Lắp ráp mạch dao động tạo sóng vuông có tần số thay đổi được (Dao động đa hài)

sự là một phương pháp nguyên cứu khoa học không những khá phổ biến mà còn rất hữu ích cho sinh viên khi sắp ra trường. Không chỉ học 4 năm trong trường, được sự dạy bảo tận tình của các thầy cô qua từng môn học mà em thật sự cảm thấy mình học được rất nhiều từ việc được thực hiện luận văn, từ sự chỉ dạy tận tình của quý thầy cô hướng dẫn, “những điều tưởng như không làm được nhưng cũng đã được thực hiện”. Để có thể hoàn thành được luận văn này, đầu tiên cho em xin được gửi lời cảm ơn đến Ban Chủ Nhiệm Khoa Vật Lý Trường Đại Học Sư Phạm TP HCM đã tạo điều kiện cho em có thể thực hiện được luận văn. Bên cạnh đó nếu không có Quý Thầy, Cô đã truyền đạt kiến thức trong suốt khóa học thì chắc chắn em cũng không thể hoàn thành luận văn một cách hoàn chỉnh. Cho phép em gửi lời cảm ơn đến tất cả Thầy, Cô nhà trường đã truyền đạt kiến thức cho em. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phan Thanh Vân, đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ, giải đáp những khó khăn em trong suốt quá trình làm đề tài. Em cũng xin cảm ơn thầy Cao Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành phần hàn mạch thực nghiệm. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến hội đồng khoa học đã xét duyệt luận văn. Xin chúc sức khỏe quý thầy cô nhà trường. Sinh viên thực hiện Kiều Thị Ny SVTH: Kiều Thị Ny Trang 2 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển của công nghệ thông tin đã làm thay đổi hoàn toàn bộ mặt đời sống của con người, cùng với tốc độ phát triển chóng mặt ấy, thì hệ thống kỹ thuật truyền thông ngày càng được cải tiến, nâng cấp và phức tạp hơn. Tuy nhiên việc đưa những kỹ thuật ấy vào giảng dạy ở các trường đại học gặp phải nhiều khó khăn. “Vô tuyến điện tử” là một trong những môn học để giúp sinh viên sư phạm có được những kiến thức cơ bản vệ hệ thống kỹ thuật truyền thông, có được những hiểu biết ban đầu về hệ thống kỹ thuật số hiện đại ngày nay, trên cơ sở đó sinh viên có thể tự tìm hiểu và khám phá thêm những ứng dụng khác để phục vụ tốt hơn cho tiết dạy của mình sau này. Với mục đích làm phong phú hơn sự hiểu biết của các sinh viên về môn “vô tuyến điện tử”, khám phá thêm những ứng dụng của những linh kiện bán dẫn đã học, kích thích sự tò mò, ham hiểu biết của các sinh viên nên em chọn đề tài “lắp ráp mạch dao động tạo sóng vuông có tần số thay đổi được”. Chúng ta có thể thấy rằng “ Mạch dao động tạo sóng vuông” có mặt ở khắp mọi nơi trong cuộc sống của chúng ta, từ những thiết bị máy móc tinh vi trong các bộ nhớ, bộ đếm, bộ vi xử lý…, đến những hệ thống kỹ thuật điện công nghiệp và đến cả những mạch điện đơn giản hàng ngày mà chúng ta thường thấy trên các bảng chạy đèn quảng cáo, trong các cột đèn giao thông... Các bạn có thể hình dung đơn giản rằng : một mạch dao động tạo sóng vuông là mạch tạo ra những tín hiệu logic 0 hoặc 1, chính vì vậy, chúng có tác dụng biến đổi một tín hiệu tương tự (như tín hiệu hình sin) thành tín hiệu logic (tín hiệu kỹ thuật số). Chúng là nền tảng cơ bản trong hệ thống kỹ thuật số ngày nay. Nguyên cứu mạch dao động tạo sóng vuông cũng là một trong những cách giúp các bạn tiếp cận đến những hiểu biết sơ khai về hệ thống kỹ thuật số, một trong những ngành điện tử khá mạnh của thời đại ngày nay. Không những vậy, bạn còn có thể tự tay chế tạo ra những mạch điện tử có đèn nhấp nháy theo ý thích của mình. Sự đam mê tìm tòi khám phá sẽ nảy sinh từ đây khi mà bạn thấy một sản phẩm của mình đang “ nhấp nháy”. Với một chút kiến thức nhỏ trong luận văn, hi vọng sẽ mang lại cho các bạn những hiểu biết mới về môn học, khám phá thêm nhiều ứng dụng, có thể kích thích sự tìm tòi và ham học hỏi của các bạn. Vì kiến thức hạn hẹp và hạn chế về thời gian nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của các bạn. SVTH: Kiều Thị Ny Trang 3 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân NỘI DUNG CHÍNH Với mục đích trên, luận văn của em đi sâu vào những nội dung chính như sau: PHẦN I:MẠCH DAO ĐỘNG TẠO SÓNG VUÔNG Trong phần này, em đi sâu nguyên cứu các loại mạch dao động tạo sóng vuông, một số linh kiện thường được dùng trong mạch. 1. Mạch dao động tạo sóng vuông: hay còn gọi là mạch dao động đa hài. Được chia làm 3 loại :  Mạch dao động hai trạng thái bền  Mạch một trạng thái bền  Mạch không trạng thái bền. Một số linh kiện: có nhiều loại linh kiện để xây dựng được mạch, nhưng transistor BJT, IC OP AMP, là những linh kiện cơ bản nhất, những linh kiện khác đều là sự tích hợp của những linh kiện này. 2. TRANSISTOR BJT: là linh kiện gồm 3 lớp bán dẫn, nguyên lý hoạt động khá đơn giản và khá thân thuộc với các bạn sinh viên sư phạm. Em khảo sát mạch dao động đa hài phiếm định sử dụng Transistor 3. IC OP AMP: là một IC, hay còn được gọi là Khuếch Thuật Toán không phổ biến với các bạn sinh viên sư phạm nên em đi sâu vào nguyên cứu hoạt động của IC trong những mạch đơn giản, rồi mới khảo sát hoạt động của IC tromg mạch đa hài phiếm định PHẦN II: ỨNG DỤNG CỦA MẠCH DAO ĐỘNG TẠO SÓNG VUÔNG Đây là phần khá lý thú, để cho dễ theo dõi và tránh làm rắc rối, em chia phần ứng dụng thành ba phần nhở 1. IC OP AMP IC này thường được dùng trong các mạch dao động đa hài phiếm định, phổ biến nhất là tạo ra được sự nhấp nháy của các đèn LED trên các bảng quảng cáo, bạn có thể điều chỉnh độ nhấp nháy này bằng một mạch R - C đơn giản, ngoài ra chúng còn được dùng để theo dõi nhiệt độ của đối tượng. Loại mạch này được dùng rộng rãi trong y tế, trong hệ thống chiếu sáng đèn đường, trong các bảng quảng cáo…. 2. FLIP FLOP SVTH: Kiều Thị Ny Trang 4 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Đây là mạch dao động hai trạng thái bền, nó được chế tạo cơ bản từ hoạt động của hai transistor “ ON” & “ OFF”, và là cấu trúc cơ bản của một bit thông tin. Không chỉ là thành phần cơ bản trong việc tích hợp nên các IC khác mà chúng còn là một đơn vị thông tin cơ bản trong các bộ nhớ, các bộ đếm…là nền tảng của hệ thống kỹ thuật số. 3. IC 555 Là một IC tích hợp, nó được cấu tạo dựa trên hoạt động của hai OP AMP và một Flip Flop, là một chíp vi mạch tạo ra sóng vuông hữu dụng nhất. Nó thường được dùng để tạo sóng vuông trong mạch đa hài phiếm định và mạch đa hài đơn ổn ( mạch dao động đa hài một trạng thái bền) Trong mạch đa hài đơn ổn, IC này có tác dụng như một rơ- le thời gian, nó thường được sử dụng trong hệ thống dây chuyền sản xuất công nghiệp, để đếm các sản phẩm. Dùng IC này độ nhạy của hệ thống tăng lên. Trong mạch đa hài phiếm định, nó thường được ứng dụng trong việc tạo ra tiếng còi hú, hệ thống nhấp nháy của đèn LED hoặc là cùng với các giá trị tụ điện, chúng là một hệ thống cơ bản của đàn điện tử ngày nay. PHẦN III: PHẦM MỀM ORCAD ORCAD sẽ giúp bạn trong việc tạo ra một mạch điện sơ đồ nguyên lý trước, giúp bạn xác định hoặc định dạng trước thứ tự, vị trí, cách sắp xếp các linh kiện trên một mạch hàn thực trong phần CAPTURE CIS. Hoặc nếu không thích hàn mạch, ORCAD sẽ giúp bạn tạo ra một bản mạch in trên máy tính, bạn có thể chọn trước các linh kiện, loại chân thích hợp và sắp xếp chúng cho đẹp mắt rồi nhờ dịch vụ làm giúp bạn một bản mạch in theo ý thích. PHẦN IV: THỰC NGHIỆM Trong phần này em trình bày một số kinh nghiệm thực nghiệm, các bước khi em tiến hành hàn mạch, và khảo sát tần số mà mạch dao động tạo ra. Và một số mạch mà em hàn được. SVTH: Kiều Thị Ny Trang 5 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân I. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI: Hầu hết các hệ thống kỹ thuật số đều yêu cầu một vài loại dạng sóng định thời, ví dụ một nguồn xung kích khởi cần thiết cho tất cả các hệ thống tuần tự định thời. Trong các hệ thống kỹ thuật số, một dạng sóng hình chữ nhật là điều kiện ước muốn nhất ( không giống như trong các hệ thống tương tự ở đó thường sử dụng các tín hiệu hình sin). Sự tạo ra các dạng sóng hình chữ nhật ( sóng vuông) được gọi là bộ đa hài. Mạch dao động tạo ra sóng vuông gọi là mạch dao động đa hài. Tùy theo chế độ hoạt động người ta phân biệt thành ba loại :  Mạch hai trạng thái bền hoặc mạch Trigger hay Flip- Flop  Mạch một trạng thái bền hoặc mạch dao động đa hài đơn ổn.  Mạch không trạng thái bền hoặc mạch dao động đa hài phiếm định. 1. Mạch hai trạng thái bền: Mạch cấu tạo gồm hai tần khuyếch đại, trong đó ngõ vào của tầng này ghép với ngõ ra của tầng kia qua mạch RC tạo thành vòng hồi tiếp dương khép kín. Nhờ vậy mạch luôn tồn tại ở một trong hai trạng thái bền vững, mỗi trạng thái tương ứng với một transistor dẫn và transistor tắt, và chỉ đổi trạng thái khi có xung kích khởi từ bên ngoài. Mạch này thường được dùng làm các thành phần trong bộ nhớ trong các hệ thống kỹ thuật số. 2. Mạch một trạng thái bền: Bình thường mạch tồn tại ở trạng thái bền khi có xung kích khởi mạch chuyển sang trạng thái không bền và sau một khoảng thời gian nhất định mạch tự động trở về trạng thái bền ( mà không cần có xung kích khởi bên ngoài) . Thời gian mạch tồn tại ở trạng thái không bền không phụ thuộc vào độ rộng xung kích khởi mà phụ thuộc vào trị số các linh kiện trong mạch. Mạch này còn được gọi là mạch một nhịp bởi vì một xung kích khởi chỉ tạo nên một xung nhưng bề rộng của xung lại khác hẳn. Mạch này rất hữu dụng bởi vì nó có thể tạo ra một xung tương đối dài (hàng chục mili giây ) từ một xung hẹp. Ví dụ một bộ vi xử lý có thể phát tín hiệu cho một thiết bị bên ngoài để in một nội dung nào đó bằng cách truyền qua một xung. Thiết bị đầu ra cơ điện nói chung chậm hơn bộ vi xử lý, do đó SVTH: Kiều Thị Ny Trang 6 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân nó yêu cầu một xung tín hiệu trong một khoảng thời gian lâu hơn. Điều này đạt được bằng một mạch giao tiếp có chứa bộ đa hài đơn ổn. 3. Mạch không trạng thái bền: Dùng để tạo ra xung vuông với độ rộng xung và tần số cho trước. Mạch có hai trạng thái không bền, trong quá trình hoạt động nó luôn tự chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác mà không cần có xung kích khởi từ bên ngoài. Mạch này được dùng làm một nguồn xung khóa trong các mạch tuần tự. Người ta có thể thiết kế một mạch dao động đa hài bằng nhiều linh kiện khác nhau: như dùng transistor BJT, vi mạch OP AMP ( còn gọi là mạch khuyếch đại dùng thuật toán), các cổng logic, các IC555, IC556…. Cho đến một vài năm gần đây, các mạch đa hài được thiết kế bằng cách sử dụng các thiết bị rời rạc như các điốt chân không, transistor BJT.., ngày nay chúng trở nên lỗi thời do có nhiều IC trên thị trường, và việc sử dụng IC làm cho mạch gọn gàng, dễ mắc, độ chính xác cao, thuận lợi.. Em đi sâu nguyên cứu các mạch dao động đa hài không trạng thái bền (mạch dao động đa hài phiếm định) dùng transistor BJT, mạch đa hài phiếm định dùng OP AMP có tần số thay đổi được. II..TRANSISTOR BJT 1. Cấu tạo: Cùng trên một đế bán dẫn lần lượt tạo ra 2 tiếp xúc công nghệ p-n gần nhau để được một linh kiện bán dẫn 3 cực gọi là transistor lưỡng cực ( bipolar) Hình ІІ.9 SVTH: Kiều Thị Ny Trang 7 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Mỗi transistor lưỡng cực có 2 tiếp xúc p-n gồm 3 lớp:  Lớp giữa được gọi là lớp gốc ( base) ký hiệu là B, có nồng độ tạp chất thấp nhất và có bề dày rất mỏng, khoảng 10µm.  Lớp phát ( emitter) ký hiệu là E, có nồng độ tạp chất lớn nhất.  Lớp góp ( collector) ký hiệu là C, có nồng độ tạp chất trung bình. 2. Nguyên tắc hoạt động: - Ta xét hoạt động của một transisto NPN. Muốn một transisto hoạt động được, phải có đủ 2 điều kiện:  Tiếp tế: - Phải cung cấp điện áp cho 2 cực C, E đúng cực tính bằng nguồn điện ECC + Nếu transistor NPN thì UCE > 0 + Nếu transistor PNP thì UCE < 0  Phân cực: - Phải cung cấp điện áp cho 2 cực B, E đúng cực tính bằng nguồn điện EB. +Xét trường hợp có nguồn ECC , không có nguồn EB : CE coi như gồm 2 điôt CB và BE mắc nối tiếp, 2 điôt này mắc ngược chiều nhau nên không cho dòng điện qua CE. +Xét trường hợp có nguồn EB không có nguồn ECC: điốt BE được phân cực thuận, electron ( hạt dẫn đa số của lớp e) qua mối tiếp xúc PN vào lớp B để về nguồn EB. Chỉ có dòng IB, không có dòng IC ở mạch nguồn ECC. Dòng IB càng lớn, khi nguồn EB lớn. SVTH: Kiều Thị Ny Trang 8 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân +Xét trường hợp có cả 2 nguồn ECC và nguồn EB: điốt BE được phân cực thuận, electron ( hạt dẫn đa số của lớp e) qua mối tiếp xúc vào lớp B, ở lớp B này electron là hạt dẫn điện thiểu số (không cơ bản), khuyếch tán rất nhanh qua lớp B (rất mỏng cở vài µm) để vào lớp C. Ở đây electron lại là hạt dẫn đa số, nên bị nguồn ECC hút mạnh tạo nên dòng IC. - Ta thấy, dòng IC càng mạnh khi dòng IB càng lớn và bề dày lớp B càng nhỏ. Vậy: + Khi IB = 0 : không có dòng IC. + Khi IB càng lớn: dòng IC càng lớn. + Ta nói chính dòng qua cực B (cỡ nA) đã điều khiển dòng điện qua EC (cỡ mA) của Transistor. Vì vậy, cực B còn gọi là cực khiển. - Nếu coi cực E là nguồn phát ra hạt dẫn đa số, hạt này một phần nhỏ chạy qua cực gốc B tạo ra dòng IB, phần lớn còn lại chạy đến cực góp C để tạo nên dòng IC. Vậy ta luôn luôn có: IE = IB + IC Trong đó IB cỡ na và IC cỡ mA( IB<< IC), nên ta cũng có thể xem: IE IC  - Ta gọi là hệ số khuyếch đại dòng điện của transistor C B I I   - Ngoài sự dịch chuyển của các hạt dẫn đa số, còn tồn tại dòng dịch chuyển của các hạt dẫn thiểu số (lỗ trống) từ lớp C qua B đến E. Dòng dịch chuyển này tạo nên dòng ngược ICEO. Vậy ta có: IC =  IB + ICEO - Hoạt động của transistor PNP cũng giống như trên nhưng phải thay đổi như sau: - TIếp tế vào 2 cực C và E bằng nguồn ECC để UCE < 0. Phân cực cho BE bằng nguồn EB sao cho UBE < 0. Hạt dẫn đa số là lỗ trống phát ra từ E để đến C. 3. Các chế độ làm việc của transistor Transistor có 3 chế độ làm việc: chế độ khóa, dẫn bảo hòa, và chế độ khuyếch đại. Khi xét đặc tính của transistor người ta thường quan tâm đến quan hệ giữa dòng điện IC và điện áp UCE khi IB không đổi, ta có họ đặc tuyến IC=f(UCE), IB = const có dạng như sau: SVTH: Kiều Thị Ny Trang 9 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân UCE còn liên hệ với IC theo phương trình UCE = ECC – ICRC Gọi là phương trình đường thẳng tải biểu thị bằng đường thẳng ∆c trên hình Điểm cắt của ∆C với 1,2,3 chính là các giao điểm làm việc của transistor, nó xác định dòng điện IC và điện áp UCE của transistor ứng với mỗi giá trị của IB. Khi IB càng tăng thì điểm làm việc càng tiến gần đến các điểm uốn của các đường cong 1,2,3… khi IB tăng đến một giá trị nào đó thì IC không tăng lên nữa, ta nói IC đạt giá trị bão hòa ICbh. Dòng này tương ứng với gốc bảo hòa IBbh. Cbh Bbh II  Điểm cắt K của đường ∆C với đường cong (1) tương ứng với IB = 0, được gọi là điểm khóa. Điểm cắt M của đường ∆C với đường cong (3) tương ứng với IB = IBbh được gọi là điểm mở bão hòa. Khi transistor làm việc ở điểm khóa k : IB = 0 và IC≈ 0, ta nói transistor khóa. Khi transistor làm việc ở điểm mở bảo hòa m : IB = IBbh và IC = ICbh = ICmax (UCE ≈ 0), ta nói transistor mở bảo hòa. max CC Cbh C C EI I R   SVTH: Kiều Thị Ny Trang 10 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân A. Transistor làm việc với chế độ dẫn và khóa bảo hòa: Sơ đồ mạch điện căn bản ở chế độ khóa điện tử của một transistor trong đó K là một con tắt đóng mở bằng tay hay tự động. Khi khóa k mở: UCE = - EB < 0, tiếp xúc BE bị phân cực ngược, electron từ E không qua vùng B được nên IB = 0 và transistor khóa, không có dòng qua điện trở tải RT. Khi khóa k đóng: 1 2 1 2 CC BE BE B B E U E EI I I R R      Với UBE ≈ 0,6V , nếu ta chọn R1, R2, Ecc, và Eb sao cho : Cbh CC B Bbh C I EI I R    Thì transistor sẽ mở bảo hòa. Lúc đó ta có UCE ≈ 0V và CCC C EI R  nếu công tắc K đóng, mở có chu kỳ với thời gian đóng tđ = αt với t là thời gian đóng ngắt của công tắc), α = tđ /t gọi là tỉ số đóng thì dòng điện qua điện trở tải Rt sẽ có dạng như hình vẽ dưới đây và trị số trung bình của dòng điện này là : 0 0 0 1 1T T CC CC C t t E EI I dt dt T T R      R Từ đây ta dễ dàng thay đổi trị số I0 bằng cách thay đổi trị số đóng α SVTH: Kiều Thị Ny Trang 11 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Qua các hình vẽ trên, ta thấy trong thực tế khi đóng điện, dòng IC không tăng ngay đến trị số ICbh mà chỉ đạt đến ICbh sau một khoảng thời gian ton, toff là thời gian cần thiết để các hạt mang điện trong transistor tích lũy và dịch chuyển Cũng như lúc tắt, dòng điện không giảm ngay từ ICbh về không mà phải có thời gian toff, đây là thời gian cần thiết để các hạt dẫn phân tán trở lại và phục hồi trạng thái khóa. Vậy để transistor đóng mở một cách đáng tin cậy, chu kỳ đóng, cắt t phải lớn hơn ton+toff. Do đó tần số đóng, cắt lớn nhất cho phép của khóa k là: ax min off 1 1 m on f T t t    B.Transistor làm việc với chế độ khuyếch đại: Sơ đồ mạch điện căn bản ở chế độ khuyếch đại của một transistor như hình dưới đây: lúc này nguồn phân cực EB phải có chiều như hình vẽ để cho tiếp xúc BE phân cực thuận. SVTH: Kiều Thị Ny Trang 12 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Dòng IB sẽ điều khiển dòng IC. Trên tải RT ta có một độ sụt áp Ur= RtIc Ta có: ECC = RtIC + UCE UCE = ECC – RtIC Vậy khi ta tăng, dòng IC tăng theo và UCE giảm. Khi IB giảm, dòng IC giảm theo và UCE tăng. Hay ta có thể nói: điện áp tín hiệu lấy ra ở chân C ngược pha với điện áp tín hiệu đưa vào khuyếch đại ở chân B. 4. Mạch dao động đa hài không trạng thái bền dùng transistor BJT. A. Sơ đồ mạch điện Mạch bao gồm hai transistor N-P-N được nối với nhau thông qua các tụ điện C1 và C2 . Tụ C1 được nối vào cực base của transistor T1 và cực collector của transistor T2. Còn tụ C2 nối vào cực base của transistor T2 và cực collector của transistor T1. Các điện trở R1, R2 phân cực cho các cực base của transistor T2 và T1 Điện trở Rl, Rl là các điện trở tải, nó có nhiệm vụ hạn chế dòng IC qua cực collector của hai transistor. B. Nguyên tắc hoạt động Ta thấy mạch điện gồm 2 tầng khuyếch đại T1 và T2 hồi tiếp dương, nên trở thành mạch dao động. Mạch điện hoạt động như sau SVTH: Kiều Thị Ny Trang 13 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Hai transistor T1 và T2 tuy cùng số hiệu nhưng không thể giống nhau 100% được, giả sử khi mới mở điện, T2 dẫn trước T1. Dòng điện qua Rl của T2 làm điện áp VC2 giảm tới 0 (bằng điện áp E2). C1 được nạp điện qua R1. Khi điện áp 2 đầu tụ điện đủ để phân cực cho T1 thì T1 dẫn, VC1sụt làm VB2 sụt theo cho đến lúc T2 ngưng dẫn. Lúc bấy giờ C2 được nạp qua R2, khi điện áp đủ lớn thì T2 dẫn trở lại và VC2 giảm làm T1 tiến tới trạng thái ngưng dẫn… quá trình lập lại rất nhanh và trên các cực Collector ta có các xung điện hình chữ nhật. Chu kỳ của dao động gồm 2 giai đoạn: thời gian T1 dẫn và thời gian T1 ngưng dẫn (hoặc thời gian T2 dẫn và thời gian T2 ngưng dẫn). Bề rộng xung tạo ra phụ thuộc vào thời hằng của C1 hay C2 nạp điện qua R1 ( Hay R2). Tính chu kỳ của xung ra: ∆T1 là thời gian T1 dẫn, ∆T2 là thời gian T2 dẫn ( hay thời gian mà t1 tắt). Chu kỳ dao động của mạch là: T = ∆T1 + ∆T2 Khi T1 dẫn, C2 được nạp qua R2 ∆ T1 ≈ ln2. C2.R2 T2 dẫn, C1 được nạp qua R1 ∆T2≈ ln2. C1.R1 → T ≈ (C1.R1 + C2.R2)ln2 Nếu ta chọn R2 =R1=R và C1 = C2= C, tần số của xung được xác định bởi: 1 2 ln f RC  2 SVTH: Kiều Thị Ny Trang 14 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân 5. Mạch có tần số thay đổi được. Ảnh hưởng của R đến hoạt đông của mạch: Ta tiến hành thay đổi các giá trị của R1 =R2=R để quan sát xung đầu ra cũng như tần số của mạch. Đối với giá trị R thích hợp, ta có f = 1 1,4RC : R,C biến đổi tuyến tính với f. 0.0000 0.0100 0.0200 0.0300 0.0400 0.0500 0.0600 0 10 20 30 40 50 60 Resistance (k? ) P er io de (m s) Series1 Ta thấy rằng đối với các giá trị R < 10kΩ thì f và R không biến đổi tuyến tính . Với R quá nhỏ thì transistor bị bão hoà quá sâu do dòng IB lớn . Nếu R>120k Ω thì transistor không có thời gian để đạt trạng thái bão hoà Từ những điều kiện ta có nhận xét quan trọng sau:  Ta không thể lấy bất kỳ giá trị nào của điện trở R<120k Ω mà ta còn phải lưu ý đến điều kiện để transitor đạt được trạng thái bão hòa, thông thường chọn R>10RC Như vậy ta có điều kiện để transitor bão hòa một cách hoàn hảo : 10RC< R<  RC * Ảnh hưởng của R và C đến hoạt động của mạch : _ Ta thấy rằng độ rộng xung vuông đầu ra T1 , T2 liên quan trực tiếp đến hằng số thời gian nạp của các tụ .Ở mạch khảo sát trên là mạch đối xứng ta có: T1 = T2 = 0,7 RC độ rộng xung bằng nhau.  _ Để thay đổi độ rộng xung ,ta có thể thay đổi các giá trị của tụ điện hoặc điện trở (lưu ý là thay đổi trong giới hạn cho phép). SVTH: Kiều Thị Ny Trang 15 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Lúc này chu kỳ : T = 0,7 R2C2 + 0,7R1C1 tần số được tính theo công thức : f =  2 2 1 1 1 0,7(R C R C )  Ảnh hưởng của tụ c đến tần số của hệ : Bằng cách thay đổi giá trị C, đo tần số dao động từ máy dao động ký đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tụ điện và chu kỳ: 0.0000 0.0200 0.0400 0.0600 0.0800 0.1000 0.1200 0.1400 0.1600 0 2 4 6 8 Capacite (nF) P er io de (m s) Series1 Ta thấy C và f biến đổi tuyến tính trong mọi trường hợp Với mạch điện như trên ta thấy dạng xung ra không hoàn toàn vuông , nguyên nhân là do quá trình nạp xả của các tụ điện . Để khắc phục nhược điểm này ta sẽ cải thiện mạch theo sơ đồ sau : SVTH: Kiều Thị Ny Trang 16 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Chỉnh nhuyễn tần số dao động của mạch bằng cách thay đổi điện dung của các tụ không phải lúc nào cũng thực hiện được. Do đó trong thực tế thường chọn cách điều chỉnh bằng biến trở, điều này cho phép thay đổi điện thế phân cực cho cực nền của transistor tắt. Trên hình bên là sơ đồ mạch dao động cho phép điều chỉnh tần số, trong đó hệ số bão hòa của transistor dẫn không thay đổi trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh của tần số. 2 1 2 2 ln 1 L L RT C R R       1 2 1 1 ln 1 L L RT C R R       Chu kỳ dao động của mạch là: T = ∆T1 + ∆T2 III..VI MẠCH OP-AMP ( Operational Amplifier) 1. OP AMP : là linh kiện khuếch đại thuật toán. Thuật ngữ khuếch đại thuật toán được John R. Ragazzini đưa vào năm 1947 để chỉ ra một loại khuếch đại đặc biệt. bằng cách ghép nối thích hợp các thành phần bên ngoài, nó có thể tạo ra nhiều cấu hình hoạt động khác nhau từ khuếch đại cho đến cộng, trừ, vi tích phân. Các khuếch đại thuật toán được ứng dụng đầu tiên trong các máy tình tương tự ( analog). Khả năng thực hiện các phép toán toán học là kết quả của sự kết hợp độ lợi cao với hồi tiếp âm. SVTH: Kiều Thị Ny Trang 17 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Khuếch đại thuật toán đầu tiên dùng các đèn chân không, vì vậy chúng rất nặng nề, tiêu tốn nhiều năng lượng và đắt tiền. kích thước của khuếch thuật toán giảm thiểu đáng kể cùng với sự phát triển của transistor ( BJT), điều này dẫn đến sự phát triển toàn diện của các khối khuếch đại làm việc với các BJT rời rạc. Tuy nhiên bước đột phá thực sự xảy ra với sự phát triển của mạch khuếch đại thuật toán tích hợp (IC), với các phần tử được tạo trên một dạng đơn khối trên một mẫu sillicon có kích thước như một viên bi. Linh kiện đầu tiên kiểu này được Robert J.Widlar phát triển tại Fairchild Semiconductor Corporation vào những thập kỷ 60. Một mạch khuếch đại thì được hình dung như sau: Công thức cơ bản của bộ khuếch đại là : Tín hiệu ra = (tín hiệu vào) x (độ lợi AD) Ở OP AMP, độ lợi AD rất lớn (lớn hơn 10.000 lần). Ví dụ như con 741 có độ khuếch đại lên đến 200.000 lần (giá trị điển hình). Do đó nếu đưa tín hiệu vào là 1mV thì tín hiệu ra là 1x200.000=200V. Kí hiệu của OPAMP như sau: SVTH: Kiều Thị Ny Trang 18 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân A. Cấu tạo Nó có hai đầu vào dương và âm, kí hiệu P,N và một đầu ra. Điện áp trên các đầu vào và ra là UP, UN, Ur là so với mass. UN : đầu vào đảo mạch UP : đầu vào không đảo mạch. Ngoài ra OP AMP còn có hai đầu để nối với nguồn cung cấp đối xứng ±Ucc. Điện áp nguồn cung cấp nằm trong khoảng ±5v ÷ ±18v. Nguồn cung cấp cho OP AMP cũng có thể là nguồn đơn + Ucc. B. Đặc điểm Đặc điểm của OP AMP là:  Hệ số khuyếch đại vi sai AD rất lớn ( thường AD≈105 ÷ 106)  Điện trở vi sai rất lớn ( thường từ 10MΩ ÷ 100MΩ , với loại dùng transistor BJT và từ 1012 Ω đến 1013Ω với loại dùng transistor thường),  Điện trở ra rất nhỏ ( cỡ khoảng 100Ω đến 1kΩ ).  Dòng chảy vào các đầu vào vi sai P,N rất nhỏ, có thể coi bằng 0. Các OP AMP dùng trong xử lý tín hiệu có dòng cho phép cực đại ở đầu ra khoảng 5mA đến 10mA. Các OP AMP có công suất dòng ra cỡ vài A, (có loại công suất đầu ra lớn hơn 50W). Hình bên vẽ đặc tính truyền đạt Ur( UD) của OP AMP. Điện áp UD = UP- UN gọi là điện áp vi sai. SVTH: Kiều Thị Ny Trang 19 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Trên hình vẽ, đường 1 là đặc tuyến truyền đạt lí tưởng ( khi UD = 0 thì Ur=0), đường 2 là đặc tuyến truyền đạt thực tế của OP AMP ( khi UD = 0, nhưng Ur ≠ 0). Ta thấy đặc tính có hai vùng làm việc:  Vùng tuyến tính ứng với |UD| rất nhỏ và: Ur = ADUD  Vùng bão hòa ứng với | UD| khoảng từ vài chực µV trở lên, điện áp ra Ur ở vùng bão hòa là không đổi: Ur = ± Ubh;|Ubh| = Ucc - (2÷ 3 v ) Ví dụ: ±Ucc = ± 15V thì Ubh ≈ ± 13V 2. OP AMP làm việc ở chế độ khóa. Trong kỹ thuật xung người ta thường sử dụng OP AMP làm việc ở vùng bão hòa của đặc tuyến truyền đạt. Lúc đó, điện áp ra Ur chỉ có thể nằm ở hai mức: Mức thấp L = - Ubh hoặc mức cao H = Ubh. Ta nói OP AMP làm việc ở chế độ khóa và có vai trò như một khóa đóng/cắt cơ khí Khi Ur = - Ubh = L, ta nói khóa mở Khi Ur = + Ubh = H, ta nói khóa đóng. Hình trên là đặc tuyến truyền đạt lý tưởng khi OP AMP làm việc ở chế độ khóa. Điện áp vi sai UD là điện áp điều khiển đóng/ mở khóa. SVTH: Kiều Thị Ny Trang 20 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân Lúc UD đang rất âm, khóa OP AMP ở trạng thái mở với Ur = - Ubh = L. Khi UD tăng tới giá trị Uđ( Uđ > 0), thì khóa hoàn toàn chuyển sang trạng thái đóng với Ur=+Ubh= H. Vì vậy Uđ gọi là ngưỡng đóng của OP AMP. Khi UD rất dương, khóa ở trạng thái đóng. Khi UD giảm tới Um thì khóa hoàn toàn chuyển sang trạng thái mở nên Um gọi là ngưỡng mở. Vùng ∆u trong đặc tuyến truyền đạt gọi là độ nhậy của khóa. Đây là vùng khóa OP AMP bắt đầu và kết thúc việc chuyển trạng thái đóng/ mở. Một khóa lí tưởng có ∆u = 0. Muốn giảm ∆u ta phải chọn IC OP AMP có hệ số khuyếch đại vi sai AD càng lớn càng tốt. 3. Giới thiệu IC OP AMP Năm 1986, Fairchild đã giới thiệu khuếch đại thuật toán phổ biến như µA741 như là loại tiêu chuẩn của công nghiệp. Kể từ đó số lượng các họ khuếch đại thuật toán và việc chế tạo phát triển đáng kể. Tuy vậy, 741 vẫn là một trong những loại phổ biến nhất mặc dù có sự cạnh tranh giữa các linh kiện về giá cả và chất lượng. vì 741 là loại khuếch đại thuật toán được đề cập rất phổ biến nên ta có thể xem nó như là phương tiện để minh họa các nguyên lý khuếch đại thuật toán tổng quát . Hình bên giới thiệu một loại OP AMP µA 714 Nó có hai kiểu đóng vỏ: đóng vỏ hình tròn (kiểu TO5) và đóng vỏ với hai hàng chân song song ( kiểu DIPS). Các chân 1,5 là chân nối mass, chân 4 nối với nguồn – Ucc, chân 7 nối với nguồn + Ucc, chân 8 là chân bỏ trống. Chân 2 là đầu vào đảo mạch, chân 3 là đầu vào không đảo mạch. SVTH: Kiều Thị Ny Trang 21 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân 4. IC OP AMP trong mạch so sánh: Hiện nay, phần tử cơ bản dùng làm mạch so sánh tương tự là OP AMP, làm việc ở chế độ khóa. Chúng ta sẽ đi tìm hiểu hoạt động của mạch so sánh tương tự để biết rõ nguyên lý hoạt động của một OP AMP trong mạch dao động đa hài phiếm định. Có hai loại mạch so sánh:  Mạch so sánh số: mạch so sánh hai số nhị phân, kết quả so sánh được thể hiện bằng các biến logic ở đầu ra.  Mạch so sánh tương tự: so sánh điện áp với một điện áp chuẩn có độ lớn xác định trước Uch. Khi Uv = Uch thì điện áp Ur ở đầu ra mạch so sánh sẽ chuyển từ mức cao xuống mức thấp hoặc ngược lại. Dạng xung ở đầu ra là dạng xung vuông. Như vậy, tín hiệu ở ngã vào là tín hiệu tương tự (analog), còn tín hiệu ở ngã ra là tín hiệu logic. Các thông số đặc trưng cho mạch so sánh cũng chính là các thông số đặc trưng của khóa OP AMP :  Độ nhậy của mạch so sánh, chính là độ nhậy ∆u của OP AMP  Thời gian lật trạng thái của mạch, cũng chính là thời gian đóng mở của khóa OP AMP  Hai mức logic L, H ở đầu ra của mạch cũng chính là hai điện áp bão hòa ±Ubh ở đầu ra của OP AMP. Nếu dùng nguồn một chiều không đối xứng +Ucc cung cấp cho OP AMP thì hai mức logic ở đầu ra mạch so sánh sẽ tương ứng với mức điện áp 0V và mức điện áp bão hòa +Ubh=+Ucc-(3÷4v). Cũng có mạch so sánh cho hai mức logic L, H ở đầu ra có thể lựa chọn theo yêu cầu sử dụng. Theo cấu trúc, mạch so sánh tương tự chia làm hai loại:  Mạch so sánh hở (còn gọi là mạch so sánh không trễ). Sơ đồ có cấu trúc hở, không có sự phản hồi điện áp ở đầu ra về cửa vào.  Mạch so sánh vòng kín (còn gọi là mạch so sánh có trễ hoặc Trigger Smith). Sơ đồ có cấu trúc vòng kín, có sự phản hồi dương của điện áp ở đầu ra về cửa vào. A. Mạch so sánh hở. SVTH: Kiều Thị Ny Trang 22 LVTN: DAO ĐỘNG ĐA HÀI GVHD: Phan Thanh Vân UD Hình trên là sơ đồ cơ bản của mạch so sánh hở, kiểu đảo mạch. Uch là điện áp chuẩn (còn gọi là ngưỡng ) để điện áp vào Uv so sánh với nó. Xét sơ đồ đảo: Khi Uv 0 và Ur = ADUD = +Ubh. Tăng dần Uv cho tới khi Uv = Uch + 2 u , thì điện áp Ur chuyển hoàn toàn sang mức -Ubh: Ur= ADUD= AD(Uch – Uv) = -AD 2 u = -Ubh Hệ số khuếch đại vi sai AD rất lớn nên độ nhậy ∆u chỉ khoảng vài chục µV. Gần đúng coi ∆u≈ 0, mạch sẽ lật trạng thái khi UD = 0, nghĩa là Uv = Uch. Ta có đặc tuyến truyền đạt Ur(Uv) của mạch so sánh đảo như hình. Nếu tiếp tục tăng Uv vượt quá ngưỡng Uch thì Ur cũng ._.