Tài liệu học phần kỹ thuật xung số chương 2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

KỸ THUẬT XUNG SỐ

TS. NGUYỄN LINH NAM


Chương 2:
DAO ĐỘNG ĐA HÀI
2.1. KHÁI NIỆM CHUNG
2.2. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG
TRANSISTOR
2.3. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG
OP-AMP
2.4. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG
IC555


Mục tiêu của chương:
- Mô tả được công dụng của các mạch dao động

đa hài
- Vẽ được sơ đồ mạch và giải thích được nguyên
lý hoạt động của các mạch dao động đa hài:
+ Mạch dùng BJT
+ Mạch dùng OP-AMP
+ Mạch dùng IC555
- Có khả năng phân tích, tính toán, thiết kế
một số mạch dao động tạo xung trên thực

tế.


KHÁI NIỆM CHUNG:
Dao động đa hài dùng để chỉ những mạch tạo ra tín hiệu có dạng xung vuông
v0

t1

t2

t

T

Theo linh kiện, mạch dao động đa hài dùng:
BJT
cổng logic
khuếch đại thuật toán OP-AMP (KĐTT)
IC555

Theo chế độ hoạt động :
mạch hai trạng thái bền (bistable)
mạch một trạng thái bền (monostable)
mạch không trạng thái bền (astable)
Trạng thái bền là trạng thái làm việc ổn định của mạch và chỉ thay đổi trạng thái khi có
xung kích khởi. Ngược lại, trạng thái không bền là trạng thái tạm thời, tồn tại trong
thời gian ngắn và sẽ tự động chuyển đổi sang trạng thái khác.

MẠCH HAI TRẠNG THÁI BỀN (BISTABLE)
Trong đó mạch ổn định ở cả hai trạng thái. Nó không thể
tự chuyển đổi trạng thái, mà chỉ có thể lật từ trạng thái này
sang trạng thái khác bằng xung kích hoạt bên ngoài.
Mạch này còn được gọi là flip-flop. Nó được dùng cho
lưu trữ một bit thông tin, và được sử dụng rộng rãi trong
kỹ thuật logic số và bộ nhớ máy tính.


MẠCH MỘT TRẠNG THÁI BỀN (MONOSTABLE)
Mạch có một trạng thái bền vững và một trạng thái không bền.
Mạch tồn tại ở trạng thái bền, khi có xung kích khởi mạch chuyển
sang trạng thái không bền và sau một khoảng thời gian nhất định,
mạch tự động trở về trạng thái bền ban đầu. Thời gian tồn tại ở
trạng thái không bền không phụ thuộc vào độ rộng xung kích khởi
mà phụ thuộc vào trị số các linh kiện trong mạch.
Các mạch monostable thường được ứng dụng làm mạch tạo dạng
xung, làm mạch định thời.


MẠCH KHÔNG TRẠNG THÁI BỀN (ASTABLE)

Mạch thường được gọi là mạch dao động đa hài
dùng để tạo xung vuông với độ rộng xung và tần số
cho trước. Mạch có hai trạng thái không bền, trong
quá trình hoạt động nó luôn tự chuyển đổi từ trạng
thái này sang trạng thái khác mà không cần có xung
kích khởi từ bên ngoài.

MẠCH HAI TRẠNG THÁI BỀN (BISTABLE)
Mạch dùng BJT
+Vcc

iRc 2

Rc1

C1

C2
+

Rc2

RL

+
R1

R2

iR 2

iR1
ic 2
ib 2

RL
Q1 1

1
1

t

Vi2

t

v C1

t

v C2

t

11
1 Q2

iRb 2
Rb1

V i1

Rb2

Vi1

Vi1

-Vbb


MẠCH MỘT TRẠNG THÁI BỀN (MONOSTABLE)
Mạch dùng BJT

+ T

Q1 T
Q2 D
D

-Ở trạng thái bền: Q1 tắt, Q2 dẫn

vc1=Vcc-icbo1Rc1=Vcc
vc2=0
tụ C nạp đến xác lập


D

Q1 D
Q2 T

T

Kích xung vi âm vào cực nền của Q2 → Q2 tắt
ib2 và ic2 →0
vc2 → Vcc
iRc2 đổ qua R1 vào cực nền Q1 → Q1 chế độ bão hòa

ib1 và ic1 tăng
vc1 → 0

duy trì Q2 tắt

Mạch đã chuyển sang trạng thái không bền: Q1 bão hòa, Q2 tắt


trạng thái không bền: Q1 bão hòa, Q2 tắt
Tụ C nạp: từ nguồn Vcc qua Rb2 và Q1 đang dẫn với thời hằng bằng τ=CRb2. Nếu xác lập:

vb2→ (Vcc + icbo 2 Rb 2 )
Tuy nhiên, khi tiến tới
Mạch đã chuyển sang trạng thái bền: Q1 tắt,
Q2 bão hòa→C lại nạp bổ xung từ nguồn Vcc
qua Rc1 và Q2 dẫn với thời hằng τ=CRc1.

→Q2 dẫn bão hòa
ib2 và ic2 tăng
vc2 → 0
vb1 → -Vbb →Q1 tắt


Tính độ dài xung ra T0:
Thời gian T0 chính là thời gian mạch tồn tại ở trạng thái không bền ứng với BJT Q1
bão hòa, Q2 tắt và tụ C nạp xã từ nguồn Vcc qua Rb2 và Q1 đang dẫn và giá trị biên độ
biến thiên
Phương trình xã của tụ như sau:

tại t=T0 vC (T0 ) = 0

Bỏ dòng rò icbo1, icbo2

(thời điểm bắt đầu xã)
(thời điểm xác lập)


Mạch dùng BJT

+ T

+ D

Giả sử ở thời điểm ban đầu Q1 tắt còn Q2 dẫn bão hòa (TTKB1).
vc2=0.
tụ C2 bắt đầu nạp điện: Vcc → Rc1 → Q2 (τ=C2Rc1)
vC2→Vcc và vc1 → Vcc
tụ C1 bắt đầu nạp điện: Vcc → Rb1 → Q2 (τ=C1Rb1)
vC1→Vcc ; vb1→Vcc
i và ic1 tăng
vb1 > Vγ →Q1 dẫn bão hòa b1
vc1 → 0
vb2 → -Vcc →Q2 tắt
Mạch sang trạng thái mới: Q1 bão hòa và Q2 tắt (TTKB2)

Toàn bộ dòng qua trở Rb1
lúc này đổ vào cực nền Q1
duy trì Q1 bão hòa.

Mạch dùng BJT

- +
D

- +
T

Q1 bão hòa và Q2 tắt (TTKB2)
vc1=0.
tụ C1 bắt đầu nạp điện: Vcc → Rc2 → Q1 (τ=C1Rc2)
vC1→Vcc và vc2 → Vcc
tụ C2 bắt đầu nạp điện: Vcc → Rb2 → Q1 (τ=C2Rb2)
vC2→Vcc ; vb2→Vcc
i và ic2 tăng
vb2 > Vγ →Q2 dẫn bão hòa b2
vc2 → 0
vb1 → -Vcc →Q1 tắt
Mạch sang trạng thái: Q1 tắt và Q2 bão hòa (TTKB1)

Toàn bộ dòng qua trở Rb2
lúc này đổ vào cực nền
Q2 duy trì Q2 bão hòa.


Tính chu kỳ dao động T0:
T1 là khoảng thời gian Q1 đang dẫn
T2 là khoảng thời gian Q2 đang dẫn
Chu kỳ dao động T0=T1+T2
Tính T1:

Xác định quy luật biến thiên tại cực nền của BJT Q2

tại t=t2 ta có vb2(t2)=0 và T1=t2-t1

Tính T2:
Xác định quy luật biến thiên tại cực nền của BJT Q1
tại t=t3 ta có vb1(t3)=0 và T2=t3-t2

Tính chu kỳ dao động T0=T1+T2=0,7(C1Rb1+C2Rb2)


Mạch đảo điện DC sang AC (Inverter)


MẠCH HAI TRẠNG THÁI BỀN (BISTABLE)
Mạch dùng OP-AMP
C

vi

R

v0

vi

R1
R2

t

+E
t

v0
-E


MẠCH MỘT TRẠNG THÁI BỀN (MONOSTABLE)
Mạch dùng OP-AMP

+E

+ -

Ở trạng thái bền

v+ = 0
bão hòa âm: v0=-E
v = V
tụ C sẽ nạp đến điện áp: vC=E


+ 2E

Khi tác động một xung vi âm

v- < 0
v+=vC=E

bão hòa dương: v0=+E →trạng thái không bền

Sự đột biến điện áp ở ngõ ra qua tụ C truyền đến ngõ vào thuận làm điện áp này tăng
đột biến lên mức
2E>V→duy trì bão hòa dương


+ -

trạng thái không bền
Nhưng sau khi mạch đổi trạng thái, tụ C bắt đầu xã qua R với thời hằng τ=RC
→v+ sẽ càng giảm
Khi v+ giảm đến giá trị V

v+ < v- →bão hòa âm: v0=-E

→trạng thái bền

Sự giảm đột biến của điện thế ngõ ra thông qua tụ C làm điện thế ngõ vào thuận trở
nên âm, khi đó Diode dẫn giúp tụ C nhanh chóng nạp phục hồi.


Tính T0

vC (0) = 2 E

vC (t ) = 2 Ee- t / t
tại t=T0 vC (T0 ) = V

2Ee- T0 / t = V

e

T0 / t

2E
=
V

2E
T0 = t ln
V
2E
T0 = RC ln
V


MẠCH KHÔNG TRẠNG THÁI BỀN (ASSTABLE)
Mạch dùng OP-AMP

Giả thiết mạch đang ở trạng thái không bền 1 với v0=+E.
Tụ C nạp điện E→R và vC→E

vC→

v+ < v- →bão hòa âm: v0=-E

→trạng thái không bền 2


trạng thái không bền 2 với v0=-E.

Tụ C xã điện -E→R và vC→-E

vC→

v  v

→bão hòa dương: v0=+E →trạng thái không bền 1


Tính chu kỳ dao động T0:

T0=T1+T2=2T1
Phương trình nạp của tụ C:

tại t=t2 ta có

T0=T1+T2=2T1


Chú ý: để tạo dãy xung vuông có độ rộng phần xung dương và độ rộng phần
xung âm khác nhau, người ta phải tạo mạch nạp cho tụ C theo chiều dương
và chiều âm riêng biệt như sơ đồ mạch: