Bài giảng Kỹ thuật xung - số - Chương 1: Khái niệm cơ bản về kỹ thuật xung - Nguyễn Linh Nam

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật xung - số - Chương 1: Khái niệm cơ bản về kỹ thuật xung - Nguyễn Linh Nam

1. TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ KHOA ĐIỆN KỸ THUẬT XUNG - SỐ GIẢNG VIÊN: TS.NGUYỄN LINH NAM
2. PHẠM VI ỨNG DỤNG KỸ THUẬT XUNG - SỐ F Các hệ thống đo lường, điều khiển F Cấu trúc máy tính F Điện tử dân dụng và cơng nghiệp F Các hệ thống thơng tin hiện đại F Kỹ thuật Rơbốt
3. MỤC TIÊU MƠN HỌC  Cung cấp các kiến thức cơ bản về: - cấu tạo - nguyên lýhoạt động - ứng dụng các mạch tạo dạng xung, mạch số.  Trang bị kỹ năng: - phân tích - thiết kế các mạch xung-số cơ bản và ứng dụng.  Tạo cơ sở cho tiếp thu các kiến thức chuyên ngành khác, cũng như thực hiện các thí nghiệm và ứng dụng thực tế.
4. NỘI DUNG MƠN HỌC KỸ THUẬT XUNG  Chương 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT XUNG  Chương 2: CÁC MẠCH TẠO DẠNG XUNG  Chương 3: DAO ĐỘNG ĐA HÀI KỸ THUẬT SỐ  Chương 4: HỆ THỐNG SỐ ĐẾM VÀ MÃ  Chương 5: ĐẠI SỐ BOOLE VÀ CÁC PHẦN TỬ LOGIC CĂN BẢN  Chương 6: HỆ TỔ HỢP  Chương 7: HỆ TUẦN TỰ
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bài giảng kỹ thuật xung-số, Nguyễn Linh Nam. 2. Kỹ thuật số 1, Nguyễn Như Anh, NXB Đại học Quốc gia TPHCM, 2001 3. Cơ sở kỹ thuật điện tử số, Vũ Đức Thọ (dịch), NXB GD, 2003 4. Kỹ thuật số, Nguyễn Thúy Vân, NXB KHKT, 1995 5. Kỹ thuật xung, Vương Cộng, NXB KHKT, 1997 6. Kỹ thuật xung căn bản và nâng cao, Nguyễn Tấn Phước, NXB TPHCM, 2002 7. Giáo trình kỹ thuật xung-số, vụ giáo dục trung học và dạy nghề Google: Pulse circuits, astable/monostable circuits, logic gate, digital fundamentals, digital design,
6. 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
7. Chương 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT XUNG 1. Tín hiệu xung Khái niệm Tín hiệu tương tự- Analog Tín hiệu số- Digital Các thơng số của tín hiệu xung 2. Khố điện tử Khái niệm Khố BJT Khố Op-Amp Mạch ứng dụng 3. Mạch RLC Mạch RC Mạch RL
8. Mục tiêu của chương: - Hiểu được khái niệm về tín hiệu xung - Hiểu được các khái niệm về khĩa điện tử BJT, OP-AMP. - Vẽ được sơ đồ mạch và giải thích được nguyên lý hoạt động của mạch RC, RL,
9. Mạch tương tự # Mạch số
10. TÍN HIỆU XUNG Tín hiệu điện (dịng, áp) cĩ 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 cịn gọi là các xung điện, đĩ là dịng điện hoặc điện áp tồn tại trong một khoảng thời gian rất ngắn, cĩ thể so sánh được với quá trình quá độ xảy ra trong mạch điện mà chúng tác dụng.
11. Các thơng số của tín hiệu xung Dãy xung 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 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%
12. KHỐ ĐIỆN TỬ Khĩa điện tử: trạng thái đĩng (cịn gọi là trạng thái dẫn) tác động của tín hiệu điều khiển trạng thái ngắt (cịn gọi là trạng thái tắt) ở ngõ vào Khố transistor (BJT) BJT cĩ thể làm việc ở một trong hai trạng thái: -Trạng thái tắt: dịng qua transistor bằng 0, transistor khố. -Trạng thái dẫn bão hồ: dịng qua transistor đạt giá trị cực đại, transistor -V =0, V =0, transistor ngưng dẫn. dẫn. in BE 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 hồ VCE=VCEsat=0.1÷0.2V (Si) ICsat=(VCC-VCEsat)/RC IB=IC/β (β: độ khuếch đại dịng). Để chọn giá thích hợp RB: IB =(k.IC)/β (k là hệ số bão hồ sâu, k=2÷5). RB=(Vin-VBEsat)/IB
13. Quan hệ vào ra: Ngõ vào là xung vuơng cĩ tần số 1KHz, biên độ 5V, nguồn Vcc = 12V Ngõ ra là xung vuơng cĩ tần xố 1KHz, biên độ 12V Vin Vout
14. Áp dụng 1:  Cho khố BJT như hình vẽ, biết Vcc = 12V; Rc = Ics 1.5kΩ; Q1 cĩ β = 100; Nguồn Vb = 5V  Tìm giá trị Rb để khi S1 Ibs đĩng Q1 sẽ dẫn bão hồ Vces Vbes Giải: Vcc,Vces Ics Ibs Rb
15.  Áp dụng 2: Mạch điều khiển Relay.  Cho khố BJT như hình vẽ, biết Q1 cĩ β = 200; Relay cĩ thơng số V = 12V, I = 20mA; Vin là tín hiệu điều khiển cĩ dạng xung vuơng với mức thấp 0V, mức cao 5V  Tìm giá trị Rb để khi Vin ở mức cao Q1 sẽ dẫn bão hồ Relay tác động đèn D1 sáng lên.
16. Bt1: BJT Q1 cĩ = 150, D1 cĩ điện áp thuận VF = 2(V) Tính giá trị các điện trở R1, R2 để đảm bảo khi K1 đĩng Q1 dẫn bão hồ với dịng ICS = 20mA? LED D1 cĩ dịng cực đại IFmax = 50mA, tìm giá trị nhỏ nhất của R1 để D1 khơng cháy(hỏng)?
17. Bt2: BJT Q1 cĩ = 150, LED cĩ điện áp thuận VF = 2(V), dịng thuận IF = 20mA. Tính giá trị các điện trở R1, R2, R3 để đảm bảo khi K1 đĩng Q1 dẫn bão hồ thì các LED sáng an tồn. LED cĩ dịng cực đại IFmax = 50mA, tìm giá trị nhỏ nhất của các R2, R3 để LED khơng cháy(hỏng)?
18. Khố khuếch đại thuật tốn (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 dịng chảy vào các đầu vào rất nhỏ (~0). Tuỳ thuộc điện áp ở hai ngõ vào khơng 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 hồ dương. - Vin+ < Vin- thì V0=-Vcc, gọi là trạng thái bão hồ âm. Điện áp Vin vào ngõ đảo, VR vào Điện áp Vin vào ngõ khơng đảo, VR vào ngõ khơng đảo ngõ đảo
19.  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 = +5V  Ứng dụng làm mạch cảm biến và điều khiển ánh sáng, mạch cảm biến dị đường trong Rơbốt. 19
20.  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 cĩ tia IR tác động rơi áp VD1 nhỏ( B hay VA lớn), khi khơng cĩ tia IR tác động rơi áp VD1 lớn ( hay VA nhỏ) + A  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 khơng 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. 20
21. MẠCH RLC mạch lọc thụ động : mạch lọc thơng cao mạch lọc thơng thấp mạch lọc thơng dãi
22. Mạch lọc RC a. Mạch lọc thơng cao -mạch cho tín hiệu cĩ tần số cao đi qua một cách dễ dàng, nhưng đồng thời cũng làm suy giảm biên độ tín hiệu cĩ tần số thấp. -trong kỹ thuật xung thì mạch thượng thơng được dùng để xén tín hiệu vào theo độ dài, do đĩ người ta cịn gọi mạch thượng thơng là mạch vi phân. -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 (khơng cĩ 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 cĩ tần số thấp.
23. b. Mạch lọc thơng thấp -mạch cho tín hiệu tần số thấp đi qua một cách dễ dàng và đồng thời làm suy giảm biên độ tín hiệu cĩ tần số cao. -mạch lọc thơng thấp được dùng để lọc nhiễu trong các hệ thống thiết bị số và cịn được gọi là mạch tích phân. -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 (khơng cĩ 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 cĩ tần số cao.
24. Mạch vi phân tín hiệu vào: Lấy vi phân hai vế: Chọn Khi đĩ:
25. mạch tích phân tín hiệu vào: Mà i(t) cũng chính là dịng nạp cho tụ C nên: Chọn
26. Ngõ vào là điện áp DC: - Vin(t) = E.u(t) In Out -t/τ - Vout = E.(1 – e ).u(t) Ngõ vào là xung vuơng: - Vin(t) = E[u(t) – u(t - t1)] Hình 3.1: Mạch tích phân -t/τ -(t-t1)/τ - Vout = E.(1 – e ).u(t)+ E.e .u(t-t1)
27. Ngõ vào là điện áp DC: In Out - Vin = E.u(t); -t/τ - Vout = E.e .u(t) Ngõ vào là xung vuơng: - Vin(t) = E[u(t) – u(t - t1)] Hình 1.3: Mạch vi phân -t/τ -(t-t1)/τ - Vout = E.e .u(t)- E.e .u(t-t1)
28. Ảnh hưởng của τ = RC(s) đến dạng sĩng ngõ ra: Trường hợp 1 (t1 >>τ) Trường hợp 2 (t1 >τ)
29. Trường hợp 2 (t1 << τ )
30. Trường hợp 2 (t1 << τ ) VR(t)
31. Mạch RL Trên thực tế người ta ít dùng mạch RL cho mạch xung: -Kích thước mạch lớn. -Do giữa các vịng dây quấn luơn tồn tại điện dung ký sinh kết hợp với các vịng dây quấn hình thành các vịng khung cộng hưởng. Đây chính là nguyên nhân gây sinh ra các dao động tự kích, tức là tạo ra các tín hiệu nhiễu trong mạch. -Chỉ được ứng dụng trong bộ lọc nguồn nhỏ -Khi chỉnh lưu, ngồi tín hiệu một chiều cịn cĩ các sĩng hài xoay chiều làm tín hiệu một chiều sau chỉnh lưu khơng thể bằng phẳng.