Các mạch tạo tín hiệu TS. Nguyễn Quốc Cường Bộ môn: Kỹ thuật đo & Tin học công nghiệp Signal generators Nguyễn Quốc Cường Tài liệu tham khảo • “Microelectronic circuits” - Adel S. Sedra & Kenneth C. Smith, Oxford University Press, 2004 (chapter 13) Signal generators Nguyễn Quốc Cường Giới thiệu • Các tín hiệu được sử dụng nhiều trong các thiết bị – Sin – Xung vuông – 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 Nguyên lý tạo của mạch dao động tuyến tính • Sử dụng nguyên lý phản hồi dương • Mạch dao động không cần tín hiệu input x s ( ) ( ) ( ) ( ) 1 f A s A s A s s = − β 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 (±jω 0 ) . Ngược lại tín hiệu output sẽ là tổng của các tín hiệu sin (tín hiệu bị “méo”) • Tiêu chuẩn Barkhausen • 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 ( ) ( ) ( ) ( ) 0 1 o o o o A j j A j j ∠ ω β ω = ω β ω = Signal generators Nguyễn Quốc Cường Điều khiển biên độ • Mạch tạo dao động – Khi bật nguồn hệ số Aβ được thiết kế lớn hơn 1  dao động với biên độ tăng dần – Khi biên độ đạt giá trị mong muốn  cần điều khiển giảm giá trị Aβ về bằng 1 – Nếu trong khi hoạt động hệ sô Aβ < 1  cần điều khiển tăng hệ số Aβ về bằng 1 •  Cần sử dụng mạch điều khiển Signal generators Nguyễn Quốc Cường Mạch giới hạn (1) • v I = 0 – v o = 0 – v A > 0  D1 không dẫn – v B < 0  D2 không dẫn • v I dương nhỏ – v o âm nhỏ  V A giảm nhưng D1 vẫn chưa dẫn – v B < 0  D2 vẫn không dẫn dẫn khi v I dương lớn dẫn khi v I âm lớn 1 3 2 2 3 2 3 54 2 3 2 3 f O I A O B O R v v R R R v V v R R R R RR v V v R R R R = − = + + + = − + + + Signal generators Nguyễn Quốc Cường Mạch giới hạn (2) • Khi v I dương lớn – v O âm lớn  v A âm lớn  D1 dẫn – Nếu coi điện áp rơi trên D1 là V D (=0.7V) thì điện áp tại đó D1 dẫn là – Nếu tiếp tục tăng v i , do điện áp rơi trên D1 hầu như không thay đổi (tăng rất ít) do vậy 3 2 1 2 3 2 3 3 3 1 2 2 1 A D O D on O D D on R R v V V v R R R R R R v L V V R R − − − = − = + + +   = = − − +     ( ) 2 2 2 1 1 3 2 A D R R Rf D Rf R R V v V V I const R R i i i i i I − + = = = = + = + − 1 3 2 3 1 // O A OI D f f O I v v v v V V R R R R R R v v R   − − + = + −     = − + 1 1 I D on f L v R R − − = Signal generators Nguyễn Quốc Cường Mạch giới hạn (3) • Khi V I âm lớn, tương tự ta có • Nếu v I > v I(D1-on) thì 54 2 4 5 4 5 5 4 2 4 5 1 B D O D on O D D on R R v V V v R R R R R R v L V V R R − + − = = − + + +   = = − + +     1 1 I D on f L v R R + − = 4 1 // f O I R R v v R = − + Signal generators Nguyễn Quốc Cường 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 Mạch dao động cầu Wien V test ( ) ( ) 2 1 2 1 1 1 3 1 p O test p s Z V R L s V R Z Z R R L s sCR sCR   = = +   +   + = + + 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 R 2 /R 1 lớn hơn 2 một chút Signal generators Nguyễn Quốc Cường Mạch dao động cầu Wien + giới hạn biên độ Signal generators Nguyễn Quốc Cường Dao động sử dụng mạch dịch pha (1) Tạo lệch pha 180 0 tại tần số f 0 Khuếch đại đảo (lệch pha -180 0 ) Tổng góc lệch pha = 0 0 Signal generators Nguyễn Quốc Cường Dao động sử dụng mạch dịch pha (2) ( ) ( ) 2 2 4 3 1/ f C RR A j j CR CR ω β ω ω ω = + − v 1 v 2 v test Signal generators Nguyễn Quốc Cường Dao động sử dụng mạch dịch pha (3) • Mạch khuếch đại đảo • Phương trình dòng điện tại các nút • Khuếch đại vòng 2 1 1 1 2 2 2 1 1 1 1 1 test v v v v sC R sC v v v v v sC R sC − = + − − = + ( ) ( ) 2 2 2 2 2 4 3 1 4 3 1/ = + + = + − ω β ω ω ω f O test f R C R s v v RCs RCs C RR A j j CR CR 1 1 f O R v v sC = − Signal generators Nguyễn Quốc Cường Tạo tín hiệu sin từ tín hiệu chu kỳ + lọc bộ so sánh bộ lọc bandpass Signal generators Nguyễn Quốc Cường Bộ tại dao động tín hiệu xung vuông + tam giác • Sử dụng các kiểu – bistable multivibrator – astable multivibrator . 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. tạo tín hiệu sin – linear oscillator – Tạo tín hiệu sin từ tín hiệu răng cưa Signal generators Nguyễn Quốc Cường Nguyên lý tạo của mạch dao động tuyến tính • Sử dụng nguyên lý phản hồi dương • Mạch. generators Nguyễn Quốc Cường 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