Bài giảng Các mạch tạo tín hiệu - Nguyễn Quốc Cường

Các mạch tạo tín hiệu TS. Nguyễn Quốc Cường Bộ môn: Kỹ thuật đo & Tin học công nghiệp Signal generators Nguyễn Quốc Cường Tài liệu tham khảo • “Microelectronic circuits” - Adel S. Sedra & Kenneth C. Smith, Oxford University Press, 2004 (chapter 13) Signal generators Nguyễn Quốc Cường Giới thiệu • Các tín hiệu được sử dụng nhiều trong các thiết bị – Sin – Xung vuông – Răng cưa • Mạch tạo tín hiệu sin – Mạch khuếch đại sử dụng phản hồi dương (còn được gọi là linear oscillator) – Tạo tín hiệu sin từ tín hiệu răng cưa • Mạch tạo tín hiệu xung vuông & tam giác (non-linear oscillator) – bistable – astable Signal generators Nguyễn Quốc Cường Tạo tín hiệu sin • Mạch tạo tín hiệu sin – linear oscillator – Tạo tín hiệu sin từ tín hiệu răng cưa Signal generators Nguyễn Quốc Cường Nguyên lý tạo của mạch dao động tuyến tính • Sử dụng nguyên lý phản hồi dương • Mạch dao động không cần tín hiệu input xs ( ) ( ) ( ) ( )1f A s A s A s s = − β Signal generators Nguyễn Quốc Cường Tiêu chuẩn Barkhausen • Điều kiện dao động: – Biểu thức đặc trưng có nghiệm trên trục jω – Muốn tín hiệu output là “thuần” sin thì nghiệm trên trục ảo phải là duy nhất (±jω0) . Ngược lại tín hiệu output sẽ là tổng của các tín hiệu sin (tín hiệu bị “méo”) • Tiêu chuẩn Barkhausen • Các phần tử trong mạch có thể bị thay đổi (do nhiệt độ, độ ẩm, già hóa linh kiện,...) – Nếu Aβ < 1
dao động sẽ tắt – Nếu Aβ > 1
dao dộng sẽ có biên độ tăng ( ) ( ) ( ) ( ) 0 1 o o o o A j j A j j ∠ ω β ω = ω β ω = Signal generators Nguyễn Quốc Cường Điều khiển biên độ • Mạch tạo dao động – Khi bật nguồn hệ số Aβ được thiết kế lớn hơn 1
dao động với biên độ tăng dần – Khi biên độ đạt giá trị mong muốn
cần điều khiển giảm giá trị Aβ về bằng 1 – Nếu trong khi hoạt động hệ sô Aβ < 1
cần điều khiển tăng hệ số Aβ về bằng 1 •
Cần sử dụng mạch điều khiển Signal generators Nguyễn Quốc Cường Mạch giới hạn (1) • vI = 0 – vo = 0 – vA > 0
D1 không dẫn – vB < 0
D2 không dẫn • vI dương nhỏ – vo âm nhỏ
VA giảm nhưng D1 vẫn chưa dẫn – vB < 0
D2 vẫn không dẫn dẫn khi vI dương lớn dẫn khi vI âm lớn 1 3 2 2 3 2 3 54 2 3 2 3 f O I A O B O R v v R R R v V v R R R R RR v V v R R R R = − = + + + = − + + + Signal generators Nguyễn Quốc Cường Mạch giới hạn (2) • Khi vI dương lớn – vO âm lớn
vA âm lớn
D1 dẫn – Nếu coi điện áp rơi trên D1 là VD (=0.7V) thì điện áp tại đó D1 dẫn là – Nếu tiếp tục tăng vi, do điện áp rơi trên D1 hầu như không thay đổi (tăng rất ít) do vậy 3 2 1 2 3 2 3 3 3 1 2 2 1 A D OD on O DD on R R v V V v R R R R R R v L V V R R − −− = − = + + +   = = − − +    ( ) 2 2 2 1 1 3 2 A D R R Rf D Rf R R V v V V I const R R i i i i i I − + = = = = + = + − 1 3 2 3 1 // ... O A OI D f f O I v v vv V V R R R R R R v v R  − − + = + −    = − + 1 1 I D on f L v R R − − = Signal generators Nguyễn Quốc Cường Mạch giới hạn (3) • Khi VI âm lớn, tương tự ta có • Nếu vI > vI(D1-on) thì 54 2 4 5 4 5 5 4 2 4 5 1 B D OD on O DD on RR v V V v R R R R R R v L V V R R − +− = = − + + +   = = − + +    1 1 I D on f L v R R + − = 4 1 // ... f O I R R v v R = − + Signal generators Nguyễn Quốc Cường Mạch giới hạn (4) Signal generators Nguyễn Quốc Cường Mạch tạo tín hiệu sin sử dụng op-amp • Mạch dao động cầu Wien • Mạch dịch pha • Mạch tạo sin từ tín hiệu răng cưa Signal generators Nguyễn Quốc Cường Mạch dao động cầu Wien Vtest ( ) ( ) 2 1 2 1 1 1 3 1 pO test p s ZV R L s V R Z Z R R L s sCR sCR   = = +  +  + = + + Signal generators Nguyễn Quốc Cường Mạch dao động cầu Wien (2) • Thay s=jω Tần số tại đó góc pha = 0 Điều kiện để biên độ bằng 1 Thường chọn R2/R1 lớn hơn 2 một chút Signal generators Nguyễn Quốc Cường Mạch dao động cầu Wien + giới hạn biên độ Signal generators Nguyễn Quốc Cường Dao động sử dụng mạch dịch pha (1) Tạo lệch pha 1800 tại tần số f0 Khuếch đại đảo (lệch pha -1800) Tổng góc lệch pha = 00 Signal generators Nguyễn Quốc Cường Dao động sử dụng mạch dịch pha (2) ( ) ( ) 2 2 4 3 1/ fC RR A j j CR CR ω β ω ω ω = + − v1v2vtest Signal generators Nguyễn Quốc Cường Dao động sử dụng mạch dịch pha (3) • Mạch khuếch đại đảo • Phương trình dòng điện tại các nút • Khuếch đại vòng 2 1 1 1 2 2 2 1 1 1 1 1 test v v v v sC R sC v v v v v sC R sC − = + − − = + ( ) ( ) 2 2 2 2 2 4 3 1 4 3 1/ = + + = + − ω β ω ω ω fO test f R C R sv v RCs RCs C RR A j j CR CR 1 1 fO Rv v sC = − Signal generators Nguyễn Quốc Cường Tạo tín hiệu sin từ tín hiệu chu kỳ + lọc bộ so sánh bộ lọc bandpass Signal generators Nguyễn Quốc Cường Bộ tại dao động tín hiệu xung vuông + tam giác • Sử dụng các kiểu – bistable multivibrator – astable multivibrator Signal generators Nguyễn Quốc Cường Bistable – mạch trigger Smith đảo 1 1 2 1 1 2 + − = + = + TH TL R V L R R R V L R R L+ giá trị đầu ra lớn nhất của op-amp L- giá trị đầu ra lớn nhất của op-amp Signal generators Nguyễn Quốc Cường Bistable – mạch trigger Smith không đảo 2 1 2 1 − + = − = − TH TL R V L R R V L R Signal generators Nguyễn Quốc Cường So sánh sử dụng bistable ngưỡng chống nhiễu Signal generators Nguyễn Quốc Cường Bistable multivibrator (1) Signal generators Nguyễn Quốc Cường Bistable multivibrator (2) Tạo xung vuông Signal generators Nguyễn Quốc Cường Bistable multivibrator (3) Tạo xung vuông & xung tam giác Signal generators Nguyễn Quốc Cường Vi mạch 555 – sơ đồ khối Signal generators Nguyễn Quốc Cường IC 555 – astable multivibrator