KỸ THUẬT XUNG SỐ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

TS. NGUYỄN LINH NAM

PHẠM VI ỨNG DỤNG KỸ THUẬT XUNG - SỐ

Các hệ thống đo lường, điều khiển

Cấu trúc máy tính

Điện tử dân dụng và công nghiệp

Các hệ thống thông tin hiện đại

Kỹ thuật Rôbốt

GIỚI THIỆU VỀ HỌC PHẦN KỸ THUẬT XUNG SỐ

Mô tả về học phần Mục tiêu học phần Chuẩn đầu ra học phần Tài liệu tham khảo Nội dung, phương pháp giảng dạy và

học tập Kế hoạch đánh giá Qui định học phần

Đề cương chi tiết

KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ BÀI KIỂM TRA GIỮA KỲ: 30%

BÀI KIỂM TRA CUỐI KỲ: 50%

ĐIỂM BÀI TẬP + CHUYÊN CẦN: 20%

ĐIỂM KHUYẾN KHÍCH HỌC TẬP:

+ Lên bảng làm bài tập

+ Phát biểu, đưa ra các ý kiến xây dựng bài học

Lưu ý:

+ Thiếu 30% bài tập cá nhân, bài tập nhóm thì nhận 0 điểm bài

tập + chuyên cần

+ Vắng mặt trong buổi báo cáo đề tài thì nhận 0 điểm giữa kỳ

Chương 1:

CƠ SỞ KỸ THUẬT XUNG 1. Tín hiệu xung

Khái niệm

Tín hiệu tương tự- Analog

Tín hiệu số- Digital

Các thông số của tín hiệu xung

2. Khoá điện tử

Khái niệm

Khoá BJT

Khoá Op-Amp

Mạch ứng dụng

3. Mạch biến đổi xung

4. Mạch ứng dụng

Mục tiêu của chương: - Trình bày được khái niệm về tín hiệu xung

- Trình bày được các khái niệm về khóa điện tử BJT, OP-AMP và vận dụng để phân tích, tính toán mạch ứng dụng khóa điện tử

- Vẽ được sơ đồ mạch và giải thích được nguyên lý hoạt động của các mạch RC, mạch xén, mạch ghim, mạch so sánh

TÍN HIỆU XUNG

Tín hiệu điện (dòng, áp) có biên độ thay đổi theo thời gian: - Tín hiệu liên tục (tuyến tính, tương tự-analog) - Tín hiệu gián đoạn (xung, số-digital)

Tín hiệu xung còn gọi là các xung điện, đó là dòng điện hoặc điện áp tồn tại trong

một khoảng thời gian rất ngắn, có thể so sánh được với quá trình quá độ xảy ra trong

mạch điện mà chúng tác dụng.

Mạch tương tự # Mạch số

Các thông số của tín hiệu xung vuông

tx :Độ rộng xung T: Chu kì xung f=1/T: Tần số xung Q=T/tx: Độ rỗng của xung n=tx/T: Hệ số đầy của xung

Dãy xung

Xung đơn

A: biên độ cực đại của xung. tr: thời gian lên (biên độ xung tăng từ 10% lên 90 tf: thời gian xuống (biên độ xung giảm từ 90% đến 10 tp: độ rộng xung, là thời gian tồn tại của xung với biên độ trên mức 10%

KHOÁ ĐIỆN TỬ Khóa điện tử: trạng thái đóng (còn gọi là trạng thái dẫn) trạng thái ngắt (còn gọi là trạng thái tắt)

tác động của tín hiệu điều khiển ở ngõ vào

Khoá transistor (BJT)

BJT có thể làm việc ở một trong hai trạng thái: -Trạng thái tắt: dòng qua transistor bằng 0,

transistor khoá. -Trạng thái dẫn bão hoà: dòng qua

transistor đạt giá trị cực đại, transistor dẫn.

-Vin=0, VBE=0, transistor ngưng dẫn. IB=0 và IC=0 VCE=Vout=VCC-IC.RC=VCC -Vin#0 và VBE>VBEsat(Si=0.7V; Ge=0.2V), transistor chuyển sang trạng thái dẫn bão

hoà VCE=VCEsat=0.1÷0.2V (Si) ICsat=(VCC-VCEsat)/RC IB=IC/β (β: độ khuếch đại dòng). Để chọn giá thích hợp RB: IB =(k.IC)/β (k là hệ số bão hoà

sâu, k=2÷5). RB=(Vin-VBEsat)/IB

Quan hệ vào ra: Ngõ vào là xung vuông có tần số 1KHz, biên độ

5V, nguồn Vcc = 12V

Ngõ ra là xung vuông có tần xố 1KHz, biên độ 12V

0.000ms 1.000ms 2.000ms 3.000ms 4.000ms 5.000ms

15.00 V

10.00 V

5.000 V

0.000 V

A: v1_1

0.000ms 1.000ms 2.000ms 3.000ms 4.000ms 5.000ms

15.00 V

10.00 V

5.000 V

0.000 V

A: vout

Vin

Vout

Áp dụng 1: Cho khoá BJT như hình

vẽ, biết Vcc = 12V; Rc = 1.5kΩ; Q1 có β = 100; Nguồn Vb = 5V

Tìm giá trị Rb để khi S1 đóng Q1 sẽ dẫn bão hoà

Vces

Vbes

Ibs

Ics

Giải: Vcc,Vces Ics Ibs Rb

Áp dụng 2: Mạch điều khiển Relay.

Cho khoá BJT như hình vẽ, biết Q1 có β = 200; Relay có thông số V = 12V, I = 20mA; Vin là tín hiệu điều khiển có dạng xung vuông với mức thấp 0V, mức cao 5V

Tìm giá trị Rb để khi Vin ở mức cao Q1 sẽ dẫn bão hoà Relay tác động đèn D1 sáng lên.

Mạch điều khiển thiết bị điện dùng tín hiệu hồng ngoại

Bt1: BJT Q1 có = 150, D1 có điện áp thuận VF = 2(V) Tính giá trị các điện trở R1, R2 để đảm bảo khi K1 đóng Q1 dẫn bão hoà với dòng ICS = 20mA? LED D1 có dòng cực đại IFmax = 50mA, tìm giá trị nhỏ nhất của R1 để D1 không cháy(hỏng)?

Vcc

5V

K1

R3R2

R1

D3

D2

D1

D468

Q1

Bt2: BJT Q1 có = 150, LED có điện áp thuận VF = 2(V), dòng thuận IF = 20mA. Tính giá trị các điện trở R1, R2, R3 để đảm bảo khi K1 đóng Q1 dẫn bão hoà thì các LED sáng an toàn. LED có dòng cực đại IFmax = 50mA, tìm giá trị nhỏ nhất của các R2, R3 để LED không cháy(hỏng)?

Bài tập về nhà 1: Cho sơ đồ mạch điện như trên hình, biết BJT Q1 có min= 50,

VBES= 0,7(v), VCES≈ 0; Led D1, D2 có điện áp thuận VF = 2(v), Vcc = 12(v)

a. Tính giá trị các điện trở R1, R2 để đảm bảo khi tín hiệu ngõ vào Vi = 5(v) thì

Q1 dẫn bão hoà với dòng ICS = 20(mA)?

b. LED D1, D2 có dòng điện thuận cực đại IFmax = 50(mA), điện áp VFmax = 3(v),

tìm giá trị nhỏ nhất của R1 để khi Q1 dẫn bão hòa Led D1, D2 không bị

đánh thủng do quá dòng?

Bài tập về nhà 2: Cho sơ đồ mạch điều khiển Led như hình trên, biết BJT Q1 có

= 150, VBES= 0,7(v), VCES≈ 0; các LED có điện áp thuận VF = 2(v), dòng thuận IF

= 20(mA), nguồn Vcc= 9(v).

a. Tính giá trị các điện trở R1, R2, R3 để đảm bảo khi công tắc SW1 đóng Q1

dẫn bão hoà thì các LED sáng an toàn(cho hệ số bão hòa K= 3). Các LED có dòng cực đại IFmax = 50(mA), VFmax = 2,5(v) điện áp tìm giá trị nhỏ nhất của các R2, R3 để LED không bị đánh thủng do quá dòng?

Khoá khuếch đại thuật toán (OP-AMP)

Đặc điểm của OP-AMP - Hệ số khuếch đại vi sai lớn (105~106) - Trở kháng ngõ vào lớn (Zin=∞) - Trở kháng ngõ ra nhỏ (Z0=0) → Chính vì vậy dòng chảy vào các đầu vào rất nhỏ (~0). Tuỳ thuộc điện áp ở hai ngõ vào không đảo (+) và ngõ vào đảo (-) so với nhau mà OP-AMP sẽ ở một trong hai trạng thái sau :

- Vin+ > Vin- thì V0=+Vcc, gọi là trạng thái bão hoà dương. - Vin+ < Vin- thì V0=-Vcc, gọi là trạng thái bão hoà âm.

Điện áp Vin vào ngõ đảo, VR vào ngõ không đảo

Điện áp Vin vào ngõ không đảo, VR vào ngõ đảo

21

Áp dụng 1: Mạch cảm biến quang R2 là quang trở, giá trị R2 phụ thuộc

cường độ ánh sáng chiếu vào R2, giả sử khi chiếu sáng R2 = 10k, lúc che tối R2 = 100k

VA = V+ thay đổi theo cường độ ánh sáng chiếu vào R2, thiết lập VB = V- cố định

- Khi chiếu sáng VA < VB, Vout = -Vs =

0V

- Khi che tối(chiếu sáng yếu) VA > VB,

Vout = +Vs = +5V

Ứng dụng làm mạch cảm biến và điều khiển ánh sáng, mạch cảm biến dò đường trong Rôbốt.

22

Áp dụng 2: Mạch cảm biến hồng ngoại(Infrared)

D1 là điốt thu hồng ngoại IR, D1 được phân cực ngược, điện áp rơi trên D1 phụ thuộc cường độ tia IR ánh sáng chiếu vào D1, khi có tia IR tác động rơi áp VD1 nhỏ( hay VA lớn), khi không có tia IR tác động rơi áp VD1 lớn ( hay VA nhỏ)

VA = V+ thay đổi theo sự tác động của tia IR vào D1, thiết lập VB = V- cố định

- Khi tia IR tác động VA > VB, Vout = +Vs = 5V

- Khi không tác động(hay tác động yếu) VA <

VB, Vout = -Vs = 0V

Ứng dụng làm mạch cảm biến và điều khiển hồng ngoại, mạch báo động,chống trộm.v.v.

A

B

Mạch tự động bật/tắt quạt

Sơ đồ nguyên lý mạch báo nhiệt

MẠCH RC

mạch lọc thụ động : mạch lọc thông cao mạch lọc thông thấp mạch lọc thông dãi

Mạch lọc RC a. Mạch lọc thông cao

-mạch cho tín hiệu có tần số cao đi qua một cách dễ dàng, nhưng đồng thời cũng làm suy giảm biên độ tín hiệu có tần số thấp. -trong kỹ thuật xung thì mạch thượng thông được dùng để xén tín hiệu vào theo độ dài, do đó người ta còn gọi mạch thượng thông là mạch vi phân.

𝑍𝐶 = 1𝜔𝐶 = 1

2𝜋𝑓𝐶 ; 𝜈𝐶 = 𝑍𝐶𝑖

𝜐𝑖 = 𝜐𝐶 + 𝜐0

-f càng cao ZC càng giảm νC giảm ν0 tăng (thu được tín hiệu ra) -f càng giảm ZC càng tăng νC tăng ν0 giảm (tín hiệu ra bị suy giảm) -f=0 ZC=∞ ν0 =0 (không có tín hiệu ra) như vậy, mạch dễ dàng cho tín hiệu tần số cao đi qua, đồng thời cũng sẽ làm suy giảm các tín hiệu có tần số thấp.

b. Mạch lọc thông thấp

-mạch cho tín hiệu tần số thấp đi qua một cách dễ dàng và đồng thời làm suy giảm biên độ tín hiệu có tần số cao. -mạch lọc thông thấp được dùng để lọc nhiễu trong các hệ thống thiết bị số và còn được gọi là mạch tích phân.

𝑍𝐶 = 1𝜔𝐶 = 1

2𝜋𝑓𝐶

𝜈𝐶 = 𝜐0 = 𝑍𝐶 𝑖; 𝜐𝑖 = 𝜐𝑅 + 𝜐0

-f càng cao ZC càng giảm νC giảm ν0 giảm (tín hiệu ra bị suy giảm) -f càng giảm ZC càng tăng νC tăng ν0 tăng (thu được tín hiệu ra) -f=0 ZC=∞ ν0 =0 (không có tín hiệu ra) như vậy, mạch dễ dàng cho tín hiệu tần số thấp đi qua, đồng thời cũng sẽ làm suy giảm các tín hiệu có tần số cao.

Mạch vi phân tín hiệu vào:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )0i C R Cv t v t v t v t v t= + = + =1

RCv0 t( )ò dt + v0 t( )

dvi t( )dt

=v0 t( )RC

+dv0 t( )

dt

Lấy vi phân hai vế:

Chọn t = RC <<1

v0 t( )RC

>>dv0 t( )

dt

Khi đó:

RC

0 tv

dt

tdvi

v0 t( ) = RCdvi t( )

dt

𝑍𝐶 = 1𝜔𝐶 = 1

2𝜋𝑓𝐶 ; 𝜈𝐶 = 𝑍𝐶𝑖

𝜐𝑖 = 𝜐𝐶 + 𝜐0

mạch tích phân tín hiệu vào:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )0 0i R C Rv t v t v t v t v t i t R v t= + = + = +

Mà i(t) cũng chính là dòng nạp cho tụ C nên:

( )( ) ( )0

( ) . .C

C

dv t dv ti t i t C C

dt dt= = =

( )( )

( )0

0i

dv tv t RC v t

dtÞ = +

Chọn 1RC

RCdv0 t( )

dt>> v0 t( )

vi t( ) = RCdv0 t( )

dt

v0 t( ) =1

RCvi t( )dtò

𝑍𝐶 = 1𝜔𝐶 = 1

2𝜋𝑓𝐶

𝜈𝐶 = 𝜐0 = 𝑍𝐶 𝑖; 𝜐𝑖 = 𝜐𝑅 + 𝜐0

Ngõ vào là điện áp DC: - Vin(t) = E.u(t) - Vout = E.(1 – e-t/τ).u(t)

Ngõ vào là xung vuông: - Vin(t) = E[u(t) – u(t - t1)] - Vout = E.(1 – e-t/τ).u(t)+ E.e-(t-t1)/τ.u(t-t1)

Hình 3.1: Mạch tích phân

In Out

dttvtv iRC

10( )

( )( )0

0i

dv tv t RC v t

dtÞ = + RC

Ngõ vào là điện áp DC:

- Vin = E.u(t);

- Vout = E.e-t/τ.u(t)

Ngõ vào là xung vuông:

- Vin(t) = E[u(t) – u(t - t1)]

- Vout = E.e-t/τ.u(t)- E.e-(t-t1)/τ.u(t-t1)

Out In

Hình 1.3: Mạch vi phân

Ảnh hưởng của τ = RC(s) đến dạng sóng ngõ ra:

Tröôøng hôïp 1 (t1 >>τ)

Tröôøng hôïp 2 (t1 << τ )

Tröôøng hôïp 1 (t1 >>τ)

Tröôøng hôïp 2 (t1 << τ )

Tröôøng hôïp 2 (t1 << τ )

VR(t)

MẠCH XÉN:

Mạch xén là mạch giới hạn biên độ tín hiệu, trong đó tín hiệu ra V0 luôn tỷ lệ với tín hiệu vào Vi nếu Vi chưa vượt quá một giá trị ngưỡng cho trước VN, còn khi vượt quá mức ngưỡng thì tín hiệu ra luôn giữ một giá trị không đổi.

Phân loại theo chức năng: xén ở mức trên xén ở mức dưới xén ở hai mức độc lập

DIODE BÁN DẪN THÔNG THƯỜNG

Cấu tạo và ký hiệu Diode bán dẫn

Sự phân cực Diode bán dẫn

Phân cực thuận: Diode dẫn Phân cực ngược: Diode tắt

VA VC VA VC

VA > VC VA < VC

)V(Si7.0 VvD0Di

Đặc tuyến Volt-Ampere của diode

MẠCH XÉN TRÊN

Mạch a: vi < VN diode tắt, do đó v0 = vi vi ≥ VN diode dẫn, ngõ ra v0 có điện thế của mức ngưỡng VN

Mạch b: νi ≤ VN diode dẫn và nối ngõ ra với ngõ vào, do đó ν0 = νi νi > VN thì diode tắt nên ν0 = VN

MẠCH XÉN DƯỚI

Mạch a: νi ≤ VN thì diode dẫn do đó ν0 = VN νi > VN diode tắt nên ν0 = νi. Mạch b: νi < VN diode tắt và ν0 = VN νi ≥ VN thì diode dẫn nên ν0 = νi.

MẠCH XÉN HAI MỨC

V1<V2

MẠCH XÉN HAI MỨC DÙNG DIODE ZENER

Bt1: Cho mạch xén với tín hiệu ngõ vào vi(t) có dạng

xung tam giác như hình vẽ. Giả thiết diode lý tưởng

(VD≈0), Vn= 5V.

•Giải thích hoạt động của mạch

•Vẽ tín hiệu ngõ ra vo(t)

Vi(t) Vo(t)

Bt2: Cho mạch xén với tín hiệu ngõ vào vi(t) có dạng xung

tam giác như hình vẽ. Giả thiết diode lý tưởng (VD≈0), Vn=

5V.

•Giải thích hoạt động của mạch

•Vẽ tín hiệu ngõ ra vo(t)

Bt3: Cho mạch xén với tín hiệu ngõ vào vi(t) có dạng xung

tam giác như hình vẽ. Giả thiết diode lý tưởng (VD≈ 0),

V1= -5V và V2= +5V.

•Giải thích hoạt động của mạch

•Vẽ tín hiệu ngõ ra vo(t)

MẠCH GHIM ĐIỆN ÁP: Mạch dùng ghim đỉnh trên hay đỉnh dưới tín hiệu ở một mức tín hiệu cố định.

- t1 – t2 diode dẫn nên tụ C nạp điện đến điện áp Vc = V1m và v0 = 0. - t2 – t3 vi giảm dần nên diode tắt, khi diode tắt do tụ C không phóng điện ngược qua diode được nên điện áp ra v0 = vi – V1m và đỉnh trên của tín hiệu ra tương ứng với mức không. - t3 – t4 vi > Vc = V1m nên diode lại dẫn, v0 = 0, tụ C lại nạp đến mức Vc = V2m. - Sau t4 vi giảm dần nên diode tắt, tín hiệu ra lại tiếp tục bị ghim ở mức không.

Mạch ghim tín hiệu đỉnh trên và đỉnh dưới theo mức ±E

MẠCH SO SÁNH

Mạch dùng so sánh các tín hiệu vào với nhau và đánh dấu những thời điểm chúng bằng nhau hay khác nhau.

Tuỳ thuộc điện áp ở hai ngõ vào không đảo (+) và ngõ vào đảo (-) so với nhau mà OP-AMP sẽ ở một trong hai trạng thái sau :

- Vin+ > Vin- thì V0=+Vcc=+E gọi là trạng thái bão hoà dương. - Vin+ < Vin- thì V0=-Vcc=-E gọi là trạng thái bão hoà âm.

+E

-E

Điện áp Vin vào ngõ đảo, VR vào ngõ không đảo

Điện áp Vin vào ngõ không đảo, VR vào ngõ đảo

Trong mạch v+ = V1 và = V2 + V1 > V2 thì OP-AMP bão hòa dương và V0 = +E. + V1 < V2 thì OP-AMP bão hòa âm và V0 = -E.

v-

Mạch so sánh điện áp.

Dòng vào ngõ đảo của khuếch đại thuật toán bằng: i = i1 + i2 Trong đó i1 = V1 / R1 và i2 = V2 / R2 Do v+= 0 nên: -nếu i > 0 thì v- > v+ và v0 = -E -nếu i < 0 thì v0 = +E

Mạch so sánh dòng