Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 8 docx

Bài 8
bộ khuếch đại thuật toán (2)

Mục đích: Nghiên cứu sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện các mạch
so sánh, trigger Schmitt, bộ tích phân, bộ vi phân, bộ biến đổi lôgarit, bộ biến đổi
hàm mũ và nguyên lý hoạt động của các mạch này.
Phần lý thuyết
1. Bộ so sánh
Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh một điện áp U
V
với một điện áp U
ch
.
Trong mạch so sánh, tín hiệu vào tơng tự sẽ đợc biến thành tín hiệu ra dới mã
nhị phân, nghĩa là đầu ra hoặc ở mức thấp (L) hoặc ở mức cao (H). Vì vậy mạch
so sánh là mạch nối ghép giữa phần tử tơng tự và phần tử số.
Bộ so sánh tơng tự thực chất là bộ khuếch đại thuật toán có kết cấu đặc
biệt để đảm bảo những yêu cầu riêng. Sự khác nhau cơ bản của bộ khuếch đại
thuật toán và bộ so sánh chuyên dụng là ở chỗ bộ so sánh phải có tốc độ đáp ứng
cao sao cho thời gian xác lập và hồi phục nhỏ. Ngoài ra khi làm nhiệm vụ so sánh
thì bộ khuếch đại thuật toán làm việc ở chế độ bão hoà, do đó mức ra thấp (L) và
mức ra cao (H) chính là mức dơng và âm của nguồn. Trong khi đó mức ra của
bộ so sánh chuyên dụng phù hợp với mức logíc TTL.
Sơ đồ của bộ so sánh dùng khuếch đại thuật toán và đặc trng của nó nh
sau:
+
-
U
ra

U
+
U
-
o
+
UU
Có bù lệch
không
o
+
UU
U
rH
U
rL
Cha bù
lệch không
U
ra
U
ra

(a) (b) (c)
Hình 8.1
(a) Sơ đồ quy ớc của bộ so sánh
(b) Đặc tuyến truyền đạt lý tởng
(c) Đặc tuyến truyền đạt thực

162

Khi
rHra
UUUU
=
>
+
0 (U
rH
:ứng điện áp ra ở mức điện áp cao)

rLra
UUUU
=
<
+
0 (U
rL
:ứng điện áp ra ở mức điện áp thấp)
Hình A8-1 (phần thực nghiệm) là sơ đồ của hai mạch so sánh, trong đó có
dùng vi mạch LM-311 là bộ so sánh chuyên dụng và vi mạch LM-741 mắc trong
chế độ hở mạch làm mạch so sánh. Điện áp chuẩn lấy từ nguồn nuôi, thay đổi
đợc nhờ chiết áp P
1
.
2. Trigger Schmitt
Trigger Schmitt dùng khuếch đại thuật toán có dạng cơ bản là một mạch
so sánh, nhng vì có mạch phản hồi dơng nên nó có hai ngỡng chuyển trạng
thái. Có hai dạng Trigger Schmitt: Trigger Schmitt đảo và Trigger Schmitt không
đảo. Trigger Schmitt đảo có sơ đồ sau:
U

ngỡng 2
U
ngỡng 1
U
ra max
U
ra min
U
ra
-
+
U
ra
U
V
R
1
o
o
o
o
R
2
N
P

U
v

Hình 8.2

Khi U
V
có giá trị âm lớn U
ra
= U
ra max
ở lối vào không đảo P có:
=
+
=
1
21
max
max
.R
RR
U
U
ra
P
U
ngỡng 1
Tăng dần U
vào
, trạng thái của trigger không đổi cho đến khi U
vào
cha đạt tới
U
ngỡng1
. Khi U

vào
U
ngỡng 1
thì trigger chuyển trạng thái: U
ra
= - U
ra min
. Khi đó:
=
+

=
1
21
min
min
.R
RR
U
U
ra
P
U
ngỡng 2
trạng thái này giữ nguyên trong lúc U
vào
tiếp tục tăng.
Khi U
vào
giảm cho đến khi U

vào
U
ngỡng 2
thì trigger lại chuyển trạng thái:
U
ra
chuyển từ - U
ra min
đến U
ra max
. Để hai trạng thái của trigger ổn định cần có điều
kiện:

163
1.
21
1

+
K
RR
R

K là hệ số khuếch đại của khuếch đại thuật toán.
Hình A8-2 (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ của trigger Schmitt dùng
khuếch đại thuật toán LM-741 mắc theo kiểu đảo. Trong sơ đồ này có mắc thêm
hệ phân áp và diode D
1
để điều chỉnh ngỡng thấp của trigger.
3. Bộ tích phân

Bộ lấy tích phân thực hiện phép toán học


= dtUKU
vora
K là hệ số.
Sơ đồ của mạch tích phân đảo nh sau:
R
-
+
o
o

i
v
i
C
C
U
ra
o
o
U
V


Hình 8.3

0
=

+
CV
ii

hay
0=+
dt
dU
C
R
U
raV

Suy ra

= dtU
RC
U
Vra
1

Trong trờng hợp U
vào
là một thế nhảy bậc không đổi ta có U
ra
là một hàm
tuyến tính. Với bộ khuếch đại thuật toán thực, ảnh hởng của dòng vào và điện áp
lệch không có thể gây ra sai số đáng kể trong mạch tích phân. Để khắc phục ta có
thể dùng mạch tích phân có bù dòng tĩnh đầu vào nh sau: (xem hình 8.4)
Hình A8-3a (phần thực nghiệm) là sơ đồ tích phân dùng vi mạch thuật

toán LM-741.
Tổ hợp các giá trị của điện trở và tụ điện bằng cách nối các chốt J khác
nhau cho ta 5 hệ số lấy tích phân khác nhau.

164
C
R
-
+
U
ra
o
U
V
o
i
v
i
C
'R

o
o

Hình 8.4

4. Bộ vi phân
Bộ vi phân thực hiện phép toán
dt
dU

KU
vo
ra
=
: K là hệ số.
Sơ đồ của một mạch lấy vi phân nh sau:
-
+
o
U
V
o
R
C
i
r

o
o
U
ra


Hình 8.5

0=+
RC
ii
hay
0=+

R
U
dt
dU
C
ravo

Suy ra
dt
dU
RCU
vo
ra
=

Giả sử U
vào
tU
o

sin= , ta có tURCU
ora


cos

=
. Khi đó hệ số khuếch
đại của mạch sẽ là:
RC

U
U
K
vo
ra

==
tức là K tăng theo tần số.
Với mạch vi phân ở trên có một số nhợc điểm sau:
- Tạp âm ở tần số cao ở lối ra lớn, có thể lấn át tín hiệu ra.
- Trở kháng vào của mạch
Cj
z
V

1
=
giảm khi tần số tăng. Do đó với

165
nguồn tín hiệu có trở nội lớn thì chỉ một phần tín hiệu đợc vi phân. Đồng thời ở
tần số cao thì hệ số hồi tiếp của mạch giảm.
- Mạch kém ổn định vì mạch hồi tiếp gây ra sự di pha
.
o
90
Để khắc phục các nhợc điểm trên trong thực tế ngời ta dùng mạch vi
phân sau:
-
+

o
C
1
R
i
r
R
1
U
V
o
C

o
o
U
ra


Hình 8.6
R
1
làm giảm tạp âm tần số cao và mạch chỉ có tác dụng vi phân khi
11
1
CR
o
=<<

Tụ C tiếp tục hạn chế tạp âm ra vì ở tần số cao thì trở kháng của nó nhỏ.
Hình A8-5b (phần thực nghiệm) là sơ đồ tầng vi phân dùng vi mạch thuật
toán LM-741 có 3 hệ số vi phân khác nhau.
5. Bộ biến đổi logarit
Mạch thực hiện chức năng khuếch đại và tạo hàm phi tuyến
UlnKU
ra
=
vào
dựa vào đặc trng phi tuyến của diode hoặc transistor khi phân
cực thuận.
Mạch có sơ đồ nh trên hình 8.7
Dòng và điện áp của diode có quan hệ:
oD
II = exp
(
)
TD
UU ;
I
D
, U
D
là dòng qua diode và điện áp đặt lên diode
I
o
là dòng ban đầu
U
T
là điện áp nhiệt.

166
R
-
+
o
U
V
o
i
D
D
R
-
+
o
U
V
o
i
D
T


o
o
U
ra
U
ra

o
o


Hình 8.7
Nhìn trên sơ đồ ta thấy:
o
D
TDra
I
I
UUU ln=

Vậy:
o
vo
Tra
IR
U
UU
.
ln=

Hình A8- 4a (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ bộ biến đổi lôgarit dùng
mạch khuếch đại thuật toán LM-741. Sơ đồ có 3 chốt cắm để chọn dòng qua
diode khác nhau.
6. Bộ biến đổi dạng hàm mũ
R
-
+

o
U
V
o
D
i
D

R
I
C
-
+
o
T
U
V
o

o
o
U
ra
o
o
U
ra

Hình 8.8

167
Hình 8.8 là sơ đồ bộ biến đổi dạng hàm mũ dùng vi mạch LM-741. Mạch
thực hiện chức năng tạo hàm:
KU
ra
= exp (U
vào
) K là hệ số
Vì:
oDra
IRRIU

=
= exp
(
)
TD
UU
do U
D
= U
vào
nên
ora
IRU .

=
exp

(
)
Tvo
UU
Hình A8- 4b (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ bộ biến đổi dạng hàm mũ.
Hãy khảo sát sơ đồ này trên panel thí nghiệm.



















168

Phần thực nghiệm

A. Thiết bị sử dụng:

1. Thiết bị chính cho thực tập điện tử tơng tự
2. Panel thí nghiệm AE - 108N cho bài thực tập về 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 - 108N chứa 4 mảng sơ đồ A8-1 A8- 4, 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 đã đợc nối sẵn với nhau. Do đó chỉ cần nối đất
chung cho toàn khối AE -108N.
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
trạm nguồn của khối, hoặc cấp trực tiếp cho mảng sơ đồ cần khảo sát.
C. Các bài thực tập
1. bộ so sánh.
Nhiệm vụ:
Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại thuật toán để so sánh tín

hiệu tơng tự - xây dựng sơ đồ biến đổi phi tuyến tín hiệu.
Các bớc thực hiện:
1.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A8- 1.
Chú ý cắm đúng phân cực
nguồn.
1.2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở
cmV2 , kênh 2 ở
cmV5 , thời gian quét ở cmms1 . Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên

169
và phần dới của màn dao động ký.
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 các lối ra OUT/C
1
và C
2
.
1.3. Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính
(khối đế) ở chế độ:
- Phát dạng sin (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình sin)
- Tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung
biến trở chỉnh tinh FREQUENCY).
- Biên độ ra 5V đỉnh tới đỉnh (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE).
1.4. Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ A8-
1. Thay đổi biến trở P1, ứng với mỗi giá trị thế của P1, vẽ dạng tín hiệu ra ở C
1

C
2
tơng ứng với tín hiệu vào.

COMPARATOR: bộ so sánh

1.5. Xác định độ nhạy của các bộ so sánh.
Sử dụng khuếch đại thuật toán IC1 và vi mạch so sánh IC2:
* Cố định biên độ tín hiệu vào, vặn biến trở P1 để xác định vị trí khi lối
ra C xuất hiện hoặc mất tín hiệu. Dùng dao động ký để xác định độ lệch nhỏ nhất
giữa biên độ tín hiệu và thế ngỡng P1 mà IC1 và IC2 hoạt động
1.6. Đo mặt tăng tín hiệu ra cho IC1, IC2.
1.7. So sánh các xung quan sát đo đợc giữa các bộ so sánh dùng khuếch
đại thuật toán IC1 và dùng vi mạch so sánh IC2.

170
2. Trigger Schmitt
Nhiệm vụ:
Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để tạo sơ đồ trigger
Schmitt.
Các bớc thực hiện:
2.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A8-2.
Chú ý cắm đúng phân cực
nguồn

SCHMITT TRIGGER: Trigger schmitt

2.2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở
cmV2 , 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 vào IN/A. Sử dụng kênh 2 dao động ký để
quan sát thế ngỡng (điểm E) hoặc tín hiệu ở các lối ra OUT/C1.
2.3. Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở

chế độ:
- Phát dạng sin (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình sin), tần số 1KHz
(công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh
FREQUENCY).
- Biên độ ra 1V đỉnh tới đỉnh (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE).
2.4. Vặn biến trở P1 để
VUV 3)(
+
=
, thế ra VVVcV
o
11112)( =
+

.

171
Đo thế tại điểm . Ghi kết quả vào bảng A8- 1. )(eVE
u
=
2.5. Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ
A8-3. Vặn nút chỉnh tăng biên độ máy phát cho tới khi lối ra có tín hiệu biên độ
đỉnh đỉnh
. Xác định biên độ tín hiệu vào tại thời điểm IC1 có tín
hiệu lối ra U
VcV
o
22)( =
u in
. Đo thế tại điểm )(eVE

l
=
. Ghi kết quả vào bảng A8- 1.
2.6. Vặn nút chỉnh giảm biên độ máy phát cho tới khi lối ra C mất tín hiệu
và ở giá trị
VVVcV
o
11112)(
=
+ . Xác định biên độ tín hiệu vào V
l in
tại thời
điểm IC1 mất tín hiệu ra. Đo thế tại điểm
1
Ve
=
. Ghi kết quả vào bảng A8- 1.
2.7. Biểu diễn giản đồ xung, trong đó:
- Vẽ dạng tín hiệu vào với hai ngỡng trên V
u in
và dới V
l in
theo giá trị đo
đợc.
- Vẽ dạng tín hiệu ra tơng ứng với tín hiệu vào.
Bảng A8- 1
V
in
(a) V(e) đo V(e) tính V
o

(c)
V
in
tăng V
u in
V
u
(e)
)45(4.11)( RRReV
u
+
=


V
in
giảm V
l in
V
1
(e)
)1()1())45(4.11()( DVPVRRReV
l

+
+

=

2.8. Thay đổi vị trí P1 = +2V, lặp lại các bớc 5, 6, 7. Ghi các kết quả vào
bảng A8- 2.
Bảng A8- 2
V
in
(a) V(e) đo V(e) tính V
o
(c)
V
in
tăng V
u in
V
u
(e)
)45(4.11)( RRReV
u
+
=


V
in
giảm V
l in
V
1
(e)
)1()1())45(4.11()( DVPVRRReV

l

+
+

=



Nhận xét kết quả
2.9. Kết luận về nguyên tắc hoạt động của trigger Schmitt với hai ngỡng.

3. bộ tích phân
Nhiệm vụ:
Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện phép
toán tích phân.
Các bớc thực hiện:
3.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A8-3a.
Chú ý cắm đúng phân cực
nguồn.

172
Nối J8 để chuyển mảng A8-3 làm việc ở chế độ tích phân.


3.2. 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.
Nối kênh 1 dao động ký với lối vào IN/A. Nối kênh 2 dao động ký với lối

ra OUT/C.
3.3. Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính
ở chế độ:
- Phát dạng 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 4V (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE).
3.4. Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ
A8-3a.
3.5. Tạo các mạch tích phân với thông số khác nhau bằng cách nối các
chốt theo bảng A8-3. Quan sát tín hiệu và đo biên độ xung ra V
o
. Tính thời gian
kéo dài độ dốc mặt tăng của tín hiệu ra t
r
. Ghi kết quả vào bảng A8-3.
Sử dụng các giá trị R, C trong mạch đợc tạo tơng ứng (ví dụ nối A ì 11,
= 1RR , C = C
4

[
, t = [giây], tính giá trị:
]
Fara
t
r
(tính)
ino
VRCV .
=

=

173
Trong đó V
in
là biên độ tín hiệu vào. Ghi kết quả vào bảng A8- 3.
Bảng A8- 3.

Nối AìI1 Nối AìI2 Nối AìI3
Nối AìI1,J9 Nối AìI2,J9 Nối AìI3,J9
V
o

t
r
(đo)
t
r
(tính)

So sánh giá trị t
r
đo và tính toán. Giải thích nguyên nhân sai lệch giữa
chúng.
3.6. Giải thích tại sao mặt dốc tăng và giảm của tín hiệu giống nhau.
3.7. Giải thích tại sao tín hiệu trên lối ra lại có các độ dốc tuyến tính
không giống nh dạng mũ trong mạch tích phân RC thông thờng.
3.8. Đặt sơ đồ hình 8-3a ở chế độ Aì I3 và J9 nối. Tăng dần tần số máy
phát, quan sát đoạn đỉnh phẳng giảm dần cho đến lúc xung từ dạng hình thang
chuyển sang dạng tam giác.

Xác định độ rộng xung vào tại thời điểm đó. So sánh giá trị này với T
r
.
3.9. Nếu tiếp tục tăng tần số máy phát, sẽ có hiện tợng gì xẩy ra, giải
thích vì sao?.
4. bộ vi phân


174
Nhiệm vụ:
Tìm hiểu nguyên tắc vi phân của sơ đồ dựa trên bộ khuếch đại thuật toán.
Các bớc thực hiện:
4.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A8-4.
Chú ý cắm đúng phân cực
nguồn.
Nối J7 để chuyển mảng A8-3 làm việc ở chế độ vi phân.
4.2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 1 V/cm, thời gian quét ở
1 V/cm. 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 vào IN/A. Nối kênh 2 dao động ký với lối
ra OUT/C.
4.3. Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở
chế độ:
- Phát dạng 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 4V (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE).
4.4. Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ
A8- 3b.
4.5. Nối các chốt theo bảng A8-12, đo biên độ xung ra V

o
, vẽ dạng xung
ra. Tính thời gian kéo dài mặt giảm của tín hiệu ra t
đ
(tính từ 10% đến 90% giá
trị biên độ). Ghi kết quả vào bảng A8-4.
Từ kết quả thu đợc viết công thức liên hệ giữa t
đ
(đo) và RC.
Bảng A8- 4.

Nối A ì D1 Nối A ì D2 Nối A ì D3
V
o

t = R.C
)(ot



k = t
đ
(đo) / RC

5. bộ biến đổi logarit
Nhiệm vụ:
Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện các
thuật toán lấy logarit tín hiệu.

175

Các bớc thực hiện:
5.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A8-5a. Chú ý cắm đúng phân cực
nguồn.
Nối J6 để chuyển mảng A8-5a làm việc ở chế độ biến đổi logarit .


5.2. Nối biến trở P = 10K của thiết bị chính với nguồn +12V và đất. Điểm
giữa biến trở nối với chốt lối vào IN/A của sơ đồ A8-5a.
5.3. Nối các chốt theo bảng A8-5. Vặn biến trở P, thay đổi thế V
in
, đo
điện thế ra V
o
cho mỗi trờng hợp nối chốt. Ghi kết quả vào bảng A8-5.
Bảng A8- 5
V
in
100mV 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V
V
o
(A ì L1)


V
o
(A ì L2)

V
o
(A ì L3)

Biểu diễn đồ thị sự phụ thuộc thế lối ra V
o
(trục y) theo thế vào V
in
Kết luận về sự phụ thuộc thế ra đối với thế vào.


176
6. bộ biến đổi hàm mũ
Nhiệm vụ:
Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện phép
biến đổi hàm mũ.
Các bớc thực hiện:
6.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A8-5b.
Chú ý cắm đúng phân cực
nguồn.
Nối J5 để chuyển mảng A8-4 làm việc ở chế độ hàm mũ.
6.2. Nối biến trở P = 10K của thiết bị chính với nguồn +12V và đất. Điểm
giữa biến trở nối với chốt lối vào IN/A của sơ đồ A8-5b.


6.3. Vặn biến trở P, thay đổi thế V
in
, đo điện thế ra V
o
. Ghi kết quả vào
bảng A8- 6.
Bảng A8- 6
V

in
100mV 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V
V
o


Biểu diễn đồ thị sự phụ thuộc thế lối ra V
o
(trục y) theo thế vào V
in
(trục x)

Kết luận về sự phụ thuộc thế ra đối với thế vào.

177