Các mạch tạo tín hiệu ppsx

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 x
s
( )
(
)
( ) ( )
1
f
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 (±jω
0
) . 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)
•
v
I
= 0
–

v
o
= 0
–
v
A
> 0  D1 không dẫn
–
v
B
< 0  D2 không dẫn
•
v
I
dương nhỏ
–
v
o
âm nhỏ  V
A
giảm nhưng D1
vẫn chưa dẫn
–
v
B
< 0  D2 vẫn không dẫn
dẫn khi v
I
dương lớn
dẫn khi v

I
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 v
I
dương lớn
–
v
O
âm lớn  v
A
âm lớn  D1 dẫn
–
Nếu coi điện áp rơi trên D1 là V
D
(=0.7V) thì điện áp tại đó D1
dẫn là
–
Nếu tiếp tục tăng v
i
, 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 O
D on
O D

D 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 v
v 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 V
I
âm lớn, tương tự ta có
•
Nếu v
I
> v
I(D1-on)
thì
54
2
4 5 4 5
5 4
2
4 5
1
B D O
D on
O D
D on
R
R

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
V
test
( )
( )
2
1
2 1
1
1

3 1
p
O
test p s
Z
V 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 R
2
/R
1

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 180
0
tại tần số f
0
Khuếch đại đảo (lệch
pha -180
0
)
Tổng góc lệch pha = 0
0
Signal generators
Nguyễn Quốc Cường
Dao động sử dụng mạch dịch pha (2)
( )
( )
2 2
4 3 1/
f
C RR
A j
j CR CR
ω

β ω
ω ω
=
+ −
v
1
v
2
v
test
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
f
O
test
f
R C R s
v
v RCs RCs
C RR
A j
j CR CR
1
1

f
O
R
v
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