạch ghép kênh 4 1 3 04.4 Mạch tách kênh 4 1 3 04.5 Giới thiệu một số IC mã hóa 2 1 1 và giải mã thông dụng 04.6 Tính toán, lắp ráp một số 7 6 1 mạch ứng dụng cơ bản MĐ19-5 Họ vi mạch TTL - CMOS 14 6 7 1 05.1 Cấu trúc và thông số cơ bản 2 1,5 0,5 của TTL 05.2 Cấu trúc và thông số cơ bản 2 1,5 0,5 của CMOS 05.3 Giao tiếp TTL và CMOS 2 1 1 05.4 Giao tiếp giữa mạch logic và 2 1 1 tải công suất Tính toán, lắp ráp một số 6 1 4 1 05.5 mạch ứng dụng cơ bản MĐ19-6 Bộ nhớ 8 5 3 06.1 ROM 3 2 1 06.2 RAM 2 1 1 06.3 Mở rộng dung lượng bộ nhớ 2 1 1 06.4 Giới thiệu IC 1 1
  10. 9 MĐ19-7 Kỹ thuật ADC - DAC 8 3 5 07.1 Mạch chuyển đổi số - tương tự 3 1 2 (DAC) 07.2 Mạch chuyển đổi tương tự - 3 1 2 số (ADC) 07.3 Giới thiệu IC 2 1 1 Tổng cộng: 150 50 93 7
  11. 10 Phần 1: KỸ THUẬT XUNG BÀI 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mã Bài: MĐ19-1 Giới thiệu Các tín hiệu điện có biên độ thay đổi theo thời gian được chia ra làm hai loại cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu gián đoạn. Tín hiệu liên tục còn được gọi là tín hiệu tuyến tính hay tương tự, tín hiệu gián đoạn còn gọi là tín hiệu xung số. Tín hiệu sóng sin được xem như là tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên tục, ta có thể tính được biên độ của nó ở từng thời điểm. Ngược lại tín hiệu sóng vuông được xem là tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu gián đoạn và biên độ của nó chỉ có hai giá trị là mức cao và mức thấp, thời gian để chuyển từ mức biên độ thấp lên cao và ngược lại rất ngắn và được xem như tức thời. Một chế độ mà các thiết bị điện tử thường làm việc hiện nay đó là chế độ xung. Mục tiêu: - Trình bày được các khái niệm về xung điện, dãy xung - Giải thích được sự tác động của các linh kiện thụ động đến dạng xung - Rèn luyện tính tư duy, tác phong công nghiệp Nội dung 1. Định nghĩa xung điện, các tham số và dãy xung - Mục tiêu: Trình bày và phân tích các dạng tín hiệu, các hàm, các thông số của xung cơ bản. 1.1.Định nghĩa - Xung là tín hiệu tạo nên do sự thay đổi mức của điện áp hay dòng điện trong một khoảng thời gian rất ngắn, có thể so sánh với thời gian quá độ của mạch điện mà chúng tác động. Thời gian quá độ là thời gian để một hệ vật lý chuyển từ trạng thái vật lý này sang trạng thái vật lý khác. - Các tín hiệu xung được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử: truyền thông, công nghệ thông tin, vô tuyến, hữu tuyến Một số dạng xung cơ bản - Một số tín hiệu liện tục (xem hình 1.1)
  12. 11 Hình 1.1a. Tín hiệu sin Asin t Hình 1.1b. Tín hiệu xung vuông Hình 1.1c. Tín hiệu xung tam giác - Một số tín hiệu rời rạc (hình 1.2). Hình 1.2. Tín hiệu sin rời rạc - hàm mũ rời rạc Ngày nay trong kỹ thuật vô tuyến điện, có rất nhiều thiết bị, linh kiện vận hành ở chế độ xung. Ở những thời điểm đóng hoặc ngắt điện áp, trong mạch sẽ phát sinh quá trình quá độ, làm ảnh hưởng đến hoạt động của mạch. Bởi vậy việc nghiên cứu các quá trình xảy ra trong các thiết bị xung có liên quan mật thiết đến việc nghiên cứu quá trình quá độ trong các mạch đó. Nếu có một dãy xung tác dụng lên mạch điện mà khoảng thời gian giữa các xung đủ lớn so với thời gian quá độ của mạch. Khi đó tác dụng của một dãy xung như một xung đơn. Việc phân tích mạch ở chế độ xung phải xác định sự phụ thuộc hàm số của điện áp hoặc dòng điện trong mạch theo thời gian ở trạng thái quá độ. Có thể dùng công cụ toán học như: phương pháp tích phân kinh điển. Phương pháp phổ (Fourier) hoặc phương pháp toán tử Laplace.
  13. 12 1.2.Các thông số của xung điện và dãy xung 1.2.1. Các thông số của xung điện. Tín hiệu xung vuông như hình 1.3 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: u Um 0.9Um u tx Δu Um tng Um 0.1Um 0 T t 0 tđ t ttr ts tx A, xung vuông lý tưởng B, xung vuông thực tế Hình 1.3: 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 Um, độ rộng xung tx, độ rộng sườn trước ttr và sau ts, độ sụt đỉnh ∆u. - Biên độ xung Um 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 0.1Um đến 0.9Um - Độ rộng xung Tx xác định bằng khoảng thời gian có xung với biên độ trên mức 0.1Um (hoặc 0.5Um). - Độ sụt đỉnh xung ∆ u thể hiện mức giảm biên độ xung tương tứng từ 0.9Um đến Um.  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 tng , biểu thức (1.1) T = tx + tng (1.1) - Tần số xung là số lần xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian (1.2) 1 F = (1.2) T
  14. 13 - Thời gian nghỉ tng là khoảng thời gian trống giữa 2 xung liên tiếp có điện áp nhỏ hơn 0.1Um (hoặc 0.5Um). - Hệ số lấp đầy γ là tỷ số giữa độ rộng xung tx và chu kỳ xung T (1.3) tx  (1.3) T Do T = tx + tng , vậy ta luôn có  1 - Độ rỗng của xung Q là tỷ số giữa chu kỳ xung T và độ rộng xung tx (1.4) T Q (1.4) tx  Trong kỹ thuật xung - số, chúng ta sử dụng phương pháp số đối với tín hiệu xung với quy ước chỉ có 2 trạng thái phân biệt - Trạng thái có xung (tx) với biên độ lớn hơn một ngưỡng U H gọi là trạng thái cao hay mức “1”, mức UH 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 UL < U < UH được gọi là trạng thái cấm. 1.2.2 Dãy xung : Kỹ thuật xung không chỉ phát ra một xung đơn mà còn phát ra được một dãy xung liên tiếp tuần hoàn với chu kỳ T, nghĩa là sau mỗi thời gian T lại có một xung lăp lại hoàn toàn giống như xung trước. - Các dạng dãy xung tuần hoàn thường gặp: + Dãy xung vuông góc là dạng dãy xung thường gặp nhất trong kỹ thuật điện tử. Các thông số đặc trưng cho dãy xung gồm: biên độ U M, độ rộng xung tx, thời gian nghỉ tn, chu kỳ T= tx + tn, tần số f=1/T. Ngoài ra còn có 2 thông số phụ đặc trưng khác là hệ số lấp đầy  = t x/T và độ hổng (rỗng) Q= 1/ = T/t x. Nếu Q = 2, (tx = tn) thì dãy xung gọi là dãy xung vuông góc đối xứng. + Dãy xung răng cưa thuần túy (t f = 0), chu kỳ T. Mạch phát dãy xung này thường dùng trong thiết bị dao động kí điện tử, với vai trò bộ tạo sóng quét ngang. - Dãy xung tuần hoàn. Nó thường dùng để kích khởi những hoạt động có tính chu kỳ. Các mạch phát xung tuần hoàn thường là những mạch hoạt động không chịu sự điều khiển bởi các xung kích
  15. 14 - Dãy xung có thể không tuần hoàn. Mạch phát các xung này thường là những mạch hoạt động theo sự điều khiển của các xung kích khởi bởi ở bên ngoài, và gọi là các mạch kích khởi. Ứng với mỗi xung kích thích bên ngoài, mạch cho ra một xung có biên độ và độ rộng xung không thay đổi, nghĩa là dạng xung đưa ra hoàn toàn lặp lại giống nhau sau mỗi xung kích thích. 1.2.3 Độ rộng xung (hình 1.4) Hinh1.4: Độ rộng xung Trong đó: Vm: Biên độ xung ∆V: Độ sụt áp đỉnh xung tr: Độ rộng sườn trước tp: độ rộng đỉnh xung tf: độ rộng sườn sau ton : độ rộng thực tế - Đây là dạng xung thực tế, với dạng xung này thì khi tăng biê n độ điện áp sẽ có thời gian trễ t r, gọi là độ rộng sườn trước. Thời gian này tương ứng từ 10% đến 90% biên độ U. Ngược lại, khi giảm biên độ điện áp xung sẽ có thời gian trễ t f, gọi là độ rộng sườn sau. Thời gian này tương ứng từ 90% đến 10% biên độ U. - Độ rộng xung thực tế là: ton = tr+ tp +tf. - Độ sụt áp ∆V là độ giảm biện độ ở phần đỉnh xung. 1.2.4. Các dạng hàm cơ bản của tín hiệu xung. 1.2.4.1. Hàm đột biến (hình 1.5). v(t) = a.1(t - t0). - Đột biến xảy ra tại thời điểm t = t0 với biên độ là a. - 1(t – t0) : Hàm đột biến đơn vị. - Khi t < t0 : v = 0 - Khi t ≥ t0 : v = a
  16. 15 Hình 1.5 Hàm đột biến 1.2.4.2. Hàm tuyến tính (hình 1.6) v(t) = k(t - t0) - k : Độ dốc của hàm. Hình 1.6 Hàm tuyến tính 1.2.4.3. Hàm mũ giảm (hình 1.7) v(t) = a.e −(t − t0 ) / τ Hình 1.7 Hàm mũ giảm 1.2.4.4. Hàm mũ tăng (hình 1.8) −(t − t0 ) / τ v(t) = a.(1− e ) Hình 1.8 Hàm mũ tăng
  17. 16  Để phân tích 1 tín hiệu xung, phải đưa về dạng tổng các hàm cơ bản. Ví dụ: Như hình 1.9 ta phải đưa về tổng các hàm cơ bản, sau đó mới tính ra được hàm của nó. Hình 1.9 Ta có : V(t) = V1(t) + V2(t) Suy ra: V(t) = V1(t) + V2(t) = a.1(t) – a.1( t-t0 ) 2. Tác dụng của R-C đối với các xung cơ bản - Mục tiêu: Trình bày và phân tích sự giống và khác nhau giữa RC, RL đối với các mạch của xung cơ bản. 2.1. Tác dụng của mạch RC đối với các xung cơ bản Mạch lọc thông thấp, hình 1.12 Hình 1.12. Mạch lọc thông thấp - Tín hiệu lấy ra trên C - Mạch lọc 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 lấy trên tụ C làm cho tín hiệu ra trể pha so với tin hiệu vào (1.5)
  18. 17 1 - Tần số cắt f (1.5) c 2 RC Tại tần số cắt điện áp ta có biên độ V V i 1 . 6 0 2 Hình 1.13. Mạch lọc RC và đáp ứng xung của mạch lọc Mạch tích phân RC -Mạch lọc RC là mạch mà điện áp ra V 0 (t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào V i (t). - Trong đó K là hệ số tỉ lệ, mạch tích phân RC chính là mạch lọc thông thấp khi tín hiệu vào có tần số f i rất lớn so với tần số cắt f c của mạch. Ta có công thức: Vi (t) = VR (t) +VC (t) (1.7) Từ điều kiện tần số f i rất lớn so với tần số cắt f c ta có (1.8): fi >> fc = 1/ 2 RC R >> X c = 1/2 fi C VR (t) >> VC (t) (1.9) (vì dòng I (t) qua R và C bằng nhau) Từ (1.7) và (1.9) ta có Vi (t) VR (t) = R.i (t) i(t) = Vi (t)/R (1.10) Điện áp ra V 0 (t):
  19. 18 1 V ( t ) V ( t ) i ( t ) d t 0 c c 1 V ( t ) V ( t ) i d t 0 c R 1 V ( t ) V ( t ) d t 1 . 1 1 0 i R C Như vậy, điện áp ra V 0(t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào Vi (t) với hệ số tỉ lệ K = 1/RC khi tần số f i rất lớn so với f c . Điều kiện mạch tích phân fi >> fc fi >> 1/2 RC. RC >> 1/2 fi  >> 1/2 fi = Ti / 2 Trong đó:  = RC là hằng số thời gian. Ti là chu kỳ tín hiệu vào. Ví dụ: Trường hợp điện áp vào V i(t) là tín hiệu hình sin qua mạch tích phân. V ( t ) V s i n  ( t ) 1 . 1 2 i m Điện áp ra: 1 V ( t ) V s i n  t d t 0 R C m V m c o s  .t  R C V V ( t ) m s i n ( t 9 0 0 ) 1.1 3 0  R C Như vậy, nếu thỏa mãn điều kiện của mạch tích phân như trên thì điện áp ra 1 bị trễ pha 90 0 và biên độ bị giảm xuống với tỉ lệ là . RC 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 = RC so với T i 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 1.14a). - Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian = RC rất nhỏ so với Ti thì tụ nạp và xả rất nhanh nên điện áp ngõ ra V 0(t) có dạng sóng giống như dạng điện áp vào Vi(t) hình 1.14b. - Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian = T i /5 thì tụ nạp và xã điện áp theo dạng hàm số mũ, biên độ của điện áp ra nhỏ Vp hình 1.14c. - Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian  rất lớn so với Ti thì tụ C nạp rất chậm nên điện áp ra có biên độ rất thấp hình 1.14d, nhưng đường tăng giảm
  20. 19 điện áp gần như đường thẳng. Như vậy, mạch tích phân chọn trị số RC thích hợp thì có thể sửa dạng xung vuông có ngõ vào thành dạng sóng tam giác ở ngõ ra. Nếu xung vuông đối xứng thì xung tam giác ra là tam giác cân. Hình 1.14: Dạng sóng vào ra của tín hiệu xung vuông Mạch tích phân dùng OpAmp - Mạch tích phân đảo hình 1.15 \ Hình 1.15 Thiết lập quan hệ vào ra. Với i1 = - i2 Mà
  21. 20 v v v dv (t) i v v (v v 0), i (t) C r 1 R R 2 dt v (t) dv (t) 1 v C v v (t) v (t)dt R dt r RC v 1 Hệ số tỉ lệ K , hai linh kiệ R và C để tạo hằng số thời gian của mạch. RC Mạch lọc thông cao ( hình 1.16) Hình 1.15a. Mạch lọc thông cao Hình 1.15b: Mạch đáp ứng tần số - Mạch lọc 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 lấy trên R, làm cho tín hiệu sớm pha so với tín hiệu vào. Tương tự, ta có: 1 + Tần số cắt: f c 2 RC + Tại tần số cắt điện áp ra có biên độ: V V i 0 2 Mạch vi phân RC: là mạch có điện áp ngõ ra V0 tỉ lệ với đạo hàm theo thời gian của điện áp ngõ vào Vi (t). Ta có: d V 0 ( t ) K V i ( t ) 1 . 1 4 d t Trong đó k là hệ số tỉ lệ 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 của fc của mạch. Từ hình 1.15a, ta có: Vi(t) = V R(t) + V C (t) (1.15) Từ điều kiện tần số fi rất thấp so với tần số cắt fc ta có : fi << fc = 1/2 RC. R << Xc = 1/2 fi C. V R (t) << V C (t) (1.16) ( vì dòng i(t) qua R và C bằng nhau)
  22. 21 Từ (1.15) và (1.16) ta có : Vi (t) VC (t) , đối với tụ C điện áp trên tụ còn được tính theo công thức: q ( t ) V c ( t ) 1. 1 7 C Trong đó: q (t) là điện tích nạp vào tụ Mặt khác, ta có: d V (t ) d V (t ) i c d t d t 1 d q (t ) 1 i (t ) 1.1 8 c d t c Từ đây ta có phương trình theo (1.18) d V ( t ) i ( t ) C i 1. 1 9 d t Điện áp ra V0(t): V 0 (t ) V R (t ) R i(t ) dV1 (t ) V 0 (t ) R C 1.20 dt Như vậy điện áp ra V0(t) tỉ lệ với vi phân 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 << 1/2 RC. RC << 1/2 fi  << 1/2 fi = Ti / 2 Trong đó:  = RC là hằng số thời gian. Ti là chu kỳ tín hiệu vào Ví dụ: Trường hợp điện áp vào Vi(t) là tín hiệu hình sin qua mạch vi phân Vi(t) =Vm.sinω(t) Điện áp ra : d V ( t ) R .C (V m . s i n  t ) 0 d t  R C V m c o s  t 0 V 0 ( t )  R .C .V m . s i n ( t 9 0 ) - 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 là ωRC. - Đây là một bộ lọc thông cao dạng căn bản, vì trở kháng của tụ giảm dần
  23. 22 khi tần số tăng ,các thành phần tần số cao của tín hiệu ngõ vào sẻ ít suy giảm hơn các thành phần tần số thấp. Ở các tần số cao hầu như tự ngắn mạch và tất cả các ngõ vào đều xuất hiện tại ngõ ra.  Khi ngõ vào dạng sóng sin: đối với ngõ vào sóng sin, tín hiệu ngõ ra giảm về biên độ khi giảm tần số. Đối với mạch hình 1.16, độ lợi A và góc pha  cho bởi: 1 f A ,( ar tan ) 1.21 f f 1 ( )2 c f c 1 Với tần số cắt là : f c 1. 2 2 2 R C Hình 1.16 Đáp ứng tần số của mạch lọc -Nếu tần số f > f c (ở dãi tần số cao) thì điện áp ngõ ra giảm. Do vậy, xem như ở ngõ ra không có thành phần tần số cao. Nếu tần số f < f c (ở dải tần số thấp), điện áp ngõ ra có biên độ cao, tức ngõ ra có thành phần tần số thấp. Đây cũng là vấn đề gặp ở mạch khuếch đại tần số cao, xuất hiện tần số cắt trên fc . - Mối quan hệ giữa tần số và độ lợi hình 1.17. Tại tần số f c độ lợi giảm – 3 dB, đây là giá trị lớn nhất của độ lợi tại tần số cao.Như vậy,tại tần số cắt thì biên độ giảm -3dB.
  24. 23 Hình 1.17: Biểu diễn độ lợi Khi ngõ vào là xung chữ nhật: u v(t) = E[u(t)-u(t-t1)], hình 1.18 Hình 1.18: Ngõ vào là xung chữ nhật Trường hợp: uv(t) = 0, nếu t < 0 và t 0 uv(t) = E, nếu 0 t < t1 Trong khoảng thời gian từ 0 đến t1 ngõ vào có biên độ điện áp là E, tụ C nạp điện, điện áp trên tụ C tăng dần theo quy luật hàm mũ. t u ( t ) E 1 e  n c , với  n RC . Điện áp trên điện trở giảm dần cũng theo quy luật hàm mũ t  n u R ( t ) E e Vậy, ta có: uR(t) = uV(t) – uC(t) ( 1.27) Khi uc(t) tăng dần thì uR(t) giảm dần, tùy theo giá trị của t lớn hay nhỏ mà tụ nạp trong thời gian dài hay ngắn khác nhau.
  25. 24 Trong khoảng thời gian t > t 1, điện áp ngõ vào mạch RC có giá trị là 0. Lúc này, tụ C là đóng vai trò như nguồn điện áp cung cấp cho mạch, nghĩa là tụ C xả điện qua điện trở R. Do đó điện áp trên tụ C giảm dần theo quy luật hàm mũ, còn điện áp trên điện trở tăng dần cũng theo quy luật hàm mũ, nhưng mang giá trị âm. t / f v C (t ) E .e t / f ( 1.28) v R (t ) E .e  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  = RC so với T i để giải thích các dạng sóng ra theo hiện tượng nạp xả của tụ điện. Giả sử điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng có chu kỳ Ti (hình 1.19a) + Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian = (T i /5) 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 hình 1.19b + Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian rất nhỏ so với T i 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 xung nhọn lưỡng cực. Hình 1.19. Dạng sóng vào và ra của mạch vi phân
  26. 25 Bài tập: Cho mạch như hình vẽ hình. 1.20 Hình 1.20 Vi =5.1 (t), R = 1kΩ, C = 470pF. Hãy xác định và vẽ đồ thị V C(t), VR(t) cho các trường hợp sau: a. E = 0, R1 =∞ b. E = 1V, R1 =∞ c. E = 1V, R1 = 2 kΩ Giải : a. E = 0, R1 =∞. Mạch tương đương, hình 1.21. Hình 1.21 Cộng tác dụng của nguồn ta có (hình 1.22) Vi = 5.1 (t) -t / VR = 5.e -t / -12 3 -9 VC = 5.(1- e ), với  = RC = 470.10 .1.10 = 470.10 =0,47μs
  27. 26 Hình 1.22 b. E = 1V, R1 =∞, mạch tương đương hình 1.23 Hình 1.23 Xét tác dụng của nguồn E IE = 0 E V R iE R 0 E V R i R 0 Xét tác dụng của nguồn Vi : E V R i R 0 i t /  V C 5 (1 e )  RC 0 . 47  s Cộng tác dụng của nguồn ta có (hình 1.24) t /  V C 5 e t /  V C 5 ( 1 e ) 1  RC 0 . 47  s
  28. 27 Hình 1.24 c. E = 1V, R1 = 2 kΩ , (hình 1.25) Mạch: Hình 1.25 Xét tác dụng của nguồn E (hình 1.26) Hình 1.26 Ta có:
  29. 28 E i R R 1 R 1 V E iR E (V ) R R R 1 3 2 V E V E iR (V ) R R 1 3 Xét tác dụng của nguồn vi phân: 2 R ( R 1 // R ) ( k  ) tđ 3 i t /  V R V Rt đ 5 e i t /  V R 5 (1 e ) Cộng tác dụng của hai nguồn ta có (hình 1.27). 1  V 5 .e t /  R 3  1 V 5 (1 e t /  ) C 3  Hình 1.27 Mạch vi phân dùng OpAmp, hình 1.28 Hình 1.28
  30. 29 Ta có: d v v v i (t) i (t) C v , i (t) ra ra (vì v 0) 1 c dt v 2 R R d v Do i (t) i (t) C v ra 1 2 dt v R d v (t) RC v r dt v Mạch vi phân dùng OpAmp có cách mắc theo kiểu mạch đảo, với mạch phân áp là tụ C và điện trở R. Tụ C có nhiệm vụ đưa tín hiệu đến ngõ vào đảo của OpAmp, còn điện trở R có nhiệm vụ hồi tiếp từ ngõ ra về ngõ vào. Trường hợp điện áp vào d v (t ) R C V s in  t r d t m d v (t) RC V sint RCcost RCsin(t 900 ) Thì r dt m Nhận xét: Điện áp ngõ ra sớm pha 90 0 so với điện áp vào và biên độ là hệ số tỉ lệ khuếch đại k = wRC. Vì hệ số khuếch đại của mạch tỉ lệ với tần số, nên tạp âm tần số cao ở ngõ ra mạch này rất lớn, có thể lấn áp tín hiệu vào, nghĩa là hệ số khuếch đại của mạch càng lớn thì tồn tại nhiễu tần số cao 1 càng lớn. trở kháng vào của mạch Z giảm khi tần số tăng. Do đó, khi v jC nguồn có trở kháng lớn, thì chỉ có một phần tín hiệu được vi phân, phần còn lại được khuếch đại. Để khắc phục những nhược điểm trên ngời ta đưa ra mạch sau: Hình 1.29 R 1 có nhiệm vụ hạn chế tạp âm ở tần số cao, ở tần số cao thường tồn tại các gai nhọn có biên độ lớn, do đó R 1 hạn chế biên độ này. 2.2. Tác dụng của mạch RL đối với các xung cơ bản (hình 1.30)
  31. 30 Hình 1.30Mạch RL 2.2.1 Hàm đột biến điện áp: Vi = a.1 (t) (hình 1.31) + t 0 dòng qua cuộn dây tăng dần, V R tăng, VL giảm + t = ∞: Mạch xác lập: V L = 0 , VR = a t /  V R a (1 .e )   V ae t /  L  (1.28) Với = L/R được gọi là thời hằng Hình 1.31 2.2.2 Hàm tuyến tính: vi = kt (hình 1.32) Ta có: t / VR kt k (1 .e )  L , 1.29 t / R VL kt91 e ) 
  32. 31 Hình 1.32: Hàm tuyến tính Mạch RL lấy tín hiệu ra trên tải R thì được gọi là mạch hạ thông (thông thấp). 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 như phản ứng của RC thông cao. - Phản ứng của mạch RL, thông thấp giống như phản ứng của RC thông thấp. 3. Tác dụng của mạch R.L.C đối với các xung cơ bản. - Mục tiêu: trình bày và phân tích được sơ đồ khi có xung đột biến trong mạch RLC của xung cơ bản . Sơ đồ mạch (hình 1.33) Hình 1.33 Xét ngõ vào là hàm bước (hình 1.34) Biến đổi nguồn áp thành nguồn dòng, ta có dạng mạch như hình sau: Hình 1.34
  33. 32 Lúc này nguồn dòng có giá trị E i(t) u(t) (1.30) R Trong đó: u(t) là hàm bước đơn vị - Để tìm hiểu tác dụng của xung đột biến dòng điện lên mạch RLC mắc song song, ta có thể tìm tác dụng riêng lẻ của từng đột biến dòng điện rồi sau đó tổng kết quả của chúng lại với nhau. Đây là dạng mạch dao động RLC mắc song song. -Nếu tại thời điểm t = 0, đầu vào của mạch đột biến dòng điện có biên độ E/R. Với điều kiện ban đầu uc(0) = 0, iL(0) = 0, ta lập được phương trình cho mạch như sau: E Với: i(t) u(t) (1.31) R E 1 i( p) . R p (1.32) Phương trình nút, ta có E 1 1 1 i(p) . (p) pC vra (1.33) R p R pL E 1 E 1 (p) . . vra 2 2 (1.34) RC 2 1 1 RC P 2ap  p p. 0 RC LC 1 1 Với : 2a a RC 2RC 1 1 2  0 LC 0 LC 2 2 Phương trình (1.34) có mẫu số triệt tiêu ứng với p 2ap 0 0 có nghiệm 1 1 1 2 2 - p1,2 a a 0 (1.35) 2RC 4R2C2 LC 2 2 - a 0 (1.36) E 1 (p) . - vra (1.37) RC (p p1)(p p2) Có 3 trường hợp:
  34. 33 - Trường hợp 0 thì p1 , p2 là 2 nghiệm thực: E 1 E 1 1 1 ( p) . . . Ta có: v ra = RC ( p p1)( p p2 ) RC p p1 p p2 p1 p2 A 1 1 . p1 p2 p p1 p p2 E Với A Const . Lấy Laplace ngược của vra (p), ta được: RC 1 A p1t p2t vra(t) £ vra(p) e e ( 1.38) p1 p2 Đường cong điện áp ra được vẽ như hình 1.35 Hình 1.35 Qua hình vẽ ta thấy, giản đồ thời gian của điện áp ra có dạng một xung đơn hướng và là hiệu của hai hàm số mũ e p1t, ep2t. Trường hợp: 0 , khi đó p 1= p2= -a. E 1 Ta có: v ( p) . ra RC ( p a) 2 Biến đổi Laplace ngược ta được: E v (t ) £ 1 v ( p ) .t.e at B.t.e at ra ra RC Với B = E = const RC Giản đồ thời gian của điện áp ra (xem hình 1.36)
  35. 34 Hình 1.36 2 2 2 Trường hợp 0 , khi đó 0 0 a  p1,2 = -α ± jω 1 E 1 vra (p) . 2 2 1RC (p a) 1 Lấy Laplace ngược ta được: 1 E at C at vra (t) £ vra ( p) .e sin1t e sin1t RC1 1 Với C=E/RC = const. Giản đồ thời gian của điện áp ra (hình 1.37) Hình 1.37 Qua hình vẽ ta thấy, khi tác dụng lên đầu vào của mạch dao động RLC, mắc song song, một đột biến dòng điện trong mạch sẽ phát sinh dao động có biên độ suy giảm dần là do sự tồn tại điện trở phân mạch R và điện trở bản thân cuộn dây. Nếu a càng lớn, dao động tắt dần càng nhanh, biên độ ban đầu là: C C  2 2 1  0 a Ngược lại, hệ số suy giảm a càng nhỏ thì dao động tắt dần chậm hơn, nhưng biên độ ban đầu bé.
  36. 35  Bài tập chương 1. Cho mạch như hình vẽ R = 1KΩ, C =470pF. Hãy xác định và vẽ đồ thị Vi(t), Vc(t), Vr(t) cho các trường họp sau: a. Vi(t) = 5.1(t) - 5.1( t-t0 ); t0 = 10μs; R1= ∞ ; E = 0 b. Vi(t) = 5.1(t) - 5.1( t-t0 ); t0 = 10 μs; R1= 5,6 kΩ ; E = 2V c. Vi(t) = 5.1(t) - 7.1( t-t0 ); t0 = 10 μs; R1= 5,6 kΩ ; E = 2V 2. Cho Vi như hình vẽ a. Phân tích Vi thành tổng các dạng hàm cơ bản. b. Khi đặt Vi ở ngõ vào của mạch RC thông cao, hãy xác định và vẽ V out khi T = RC/10 3. Cho mạch như hình vẽ Khi t < 0: K ở vị trí số 2 t = 0 : K sang vị trí số 1 t = 30μs: K trở lại vị trí số 2
  37. 36 Hãy xác định và vẽ i L, VL trong các bước sau a. E = 10V ; R1 = 1 kΩ; R2 = 1 kΩ; L = 1mH b. E = 10V ; R1 = 10kΩ; R2 = 10kΩ; L = 10mH 4. Khảo sát dạng xung (Đo, đọc các thông số cơ bản của xung). - Mục tiêu: Khảo sát một số dạng xung cơ bản thông qua máy đo dao động ký trên một số mạch thí nghiệm, xác định biện độ, tín hiệu ngõ vào ngõ ra khi có tác động của các hàm và điện áp. Bài 1a: SỬ DỤNG OSC VÀ MÔ HÌNH THỰC HÀNH KỸ THUẬT XUNG I. Lý thuyết 1. Cấu tạo của OSC 2. Chức năng và cách sử dụng các bộ phận trên OSC - POWER: Công tắc nguồn. Khi ở vị trí“ON” thì LED sẽ sáng, hình 1.1. Hình 1.1 - INTENSITYHình 1.1 CONTRO: Dùng để thay đổi cường độ sáng của tia. Để tăng độ sáng ta vặn theo chiều kim đồng hồ, hình 1.2. Hình 1.2 - FOCUS:Điều chỉnh độ hội tụ của tia (điều chỉnh độ sắc nét), hình 1.3.
  38. 37 Hình 1.4 - TRIG LEVEL: Dùng để điều chỉnh cho dạng sóng đứng yên và định điểm bắt đầu của dạng sóng, hình 1.5 Hình 1.5 - TRIGGERING COUPLING, hình 1.6: Dùng để lựa chọn kiểu lấy trigger (triggermode). AUTO: Ở chức năng này, tín hiệu quét được phát ra khi không có tín hiệu trigger thích hợp; tự động chuyển về vận hành quét trigger (triggered sweep) khi có tín hiệu trigger thích hợp. NORM: Ở chức năng này, tín hiệu quét chỉ được phát ra khi có tín hiệu trigger thích hợp. TV-V: Dải tần trigger trong khoảng DC- 1KHz. TV-H: Dải tần trigger trong khoảng 1KHz- 100KHz. Hình 1.6
  39. 38 - TRIGGER SOURCE, hình 1.7: Dùng để lựa chọn nguồn lấy trigger. CH 1: Tín hiệu của kênh CH1 trở thành nguồn trigger bất chấp vị trí của VERTICAL MODE. CH 2: Tín hiệu của kênh CH2 trở thành nguồn trigger. LINE: Tín hiệu AC line được dùng như là nguồn lấy trigger. EXT: Tín hiệu Trigger được lấy từ đầu nối EXT TRIG. Hình 1.7 - MAIN, MIX, AND DELAY, hình 1.8 Hình 1.8 - POSITION (PULL x 10), hình 1.9: Dùng để điều chỉnh vị trí của tia sáng theo chiều ngang.Khi keo ra dùng để nhân trục thời gian lên 10 lần. Hình 1.9
  40. 39 - VARIABLE, hình 1.10: Dùng thay đổi tỉ lệ quét một cách liên tục. Hình 1.10 - TIME / DIV, hình 1.11: Dùng để chọn tỉ lệ trên trục thời gian. Hình 1.11 - POSITION, hình 1.12: Điều chỉnh vị trí của tia sáng theo chiều dọc. Khi keo ra sẽ làm đảo pha tín hiệu ngõ vào. Hình 1.12 - VOLTS / DIV, hình 1.13: Dùng để chọn tỉ lệ theo chiều điện áp.
  41. 40 Hình 1.13 - AC-GND-DC, hình 1.43 Khi để ở vị trí AC chỉ cho thành phần AC của tín hiệu vào máy. Khi để ở vị trí GND không cho tín hiệu vào máy. Khi để ở vị trí DC cho cả thành phần AC và DC của tín hiệu vào máy. hình 1.14 - INPUT: Ngõ vào của tín hiệu cần đo, hình 1.15. Hình 1.15
  42. 41 - VERT MODE, hình 1.16 Khi ở vị trí CH1: Chỉ đo một kênh CH1. Khi ở vị trí CH2: Chỉ đo một kênh CH2. Khi ở vị trí DUAL: Do đồng thời hai kênh. Khi ở vị trí ADD: Tín hiệu ngõ ra là tổng của hai tín hiệu ở kênh CH1 và kênh CH2. Hình 1.16 - EXT TRIG, hình 1.17 Hình 1.17 - CAL, hình 1.8: Dùng để lấy tín hiệu chuẩn trước khi đo Hình 1.18 3. Trước khi sử dụng máy hiện sóng
  43. 42 - Để POWER ở vị trí “OFF”. - Để INTENSITY, FOCUS ở vị trí giữa. - Để VERT MODE ở vị trí CH1. - Núm Amplitude VAR của CH1 và CH2 ở vị trí CAL. - Điều chỉnh CH1 – position, CH2 – position và POS (Time) ở vị trí giữa. - Đặt AC - GND - DC tại vị trí GND. - VOLT/DIV: 50 mV/DIV. - TIME/DIV: 0.5 mS/DIV. - Sweep VAR chỉnh ở vị trí CAL. - COUPLING để ở vị trí AUTO. - SOURCE đặt ở CH1. - Chỉnh TRIG LEVEL tới vị trí "+". - Bật công tắc nguồn. Nếu không thấy tia sáng thì nhấn nút BEAM FIND. Điều chỉnh CH1 POS và HORIZONTAL POS để tia sáng nằm ở giữa màn hình II. Thực Hành 1. Giới Thiệu - Nguồn +12V, -12V, dòng 3A, có bảo vệ quá dòng - Nguồn 5V, dòng 2A, có bảo vệ quá dòng - Nguồn dương 0 ÷ 30V, nguồn âm 0 ÷ -30V, dòng 1.5A có bảo vệ quá dòng (mass riêng) - Nguồn tín hiệu có công tắc xoay để chọn các loại tín hiệu gồm tín hiệu sin, tín hiệu tam giác, xung vuông đơn cực và xung vuông lưỡng cực, có: +Biên độ 0 ÷ 10V +Tần số 1Hz ÷ 50KHz - Các nguồn có led hiển thị báo có nguồn và báo quá dòng. - Các ngu ồn ±12V, +5V và nguồn tín hiệu được nối chung mass, nên chúng có ký hiệu mass giống nhau. - Các nguồn DC thay đổi được từ 0 ÷ ±30V được nối chung mass, nên chúng có ký hiệu mass giống nhau. - Các nguồn DC và nguồn tín hiệu đều được đưa lên Test Board. 2. Cách sử dụng - Dùng VOM và OSC để đo thử và kiểm tra các nguồn trên mô hình. - Ráp thử một mạch ứng dụng trên testboard. Mục đích yêu cầu
  44. 43 Tạo các kỹ năng sử dụng máy dao động ký đúng phương pháp, an toàn khi sử dụng và trình tự vận hành. Các thiết bị sử dụng - Dao động ký; Nguồn phát sóng âm tần; Đồng hồ VOM, Dây đo dao động ký (2 dây), Dây tín hiệu máy phát sóng. Các bước thực hành 1. Xác định hình dạng, biên độ, tần số của tín hiệu - Đọc biên độ: Biên độ (V) = Biên độ (ô) x Volts / div (V/ô) - Đọc Chu kỳ: Chu kỳ (s) = Chu kỳ (ô) x Time / div (s / ô) - Mỗi lần đo, điều chỉnh núm chỉnh biên độ, núm chỉnh tần số, núm chỉnh dạng điện áp ở vị trí bất kỳ rồi điền vào bảng sau: Điện áp Chu kỳ Lần Tần Dạng Biên Giai Biên Chu Giai Chu đo số sóng độ (ô) đo độ (V) kỳ (ô) đo kỳ (s) (V/ô) (s/ô) (Hz) 1 2 3 4 5 2. Chỉnh một nguồn sao cho có hình dạng, biên độ theo yêu cầu Ví dụ: Điều chỉnh một nguồn xoay chiều hình Sin có biên độ 10V, tần số 1KHz.  Các bước thực hiện: - Bước 1: Điều chỉnh núm chọn dạng sóng theo yêu cầu. - Bước 2: Điều chỉnh biên đô.
  45. 44 Chỉnh núm chỉnh biên độ trên mô hình sao cho: Độ cao của biên độ (ô) = Biên độ cần có (V) x Giai đo (V/ô) - Bước 3: Điều chỉnh tần số. Tính chu kỳ cần có: T=1/f Chỉnh núm chỉnh tần số trên mô hình sao cho: Chiều dài của chu kỳ (ô) = Chu kỳ cần có (s) x Giai đo (s/ô)  BÀI TẬP - Điều chỉnh một xung vuông đơn cực có biên độ 2V, tần số 500Hz. - Điều chỉnh một xung vuông lưỡng cực có biên độ 3V, tần số 5KHz. - Điều chỉnh một xung tam giác có biên độ 7V, tần số 3KHz. - Điều chỉnh một sóng sin có biên độ 9V, tần số 10KHz. BÀI 1b: MẠCH TÍCH PHÂN & MẠCH VI PHÂN Mục đích yêu cầu Tạo các kỹ năng sử dụng máy dao động ký đúng phương pháp, an toàn khi sử dụng và trình tự vận hành. Đo các dạng sóng ngõ ra vào trên các mạch tích phân, vi phân, các giá trị biên độ, giá trị đỉnh của các ngõ tín hiệu. Các thiết bị sử dụng - Dao động ký; Nguồn phát sóng âm tần; Đồng hồ VOM, Dây đo dao động ký (2 dây), Dây tín hiệu máy phát sóng. Các bước thực hành I. Mạch Tích Phân A. Mạch tích phân dùng RC  Lần 1: - Sinh Viên mắc mạch như hình 2.1 ( R = 100Ω, C =1μF ) Hình 2.1 - Điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung vuông, biên độ 5V, tần số 1KHz và cấp vào VI của mạch trên. - Đo và vẽ điện áp VI (kênh 1) và Vo (kênh 2) vào bảng hình . Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  46. 45 Hình 2  Lần 2 - Thực hiện như lần một nhưng thay R= 1kΩ, C =1μF - Đo và vẽ điện áp VI (kênh 1) và Vo (kênh 2) vào hình 3. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình H3.  Nhận xét: 1/. So sánh dạng điện áp Vo ở hai lần đo (Vmax, Vmin, tần số tín hiệu vào và
  47. 46 tín hiệu ra)? Khi nào mạch trên trở thành mạch tích phân? 2/. Giải thích tại sao dạng điện áp Vo của lần 1 và lần 2 không giống nhau? 3/. So sánh dạng điện áp ngõ vào và ngõ ra của hai lần đo với lý thuyết đã học? Nếu khác thì tại sao? 4/. Trình bày quá trình hoạt động của mạch? B. Mạch tích phân dùng OpAmp  Lần 1: - Sinh Viên mắc mạch như hình 4 ( R =100Ω, C =1μF , ± Vcc= ± 12V) Hình 4 - Điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung vuông lưỡng cực, biên độ 0.5V, tần số 1KHz và cấp vào VI của mạch trên. - Đo và vẽ điện áp VI (kênh 1) và Vo (kênh 2) vào hình 5. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  48. 47 Hình 5  Lần 2: Thực hiện như lần một nhưng thay R =1kΩ, C =1μF Đo và vẽ điện áp VI (kênh 1) và Vo (kênh 2) vào hình 6. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 6  Nhận xét: 1/. So sánh dạng điện áp Vo ở hai lần đo (Vmax, Vmin, tần số tín hiệu vào và
  49. 48 tín hiệu ra)? Khi nào mạch trên trở thành mạch tích phân? 2/. Giải thích tại sao dạng điện áp Vo của lần 1 và lần 2 không giống nhau? 3/. So sánh dạng điện áp ngõ vào và ngõ ra của hai lần đo với lý thuyết đã học? Nếu khác thì tại sao? 4/. Trình bày nguyên lý hoạt động của mạch? II. Mạch Vi Phân A. Mạch vi phân dùng RC  Lần 1: - Sinh Viên mắc mạch như hình 2.7 ( R =100Ω, C =1μF , ± Vcc= ± 12V) Hình 2.7 - Điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung vuông biên độ 0.5V, tần số 1KHz và cấp vào VI của mạch trên. - Đo và vẽ điện áp VI (kênh 1) và Vo (kênh 2) vào hình 2.8. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  50. 49 Hình 2.8  Lần 2: Thực hiện như lần một nhưng thay R =1kΩ, C =1μF Đo và vẽ điện áp VI (kênh 1) và Vo (kênh 2) vào hình 2.9. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.9  Nhận xét:
  51. 50 1/. So sánh dạng điện áp Vo ở hai lần đo (Vmax, Vmin, tần số tín hiệu vào và tín hiệu ra)? Khi nào mạch trên trở thành mạch vi phân? 2/. Giải thích tại sao dạng điện áp Vo của lần 1 và lần 2 không giống nhau? 3/. So sánh dạng điện áp ngõ vào và ngõ ra của hai lần đo với lý thuyết đã học? Nếu khác thì tại sao? 4/. Trình bày quá trình hoạt động của mạch? B. Mạch vi phân dùng OpAmp  Lần 1: - Sinh Viên mắc mạch như hình 2.10 ( R =100Ω, C =1μF , ± Vcc= ± 12V) Hình 2.10 - Điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung vuông lưỡng cực, biên độ 0.5V, tần số 1KHz và cấp vào VI của mạch trên. - Đo và vẽ điện áp VI (kênh 1) và Vo (kênh 2) vào hình 2.11. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  52. 51 Hình 2.11  Lần 2: Thực hiện như lần một nhưng thay R =1kΩ, C =1μF Đo và vẽ điện áp VI (kênh 1) và Vo (kênh 2) vào hình 2.12. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.12
  53. 52  Nhận xét: 1/. So sánh dạng điện áp Vo ở hai lần đo (Vmax, Vmin, tần số tín hiệu vào và tín hiệu ra)? Khi nào mạch trên trở thành mạch vi phân? 2/. Giải thích tại sao dạng điện áp Vo của lần 1 và lần 2 không giống nhau? 3/. So sánh dạng điện áp ngõ vào và ngõ ra của hai lần đo với lý thuyết đã học? Nếu khác thì tại sao? 4/. Trình bày nguyên lý hoạt động của mạch?  YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 1 Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được khái niệm, phân biệt sự khác nhau của các dạng tín hiệu, các hàm cơ bản của tín hiệu xung, các tham số R-L-C đối với các xung tín hiệu + Về kỹ năng: sử dụng thành thạo các dụng cụ đo để đo được các hình dạng, biên độ, tần số của tín hiệu một cách chính xác. + Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm. + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ năng thực hiện đo được các thông số trong mạch điện theo yêu cầu của bài. + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác, ngăn nắp trong công việc.
  54. 53 BÀI 2 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI Mã Bài: MĐ19 - 02 Giới thiệu. 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 bị 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. Mục tiêu: - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động các mạch dao động đa hài. - Nêu được các ứng dụng của mạch đa hài trong kỹ thuật -Lắp ráp, sửa chữa, đo kiểm được các mạch dao động đa hài đúng yêu cầu kỹ thuật. - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong quá trình học tập. 1. Mạch dao động đa hài không ổn - Mục tiêu:Trình bày và phân tích các dạng của mạch đa hài dùng Transistor, IC 555 và dùng cổng logic ưu nhược điểm của mỗi loại.
  55. 54 Đây là dạng mạch không có trạng thái ổn định (đa hài tự dao động, tự kích). Chu kỳ lăp lại và biên độ của xung tạo ra được xác định 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 định thấp. Ngõ ra của bộ dao động đa hài tự kích luân phiên thay đổi theo hai giá trị ở mức thấp và mức cao. 1.1. Mạch dao động đa hài dùng Transistor(Hình 2.1) Sơ đồ mạch không ổn dùng Transistor Hình 2.1a-b: Mạch không ổn dùng Transistor Mạch được hình thành bởi hai Transistor Q1 và Q2. Các điện trở RC1 và RC2 và các tụ C1 và C2. Nguyên lý hoạt động : Thông thường mạch đa hài phi ổn là mạch đối xứng nên hai Transistor có cùng họ và thông số. Các linh kiện điện trở RB1 = RB2, RC1 = RC2 và C1 = C2. Giả sử ban đầu, Q1 dẫn, Q2 tắt, mạch ở hình 2.1a trở thành hình 2.1b → V01 ≈ 0V, V02 ≈ Vcc. Lúc này, tụ C 2 nạp năng lượng từ nguồn qua Rc2 và mối nối BE của Q1, điện áp trên tụ có chiều như hình 2.1b, ngoài dòng nạp qua tụ dòng IB1 còn được cung cấp từ nguồn qua R B1. Đồng thời, tụ C1 được nạp qua RB2 và có chiều như hình 2.1b → điện áp trên tụ C 1, VC1 ( điện áp trên tụ C 1) tăng dần. Mà VBE2 = VC1 → VBE2 cũng tăng dần đến lúc nào đó, VBE2 đủ lớn Q2 dẫn lúc này tụ C2 đặt điện áp âm vào mối nối BE của Q1→ VBE1<0 làm Q1 tắt.
  56. 55 Hình 2.1c Khi mạch ở trạng thái Q 1 tắt, Q2 dẫn mạch ở hình 2.1a trở thành hình 2.1c → V01 ≈ V cc, V02 ≈ 0V. Lúc này tụ C 1 xả năng lượng qua mối nối BE của Q 2. Sau đó nạp năng lượng từ nguồn qua R C1 và mối nối BE của Q 2, điện áp trên tụ đảo chiều và tăng dần, dòng nạp qua tụ I B2 còn được cung cấp từ nguồn qua RB2. Vì vậy Q2 vẫn được duy trì ở trạng thái dẫn cho dù tụ C 1 đã được nạp đầy. Mặt khác tụ C2 được nạp bởi RB1 và Q2 dẫn đến điện áp trên tụ C2, VC2 ( điện áp trên tụ C2) tăng dần. Lúc này V BE1 = VC2 → VBE1 cũng tăng dần đến lúc nào đó đủ lớn làm Q1 dẫn , đồng thời tụ C 1 đặt điện áp âm vào mối nối BE của Q 2 → VBE2 < 0 làm Q2 tắt. Như vậy, lúc đầu Q 1 dẫn ,Q2 tắt sau một thời gian mạch tự động đổi qua trạng thái Q1 tắt, Q2 dẫn chu kỳ được lập lại. Vì vậy không có trạng thái ổn định nên được gọi là mạch dao động bất ổn. Dạng sóng tại các chân hình 2.2.
  57. 56 Hình 2.2 Tính Chu Kỳ Xung - T = Tx1 + Tx2. Lúc này Tx1 là thời gian tụ C 2 xả điện qua mối nối RB1, Tx2 chính là thời gian tụ C 1 xả và nạp qua R B2, ta có công thức: -T.1/ t f vc(t) = 2.VCC. e , với tf = RB2 . C2 Tại thời điểm Tx 1, tụ C2 xả điện từ -V CC lên 0(v) (bỏ qua VBE) là -Tx1/ t f -Tx1/ t f Tx1 VCC = 2VCC. e , e =2, ln 2 t f Tx1 = t f . ln2 = 0,69 RB1.C2 Tương tự ta cũng tính được T2 được tính theo công thức sau: Tx2 = 0,69 RB2.C1 1 chu kỳ điện áp ra: T = 0,69 (R C +R C ) , Tần số điện áp ra f B1 2 B2 1 T Trong mạch đa hài bất ổn đối xứng ta có: RB1 = RB2 = RB và C1 = C2 = C Vậy chu kỳ dao động là: T = 2 x 0,69 .RB.C = 1,4 RB.C ( s)
  58. 57  Bài tập Thiết kế mạch đa hài phi ổn theo các thông số kỹ thuật sau: V CC = 12V, dòng điện tải qua cực là IL = 100mA , có β =100, tần số dao động là f = 1kHz. Giải: Mạch đa hài phi ổn là loại đối xứng. - Tính điện trở RC: khi transitor chạy bão hòa sẽ có VC = VCE ≈ 0,2V, I C = IL = 10mA. Điện trở RC được tính theo công thức VCC VCE 12 0, 2 RC 1, 2K  I C 10 Tính điện trở RB, để transistor chạy bão hòa thường chọn hệ số bảo hòa là K= 3, ta có : I 10 I K C 3 0, 3mA B  100 Điện áp phân cực cho transistor chạy bão hòa là VB = VBE = 0,8V VCC VBE 12 0,8 RB1 RB 2 37k I B 0, 3 Chọn trị số tiêu chuẩn là RB = 39kΩ Tính trị số tụ C, ta có công thức tính tần số của mạch đa hài phi ổn đối xứng là: 1 1 1 f C 3 3 1, 4RB C 1, 4RB . f 1, 4.39.10 .10 C 0.018 F 1.2. Mạch dao động đa hài dùng IC 555 1.2.1. Cấu trúc IC555 Sơ đồ bên trong của IC555(xem hình 2.3) Về cơ bản, IC 555 gồm 2 mạch so sánh điều khiển trạng thái của FF có hơn 20 Transistor và nhiều điện trở thực hện chức năng, từ đó lái transistor xả (discharge) và tạo xung nhảy điều khiển điện áp ở ngõ ra. - Chức năng một số chân được mô tả như sau: + Chân 1 : GND ( nối đất) 1 + Chân 2: TRIGGER (kích khởi), điểm nhạy mức với V CC. Khi điện 3 1 áp ở chân này dưới V CC thì ngõ ra Q của FF xuống [0], gây cho chân 3 tạo 3 một trạng thái cao.
  59. 58 + Chân 3: OUTPUT (ra) thường ở mức thấp và chuyển thành mức cao trong khoảng thời gian định thì. Vì tầng ra tích cực ở cả 2 chiều, nó có thể cấp hoặc hút dòng đến 200mA. Hình 2.3: Sơ đồ IC555 + Chân 4: RESET khi điện áp ở chân này nhỏ hơn 0,4V: chu kỳ định thì bị ngắt, đưa IC555 về trạng thái không có kích. Đây là chức năng ưu tiên để IC555 không thể bị kích trừ khi RESET được giải phóng (>1,0V). Khi không sử dụng nối chân 4 lên V CC. + Chân 5: Control Voltage (điện áp điều khiển), bên trong là điểm 2 VCC. Một điện trở nối đất hoặc điện áp ngoài có thể được nối vào chân 5 3 để thay đổi các điểm tham khảo (chuẩn) của comparator. Khi không sử dụng cho mục đích này, nên gắn 1 tụ nối đất 0.01 µF cho tất cả các ứng dụng nhằm để lọc các xung đỉnh nhiễu nguồn cấp điện. + Chân 6: Threshold (ngưỡng) điểm nhạy mức với V CC. Khi điện áp 2 ở chân này > VCC. . FF Reset làm cho chân 3 ở trạng thái thấp. 3
  60. 59 + Chân 7: Discharge (Xả) cực thu của transistor, thường được dùng để xả tụ định thì. Vì dòng collector bị giới hạn, nó có thể dùng với các tụ rất lớn (>1000µF ) không bị hư. + Chân 8: VCC điện áp cấp nguồn có thể từ 4,5 đến 16V so với chân mass. 1.2.2. Mạch dao động đa hài dùng IC 555(hình 2.4) Hình 2.4: Mạch dao động đa hài dùng IC 555 - Trong mạch trên chân ngưỡng (6) được nối với chân nhớ (2), và 2 chân này có chung 1 điện áp trên tụ là UC. Để so với điện áp chuẩn 1/3 Vcc và 2/3Vcc của 2 bộ so sánh 1 và 2 ở lối vào của IC555. - Tụ 0.01 µF nối chân 5 với đất để lọc nhiễu tần số cao có ảnh hưởng đến điện áp chuẩn lối vào 2/3Vcc. Chân 4 được nối lên nguồn Vcc để không sử dụng chức năng Reset IC555. Chân 7 được nối với điện trở R 1 và R2 để tạo đường phóng nạp cho tụ. Chân 3 có dạng xung vuông, có thể nối qua trở với Led chỉ thị có xung ra (với điều kiện tần số dao động mạch < 20 Hz) do tần số cao thì không quan sát được đền Led sáng tối. Dạng sóng tại chân 2 và 3(hình 2.5)
  61. 60 Hình 2.5: Dạng sóng 1.3. Mạch dao động đa hài dùng cổng logic. 1.3.1. Mạch Ring Oscillator Mạch đa hài không ổn đơn giản sử dụng cổng đảo là mạch Ring oscillator bao gồm N cổng đảo được ghép nối tiếp như hình 2.6 (với N lẻ) Hình 2.6. Mạch đa hài không ổn Ring oscillator Chu kỳ T được tính như sau: T = 2 N t pd Trong đó: - t pd : là thời gian trễ Với giả sử rằng thời gian trễ của xung lên và xuống của cổng đảo là bằng nhau và bằng tpd. Vì tpd có thể thay đổi theo nhiệt độ, nhà chế tạo nên chu kỳ T trên có thể thay đổi. 1.3.2. Các dạng mạch dao động Schmitt Trigger. - Mạch 1, hình 2.7
  62. 61 Hình 2.7. Đa hài phi ổn Schmitt Trigger Đặc tuyến cổng đảo Schmitt trigger và dạng sóng (hình 2.8 a, b) Hình 2.8a. Đặc tuyến cổng Schmitt trigger Tần số dao động được tính toán theo công thức sau : f = 1/T = 1/RC Giải thích: - Giả sử ban đầu V C = 0 nên VA = 0 dẫn đến ngõ ra B ở mức 1. -V B = 1 sẽ nạp điện cho C qua R. Khi V C đạt đến V P thì ngõ vào cổng đảo đạt mức logic 1 và ngõ ra là mức logic 0, lúc này tụ xả điện qua R và điện áp trên tụ giảm dần đến V N, tại VN ngõ vào cổng đảo chuyển xuống mức 0 và ngõ ra mức 1 tức thời. Hình 2.8b. Dạng sóng tại điểm A, B - Mạch 2, (Hình 2.9)
  63. 62 Hình 2.9: Đa hài phi ổn Schmitt Trigger Dạng sóng của mạch logic (hình 2.10) Hình 2.10. Dạng sóng tại các điểm A, B, C, D. Tần số dao động f = 1/(2.2RC) Giải thích: Tại thời điểm đầu giả sử ngõ ra IC 1 ở mức cao và ngõ ra IC2 ở mức thấp VA = VB = 1. Khi tụ C nạp điện, điện áp V B giảm dần, tốc độ giảm được quyết định bởi tụ C và R. V TH là điện áp ngưỡng của IC 2 Điện trở R P đặt vào mạch nhằm mục đích chống lại quá dòng tại ngõ vào IC 2 và được chọn khoảng 10 đến 100K. - Mạch 3 (hình 2.11) Mạch đa hài phi ổn đối xứng
  64. 63 Hình 2.11. 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 xả, điện áp ngõ vào dao động trên mức điện áp ngưỡng làm điện áp ngõ ra dao động giữa hai mức 0 và 1. Giả sử tại thời điểm đầu Q=0 và /Q=1, tụ C1 nạp tạo dòng qua R1 làm điện áp ngõ vào cổng 1 ở mức cao. Khi tụ C1 nạp đầy thì mất dòng qua R1 dẫn đến ngõ vào cổng 1 xuống 0 và /Q=1. Tụ C2 lúc này nạp điện qua R2 dẫn đến ngõ vào cổng 2 ở mức cao và ngõ ra Q=0. Quá trình cứ tiếp tục. Điện trở R1 thường chọn bằng R2. Tần số dao động được tính theo công 1 thức: f 2 ( R 1 R 3 ) C Mạch chỉ thích hợp cho các tần số cao. 1.3.3. dạng mạch dùng OpAmp (hình 2.12) Dạng mạch 1: Hình 2.12 Diện trở R = R 1//R2 làm giảm dòng điện Offset để hoạt động gần với OpAmp lý tưởng, nhằm mục đích làm cho mạch hoạt động ổn định hơn. Ta có: R1 V Vr Avr và V Vv khi đó Vv > V+ thì Vr = -V. R1 R2
  65. 64 R1 Do đó V V Avr đây là ngưỡng kích mức thấp R1 R2 R1 Khi đó Vv AV thì vr = -V, khi vv < AV thì vr =+V Hình 2.14 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 2.15
  66. 65 R1 R1 Ta có: v- = Vv , V Vra VRe f khi Vv > v+ thì Vra = -V. R1 R2 R1 R2 R1 R1 Do đó Vđây làV ngưỡng kích mứcVRe thấpf AV B R1 R2 R1 R2 R1 R1 Khi Vv - AV + B thì vr = -V, khi vv < AV+ B thì vr =+V Hình 2.16 2. Mạch đa hài đơn ổn - Mục tiêu:Trình bày và phân tích các dạng của mạch đa hài đơn ổn dùng Transistor, IC 555 và dùng cổng Logic ưu nhược điểm của mỗi loại 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 định. Khi có xung điều khiển, thường là các xung kích thích có độ rộng hẹp, thì nó chuyển sang chế độ không ổn định 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 định dài hay ngắn là do các tham số của mạch quyết định. Ngõ ra của bộ dao động đa hài đơn ổn có một trạng thái ổn định (hoặc ở mức cao hoặc mức thấp). Mạch này còn có tên gọi là đa hài đợi hay 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 định. 2.1 Mạch đa hài đơn ổn dùng Transistor Sơ đồ mạch điện cơ bản hình 2.17
  67. 66 Hình 2.17: Mạch đa hài đơn ổn Đây là dạng hai mạch ngắt dẫn ghép với nhau. Cực B của T 1 ghép DC với cực thu của T 2. Cực B của T 2 ghép AC với cực thu của T 1 (qua tụ C). Mạch được thiết kế sao cho ở chế độ T 1 tắt và T2 dẫn bão hòa. Nguồn VBB phân cực nghịch mối nối BE của T 1, do đó T 1 tắt khi chưa có tác động bên ngoài. Còn T2 dẫn bão hòa nhờ cực B của nó được cấp điện thế dương từ nguồn VCC. Ta thấy T2 dẫn bảo hòa vì các giá trị R1 và R C2 được chọn để thỏa mãn điều kiện ß I B > ICbh Do vậy ở trạng thái bền thì Vr = V CE2bh = 0 Do ghép trực tiếp với T 2 qua R3 nên VB1 = VCE2bh < VBE1 Khi T2 dẫn bão hòa thì tụ C nạp điện qua R C1 và qua mối nối BE2, giá trị gần đạt đến là v C = VCC - VBE2 VCC (hình 2.18) Hình 2.18 Khi kích một xung dương vào vv cực nền của T 1, làm T1 đổi trạng thái tự tắt sang dẫn bão hòa. Lúc này thì tụ C phóng điện qua mối nối CE của T 1, sự phóng điện này làm phân cực nghịch mối nối BE của T 2, do đó T 2 tắt. Dòng cực thu của T 2 là IC2 giảm xuống bằng 0. Toàn bộ dòng qua RC2 sẽ chạy hết vào cực nền của T 1 để duy trì trạng thái bão hòa của T 1. Đây là trạng thái không bền của mạch.
  68. 67 Thật vậy, ngay sau khi tụ C xả điện xong thì nó được nạp điện lại qua R1 và CE1. Với thời hằng là R 1C. Điện thế cực nền của T 2 lúc này tăng dần do cực dương của tụ C đặt vào nó và khi đạt giá trị lớn hơn V thì T 2 bắt đầu dẫn lại. Trong lúc này, cùng với sự tăng của dòng I C2 (do dòng IB2 tăng dần), điện áp v r giảm xuống gần bằng không, tức điện thế tại cực nền của T1 bằng không, làm T1 tắt. Như vậy mạch đã trở về trạng thái ban đầu với T 1 tắt và T2 bão hòa vr = VCE2bh. Trong khoảng thời gian ngắn, tụ C sẽ nạp trở lại từ nguồn V CC thông qua R1 và mối nối BE của T 2 đang dẫn để có điện áp xấp xỉ bằng Vcc . Mạch chờ đợi xung kích mới. 2.2. Mạch đa hài đơn ổn dùng IC 555 (hình 2.19. ) Hình 2.19. Dạng sóng tại chân 2, 6 và 3 (hình 2.20) Hình 2.20
  69. 68 3. Mạch đa hài lưỡng ổn - Mục tiêu:Trình bày và phân tích các dạng của mạch đa hài lưỡng ổn dùng Transistor, IC 555 và dùng cổng Logic ưu nhược điểm của mỗi loại. 3.1. Mạch đa hài lưỡng ổn dùng Transistor (hình 2.21) Mạch dao động lưỡng ổn hay còn gọi là mạch dao động hai trạng thái bền. Trong đó,mạch được thiết kế sao cho Q 1 và Q2 làm việc ở vùng dẫn bão hòa.  Nguyên lý hoạt động: Giả sử ban đầu Q1 dẫn, Q2 tắt, mạch ở hình 2.19a trở thành như hình 2.19b. Lúc này, dòng V C C V B E 1 I B 1 R C 2 R 2 tại cực B của transistor Q 1 làm transistor Q1 tiếp tục dẫn. Đồng thời, dòng IB2=0 tại cực B của transistor Q 2 làm transistor Q2 tiếp tục tắt. Do đó, nếu không có tác động bên ngoài thì Q1 vẫn dẫn, Q 2 vẫn tắt. Vì vậy, trạng thái Q 1 dẫn, Q2 tắt là trạng thái ổn định của mạch. Để thay đổi trạng thái ta cấp một xung âm vào Vi, làm V BE1<0 Q1 ngưng dẫn làm điện thế tại V O1 lớn VBE2 đủ lớn Q 2 dẫn, trở thành như hình 2.19c. Hình 2.21 VCC VBE2 Lúc đó, dòng IB2 tại cực B của transistor Q 2 làm transistor Q2 RC1 R1 tiếp tục dẫn. Đồng thời, dòng I B1 = 0 tại cực B của transistor Q 1 tiếp tục tắt. Do đó, nếu không có tác động bên ngoài thì Q2 vẫn dẫn, Q1 tắt là trạng thái ổn định của mạch.
  70. 69 Để thay đổi trạng thái ta cấp một xung dương vào Vi, làm V BE1 đủ lớn Q1 dẫn làm điện thế tại V 01 0VV BE2 0V Q 2 ngưng dẫn. Từ nguyên lý hoạt động ở trên, mạch ở hình ,có 2 trạng thái ổn định. Vì vậy, mạch được gọi là mạch dao động lưỡng ổn. Dạng điện áp vào, ra của mạch lưỡng ổn (hình 2.22) Hình 2.22 3.2. Mạch đa hài lưỡng ổn dùng IC 555 3.2.1. Sơ đồ mạch (hình 2.23). IC 555 được thiết kế đơn giản bao gồm bộ so sánh điện áp, flip – flop và transistor để xả điện. Tuy cấu tạo đơn giản nhưng nó là linh kiện quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong kĩ thuật điện tử. Ba điện trở được nối nối tiếp với nhau và nối với đầu vào nguồn V CC, bộ nguồn VCC chia điện áp cho ba điện trở này. 1/3 điện áp VCC được chân dương của con opamp thứ nhất (COMP1) và 2/3 điện áp VCC được đưa vào chân âm của con opamp thứ hai (COMP2). Khi điện áp vào chân Trigger (chân 2 của IC 555) nhỏ hơn 1/3 điện áp V CC, chân S của flip – flop chuyển sang mức cao và flip –
  71. 70 flop set. Khi điện áp chân THRESHOLD (chân 6 của IC 555) lớn hơn 2/3 V CC thì chân R được tích cực và được reset. Hình 2.23. Sơ đồ mạch IC 555 3.2.2. Giải thích hoạt động (hình 2.24) Giả sử khi được cung cấp điện áp V CC, ngõ ra Q của flip – flop là tích cực (H) còn ngõ ra /Q ở mức thấp (L). Do đó, transistor tắt, dòng điện từ V CC qua Ra và Rb đến tụ điện C. Tụ C nạp điện. Điện áp tại điểm X ban đầu là 0V. Vì điện áp VX < V1 (của COMP1) nên chân S của Flip – flop trở thành tích cực (H) → ngõ ra Q cũng tích cực (H)→ /Qở mức thấp (L). Mặt khác, vì VX < V2 (COMP2), đầu ra COMP2 mức thấp (L), flip – flop hoạt động ổn định ở chế độ này.
  72. 71 Hình 2.24. Hoạt động của các chân IC 555 Điện áp VX giảm khi tụ xả, khi V X ≤ V1,đầu ra của COMP1 trở thành tích cực (H) → chân S của flip – flop cũng tích cực. Ngõ ra Q của FF là mức cao, ngược lại Q là mức thấp. Do đó, transistor tắt, tụ ngừng xả, dòng điện chạy qua tụ, tụ lại nạp, điện áp V X tăng dần. Quá trình được lặp lại như lúc đầu. Khi tụ điện nạp, nó nạp qua 2 điện trở Ra và R b, còn khi xả, tụ chỉ xả qua R b. Như vậy thời gian nạp và thời gian xả là khác nhau, tín hiệu dao động không đều. Để làm giảm sự khác nhau đó, thông thường ta chọn Rb >> Ra (Ra ≠ 0) 4. Mạch Schmitt-trigger - Mục tiêu: Trình bày nguyên lý hoạy động và phân biệt các dạng của mạch Schmitt-trigger, cũng như ứng dụng của mỗi dang mạch. 4.1. Mạch Schmitt-trigger dùng Transistor Dạng 1: Hình 2.25 Schmitt trigger dùng Transistor
  73. 72 Trong sơ đồ mạch hình 2.25, hai transistor T 1, T2 được ghép trực tiếp và có chung RE. Để có điện áp ra là xung vuông thì hai transistor phải chạy ở chế độ bão hòa, ngưng dẫn. Khi T 1 ngưng dẫn sẽ điều khiển T 2 chạy bão hòa và ngược lại khi T 1 bão hòa sẽ điều khiển T 2 ngưng dẫn. Ngưỡng cao và ngưỡng thấp của mạch. VCC VCEra U ng1 VTH .RE 0.8 RC 2 RE VCC VCEra U ng 2 VTH .RE 0.8 RC 1 RE Dạng 2: Hình 2.26 -Mạch hình 2.26 bao gồm hai Transistor T1 và T2, các điện trở phân cực tĩnh. Điện trở Re tạo phản hồi, tụ C (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 T1 tắt T2 dẫn bão hòa.Trong hai trạng thái phân biệt của mạch thì mỗi trạng thái ứng với một Transistor dẫn và một Transistor tắt. Giải thích nguyên lý hoạt động - Khi Vv = 0, T1 tắt, dòng IC1 = 0, toàn bộ dòng IRC1 qua R và RB đến cực B của T2, làm T2 dẫn bão hòa. Đồng thời tại cực E của T1 có điện áp Ve = IE2bh.Re, làm T1 tiếp tục tắt. Ta có Vr = Vc = Ve + V CE2bh.
  74. 73 -Sự chuyển đổi trạng thái sẽ diễn ra khi tín hiệu vào vượt qua mức ngưỡng kích trên (tương ứng với Ve ở trạng thái này), nghĩa là Vv = Ve. Lúc này T1 bắt đầu dẫn, dòng I C2 tăng lên làm dòng IB2 giảm. Và nhờ quá trình hồi tiếp qua điện trở R E làm T2 tắt, do đó v r = VCE. Nếu tiếp tục tăng Vv lớn hơn nữa thì T1 dẫn bão hòa sâu thêm, còn mạch vẫn không đổi trạng thái. - Khi T1 đang dẫn, T2 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 T1 tăng lên, làm V B2 tăng. Và nhờ tác dụng của hồi tiếp qua Re , quá trình nhanh chóng đưa đến T1 tắt và T2 dẫn bão hòa. Ta có : Vr = Ve + VCE2bh 4.2. Mạch Schmitt-trigger dùng cổng logic (hình 2.27) Hình 2.27 Ký hiệu và đặc tuyến của cổng NOT Schmitt trigger (74HC14) (xem hình 2.28) Hình 2.28
  75. 74 Bài tập: Bài 1: Cho mạch hình 2.299, với nguồn cung cấp V CC =9 ± V a). Giải thích hoạt động của mạch, vẽ dạng sóng V C và VOUT b). Từ dạng sóng ở trên, tìm biểu thức chu kỳ T của V OUT Hình 2.29 Bài 2. Thiết kế mạch đa hài bất ổn dùng Opamp. a). Vẽ mạch, giải thích hoạt động của mạch, vẽ dạng sóng V C và VOUT . b). Từ dạng sóng ở trên, tìm biểu thức chu kỳ T của ngõ ra V OUT. Xác định giá trị các linh kiện để mạch có tần số ngõ ra f=5Khz; hệ số công tác q=70%; V 0V . Bài 3. Thiết mạch và tính một mạch dao động đơn ổn có biên độ ra từ (0V đến + 5V) và độ rộng xung T x= 1 giây a) Vẽ dạng mạch và giải thích. b) Tính toán giá trị các linh kiện. Bài 4. Cho mạch hình 2.30 a). Giải thích hoạt động của mạch, vẽ dạng sóng V C và VOUT . b). Từ dạng sóng ở trên, tìm biểu thức chu kỳ T của ngõ ra V OUT c). Tính toán thiết kế mạch để ngõ ra như sau
  76. 75 Hình 2.30 Bài 6. Cho mạch hình 2.31 a) Vẽ dạng sóng tại điểm F và dạng sóng ngõ ra khi P1=5K b) Lặp lại câu a với gía trị biến trở P1 ở vị trí min và max c) Lặp lại câu a nếu tiếp điểm J1 được nối lại d) Lặp lại câu a nếu đặt vào chân 2 tín hiệu có tần số 1khz e) Nhận xét gì nếu tăng tần số tín hiệu câu d f) Tìm trạng thái cấm cho mạch Hình 2.31 Bài 7: Cho mạch hình 2.32
  77. 76 Hình 2.32 a) Vẽ dạng sóng tại điểm F và dạng sóng ngõ ra khi P1=5K b) Lặp lại câu a với gía trị biến trở P1 ở vị trí min và max c) Lặp lại câu a nếu tiếp điểm J1 được nối lại  Thực hành: MẠCH DAO ĐỘNG Mục đích yêu cầu Tạo các kỹ năng sử dụng máy dao động ký đúng phương pháp, an toàn khi sử dụng và trình tự vận hành. Đo các mạch động đa hài dùng Transistor , IC 555 và Op-amp để vẽ các dạng sóng ngõ ra vào trên các mạch, các giá trị biên độ, giá trị đỉnh của các ngõ tín hiệu. Các thiết bị sử dụng - Dao động ký; Nguồn phát sóng âm tần; Đồng hồ VOM, Dây đo dao động ký (2 dây), Dây tín hiệu máy phát sóng. Các bước thực hành I. Mạch dao động đa hài dùng transistor 1. Mạch dao động lưỡng ổn  Lần 1: Hãy ráp mạch như hình 2.33 với RC1= RC2 = 1KΩ; RB1= RB2 = 47kΩ ; R1=R2=560Ω; C= 1μF; R=220Ω; Điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung vuông đơn cực có biên độ 5V, f= 200Hz cấp vào Vi.
  78. 77 Hình 2.33 Đo và vẽ VBE1 (kênh 1) & Vo1(kênh 2) vào hình 2.34. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.34 Đo và vẽ V01 ( kênh) và V02 ( kênh 2) vào hình 2.35 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  79. 78 Hình 2.35  Lần 2: Hãy ráp mạch như hình 2.36 RC1= RC2 = 1KΩ; RB1= RB2 = 47KΩ; R1=R2=560Ω; C= 1μF; R=220Ω; Hình 2.36 - Điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung vuông đơn cực có biên độ 5V, f = 200Hz, cấp vào Vi - Đo VBE1 (kênh 1) & Vo1(kênh 2). Đo Vo1(kênh 1) & Vo2 (kênh 2). - Nhận xét giữa lần 1 và lần 2, khác nhau như thế nào tại sao?
  80. 79  Lần 3: Giữ nguyên mạch điện ở lần 2. Đo điện áp trên hai đầu của điện trở R (kênh 1) vẽ vào hình 2.37. Tháo diode D của mạch, do điện áp trên hai đầu của điện trở R (kênh 2) và vẽ vào hình 2.37 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.37 - Nhận xét sự khác nhau khi tháo diode và khi chưa tháo diode, tại sao?  Nhận xét: 1/. Khi Q1 dẫn VO1 bằng bao nhiêu Volt? Khi Q1 tắt VO1 bằng bao nhiêu Volt? Tại sao? 2/. Khi nào thì Q1 dẫn, Q2 tắt và ngược lại?
  81. 80 3/. Q1 và Q2 có cùng dẫn, cùng tắt đồng thời không? Tại sao? 4/. Tần số dao động của mạch phụ thuộc vào yếu tố nào? Tại sao? 5/. Thời gian dẫn của Q1, thời gian tắt của Q1 phụ thuộc vào yếu tố nào? Tại sao? 6/. Tại sao mạch được gọi là mạch lưỡng ổn? 7/. Trình bày nguyên lý hoạt động của mạch? 2. Mạch dao động đơn ổn  Lần 1: Hãy ráp mạch như hình 2.38 RC1= RC2 = 1KΩ; RB1= RB2 = 47KΩ; R1=R2=560Ω; C= 1μF; R=220Ω; Vcc = 12V.
  82. 81 Hình 2.38 Điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung vuông đơn cực có biên độ 5V, f= 200Hz cấp vào Vi. Đo và vẽ VBE1 (kênh 1) & Vo1 (kênh 2) vào hình 2.39 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.39 Đo và vẽ Vo1(kênh 1) & Vo2 (kênh 2) vào hình 2.40 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  83. 82 Hình 2.40  Lần 2: Hãy ráp mạch như hình 2.41 với RC1=RC2=1KΩ; RB1=47KΩ, R1=560Ω; C2= 1μF; C= 0,1 μF; Hình 2.41 - Điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung vuông đơn cực có biên độ 5V, f= 200Hz cấp vào Vi - Đo VBE1 (kênh 1) & Vo1(kênh 2). Đo Vo1(kênh 1) & Vo2 (kênh 2). - Nhận xét giữa lần 1 và lần 2, khác nhau như thế nào, tại sao?
  84. 83  Lần 3: Ráp mạch điện ở lần 1. Đo điện áp ở Cathode (cực âm) của diode (kênh 1) vẽ vào hình 2.42 Hở Cathode (cực âm) của diode với cực B của Q2, do điện áp ở Cathode (cực âm) của diode (kênh 2) và vẽ vào hình 2.42. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.42  Nhận xét: 1/. Khi Q1 dẫn VO1 bằng bao nhiêu Volt? Khi Q1 tắt VO1 bằng bao nhiêu Volt? Khi Q2 dẫn VO2 bằng bao nhiêu Volt? Khi Q2 tắt VO2 bằng bao nhiêu Volt? Tại sao? 2/. Khi nào thì Q1 dẫn, Q2 tắt và ngược lại? 3/. Q1 và Q2 có cùng dẫn, cùng tắt đồng thời không? Tại sao?
  85. 84 4/. Tần số dao động của mạch phụ thuộc vào yếu tố nào? Tại sao? 5/. Thời gian dẫn của Q1, thời gian tắt của Q1 phụ thuộc vào yếu tố nào? Tại sao? 6/. Tại sao mạch được gọi là mạch đơn ổn? 7/. Trình bày nguyên lý hoạt động của mạch? 3. Mạch dao động bất ổn  Lần 1: Hãy ráp mạch như hình 2.43, RC1= RC2 = 1KΩ; RB1= RB2 = 47KΩ; C1 = 1μF; C2 = 0,1μF; Vcc = 12V Hình 2.43
  86. 85 Đo và vẽ VBE1 (kênh 1) & Vo1(kênh 2) vào hình 2.44. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.44 Đo và vẽ Vo1(kênh 1) & Vo2 (kênh 2) vào hình 2.45 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.45
  87. 86  Lần 2: Hãy ráp mạch như hình 2.46 RC1= RC2 = 1KΩ; RB1= RB2 = 27KΩ; VR =50KΩ; C1= 1μF; C2 = 0,1 μF ; Vcc = 12V. Hình 2.46 Đo và vẽ VBE1 (kênh 1) & Vo1(kênh 2) khi VR ở giá trị nhỏ nhất vào hình 2.46. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.46
  88. 87 - Tính tần số điện áp ngõ ra theo hình 2.46. - Tính tần số điện áp ngõ ra theo lý thuyết. - So sánh kết qủa của hai lần tính trên. Đo và vẽ VBE2 (kênh 1) & Vo2(kênh 2) khi VR ở giá trị lớn nhất vào hình 2.47 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.47 - Tính tần số điện áp ngõ ra theo hình 2.47.
  89. 88 - Tính tần số điện áp ngõ ra theo lý thuyết. - So sánh kết qủa của hai lần tính trên. - Nhận xét sự phụ thuộc điện áp ngõ ra theo vị trí của biến trở? Tại sao?  Lần 3: Hãy ráp mạch như hình 2.48 RC1= RC2 = 1KΩ; RB1= RB2 = 27KΩ; VR = 50KΩ; C1= 1μF; C2 = 0,1 μF ; Vcc = 12V. Hình 2.48 Đo và vẽ VBE1 (kênh 1) & Vo1(kênh 2) khi VR ở vị trí X vào hình 2.49. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  90. 89 Hình 2.49 - Tính tần số điện áp ngõ ra theo hình 2.49. - Tính tần số điện áp ngõ ra theo lý thuyết. - So sánh kết qủa của hai lần tính trên. - Đo và vẽ VBE1 (kênh 1) & Vo1(kênh 2) khi VR ở vị trí Y vào hình 2.50. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  91. 90 Hình 2.50 - Tính tần số điện áp ngõ ra theo hình 2.50. - Tính tần số điện áp ngõ ra theo lý thuyết. - So sánh kết qủa của hai lần tính trên. - Nhận xét sự phụ thuộc điện áp ngõ ra theo vị trí của biến trở? Tại sao?
  92. 91  Nhận xét: 1/. Khi Q1 dẫn VO1 bằng bao nhiêu Volt? Khi Q1 tắt VO1 bằng bao nhiêu Volt? Khi Q2 dẫn VO2 bằng bao nhiêu Volt? Khi Q2 tắt VO2 bằng bao nhiêu Volt? Tại sao? 2/. Khi nào thì Q1 dẫn, Q2 tắt và ngược lại? 3/. Q1 và Q2 có cùng dẫn, cùng tắt đồng thời không? Tại sao? 4/. Tần số dao động của mạch phụ thuộc vào yếu tố nào? Tại sao? 5/. Thời gian dẫn của Q1, thời gian tắt của Q1 phụ thuộc vào yếu tố nào? Tại sao? 6/. Tại sao mạch được gọi là mạch bất ổn?
  93. 92 7/. Trình bày nguyên lý hoạt động của mạch? 8/. Phân biệt sự khác nhau của các mạch trong các lần đo? Giải thích? II. Mạch dao động đa hài dùng Op-Amp 4. Mạch Schmitt Trigger  Lần 1: Hãy ráp mạch như hình 2.51 với R1=R2=10KΩ; ±Vcc= ±12V. Hình 2.51 Điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung tam giác có biên độ 10V, f=1KHz cấp vào Vi. Đo và vẽ Vi (kênh 1) & Vo (kênh 2) vào hình 2.52. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  94. 93 Hình 2.52 Đo và vẽ Vi(kênh 1) & V+(kênh 2) vào hình 2.43. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.53
  95. 94  Lần 2: Thực hiện như lần 1 nhưng điều chỉnh nguồn tín hiệu là sóng sin có biên độ 10V, f=2KHz cấp vào Vi. Đo và vẽ Vi (kênh 1) & Vo(kênh 2) vào hình 2.54 Kênh 1: Kênh 2: Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.54 Đo và vẽ Vi (kênh 1) & V+ (kênh 2) vào hình 2.52 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.52
  96. 95  Lần 3: Thực hiện như lần 1 nhưng thay R1=10KΩ, R2=33KΩ và điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung tam giác có biên độ 10V, f=3KHz cấp vào Vi. Đo và vẽ Vi (kênh 1) & Vo(kênh 2) vào hình 2.53 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.53 Đo và vẽ Vi(kênh 1) & V+(kênh 2) vào hình 2.54 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.54
  97. 96  Lần 4: Hãy ráp mạch như hình 2.58 với R1=10 KΩ, R2=20 KΩ , ±Vcc=±12V. Hình 2.58 Điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung tam giác có biên độ 10V, f=1KHz cấp vào Vi. Đo và vẽ Vi (kênh 1) & Vo(kênh 2) vào hình 2.49 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.49 Đo và vẽ Vi (kênh 1) & Vo(kênh 2) vào hình 2.50 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div
  98. 97 - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.50  Lần 5: Thực hiện như lần 4 nhưng điều chỉnh nguồn tín hiệu là sóng sin có biên độ 10V, f=2KHz cấp vào Vi. Đo và vẽ Vi (kênh 1) & Vo(kênh 2) vào hình 2.51 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.51
  99. 98 Đo và vẽ Vi (kênh 1) & V+ (kênh 2) vào hình 2.52 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.52  Lần 6: Thực hiện như lần 1 nhưng thay R1=10KΩ, R2=47KΩ và điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung tam giác có biên độ 10V, f=3KHz cấp vào Vi. Đo và vẽ Vi (kênh 1) & Vo(kênh 2) vào hình 2.53. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  100. 99 Hình 2.53 Đo và vẽ Vi(kênh 1) & V+(kênh 2) vào hình 2.54 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.54
  101. 100  Nhận xét: 1/. So sánh dạng điện áp VI và Vo (hình dạng, biên độ, tần số)? Hình dạng điện áp ngõ vào có ảnh hưởng đến dạng điện áp ngõ ra không ? 2/. Điện áp ngõ ra của Opamp thay đổi trạng thái từ -Vcc tới +Vcc khi nào? Điện áp ngõ ra của Opamp thay đổi trạng thái từ +Vcc tới -Vcc khi nào? (so sánh trường hợp ở lần 1 và trường hợp ở lần 4) 3/. Điện thế V+ thay đổi như thế nào trong từng trường hợp? Nếu VI có biên độ nhỏ hơn biên độ của V+ thì điện áp Vo như thế nào ? 4/. Trình bày nguyên lý hoạt động của mạch và giải thích dạng điện áp theo từng khoảng thời gian ? 5. Mạch bất ổn  Lần 1: Hãy ráp mạch như hình 2.55 với R1=R2=10KΩ; ±Vcc= ±12V; R=47KΩ; C=0,1μF.
  102. 101 Hình 2.55 Đo và vẽ V- (kênh 1) & Vo (kênh 2) vào hình 2.56. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.56 Đo và vẽ V-(kênh 1) & V+(kênh 2) vào hình 2.57 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  103. 102 Hình 2.57  Lần 2: Thực hiện như lần 1 nhưng thay R1=10KΩ, R2=33KΩ. Đo và vẽ V- (kênh 1) & Vo(kênh 2) vào hình 2.58 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.58 Đo và vẽ V-(kênh 1) & V+(kênh 2) vào hình 2.59 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  104. 103 Hình 2.59  Lần 3: Hãy ráp mạch như hình 2.60 với R1=R2=10KΩ; ±Vcc= ±12V; R=1KΩ; C=0,1μF; VR= 50 KΩ. Hình 2.60 Đo và vẽ V- (kênh 1) & Vo (kênh 2) khi VR ở giá trị bé nhất vào hình 2.61 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  105. 104 Hình 2.61 Đo và vẽ V- (kênh 1) & V+ (kênh 2) khi VR ở giá trị bé nhất vào hình 2.62 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.62 - Tính tần số điện áp ngõ ra theo hình 2.62
  106. 105 - Tính tần số điện áp ngõ ra theo lý thuyết. - So sánh kết qủa của hai lần tính trên. - Đo và vẽ V- (kênh 1) & Vo(kênh 2) khi VR ở giá trị lớn nhất vào hình 2.63 Kênh 1: Kênh 2: Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.63 - Đo và vẽ V- (kênh 1) & V+ (kênh 2) khi VR ở giá trị lớn nhất vào hình 2.64 Kênh 1: Kênh 2: Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  107. 106 Hình 2.64 - Tính tần số điện áp ngõ ra theo hình 2.64. - Tính tần số điện áp ngõ ra theo lý thuyết. - So sánh kết qủa của hai lần tính trên. - Nhận xét sự phụ thuộc điện áp ngõ ra theo vị trí của biến trở ? Tại sao?  Lần 4: Hãy áp mạch như hình 2.65 với R1= R2 = 10KΩ, ±Vcc = ±12V; R=1KΩ; C=0,1μF; VR= 50 KΩ.
  108. 107 Hình 2.65 Đo và vẽ V- (kênh 1) & V+ (kênh 2) khi VR ở vị trị X vào hình 2.66. Kênh 1: Kênh 2: Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.66 Đo và vẽ V- (kênh 1) & V+ (kênh 2) khi VR ở vị trị X vào hình 2.67 - Time/Div: - Time /Div
  109. 108 - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.67 - Tính tần số điện áp ngõ ra theo hình 2.67. - Tính tần số điện áp ngõ ra theo lý thuyết. - So sánh kết qủa của hai lần tính trên. - Đo và vẽ V- (kênh 1) & Vo(kênh 2) khi VR ở vị trí Y vào hình 2.68 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  110. 109 Hình 2.68 - Đo và vẽ V- (kênh 1) & V+ (kênh 2) khi VR ở vị trị Y vào hình 2.69 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.69 - Tính tần số điện áp ngõ ra theo hình 2.69. - Tính tần số điện áp ngõ ra theo lý thuyết.
  111. 110 - So sánh kết qủa của hai lần tính trên. - Nhận xét sự phụ thuộc điện áp ngõ ra theo vị trí của biến trở? Tại sao?  Nhận xét: 1/. Tần số dao động của mạch phụ thuộc vào yếu tố nào? Tại sao? 2/. Tại sao mạch được gọi là mạch bất ổn? 3/. Trình bày nguyên lý hoạt động của mạch? 4/. Phân biệt sự khác nhau của các mạch trong các lần đo? Giải thích? 6. Mạch đơn ổn  Lần 1: Hãy ráp mạch như hình 2.70 với R1= R2= 10KΩ; ±Vcc= ±12V; R=4,7KΩ; C=0,1μF; R3= 330Ω; C1=0,1μF.
  112. 111 Hình 2.70 Điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung vuông đơn cực có biên độ là 5V, tần số 500Hz, cấp vào VI. Đo và vẽ V- (kênh 1) & Vo (kênh 2) hình 2.71 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.71 Đo và vẽ V-(kênh 1) & V+(kênh 2) vào hình 2.72 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  113. 112 Hình 2.72  Lần 2: Thực hiện như lần 1 nhưng thay R1=10KΩ, R2=33KΩ. Đo và vẽ V- (kênh 1) & Vo(kênh 2) vào hình 2.73 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.73 Đo và vẽ V- (kênh 1) & V+ (kênh 2) vào hình 2.74 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  114. 113 Hình 2.74  Lần 3: Hãy ráp mạch như hình 2.75, với R1=R2=10KΩ; ±Vcc = ±12V; R=2,2KΩ; C=0,1μF; VR = 2 KΩ, R3= 330Ω; C1=0,1μF. Hình 2.75 Điều chỉnh nguồn tín hiệu là xung - vuông đơn cực có biên độ là 5V, tần số 200Hz, cấp vào VI. Đo và vẽ V- (kênh 1) & Vo(kênh 2) khi VR ở giá trị bé nhất vào hình 2.76. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div
  115. 114 Hình 2.76 Đo và vẽ V- (kênh 1) & V+ (kênh 2) khi VR ở giá trị bé nhất vào hình 2.77. Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.77 - Tính tần số điện áp ngõ ra theo hình 2.77. - Tính độ rộng xung theo hình H5 và theo lý thuyết. So sánh kết quả.
  116. 115 - Đo và vẽ V- (kênh 1) & Vo(kênh 2) khi VR ở giá trị lớn nhất vào hình 2.78 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.78 Đo và vẽ V- (kênh 1) & V+ (kênh 2) khi VR ở giá trị lớn nhất vào hình 2.79 Kênh 1: Kênh 2: - Time/Div: - Time /Div - Volts/Div: - Volts/Div Hình 2.79 - Tính tần số điện áp ngõ ra theo hình 2.79
  117. 116 - Tính độ rộng xung theo hình 2.79 và theo lý thuyết. So sánh kết quả. - Nhận xét sự phụ thuộc điện áp ngõ ra theo vị trí của biến trở? Tại sao?  Nhận xét: 1/. Tần số dao động của mạch phụ thuộc vào yếu tố nào? Tại sao? 2/. Thời gian OpAmp làm việc ở vùng bão hòa dương phụ thuộc vào yếu tố nào? Thời gian OpAmp làm việc ở vùng bão hòa âm phụ thuộc vào yếu tố nào? Tại sao? 3/. Trình bày nguyên lý hoạt động của mạch? 4/. Phân biệt sự khác nhau của các mạch trong các lần đo? Giải thích?
  118. 117  YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 2 Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được khái niệm, phân biệt sự khác nhau của các mạch đa hài bất ổn - đơn ổn – lưỡng ổn, mạch schmitt trigger, + Về kỹ năng: sử dụng thành thạo các dụng cụ đo để đo được các hình dạng, biên độ, tần số của mạch đa hài và schitt trigger một cách chính xác. + Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp. Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm. + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ năng thực hiện đo được các thông số trong mạch điện theo yêu cầu của bài. + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác, ngăn nắp trong công việc.
  119. 118 BÀI 3 MẠCH HẠN CHẾ BIÊN ĐỘ VÀ GHIM ĐIỆN ÁP Mã Bài:MĐ19 - 03 Giới thiệu Trong hệ thống tuyến tính, khi một tín hiệu dạng sin tác động ở ngõ vào, ngõ ra không bị biến dạng. Ở những hệ thống này, các linh kiện được dùng là những phần tử tuyến tính. Đối với những phần tử không tuyến tính (phi tuyến ) đặc tuyến Volt-Ampere không là đường thẳng. Đặc tính không tuyến tính được áp dụng trong việc biến đổi dạng sóng ngõ vào. Dạng sóng này rất hữu dụng trong những ứng dụng kỹ thuật xung. Một dạng mạch được khảo sát trong chương này mà dạng sóng ra không tuyến tính gọi là mạch hạn chế biên độ. Mạch hạn chế biên độ cũng được xem tương đương như một mạch hạn chế biên độ, mạch chọn điện áp, hay mạch chọn biên độ. Mạch định mức DC của tín hiệu AC đạt đến một mức xác định, mà không bị biến dạng sóng gọi là mạch ghim điện áp. Mạch ghim điện áp được dựa trên cơ sở như một mạch phục hồi thành phần điện áp DC. Nó dùng để ổn định nền hoặc đỉnh của tín hiệu xung ở một mức xác định nào đó bằng hoặc khác không. Như vậy mạch sẽ ghim tín hiệu ở những mức DC khác nhau. Mục tiêu: - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động các mạch hạn chế biên độ và ghim áp. - Nêu được các ứng dụng của mạch hạn chế biên độ và ghim áp trong kỹ thuật. - Lắp ráp, sửa chữa, đo kiểm được các mạch hạn chế biên độ và ghim áp đúng yêu cầu kỹ thuật. - Rèn luyện tính tư duy, tác phong công nghiệp. 1. Mạch hạn biên - Mục tiêu: Trình bày được khái niệm, nêu và phân biệt sự khác nhau của mạch hạn chế biên độ âm khi mạch phân cực thuân nghịch, tác động của điện dung và transistor lên mạch hạn biên. 1.1. Khái niệm Trong hệ thống tuyến tính, khi một tín hiệu dạng sin tác động ở ngõ vào, ngõ ra không bị biến dạng. Ở những hệ thống này, các linh kiện được dùng là những phần tử tuyến tính. Đối với những phần tử không tuyến tính
  120. 119 (phi tuyến) đặc tuyến Volt-Ampere không là đường thẳng. Đặc tính không tuyến tính được áp dụng trong việc biến đổi dạng sóng ngõ vào. Dạng sóng này rất hữu dụng trong những ứng dụng kỹ thuật xung. Mạch hạn chế biên độ là mạch mà tín hiệu đầu ra lặp lại tín hiệu đầu vào khi điện áp đầu vào chưa vượt qua một giá trị nào đó gọi là ngưỡng của mạch hạn chế, còn ngược lại điện áp đầu ra sẽ giữ nguyên một giá trị không đổi khi điện áp đầu vào vượt ra ngoài ngưỡng hạn chế của mạch. Giá trị không đổi đó gọi là mức hạn chế. Một mạch hạn chế biên độ được định nghĩa như một mạch hạn chế biên độ điện áp bởi sự cắt bỏ những thành phần không cần thiết của dạng sóng ngõ vào. Sự cắt bỏ này có thể thực hiện bên trên hoặc bên dưới của tín hiệu ngõ vào một mức nào đó. Mạch hạn chế biên độ là một mạng hai cửa, có đường đặc tính là những đường gãy lý tưởng, có một đường nghiêng đi qua hoặc không đi qua gốc tọa độ, một hay hai đường nằm ngang có nhiệm vụ loại bỏ những thành phần không cần thiết của tín hiệu ngõ vào. Ngõ ra quan hệ với ngõ vào theo phương trình: vr = f(vv). Các dạng đặc tuyến vào –ra có thể có (hình 3.1). Hình 3.1
  121. 120 Về thực chất mạch hạn chế biên độ đóng vai trò như một chuyển mạch điện tử (switching). Nếu như khóa mắc nối tiếp với tải thì tín hiệu sẽ đi qua khi khóa đóng và bị chặn lại khi khóa mở, tức là đóng vai trò của một phần tử phi tuyến. Để thực hiện yêu cầu đó, người ta dùng các phần tử không tuyến tính như: Diode, Transistor, Op-amp . Riêng mạch hạn chế dùng Transistor và Op-amp, ngoài nhiệm vụ cắt bỏ những thành phần không cần thiết còn khuếch đại tín hiệu, nên còn gọi là mạch hạn chế khuếch đại. Những yêu cầu của mạch hạn chế biên độ là độ sắc khi cắt, độ ổn định của nguỡng. Điều này phụ thuộc vào những phần tử phi tuyến được sử dụng. 1.2. Mạch hạn biên dùng Diode Theo cách mắc của Diode, chia mạch hạn chế biên độ dùng Diode thành hai loại song song và nối tiếp. -Mạch hạn chế nối tiếp có Diode được mắc nối tiếp với tải. -Mạch hạn chế song song có Diode được nối song song với tải. Theo chức năng, mạch hạn chế biên độ nối tiếp và song song được chia thành hai loại hạn chế biên độ âm, hạn chế biên độ dương và mạch hạn chế biên độ hai phía. -Hạn chế biên độ âm là cắt bỏ thành phần âm của dạng sóng tín hiệu vào và chỉ giữ lại thành phần dương. -Hạn chế biên độ dương là cắt bỏ thành phần dương của dạng sóng tín hiệu vào và chỉ giữ lại phần âm Hạn chế biên độ hai phía là cắt bỏ cả thành phần âm và thành phần dương của tín hiệu vào một mức nào đó. 1.2.1. Mạch hạn chế biên độ dương. Dạng mạch 1 (hình 3.2): Hình 3.2
  122. 121 Dạng mạch 2 (hình 3.3) Hình 3.3 Ngưỡng hạn chế biên độ VDC = V Dạng mạch 3 (hình 3.4) Hình 3.4 1.2.2. Mạch hạn chế biên độ Âm Xét tín hiệu ngõ vào là dạng sóng sin có biên độ max là ±V Dạng mạch 1 Đối với Diode thực tế, khi phân cực thuận thì có dạng tương đương như hình 3.5:
  123. 122 Hình 3.5 - Xét V  Khi V so sánh được với Vv, nhất là với V DC , thì ta phải kể V vào mạch. Trường hợp này thường là mạch sử dụng Diode loại Si, có v =0,6V, và nguồn VDC bé. Khi VDC >> V , thì ta có thể bỏ qua V Ta xét dạng mạch mà trong đó V so sánh được với V DC hình 3.6 Hình 3.6 Đây là dạng mạch hạn chế biên độ song song, có V v = 8 sin t Nếu VV > V + VDC = 2,6 (V), thì Diode dẫn, tín hiệu vào được truyền đến ngõ ra , lúc này ta có VR = VDC + V = 2,6 (V). Nếu vv < V + VDC = 2,6(v), thì Diode ngưng dẫn, do đó V r = Vv = 8 sin t. - Xét rd Khi D dẫn thì tồn tại điện trở thuận r d (điện trở động), r d so sánh được với R (điện trở tải), lúc đó tín hiệu ra sẽ bị méo không còn sắc sảo nữa.  Các dạng méo có thể gặp như sau: Trường hợp a, hình 3.7
  124. 123 Hình 3.7 Trường hợp b, hình 3.8 Hình 3.8 -Chứng minh Xét trường hợp a hình 3.7, mạch tương đương của diode D khi D là Diode thực tế. Phân cực thuận, hình 3.9 Hình 3.9
  125. 124 Phân cực nghịch, Hình 3.10 Hình 3.10 Giả sử Rng hay R ng >> R (điều này phù hợp với thực tế nhất là khi diode là loại Si) vr + Khi Vv < VDC + V , diode phân cực nghịch, D tắt Vr Vv hay 1 vv + Khi Vv VDC + V , D phân cực thuận D dẫn. Lúc này Vm VDC V Vrd . Ta có: Vrd i.rd ( ) vv (VDC V ) 1 1 Mà i vv . (VDC V ). R rd R rd R rd rd 1 Phương trình (*) vra vv. (VDC V ). (VDC Vr ) R rd R rd rd r vra vv . (VDC V ). 1 R rd R rd rd R vra vv. (VDC V ). R rd R rd R -Nếu r d << R (ví dụ: rd = 5 , R = 1M), thì 1 thì quan hệ R rd giữa điện áp ra và điện áp vào là: 1 vra vv VDC V , nếu R lớn thì 0 , do đó VR VDC V R
  126. 125 - Nếu rd có thể so sánh với R (VD r d = 5 , R=10 ) thì quan hệ vào - ra như hình 3 .11. rd R vra vv. (VDC V ). V'r R rd R rd r d Độ dốc : R r d Hình 3.11 1.2.3. Ảnh Hưởng Của Điện Dung Liên Cực C d Giữa hai cực của Diode tồn tại một điện dung liên cực. Điện dung này cũng làm dạng sóng ra bị méo. Chúng ta khảo sát sự ảnh hưởng của tụ C d đến dạng sóng ngõ ra. Xét dạng mạch như hình 3.12
  127. 126 Hình 3.12 Giải thích hoạt động: Khi Vv = 5(v) thì D phân cực thuận, D dẫn, do đó tụ C d và C2 được nạp với thời hằng nạp là t 1 = rd (Cd + C2). Khi vv = - 5(v) thì D ngưng dẫn tụ C 2 xả qua R với thời hằng là t2 = RC2, mà t1 > rd), thời gian xả hết lâu hơn so với thời gian nạp đầy. 1.3. Mạch hạn biên dùng Transistor Transistor là linh kiện phi tuyến và có thể được dùng cho mạch hạn chế biên độ. Điều này xảy ra khi transistor đi từ vùng tắt vào trong vùng tích cực hoặc khi transistor đi từ vùng tích cực đến vùng bão hòa. Như vậy, nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi làm cho một trong hai quá trình này xảy ra, ngõ ra sẽ bị hạn biên. Vì ta mong muốn điện áp ngõ ra của phần không bị hạn chế biên độ sẽ giữ nguyên dạng của tín hiệu vào nên ta cần có dòng ngõ vào (không phải điện áp ngõ vào) sẽ có hình dạng của tín hiệu. Lý do là vì trong vùng tích cực, dòng điện có độ thay đổi tuyến tính hơn là điện áp. Do đó, trong các mạch hạn chế biên độ dùng transistor cũng như trong các mạch transistor tín hiệu lớn khác, ta sẽ sử dụng mạch lái dòng. Điện trở R, thường biểu diễn nội trở nguồn hoặc một điện trở cần phải có trong mạch, phải lớn khi so sánh với điện trở ngõ vào của transistor trong vùng tích cực. Dưới các điều kiện này, dòng ngõ vào sẽ có hình dạng rất giống với điện áp ngõ vào như công thức dưới đây. ( v V ) i i  B R .
  128. 127 . Khi BJT được tạo nên bằng cách đặt bán dẫn loại P giữa hai bán dẫn loại N như hình 3.13(a), nó được gọi là BJT loại NPN. Ngược lại, hình 3.13(b) cho thấy cấu trúc của BJT loại PNP. Hình 3.13. Cấu trúc transistor NPN và PNP Vùng bán dẫn nằm giữa được gọi là miền nền (base). Hai vùng hai bên, một vùng được gọi là miền phát (emitter) và một vùng được gọi là miền thu (collector). Ở các phần sau ta sẽ dùng cả thuật ngữ tiếng Việt hoặc tiếng Anh để chỉ các cực và các miền của transistor. Thông thường, trong các BJT rời, các miền này được gắn với các chân linh kiện nối ra bên ngoài để có thể thực hiện các kết nối với mạch ngoài. Các BJT trong các mạch tích hợp có thể không có các chân kết nối này. Các chân linh kiện được đặt theo tên của miền mà nó kết nối vào. Hình 3.14 trình bày các chân linh kiện được kết nối với các vùng trong BJT. Hình 3.14: Các cực base, emitter, collector của transistor NPN và PNP Trong thực tế, BJT được chế tạo với miền nền rất hẹp và mật độ hạt dẫn trong nó cũng rất thấp do nó được kích thích với rất ít tạp chất. Cả hai đặc điểm này đều rất quan trọng đối với một transistor. Vì cả hai loại BJT này đều có đặc tính giống nhau do đó ta chỉ xem xét trên loại NPN. Các tính chất cả loại PNP có thể suy ra từ NPN bằng cách thay đổi loại hạt dẫn, cực tính của điện áp cũng như chiều dòng điện như ta sẽ thấy trong phần sau. Để BJT có thể hoạt động bình thường trong chế độ khuếch đại, cần phải phân cực cả hai chuyển tiếp của BJT. Chuyển tiếp giữa miền nền và miền phát phải phân cực thuận và chuyển tiếp giữa miền nền và miền thu phải phân cực ngược. Hình 3.15 trình bày cách thức phân cực cho cả hai chuyển tiếp.
  129. 128 HH Hình 3.15. Phân cực chuyển tiếp PNP trong transistor NPN Ta có thể thấy là trong hình 3.15(a), chuyển tiếp được phân cực thuận bởi nguồn áp. Khi chuyển tiếp này được phân cực thuận, dòng khuếch tán của các electron tự do sẽ được “phát” đi từ miền phát emitter, bề rộng vùng nghèo thu hẹp. Ta đã biết đến điều này khi xét phân cực của một chuyển tiếp trong chương 2. Ta nói rằng hạt dẫn được phun (injected) từ emitter vào miền nền base. Thật ra khi được phân cực thuận, còn có dòng lỗ trống đi từ base sang emitter, tuy nhiên như ta đã đề cập ở phần trên, vì mật độ hạt dẫn trong miền nền rất thấp nên ta có thể bỏ qua dòng này so với dòng electron tự do phát đi từ emitter. Hình 3.15(b) trình bày phân cực ngược chuyển tiếp được thực hiện bằng nguồn. Kết quả của phân cực ngược là bề rộng vùng nghèo mở rộng, dòng điện chỉ có thể đi từ miền nền base sang miền thu collector vì là dòng của các hạt dẫn thiểu số. Tuy nhiên, như phân tích ở phần trên, các electron tự do được phun vào miền nền sẽ trở thành hạt dẫn thiểu số, các electron này sẽ tiếp tục trôi sang miền thu collector dưới tác dụng của phân cực ngược. Hình 3.16 cho thấy transistor NPN khi được phân cực đồng thời cả hai chuyển tiếp . Chú ý là miền nền base được nối đất, tức là điểm có điện thế được qui ước là 0 volts. Miền phát emitter âm so với miền nền base và miền thu collector dương so với miền nền base. Đây là điều kiện cần thiết để phân cực thuận j E và phân cực ngược j C .
  130. 129 Hình 3.16. Transistor NPN khi có tác dụng phân cực. Vì miền nền hẹp và mật độ hạt dẫn rất thấp do đó rất ít electron bị tái hợp trong miền này. Các electron này sẽ khuếch tán sang miền thu dưới tác dụng của phân cực ngược j C . Chúng ta kết luận là dòng electron là dòng chi phối trong transistor NPN. Đối với transistor PNP, dòng lỗ trống sẽ là dòng chi phối chủ yếu. Trong thực tế, mặc dù mật độ lỗ trống trong miền nền rất thấp, quá trình tái hợp vẫn có thể xảy ra. Khi mỗi electron tái hợp với một lỗ trống, một electron sẽ rời miền nền thông qua cực nền B sinh ra một dòng nền rất nhỏ, giá trị của nó chỉ khoảng 2% dòng electron phát đi từ emitter. Trong hình 3.16, mũi tên được vẽ để chỉ hướng qui ước của dòng trong transistor NPN, hướng này là ngược với hướng của dòng electron. Dòng qui ước chảy từ V CC vào cực C được gọi là dòng cực thu, hoặc dòng collector I C. Dòng chảy vào cực nền được gọi là dòng nền, hoặc dòng base I B, và dòng từ VEE chảy vào cực phát được gọi là dòng cực phát, hoặc dòng emitter I E. Hình 3.17a) trình bày biểu tượng mạch của một transistor NPN. Hình 3.18(a) là biểu tượng của transistor PNP. So sánh hình 3.17 và hình 3.18, chúng ta cần phải để ý chiều của mũi tên tại cực E, để dễ nhớ, ta có thể xem là mũi tên này chỉ chiều qui ước của dòng điện. Hơn nữa, cực tính của nguồn V CC và VEE là ngược nhau cho BJT loại NPN và PNP. Hình 3.17. Sơ đồ transistor NPN tương đương
  131. 130 Hình 3.18. Sơ đồ transistor PNP tương đương Để nhấn mạnh và làm rõ hơn hoạt động của BJT, hình 3.19 thay biểu tượng BJT bằng một khối và chỉ rõ chiều dòng điện chảy vào và ra khỏi khối. Áp dụng định luật Kirchhoff Ta có: IE IC IB Hình 3.19. Mỗi loại transistor được thay bằng một hình vuông được chỉ rõ dòng vào và ra của linh kiện. 2. Mạch ghim áp - Mục tiêu: Trình bày được các phần tử cần có trong mạch ghim áp ( R,C, Diod và nguồn DC) nó có vai trò như thế nào trong mạch. Mạch ghim điện áp, mạch dịch mức DC của tín hiệu AC đạt đến một mức xác định, mà không bị biến dạng sóng. Mạch ghim áp được dựa trên cơ sở như một mạch phục hồi thành phần điện áp DC. Nó dùng để ổn định nền hoặc đỉnh của tín hiệu xung ở một mức xác định nào đó bằng hoặc khác không. Dạng sóng điện áp có thể bị dịch một mức, do nguồn điện áp không phụ thuộc được cộng vào. Mạch ghim áp vận hành dịch mức, nhưng nguồn cộng vào không lớn hơn dạng sóng độc lập. Lượng dịch phụ thuộc vào dạng sóng hiện thời. Mạch ghim áp cần có: +Tụ C đóng vai trò phần tử tích năng lượng. +Diode D đóng vai trò khóa.
  132. 131 +Điện trở R. +Nguồn DC tạo mức DC. Hai loại mạch ghim áp chính: Mạch ghim áp Diode và Transistor. Dạng này ghim mức biên độ dương hoặc mức biên độ âm, và cho phép ngõ ra mở rộng chỉ theo một hướng từ mức chuẩn. Mạch ghim áp khóa (đồng bộ) duy trì ngõ ra tại một số mức cố định cho đến khi được cung cấp xung đồng bộ và lúc đó ngõ ra mới được cho phép liên hệ với dạng sóng ngõ vào. Điều kiện mạch ghim áp: Giá trị R và C phải được chọn để hằng số thời gian t = RC đủ lớn để sụt áp qua tụ không quá lớn Trong phần lý thuyết này ta xem tụ nạp đầy sau 3t n và tụ xả hết sau 3t x . Nguyên lý làm việc của các mạch ghim điện áp dựa trên việc ứng dụng hiện tượng thiên áp, bằng cách làm cho các hằng số thời gian phóng và nạp của tụ trong mạch khác hẳn nhau. 2.1. Mạch ghim áp dùng Diode Loại mạch ghim áp đơn giản sử dụng một Diode kết hợp với mạch RC. Tụ C đóng vai trò là phần tử tích - phóng năng lượng điện trường, Diode D đóng vai trò là khóa điện tử , còn nguồn DC tạo mức chuẩn. Các giá trị R và C phải chọn thích hợp, để hằng số thời gian t = RC đủ lớn nhằm làm sụt áp qua tụ C không quá lớn hoặc tụ C không được xả điện nhanh. Tụ nạp đầy và phóng điện hết trong thời gian 3t đến 5t, ở đây các Diode được xem là lý tưởng. 2.1.1. Mạch ghim đỉnh trên của tín hiệu ở mức không Xét tín hiệu vào là chuỗi xung có biên độ max là ±V m (hình 3.20) Hình 3.20
  133. 132 Đây là mạch ghim áp đỉnh trên của tín hiệu ở mức điện áp là 0v. Điện trở R có giá trị lớn, với nhiệm vụ là nhằm khắc phục nhược điểm: Khi biên độ tín hiệu vào giảm thì mất khả năng ghim đỉnh trên của tín hiệu vào ở mức không. Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm từ 0 đến t1, thời điểm tồn tại xung dương đầu tiên, Vv = Vm , Diode D dẫn, tụ C được nạp điện qua Diode (không qua R, vì điện trở thuận của D rất nhỏ), cực âm của tụ tại điểm A, tụ nạp với hằng số thời gian là:  n CRd 0 VC Vm Lúc này V VV VC 0 Thời điểm từ t1 đến t2, thời điểm mà ngõ vào tồn tại xung âm, VV = -Vm, Diode bị phân cực nghịch, D ngưng dẫn, lúc này tụ C phóng điện qua R, có dạng mạch tương đương như hình 3.21. Hình 3.21 Thời hằng phóng điện là f = CR , thời gian này rất lớn so với khoảng thời gian từ t 1 đến t 2, do vậy tụ C chưa kịp xả mà vẫn còn tích lại một lượng điện áp là V c = Vm. Do vậy, vr = vv - vc = -Vm -Vm = - 2Vm . 2.1.2. Mạch ghim đỉnh trên của tín hiệu ở mức điện áp bất kỳ (hình 3.22) Hình 3.22
  134. 133 Tín hiệu vào là dạng xung có tần số f = 1 Hz và biên độ max là ±Vm. Giả sử v cho C = 0,1 µ F, VDC = 5 , R = 1000 k , Vm = 10(v) 1 T Ta có f = 1KHz T 1(ms) . Bán kỳ có thời gian 0.5(ms) f 2 Giải thích nguyên lý hoạt động: v Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương V v = Vm =10 >VDC, Diode D dẫn điện, tụ C được nạp điện qua Diode D với hằng số thời gian  rd .C 0 Ta có: V D C V  V C V V . Giá trị điện áp mà tụ nạp đầy là: V C V V V  V D C 1 0 5 5 ( v ) Do đó V ra V D C V  5 (v ) Thời điểm từ t1 đến t2 thì ngõ vào tồn tại xung âm, V v = -Vm = -10v, Diode D ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R, với thời hằng phóng điện -6 6  f = CR = 0,1.10 .10 = 0,1(s ) = 10 (ms). Vậy sau 5 thì tụ phóng hết, tức sau 5.10 = 50 (ms), thời gian này lớn gấp 20 lần thời gian từ t1 đến t2 (0,5ms), do vậy vc vẫn giữ mức điện áp là v 5 → Vr = Vv - Vc = -10 - 5 = -15v . Nếu đảo cực tính của nguồn VDC thì đỉnh trên ghim ở mức điện áp là -5(v). 2.1.3. Mạch ghim đỉnh dưới của tín hiệu ở mức không (hình 3.23a) Hình 3.23a: Sơ đồ mạch Hình 3.23b: Sơ đồ tín hiệu
  135. 134 Mạch này có chức năng cố định đỉnh dưới của tín hiệu ở mức 0(v).  Giải thích nguyên lý hoạt động (hình 3,23b) Thời điểm từ 0 đến t 1, tồn tại xung dương, V v = + Vm, Diode ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian là  n RC , vì R rất lớn nên tn rất lớn, do đó tn >> so với khoảng thời gian từ 0 đến t 1. Do vậy tụ C gần như không được nạp v c = 0, do đó Vra = Vv = + Vm. Thời điểm t 1 đến t 2, ngõ vào tồn tại xung âm, V v = -Vm, Diode dẫn điện, tụ C được nạp qua Diode, thời hằng nạp là  n rd ,C 0, v c = Vm (tụ nạp đầy tức thời), lúc này V ra = Vv + Vc = -Vm +Vm = 0. Thời điểm từ t 2 đến t 3, ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo V v = +Vm, Diode ngưng dẫn, tụ C xả qua R với hằng số thời gian là  n R C . f rất lớn so với bán kỳ từ t 2 đến t3, do vậy tụ C vẫn giữ nguyên mức điện áp là V m. Mạch tương đương của trường hợp này xem hình 3.24 Hình 3.24 Ta có Vra = VV + VC = Vm + Vm = 2Vm Nhận xét Thời điểm từ 0 đến t 1 dạng sóng ra có xung dương không ổn định so chuỗi xung ra. Do vậy, xung này không xét đến mà chỉ xét các xung ổn từ thời điểm t 1 trở đi. 2.1.4. Mạch ghim đỉnh dưới của tín hiệu ở mức điện áp bất kỳ (hình 3.25). Hình 3.25: Sơ đồ mạch và tín hiệu Nguồn VDC tạo mức ghim dưới của tín hiệu vào,V DC = 1/2 Vm
  136. 135 Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm từ 0 đến t 1, ngõ vào tồn tại xung dương, V v = +Vm, VDC< Vm, Diode D ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian  n R C , do  n rất lớn so với khoảng thời gian từ 0 đến t 1, nên tụ C gần như không được nạp, v c = 0, như vậy V ra = VV = + Vm. Thời điểm từ t 1 đến t 2 ngõ vào tồn tại xung âm, V v = -Vm , D dẫn, tụ C được nạp qua D, cực dương của tụ tại điểm A, thời hằng nạp là , C n rd 0, tụ C nạp đầy tức thời Ta có V c V v V D C V  tụ nạp đầy đến giá trị là v c = VDC - vv = VDC + Vm Do đó V ra V D C V  V D C Thời điểm từ t 2 đến t 3 ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo, V v = + Vm, Diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R với hằng số thời gian  n R C . f rất lớn so với bán kỳ từ t 2 đến t 3 do vậy tụ C vẫn cố định mức điện áp v c = VDC + Vm trong khoảng thời gian này. Mạch tương đương hình 3.26 của trường hợp này là: Hình 3.26 Ta có vr = vv + vc = Vm + VDC + Vm = 2 Vm + VDC Dạng mạch 2 (hình 3.27) Hình 3.27 VZ 2 = 1/2Vm