THỰC TẬP KỸ THUẬT SỐ - BÀI 11 doc

149
Bài 11: Đa hài
(Multivibrator)
A. Phần tóm tắt lý thuyết
Đa hài là tên chung của các mạch phát xung vuông. Có ba loại đa hài:
- Đa hài tự dao động (free running multivibrator).
- Đa hài hai trạng thái cân bằng (bistable multivibrator).
- Đa hài một trạng thái cân bằng (monostable multivibrator).
Đa hài tự dao động phát liên tục các xung vuông (hình a). Đa hài hai trạng
thái cân bằng luôn luôn ở một trong hai trạng thái này. Các trigơ D, RS hay trigơ
JK có thể xếp vào loại này. Khi có một xung nhịp kích thích ở đầu vào thì đầu ra
sẽ chuyển lên trạng thái cao hoặc chuyển xuống trạng thái thấp (hình b). Đa
hài một trạng thái cân bằng phát một xung đơn ở đầu ra khi có một xung nhịp
kích thích ở đầu vào (hình c).














Điều ta quan tâm ở đây là đa hài tự dao động và đa hài một trạng thái cân
bằng còn đa hài hai trạng thái cân bằng thì đã nói nhiều trong trigơ.

1. Đa hài tự dao động
a) Đa hài tự dao động có thể xây dựng từ hai cửa đảo:

150
Giá trị trên đây ứng với trờng hợp dùng họ CMOS 4049 hay 4069. Trờng
hợp muốn ổn định tần số thì phải dùng thạch anh. Thạch anh có thể trên đờng
phản hồi (đầu ra nối trở lại đầu vào) hoặc trên đờng nối tầng sau tụ truyền.




Dùng họ CMOS 4049






b) Đa hài tự dao động xây dựng từ vi mạch thời gian 555 (555 Timer IC)
Vi mạch 555 là một loại mạch lai (hybrid circuit) nghĩa là tổ hợp cả hai loại
phụ kiện: phụ kiện tơng tự (Analog) và phụ kiện số (Digital). IC 555 thuộc họ
TTL hoạt động đến tần số 100 KHz trong khi đó IC 7555 thuộc họ CMOS hoạt
động đến tần số 500 KHz.
Hình sau là sơ đồ chân nối của 555 và đờng nối mạch để nó làm nhiệm vụ
phát sóng vuông.

Tầng đệmTầng phát
100K
470K
150p
100KHz / 10Vpp
Vpp là điện áp đo giữa
hai đỉnh của xung
1MHz / 5Vpp
1nF
1MHz
220
220
680
680
100KHZ
+
22p
R1
2k
RB
1k
RA
1k
RL
10k
+
C1
.01uF

+
CT
.1uF
1
Gnd
2
Trg
3
Out
4
Rst
5
Ctl
6
Thr
7
Dis
8
Vcc
555
+12V
.IC
Gnd
Trg
Out
Rst Ctl
Thr
Dis
Vcc
555

151
GND : Đất Control Voltage : điện áp điều khiển
Trigger : kích thích Threshold : ngỡng
Output : đầu ra Discharge : phóng điện
Reset : Xoá +V
CC
: nguồn dơng
Hình dới đây trình bày cấu trúc rút gọn của 555 và một số linh kiện lắp
thêm ở mạch ngoài (C, R
1
, R
2
). ở đây cần lu ý các trạng thái của mạch so sánh,
trigơ RS, transistor và cửa đảo ở đầu ra. Khi đóng nguồn điện 5v tụ C đợc nạp
điện qua R
1
R
2
. Coi rằng mạch đã hoạt động ổn định. Khi V
C
(điện áp ở tụ điện C)
đạt đến giá trị 2V
CC
/3 (nói chính xác vợt giá trị này một chút) thì mạch so sánh 2
làm việc và lối ra của nó làm cho S = 1, R = 0, Q = 1, transistor thông, tụ C phóng
điện qua R
2
xuống đất. Xung ở đầu ra từ logic 1 giảm xuống 0 nhờ cửa đảo.
Khi điện áp V

C
giảm đến giá trị V
CC
/3 (chính xác là dới giá trị này một chút) thì
mạch so sánh 1 làm việc và lối ra R = 1, S = 0, Q = 0, transistor cấm, tụ C tích
điện trở lại. Đờng tích điện từ +V
CC
qua R
1
và R
2
. Xung ở đầu ra (Output) từ
mức logic 0 tăng vọt lên mức logic 1 nhờ cửa đảo.
Nh vậy tụ điện C diễn đi diễn lại quá trình tích phóng và điện áp V
C
nằm
trong khoảng
3
CC
V
và
3
2
CC
V
;

<<
3
2
3
CC
C
CC
V
V
V
. Nếu phân tích chi tiết thêm ta
thấy đầu ra của hai mạch so sánh chỉ chuyển lên mức logic 1 trong khoảng khắc
lúc mà điện áp V
C
vợt ranh giới
3
CC
V
và
3
2
CC
V
. Tuy vậy thời gian này cũng đủ để
trigơ RS chuyển trạng thái. Quá trình hoạt động trên đợc mô tả bằng giản đồ
xung trên hình sau

152







Các công thức cơ bản:
- Thời gian tích điện :
(
)
CRRt
td 21
685,0
+
=

- Thời gian phóng điện :
CRt

pd 2
685,0
=

- Chu kỳ xung :
(
)
CRRT
21
2685,0
+
=

- Tần số dao động :
()
CRR
f
21
2
46,1
+
=

- Giới hạn linh kiện :
(
)

<
<

MRRK 3,1
21

500pF < C < hàng nghìn
F
à

2. Đa hài một trạng thái cân bằng (Monostable / One shot Multivibrator).
a) Đa hài một trạng thái cân bằng xây dựng từ hai cửa không và.








OUT
IN
C
R

153

ở trạng thái ổn định ban đầu, đầu vào ở trạng thái thấp, đầu ra cửa NAND 1
ở trạng thái cao, tụ C đã tích điện từ trớc nghĩa là V
C
cũng ở mức logic cao, do đó
đầu ra cửa NAND 2 cũng ở mức logic cao. Bây giờ đầu vào chuyển trạng thái từ 0

1 tụ C phóng điện qua R và qua NAND 1 xuống đất. Ngay thời điểm bắt đầu
phóng thì hai đầu vào cửa NAND 2 ở logic cao nên đầu ra V
out
chuyển trạng thái
từ 1
0. Khi V
C
giảm đến điện thế ngỡng, V
ng
của NAND 2, V
out
lấp tức chuyển
trạng thái từ 0
1 để kết thúc một xung ngắn hạn. Nếu cửa NAND thuộc hộ
TTL thì R < 500
. Mạch điện nh trên đợc sử dụng rộng rãi khi ta cần chuyển
một xung có độ rộng xung lớn thành một xung kích có bề rộng xung nhỏ (xung
ngắn hạn). Tuy nhiên, điều này còn phụ thuộc vào hằng số thời gian RC. Nếu
xung đầu vào V
in
với bề rộng không đủ lớn, nghĩa là V

in
từ 1 0 trong khi V
C

cha đạt đến V
ng
thì điện áp ra V
out
sẽ quay trở lại trạng thái đầu sớm hơn. Lúc
này đầu vào và đầu ra hoạt động gần nh đồng bộ.
b) Đa hài một trạng thái cân bằng xây dựng từ vi mạch thời gian 555






R2 and C1 control the delay.
Negative Edge Triggered
555 Mono-stable Circuit
20 Hz
V2
12/0V
A
B
.IC
CMD1
0V
V1
12V

UA555
Gnd
Trg
Out
Rst Ctl
Thr
Dis
Vcc
U1
C1
1uF
C2
0.1uF
R1
10k
R2
27k
A
B

154
C
1
= 0,01
F
à
(tuỳ ý có hay không cũng đợc)
Một xung âm, đơn, ngắn hạn tác dụng ở đầu vào sẽ cho một xung dơng, đơn
dài hạn ở đầu ra. Thời gian kéo dài xung t (còn có các tên gọi khác nh bề rộng
xung độ dài xung) đợc tính theo công thức gần đúng sau:

RCt 7,0


Lu ý rằng khi đã xuất hiện sự nhẩy bậc của xung ở đầu ra (từ 0

1) thì
thời gian kéo dài xung tuỳ thuộc vào hằng số thời gian RC. Trong thời gian này
nếu tác dụng xung vào thì cũng không ảnh hởng gì đến xung ra. Bề rộng xung
đơn ở đầu vào phải chọn sao cho nhỏ hơn bề rộng xung ra.
c) Đa hài một trạng thái cân bằng xây dựng từ vi mạch 74121, 74221
Hình sau là giản đồ chân nối, bảng chân lý của 74121. Mạch đợc nối để
74121 phát một xung đơn khi có xung kích thích ở đầu vào (ứng với hàng thứ 6
trong bảng chân lý).
Input
BAA
21

Output
Q
0 x 1
x 0 1
x x 0
1 1 x
1 1
1 1
1
0 x
x 0
0

0
0
0



=
==
r Condensato ternalresitor/ex external Rext/Cext
r condensato external Cext ; connection internal No NC










INPUT
100K
0.01uF
1k
+5V
C
74121
4
A2
5

B
14
Vcc
11
Rext/Cext
10
Cext
3
A1
7
GND
1
/Q
6
Q

155
Thời gian kéo dài xung (duration time) hay bề rộng xung (width) đợc tính
theo công thức dới đây:

RC,t 70

Trong thực tế thì



<<
à<<
KRK
FCpF

1001
11
do đó 1ns < t < 100ns
Vi mạch 74221 hay 74LS221 là đa hài một trạng thái cân bằng kép (khác với
74121 là loại đơn) với đầu vào dùng trigơ Smit (giống 74121). Trong sách cẩm
nang 74221 đợc gọi là Dual monostable multivibrator with schmitt triger
input. Giữa 74221và 74LS221 khác nhau về công suất tiêu thụ và bề rộng xung
ra cực đại (74221

130mw/21s
max
, 74LS221

23mw/70s
max
). Hình sau là sơ đồ
chân nối và bảng chân lý của 74LS221. Lu ý rằng sơ đồ chân nối và bảng chân lý
này cũng có thể sử dụng đợc cho đa hài 74LS123. Bề rộng xung đợc tính theo
công thức sau :

RC,t 70

156
B. Phần thực nghiệm
1. Xây dựng mạch phát xung nhịp (Clock Generator) từ cửa Đảo
Sơ đồ thí nghiệm:

Các bớc tiến hành thí nghiệm:
Bớc1:

Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng:
03 Cổng NAND 2 lối vào [Digital Basic/Gates/2-in NAND] (5)
02 Trigơ JK loại 74LS112 [Digital by Number/741xx/74112 1/2}
02 Điện trở 220 [Genneral/Resitors/Resitor] (r)
02 Tụ điện 30p [Genneral/Capacitors/Capacitor] (c)
01 Tụ điện 1n [Genneral/Capacitors/Capacitor] (c)
01 Điện trở 4,7K [Genneral/Resitors/Resitor] (r)
01 Thạch anh 4Mhz [Crystals/Standard/Crystal]
01 Logic Source +5V [Sources/Linear/+V] (1)
Chú ý:

[ ] Đờng dẫn để lấy linh kiện trong th viện
( ) Ký hiệu phím tắt
Bớc 2:
- Sau khi vẽ xong mạch, bạn vào mục Simulation trên thanh Menu,
chọn chế độ Analog Mode,sau đó vào mục Analyses Setup [F8] để
tiến hành đặt điều kiện để mô phỏng, trong cửa sổ Analyses Setup
bạn chọn Trasient/Fourier, tiếp tục trong cửa sổ này bạn tick vào
74LS08
74LS08
74LS08
74LS11274LS112
33p
33p

4.000MHZ
1n
+V
5V
2k7
220
220
4k7

157
mục UIC, sau đó Ok và thoát ra ngoài, lúc này bạn nhấp lên nút
Run trên thanh công cụ. Kích chuột vào thanh công cụ Probe Tool
[Ctrl-P] đa công cụ này vào lối ra của các Trigơ, quan sát dạng sóng
thu đợc trên mà hình dao động ký .
2. Xây dựng mạch phát xung nhịp từ IC 555
Sơ đồ thí nghiệm:










Các bớc tiến hành thí nghiệm:
Bớc1:

Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng:

02 Điện trở 2K [Genneral/Resitors/Resitor] (r)
01 Tụ điện 0.1uF [Genneral/Capacitors/Capacitor] (c)
01 IC 555 [Timers/Timers/555]
01 Logic Source +5V[Sources/Linear/+V] (1)
01 Spice Controll[Spice Controlls /Initial Condition/IC] (I)
Bớc 2:

a. Sau khi vẽ xong mạch, bạn vào mục Simulation trên thanh Menu,
chọn chế độ Analog Mode,sau đó vào mục Analyses Setup [F8] để
tiến hành đặt điều kiện để mô phỏng, trong cửa sổ Analyses Setup
bạn chọn Trasient/Fourier, tiếp tục trong cửa sổ này bạn tick vào
mục UIC, sau đó Ok và thoát ra ngoài, lúc này bạn nhấp lên nút
Run trên thanh công cụ. Kích chuột vào thanh công cụ Probe Tool
Out
+
C
.1uF
1
Gnd
2
Trg
3
Out
4
Rst
5
Ctl
6
Thr
7

Dis
8
Vcc
555
+5V
.IC
R2
2k
R1
2k

158
[Ctrl-P] đa công cụ này vào lối ra của IC 555 (Chân số 3), quan sát
dạng sóng thu đợc trên mà hình dao động ký.
b. Bạn đa chuột sang phía bên trái mạn hình, trong vùng
measurement Cursors, trên kênh X1 và X2 chọn a20_2, tơng tự ở
mục còn lại bạn chọn Frequency 1 2, sau đó dịch chuột trên dao
động ký đúng một chu kỳ, nhìn phía dới mục Frequency 1 2 bạn sẽ
xác định đợc tần số phát của IC555, so sánh với kết quả lý thuyết
RCCRRT 1,2)(7,0
21
=
+=

3. Đa hài một trạng thái cân bằng xây dựng từ IC 555
Sơ đồ thí nghiệm:

Các bớc tiến hành thí nghiệm:
Bớc1:

Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng:
01 Điện trở 27K [Genneral/Resitors/Resitor] (r)
01 Tụ điện 1uF [Genneral/Capacitors/Capacitor] (c)
01 IC 555 [Timers/Timers/555]
01 Logic Source +5V[Sources/Linear/+V] (1)
01 Spice Controll[Spice Controlls /Initial Condition/IC] (I)
01 Logic Source +5V [Sources/Linear/+V] (1)
01 Logic Source +12V [Sources/Linear/+V] (1)
01 Square Generator[Instrusment/Analog/Signal Gen]
Bớc 2:

Sau khi vẽ xong mạch, bạn vào mục Simulation trên thanh Menu,
chọn chế độ Analog Mode,sau đó vào mục Analyses Setup [F8] để
out
In
20 Hz
V2
5/0V
.IC
CMD1
0V
V1
12V
UA555

Gnd
Trg
Out
Rst Ctl
Thr
Dis
Vcc
C
1uF
R
27k

159
tiến hành đặt điều kiện để mô phỏng, trong cửa sổ Analyses Setup
bạn chọn Trasient/Fourier, tiếp tục trong cửa sổ này bạn tick vào
mục UIC, sau đó OK và thoát ra ngoài, lúc này bạn nhấp lên nút
Run trên thanh công cụ. Kích chuột vào thanh công cụ Probe Tool
[Ctrl-P] đa công cụ này vào lối ra của IC555 và lối vào Triger của
IC555, quan sát dạng sóng thu đợc trên mà hình dao động ký. Nhận
xét về dạng sóng lối ra và lối vào của IC 555, giải thích tại sao lại có
hiện tợng này ?

160

C. Phụ lục
Giới thiệu DataSheet các hãng sản xuất IC trên thế giới của một số IC thông
dụng sử dụng trong bài thực hành.
1. Bộ định thời gian (Timer)
Tên IC: 555

161

162

2. Bé dao ®éng mét tr¹ng th¸i c©n b»ng ®Çu vµo trig¬ Smit
(Monostable Multivibrator with Schmitt Trigger Inputs)
Tªn IC: 74x121 (TTL)

3. Bé dao ®éng mét tr¹ng th¸i c©n b»ng ®Çu vµo trig¬ Smit
(Dual Monostable Multivibrator with Schmitt Trigger Inputs)
Tªn IC: 74x221 (TTL)