CHƢƠNG 6 CÁC MẠCH TẠO VÀ BIẾN ĐỔI DẠNG XUNG 1. Khái niệm chung 2. Chế độ khoa của dụng cụ bán dẫn 3. Mạch đa hài tự kích 5.
Mạch đa hài đợi 6. Mạch phát xung sử dụng IC555 7. Mạch tạo điện áp biến đổi đƣờng thẳng 8. Mạch sửa xung §1.
KHÁI NIỆM CHUNG “Kỹ thuật xung - số” là thuật ngữ bao gồm một lĩnh vực khá rộng và quan trọng của ngành kĩ thuật điện tử - tin học. Ngày nay trong bước phát triển nhảy vọt của kĩ thuật tự động hoá, nó mang ý nghĩa là khâu then chốt và là công cụ không thể thiếu để giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể hướng tới mục đích làm giảm chi phí về năng lượng và thời gian cho một quá trình công nghệ hay kỹ thuật, nâng cao tính hiệu quả của chúng. Trong chương này, do thời gian có hạn nên chúng ta chỉ đề cập đến một số vấn đề có tính chất cơ bản về kỹ thuật xung cũng như một số mạch tạo và biến đổi dạng xung. Ngày nay có rất nhiều các thiết bị làm việc trong một chế độ đặc biệt, đó là chế độ xung.
Khác với các thiết bị điện tử làm việc trong chế độ liên tục, trong chế độ xung, dòng điện hay điện áp tác dụng lên mạch một cách rời rạc theo môt quy luật nào đó. Ở những thời điểm đóng hoặc ngắt điện áp, trong mạch sẽ phát sinh quá trình quá độ, phá huỷ chế độ làm việc tĩnh của mạch. Vì 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. Các thiết bị xung được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật hiện đại như: thông tin, điều khiển, rađa, vô tuyến truyền hình, máy tính điện tử, điện tử ứng dụng….
Tùy theo từng nhiệm vụ mà trong các thiết bị có sử dụng nhiều loại sơ đồ xung khác nhau. Chúng khác nhau về nguyên tắc cấu tạo, nguyên lí làm việc cũng như về tham số. Tổ hợp tất cả các phương pháp và thiết bị để tạo và biến đổi dạng xung, để biểu thị và chọn xung gọi là “KỸ THUẬT XUNG”. Trước khi đi vào nghiên cứu các quá trình xung, ta cần hiểu thế nào là tín hiệu xung và các tham số đặc trưng của nó.
Tín hiệu xung và các dạng của tín hiệu xung 1. Tín hiệu xung: Các tín hiệu điện có giá trị 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 tương tự, tín hiệu gián đoạn còn được gọi là tín hiệu xung hay số. Nói cách khác: Xung điện là những điện áp hay dòng điện tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn có thể so sánh được với thời gian quá độ trong mạch điện mà chúng tác dụng.
Các dạng tín hiệu xung: Tín hiệu hình sin được xem như là một tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên tục.Với tín hiệu hình sin, có đường biểu diễn như hình 3.1, ta có thể tính được giá trị của nó ở từng thời điểm. u u U H +Um UL 0 0 t t -Um Hình 3.1: Tín hiệu hình sin Hình 3.2: Tín hiệu hình vuông Ngược lại tín hiệu hình vuông được xem là một tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu gián đoạn. Với tín hiệu hình vuông, có đường biểu diễn như hình 3.2, thì nó có 2 giá trị là mức cao (UH) và mức thấp (UL), thời gian để chuyển từ mức thấp lên mức cao hay từ mức cao xuống mức thấp rất ngắn và được xem như tức thời. Trên thực tế thì tín hiệu xung không chỉ có loại hình vuông, mà còn có các dạng khác như xung tam giác, xung răng cưa, xung nhọn, xung hình thang…Trong nhiều trường hợp xung tam giác có thể gọi là xung răng cưa và ngược lại.
u u tx a) c) Um t t Tx Tx u u t t b) Tx d) Tx Hình 3.3: Một số dạng xung thường gặp: a - xung vuông; b - xung tam giác; c - xung hình thang ; d - xung kim Các dạng xung cơ bản như trong hình 3.3 rất khác nhau về dạng sóng, nhưng có một điểm chung đó là thời gian tồn tại xung rất ngắn hay sự biến thiên giá trị từ thấp lên cao (như xung nhọn) hay từ cao xuống thấp (xung tam giác) xảy ra rất nhanh. Các tham số của tín hiệu xung Thông thường hay gặp là những dãy xung có chu kỳ lặp lại Tx, khi đó dãy xung được đặc trưng bằng các tham số như: Tần số lặp lại fx , độ rỗng Qx và hệ số đầy . + Độ rỗng của một dãy xung là tỷ số giữa chu kỳ lặp lại Tx với độ rộng của xung tx Tx Qx tx + Trị số nghịch đảo của Qx là hệ số đầy của xung tx = Tx Thông thường phạm vi biến đổi của Qx khá lớn từ một vài cho đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn đơn vị. + Tần số lặp lại của dãy xung được đo bằng Hz tức là số xung trong một giây và liên hệ với độ rỗng theo biểu thức : 1 1 fx = Tx Qx .t x Dạng xung là qui luật biến đổi của trị số điện áp (dòng điện) xung theo thời gian, cũng là một tham số cơ bản của tín hiệu xung.
Tuỳ theo mục đích công tác mà người ta sử dụng các dãy xung có hình dạng khác nhau. Qua các ví dụ trên ta thấy thông thường thời gian tồn tại của xung t x rất nhỏ so với chu kỳ lặp lại T x và có những thời điểm xung biến đổi đột ngột. Tuy vậy trong thực tế còn gặp những dãy xung mà thời gian tồn tại tx bằng một nửa hoặc lớn hơn một nửa chu kỳ lặp lại. Những dãy xung như vậy được gọi là dãy xung rộng.
Tuy nhiên khái niệm này hoàn toàn không phải là tuyệt đối, ví dụ: trong điều khiển tự động thường dùng xung có độ rộng đến hàng giây, trong thông tin liên lạc dùng xung có độ rộng vài chục s đến vài ms còn trong vật lý lại dùng xung cỡ ns hoặc xung có độ rộng hẹp hơn. Để đặc trưng cho dạng của tín hiệu xung, người ta thường dùng một số các tham số cơ bản sau (hình 3. u U 0,9Um Um 0,9 Um 0,1Um 0,1 Um t 0 ts1 ts2 tx Hình 3.4 - Độ rộng xung tx: là khoảng thời gian tồn tại của xung. - Biên độ xung Um (Im): là giá trị cực đại của xung.
- Độ rộng sườn trước ts1 : là khoảng thời gian tăng của giá trị xung từ 0,1Um tới 0,9Um. - Độ rộng sườn sau ts2 : là khoảng thời gian giảm của giá trị xung từ 0,9Um tới 0,1Um. Đôi khi để thay cho tham số về độ rộng sườn xung người ta còn sử dụng tham số “độ dốc sườn xung" tức là tốc độ tăng hoặc giảm của xung (độ dốc sườn trước SS1 , độ dốc sườn sau SS2 ) U U S S1 m , SS2 m ; t S1 tS 2 - Độ sụt đỉnh xung U: là độ giảm giá trị xung ở phần đỉnh xung. Trong thực tế thường dùng độ sụt đỉnh tương đối để dễ dàng so sánh mức sụt đỉnh của xung với biên độ của nó: U U Um Trong thực tế rất khó xác định các điểm bắt đầu và kết thúc sườn xung cũng như đỉnh xung.
Bởi vậy người ta thường đo độ rộng sườn xung theo quy ước là khoảng thời gian để xung tăng từ 0,1Um đến 0,9Um hoặc ngược lại. Khi đó độ rộng xung được đo bằng khoảng thời gian xung lớn hơn 0,1Um. Có thể lấy mức Um tuỳ ý, nhưng thông thường người ta lấy = 0,1; 0,01; 0,05. Trong thực tế người ta còn sử dụng thông số độ rộng hiệu dụng của xung tx , tức là độ rộng của xung ở mức giá trị xung bằng 0,5Um.
Trong kỹ thuật xung - số, người ta thường sử dụng phương pháp số đối với dạng tín hiệu xung với quy ước chỉ có hai trạng thái phân biệt: Trạng thái có xung ( khoảng t x ) với giá trị xung lớn hơn một mức ngưỡng U H gọi là mức cao hay mức “1”, mức U H thường được chọn cỡ bằng 1/2 điện áp nguồn cung cấp. Trạng thái không có xung (khoảng t ng ) với giá trị nhỏ hơn một mức ngưỡng U L gọi là mức thấp hay mức “0”, mức U L được chọn tuỳ theo phần tử khoá (tranzito,IC). Các mức điện áp ra trong dải U L < u ra < U H là các trạng thái cấm. CHẾ ĐỘ KHÓA CỦA CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN Trong các thiết bị xung, các dụng cụ điện tử và bán dẫn thường làm việc ở tất cả các chế độ, song chủ yếu nhất là làm việc trong chế độ đóng mở.
Khi đó về thực chất, các đèn điện tử và dụng cụ bán dẫn đóng vai trò như một cái khóa điện tử nằm ở một trong hai trạng thái: khóa hở là đèn tắt và khoá đóng là đèn thông. Chế độ đóng mở này được đặc trưng bằng sự chuyển đổi của khoá một cách nhanh chóng từ trạng thái đèn tắt sang trạng thái đèn thông bão hoà, và ngược lại, dưới tác dụng của tín hiệu vào đặt lên các điện cực điều khiển. Khi đèn đã nằm ở một trong hai trạng thái trên thì mọi sự thay đổi nhỏ ở đầu vào đều không làm ảnh hưởng gì đến điện áp hoặc dòng điện ở đầu ra. Một cách gần đúng, khi so với các sơ đồ thực tế, ta có thể coi các khóa lý tưởng có nội trở bằng vô cùng khi khóa hở và bằng không khi khóa đóng.
Như vậy một khóa điện tử có thể được đặc trưng bằng các giá trị nội trở của khóa ở hai trạng thái. Ngoài ra khóa còn được đặc trưng bằng công suất yêu cầu đối với các tín hiệu điều khiển ở đầu vào và thời gian cần thiết để chuyển khóa từ trạng thái này sang trạng thái khác. Về mặt năng lượng mà nói, các khóa điện tử dùng tranzito yêu cầu công suất điều khiển nhỏ hơn so với đèn điện tử. Song nội trở của khóa tranzito khi khóa mở lại nhỏ hơn nhiều so với đèn điện tử.
Đó là điều cần hết sức lưu ý trong những sơ đồ thực tế. Nhìn chung, trong các thiết bị xung, các đèn điện tử và bán dẫn làm việc trong chế độ mà điện áp điều khiển trên các điện cực thay đổi trong phạm vi lớn thường được gọi là chế độ tín hiệu lớn.