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 [...]... 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 ? 159 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) . 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. 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. 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