Bài giảng Kỹ thuật xung-Số - Đoàn Thị Thanh Thảo

216 trang phuongnguyen 6890

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật xung-Số - Đoàn Thị Thanh Thảo", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ky_thuat_xung_so_doan_thi_thanh_thao.doc

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật xung-Số - Đoàn Thị Thanh Thảo

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG KỸ THUẬT XUNG - SỐ Biên soạn: Đoàn Thị Thanh Thảo Phạm Văn Ngọc Lưu hành nội bộ THÁI NGUYÊN 2010 1
MỤC LỤC Phần 1: Kỹ thuật xung 1 Chương 1: 1 KHÁI NIỆM CHUNG 1 1. Tín hiệu xung và tham số: 1 1.1. Định nghĩa 1 1.2. Các tham số cơ bản của tín hiệu xung: 2 2. Các dạng điện áp đơn giản và phản ứng của mạch điện RC – RL đối với dạng xung. 4 2.1. Khái niệm 4 2.2. Mạch lọc RC: 7 2.3. Mạch RL 7 3. Phản ứng của mạch lọc RC đối với các xung đơn 8 3.1. Điện áp lấy ra trên điện trở (mạch vi phân) 8 3.2. Tín hiệu lấy ra trên tụ điện: 9 4. Chế độ khóa của tranzito 10 4.1. Các yêu cầu cơ bản: 10 4.2. Đặc tính truyền đạt 13 5. Chế độ khóa của khuếch đại thuật toán 15 5.1. Mạch so sánh một ngưỡng: 15 5.2. Mạch so sánh 2 ngưỡng 17 Chương 2: 19 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI VÀ TẠO DẠNG XUNG 19 1. Mạch vi phân 19 1.1. Định nghĩa và khái niệm 19 1.2. Mạch khuếch đại thuật toán vi phân 21 2. Mạch tích phân 22 2.1. Định nghĩa và khái niệm 22 2.2. Các mạch tạo điện áp biến đổi đường thẳng 25 3. Mạch hạn chế biên độ 26 Chương 3: 27 CÁC MẠCH DAO ĐỘNG XUNG 27 1. Các mạch không đồng bộ hai trạng thái ổn định 27 1.1. Trigơ đối xứng (RS) dùng tranzitor 27 1.2. Trigơ Smit dùng IC tuyến tính 28 2. Các mạch không đồng bộ một trạng thái ổn định 30 2.1. Đa hài đợi dùng tranzitor 30 2.2. Đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán 31 3. Các mạch không đồng bộ hai trạng thái không ổn định 33 3.1. Đa hài tự dao động dùng tranzitor 33 3.2. Đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán 35 4. Dao động Blocking 38 5. Mạch tạo xung tam giác 41 5.1. Vấn đề chung 41 5.2. Mạch ổn dòng cơ bản 43 5.3. Mạch tạo xung tam giác dùng transistor 44 5.4. Mạch tạo xung tam giác dùng vi mạch khuếch đại thuật toán 47 Chương 4: 51 VI MẠCH ĐỊNH THỜI 555, DAO ĐỘNG TÍCH THOÁT DÙNG UJT 51 2
1. Sơ đồ chân và cấu trúc 555 51 1.1. Sơ đồ chân IC 555 51 1.2. Sơ đồ cấu trúc IC 555 51 1.3. Nguyên tắc hoạt động các chân IC555 52 2. Mạch đa hài dùng IC555 53 3. Mạch đơn đa hài dùng IC555 57 4. Mạch dao động tích thoát dùng UJT 58 5. Mạch tạo tín hiệu xung tam giác dùng UJT 61 6. Mạch tạo tín hiệu xung nấc thang dùng UJT 63 7. Mạch dao động tích thoát tạo xung đồng bộ 65 7.1. Mạch đồng bộ điều khiển nắn nửa chu kỳ 65 7.2. Mạch đồng bộ điều khiển nắn toàn chu kỳ 66 Chương 5 67 MẠCH DAO ĐỘNG TẠO XUNG DÙNG CỔNG LOGIC, VCO, CCO 67 1. Mạch đa hài đơn ổn dùng cổng logic 67 2. Mạch đa hài tự dao động dùng cổng logíc 67 3. Mạch dao động VCO (Voltage Control Oscilator) dùng IC 566 68 Phần 2: Kỹ thuật số 75 CHƯƠNG I 75 HỆ THỐNG ĐẾM VÀ KHÁI NIỆM VỀ MÃ 75 1.1 HỆ THỐNG SỐ ĐẾM 75 1.1.1 Hệ đếm 75 1.1.2 Cơ số của hệ đếm 75 1.1.3 Đổi cơ số 77 1.2 HỆ ĐẾM NHỊ PHAN VÀ KHÁI NIỆM VỀ MÃ 77 1.2.1 Hệ đếm nhị phân 77 1.2.2 Khái niệm về mã 79 CHƯƠNG II 84 ĐẠI SỐ BOOLE 84 2.1 MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA 84 2.2 CÁC PHÉP TOÁN CƠ BẢN CỦA ĐẠI SỐ BOOLE 84 2.3 CÁC ĐỊNH LÝ CỦA ĐẠI SỐ BOOLE 85 2.3.1 Định lý 85 2.3.2 Các phần tử logic cơ bản 86 2.3.3 Các phương pháp biểu diễn hàm logic 93 2.3.4 Tối thiểu hoá hàm Boole 97 CHƯƠNG III 104 CÁC PHẦN TỬ LOGIC CƠ BẢN 104 3.1 KHÁI NIỆM VỀ MẠCH SỐ 104 3.1.1 Mạch tương tự 104 3.1.2 Mạch số 104 3.1.3 Họ logic dương/âm 104 3.2 Cổng Logic 106 3.2.1 Khái niệm 106 3.2.2 Phân loại 106 3.2.3. Công suất tiêu tán Ptt 131 3.2.4. Fanout 132 3.2.5. Fanin (Hệ số mắc mạch đầu vào) 133 3.2.6. Độ chống nhiễu 133 3.2.7. Trễ truyền đạt 133 3
3.3. FLIP-FLOP (FF) 133 3.3.1. Khái niệm 133 CHƯƠNG IV 156 HỆ TỔ HỢP 156 4.1 Khái niệm chung 156 4.2. Mạch mã hoá và giải mã 157 4.2.1. Khái niệm 157 4.2.2. Mạch mã hoá (ENCODER) 157 4.2.3. Mạch giải mã 162 4.3 MẠCH CHỌN KÊNH – PHÂN ĐƯỜNG 171 4.3.1 Đại cương 171 4.3.2. Mạch chọn kênh 171 4.3.3. Mạch phân đường 174 4.4 MẠCH SO SÁNH 178 4.4.1. Đại cương 178 4.2.2. Mạch so sánh 1 bit 178 4.4.3. Mạch so sánh nhiều bit 180 4.5. MẠCH SỐ HỌC 183 4.5.1. Đại cương 183 4.5.2. Bộ cộng (Adder) 183 4.5.3. Bộ trừ (Subtractor) 186 CHƯƠNG V 191 HỆ TUẦN TỰ 191 5.1. KHÁI NIỆM CHUNG 191 5.2. MẠCH ĐẾM 191 5.2.1 Mạch đếm đồng bộ 191 5.2.2 Mạch đếm không đồng bộ 199 5.2.3 Mạch đếm vòng 207 5.3. BỘ GHI DỊCH 211 5.4. BỘ NHỚ 214 5.4.1. Các khái niệm 214 5.4.2. Bộ nhớ RAM 216 5.4.3. Bộ nhớ ROM 217 MỤC LỤC 218 4
Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1. Tín hiệu xung và tham số: 1.1. Định nghĩa Các tín hiệu điện áp hay dòng điện biến đổi theo thời gian được chia thành 2 loại cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc (gián đoạn). Tín hiệu liên tục còn gọi là tín hiệu tuyến tính hay tương tự. Tín hiệu rời rạc gọi là tín hiệu xung hay số Tiêu biểu cho tín hiệu liên tục là tín hiệu sin, như hình 1, với tín hiệu sin ta có thể tính được biên độ của tín hiệu tại từng thời điểm khác nhau. V Vp + + + + + - - - - - t -Vp Hình 1.1: Tín hiệu hình sin Ngược lại tiêu biểu cho tín hiệu rời rạc là tín hiệu vuông, dạng tín hiệu như hình 2, biên độ của tín hiệu chỉ có 2 giá trị mức cao V H và mức thấp V L, thời gian chuyển mức tín hiệu từ mức cao sang mức thấp và ngược là rất ngắn coi như bằng 0 V V VH VH VL t t VL a) b) Hình 1.2: a, xung vuông điện áp > 0. b, xung vuông điện áp đều nhau Tín hiệu xung không chỉ có tín hiệu xung vuông mà còn có mốt số dạng tín hiệu khác như xung tam giác, răng cưa, xung nhọn, xung nấc thang có chu kỳ tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ lặp lại T. 5
u u t t A: xung tam giác B. Xung nhọn (vi phân) u u t t C. Xung răng cưa D. xung nấc thang (hàm mũ - tích phân) Hình 1.3: Các dạng tín hiệu xung: Trong nhiều trường hợp xung tam giác có thể coi là xung răng cưa Các dạng xung cơ bản trên rất khác nhau về dạng sóng, nhưng có điểm chung là thời gian tồn tại xung rất nhắt, sự biến thiên biên độ từ tấp lên cao (xung nhọn) và từ cao xuống thấp (nấc thang, tam giác) xảy ra rất nhanh Định nghĩa: Tín hiệu xung điện áp hay xung dòng điên là những tín hiệu có thời gian tồn tại rất ngắn, có thể so sánh với quá trình quá độ trong mạch điện mà chúng tác dụng. 1.2. Các tham số cơ bản của tín hiệu xung: Tín hiệu xung vuông như hình 1 là một tín hiệu xung vuông lý tưởng, thực tế khó có 1 xung vuông nào có biên độ tăng và giảm thẳng đứng như vậy: 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 1.4 Dạng xung 6
Xung vuông thực tế với các đoạn đặc trưng như: sườn trước, đỉnh, sườn sau. Các tham số cơ bản là biên độ U m, độ rộng xung t x, độ rộng sườn trước t tr và sau ts, độ sụt đỉnh u - Biên độ xung U m xác định bằng giá trị lớn nhất của điện áp tín hiệu xung có được trong thời gian tồn tại của nó. - Độ rộng sườn trước ttr, sườn sau ts 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 0.9U m 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 T = tx + tng (1) - Tần số xung là số lần xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian. 1 F= (2) T - Thời gian nghỉ tng là khoảng thời gian trống giữa 2 xung liên tiếp có điện nhỏ hơn 0.1Um (hoặc 0.5Um). - Hệ số lấp đầy  là tỷ số giữa độ rộng xung tx và chu kỳ xung T t  x (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. T Q (4) tx * Trong kỹ thuật xung - số người ta sử dụng phương pháp số đối với tín hiệu xung với quy ước chỉ có 2 trạng thái phân biệt 7
- Trạng thái có xung (tx) với biên độ lớn hơn một ngưỡng UH gọi là trạng thái cao hay mức “1”, mức UH thường chọn cỡ từ 1/2Vcc đến Vcc. - Trạng thái không có xung (tng) với biên độ nhỏ hơn 1 ngưỡng U L gọi là trạng thái thấp hay mức “0”, UL 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 2. Các dạng điện áp đơn giản và phản ứng của mạch điện RC – RL đối với dạng xung. Trong lý thuyết về mạch lọc người ta chia mạch lọc thành 2 loại là mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực, các mạch lọc thụ động dùng các phần tử cơ bản R-L-C còn được chia thành một số loại Theo linh kiện có mạch lọc RC, RL, LC Theo tần số chọn lọc có: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải và mạch lọc chặn dải tùy theo các sắp xếp của từng loại linh kiện trong mạch mà ta sẽ được các mạch lọc tương ứng. 2.1. Khái niệm - Để xác định điện áp đầu ra của mạch điện tuyến tính u ra(t) khi đầu vào tác dụng một điện áp u vào(t) có dạng phức tạp ta có thể áp dụng nguyên lý xếp chồng để xác định điện áp lối ra phụ thuộc vào điện áp lối vào. - Khi tín hiệu lối vào phức tạp ta phân tích thành dạng tín hiệu đơn giản lối vào (1) rồi từ đó ta tính kết quả tại đầu ra của từng thành phần tín hiệu đơn giản ura (t), (2) ura (t), cuối cùng ta thực hiện lấy tổng tín hiệu ra tại ta được tín hiệu ra ura(t) - Những dạng xung cơ bản là dạng xung hình chữ nhật, hình thang, hình tam giác, hình chuông, dạng e mũ. - Tín hiệu vào có thể là tổng của tín hiệu điện áp hay dòng điện của dạng xung dưới đây u E a. t0 t Là dạng tín hiệu xung vuông đột biến 8
E khi t t0 U(t) = E.1(t0) = 0 khi t t0 Trong đó hàm 1(t) là hàm xung đơn vị hay hàm đóng mạch tại thời điểm t = t 0 (t0 1 khi t t > 0) ta có 1(t ) = 1(t – t ) = 0 0 0 0 khi t t 0 u arctg(k) b. t0 t Dạng điện áp biến đổi theo quy luật đường thẳng k(t t0 ) khi t t0 U(t) = k(t – t0).1(t0) = 0 khi t t0 Với hệ số góc arctg(k) u E c. t0 t Dạng điện áp biến đổi theo quy luật hàm số mũ U(t) = E[1 – exp(-α(t – t0)].1(t0) E[1 exp( (t t0 ))] khi t t0 = 0 khi t t0 d. Ví dụ: một số trường hợp thay đổi dạng xung phức tạp thành dạng xung đơn giản * Dạng xung vuông Tx 1 khi t1 t t2 u U(t) = 1 khi t t1 or t t2 t1 t2 t 1 2 1 U(t) = u (t) + u (t) với u U (t) 1 1 khi t t 1 1 t1 t2 t U (t) = 1(t0) = -1 0 khi t t 2 1 U (t) 9
1 khi t t U2(t) = -1(t ) = 2 0 0 khi t t 2 u a * Dạng xung hình thang a1 2 t1 t2 t3 t4 t u 1 2 3 4 1 u(t) = u (t) + u (t) + u (t) + u (t) U (t) U4(t) a1 t t a1 3 4 a2 k(t t1 ) t t1 1 arctg(k) 1 t1 t2 a1 a2 t Trong đó u (t) = 0 t t1 3 U2(t) U (t) k(t t ) t t arctg(k) 2 2 2 1 U (t) = 0 t t2 h(t t3 ) t t3 2 arctg(h) U2(t) = 0 t t3 h(t t ) t t arctg(h) 2 4 4 2 U (t) = 0 t t4 * Dạng hàm mũ U(t) = u1(t) + u2(t) với u E(1 exp( (t t )))1(t) khi t t U1(t) = 1 1 t1 t2 t u 0 khi t t1 t2 t1 t E(1 exp( (t t2 )))1(t) khi t t2 U2(t) = 0 khi t t2 0 t t1 E(1 exp( (t t ))) t t t Ta có u(t) = 1 1 2 E exp( (t t1 )) t2 t t3 0 t t3 * Dạng răng cưa. u k(t t1 ) t1 t t2 u(t) = E exp(  (t t )) t t t 2 2 3 a t t 0 t t t1 2 3 t 3 u u1(t) U(t) = u1(t) + u2(t) + u2(t) trong đó: a t3 t t a 1 1 2 t U (t) = k(t – t1) t >= t1 u3(t) 2 2 u (t) U (t) = -k(t – t2) t >= t2 10
3 U (t) = -E(1 – exp(-β(t – t2))) t >= t2 2.2. Mạch lọc RC: Cơ bản có mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao R V0 V0 Vi 2 Vi fC f A. Mạch lọc thông thấp B. Đáp ứng tần số Hình 1.5: Mạch lọc RC và đáp ứng xung của mạch lọc 1 Vi - Tần số cắt của mạch lọc là F (5) tương ứng với điện áp V V0 C 2 RC 0 2 là biên độ điện áp lối ra, Vi là biên độ điện áp lối vào 1 - Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là v (t) v (t)dt (6) 0 RC i dv (t) - Điện áp lối ra của mạch lọc thông cao là v (t) RC i (7) 0 dt - Trong đó v0(t), vi(t) là điện áp tín hiệu lối ra và lối vào tại thời điểm t 2.3. Mạch RL Người ta có thể dùng điện trở R kết hợp với cuộn cảm L để tạo thành các mạch 1 lọc thay cho tụ C, do tích chất của L và C ngược nhau ZL = jL , ZC = do đó khi jC dùng mạch lọc thông thấp, thông cao RL thì cách mắc ngược lại với mạch RC L R V0 V0 V V i R i L B. Mạch lọc thông cao A. Mạch lọc thông thấp 11
Hình 1.6: Mạch lọc thông thấp, thông cao dùng RL R Đáp ứng tần số như mạch lọc RC. Tần số cắt của mạch lọc là F (8) C 2 L R Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là v (t) v (t)dt (9) 0 L i L dv (t) Điện áp lối ra của mạch lọc thông cao là v (t) i (10) 0 R dt 3. Phản ứng của mạch lọc RC đối với các xung đơn 3.1. Điện áp lấy ra trên điện trở (mạch vi phân) C V0 Vi i R Hình 1.7: Mạch RC điện áp lấy ra trên R  2 Tín hiệu lối vào là v i(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là T , tín hiệu lối ra là v0(t) 2 2 2 1 1 Trở kháng của mạch là Z R R 1 (11) C RC 1 Khi đó đặt F là tần số cắt của mạch C 2 RC v (t) Dòng điện trong mạch là i(t) i (12) Z v (t) v (t) R.i(t) i R 2 1 1 RC Điện áp lối ra biến thiên sau khoảng thời gian t là từ t0 đến t1 là 12
1 dv (t) v (t) i (13) 0 2 1 dt 1 RC Khi đó ta có lối vào là tín hiệu xung vuông thì lối ra là tín hiệu xung vi phân v v vi 0 0 t t t A. Tín hiệu vào B. Tín hiệu ra Các tín hiệu ra với RC thay đổi HHình 1.8: Đáp ứng xung lối vào và ra của mạch RC lối ra trên R Tín hiệu lối vào là Sin thì tín hiệu lối ra là sin sớm pha 900 vi (t) Asin(t) thì tín hiệu lối ra là 1 1 v (t)  Acos(t)  Asin(t 900 ) 0 2 2 1 1 1 1 RC RC 3.2. Tín hiệu lấy ra trên tụ điện: R V0 Vi Hình 1.9: Mạch RC lối ra trên C  2 Tín hiệu lối vào là v i(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là T , tín hiệu lối ra là v0(t) 2 2 2 1 1 Trở kháng của mạch là Z R R 1 C RC 13
1 Khi đó đặt F là tần số cắt của mạch C 2 RC v (t) Dòng điện trong mạch là i(t) i Z q(t) 1 1 Điện áp lối ra trên tụ là v (t) i(t)dt v (t)dt C 2 i C C 1 RC 1 RC Điện áp lối ra thay đổi khoảng thời gian t là 1 v (t) v (t)dt C 2 i 1 RC 1 RC Vi V0 V0 t t t A. xung lối vào B. xung lối ra khi tích RC thay đổi Hình 1.10: Đáp ứng xung lối ra của mạch RC lối ra trên C 1 v (t) Asin(t) thì tín hiệu lối ra là v (t) Asin(t 900 ) i 0 2 1 RC 1 RC 4. Chế độ khóa của tranzito 4.1. Các yêu cầu cơ bản: Tranzito làm việc ở chế độ khóa hoạt động như một khóa điện tử đóng mở mạch với tốc độ nhanh (từ 10 -9 đến 10-6 s) do đó nó có nhiều đặc điểm khác so với chế độ khuếch đại như đã khảo sát trước đó ở phần nguyên lý kỹ thuật điện tử - Yêu cầu cơ bản với tranzito làm việc ở chế độ khóa là điện áp đầu ra có 2 trạng thái khác biệt là: * Ura >= UH khi Uvào = UH Chế độ khóa của tranzito được xác định bằng chế độ điện áp hay dòng điện một chiều cung cấp từ ngoài qua 1 mạch phụ trợ (điện trở làm khóa thường đóng hay mở). Việc chuyển trạng thái của khóa thường được thực hiện nhờ một tín hiệu xung có cực 14
tính thích hợp tác động tới đầu vào. Tùy trường hợp mà tranzitor có thể chuyển trạng thái tuần hoàn nhờ một mạch hồi tiếp dương phản hồi từ đầu ra tới đầu vào của mạch khi đó không cần xung điều khiển như mạch dao động đa hài dùng tranzitor ta sẽ khảo sát bài sau: Xét mạch điện như xau +ECC IC RC ura RB uCE R uv t IB uBE Hình 1.11: Mạch khóa đảo dùng tranzitor Khi làm việc lựa chọn giá trị UL, UH, RB, RC cho phù hợp để mạch làm việc ở chế độ khóa Trạng thái đóng: Khi lối vào uV = 0 (tương ứng uV = UH, khi đó tranzitor sẽ chuyển trạng thái 15
mở (thông bão hòa), khi đó điện áp lối ra phải thỏa mãn điều kiện U ra <= UL, khi đó điện trở RC ta phải chọn cho phù hợp để thời gian quá độ đủ nhỏ và dòng IC không quá lớn. Khi ở trạng thái bão hòa ta có điện áp rơi trên cực Bazơ của tranzitor UBEbh = 0.6 ÷ 0.8 V (với tranzitor silic) và UBEbh = 0.3V (với tranzitor germani) Và điện áp rơi trên cực Colector của tranzitor là UC = UCEbh = 0.1 ÷ 0.2V ECC U CEbh Do đó dòng IC bão hòa được tính như sau: IC . RC Khi có dòng trên trở tải R C ta tính dòng cực Bazơ với hệ số khuếch đại dòng khi đó ta có thể chọn trở tải cực Bazơ cho phù hợp I I C , trong trường hợp cần chọn tranzitor ở trạng thái bão hòa sâu (trạng thái B  bão hòa bền vững) ta có thể tính dòng IB theo công thức sau: I I k C (k là hệ số bão hòa sâu, k 2 ÷ 5 lần so với trạng thái bắt đầu đạt B  mức bão hòa của tranzitor) Và điện trở tải lối vào RB được chọn theo công thức UV U BEbh RB . IBbh Ví dụ 1: Khi dùng tranzitor silic với R C = 5 k khi đó xác định chọn R B khi lối vào Uv = UH = 1.5V thì Ura <= UL = 0.4V, hệ số khuếch đại dòng là  100 ECC 5 ECC 0.2 Dòng ICbh 1mA hay RC 5000 RC Khi đó dòng Bazơ ở trạng thái bão hòa là: ICbh 1 IBbh = 0.01mA 10 A  100 Để tranzitor ở trạng thái bão hòa bền vững ta chọn I Bbh = 50 A (tương ứng với mức dự chữ 5 lần) khi tranzitor thông bão hòa UBE = 0.6V với tranzitor silic U V U BE (1.5 0.6)V Trở tải lối vào RB = 18k IBbh 50 A 16
Ví dụ 2: Mạch điện như trên tranzitor silic với ECC = 12V, trở tải RC = 1.2 k , hệ số khuếch đại dòng điện là 100 lần và độ dữ trữ k = 3 lần, điện áp lối vào U i = 1.5V. Xác định trở tải lối vào RB cho phù hợp? Dòng IC ở trạng thái bão hòa là E CC UCEbh (12 0.2) ICbh 3 10mA RC 1.2*10 Dòng IB ở trạng thái bão hòa là I 10 I k Cbh 3 0.3mA Bbh  100 Điện trở RB được chọn có trị số như sau UV U BEbh 1.5 0.8 RB 3 2.33k IBbh 0.3*10 Chọn điện trở tiêu chuẩn là RB = 2.4 k 4.2. Đặc tính truyền đạt Đặc tính truyền đạt của tranzitor để đánh giá mức độ tin cậy của khóa, người ta định nghĩa các tham số độ dự trữ chống nhiễu ở mức cao S H và độ dự trữ chống nhiễu mức thấp SL như sau SH = Ura đóng – UH SL = UL – Ura mở Ura đóng, Ura mở là các điện áp lối ra thực tế của tranzitor lúc đóng hay mở tương ứng. Với trường hợp như ví dụ 1 trên ta có SH = Ura đóng – UH = 2.5 – 1.5 = 1V (khi UV = UH) 17
Vùng bão U0 hòa Vùng cấm 2.5 2 SH Vùng khóa UH 1 0.4 U SL BEbh 0.2 UV UL 1 UH 2 3 Hình 1.12: Đặc tính truyền đạt của tranzitor Ở đây vùng cấm tương đương với vùng transitor làm việc trong miền khuếch đại tuyến tính Từ đặt tính truyền đạt trên ta có thể đạt được mức SH lớn khi ta chọn ECC, RC, RB cho thích hợp Do SL khá nhỏ do đó chúng ta cần phải quan tâm đến tính chống nhiễu với mức thấp. Do Urabh = UCEbh không thể giảm nhỏ hơn do đặc tính của tranzitor do đó muốn tăng SL ta cần phải tăng mức U L. Khi đó thay vì trở tải lối vào R B người ta mắc thêm vào cực Bazơ của tranzitor một vài con Diode và điện trở phân áp cho tranzitor hoạt động ECC ECC RC RC Ura Ura R1 R1 UV UV R2 R2 A. B. ECC RC Ura R1 UV R2 -E C. Hình 1.13: Các biện pháp nâng cao SL 18
5. Chế độ khóa của khuếch đại thuật toán Khi làm việc ở chế độ xung, mạch vi điện tử tuyến tính hoạt động như một khóa điện tử đóng, mở nhanh, điểm làm việc luôn nhằm trong vùng bão hòa của đặc tuyến truyền đạt Ura= f(Uvào). Khi đó điện áp lối ra chỉ nằm ở 1 trong 2 mức bão hòa Uramax và Uramax ứng với biên độ UV đủ lớn. Ta xét các mạch so sánh như sau +VCC + Ui U0 - Ui -VCC Hình 1.14: Mạch khuếch đại so sánh Đây là mạch khuếch đại so sánh dùng 2 nguồn nuôi đối xứng VCC , điện áp đặt + - vào lối vào không đảo (+) gọi là Ui và điện áp đặt vào lối vào đảo (-) là Ui Tùy thuộc điện áp của 2 lối vào đảo và không đảo này so sánh với nhau mà lối ra của bộ khuếch đại thuật toán ở 1 trong 2 trạng thái như sau + - - Nếu lối vào Ui > Ui thì tối ra U0 = +VCC gọi là trạng thái bão hòa dương + - - Nếu lối vào Ui < Ui thì tối ra U0 = -VCC gọi là trạng thái bão hòa âm Thực tế thông thường mạch khuếch đại thuật toán dùng làm mạch so sánh để thực hiện so sánh một tín hiệu lối vào U i với một nguồn điện áp chuẩn U R. Tùy theo yêu cầu của từng mạch mà ta để điện áp lối vào ở lối vào đảo hoặc không đảo còn lối vào còn lại được nối với một nguồn điện áp chuẩn UR 5.1. Mạch so sánh một ngưỡng: Thực hiện so sánh biên độ của điện áp lối vào UV với 1 điện áp chuẩn UR (Ungưỡng) có thể là dương hoặc âm, thông thường giá trị U R được định trước cố định, còn giá trị UV là có giá trị biến đổi theo thời gian cần được quan tâm, đánh giá. Khi tín hiệu lối vào biên đổi chậm quanh giá trị điện áp chuẩn thì tín hiệu lối ra biến đổi rất nhanh. Khi UV = UR thì tín hiệu lối ra bộ so sánh có sự thay đổi cực tính của điện áp từ Uramax tới Uramax hoặc ngược lại. Trường hợp UR = 0, khi đó mạch so sánh sẽ thực hiện xác định lúc thay đổi cực tính của tin hiệu lối vào UV 19
Trường hợp 1: Điện áp đưa vào lối vào đảo và điện áp chuẩn đưa tới lối vào không đảo: +VCC +VCC + U ramax Ui U0 0 U U ΔU R - i -VCC U ramax -VCC UR Hì nh 1.15: Mạch so sánh lối vào đảo Theo mạch trên thì điện áp U i và điện áp chuẩn U R được đưa tới lối vào đảo và lối vào thuận (không đảo) tương ứng của bộ so sánh, hiệu tín hiệu lối vào là U = Ui – UR là điện áp giữa 2 đầu vào so sánh của IC từ đó ta sẽ xác định được hàm truyền của nó Nếu Ui 0 khi đó lối ra Ura = Uramax = +VCC Nếu Ui > UR thì U UR thì U > 0 khi đó lối ra Ura = Uramax = +VCC Khi đó lối ra sẽ đảo cực tính khi Ui chuyển qua giá trị UR. 20
Chú ý: Trong trường hợp điện áp lối vào Ui và UR lớn hơn giá trị điện áp đầu vào tối đa cho phép của IC khi đó chúng ta cần mắc đầu vào qua một mạch phân áp điện trở trước khi đưa tới lối và + hoặc – của IC. Khi mạch làm việc với tốc độ thay đổi xung quá lớn với điện áp lối ra thay đổi cỡ vài V/s , IC không chuyển mạch kịp khi đó ta có thể sử dụng các IC so sánh chuyên dụng để thực hiện mạch so sánh với tốc độ điện áp lối ra có thể thay đổi vài V/ns. Trường hợp 3: có 2 tín hiệu điện áp lối vào U V1, UV2 được đưa tới lối và và so sánh với 1 điện áp chuẩn UR (trường hợp UR = 0) U0 +VCC +VCC + U ramax UV1 R1 p UV1 U0 0 Uv UV2 -VCC R2 - UV2 U ramax -VCC . Hình 1.17: Bộ so sánh 2 tín hiệu lối vào đảo và đặc tuyến truyền đạt Khi đó tín hiệu lối vào đảo là tổng của 2 tín hiệu lối vào 1 và 2, ta có U P UV1 UV 2 , khi UP = 0 khi đó lối ra bộ so sánh sẽ chuyển trạng thái, trường hợp thuận thì nối 2 lối vào UV1, UV2với lối vào thuận 5.2. Mạch so sánh 2 ngưỡng Dùng để kiểm tra xem điện áp lối vào U V có nằm trong một giới hạn giá trị cho trước hay không (giá trị ngưỡng 1 và 2 tức Ungưỡng 1 hay UR1 và Ungưỡng 2 hay UR2 Thực chất mạch so sánh 2 ngưỡng là sự kết hợp của 2 mạch so sánh 1 ngưỡng với lối vào đảo và lối vào không đảo, lối ra của 2 bộ so sánh 1 ngưỡng được kết hợp lại qua một cửa logíc phụ G (cửa Và (and) với 2 lối vào), lối ra cửa logíc là 1(mức cao) khi cả 2 lối vào ở trạng thái mức cao và lối ra cửa logic là 0 (mức thấp) khi một trong - 2 lối vào ở trạng thái thấp, hay lối ra bộ so sánh là U ramax. 21
X1 +VCC 1 0 UR1 UV +VCC -VCC UR2 X2 2 X2 +VCC -VCC 1 U0 UR2 UV -V UV +VCC CC 0 1 X1 U0 UR1 -V CC 0 1 0 UV A. Sơ đồ B. Đặc tính truyền đạt Hình 1.18: Sơ đồ bộ so sánh 2 ngưỡng đặt tính truyền đạt lối ra Chọn thế ngưỡng lối vào UR2 > UR1 Khi điện áp lối vào nằm dưới ngưỡng 1 tức UV 0 dẫn tới lối ra cổng logic U0 = 0 Khi điện áp lối vào UV = UR1 khi đó lối ra bộ so sánh thứ 1 chuyển trạng thái từ -VCC thành +VCC do U UV U R1 = 0 và lối ra bộ so sánh 2 vẫn giữ nguyên trạng thái +VCC khi đó lối ra cổng logíc chuyển trạng thái từ 0 lên 1 tương ứng mức cao (tùy thuộc vào họ logic mà lối ra có điện áp thích hợp) Khi điện áp lối vào UV = UR2 khi đó lối ra bộ so sánh 1 giữ nguyên trạng thái và lối ra bộ so sánh 2 sẽ chuyển trạng thái từ +V CC thành –VCC do U U R2 UV = 0, khi đó lối ra cổng logíc ở mức thấp. Bộ so sánh 2 ngưỡng được ứng dụng đặt biệt thuận lợi khi cần theo dõi và khống chế tự động một thông số nào đó của một quá trình giới hạn cho phép đã được định sẵn (giá trị trong điện áp ngưỡng) hoặc ngược lại không cho phép thông số này rơi vào vùng giới hạn cấm nhờ có 2 ngưỡng điện áp lối vào tương ứng 22
Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI VÀ TẠO DẠNG XUNG Như chương 1 chúng ta đã biết về một số loại mạch lọc dùng các phần tử thụ động LR, RC, LC với các lối ra trên R, L, C từ các lối ra của mạch lọc và với các thông số thích hợp. Từ đó ta có thể làm thay đổi các dạng xung lối ra của các mạch lọc. Ta có các phương pháp biến đổi dạng xung dùng các phần tử tích cực hoặc các phần tử thụ động như R, L, C. 1. Mạch vi phân 1.1. Định nghĩa và khái niệm Mạch tích phân là mạch mà điện áp ra u 0(t) tỷ lệ với đạo hàm thep thời gian của điện áp đầu vào ui(t) d Ta có u0(t) = k u (t) dt i Trong đó k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào các hệ số của mạch vi phân Trong kỹ thuật xung mạch vi phân cáo tác dụng thu hẹp độ rộng xung lối vào và tạo ra các xung nhọn để kích các linh kiện điều khiển hay linh kiện công xuất như triac a. Mạch vi phân dùng RC C V0 Vi i R Hình 2.1: Mạch vi phân dùng RC  2 Tín hiệu lối vào là v i(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là T , tín hiệu lối ra là v0(t) 2 2 2 1 1 Trở kháng của mạch là Z R R 1 C RC 23
1 Khi đó đặt F là tần số cắt của mạch C 2 RC v (t) Dòng điện trong mạch là i(t) i Z v (t) v (t) R.i(t) i R 2 1 1 RC Điện áp lối ra sau khoảng thời gian t là từ t0 đến t1 là 1 dv (t) v (t) i 0 2 1 dt 1 RC Khi đó ta có lối vào là tín hiệu xung vuông thì lối ra là tín hiệu xung vi phân v v vi 0 0 t t t A. Tín hiệu vào B. Tín hiệu ra Các tín hiệu ra với RC thay đổi ui U0 0 t 0 t Hình 2.2: Tín hiệu lối ra trên mạch vi phân RC Tín hiệu lối vào là Sin thì tín hiệu lối ra là sin sớm pha 900 vi (t) Asin(t) thì tín hiệu lối ra là 1 1 v (t)  Acos(t)  Asin(t 900 ) 0 2 2 1 1 1 1 RC RC 24
b. Mạch vi phân dùng RL R u0(t) u (t) i L Hình 2.3. Mạch vi phân dùng RL Tín hiệu lối vào là tín hiệu xoay chiều có tần số góc là  2 2 L Tổng trở của mạch là Z R L R 1  trong đó L là trở kháng R của cuộn cảm u Dòng điện trong mạch là i = i , và điện áp lối ra trên cuộn cảm là Z di L du (t) L L u L =v , coi  rất nhỏ so với 1 khi đó R 1  R 0 2 dt L dt R R R 1  R Tính toán ta được điện áp lối ra tỷ lệ vi phân với điện áp lối vào ui(t) L d L u (t) u (t) . Trong đó k hệ số tỷ lệ k = 0 R dt i R Dạng tín hiệu ra như hình 2.2. 1.2. Mạch khuếch đại thuật toán vi phân R2 R1 C Ui I in U0 R3 Hình 2.4. Mạch vi phần dùng khuếch đại thuật toán 25
Sơ đồ mạch khuếch đại vi phần dùng khuếch đại thuật toán với lối vào đảo, mạch phân áp vi phân là điện trở R2 và tụ C. Điện trở R1 làm ổn định tổng trở của lối vào (là điện trở ghép tránh cho nguồn xoay chiều lối vào nối đất vì ở đây lối vào – của bộ khuếch đại thuật toán được coi là đất ảo). Điện trở R3 có tác dụng bù nhiệt làm ổn định mạch khuếch đại, thường chọn R2 = R3 Lối vào được đưa tới tụ C tới lối vào đảo của khuếch đại thuật toán, điện trở R 2 lấy tín hiệu hồi tiếp từ lối ra tới lối vào đảo của khuếch đại thuật toán. Dòng điện lối vào đảo của khuếch đại thuật toán là dui Iin = C dt U0 Dòng điện hồi tiếp từ lối ra tới lối vào là IR2 = R2 Do tính chất của bộ khuếch đại thuật toán điện trở lối vào vô cùng lớn, điện trở lối ra vô cùng nhỏ nên ta coi dòng lối vào đảo của khuếch đại thuật toán xấp xỉ 0 Áp dụng tính chất dòng điện nút ta có   Iin IR2 0 hay Iin IR2 0. du i u0 dui Từ đó ta có Iin = IR2 hay C u0 R2C dt R2 dt 2. Mạch tích phân 2.1. Định nghĩa và khái niệm Mạch tích phân là mạch mà điện áp ra u 0(t) tỷ lệ với tích phân của điện áp vào ui(t) u k u (t)dt trong đó k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mạch 0 i a. Mạch tích phân dùng RC R V0 Vi Hình 2.5: Mạch RC lối ra trên C 26
 2 Tín hiệu lối vào là v i(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là T , tín hiệu lối ra là v0(t) 2 2 2 1 1 Trở kháng của mạch là Z R R 1 C RC 1 Khi đó đặt F là tần số cắt của mạch C 2 RC u (t) Dòng điện trong mạch là i(t) i Z q(t) 1 1 Điện áp lối ra trên tụ là u (t) i(t)dt u (t)dt 0 2 i C C 1 RC 1 RC Điện áp lối ra thay đổi khoảng thời gian t là 1 u (t) u (t)dt 0 2 i 1 RC 1 RC 1 1 Khi tần số lối vào fi >> fC hay fi >> RC 2 RC 2 fi 1  2 RC là hằng số thời gian của mạch khi đó  T itrong đó T i là chu kỳ tín fi hiệu lối vào Với điều kiện như trên thì tổng trở của mạch Z R khi đó tín hiệu lối ra của mạch là 1 1 u (t) u (t)dt với k = 0 RC i RC Khi tín hiệu lối vào là xung sin thì tín hiệu lối ra cũng là xung sin và bị trễ pha đi 900. Khi tín hiệu lối vào là xung vuông thì tín hiệu lối ra là xung tích phân của tín hiệu lối vào tương ứng với dạng xung phóng nạp cho tụ 27
ui ui Ti Ti t t A. Dạng xung lối vào B. Dạng xung lối ra khi  > Ti t Hình 2.6: Dạng tín hiệu vào và ra của mạch tích phân Trường hợp 1: khi  Ti khi đó thời gian phóng nạp cho tụ C là rất nhanh coi như tức thì dẫn tới tín hiệu lối ra như hình B T  i Trường hợp 2: khi 5 khi đó tụ C nạp và phóng điện theo hàm exp với biên độ đỉnh thấp hơn mức bão hòa tín hiệu lối ra như hình C Trường hợp 2: khi  Ti khi đó tụ C nạp và phóng điện rất chậm điện áp lối ra thấp theo hàm exp khi đó điện áp tăng dần theo hàm mũ, do thời gian phóng nạp rất chậm nên hàm exp gần như dạng tuyến tính do đó tín hiệu lối ra như hình D Do đó với mạch tích phân dùng RC khi chọn các giá trị RC phù hợp ta sẽ được các dạng xung lối ra khác nhau khi dạng xung lối vào là xung vuông Trường hợp khi xung vuông lối vào có độ rộng khác nhau thì khi tín hiệu lối ra trên tụ thực hiện với thời gian nạp lớn hơn thời gian phóng và ngược gại gây ra hiện tượng điện áp rơi trên tụ tăng hoặc giảm dần u0 ui Ti t t A. Dạng xung lối vào B. Dạng xung lối ra Hình 2.7: Dạng tín hiệu vào và ra của xung xuông có độ rộng xung khác nhau. 28
b. Mạch tích phân dùng RL L V0 Vi R Hình 2.8: Mạch tích phân dùng RL R Đáp ứng tần số như mạch lọc RC. Tần số cắt của mạch lọc là F C 2 L R Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là u (t) u (t)dt 0 L i 2.2. Các mạch tạo điện áp biến đổi đường thẳng C Ic R1 Ui I in U0 R2 Hình 2.9. Mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán điện áp ra biến đổi đường thẳng Mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán với phần tử R 1 và C, hằng số thời gian của mach là  2 RC . Ở đây điện trở R 2 bù nhiệt cho mạch làm ổ định mạch khuếch đại, thường R1 = R2 u Dòng điện lối vào là I i in R du Dòng điện trên tụ C là I C 0 c dt   Với khuếch đại thuật toán ta có Iin Ic 0 hay Iin - Ic = 0 => Iin = IC u du Do đó ta có i C 0 u 1 u (t)dt R dt 0 RC i 29
1 ở đây k = RC vì mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán với lối vào đảo do đó tín hiệu lối ra sẽ ngược pha so với tín hiệu lối vào Nếu tín hiệu lối vào là xung vuông thì tín hiệu lối ra là xung tam giác như dạng tín hiệu ở hình 2.9. 3. Mạch hạn chế biên độ + uR uR u u RR1 R RR1 R 1k - 1k u ui D 0 ui D u0 u + u R - R + A. Mạch hạn chế xung dương B. Mạch hạn chế xung âm + u R1 RR1 uR1 1k u ui u0 R2 D1 D2 uR2 - u u R1 R2 + C. Mạch hạn chế xung dương, âm Hình 2.10: Mạch hạn chế biên độ theo sườn dương, âm của tín hiệu Hình 2.10, a. Khi tín hiệu lối vào có điện áp âm hoặc dương nhưng u i uR (ui > uR + uD) thì khi đó Diode D thông, điện áp lối ra u0 xấp xỉ với điện áp uR. Hình 2.10, b. Khi tín hiệu lối vào có điện áp dương hoặc âm nhưng u i > uR thì Diode D cấm tín hiệu lối ra bằng tín hiệu lối vào. Khi tín hiệu lối vào có điện áp âm u i < uR (ui < uR - uD) thì khi đó Diode D thông, điện áp lối ra u0 xấp xỉ với điện áp uR. Tương tự hình 2.10, c. mạch hạn chế phần dương và âm của tín hiệu. 30
Chương 3: CÁC MẠCH DAO ĐỘNG XUNG 1. Các mạch không đồng bộ hai trạng thái ổn định Các mạch có hai trạng thái ổn định ở đầu ra được đặc trưng bởi hai trạng thái ổn định bền theo thời gian và việc chuyển nó từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ xảy ra khi đặt tới lối vào một xung điện áp có biên độ và cực tính phù hợp, đó là phần tử cơ bản cấu tạo lên bộ nhớ với các số nhị phân 0 hoặc 1 1.1. Trigơ đối xứng (RS) dùng tranzitor +Ecc +Ecc Rc Rc Rc Rc R1 R2 R2 R1 Q Q T1 T2 T1 T2 R3 R4 R4 R3 S R R S Hình 3.1. Trigơ RS dùng tranzitor Nguyên lý hoạt động: Trigơ RS chỉ có 2 trạng thái ổn định bền là T 1 mở bão hòa và T2 đóng tương ứng với lối ra của mạch Q = 1 và Q 0 , hoặc T 2 mở bão hòa và T1 đóng tương ứng với lối ra của mạch Q = 0 và Q 1 Các trạng thái còn lại là không xảy ra khi T1 và T2 cùng đóng hoặc mở bão hòa. T1, T2 không thể cùng đóng do nguồn +Ecc khi đóng mạch sẽ cung cấp 1 điện ápdương nhất định đến bazơ của T 1 và T2 (thông qua trở R C và R2 cho tranzitor T2, hoặc trở R C và R1 cho tranzitor T1) cùng mở. Do tính chất không đối xứng lý tưởng của mạch điện, chỉ cần 1 sự chênh lệch nhỏ về dòng điện trên cực bazơ của 2 tranzitor (IB1 IB2 dẫn đến IC1 IC2), ví dụ IB1 > IB2 dẫn đến dòng IC1 > IC2 (do IC =  IB) khi đó sụt áp trên trở tải RC colector của T1 lớn hớn sụt áp trên trở tải R C colector của T2, qua đường hồi tiếp về từ colector T 2 qua R1 tới Bazơ của T 1 và từ colector T1 qua R2 tới Bazơ của T2 làm cho T1 càng mở và T2 càng đóng sau một khoảng thời gian t rất nhỏ nào đó sẽ dẫn tới T 1 mở bão hòa và T2 khóa, khi đó mạch ở trạng thái ổn định bền và khi đó lối ra của mạch là Q = 1 và Q 0 tương ứng điện áp ra ở colector của T 2 ở mức cao và trên T1 ở mức thấp. 31
Trường hợp ngược lại I B1 u+ khi đó lối ra ura = ura max, qua mạch hồi tiếp dương ura max tới lối vào không đảo ta có điện áp trên lối vào dương là u+ = R2 = uvào ngắt. R1 R2 Tăng dần điện áp uvào cho đến khi uvào u+ = uvào ngắt khi khi đó qua bộ so sánh với lối vào đảo lớn hơn lối vào thuận dẫn tới lối ra lật trạng thái từ U ra max xuống –ura max và qua mạch hồi tiếp dương ura max điện áp trên lối vào thuận là u- = -R1 = uvào đóng. R1 R2 32
Tăng tiếp điện áp lối vào khi đó điện áp lối ra sẽ không bị thay đổi ura = -ura max Khi giảm Uvào từ một giá trị dương lớn cho tới mức u vào >= uvào đóng khi đó mạch vẫn giữ nguyên trạng thái. Khi giản tín hiệu lối vào u vào =1 trong đó K là hệ số khuếch đại của bộ R khuếch đại thuật toán và  2 R1 R2 u ura +ura max uvào ngắt 0 t uvào đóng uvào -ura max Hình 3.3: giản đồ xung lối ra của trigơ smit dùng IC tuyến tính lối vào đảo b. Trigơ smit lối vào thuận u ra Ura max R2 U U vào ngắt vào đóng uvào u R1 u ra vào -Ura max Hình 3.4: Sơ đồ và giản đồ xung trigor smit dùng IC tuyến tính Khi Uvào có giá trị âm lớn tức u + > u- khi đó lối ra u ra = -ura max, qua mạch hồi tiếp dương tới lối vào không đảo ta có điện áp trên lối vào dương là ura uv R1 uvao ura . Để lối ra lật trạng thái thì u p = 0 tức là 33
(R R )u u uvao u p u p ura max 1 2 p ra max u khi đó tương ứng với lối vào khóa u p = 0. từ R1 R2 v R 2 R 1 u đó ta có uvào khóa = ra max R2 Tăng dần điện áp uvào cho đến khi uvào uvào ngắt khi khi đó qua bộ so sánh với lối vào đảo lớn hơn lối vào thuận dẫn tới lối ra lật trạng thái từ -Ura max thành +ura max . Tăng tiếp điện áp lối vào khi đó điện áp lối ra sẽ không bị thay đổi ura = ura max Khi giảm Uvào từ một giá trị dương lớn cho tới mức u vào >= uvào đóng khi đó mạch vẫn giữ nguyên trạng thái. Khi giản tín hiệu lối vào u vào < uvào đóng khí đó điện áp lối vào đảo nhỏ hơn điện áp lối vào thuận, tín hiệu lối ra sẽ chuyển trạng thái từ ura = ura max thành –ura max u ura +ura max uvào đóng 0 t uvào uvào ngắt -ura max Hình 3.5: giản đồ xung lối ra của trigơ smit dùng IC tuyến tính lối vào đảo 2. Các mạch không đồng bộ một trạng thái ổn định Đây là mạch có một trạng thái ổn định bền. Trạng thái thứ 2 của nó chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian nào đó (phụ thuộc vào các tham số hay là các phần tử trong mạch điện) sau đó nó sẽ quan trở về trạng thái ổn định bền ban đầu 2.1. Đa hài đợi dùng tranzitor Ecc Hình 3.6: Sơ đồ mạch đa hài đợi dùng Rc R Rc transitor và giản đồ xung R1 ura C T1 ub1 ub2 T2 R2 uvào 34
Sơ đồ mạch đa hài đợi dùng tranzitor tương tự như trigơ RS dùng transitor ở đây ta thay điện trở R 2 bằng tụ C để đưa thành phần hồi tiếp dương xoay chiều từ colector của Tranzitor T1 về cực Bazơ của tranzitor T2. Tại thời điển t = t0 khi không có xung lối vào tác động giả sử tranzitor T 2 thông khi đó qua mạch hồi tiếp R1 về bazơ của T1 làm cho tranzitor T1 cấm Tại thời điểm t = t1 có 1 xung dương lối vào qua R2 đưa vào cực bazơ của T1 là cho T1 mở ngay lập tức khi đó điện áp trên colector của T1 chuyển trạng thái từ +Ecc về xấp xỉ 0V, khi đó qua mạch tích phân RC Uvào tx làm cho điện áp trên tụ C bị lật trạng thái từ 0.6V xuống còn xấp xỉ t0 t2 t U -Ecc (do tụ C đang được nạp đầy B1 điện từ RC qua tụ C và qua BE của t T2 xuống đất khi đó điện áp trên tụ U xấp xỉ Ecc, do đó khi thay đổi trạng B2 thái tức là làm thay đổi cực xác +0.6V định trên tụ). Do đó tranzitor T t 2 -E cấm và lối ra ở mức thấp. Tụ C lúc Tra Ura tx này được nạp điện từ +E cc qua R, C qua CE của tranzitor xuống đất và điện áp trên tụ C tăng dần từ -Ecc. t0 t1 t2 t Hình 3.7: Giản đồ xung tín hiệu ra mạch đa hài đợi dùng tranzitor Điện áp trên tụ tăng dần biến đổi theo hàm mũ UBE2 = E(1-exp(-t/RC) Do điều kiện đầu là UB2(t=t1) = -ECC và khi tụ C nạp đến giá trị cực đại là U B2(t= ) = ECC. Điện áp trên tụ tăng dần cho tới khi UBE2 =0.6 V (tranzitor silic) và 0.3 V với (gesmani) tương ứng với thời điểm t = t 2 khi đó tranzitor T2 sẽ mở và qua mạch hồi tiếp R1 từ colector của T2 sẽ nhanh chóng làm cho T1 cấm và T2 mở bão hòa. Thời gian kéo dài xung ra là tx = RCln2 = 0.7RC, khi đó mạch sẽ ở trạng thái ổn định bền và chờ tiếp xung tác động ở lối vào để thay đổi trạng thái tiếp theo ở lối ra. 2.2. Đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán Với mạch khuếch đại thuật toán trên, mạch được cấp nguồn nuôi là E CC, khi đó tín hiệu lối ra là Ura max 35
R C R U0 D C U0 R2 Ui C2 Ui C2 D R R1 1 A) B) E 0 Hình 3. 8: Mạch nguyên lý đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toánv lối vào – và + Với sơ đồ hình A. tại thời điểm ban đầu t  Ura max khi đó lối ra lật trạng thái cân bằng không bền U0 = Ura max (do UP > U N). Khi đó điện áp trên cực P là U p = U0 =  Ura max , lúc náy tụ C được nạp điện từ lối ra qua RC xuống đất. Uvào tx t0 t2 Uvào t UB1 t t UN ßUra max UB2 +0.6V t0 t1 t2 t t -ßU ra max -E tx Tra U0 Ura max Ura tx t t1 2 t -Ura max t0 t1 t2 t Hình 3.9: Giản đồ xung tín hiệu lối ra mạch đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán 36
Tụ được nạp điện, khi đó điện áp trên tụ C tăng dần cho đến khi tại thời điểm t = t 2 điện áp trên tụ là UC = UN >=UP tại thì điện áp lối ra lật trạng thái U 0 = -Ura max, khi đó tụ C được phóng điện từ C qua R xuống –Ura max, tụ phóng điện cho tới khi điện áp trên tụ 0V thì dừng lại (0.3V gecmani, 0.6V silic) do Diode D thực hiện ghim điện áp ở cực N không âm quá do tụ C phóng điện. Khi này mạch sẽ trở về trạng thái cân bằng bền. Độ rộng xung tx = t2 – t1 liên quan đến quá trình phóng nạp điện cho tụ C từ mức 0V tới  Ura max . Điện áp trên tụ C là UC = Umax(1-exp(-t/RC)) Thay giá trị UC(t1) = 0 và UC(t2) =  Ura max thay vào phương trình trên ta được 1 R1 tx = t2 – t1 =RC ln(1 ) RC ln(1 )  R2 3. Các mạch không đồng bộ hai trạng thái không ổn định 3.1. Đa hài tự dao động dùng tranzitor Sơ đồ mạch điện như sau: Ecc R2 Rc1 R1 Rc2 + - - + ura2 ura1 C2 C1 T1 ub1 ub2 T2 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý độ đa hài tự dao động dùng transistor Nguyên lý hoạt động: Thông thường mạch đa hài tự dao động là mạch đối xứng nên hai transistor có cùng tên, các linh kiện điện trở và tụ điện có cùng một trị số. Tuy là mạch có các transistor cùng tên và các linh kiện có cùng một chỉ số nhưng các chỉ số đó không thể giống nhau hoàn toàn do mỗi trở và tụ lại có các sai số khác nhau dẫn tới việc hai transistor trong mạch dẫn điện không bằng nhau. Khi cấp nguồn điện sẽ có một transistor dẫn điện mạch hơn và một transistor dẫn điẹn yếu hơn. Nhờ tác dụng của mạch hồi tiếp dương C 2B1 và C1B2 sẽ làm cho transistor 37
dẫn mạnh hơn tiến dần đến bão hòa, transistor dẫn điện yếu hơn tiến dần đến cấm hoàn toàn Giả sử ban đầu transistor T1 đẫn điện mạnh hơn, khi đó tụ C1 được nạp điện từ RC2 qua C1 làm dòng IB1 tăng cao dẫn đến T 1 tiến dần đến bão hòa. Khi T 1bão hòa, dòng IC1 tăng cao và UC1 = UCE1 sat 0.2V, Tụ C2 phóng điện từ +C 2 qua T1 và R1 về -C2, điện áp âm trên tụ C2 được đưa vào cực bazơ của transistor T2 làm cho T2 cấm hoàn toàn. Thời gian cấm của tụ C 2 chính là thời gian phóng điện tụ C 2 được đưa tới R 1, sau khi tụ xả hết điện thì cực bazơ của T 2 được phân cực nhờ điện trở R 1 làm cho T2 dẫn bão hòa khi đó UC2 = UCE2 sat 0.2V. Do đó dẫn tới tụ C1 phóng điện, tụ phóng điện từ +C1 qua T2 và R1 về -C1 đưa và cực bazơ của T 1 làm cho T1 cấm, khi đó tụ C 2 được nạp điện từ +Ecc qua RC1 , +C2 qua bazơ T2 xuống đất làm cho dòng IB2 tăng lên cao và T2 bão hòa nhanh. Thời gian cấm của tụ C 1 chính là thời gian phóng điện tụ C 1 được đưa tới R 2, sau khi tụ xả hết điện thì cực bazơ của T 1 được phân cực nhờ điện trở R 2 làm cho T2 dẫn bão hòa như trạng thái giả thiết ban đầu, hiện tượng này được lặp đi lặp lại tuần hoàn tự dao động. Dạng tín hiệu ra ở các chân như sau: Hình 3.11: Dạng xung ở các lối ra Xét cực B1 khi T1 bão hòa: UB1 ub1 = 0.6V. Khi T1 cấm C1 phóng 0.8V điện làm cực B1 có điện áp âm C phãng ®iÖn t -Ecc 1 (khoảng – Ecc) và điện áp âm t1 ura1 này tăng dần theo hàm mũ. Ecc Lối ra khi T1 bão hòa Ura1 = t 0.2V, T1 cấm Ura1 +Ecc, ub2 dạng tín hiệu lối ra trên 0.8V colector của T1 là xung xuông. t -Ecc C2 phãng ®iÖn Tương tự T2 ta có Lối ra khi T2 ura1 bão hòa Ura2 = 0.2V, T2 cấm Ecc U +Ecc, dạng tín hiệu lối ra2 t tara trên colector của T2 là xung xuông. Dạng xung của 2 lối ra là cùng dạng xung nhưng ngược pha nhau . 38
Chu kỳ xung lối ra là T = t1 + t2 Trong đó t 1 là thời gian tụ C 1 phóng điện qua R 2 từ điện áp –Ecc lên 0V. Vì tụ C 1 phóng điện từ -Ecc lên nguồn +Ecc nên điện áp tức thời của tụ là (lấy mức –Ecc làm gốc) ta có t 1 Uc1(t) 2Ecc.e R2C1 Thời gian t1 để tụ C1 phóng điện từ -Ecc lên 0V là t t 1 1 Ecc 2Ecc.e R2C1 => e R2C1 2 t1 => ln 2 => t1 = ln2*R2C1 = 0.69*R2C1 R2C1 Tương tự thời gian t2 để tụ C2 phóng điện từ -Ecc lên 0V là t1 = ln2*R1C2 = 0.69*R1C2 Chu kỳ dao động của mạch là T = t1 + t2 = 0.69( R2C1 + R1C2) Trong trường hợp mạch đa hài tự dao động có các phần tử đối xứng là R1 = R2 = R; C1 = C2 = C khi đó chu kỳ dao động của mạch là T = 2*0.69*RC 1.4RC Tần số dao động của mạch là: 1 1 f T 0.69( R 2C1 + R1C2 ) Trong trường hợp mạch đa hài tự dao động đối xứng thì ta có 1 1 f T 1.4RC Ví dụ: Thiết kế mạch đa hài tự dao động với các thông số kỹ thuật như sau: Ecc = 12V, dòng điện tải ở cực (dòng bão hòa của transistor) là 10mA, transistor có hệ số khuếch đại  =100 lần, tần số dao động của mạch là 1KHz, tìm các thông số của mạch. Giả sử UBE sat = 0.6V, UCE sat = 0.2V. 3.2. Đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán Sơ đồ mạch như sau: 39
Hình 3.12: Sơ đồ mạch đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán Nguyên lý hoạt động R Giả sử trạng thái lối ra ban đầu là u ra = u ra max khi u ra max C N đó điện áp trên cực P là uP R1 tụ điện C sẽ R R u 1 2 ra được nạp điện từ u ra max qua R, C xuống đất, điện P áp trên tụ C tăng dần, khi điện áp trên tụ C tăng R2 đến mức uC = uN > uP khi đó lối ra bộ khuếch đại R1 thuật toán sẽ bị lật trạng thái từ u ra = u ra max sang ura = -u ra max = u ra min , điện áp trên cực P là ura max uP R1 khi đó tụ C lại phóng điện từ C qua R đến -u ra max Tụ phóng điện và R1 R2 điện áp trên tụ giảm dần, khi điện áp trên tụ u C = uN ic = C.UN/dt và iR = } dt RC R Với điều kiện ban đầu UN (t = 0) = Uđóng = -βUmax , 40
Khi đó phương trình trên có nghiệm là: t UN(t) = Umax[1 – (1 +exp(- ) ] RC UN sẽ đạt tới ngưỡng lật của trigơ smit sau một khoảng thời gian: 1  2R1  RC ln RC ln(1 ) (1) 1  R2 Khi đó chu kỳ (T) của dao động được xác định bởi 2R T = 2 = 2 RC ln(1 1 ) (2) R2 Nếu chọn R1 = R2 ta có T 2.2RC Tức là chu kỳ dao động chỉ phụ thuộc vào các thông số của mạch ngoài R 1, R2 (mạch hồi tiếp dương) và R, C (mạch hồi tiếp âm) Công thức (1), (2) các xxịnh các tham số cơ bản của mạch về chu kỳ dao động của mạch và hằng số thời gian  . Nếu mạch phức tạp cần có độ ổn định cao và khả năng điều chỉnh tần số ra người ta sử dụng các mạch phức tạp hơn: Ví dụ như khi cần có dạng xung lối ra không đối R” D xứng, sơ đồ dưới đây tạo ra được mạch phóng 2 nạp không đối xứng giữa R’ và R” với R’ R” R’ D1 Với hằng số thời gian là: C N 2R1 2R1 1 R 'C ln(1 ) và  2 R"C ln(1 ) u R2 R2 ra P 2R1 Do đó T = 1  2 C(R ' R")ln(1 ) R2 R2 R1 Khi đó bằng cách thay đổi R’ và R” thích hợp ta thu được tín hiệu lối ra có độ rộng xung phù hợp so với tín hiệu chúng ta mong muốn. Nếu muốn xung ra có chu kỳ không đổi thi ta thay đổi các hệ số R’ và R” tỷ lệ với nhau, tức là khi ta thay đổi tăng R’ lên một lượng là K thì tương ứng ta giảm R” cũng một lượng là K do đó R’ + R” sẽ không đổi 41
U ra Uc(t) UN Umax t   4. Dao động Blocking Blocking là một bộ khuếch đại đơn hay đẩy kéo, có hồi tiếp dương mạnh qua một biến áp xung, nhờ đó tạo ra các xung có độ rộng hẹp (cỡ 10-3 – 10-6s) và biên độ lớn. - Ecc D1 D2 + + UB Rt ω B ωt - - ωk RB R1 - C + Tr R T Cg Blocking thường được dùng để tạo ra các xung điều khiển trong các hệ thống số, blocking có thể làm việc ở các chế độ khác nhau: chế độ tự dao động, chế độ đợim chế độ đồng bộ hay chế độ chia tần Nguyên lý làm việc bộ Blocking tự dao đồng gồm có một transistor mắc emiter chung với biến áp xung Tr có 3 cuộn dây là k (sơ cấp) và t và B (thứ cấp) Quá trình hồi tiếp dương thực hiện từ k qua B nhờ cực tính ngược nhau của chúng. Tụ C và điện trở R để hạn chế dòng điện qua cực Bazơ. Điện trở R tạo dòng phóng điện cho tụ C (lúc T khóa). Diode D1 để loại bỏ xung cực tính âm trên trở tải Rt sinh ra khi transistor chuyển chế độlàm việc từ mở sang khóa. Mạch R1 và D2 bảo vệ transistor khỏi bị quá áp. Các hệ số biến áp xung là n B và nt được xác định bởi công thức sau: k k nB và nt B t 42
- Quá trình dao động xung liên quan tới thời gian mở và được duy trì ở trạng thái bão hòa của transistor (nhờ mạch hồi tiếp dương R, C). Kết thúc việc tạo xung là lúc transistor kết thúc trạng thái bão hòa và chuyển đột biến về trạng thái khóa nhờ mạch hồi tiếp dương. + Trong khoảng thời gian 0 0; Tụ C phóng điện qua mạch B  C  R  RB  -Ecc, đến lúc t1 thì Uc = 0V + Trong khoảng t1 < t < t2 khi Uc chuyển qua trạng thái giá trị 0 khi đó xuất hiện quá trình đột biến Blocking thuận nhờ hồi tiếp dương qua B , làm cho transistor mở trạng thái bõa hòa + Trong khoảng t2 < t < t3, transistor T ở trạng thái bão hòa sâu, điện áp trên cuộn sơ cấp k gần bằng trị số Ecc đó là giai đoạn đỉnh của xung, khi đó có sự tích lũy năng lượng từ trong các cuộn dây của biến áp, tương ứng điện áp hồi tiếp qua B là Ecc Ecc U U B Và điện áp trên cuộn tải là t nB nt Khi đó tốc độ thay đổi của dòng colector của transistor T giảm nhỏ do đó sức điện động cảm ứng trên k , B giảm làm dòng cực bazơ iB giảm theo, do đó làm giảm mức bão hòa của transistor, đồng thời tụ C được i B nạp qua T, R, C, B và đất khi đó i B giảm tới trị số giới hạn iB = iBbh = iCbh/ do đó xuất hiện quá trình hồi tiếp dương theo hướng ngược lại (quá trình blocking ngược). Transistor T thoát khỏi trạng thái bão hòa và iC, iB, đưa transistor T về trạng thái cấm dòng iC = 0. Tuy nhiên do quán tính của cuộn dây trên cực colector của transistor T xuất hiện một sức điện động tự cảm chống lại sự giảm đột ngột của dòng điện, dođó hình thành một mức điện áp âm có biên độ lớn (xấp xỉ -Ecc) đó chính là quá trình tiêu tán năng lượng từ trường đã tích lũy từ trước. Nhờ có dòng điện thuận từ D 2, R1, lúc này cuộn t có cảm ứng điện áp âm làm diode D1 cấm, do đó mạch t , D 1, Rt không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch. Tụ C phóng điện và duy trì transistor T khóa có tới khi U c = 0V sẽ lặp lại nhịp làm việc mới. 43
uC t1 t2 t3 t4 t5 t6 Độ rộng xung Blocking tính được là: 0 t Ecc - .Rt Tx = t3 – t1 = (R +rv).C.ln( ) nB (Rt rv ) (1) uB Trong đó rv là điện trở của transistor lúc 0 t mở Ecc nB 2 u Rt = nt Rt là trở tải phản ảnh về mạch t Ecc cực colectơ (mạch sơ cấp) nt  là hệ số khuếch đại dòng tĩnh T. 0 t uc C n¹p C phãng Thời gian hồi phục t4 ÷ t6 do thời gian phóng điện của tụ quyết định và được 0 t iB i xác định bởi: Bbh iM thph = t6 – t4 = C.RB.ln(1 +1/nB) (2) 0 t Nếu bỏ qua các thời gian tạo sườn trước và sườn sau của xung thì chu kỳ xung Tx ≈ tx + thph (3) và tần số của dãy xung là: 1 f tx thph 44
5. Mạch tạo xung tam giác 5.1. Vấn đề chung Xung tam giác được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điện tử, thông tin, đo lường hay tự động điều khiển làm tín hiệu chuẩn hai biên độ và thời gian có vai trò không thể thiếu được hầu như trong mọi hệ thống hiện đại u Umax K U0 tq tng 0 T t Hình trên đưa ra dạng xung tam giác lý tưởng với các tham số chủ yếu như sau: - Biên độ cực đại Umax - Mức một chiếu ban đầu u(t = 0) = U0 - Chu kỳ lặp lại T với xung tuần hoàn. Thời gian quét thuận t q, thời gian quét ngược tng. Thông thường tng >> tq. du Tốc độ quét thuận là K = , hay độ nghiêng của đường quét. dt Để đánh giá chất lượng u thực tế s với lý tưởng có hệ số không đường thẳng  được định nghĩa là: du du (t 0) (t tq ) u '(0) u '(t )  dt dt q du (t 0) u '(0) dt Ngoài ta còn có một số tham số khác như: Umax Umax Tốc độ quét trung bình: KTB = , và hiệu suất năng lượng  tq Enguon  Từ đó ta có hệ số phẩm chất của u là Q = .  45
Nguyên lý tạo xung tam giác dựa trên việc sử dụng quá trình nạp hay phóng điện của tụ điện qua một mạch nào đó, khi đó quan hệ dòng điện và điện áp trên tụ biến đổi theo thời gian là: duc (t) 1 ic(t) = C hay u (t) i (t)dt dt c C c trong điều kiện C là một hằng số, muốn quan hệ u c(t) tuyến tính cần thỏa mãn điều kiện ic(t) là một hằng số, hay sự phụ thuộc của điện áp theo thời gian càng tuyến tính thì dòng điện phóng hay nạp cho tụ càng ổn định - Có 2 dạng điện áp cơ bản là: thời gian quét thuận t q, u tăng tuyến tính dạng đường thẳng nhờ quá trình nạp cho tụ từ nguồn một chiều nào đó và trong thời gian quét ngược tng, u giảm đường thẳng nhờ quá trình phóng điện của tụ qua một mạch tải. Với mỗi dạng trên có các yêu cầu khác nhau để đảm bảo t ng >> tq, với dạng tăng đường thẳng cần nạp chậm phóng nhanh, hoặc dạng giảm đường thẳng cần nạp nhanh phóng chậm. - Việc điều khiển tức thời các mạch phóng nạp cho tụ thường sử dụng các khóa điện tử transistor hay IC đóng mở theo nhịp điều khiển từ ngoài. Trên thực tế để ổn định cho dòng nạp nay phóng điện cho tụ cần có một khối tạo nguồn dòng để nâng cao chất lượng xung tam giác. Về nguyên lý có 3 phương pháp cơ bản để tạo xung tam giác lối ra như sau: Dùng mạch tích phân đơn giản Gồm một mạch RC đơn giản để nạp điện cho tụ từ nguồn E. Quá trình phóng, nạp được một khóa Rn K i điện tử K điều khiển. Khi đó U > Rphóng.C Dùng một phần tử ổn định dòng Kiểu thong số có điện trở phụ thuộc vào điện Rn K i áp đặt vào trên nó Rn = f(URn) làm điện trở nạp + in phg E cho tụ C. Để giữa dòng nạp không đổi thỉ điện - C Rt trở giảm khi điện áp trên nó giảm khi đó 46
Umax  với Etd = inạpRi. Etd Ri là điện trở trong của nguồn dòng nên khá lớn vậy Etd lớn và cho phép nâng cao Umax với một mức méo phi tuyến cho trước. Thay thế nguồn E cố định ở đầu vào bằng một nguồn biến đổi e(t) = E + K(UC – U0) R Hay e(t) = E + KΔUC + in E - de(t) Với K là một hằng số tỷ lệ bé nhơn 1. K = + K UC K 1 dUC - C Nguồn bổ xung KΔU C bùu lại mức giảm của dòng nạo nhờ một mạch khuếch đại có hồi tiếp thay đổi theo điện áp trên tụ U C. Khi đó mức méo phi tuyến được xác định bởi: U  max (1 K) E Giá trị này thực tế nhỏ vì K ≈ 1, nên (1 – K) rất bé nên có thể lựa chọn được U max lớn xấp xỉ E làm tăng hiệu suất của mạch mà  vẫn nhỏ. 5.2. Mạch ổn dòng cơ bản Với sơ đồ trên, Transistor (silic) được phân áp ổn định bở V IC cc RB Rtai Diode zener Dz, khi đó ta có VB = VZ = hằng số Do đó ta có VE = VZ – VBE = VZ – 0.6V = hằng số Vz Khi đó dòng qua RE sẽ cố dịnh với dòng: Dz RE VE IE = , và dòng điện đi qua trở tải xấp xỉ dòng IE, IE IC RE Khi muốn thay đổi dòng qua trở tải Rtai ta chỉ cần thay đổi giá trị RE. Ngoài ra người ta có thể sử dụng mạch phân áp làm nguồn dòng như sau: 47
Vcc V IC cc R1 I Rtai E R Dz E P Vz RE R2 RB Rtai 5.3. Mạch tạo xung tam giác dùng transistor. Hình dưới đây đưa ra các sơ đồ tạo xung tam giác dùng transistor đơn giản. a. Với hình a. +E Ban đầu khi UV = 0, transistor T mở bão R RB hòa nhờ được phân áp bởi điện trở R B từ cực Bazơ lên nguồn +E. Khi đó điện áp ura lối ra Ura = UC = UCEbh ≈ 0V. U vào C u Khi có xung vuông lối vào với cực tính Cg B T âm qua mạch C1RB tạo thành mạch vi A) phân âm khi đó đưa điện áp xung vi phân âm trên tụ C tới cực Bazơ của transistor T làm transistor T cấm, làm cho tụ C được nạp điện. Tụ C được nạp điện từ nguồn +E qua R làm cho điện áp trên tụ tăng dần: t U (t) E(1 exp(- ) khi đó điện áp ra là U ra(t) = UC(t) gần đúng bậc nhất với dạng C RC đường thẳng theo t. Hệ số phi tuyến là: i i(t ) U  0 q m (1) i0 E E E U Với i và i (t) m là dòng nạp lúc đầu và cuối cho tụ C. 0 R q E Khi hết xung điều khiển tức xung vi phân dương hoặc không có xung lối vào điều khiển làm transistor T ở trạng thái cấm. Tụ C phóng điện nhanh ra colector và emitor của transistor T (vì RCE <<) nên Ura = UC ≈ 0 trở về trạng thái ban đầu của mạch. Từ biểu thức sai số (1) trên  ta thấy muốn sai số bé cần chọn nguồn E lớn và biên độ ra của xung tam giác U m nhỏ. (đó chính là nhược điểm lớn của mạch tạo xung đơn giản) 48
b. Với hình b. Transistor T2 mắc kiểu bazơ chung có +E tác dụng như một nguồn ổn dòng (có R2 RE bù nhiệt nhờ dòng ngược qua diode RB T zenor) cung cấp dòng IE2 ổn định nạp 2 D cho tụ trong thời gian có xung vuông Ura cực tính âm điều khiển làm transistor U vào C T1 khóa, với điều kiện gần dùng dòng C g uB T1 colector transistor T2 không đổi thì ta B) có tq I U (t) 1 I dt C2 t là quan hệ bậc nhất theo thời gian t. C C C2 0 C Sơ đồ mạch trên cho phép tận dụng toàn bộ nguồn E tạo xung tam giác với biên độ nhận được là UC ≈ E. Khi có tải Rt mắc song song trực tiếp với tụ C thì có hiện tượng phân dòng qua R t và khi đó UC sẽ giảm và do đó sai số  tăng. Để có thể sử dụng tốt cần nang cao giá trị trở R t hay là giảm ảnh hưởng của R t đối với lối ra của sơ đồ. c. Với hình c. Transistor T1 là phần tử khóa thường mở nhờ điện trở R B và transistor T1 chỉ cấm khi có xung vuông cực tính dương điều khiển ở lối vào. Transistor T2 là phần tử khuếch đại đệm chế độ đóng mở (K < 1). Ban đầu UV = 0 transistor -E D - + T1 mở bão hòa nhờ điện trở N - + RB C0 RB phân cực cho transistor. R2 Diode D thông qua R có Ura M dòng I0 ≈ E/(R + RD) khi đó T2 U - điện áp trên tụ C là UC = vào C + UCEbh≈0 qua transistor T2 ta Cg T1 RE thu được tín hiệu lối ra là C) Ura ≈ 0. Tụ C0 được nạp điện từ đất qua R E qua C và diode D kshi đó điện áp trên tụ là U N – UE2 ≈ E với cực tính âm. 49
Trong thời gian có xung lối vào transistor T 1 bị cấm, tụ C được nạp điện qua R và D làm điện thế tại trên cực Bazơ của transistor T 2 (điểm m) âm dần do đó làm cho T2 mở lớn dần đạt mức gần giá trị bão hòa. Gia số ΔUC qua transistor T2 và qua tụ C0 có điện dung lớn gần như đưa toàn bộ về điểm N bù thêm với giá trị sẵn có tại N (đang giảm theo quy luật dòng nạp) giữ ổn định dòng trên điện trở R nạp cho tụ C. Chú ý: với dòng hồi tiếp từ lối ra qua C 0 về có trị số bằng E/R thì khi đó không còn dòng qua diode D dẫn tới trạng thái cân bằng động. Nguồn E dường như cắt khỏi mạch và C được nạp nhờ điện thế E được nạp trước trên tụ C0 50
5.4. Mạch tạo xung tam giác dùng vi mạch khuếch đại thuật toán. a. Sơ đồ 1: (cấp nguồn ±Ecc cho vi mạch) Xây dựng trên cơ sở khếch đại lối vào đảo trong đó R - C thành phần hồi tiếp là tụ C. Điện áp lối ra được cho bởi Uvao phương trình sau: + Ura Q (t) 1 t U (t) C [ i (t)dt Q ] ra C 0 C C 0 (1) Uvao Với Q0 là điện tích trên tụ tại thời điểm t = 0. t U vao (t) Ura Với iC(t) = do đó ta có R điện áp lối ra (Ura) là t 1 t U (t) U (t)dt U (2) ra vao ra0 RC 0 Thành phần Ura0 xác định từ điều kiện ban đầu của tích phân: Ura0 = Ura(t=0) = Q0/C (3) Nếu lối vào Uvao là một xung vuông có giá trị điện áp không đổi trong khoảng 0 ÷ t thì Ura(t) là biến thiên điện áp dạng đường thẳng. 1 U ( U )t U (4) ra RC vao ra0 Độ chính xác của phương trình trên phụ thuộc vào giả thiết U 0 0 hay dòng điện đầu vào IC gần bằng 0. Với các vi mạch chất lượng cao đảm bảo điều kiện dòng lối vào IC khá tốt: Ivào IC = 0. b. Sơ đồ 2: - Khi có xung điều khiển cực tính dương lối vào làm transistor T mở bảo hòa, khi đó làm tụ phóng điện qua RCE của transistor xuống đất trong khoảng thời gian t 0 (t0 < tng) với tng = tx vào do khi đó transistor T thông bão hòa. 51
- trong khoảng thời gian tq (tức tng vào) không có xung điều khiển dương lối vào khi đó transistor T ở trạng thái cấm IC khuếch đại thuật toán làm việc ở chế độ tuyến tính nếu U0 = 0V thì R2 R 1 - UP = UN = UC (5) +E0 N P + Ura +E Xác định quy luật biến đổi hàm U C(t), từ đó đưa R3 R4 ra điều kiện để lối ra biến đổi tuyến tính. C Uvao RB Phương trình dòng điện tại điểm N với mạch hồi T tiếp âm là: E0 U N U N U ra R1 R2 R2 => U ra U C E0 (6) R1 R2 R1 R1 Phương trình dòng điện tại điểm P với mạch hồi tiếp dương là: E U dU U U 0 C C C C ra (7) R3 dt R4 Từ phương trình (6), (7) ta có UC(t) là: dU U 1 R 1 E R C C 2 2 E0 (8) dt C R3 R1R4 C R3 R1R4 1 R2 Khi đó tính chất biến đổi của UC phụ thuộc vào hệ số R3 R1R4 R1R4 - Nếu R3 đường UC(t) có dạng đường cong lồi R2 R1R4 - Nếu R3 đường UC(t) có dạng đường cong lõm R2 R2 R4 - Khi thì khi đó UC(t) phụ thuộc bậc nhất vào t. R1 R3 1 E R 2 Khi đó ta có U C (t) E0 t (9) C R 3 R1R4 52
- Nếu chọn R 1 = R3, R2 = R4 khi Uvao đó ta có: t 1 UC U C (t) E E0 t (10) CR 3 Từ biểu thức (10) ta có t Ura - Nếu E > E0 ta có điện áp lối ra tăng theo đường thẳng Ura max - Nếu E < E0 ta có điện áp t lối ra giảm theo đường thẳng Ura min - Nếu chọn E 0 = 0 ta nhận được xung tam giác có cực tính dương. Nếu chọn E 0 là một nguồn điều chỉnh được thì Ura có dạng hai cực tính với biên độ gần bằng 2Ecc. Thực tế thường chọn E = Ecc và E0 lấy từ Ecc qua mạch phân áp. Biên độ cực đại trên tụ được xác định bởi 1 U C max E E0 tq CR 3 c. Tạo xung vuông và tam giác R2 R1 R + - C U - Ura 1 + ra 2 \Người ta có thể tạo đồng thời một xung vuông và một xung tam giác nhờ ghép nối tiếp một bộ tích phân sau một trigơ smit. Bộ tích phân IC2 lấy tích phân điện áp ổn định trên lối ra 1 (U ra1) trên trigơ smit. Khi Ura2 đạt ngưỡng lật của trigơ thì điện áp ra của nó đổi dấu đột biến do đó Ura2 đổi ngưỡng quét ngược lại. quá trình thực hiện tiếp diễn cho tới khi đạt ngưỡng lật thứ 2 của trigơ smit và sơ đồ quay trở về trạng thái dao động tạo xung ban đầu. 53
Tần số dao động của mạch phụ thuộc vào R và C. Giá trị ngưỡng điện áp lật trạng thái của trigơ smit được xác định bởi: R1 Ura2 = U ra1max (11) R2 Ura1 max là điện áp ra cực đại của IC1. Chu kỳ dao động của mạch là R T 4RC 1 (12) R2 54
Chương 4: VI MẠCH ĐỊNH THỜI 555, DAO ĐỘNG TÍCH THOÁT DÙNG UJT 1. Sơ đồ chân và cấu trúc 555 1.1. Sơ đồ chân IC 555 GND 1 8 +Vcc Trigger 2 7 Discharge 555 Output 3 6 Threshold Control Reset 4 5 Voltage 1.2. Sơ đồ cấu trúc IC 555 Chân 1: GND nối đất Chân 2: Trigger Input (lối vào thay đổi trạng tái xung lối ra) Chân 3: Output Lối ra Chân 4: Reset (phục hồi lại trang thái hoạt động IC555) Chân 5: Control Voltage (điều khiển điện áp) Chân 6: Threshold (thềm ngưỡng lật trạng thái lối ra out) 55
Chân 7: Dirchage (điều khiển phóng nạp điện tụ Chân 8: Vcc nguồn cung cấp (nguồn dương) 1.3. Nguyên tắc hoạt động các chân IC555 Về cơ bản, 555 gồm 2 mạch so sánh điều khiển trạng thái của FF, từ đó điều khiển transistor cho phép tụ xả điện (Discharge) Cấu trúc phân áp IC 555 gồm 3 điện trở có giá trị 5KΩ được mắc nối tiếp với nhau lên nguồn cung cấp và xuống đất, đầu ra lầy trên các điện trở tương ứng với nhau có giá trị điện áp chuẩn là 1/3Vcc và 2/3Vcc 2 bộ khuếch đại thuật toán có chức năng so sánh với lối vào dương và âm được nối với điện áp chuận tương ứng là 1/3Vcc và 2/3Vcc, lối vào còn lại được lấy từ lối vào chân (2) và chân (6). Lối vào chân (2) được đưa tới lối vào âm của bộ so sánh 1, còn lối vào dương của bộ so sánh 1 được nối với điện áp chuẩn 1/3Vcc. Lối vào chân (6) được đưa tới lối vào dương của bộ so sánh 2, còn lối vào âm của bộ so sánh 2 được nối với điện áp chuẩn 2/3Vcc. Chú ý: khi thực hiện mạch dao động dùng IC555 không bao giờ thực hiện cùng lúc điện áp lối vào chân (2) 2/3Vcc. Chân 2: TRIGGER (kích khởi), điểm nhạy mức với 1/3VCC . Khi điện áp ở chân này dưới 1/3 Vcc thì ngõ ra Q của FF xuống [0], tạo ra chân 3 tạo một trạng thái cao. Khi điện áp lối vào chân (2) có giá trị nhỏ hơn 1/3Vcc tương ứng lối ra bộ so sánh thứ 1 ở mức cao tác dụng tới lối vào set của triggơ RS khi đó lối ra Out ở mức cao. Khi điện áp lối vào chân (2) lớn lơn 1/3Vcc khi đó lối ra bộ so sánh 1 ở mức thấp tương ứng với chân S của triggơ RS ở mức thấp và phụ thuộc lối vào R của triggơ RS mà lối ra Out ta được ở trạng thái nhớ (lối ra ở mức cao) hoặc trạng thái xóa (lối ra ở mức thấp). Chân 6: Threshold (ngưỡng) điểm nhạy mức với 2/3Vcc . Khi điện áp ở chân này > 2/3Vcc . FF Reset làm cho chân 3 ở trạng thái thấp. Khi điện áp lối vào chân (6) có giá trị nhỏ hơn 1/3Vcc tương ứng lối ra bộ so sánh thứ 2 ở mức thấp tác dụng tới lối vào clear của triggơ RS khi đó lối ra Out phụ thuộc lối vào S của triggơ RS mà lối ra Out ta được ở trạng thái nhớ (lối ra ở mức thấp) hoặc trạng thái set (lối ra ở mức cao). Khi điện áp lối vào chân (6) lớn lơn 1/3Vcc khi đó lối ra bộ so sánh 2 ở mức cao tương ứng với chân R của triggơ RS ở mức cao do đó lối ra Out ở mức thấp. 56
Mạch FF – RS là loại mạch lưỡng ổn kích một bên. Khi chân S ở mức cao thì điện áp này kích cho lối ra Q lên mức cao và lối ra Q xuống mức thấp. Khi châp S ở mức cao xuống mức thấp thì FF – RS không đổi trạng thái tương ứng chân R đang ở mức thấp. Khi chân R (clear) ở mức cao thi điện áp này kích cho FF – RS đổi trạng thái mức cao sang trạng thái mức thấp khi đó lối ra Q xuống mức thấpvà lối ra Q lên mức cao. Khi chân R xuống mức thấp tương ứng S ở mức thấp khi đó FF – RS ở trạng thái nhớ và giữ nguyên trạng thái của mạch. 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 Chân 4: RESET khi điện áp ở chân này nhỏ hơn 0,4V: chu kỳ định thì bị ngắt, đưa 555 về trạng thái không có kích. Đây là chức năng ưu tiên để 555 không thể bị kích trừ khi RESET được giải phóng (>1,0V). Khi không sử dụng nối chân 4 lên Vcc. Chân 5: Control Voltage (điện áp điều khiển), bên trong là điểm 2/3Vcc. Một điện trở nối đất hoặc điện áp ngoài có thể được nối vào chân 5 để thay đổi các điểm tham khảo (chuẩn) của comparator. Khi không sử dụng cho mục đích này, nên gắn 1 tụ nối đất = 0.01µF cho tất cả các ứng dụng nhằm để lọc các xung đỉnh nhiễu nguồn cấp điện. 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 đất. Việc định thì tương đối độc lập với điện áp này. Sai số định thì do thay đổi nguồn điện tiêu biểu < 0.05% /V 2. Mạch đa hài dùng IC555 Sơ đồ mạch như sau: 57
Vcc R1 4 8 3 out 7 6 555 R2 2 5 1 C 0.01μF Đa hài tự dao động tạo xung vuông. 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 R1 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 1/3 Vcc) và bộ so sánh 2 với (U6(+) < 2/3Vcc) lối ra ở trạng thái nhớ Out ở mức cao. 58
Khi điện áp trên tụ tăng đến mức 2/3 Vcc thì khi đó điện áp trên chân 2 của bộ so sánh thứ 1 (U2(-) > 1/3 Vcc) và bộ so sánh 2 với (U6(+) > 2/3Vcc) lối ra đổi trạng thái từ lối ra Out (3) ở mức cao sang lối ra Out (3) ở mức thấp (tương ứng 0V). Lúc này transistor ở chân 7 chuyển sang trạng thái mở bão hòa và điện áp chân 7 xấp xỉ 0V và tụ C lúc này bắt đầu phóng điện, tụ phóng điệ từ C qua R 2 và qua chân 7 và transistor trong IC555 xuống đất với hằng số thời gian là: τphóng = R2C (2) Khi này điện áp trên tụ C lại giảm dần từ mức điện áp 2/3Vcc xuống 0V UC = Vcc(1 – exp(-t/τphóng)) Khi điện áp trên tụ giảm ở mức >1/3 Vcc (và 1/3 Vcc) và bộ so sánh 2 với (U 6(+) < 2/3Vcc) lối ra ở trạng thái nhớ Out ở mức thấp. Khi điện áp trên tụ giảm đến mức 1/3 Vcc thì khi đó điện áp trên chân 2 của bộ so sánh thứ 1 (U2(-) < 1/3 Vcc) và bộ so sánh 2 với (U6(+) < 2/3Vcc) lối ra đổi trạng thái từ lối ra Out (3) ở mức thấp sang lối ra Out (3) ở mức cao (tương ứng Vcc). Lúc này transistor ở chân 7 chuyển sang trạng thái cấm và tụ C lúc này lại được nạp điện lại. Quá trình này được lặp đi lặp lại và mạch tự dao động Điện áp trên tụ C được nạp từ giá trị 1/3Vcc đến 2/3Vcc (trừ chu kỳ đầu tiên khi đóng mạch là tụ được nạp từ 0V đến 2/3Vcc). Tụ phóng điện từ điện áp 2/3Vcc xuống tới 1/3Vcc. Chu kỳ dao động: Thời gian tụ nạp điện là: tnạp = 0.69* τnạp = 0.69(R1 + R2)C Thời gian tụ phóng là tphóng = 0.69* τphóng = 0.69R2C 59
Chu kỳ dao động của mạch là: T = tnạp + tphóng = 0.69(R1 + 2R2)C (3) Do thời gian phóng và thời gian nạp không bằng nhau (thường t nạp > tphóng) nên xung vuông ở lối ra không đối xứng và có thời gian có xung lớn hơn thời gian không có xung. Dạng xung ra: Mạch tạo dao động xung vuông cho độ rộng nửa chu kỳ dùng IC555, lối ra được nối với tải đèn Led. Vcc R1 4 8 R1 out 3 7 D2 P 6 555 R R2 R2 2 5 1 C 0.01μF 0.1μF 60
3. Mạch đơn đa hài dùng IC555 Vcc R1 4 8 3 out 7 555 6 Uv 2 5 1 C 0.01μF Nguyên lý hoạt động của mạch: Chân ngưỡng 6 được nối với chân xả điện 7 của mạch R1C. Lối vào 2 được nối với xung kích biên độ âm có điện áp khi không có xung kích >1/3Vcc và khi có xung kích lối vào điện áp <1/3Vcc. Đặc điểm của mạch đơn ổn là khi không có xung kích lối vào thì lối ra ở trạng thái ổn định định là Out = 0. Khi có xung kích hẹp tác động tới lối vào tác động tới lối vào Trigger nhớ chân 2 làm cho lối ra sẽ có xung dương (do điện áp chân 6 0V với lối vào ngưỡng). Thời gian kéo dài xung ra phụ thuộc vào thời gian nạp điện cho tụ C. Khi có xung lối ra thì chân 7 tương ứng ở mức cao và tụ C được nạp điện, tụ được nạp từ Vcc qua R1 qua C xuống đất và điện áp trên tụ C khi này tăng dần theo hàm số mũ từ 0V đến Vcc, với gía trị điện áp trên tụ là: U C Vcc(1 exp( t x / R1C)) Khi tụ nạp điện đến giá trị điện áp 2/3Vcc khi đó tương ứng với giá trị điện áp ngưỡng chân 6 và điện áp chân 2 là lớn hơn1/3Vcc do đó lối ra IC555 sẽ lật trạng thái từ mức cao sang trạng thái mức thấp và ở trạng thái ổn định bền chờ xung kích tiếp theo tác dụng tới lối vào 2. Khi lối ra lật trạng thái sang mức thấp tương ứng chân 7 ở mức thấp và tụ C sẽ phóng điện nhanh qua chân 7 xuống đất và điện áp trên chân 7 và chân 6 nhanh chóng về điện áp thấp. Thời gian kéo dài xung ra tương ứng với thời gian tụ được nạp điện từ giá trị điện áp 0V đến giá trị điện áp 2/3Vcc. Khi đó ta có U C Vcc(1 exp( t x / R1C)) 2 / 3Vcc 61
=> 1 exp( t x / R1C) 2 / 3 hay exp( tx / R1C) = 1/3 => tx = ln3*R1C = 1.1R1C (*) Dạng xung ta tại chân 2, 3, 6 4. Mạch dao động tích thoát dùng UJT Sơ đồ mạch và sơ đồ tương đương mạch dao động tích thoát dùng UJT: Vcc R1 Vcc R Out 2 R2 RB2 R Out 2 E B B2 RB1 UJT C Out 1 Out 1 B1 C R2 R1 a. Sơ đồ mạch b. Sơ đồ tương đương Sơ đồ trên là sơ đồ mạch tích thoát cơ bản dùng UJT, với 2 điện trở R 1 và R2 để nhận giá trị xung lối ra tương ứng với lối ra out 1 và out 2. Ngoài ra điện trở R 2 còn có tác dụng ổn định nghiệt cho triết áp R. Tụ C và triết áp R tạo thành một mạch nạp điện 62
cho tụ từ Vcc qua R qua C xuống đất khi đó điện áp trên tụ tăng dần tương ứng điện áp tại điểm E tăng dần, khi thay đổi giá trị triết áp R tương ứng với thay đổi giá trị dòng nạp cho tụ khi đó làm thay đổi chu kỳ xung lối ra. Điện áp nạp trên tụ có giá trị bằng: U C VCC (VCC VV )exp( t x / RC) Khi điện áp trên tụ áp điện từ giá trị điện áp thấp Vv đến giá trị điện áp mức cao tương ứng với điện áp kích cho UJT bắt đầu hoạt động (Vp) khi đó tụ C sẽ được phóng nhanh qua UJT và qua R1 xuống đất, điện áp trên tụ phóng đến giá trị Vc thì UJT ở trạng thái cấm và tụ C tiếp tục được nạp điện lại và quá trình lặp lại tạo ra mạch tự dao động. Giá trị điện trở liên miền RBB = RB1 + RB2 có giá trị từ vài k đến 10k . R Tỷ số điện trở  B1 0.5  0.8 RBB Điện trở R1, R2 được chọn có chỉ số rất nhỏ sao cho R 1 và R2 exp( t1 / RC) VCC VV VCC VV =>t1 =RC VCC VP Thời gian phóng điện của tụ từ điện áp VP xuống điện áp VC là: t2 VC = VP.exp( ) (RB1 R1 )C 63
t 2 = (RB1 + R1)C*ln(VP/VV) Chu kỳ dao động của mách là T = tnạp + tphóng = t1 +t2 Giá trị RB1 có trị số nhỏ khi tụ phóng điện: do đó ta có thể bỏ qua thời gian phóng điện của tụ, do đó chu kỳ dao động của mạch T t1 Với trường hợp VV << Vcc và VP =  Vcc do đó ta có T = RC ln(1/(1 –  )) Tần số dao động của mạch là: 1 1 f T 1 RC ln( ) 1  Dạng xung ra: VE VP VV t VB2 t VB1 t Phưong trình đường tải Trong mạch dao động tích thoát, giá trị điện trở nạp cho tụ C của mạch nạp RC có ý nghĩa rất quan trọng. Nếu chỉ số trở R quá lớn hay quá nhỏ thì gây ra mạch có thể hoạt động không đúng theo nguyên lý mạch dao động tích thoát dùng UJT. Trường hợp giá trị R quá lớn, khi đó tụ nạp điện đến giá trị điện áp V P, khi đó dòng qua R (IR) nhỏ hơn dòng I P thì mạch RC không kích được UJT hoạt động. Do đó ta phải chọn R sao cho: V V R CC P I P 64
Trường hợp điện trở R quá nhỏ, khi tụ phóng điện đến giá trị điện thế V V, khi đó dòng đi qua R ở thời điểm này là I R vẫn lớn hơn I V thì khi đó UJT sẽ không ngưng được, như vậy ta phải chọn R sao cho V V R CC V IV Khi đó ta phải chọn R (phương trình đường tải) sao cho V V V V CC V R CC P IV I P Thông thường chọn R = 1kΩ ÷ 1MΩ Và C = 100pF ÷ 100μF Sơ đồ mạch tạo xung dùng UJT có tần số dao động trong khoảng từ 50 đến 150Hz Vcc +12V P R 200KΩ 1 100Ω Out 1 R 100KΩ UJT Out 1 C 0.1μF 100Ω R2 5. Mạch tạo tín hiệu xung tam giác dùng UJT Mạch tạo tín hiệu xung tam giác dựa trên nguyên lý phóng nạp cho tụ, thông thường phóng nạp của tụ theo hàm e mũ, để tạo xung tam giác theo đường tuyến tính thì đường nạp cho tụ là tăng tuyến tính tức tụ được nạp qua một nguồn dòng cố dịnh và phóng nhanh qua một mạch có trở kháng rấ nhỏ nhu một khoá K nào đó. Vcc Vc I VP K C R tx t Khi đó khi nạp điện áp trên tụ tăng dần theo công thức sau: 1 t v Idt C C o 65
I Hay v t là hàm bậc nhất theo t, vậy điện áp trên tụ tăng tuyến tính theo t. C C Để điện áp trên tụ đạt được đến giá trị V P, khi đó thời gian t x được xác định như sau (coi tụ nạp điện từ giá trị điện áp v0 = 0V): I C V t hay t V P C x x P I Thời gian nạp điện cho tụ tỷ lệ nghích với dòng nạp cho tụ C (I) Vcc +12V R3 R1 R6 100Ω T1 I0 T T3 2 R4 UJT Out 2 100KΩ N Out 1 R2 R 100Ω R5 10KΩ C 0.4μF 7 Với sơ đồ mạch tạo xung tam giác trên dùng UJT thì ta có 2 lối ra là out 1 là xung kim kích trên UJT và Out 2 là xung tam giác cần lấy, Nguyên lý hoạt động của mạch trên như sau: Điện trở R1, R2, R3 và transistor T1 tạo thành một nguồn dòng ổn định để nạp cho tụ C (do transistor T1 được phân áp ổn định qua R1, R2 và R3) đó đó ta có dòng qua transistor T1 là cố định và ta có dòng ổn định nạp cho tụ C. Điện áp trên tụ sẽ nạp từ giá trị điện áp 0V đến giá trị điện áp xấp xỉ V cc, (nhưng do tụ nối với UJT nên điện áp trên tụ nạp từ giá trị điện áp VV đến VP trong các chu kỳ tiếp theo của mạch) Khi đó dòng nạp cho tụ C là dòng IE xấp xỉ dòng IC (I0) Transistor T2 mác theo kiểu E chung lối ra trên Emitor, chính là tầng lặp lại điện áp (khuếch đại dòng cho tín hiệu xung tam giác lối ra để ghép nối với mạch ngoài). Khi đó điện áp lối ra trên tụ C xấp xỉ điện áp trên lối ra Out 2. Transistor T3 (UJT) mắc theo kiểu dao động tích thoát dùng UJT, khi điện áp nạp trên tụ tăng kến gía trị điện áp V P (của UJT) khi đó sẽ kích cho UJT hoạt động (như một khá K) và tụ sẽ phóng điện qua UJT và R7 xuống đất, khi tụ phóng điện giá trị điện trở phóng qua UJT và R7 rất nhỏ nên điện áp trên tụ giảm rất nhanh coi là tuyến tính), khi điện áp trên tụ giảm đến mức điện áp V V (điện áp mức thấp UJT không hoạt động) thì 66
tụ không phóng điện qua Transistor T3 và được nạp điện lại qua nguồn dòng của transistor T1, khi đó mạch sẽ tự dao động. Thời gian nạp điện cho tụ từ giá trị điện áp VV đến giá trị điện áp VP là tx: C t x (VP VV ) I 0 thời gian phóng điện của tụ qua UJT rất nhỏ, do đó ta có thể xấp xỉ chu kỳ dao động của mạch bằng thời gian nạp điện cho tụ C. T t x Với mạch trên ta có thể thay đổi chu kỳ dao động của mạch bằng cách thay đổi giá trị của tụ C, hoặc ta có thể mắch thêm một biến trở nối tiếp với điện trở R 3 của bộ tạo nguồn dòng dùng transistor T1. Dạng xung lối ra: VC VP VC tx T t Vout2 t tx t 6. Mạch tạo tín hiệu xung nấc thang dùng UJT Vcc +12V R3 470Ω R 10K R2 R5 R7 100K 1 5KΩ 100Ω C2 Ω I Ω 0 Out T T 2 UJT 0.5μF 1 UJT 1 N 2 R 220Ω R C1 4 C3 0.2μF 6 100Ω 67
Tín hiệu xung nấc thang là tín hiệu có điện áp tăng dần theo từng nấc rồi cuối cùng điện áp giảm về mức thấp sau khi kết thúc một chu kỳ, sau đó tín hiệu tiếp tục tăng dần, sơ đồ tạo dao động tín hiệu xung nấc thang như trên: Với sơ đồ trên, nguyên lý hoạt động như sau: Khối 1 gồm tụ C1, trở R3, R4, R7, UJT1 tạo thành bộ dao động tích thoát dùng UJT1 có lối ra lấy trên cực B2 (xung âm). Khối 2: R1, R2 và Transistor T1 tạo thành một nguồn dòng cố định nạp cho tụ C3 khi có xung kích qua tụ C2 từ khối 1. Khối 3 gồm trở R5, R6 và UJT tạo thành bộ tích thoát thứ 2 tạo ra chu kỳ dao động của mạch. Khi bộ dao động tích thoát thứ nhất hoạt động sẽ tạo ra một xung âm lối ra B2 của UJT thông qua tụ C2 để kích bộ tạo nguồn dòng của transistor T1 hoạt động làm cho tụ C3 được nạp thêm một lượng điện tích là u và chờ xung kích tiếp theo của UJT1( khi không có xung âm kích từ bộ dao động tích thoát thứ nhất thì bộ tạo nguồn dòng của transistor T1 không hoạt động). Khi điện áp trên tụ C3 nạp đến giá trị điện áp là Vp (điện áp đủ kích cho UJT2 hoạt động) khi đó tụ C3 sẽ phóng điện qua UJT2 xuống đến điện áp mức thấp VV và tụ C lại được nạp lại, quá trình thực hiện liên tục như vậy làm cho mạch tự dao động. Chu kỳ dao động của mạch: Điện áp tụ C3 tăng thêm một lượng u do bộ dao động tích thoát 1 tạo ra là I u t , trong đó t là khoảng thời gian có xung âm của bộ dao động tích thoát 1. C Khi đó chu kỳ tạo ra một nấc thang trên tụ C3 tương ứng với khoảng thời gian điện áp trên tụ C3 tăng được một lượng u là tx (chu kỳ bộ dao động tích thoát 1) Khonảg biến thiên của điện áp trên tụ C3 là: U p – UV = N u , trong đó N là số xung nấc thang tạo ra trên tụ C3 Và chu kỳ dao động của mạch chính là khoảng thời gian điện áp trên tụ C3 được nạp từ giá trị điện áp VV đến giá trị điện áp VP. T = Ntx Dạng xung ra: 68
VC1 VP VC tx Vout VP VC T 7. Mạch dao động tích thoát tạo xung đồng bộ 7.1. Mạch đồng bộ điều khiển nắn nửa chu kỳ D1 L R1 +V2 +V1 R3 RT54 R6 L R2 AC AC Dz P MT T1 UJT N T3 TR1 T2 R4 C N Nguyên lý hoạt động: Biến áp TR1 giảm điện áp xoay chiều 220V lối vào cuộn sơ cấp thành điện áp lối ra ở cuộn thứ cấp khoảng 48V. Điện áp ra cuộn thứ cấp khá cao so với điện áp ổn áp trên diode zener Dz (12V). Diode D1 là mạch nắn dòng, điện áp nửa chu kỳ dương lối ra (nửa chu kỳ âm cấm) không có tụ lọc, khi đó lối ra là nửa chu kỳ dương gợn sóng V1 theo tín hiệu lối vào. Điện trở R1, R2 và diode Dz dùng để cắt ngọn và ổn áp điện áp +V2 ở lối ra bằng điện áp Vz, khi đó điện áp V2 được xem như là nguồn một chiều ổn áp gián đoạn theo từng nửa chu kỳ dương của tín hiệu xoay chiều lối vào. Và điện áp V2 là nguồn điện đồng 69
bộ cấp cho mạch dao động tạo xung kích cho transistor T1 và T2 (UJT) là mạch tạo xung dao động tích thoát nạp bằng dòng ổn định qua T1. Khi T1 và T2 được cấp nguồn V2 nên mạch làm việc gián đoạn theo từng chu kỳ dương lối vào, khi nguồn AC có chu kỳ dương thì T1 dẫn điện và tụ được nạp điện và qua T2 tạo mạch dao động tích thoát khi đó có một xung kích qua biến áp xung TR2 hoạt động và qua biến áp đầu ra thứ cấp sẽ kích cực Gate của Triac (SCR) hoặt động để nắn điện qua động cơ 1 chiều DC. Thay đổi biến trở P làm thay đổi dòng nạp cho tụ C khi đó dẫn đến làm thay đổi tần số dao động của bộ dao động tích thoát khi đó làm thay đổi độ mở của T3, dẫn tới thay đổi dòng điện qua động cơ DC (tốc độ động cơ thay đổi) 7.2. Mạch đồng bộ điều khiển nắn toàn chu kỳ D1 L R1 +V2 +V1 R3 R5 R6 R2 AC Dz R7 L P T1 UJT AC T3 D3 N TR1 T2 R4 C D4 T4 D2 N R8 MT TR2 Trong trường hợp mạch điều khiển cấp nguồn cho động cơ DC là mạch nắn toàn chu kỳ - dùng 2 SCR là T3 và T4, mạch tạo ra nguồn đồng bộ cũng tương tự là mạch nắn nửa chu kỳ và ổn áp không dùng tụ lọc. Điện áp lối ra sau 2 Diode D1 và D2 là những bán chu kỳ dương liên tục và gợn sóng V1. Điện trở R1, R2 và diode Dz dùng để cắt ngọn và ổn áp điện áp +V2 ở lối ra bằng điện áp Vz, khi đó điện áp V2 được xem như là nguồn đồng bộ cấp cho mạch dao động. Xung kích qua T1 và T2 qua biến áp xung TR2, lối ra của biến áp xung lần lượt kích vào cửa Gate của T3 v T4 cấp dòng một chiruc ho động cơ DC (MT) 70
Chương 5. MẠCH DAO ĐỘNG TẠO XUNG DÙNG CỔNG LOGIC, VCO, CCO 1. Mạch đa hài đơn ổn dùng cổng logic. V R A Out B C N Mạch có một trạng thái ổn định bền là khi không tác động xung ở lối vào A = 0 thì lối ra Out = 0. Khi có một xung dương lối vào A = 1, B = 0. tương ứng qua mạch Nor ta có lối ra Out = 0, qua mạch RC tạo thành mạch tích phân RC, khi đó điện áp trên tụ tăng dần (tụ được nạp điện từ +V qua R qua C xuống đất) và điện áp trên tụ như sau: uC V (1 exp( t / RC)) khi đó uN = 0 và lối ra Out = 1. Lúc đó tụ được nạp điện và điện áp trên tụ C tăng dần, khi điện áp trên tụ C tăng U C UH thì lối ra lật trạng thái từ Out = 1 sang lối ra Out = 0 (URa = UL), Khi kết thúc xung lối vào A = 0, và B = Ura = 0 (UL) khi đó mạch sẽ giữ nguyên trạng thái ổn định chờ xung tiếp theo ở lối vào A. 2. Mạch đa hài tự dao động dùng cổng logíc. R1 N Out 1 1 C1 C2 R2 2 Out 2 P Điện trở R1, R2 giữ điện áp ngưỡng của thành phần hồi tiếp về của tụ C1 và C2 lấy hồi tiếp dương đưa từ lối ra về lối vào. Khi đóng mạch giả sử lối ra 1 ở mức thấp (Out 1 = 0) khi đó lối ra 2 ở mức cao (Out 2 = 1) tụ C2 được nạp điện và điện áp trên tụ C2 tăng dần. uc2 Vcc(1 exp( t / R1C2 )) , khi đó ta có UN = UR1 = Uout2 - UC = Uout2 (Vcc), Tụ C1 phóng điện qua Out1 xuống đất. Tụ C2 nạp điện và điện áp trên tụ C2 tăng dần khi đó tương ứng với điện áp tại điểm N (UN) giảm dần từ Vcc xuống đất, khi điện áp tại điểm N nhỏ hơn điện áp mức thấp (U N 71
UL) thì qua Nand 1 ta có lối ra Out 1 sẽ lật trạng thái lên mức cao, qua qua mạch hồi tiếp dương từ Out 1 về điểm P (tức lối vào Nand 2) làm cho lối ra Out 2 chuyển trạng thái sang mức thấp. Lúc này Out 1 = UH (Vcc) và Out 2 = UL (0). Và tụ C1 được nạp điện từ Out 1 qua C1 và R2 xuống đất và tụ C2 phóng điện qua Out 2 xuống đất uC2 Eexp( t / R21C2 ) . Và uc1 Vcc(1 exp( t / R2C1 )) Khi đó điện áp trên tụ C1 tăng dần và điện áp trên điểm P giảm dần, điện áp trên điểm P giảm đến mức U P UL thi qua Nand 2 lối ra out 2 sẽ chuyển trạng thái sang mức cao và qua mạch hồi tiếp dương về lối vào Nand 1 làm lối ra Out 1 về mức thấp trở về tạng thái ban đầu của mạch, quá trình này cứ tiếp tục thực hiện và mạch sẽ tự dao động 3. Mạch dao động VCO (Voltage Control Oscilator) dùng IC 566 Sơ đồ cấu trúc Vcc R 6 8 ic566 Buffer 5 Current Triger 3 Sources Smit Out Buffer 4 Out 7 1 C Trạng thái, chức năng các chân Chân 1: Nối đất Chân 2: Chân dư NC (No connect) Chân 3: Lối ra xung vuông (Square Wave Output) 72
Chân 4: Xung tam giác (Triagular Wave Outout) Chân 5: Lối vào điều khiển (modulation Input) Chân 6: Nguồn dòng (Current Sources) Chân 7: Nguồn dòng (Current Sources) Chân 8: +Vcc nguồn nuôi 1 chiều (nguồn dương) - Mạch nguồn có tác dụng giữ cho dòng nạp điện cho tụ C qua điện trở R có giá trị cố định - Trị số của dòng nạp có thể thay đổi nhờ lối vào điều khiển tại chân 5 - Điện áp nạp trên tụ tăng theo hàm bậc nhất, do mạch nạo cho tụ là nguồn dòng - Mạch Triger smit có tác dụng giới hạn điện áp nạp trên tụ ở mức cao hay phóng điện để tạo ra điện áp xung răng cưa ở chân 7 và qua mạch triger smit tạo xung vuông ở chân 3. - Mạch Buffer tỏng IC là hai mạch khuếch đại đệm dòng điện cho dạng xung vuông và tam giác ở lối ra 3 và 4 để phù hợp với việc ghép tải lối ra - Thay đổi giá trị điện áp ở chân 5 làm thay đổi dòng nạp cho tụ điện dẫn tới việc thay đổi tần số của xung vuông và xung tam giác ở lối ra 3 và 4. - Thay đổi giá trị điện trở R và C cũng có thể thay đổi tần số lối ra. Một số đặc điểm của mạch là: - Nguồn nuôi: 10V ÷ 24V - Tần số dao động fmax = 1MHz và được tính 2 V V CC C f 0 RC VCC Trong đó VC là điện áp điều khiển ở chân 5 - Điện áp điều khiển ở chân 5 cho phép là: 3 V V V 4 CC C CC - Giới hạn giá trị điện trở là: 2k R 20k Mạch tạo dao động xung vuông và xung tam giác với tần số có thể thay đổi được dựa vào triết áp P 73
Vcc R R1 6 8 3 Out P 5 IC566 4 Out R2 7 1 C Mạch tạo xung điều chế VCO có tần số lối ra xung vuông và xung tam giác thay đổi liên phụ thuộc vào biên độ tín hiệu xung lối vào (hay mạch điều tần) Vcc R R1 6 8 3 Out 5 IC566 ~ R2 4 Vi Out 7 1 C 4. Mạch dao động CCO (IC 567 – Current Control Oscilator) Sơ đồ cấu trúc 74
Vcc 4 IC567 R1 Control 3 2 Low pass Phase Detector filter Timing R 5 KĐ Current Controller Oscilator Timing C-R 6 R2 1 Output filter Quadrature Phase + 8 Detector - Output KĐ V 7 ref Ground Trạng thái, chức năng các chân Chân 1: Output filter C1, chân nối với tụ lọc xuống đất để lọc tín hiệu lối ra của mạch so sánh điện áp vuông pha Chân 2: Low pass filter C2, mắc tụ lọc xuống đất để lọc tín hiệu tần số thấp ở lối ra của mạch so pha tín hiệu lối vào. Chân 3: Tín hiệu vào điều khiển. Chân 4: Vcc, chân nối với nguồn cung cấp +Vccmax = 10V Chân 5: Timing R, chân nối với điện trở R giữa 2 chân 5 và 6 để xác định hằng số thời gian và tần số dao động của mạch CCO. Chân 6: Timing C-R, nối với chân 5 qua điện trở R và nối với đất qua tụ C có tác dụng như một mạch lọc thông cao để ổn định tần số dao động của mạch CCO tạo ra. Tần số dao động của mạch có giá trị thay đổi như sau: 1.1 f Hz 0 RC Chân 7: Ground nối đất Chân 8: Output lối ra xung vuông của mạch khi hở mạch V0 ≈ VCC Khi tín hiệu lối vào có tần số bằng tần số dao động nội f 0 do mạch CCO tạo ra thì lối ra V0 ≈ 0V. Dòng tải lối ra cực đại là Imax = 100mA Sơ đồ mạch tạo dao động cơ bản IC567 75
Vcc 3 4 2 ~ C2 Vi 1 5 C1 IC567 Vcc R 10k Rtai 6 8 C 7 10nF Điện trở R nối chân 5 và chân 6 với tụ nối chân 6 xuống đất để tạo ra tần số dao động nội f0 cuả mạch, và tần số dao động nội được xác định như sau: 1.1 1.1 f 11kHz 0 RC 10x103 x10x10 9 Tần số dao động nội f 0 được đưa tới đồng thời 2 lối vào so pha và lối vào so sánh vuông pha và 2 bộ so pha và so sánh vuông pha cùng nhận được tín hiệu từ lối vào chân 3 để so sánh với tín hiệu tần số dao động nội f0. Tụ C1, C2 ở chân 1 và chân 2 dùng để lọc tín hiệu tần số thấp ở lối ra của mạch so pha và so sánh vuông pha. Điện trở R1 và R2 trong IC567 kết hợp với tụ C1 và C2 để làm trở tải cho mạch Khi tần số lối vào fi và tần số dao động nội f 0 khác nhau thì không có dòng qua trở + - tải R2 khi đó lối vào In của khuếch đại thuật toán > In do đó ta có lối ra ở chân 8 ở mức cao. Khi tần số lối vào f i và tần số dao động nội f 0 bằng nhau thì có dòng qua trở tải R 2 trong IC567 do đó In+ của khuếch đại thuật toán < In - do đó ta có lối ra chân 8 ở mức thấp. Độ rộng băng thông của mạch là: V B 1070 i f 0C2 Dạng xung ra ở chác chân như sau: 76
U5 t U6 t Mạch dao động tạo xung vuông đối xứng Vcc R2 x 8 3 IC567 1 2 7 6 5 C2 R C Chân 1 ở lối vào In + được nối với chân 5 của bộ dao động nội của mạch R, C nối chân 5 và chân 6 có tần số dao động là f0. Do chân 5 có tín hiệu xung vuông và tín hiệu xung vuông này được đưa tới chân 1 của lối vào In+ và qua mạch khuếch đại thuật toán sẽ cho ta lối ra chân 8, và do đó tín hiệu lối ra ở chân 8 cũng là tín hiệu xung vuông có tần số bằng tần số bộ dao động nội lối vào Tần số dao động của mạch là: 1.1 f f 0 RC Mạch dao động xung vuông 2 tần số f0 và 2f0 Vcc R3 x 8 1 IC567 3 2 7 6 5 C 2 R R 2 C 77
Mạch R, C nối chân 5 và 6 xuống đất sẽ tạo xung vuông ở chan 5 với tần số dao động là f0 Tín hiệu xung vuông ở chân 5 được đưa tới lối vào chân 3 nên lối vào này cũng có tín hiệu tần số f0 chính bằng tần số dao động nội của mạch 1.1 f 0 RC Chân 1 không nối với tụ lọc xoay chiều lấy lối ra của bộ so sánh vuông pha do đó chân 1 ta có tín hiệu xoay chiều lối ra và tín hiệu chân 1 được đưa tới lối vào In + của khuếch đại thuật toán do đó lối ra của khuếch đại thuật toán (chân 8) sẽ có tín hiệu xung vuông tần số 2f0 Tần số dao động của chân 8 là: 2.2 f 2 f 0 RC 78
Phần 2: Kỹ thuật số 79
CHƯƠNG I HỆ THỐNG ĐẾM VÀ KHÁI NIỆM VỀ MÃ 1.1 HỆ THỐNG SỐ ĐẾM 1.1.1 Hệ đếm 1.1.1.1 Khái niệm Hệ đếm là tập hợp các phương pháp gọi và biểu diễn các con số bằng các ký hiệu có giá trị số lượng xác định gọi là chữ số. 1.1.1.2 Phân loại Phân thành 2 loại: a. Hệ đếm theo vị trí: Là hệ đếm mà trong đó giá trị số lượng của chữ số còn phụ thuộc vào vị trí của nó đứng trong con số/ Ví dụ: 2008 (Hệ thập phân), 1111 (Hệ nhị phân) b. Hệ đếm không theo vị trí Là hệ đếm mà trong đó giá trị số lượng của chữ số không phụ thuộc vào vị trí của nó tương ứng trong con số Ví dụ: Hệ đếm La mã: I, II, V, 1.1.2 Cơ số của hệ đếm Nếu một hệ đếm có cơ sở là N thì một con số bất kỳ trong hệ đếm đó sẽ có giá trị trong hệ thập phân thông thường như sau: n 1 n 2 1 0 A an 1.N an 2 .N a1 N a0 .N Trong đó ak là các chữ số lập thành con số (k = 0, 1 n-1) và 0 < ak < N-1 Sau đây là một số hệ đếm thông dụng: + Hệ đếm mười (thập phân): có cơ sở là 10, các chữ số trong hệ đếm này là: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 và 9. Ví dụ: con số 1278 = 1.10 3 + 2.102 + 7.101 + 8.100 biểu diễn một nghìn hai trăm bảy mươi tám đơn vị theo nghĩa thông thường + Hệ đếm hai (nhị phân): có cơ sở là 2, các chữ số trong hệ đếm này là 0 và 1 ví dụ: 1011 trong hệ nhị phân sẽ biểu diễn giá trị 80
A = 1.23 + 0.22 + 1.21 + 1.20 = 11 trong hệ đếm 10 thông thường + Hệ đếm mười sáu (thập lục phân – hexa): có cơ sở là 16 với các chữ số: 0, 1, 2, 3,4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E và F Ví dụ: 8E trong hệ đếm hexa sẽ biểu diễn giá trị A = 8.161 + 14.160 = 142 trong hệ đếm 10 thông thường + Hệ đếm tám (bát phân – octa): có cơ sở là 8 với các chữ số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 và 7. Ví dụ: con số 12 trong hệ octa biểu diễn giá trị A = 1.81 + 2.80 = 10 trong hệ đếm thông thường Bảng đối chiếu 16 con số đầu tiên trong các hệ đếm trên Hệ 10 Hệ 2 Hệ 16 Hệ 8 0 0000 0 0 1 0001 1 1 2 0010 2 2 3 0011 3 3 4 0100 4 4 5 0101 5 5 6 0110 6 6 7 0111 7 7 8 1000 8 10 9 1001 9 11 10 1010 A 12 11 1011 B 13 12 1100 C 14 13 1101 D 15 14 1110 E 16 15 1111 F 17 81
1.1.3 Đổi cơ số 1.1.3.1 Đổi từ cơ số d sang cơ số 10 Về phương pháp, người ta triển khai con số d dưới dạng đa thức theo cơ số của nó. Ví dụ: A(2) = 1101, đổi sang thập phân là: 3 2 1 0 1101 = 1.2 + 1.2 + 0.2 + 1.2 = 13(10) 1.1.3.2 Đổi cơ số 10 sang cơ số d Về nguyên tắc, người ta lấy con số trong cơ số chia liên tiếp cho cơ số d đến khi thương số bằng không thì thôi. Ví dụ: Kết luận: Gọi d1, d2, , dn lần lượt là số dư của phép chia số thập phân cho cơ số d lần thứ 1,2,3,4, ,n thì kết quả sẽ là d ndn-1 d1, nghĩa là số dư sau cùng là bit có trọng số cao nhất, còn số dư đầu tiên là bit có trọng số nhỏ nhất 1.2 HỆ ĐẾM NHỊ PHÂN VÀ KHÁI NIỆM VỀ MÃ 1.2.1 Hệ đếm nhị phân 1.2.1.1 Khái niệm Hệ đếm nhị phân còn gọi là hệ đếm cơ số 2 là hệ đếm mà trong đó người ta chỉ sử dụng hai ký hiệu 0 và 1 để biểu diễn tất cả các số. Hai ký hiệu đó gọi chung là bit hoặc digit và nó đặc trưng cho mạch điện tử có hai trạng thái ổn định. Một nhóm 4 bit gọi là nibble Một nhóm 8 bit gọi là byte Một nhóm nhiều bytes gọi là từ (word) Xét số nhị phân 4 bit: a3a2a1a0. Biểu diễn dưới dạng đa thức theo cơ số của nó là: 3 2 1 0 a3a2 a1a0 a3 .2 a2 .2 a1.2 a0 .2 Trong đó: 82
- 20, 21, 22,23 được gọi là các trọng số - a0 được gọi là bit có trọng số nhỏ nhất, hay còn gọi bit có ý nghĩa nhỏ nhất. - a3 được gọi là bit có trọng số lớn nhất, hay còn gọi bit có ý nghĩa lớn nhất. Như vậy, với số nhị phân 4 bit a3a2a1a0 mà trong đó mỗi chữ số ai chỉ nhận được 2 giá trị {0,1}, lúc đó ta có 24 = 16 tổ hợp nhị phân 1.2.1.2 Các phép tính trên số nhị phân a. Phép cộng Để cộng hai số nhị phân người ta dựa trên quy tắc cộng như sau: b. Phép trừ 83
c. Phép nhân d. Phép chia 1.2.2 Khái niệm về mã 1.2.2.1 Đại cương Trong đời sống hàng ngày, con người giao tiếp với nhau thông qua một hệ thống ngôn ngữ quy ước nhưng trong máy tính chỉ xử lý các dữ liệu nhị phân. Do đó, một vấn đề đặt ra là làm thế nào tạo ra một giao diện dễ dàng giữa người và máy tính, nghĩa là máy tính thực hiện được những bài toán do con người đặt ra. 84
Để thực hiện điều đó, người ta đặt ra vấn đề mã hoá dữ liệu. Như vậy, mã hoá là quá trình biến đổi những ký hiệu quen thuộc của con người sang những ký hiệu quen thuộc với máy tính. Các lĩnh vực mã hoá gồm: - Số thập phân - Ký tự - Tập lệnh - Tiếng nói - Hình ảnh . 1.2.2.2 Mã hoá số thập phân a. Khái niệm Trong thực tế để mã hoá số thập phân, người ta sử dụng các số nhị phân 4 bit. Ví dụ: 0 0000 1 0001 2 0010 Việc sử dụng các số nhị phân để mã hoá các số phập phân gọi là các số BCD (Binary Code Decimal) b. Phân loại Khi sử dụng số nhị phân 4 bit để mã hoá các số thập phân tương ứng với 24 = 16 tổ hợp mã nhị phân phân biệt. Do việc chọn 10 tổ hợp trong 16 tổ hợp để mã hoá các ký hiệu thập phân từ 0 đến 9 mà trong thực tế xuất hiện nhiều loại mã BCD khác nhau. Mặc dù tồn tại nhiều loại mã BCD khác nhau nhưng người ta chia làm 2 loại chính: BCD có trọng số và BCD không có trọng số. - Mã BCD có trọng số: gồm có mã BCD tự nhiên, mã BCD số học. Mã BCD tự nhiên đó là loại mã mà trong đó các trọng số thươbngf được sắp xếp theo thú tự tăng dần. Ví dụ: Mã BCD 8421, mã BCD 5421 Mã BCD số học là loại mã mà trong đó có tổng các trong số luôn bằng 9. - Mã BCD không có trọng số: là loại mã không cho phép phân tích thành đa thức theo cơ số của nó. Ví dụ: Mã Gray, Mã Gray thừa 3 85
Đặc trưng của mã Gray là loại bộ mã mà trong đó 2 từ mã nhị phân đứng kế tiếp nhau bao giờ cũng chỉ khác nhau 1 bit. Ví dụ: Mã Gray: 2 → 0011 Còn đối với mã BCD 8421: 3 → 0010 3 → 0011 Các bảng dưới đây trình bày một số loại mã thông dụng: Bảng 2: BCD tự nhiên và mã Grây Chú ý: Mã Grây được suy ra từ mã BCD 8421 bằng cách: các bit 0,1 đứng sau bit 0 (ở mã BCD 8421) khi chuyển sang mã grây thì được giữ nguyên, còn các bit 0,1 đứng 86
sau bit 1 (ở mã BCD 8421). Khi chuyển sang mã grây thì được đổi ngược lại, nghĩa là từ bit 1 thành bit 0 và bit 0 thành bit 1. 1.2.2.3 Mạch nhận dạng số BCD 8421 - y = 1: a3a2a1a0 không phải số BCD 8421 - Y = 0: a3a2a1a0 là số BCD 8421 BCD 8421 thì ngõ ra y = 1, nghĩa là bit a3 luôn bằng 1 và bit a1 hoặc a2 bằng 1 Phương trình logic: y a3 .(a1 a2 ) a3 .a1 a3.a2 Sơ đồ logic: 1.2.2.4 Các phép tính trên số BCD a. Phép cộng Số thập phân là 128 thì: - Số nhị phân là: 10000000 - Số BCD là: 0001 0010 1000 Do số BCD chỉ có từ 0 đến 9 nên đối với những số thập phân lớn hơn, nó chia số thập phân thành nhiều đềcác, mỗi đềcác được biểu diễn bằng số BCD tương ứng. 87
b. Phép trừ Bù 1 là bit 0 thành 1, bit 1 thành 0 Bù 2 bù 1 cộng thêm 1 Xét các trường hợp mở rộng: - Thực hiện trừ 2 số BCD đềcác mà số bị trừ nhỏ hơn số trừ - Mở rộng cho cộng và trừ 2 số BCD nhiều đềcác. 88
CHƯƠNG II ĐẠI SỐ BOOLE Trong mạch số các tín hiệu thường cho ở hai mức điện áp 0(v) và 5(v). những linh kiện điện tử dùng trong mạch số làm việc ở một trong hai trạng thái (tắt hoặc thông). Do vậy để mô tả mạch số người ta dùng hệ nhị phân (Binary) hai trạng thái trong mạch được mã hoá tương ứng là "1" hoặc "0". Hệ nhị phân thể hiện được trạng thái vật lý mà hệ thập phân không thể hiện được. Môn đại số mang tên người sáng lập ra nó - Đại số Boole còn được gọi là đại số logic. 2.1 MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA - Biến logic: Đại lượng biểu diễn bằng ký hiệu nào đó chỉ lấy giá trị "1" hoặc "0". - Hàm logic: Biểu diễn nhóm các biến logic liên hệ với nhau thông qua các phép toán logic, một hàm logic cho dù là đơn giản hay phức tạp cũng chỉ nhận giá trị hoặc là "1" hoặc là "0". 2.2 CÁC PHÉP TOÁN CƠ BẢN CỦA ĐẠI SỐ BOOLE Bởi vì các đại lượng chỉ có hai trạng thái nên đại số Boole rất khác đại số thường và dễ tính toán hơn. Ở đại số Boole không có phân số, số thập phân, số ảo, số phức, căn số mà chỉ thực hiện chủ yếu 3 phép tính toán cơ bản sau: Phép OR Phép AND Phép phủ định NOT Các phép tính trên áp dụng cho logic 0 và 1: 89
2.3 CÁC ĐỊNH LÝ CỦA ĐẠI SỐ BOOLE 2.3.1 Định lý Một biến số Giao hoán Phối hợp Phân phối Một số đẳng thức hữu dụng Định lý De Morgan 90