Slide kỹ thuật đo và tin học công nghiệp đại học bách khoa hà nội các mạch tín hiệu

Các mạch tạo tín hiệu
TS. Nguyễn Quốc Cường
Bộ mơn: Kỹ thuật đo & Tin học cơng nghiệp

Tài liệu tham khảo
•

“Microelectronic circuits” - Adel S. Sedra & Kenneth C.
Smith, Oxford University Press, 2004 (chapter 13)

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>

Giới thiệu
•

•

•

Các tín hiệu được sử dụng nhiều trong các thiết bị
–

Sin

–

Xung vng

–

Răng cưa

Mạch tạo tín hiệu sin
–

Mạch khuếch đại sử dụng phản hồi dương (còn được gọi là
linear oscillator)

–

Tạo tín hiệu sin từ tín hiệu răng cưa

Mạch tạo tín hiệu xung vuông & tam giác (non-linear
oscillator)
–

bistable

–

astable

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

Tạo tín hiệu sin

•

Mạch tạo tín hiệu sin
–

linear oscillator

–

Tạo tín hiệu sin từ tín hiệu răng cưa

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>

Ngun lý tạo của mạch dao động tuyến tính
•

Sử dụng nguyên lý phản hồi dương

A f ( s) =
•

A ( s)
1 − A ( s) β ( s)

Mạch dao động khơng cần tín hiệu input xs

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

Tiêu chuẩn Barkhausen
•

•

Điều kiện dao động:
–

Biểu thức đặc trưng có nghiệm trên trục jω

–

Muốn tín hiệu output là “thuần” sin thì nghiệm trên trục ảo
phải là duy nhất (±jω0) . Ngược lại tín hiệu output sẽ là tổng
của các tín hiệu sin (tín hiệu bị “méo”)

Tiêu chuẩn Barkhausen

∠A ( jωo ) β ( jωo ) = 0
A ( jωo ) β ( jωo ) = 1
•

Các phần tử trong mạch có thể bị thay đổi (do nhiệt độ, độ
ẩm, già hóa linh kiện,...)
–

Nếu Aβ < 1

dao động sẽ tắt

–

Nếu Aβ > 1

dao dộng sẽ có biên độ tăng

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>

Điều khiển biên độ
•

Mạch tạo dao động
–

Khi bật nguồn hệ số Aβ được thiết kế lớn hơn 1
với biên độ tăng dần

–

Khi biên độ đạt giá trị mong muốn
trị Aβ về bằng 1

–

Nếu trong khi hoạt động hệ sô Aβ < 1
hệ số Aβ về bằng 1

dao động

cần điều khiển giảm giá
cần điều khiển tăng

Cần sử dụng mạch điều khiển

•

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

Mạch giới hạn (1)
•

•

vI = 0
–

vo = 0

–

vA > 0

D1 không dẫn

–

vB < 0

D2 không dẫn

dẫn khi vI dương lớn

vI dương nhỏ
–

vo âm nhỏ
VA giảm nhưng D1
vẫn chưa dẫn

–

vB < 0

vO = −

D2 vẫn không dẫn

Rf
R1

vI

R3
R2
+ vO
R2 + R3
R2 + R3
R4
R5
+ vO
vB = −V
R2 + R3
R2 + R3
vA = V

dẫn khi vI âm lớn

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>

Mạch giới hạn (2)
•

Khi vI dương lớn
–

vO âm lớn

–

Nếu coi điện áp rơi trên D1 là VD (=0.7V) thì điện áp tại đó D1
dẫn là

vA
vO
–

D 1− on

D 1− on

vA âm lớn

= − VD = V

D1 dẫn

R3
R2
+ vO
R2 + R3
R2 + R3


R
R 

= L− = −V 3 − VD  1 + 3 
R2
R2 


vI

D 1− on

=

L−
Rf
R1

Nếu tiếp tục tăng vi, do điện áp rơi trên D1 hầu như không
thay đổi (tăng rất ít) do vậy

I R 2 = const =

vI −vO  v A − vO V + VD 
=
+
−

R1
R f  R3
R2 
R3 // R f
vO = −

vI + ...
R1

V − v A V + VD
=
R2
R2

iR1 = iRf + iD1 = iRf + ( iR 3 − I R 2 )

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

Mạch giới hạn (3)
•

Khi VI âm lớn, tương tự ta có

vB
vO
•

D 2 − on

D 2 − on

= V D = −V

R4
R5

+ vO
R4 + R5
R4 + R5


R
R 
= L+ = V 5 − +VD  1 + 4 
R4
R5 


vI

D 1− on

Nếu vI > vI(D1-on) thì

vO = −

R4 // R f
R1

vI + ...

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>
=

L+
Rf
R1


Mạch giới hạn (4)

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

Mạch tạo tín hiệu sin sử dụng op-amp
•

Mạch dao động cầu Wien

•

Mạch dịch pha

•

Mạch tạo sin từ tín hiệu răng cưa

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>

Mạch dao động cầu Wien

Vtest

VO 
R  Zp
= 1+ 2 
Vtest 
R1  Zp + Zs
1 + R2 R1
L ( s) =
3 + sCR + 1 sCR

L ( s) =

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

Mạch dao động cầu Wien (2)
•

Thay s=jω

Tần số tại đó góc pha = 0

Điều kiện để biên độ bằng 1

Thường chọn R2/R1 lớn hơn 2
một chút

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>

Mạch dao động cầu Wien + giới hạn biên độ

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

Dao động sử dụng mạch dịch pha (1)
Tổng góc lệch pha = 00

Khuếch đại đảo (lệch
pha -1800)
Tạo lệch pha 1800 tại tần số f0

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>

Dao động sử dụng mạch dịch pha (2)

vtest

v2

v1

ω 2C 2 RR f
Aβ ( jω ) =
4 + j ( 3ωCR − 1/ ωCR )
Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

Dao động sử dụng mạch dịch pha (3)
•

Mạch khuếch đại đảo

•

Phương trình dịng điện tại các nút

•

Khuếch đại vịng

Rf
vO
=−
v1

1 sC

v2 − v1 v1
v
= + 1
1 sC
R 1 sC
vtest − v2 v2 v2 − v1
= +
1 sC
1 sC
R

R f C 2 R2s2
vO
=
vtest 4 + 3RCs + 1 RCs

ω 2C 2 RR f
Aβ ( jω ) =
4 + j ( 3ωCR − 1/ ωCR )
Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>

Tạo tín hiệu sin từ tín hiệu chu kỳ + lọc
bộ lọc bandpass

bộ so sánh

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

Bộ tại dao động tín hiệu xung vng + tam giác
•

Sử dụng các kiểu
–

bistable multivibrator

–

astable multivibrator

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>

Bistable – mạch trigger Smith đảo

L+ giá trị đầu ra lớn nhất của op-amp
L- giá trị đầu ra lớn nhất của op-amp

VTH = L+

R1
R1 + R2

VTL = L−

R1
R1 + R2

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

Bistable – mạch trigger Smith không đảo

VTH = − L−

R2
R1

VTL = − L+

R2
R1

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>

So sánh sử dụng bistable

ngưỡng chống nhiễu

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

Bistable multivibrator (1)

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>

Bistable multivibrator (2)
Tạo xung vuông

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

Bistable multivibrator (3)
Tạo xung vuông & xung tam giác

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>

Vi mạch 555 – sơ đồ khối

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

IC 555 – astable multivibrator

Signal generators
Nguyễn Quốc Cường

CuuDuongThanCong.com

/>