Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 9 ppsx

Bài 9
bộ khuếch đại thuật toán (3)
Mục đích: Nghiên cứu sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện các mạch
hình thành xung đa hài đợi (đơn hài), máy phát xung dạng vuông góc, máy phát
xung tổng hợp (phát ra cả xung vuông và xung tam giác). Ngoài ra còn nghiên
cứu mạch phát xung dựa trên vi mạch NE-555.
Phần lý thuyết

1. Đa hài đợi (đơn hài)
Đơn hài là mạch hình thành dạng tín hiệu, tín hiệu ở lối ra của đơn hài có
biên độ và độ rộng chỉ phụ thuộc vào các yếu tố trong mạch mà không phụ thuộc
vào tín hiệu lối vào.
Sơ đồ cơ bản và giản đồ xung của một đơn hài nh sau: (Xem hình 9.1)
U
ngỡng
U
+
R
V
+
-
R
o
U
V
C
V

U
ra
o
o
C




U
ngỡng
t
t
t
U
+
U
V
Ura


Hình 9.1

178
Thực chất, đơn hài là một đa hài đợi có một trạng thái bền: Khi có tín hiệu
lối vào, đơn hài chuyển trạng thái từ bền sang không bền và sau một thời gian phụ
thuộc vào yếu tố bên trong mạch sẽ trở về trạng thái cũ.
Khi cha có tín hiệu vào, mạch ở trạng thái bền tuỳ thuộc U
ngỡng
, giả sử

U
ngỡng
> 0 ta có U
ra
= U
ra max
.
Khi có U
vào
> U
ngỡng
. Đơn hài chuyển trạng thái, U
ra
= U
ra min
. Ngay lúc
này thế ở lối vào thuận:
làm cho đơn hài tiếp tục ở trạng thái này.
Tụ điện C sẽ nạp điện dần qua RC cho đến khi
, lúc này đơn hài chuyển
trạng thái, trở về trạng thái bền ban đầu. Ta thấy rằng trong thời gian ở trạng thái
không bền nếu có tín hiệu lối vào ở mức dơng thì đơn hài cũng không chuyển
trạng thái. Thời gian ở trạng thái không bền chỉ phụ thuộc giá trị R và C, chúng
tạo ra độ rộng xung.
minra
UU =
+
0
+
U

Hình A9-1 (phần thực nghiệm) là sơ đồ của một đơn hài sử dụng vi mạch
thuật toán LM-741. Trong sơ đồ có mạch tạo ngỡng là R
3
và R
5
, thời gian kéo
dài của xung có thể thay đổi đợc nhờ chốt cắm J
1
và chiết áp .
2
p
2. Máy phát xung vuông góc.
Về nguyên tắc, máy phát xung dùng khuếch đại thuật toán hoàn toàn tuân
theo các điều kiện của một máy phát dùng các linh kiện điện tử khác, đó là một
mạch khuếch đại có phản hồi dơng với
1

K
.
R
2
R
3
R
1
U

U
+
R

V
+

C
U
cc
o
U
ra
o




U
ra
U
-
t
t
U
U
U
o
U
o
U
+

Hình 9.2

179
K là hệ số khuếch đại ; là hệ số phản hồi dơng
Mạch phản hồi dơng nhằm kích động sự chuyển trạng thái, để hình thành
độ rộng xung ta thờng sử dụng mạch R-C để làm kéo dài các trạng thái.
Giả sử ta có một mạch nh trên hình 9.2.
Giả sử không có nhiễu, mạch hoàn toàn có thể ở trạng thái cân bằng với:
occra
U
RR
R
UUUU =
+
===
+
21
2
.

Giả sử có can nhiễu lối vào (+) :
làm cho U
+
> UU
ra
= U
ra max
. Nhờ mạch
phản hồi R
3
mà sẽ tăng lên trong khi tăng dần để nạp cho tụ C. Do vậy

mà
và mạch giữ nguyên trạng thái này (U
+
U

U
+
> UU
ra
= U
ra max
) cho đến khi

. Lúc này mạch lật trạng thái, U
+
> UU
ra
= U
ra min
kéo thế xuống thấp. Vì
nên mạch giữ nguyên trạng thái. Tụ C phóng điện dần dần cho tới khi
thì mạch lại chuyển trạng thái, tức là mạch tự dao động.
+
U
+
> UU
+
< UU
Tần số dao động phụ thuộc thời gian phóng và nạp cho tụ C, tức phụ thuộc
R-C.

Hình A9-2 (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ của mạch phát xung vuông
góc dùng vi mạch thuật toán LM-741. Tần số phát thay đổi đợc nhờ chốt cắm J
1

và chiết áp P
1
.
3. Máy phát xung tổng hợp
Hình A9-3 (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ của máy phát xung tổng hợp :
Xung ra là xung vuông góc và xung tam giác.
Máy phát này gồm 3 phần chính:
IC
1
chính là máy phát xung vuông góc ta đã khảo sát ở phần trên
IC
2
là khuếch đại đảo.
IC
3
là bộ tích phân đảo để tạo ra xung tam giác.
Từ xung vuông góc, xung tam giác này lại đợc đa trở về lối vào đảo của
IC
1
. Vai trò của bộ tích phân đảo này giống nh mạch RC trong máy phát xung
vuông góc mà ta đã khảo sát.
Ngoài ra sơ đồ này còn có hệ phân áp và các chiết áp P
1
và P
2
để thay đổi

biên độ xung ra và tần số xung ra.
4. mạch thời gian IC-555
Đợc hãng Signetic đa ra năm 1973. Vi mạch này đợc dùng rất rộng rãi,
chỉ đứng sau các hệ khuếch đại thuật toán và các bộ ổn thế. Vi mạch này có khả

180
n¨ng cho ra c¸c xung cã ®é kÐo dµi tõ vµi micr« gi©y ®Õn 1 giê .
E
k
8 o
VT14
6
7
o 4
o 5
o 2
o 1
Q
Q
C
x
R
3
R
4
R
2
R
5
−

+
U
cx
o U
ra
−
+
•
•
•
•
o
•
•
R
x

(a)
1,2R
x
C
x
t
U
3
k
E
t
U
khëi ph¸t

t
t
U
cx
U
ra

(b)

H×nh 9.3

181
Về cấu trúc, IC-555 phải mắc thêm hai yếu tố bên ngoài là C
x
và R
x
. Sơ đồ của
IC-555 bao gồm 4 phần cơ bản là: Gồm 2 bộ so sánh, một trigger nhớ và một
transistor khoá VT14. Bộ chia thế R
3
, R
4
và R
5
xác lập ngỡng cho 2 bộ so sánh.
ở trạng thái bình thờng VT14 mở bão hoà. Khi lối vào còn lại của bộ so sánh
dới có xung khởi phát âm đủ để thế lối này thấp hơn thế ngỡng bằng
3
k
E thì

bộ so sánh lật trạng thái dẫn đến
Q
của trigơ chuyển sang thế âm làm cấm VT14.
Lúc này tụ C
x
bắt đầu tích điện từ nguồn E
k
qua R
x
, thế trên tụ C
x
tăng dần đến
khi nào vợt 2
3
k
E thì bộ so sánh trên chuyển trạng thái lối ra làm cho trigơ trở
về trạng thái ban đầu.
Chu trình làm việc của IC-555 kết thúc. Nó kéo dài sau khi có xung khởi
phát một thời gian
.
xx
CRT 2,1=
Hình A9-4a (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ phát xung trên IC-555. Chân
số 2, tức lối vào của bộ so sánh dới đợc nối với điểm giữa của mạch R
x
C
x
để
tạo khởi phát. Tần số phát đợc thay đổi nhờ chốt cắm J
1

và chiết áp P
1
.
Hình A9-4b (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ đơn hài trên IC-555. Lối vào
của bộ so sánh dới, tức chân số 2 đợc treo trên thế dơng. Vì vậy hệ số có một
trạng thái bền ứng với VT14 dẫn và lối ra ở mức thấp. Khi có tín hiệu vào, nhờ có
mạch vi phân tạo ra nhảy bậc âm làm chuyển trạng thái của hệ, lúc này VT14
cấm và hệ R
x
C
x
bên ngoài nạp điện hình thành độ rộng xung. Sau khi nạp đủ với
mạch này U
c
> 8V thì hệ quay về trạng thái bền ban đầu.

182

Phần thực nghiệm

A. Thiết bị sử dụng:
1. Thiết bị chính cho thực tập điện tử tơng tự.
2. Panel thí nghiệm AE - 109N cho bài thực tập về ứng dụng bộ khuếch
đại thuật toán (Gắn lên thiết bị chính).
3. Dao động ký 2 chùm tia.
4. Dây nối cắm 2 đầu.
B. Cấp nguồn và nối dây
Panel thí nghiệm AE - 109N chứa 4 mảng sơ đồ A9-1 A9- 4, với các
chốt cắm nguồn riêng. Khi sử dụng mảng nào cần nối dây cấp nguồn cho mảng
đó. Đất (GND) của các mảng sơ đồ đã đợc nối sẵn với nhau. Do đó chỉ cần nối
đất chung cho toàn khối AE 109N.
1. Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị chính, cung cấp các
thế chuẩn
, cố định.
V5 V12
2. Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị chính,
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.
3. Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của thiết bị chính tới
cấp trực tiếp cho mảng sơ đồ cần khảo sát.
Chú ý : cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo.
C. Các bài thực tập
1. đơn hài
Nhiệm vụ:
Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để tạo bộ hình
thành dạng tín hiệu kiểu đơn hài.
Các bớc thực hiện:
1.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A9- 1.
Chú ý cắm đúng phân cực
nguồn.
1.2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở 2V/cm, kênh 2 ở
5V/cm, thời gian quét ở 1ms/cm. Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên
và phần dới của màn dao động ký.

183
Nối kênh 1 dao động ký với lối vào IN/A. Sử dụng kênh 2 dao động ký để
quan sát thế ngỡng (điểm E) hoặc tín hiệu ở lối ra OUT/C.
1.3. Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở
chế độ:
- Phát dạng xung vuông góc (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình vuông
góc), tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến
trở chỉnh tinh FREQUENCY).
- Biên độ ra đặt ở cực tiểu (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE về rìa
trái).
MONOSTAB.MULTIVIBRATOR: Đơn hài

1.4. Vặn biến trở P1 cực tiểu (min) để nối tắt P1. Đo thế tại điểm E: V(e),

điểm C: V
o
(c).
1.5. Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ A9-1.
Vặn nút chỉnh tăng biên độ máy phát cho tới khi lối ra xuất hiện tín hiệu biên độ
VVVcV
o
11)1()12()( =


. Xác định biên độ tín hiệu vào V
in
ứng với thời
điểm IC1 chuyển trạng thái lối ra. Đo độ rộng tín hiệu ra t
x
. Ghi kết quả vào
bảng A9-1.
Bảng A9-1
V
in
(a) V(e) đo t
x
V
o
(c)
P1
min
, C3
P1
max

, C3
P1
max
, C2 // C3

184
1.6. Biểu diễn giản đồ xung trong đó :
- Vẽ dạng tín hiệu vào với giá trị ngỡng V(e).
- Vẽ dạng tín ra tơng ứng với tín hiệu vào.
1.7. Văn P1 cực đại (max). Vặn nút chỉnh giảm biên độ máy phát về 0V
sau đó tăng dần cho tới khi lối ra xuất hiện tín hiệu biên độ
VVVcV
o
11)1()12()( =


. Xác định biên độ tín hiệu vào V
in
ứng với thời
điểm IC1 chuyển trạng thái lối ra. Đo độ rộng tín hiệu ra t
x
. Ghi kết quả vào bảng
A9-1.
1.8. Giữ nguyên P1 ở giá trị cực đại. Nối J1 để tăng tụ C (= C2 // C3). Vặn
nút chỉnh giảm biên độ máy phát về 0V sau đó tăng dần cho tới khi lối ra xuất
hiện tín hiệu. Xác định biên độ tín hiệu vào V
in
ứng với thời điểm IC1 chuyển
trạng thái lối ra. Đo độ rộng tín hiệu ra t
x

. Ghi kết quả vào bảng A9- 1.
1.9. Giải thích về vai trò mạch tạo ngỡng đơn hài (R
2
. R
3
) và mạch hình
thành độ rộng xung gồm các linh kiện (R
2
, R
3
, R
4
+ P1 và C2, C3).
2. máy phát xung vuông góc
Nhiệm vụ:
Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để phát xung vuông
góc.
Các bớc thực hiện:
2.1. Cấp nguồn +12V cho mảng sơ đồ A9- 2.
OP.AMP.GENERATOR: Máy phát dùng KĐTT


185
2.2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở cmV5 , kênh 2 ở
cmV5 , thời gian quét ở cmms1 . Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần
trên và phần dới của màn dao động ký.
Nối kênh 1 dao động ký với lối ra C. Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan
sát thế tại các điểm ngỡng (điểm E) hoặc tín hiệu F.
2.3. Vặn biến trở P1 để nối tắt P1. Đo và vẽ dạng biên độ tín hiệu tại điểm
F và tại lối ra OUT/C.

2.4. Vặn biến trở P1 để P1 có giá trị cực đại. Đo và vẽ dạng biên độ tín
hiệu thế tại điểm F và lối ra OUT/C.
2.5. Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn:
- Dạng xung tại F.
- Dạng xung ra tại C, tơng ứng với xung tại F.
Tính toán giá trị V
(E)
theo hai trờng hợp khi lối ra ở mức cao và mức thấp.
So sánh giá trị tính toán với các giá trị ngỡng thay đổi tín hiệu tại F. Giải thích
vai trò mạch R
2
, R
3
.
2.6. Giữ nguyên P1 ở giá trị cực đại. Nối J1 để tăng tụ C = (C
1
// C
2
)

. Lặp
lại bớc 4. So sánh giá trị nhận đợc với bớc 3 và 4. Giải thích vai trò mạch
R
4
+ P1. C (C
2
hoặc C
1
// C
2

).
3. máy phát xung tổng hợp
FUNCTION GENERATOR: máy phát chức năng

186
Nhiệm vụ:
Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để phát xung tam
giác và vuông góc.
Các bớc thực hiện:
3.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A9-3.
Chú ý cắm phân cực của
nguồn.
3.2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở
cmV5 , kênh 2 ở
cmV5 , thời gian quét ở cmms1 . Chỉnh cho cả 2 tia ở vị trí dễ quan sát.
Nối kênh 1 dao động ký với lối ra 01. Sử dụng kênh 2 dao động ký để
quan sát tín hiệu tại các điểm E hoặc tín hiệu ra ở 02.
3.3. Vặn biến trở P1, P2 ở vị trí giữa. Quan sát tín hiệu tại E, 01, 02. Đo
biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung t
x
, tính tần số máy phát
x
tf 21= . Ghi
kết quả vào bảng A9- 2.
Bảng A9- 2.
V(01) V(02)
x
t
f

P1 giữa
P2 giữa

P1 min
P2 giữa

P1 max
P2 giữa

P1 giữa
P2 min

P1 giữa
P2 max


3.4. Giữ nguyên P2. Vặn biến trở P1 cực tiểu (min), sau đó vặn P1 cực đại
(max), lặp lại bớc 3 cho từng giá trị P1. Ghi kết quả vào bảng A9-2.
Từ kết quả đo, xác định khoảng biên độ tín hiệu ra của máy phát.
3.5. Đặt P1 ở vị trí giữa. Vặn biến trở P2 = min, sau đó vặn P2 = max, lặp
lại bớc 3 cho từng giá trị P2. Ghi kết quả vào bảng A9-2.
Từ kết quả đo, xác định khoảng biên độ tín hiệu ra của máy phát.
3.6. Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn:
- Dạng xung tại E.

187
- Dạng xung ra 01, tơng ứng với xung tại E.
- Dạng xung ra 02, tơng ứng với xung tại E.
Giải thích nguyên tắc hoạt động dựa trên phân tích các sơ đồ trên IC1, IC2
và IC3

4. sơ đồ xung trên IC- 555
Nhiệm vụ:
Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng vi mạch 555 để hình thành xung vuông góc.
Các bớc thực hiện:
4.1. Cấp nguồn +5V cho mảng sơ đồ A9- 4.
4.2. Máy phát xung - sử dụng sơ đồ trên IC1 hình A9- 4a.
4.2.1. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở
cmV5 , kênh 2 ở
cmV5 , thời gian quét ở cmms1 . Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên
và phần dới của màn dao động ký.
Nối kênh 1 dao động ký với lối ra OUT/C. Sử dụng kênh 2 dao động ký để
quan sát tín hiệu điểm E hoặc F.
NE555 GENERATOR: máy phát duìng vi mạch ne555



4.2.2. Vặn biến trở P1 ở vị trí cực tiểu. Quan sát dạng tín hiệu tại E, F. Đo
biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung t
x
, chu kỳ T, tần số máy phát Tf 1
=
.
Ghi kết quả vào bảng A9-3.

188
Bảng A9-3
V(01) V(02)
x
t
f

P1 min
C
2


P1 max
C
2

P1 max
C
2
+ C
2


4.2.3. Vặn biến trở P1 ở vị trí cực đại. Quan sát dạng tín hiệu tại E, F. Đo
biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung t
x
, chu kỳ T, tần số máy phát Tf 1
=
.
Ghi kết quả vào bảng A9- 3.
4.2.4. Nối J1 để tăng tụ C = C
1
+ C
2
. Giữ P1 cực đại. Quan sát dạng tín
hiệu tại E và F. Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung t

x
, chu kỳ T, tần số
máy phát
Tf 1= . Ghi kết quả vào bảng A9-3.
4.2.5. Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn:
- Dạng tín hiệu tại E.
- Dạng tín hiệu tại F.
- Dạng xung ra C, tơng ứng với xung tại F.
4.2.6. So sánh các giá trị đo với giá trị tính toán:
T = T
1
+ T
2
. Trong đó: T
1
(Thời gian nạp cho tụ C
1
), T
2
(Thời gian phóng
của tụ C
1
).
T
1
= 0,693. (R
1
+ P1 + R
2
). C

1

T
2
= 0,693. R
2
. C
1

4.3. Đơn hài - sử dụng sơ đồ trên IC2 hình A9- 4b
4.3.1. Đặt máy phát xung của khối thiết bị chính ở chế độ phát xung vuông
góc, tần số 1KHz, biên độ cực đại. Nối lối ra của máy phát xung vào lối vào IN/A
sơ đồ hình A9- 4b.
4.3.2. Nối kênh 1 dao động ký với lối ra OUT/C. Sử dụng kênh 2 dao động
ký để quan sát tín hiệu tại các điểm A, G hoặc H.




189
NE555 GENERATOR: máy phát duìng vi mạch ne555

4.3.3. Vặn biến trở P2 ở vị trí cực tiểu. Quan sát dạng tín hiệu tại A, G, H.
Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung t
x
. Ghi kết quả vào bảng A9- 4.
Bảng A9- 4
V(C)
x
t

P2 min
C
5

P2 max
C
5

P2 max
C
5
+ C
6


4.3.4. Vặn biến trở P2 ở vị trí cực đại. Quan sát dạng tín hiệu tại A, G, H.
Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung t
x
. Ghi kết quả vào bảng A9- 4.
4.4. Nối J2 để tăng tụ C = C
5
+ C
6
. Giữ P1 cực đại. Quan sát dạng tín hiệu
tại A, G và H. Đo biên độ tín hiệu ra, thời gian kéo dài xung t
x
. Ghi kết quả vào
bảng A9- 4.
4.5. Vẽ giản đồ hình thành xung của mạch trong đó biểu diễn:
- Dạng tín hiệu tại A.

- Dạng tín hiệu tại G, H.
- Dạng xung ra C, tơng ứng với xung vào.

190