Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 12 pps

Bài 12
các sơ đồ chuyển mạch tơng tự




Mục đích: Nghiên cứu về cấu tạo, hoạt động của bộ chuyển mạch tơng tự. Phân
tích và khảo sát các sơ đồ có sử dụng các bộ chuyển mạch tơng tự.
Phần lý thuyết

1. Họ CMOS và ứng dụng
Họ vi mạch này sử dụng phối hợp 2 loại transistor trờng MOSFET kênh n
và MOSFET kênh p.
Mạch Đảo (Phủ định NOT) họ CMOS
Hàm logic :
xy =

Sơ đồ mạch nh trên hình 12.1
Mạch hoạt động nh sau:
Khi lối vào X ở mức điện áp cao
(H), ở đây mức H bằng điện áp nguồn
transistor trờng kênh
p T
)153( VVV
DD
ữ=
1
cấm, transistor trờng kênh n T
2

thông, lối ra Y ở mức L. Khi X = L (mức
L = 0V) T
2
cấm T
1
thông mạch Y = H.
Nh vậy điện áp ra luôn là đảo của điện
áp vào, hoạt động của mạch diễn ra đúng
nh phơng trình lôgic của mạch NOT
đã nêu ở trên.


o
Y
X
o
o
V
DD
T
1
T
2
P
N

Hình 12.1

Mạch Không Hoặc (NOR)
Sơ đồ cho trên hình 12.2
Bảng chân lý là bảng 12.1


224
X
1
X
2
21
xxY +=
L L H
H L L
L H L
H H L


B¶ng 12.1: b¶ng ch©n lý cña m¹ch NOR
←
T
4
N
→
o
o
V

DD
T
1
P
→
T
2
P’
o
←
T
3
N
o
Y
•
•
•
•
•
•
•
X
2
X
1

H×nh 12.2
Gi¶i thÝch ho¹t ®éng cña m¹ch:
a) Khi 2 lèi vµo

Lxx
=
=
21
:
T
1
, T
2
th«ng vµ T
3
, T
4
cÊm dÉn ®Õn
H
y
=

b) Khi :
, : Tõ s¬ ®å m¹ch ta thÊy khi cÊm, THx =
1
Lx =
2 21
THx →=
4

th«ng nªn y nèi ®Êt lµm cho Y = L.
32
TLx →= cÊm, T
1

th«ng nh−ng T
2
cÊm nªn lèi ra y vÉn ®−îc nèi xuèng
®Êt qua T
1
lµm cho y = L.
c) Khi
, TLx =
1
→= Hx
2
4
, T
1
cÊm cßn T
2
, T
3
th«ng .
Ly =→
d) Khi
c¶ THxx ==
21
1
, T
2
cÊm vµ T
3
, T
4

th«ng .
Ly =→
M¹ch ho¹t ®éng ®óng nh− b¶ng ch©n lý 12.1
M¹ch Kh«ng Vµ (NAND)
X
1
X
2
21
.xxY =
L L H
H L H
L H H
H H L



B¶ng 12.2: M¹ch NOR hä CMOS

→
o
V
DD
T
2
P’
o
•
←
T

4
N
N
•
•
o
→
T
1
P
←
T
3
•
•
o
Y
•
•
X
1
X
2

H×nh 12.2

225
Giải thích hoạt động của mạch:
a) Khi 2 lối vào
Lxx

=
=
21
; T
1
, T
2
thông và T
3
, T
4
cấm dẫn đến
H
y
=

b) Khi :
, ; Hx =
1
Lx =
2
T
2
cấm T
3
thông ; T
1
thông T
4
cấm. Lối ra y đợc nối với nguồn V

DD
:
H
y =
.
c) Khi
, TLx =
1
= Hx
2
1
cấm, T
2
thông, T
3
cấm, T
4
thông
H
y =
.
d) Khi
cả THxx ==
21
1
, T
2
cấm T
3
, T

4
thông
Ly
=

.
(*) Ưu điểm của họ CMOS : Có điện trở lối vào rất lớn.
- Vi mạch chỉ tiêu thụ dòng điện khi chuyển mạch (lúc chuyển mạch mới
có dòng qua). Vì vậy công suất tiêu thụ cực kỳ nhỏ (cỡ nw).
- CMOS có hệ số mắc tải ở lối ra (FAN OUT) rất lớn. (Số cổng lôgic cùng
loại có thể mắc vào lối ra của nó là 50, gấp 10 ữ 20 lần họ TTL).
(*) Nhợc điểm:
Tốc độ chuyển mạch thấp nên tần số làm việc không cao và phụ thuộc vào
nguồn nuôi.
Khi
MHzfVV
DD
15
=
= , MHzfVV
DD
6,110
=

=
,
MHzfVV
DD
215
=

=
Bảo vệ CMOS khỏi bị hỏng:
- Vì điều khiển bằng điện trờng, lớp điện môi cực cửa rất mỏng nên lối
vào dễ bị hỏng khi điện áp đặt vào lớn. Để bảo vệ lối vào IC họ CMOS ngời ta
mắc thêm các mạch bảo vệ cực cửa khỏi bị quá áp nh hình 12.4.


o
Y
o
V
DD
T
1
T
2
P
N




D
2
D
4
X
o

D

1
D
3


Hình 12.4: Mạch bảo vệ lối vào CMOS
Mạch bảo vệ gồm 4 diode.
- Nếu xung dơng vào x lớn hơn V
DD
thì D
1
, D
2
dẫn thông mạch lối vào x
đợc nối lên nguồn V
DD
.

226
- Nếu xung vào x âm so với đất thì D
3
, D
4
dẫn thông mạch, lối vào x đợc
nối xuống đất. Nhờ các diode bảo vệ mà điện áp đa vào cực cửa của các
transistor T
1
,T
2
không vợt quá mức lôgic V

H
và V
L
của họ lôgic CMOS. Nh
vậy các transistor trờng MOS đã đợc bảo vệ khi các xung lối vào quá lớn.
Mặc dù đã có mạch bảo vệ lối vào nhng khi dùng hoặc bảo quản vi mạch
ta vẫn phải có biện pháp phòng ngừa các điện áp tĩnh điện có điện áp cao hoặc
nguồn cao áp xoay chiều cảm ứng thâm nhập vào phá hỏng cửa cách điện của vi
mạch CMOS. Khi hàn các panel trên đó có vi mạch thuộc họ CMOS, mỏ hàn tay
ngời hàn phải đợc nối đất thật tốt để tránh những h hỏng đáng tiếc không ngờ
tới xẩy ra trong khi hàn mạch.
Khi dùng nguồn nuôi 5V ta có thể ghép CMOS với TTL và DTL. Họ
CMOS đợc nuôi bằng nguồn
VVV
DD
153
+
ữ
+
=
, có ký hiệu CD40 xx hoặc 40
xxx các chữ ở đầu dùng để chỉ hãng sản xuất; 2 hoặc 3 chữ số đứng sau số 40 để
chỉ chức năng của mạch ví dụ:
CD 4001: CD là ký hiệu của hãng RCA của Hoa kỳ;
40 chỉ rõ là vi mạch thuộc họ CMOS;
2 số sau cùng 01 chỉ chức năng của mạch là mạch có 4 cửa NOR 2 lối vào;
4011: 4 cửa NAND hai lối vào họ CMOS;
4049: 6 cửa NOT;
4050: 6 cửa đệm.
Ký hiệu vi mạch CMOS của hãng Motorola: MC 14001 là mạch 4 mạch

NOR hai lối vào, họ CMOS ta thấy 4 số sau trong ký hiệu của hãng Motorola đều
giống ký hiệu của hãng khác.
Các vi mạch CMOS có ký hiệu giống nh ở họ TTL có chức năng và bố trí
chân giống nh vi mạch TTL có thể thay thế cho vi mạch TTL 74L xx, 74LS xx
có ký hiệu đặc trng bằng chữ C để chỉ họ CMOS ví dụ:
74C00: NAND giống nh 7400 nhng là CMOS có thể dùng thay thế cho
74L00.
74C02: NOR - CMOS có thể dùng thay thế cho 74L02.
74HC00: NAND - CMOS có tốc độ cao có thể dùng thay thế cho 74LS00.
Khi dùng vi mạch họ CMOS ghép nối với họ TTL thì CMOS phải nuôi
bằng nguồn +5V cùng chung nguồn nuôi với điện áp nuôi vi mạch TTL.
2. Cấu trúc và hoạt động của một bộ chuyển mạch tơng tự
Bộ chuyển mạch tơng tự còn đợc gọi là khoá tơng tự đợc điều khiển
bằng logic. Trên hình 12.5 là cấu trúc, sơ đồ nguyên lý của một chuyển mạch
tơng tự thuộc họ logíc CMOS.

227
Chuyển mạch tơng tự là một khoá điện tử có hai lối vào A, C và lối ra B.
C là lối vào điều khiển. Khi V
C
= H (mức cao) thì T
3
, T
4
thông mạch và A đợc
nối với B. Khi V
C
= L (mức thấp) thì T
3
, T

4
bị cấm và A ngắt khỏi B. Bộ khoá
tơng tự khác với khoá logíc: ở bộ khoá logíc, tín hiệu vào và ra là nhị phân, có
điện áp cố định (2 mức). ở khoá tơng tự thì tín hiệu vào và ra đều là tơng tự và
tín hiệu ra giống tín hiệu vào cả về biên độ, tần số và dạng của tín hiệu vào. Khoá
tơng tự giống nh công tắc điện cơ khí có thể hoán vị hai đầu vào và ra A và B.

o
C
o
o
B
o
A
T
4
T
3
o o
B
C
A
o
C
o
B
o
A
T
1

V
DD
o
P
N
T
2
T
3
T
4


Hình 12.5

Các thông số cơ bản của bộ khoá tơng tự là:
- Tốc độ chuyển mạch (hoặc tần số làm việc) có thể lên đến 10MHz.
- Điện trở thông mạch R
ON
nhỏ - Điện trở ngắt mạch R
0FF
lớn.
Ngời ta thờng thiết kế bộ khoá tơng tự dựa trên transistor trờng JFET
hoặc transistor MOSFET.
Các bộ khoá tơng tự thờng đợc chế tạo tổ hợp trong một vi mạch. Ví dụ
nh vi mạch: CD- 4016, CD- 4066 vi mạch này có 14 chân và có 4 khoá tơng
tự. Chân 7 là chân đất và chân 14 là nguồn nuôi. Vì vi mạch thuộc họ CMOS nên
điện áp nuôi có thể là từ 3V đến 12V. Để mạch làm việc bình thờng thì các điện
áp vào không đợc lớn hơn điện áp nguồn. Họ loại vi mạch này có các thông số
cơ bản sau:

228
Điện trở lối vào cực điều khiển vô cùng lớn ( ):Tín hiệu điều khiển
10~
12
hoàn toàn cách li với tín hiệu vào, ra

=
300
ON
R , vô cùng lớn (dòng qua
công tắc khi ngắt mạch khoảng 10 pA. Có thể đa vào tín hiệu tơng tự hoặc số
có giá trị cực đại là
. Khi nguồn nuôi V
OFF
R
V5,7
DD
V
SS
= 15V , V
SS
là thế đa vào
chân 7.
Để khảo sát bộ chuyển mạch tơng tự ta hãy xem phần thực nghiệm. Hình
A12-1 là sơ đồ chân của vi mạch khoá tơng tự CD - 4066. Hình A12-1a là sơ đồ
để khảo sát một bộ chuyển mạch tơng tự riêng rẽ.
3. Các ứng dụng của chuyển mạch tơng tự
Các bộ chuyển mạch tơng tự có thể dùng trong các bộ: hợp kênh, phân
kênh tín hiệu số và tín hiệu tơng tự. Dùng trong các mạch điều chế, giải điều

chế, trong các bộ biến đổi ADC, DAC. Ngoài ra, các bộ chuyển mạch tơng tự
còn đợc dùng trong các mạch điều khiển số: Điều khiển tần số, điều khiển hệ số
khuếch đại của mạch khuếch đại
Trong bài thực tập này chúng ta sẽ nghiên cứu và khảo sát hai ứng dụng
sau:
3.1. Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại thay đổi:(Xem hình 12-6)
Hệ số khuếch đại của mạch sẽ là
Vi
f
i
R
R
A =
. Nh vậy bằng cách đóng, mở
các khoá K
i
ta sẽ có đợc các hệ số khuếch đại khác nhau.
-
+
o
U
ra
o
U
V
R
V2


o

o
à
A 741
R
f
K
2
K
3
K
4
K
1
R
V1
R
V3
R
V4


Hình 12.6

Hình A12- 2 (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ mạch để cho ta khảo sát.
Để điều khiển đóng mở các khoá K
i
sơ đồ có thêm bộ đếm dịch dùng IC có kí

229
hiệu CD 4017. Chúng ta hãy khảo sát mạch theo trình tự và ghi kết quả vào bảng

A12- 2, vẽ dạng các tín hiệu và giải thích?.
3.2. Bộ chuyển mạch tơng tự 8 1 điều khiển theo m nhị phân:
Các bộ chuyển mạch tơng tự đợc tích hợp trong một vi mạch có tên là
CD-4051. Thực chất vi mạch này là một bộ hợp kênh tơng tự. Xem hình 12- 7.
Khi là hợp kênh vi mạch có 8 đờng dữ liệu vào
với một đờng ra
chung là X. Ba đờng điều khiển cho 8 đờng vào là
, , . Đờng điều
khiển E cấm lối ra. Vi mạch này cũng còn có thể dùng làm bộ phân kênh và khi
đó đầu vào là X, các đầu ra là
Hãy xem hình A12-3 (phần thực nghiệm)
và tiến hành khảo sát mạch trên panel thực nghiệm. Ghi các kết quả vào bảng
A12-3 và giải thích?.
o
Y
7
Y
o
A
1
A
2
A
o
Y
7
Y
4051
13
14

15
12
1
5
2
4
6
11
10
9
Y
o
Y
1
Y
2
Y
3
Y
4
Y
5
Y
6
Y
7
E
A
o
A

1
A
2
16
8 7
V
ss
V
ee
V
cc
3
X


Hình 12.7










230

Phần thực nghiệm

A. Thiết bị sử dụng:
1. Thiết bị chính cho thực tập tơng tự (Khối đế nguồn)
2. Panel thí nghiệm AE - 112N cho bài thực tập về bộ chuyển mạch tơng
tự (Gắn lên khối đế nguồn).
3. Dao động ký 2 chùm tia.
4. Dây nối cắm 2 đầu.
B. Cấp nguồn và nối dây
Panel thí nghiệm AE - 112N chứa 3 mảng sơ đồ A12-1 A12-3, với các
chốt cắm nguồn riêng. Khi sử dụng mảng nào thì nối dây nguồn cho mảng đó.
Đất (GND) của các mảng sơ đồ đất đợc nối sẵn với nhau. Do đó chỉ cần nối đất
chung cho toàn khối đế.
1. Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị cung cấp các thế
chuẩn
, cố định.
V5 V12
2. Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị cung
cấp các giá trị điện thế một chiều
V15 0
+
và
V15 0

. Khi vặn các biến trở
chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết, sử dụng đồng hồ đo thế DC
trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt
(
Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo).
C. Các bài thực tập
1. Bộ chuyển mạch tơng tự riêng rẽ.
Nhiệm vụ:

Tìm hiểu bộ chuyển mạch tơng tự sử dụng với điều khiển bằng số
(Digital).
Các bớc thực hiện: Thí nghiệm tiến hành trên mảng sơ đồ hình A12-1.
1.1. Cấp nguồn 5V cho mảng sơ đồ A12- 1.
1.2. Máy phát xung FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở chế
độ phát xung vuông góc với tần số phát 1 KHz .
1.3. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở
cmV1 , thời gian
quét ở
cmms1 . Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dới của
màn dao động ký.

231
SINGLE ANALOG SW: khóa tơng tự riêng rẽ


Hình A12-1: Sơ đồ chân và cách nối của vi mạch khóa tơng tự CD- 4066.
1.4. Nối máy phát xung với lối vào IC1 (A12-1a). Ví dụ IN1. Nối kênh 1
dao động ký với lối ra OUT 1. Quan sát tín hiệu.

Nối chốt điều khiển C1 với nguồn +5V. Quan sát và đo biên độ tín hiệu ra.
Ghi kết quả vào bảng A12-1. Thay đổi biên độ tín hiệu vào, đo biên độ tín hiệu ra
tơng ứng.

232
Ngắt chốt điều khiển C1 khỏi nguồn +5V (khi đó C1 nối sẵn với nguồn
5V qua trở). Quan sát và đo biên độ tín hiệu ra. Ghi kết quả vào bảng A12-1.
Bảng A12- 1
Uin 100mV 1V 2V 3V 4V
C1 = +5V Ura

C1 = 5V
Ura

1.5. Đổi chiều kênh truyền: nối tín hiệu từ máy phát xung vào chân OUT1.
Nối dao động ký vào chân IN1. Chân C1 nối +5V. Quan sát tín hiệu và nhận xét
kết quả.
2. Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại thay đổi
2.1. Đặt nguồn âm điều chỉnh đợc 0: 15V của thiết bị chính ở giá trị
300mV. Nối nguồn âm với lối vào IN của sơ đồ hình A12- 2.


2.2. Dùng dây một đầu nối với lối vào điều khiển CTRL (hình A12-2).
Đầu còn lại chấm (tiếp xúc) vào chốt nguồn +5V. Mỗi lần tiếp xúc thực hiện +1
vào bộ đếm, ghi điện thế lối ra IC1, biên độ xung ra IC3 vào bảng A12- 2.

233
Bảng A12-2
Số lần tiế
p
xúc
CTRL với +5
V
IC1/3 IC1/2 IC1/4 IC1/7 Ura
IC3/6
K(đo) =
Ura/Uvào
K(tính) =
R8/Ri
= R8/R4
=

= R8/R5
=
= R8/R6
=
= R8/R7
=
= R8/R4
=

Tính hệ số khuếch đại theo các giá trị đo
vora
UUK
=
và giá trị lý thuyết
RiRK 8 . (Ri = R4, R5, R6 hoặc R7). Ghi kết quả vào bảng A12-2.
2.3. Máy phát xung của thiết bị chính (khối đế) ở chế độ vuông góc, tần số
1KHz, biên độ ra 5V. Nối máy phát xung với lối vào điều khiển (CTRL) của
mạch A12-2.
2.4. Lối vào IN vẫn nối với nguồn âm của thiết bị chính đang đặt ở
300mV.
Quan sát và vẽ lại tín hiệu ra ở các chân 3, 2, 4, 7 của bộ đếm IC1.
Vẽ lại dạng và đo biên độ tín hiệu ra tại lối ra OUT theo nhịp xung điều
khiển.
Giải thích nguyên tắc điều khiển hệ số khuếch đại của sơ đồ A12-2.

3. bộ chuyển mạch tơng tự 18 với điều khiển số theo
mã nhị phân (Bộ phân kênh)
3.1. Cấp nguồn 5V cho mảng sơ đồ A12-3.
3.2. Nối đầu chung Z/ IC1 với lối ra máy phát tín hiệu của thiết bị chính
(phát xung vuông tần số 1KHz, biên độ 1V).

3.3. Nối các lối vào điều khiển E (cho phép), A0, A1, A2 với đất (ký hiệu
bằng 0) hoặc với +5V (ký hiệu = 1) lần lợt theo các giá trị cho trong bảng A12-3

234
ANALOG SWITCH: khóa tơng tự

3.4. Sử dụng dao động ký quan sát tín hiệu tại các lối ra Y0 ữ Y7 theo
trạng thái các lối vào điều khiển E, A0, A1, A2. Tìm kênh ra có tín hiệu và đánh
dấu x vào cột tơng ứng trong bảng A12-3.
Đo biên độ tín hiệu ra và so sánh với tín hiệu vào.
Bảng A12- 3
E A2 A1 A0 Z Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0
1 x x x
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 1 1 1
3.5. Nếu cho tín hiệu vào các lối Y0 ữ Y7 , còn lối ra ở Z, sơ đồ có làm
việc hay không và làm việc nh thế nào?

235