Bài 8 bộ khuếch đại thuật toán (2) Mục đích: Nghiên cứu sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện các mạch so sánh, trigger Schmitt, bộ tích phân, bộ vi phân, bộ biến đổi lôgarit, bộ biến đổi hàm mũ và nguyên lý hoạt động của các mạch này. Phần lý thuyết 1. Bộ so sánh Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh một điện áp U V với một điện áp U ch . Trong mạch so sánh, tín hiệu vào tơng tự sẽ đợc biến thành tín hiệu ra dới mã nhị phân, nghĩa là đầu ra hoặc ở mức thấp (L) hoặc ở mức cao (H). Vì vậy mạch so sánh là mạch nối ghép giữa phần tử tơng tự và phần tử số. Bộ so sánh tơng tự thực chất là bộ khuếch đại thuật toán có kết cấu đặc biệt để đảm bảo những yêu cầu riêng. Sự khác nhau cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán và bộ so sánh chuyên dụng là ở chỗ bộ so sánh phải có tốc độ đáp ứng cao sao cho thời gian xác lập và hồi phục nhỏ. Ngoài ra khi làm nhiệm vụ so sánh thì bộ khuếch đại thuật toán làm việc ở chế độ bão hoà, do đó mức ra thấp (L) và mức ra cao (H) chính là mức dơng và âm của nguồn. Trong khi đó mức ra của bộ so sánh chuyên dụng phù hợp với mức logíc TTL. Sơ đồ của bộ so sánh dùng khuếch đại thuật toán và đặc trng của nó nh sau: + - U ra U + U - o + UU Có bù lệch không o + UU U rH U rL Cha bù lệch không U ra U ra (a) (b) (c) Hình 8.1 (a) Sơ đồ quy ớc của bộ so sánh (b) Đặc tuyến truyền đạt lý tởng (c) Đặc tuyến truyền đạt thực 162 Khi rHra UUUU = > + 0 (U rH :ứng điện áp ra ở mức điện áp cao) rLra UUUU = < + 0 (U rL :ứng điện áp ra ở mức điện áp thấp) Hình A8-1 (phần thực nghiệm) là sơ đồ của hai mạch so sánh, trong đó có dùng vi mạch LM-311 là bộ so sánh chuyên dụng và vi mạch LM-741 mắc trong chế độ hở mạch làm mạch so sánh. Điện áp chuẩn lấy từ nguồn nuôi, thay đổi đợc nhờ chiết áp P 1 . 2. Trigger Schmitt Trigger Schmitt dùng khuếch đại thuật toán có dạng cơ bản là một mạch so sánh, nhng vì có mạch phản hồi dơng nên nó có hai ngỡng chuyển trạng thái. Có hai dạng Trigger Schmitt: Trigger Schmitt đảo và Trigger Schmitt không đảo. Trigger Schmitt đảo có sơ đồ sau: U ngỡng 2 U ngỡng 1 U ra max U ra min U ra - + U ra U V R 1 o o o o R 2 N P U v Hình 8.2 Khi U V có giá trị âm lớn U ra = U ra max ở lối vào không đảo P có: = + = 1 21 max max .R RR U U ra P U ngỡng 1 Tăng dần U vào , trạng thái của trigger không đổi cho đến khi U vào cha đạt tới U ngỡng1 . Khi U vào U ngỡng 1 thì trigger chuyển trạng thái: U ra = - U ra min . Khi đó: = + = 1 21 min min .R RR U U ra P U ngỡng 2 trạng thái này giữ nguyên trong lúc U vào tiếp tục tăng. Khi U vào giảm cho đến khi U vào U ngỡng 2 thì trigger lại chuyển trạng thái: U ra chuyển từ - U ra min đến U ra max . Để hai trạng thái của trigger ổn định cần có điều kiện: 163 1. 21 1 + K RR R K là hệ số khuếch đại của khuếch đại thuật toán. Hình A8-2 (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ của trigger Schmitt dùng khuếch đại thuật toán LM-741 mắc theo kiểu đảo. Trong sơ đồ này có mắc thêm hệ phân áp và diode D 1 để điều chỉnh ngỡng thấp của trigger. 3. Bộ tích phân Bộ lấy tích phân thực hiện phép toán học = dtUKU vora K là hệ số. Sơ đồ của mạch tích phân đảo nh sau: R - + o o i v i C C U ra o o U V Hình 8.3 0 = + CV ii hay 0=+ dt dU C R U raV Suy ra = dtU RC U Vra 1 Trong trờng hợp U vào là một thế nhảy bậc không đổi ta có U ra là một hàm tuyến tính. Với bộ khuếch đại thuật toán thực, ảnh hởng của dòng vào và điện áp lệch không có thể gây ra sai số đáng kể trong mạch tích phân. Để khắc phục ta có thể dùng mạch tích phân có bù dòng tĩnh đầu vào nh sau: (xem hình 8.4) Hình A8-3a (phần thực nghiệm) là sơ đồ tích phân dùng vi mạch thuật toán LM-741. Tổ hợp các giá trị của điện trở và tụ điện bằng cách nối các chốt J khác nhau cho ta 5 hệ số lấy tích phân khác nhau. 164 C R - + U ra o U V o i v i C 'R o o Hình 8.4 4. Bộ vi phân Bộ vi phân thực hiện phép toán dt dU KU vo ra = : K là hệ số. Sơ đồ của một mạch lấy vi phân nh sau: - + o U V o R C i r o o U ra Hình 8.5 0=+ RC ii hay 0=+ R U dt dU C ravo Suy ra dt dU RCU vo ra = Giả sử U vào tU o sin= , ta có tURCU ora cos = . Khi đó hệ số khuếch đại của mạch sẽ là: RC U U K vo ra == tức là K tăng theo tần số. Với mạch vi phân ở trên có một số nhợc điểm sau: - Tạp âm ở tần số cao ở lối ra lớn, có thể lấn át tín hiệu ra. - Trở kháng vào của mạch Cj z V 1 = giảm khi tần số tăng. Do đó với 165 nguồn tín hiệu có trở nội lớn thì chỉ một phần tín hiệu đợc vi phân. Đồng thời ở tần số cao thì hệ số hồi tiếp của mạch giảm. - Mạch kém ổn định vì mạch hồi tiếp gây ra sự di pha . o 90 Để khắc phục các nhợc điểm trên trong thực tế ngời ta dùng mạch vi phân sau: - + o C 1 R i r R 1 U V o C o o U ra Hình 8.6 R 1 làm giảm tạp âm tần số cao và mạch chỉ có tác dụng vi phân khi 11 1 CR o =<< Tụ C tiếp tục hạn chế tạp âm ra vì ở tần số cao thì trở kháng của nó nhỏ. Hình A8-5b (phần thực nghiệm) là sơ đồ tầng vi phân dùng vi mạch thuật toán LM-741 có 3 hệ số vi phân khác nhau. 5. Bộ biến đổi logarit Mạch thực hiện chức năng khuếch đại và tạo hàm phi tuyến UlnKU ra = vào dựa vào đặc trng phi tuyến của diode hoặc transistor khi phân cực thuận. Mạch có sơ đồ nh trên hình 8.7 Dòng và điện áp của diode có quan hệ: oD II = exp ( ) TD UU ; I D , U D là dòng qua diode và điện áp đặt lên diode I o là dòng ban đầu U T là điện áp nhiệt. 166 R - + o U V o i D D R - + o U V o i D T o o U ra U ra o o Hình 8.7 Nhìn trên sơ đồ ta thấy: o D TDra I I UUU ln= Vậy: o vo Tra IR U UU . ln= Hình A8- 4a (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ bộ biến đổi lôgarit dùng mạch khuếch đại thuật toán LM-741. Sơ đồ có 3 chốt cắm để chọn dòng qua diode khác nhau. 6. Bộ biến đổi dạng hàm mũ R - + o U V o D i D R I C - + o T U V o o o U ra o o U ra Hình 8.8 167 Hình 8.8 là sơ đồ bộ biến đổi dạng hàm mũ dùng vi mạch LM-741. Mạch thực hiện chức năng tạo hàm: KU ra = exp (U vào ) K là hệ số Vì: oDra IRRIU = = exp ( ) TD UU do U D = U vào nên ora IRU . = exp ( ) Tvo UU Hình A8- 4b (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ bộ biến đổi dạng hàm mũ. Hãy khảo sát sơ đồ này trên panel thí nghiệm. 168 Phần thực nghiệm A. Thiết bị sử dụng: 1. Thiết bị chính cho thực tập điện tử tơng tự 2. Panel thí nghiệm AE - 108N cho bài thực tập về bộ khuếch đại thuật toán (Gắn lên thiết bị chính ). 3. Dao động ký 2 chùm tia. 4. Dây nối cắm 2 đầu. B. Cấp nguồn và nối dây Panel thí nghiệm AE - 108N chứa 4 mảng sơ đồ A8-1 A8- 4, với các chốt cắm nguồn riêng. Khi sử dụng mảng nào thì nối dây nguồn cho mảng đó. Đất (GND) của các mảng sơ đồ đã đợc nối sẵn với nhau. Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối AE -108N. 1. Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị chính, cung cấp các thế chuẩn , cố định. V5 V12 2. Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị chính, cung cấp các giá trị điện thế một chiều V15 0 + và V15 0 . Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết. Sử dụng đồng hồ đo thế DC trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt. 3. Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của thiết bị chính tới trạm nguồn của khối, hoặc cấp trực tiếp cho mảng sơ đồ cần khảo sát. C. Các bài thực tập 1. bộ so sánh. Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ khuếch đại thuật toán để so sánh tín hiệu tơng tự - xây dựng sơ đồ biến đổi phi tuyến tín hiệu. Các bớc thực hiện: 1.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A8- 1. Chú ý cắm đúng phân cực nguồn. 1.2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở cmV2 , kênh 2 ở cmV5 , thời gian quét ở cmms1 . Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên 169 và phần dới của màn dao động ký. Nối kênh 1 dao động ký với lối vào IN/A. Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát thế ngỡng (điểm E) hoặc tín hiệu ở các lối ra OUT/C 1 và C 2 . 1.3. Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính (khối đế) ở chế độ: - Phát dạng sin (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình sin) - Tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY). - Biên độ ra 5V đỉnh tới đỉnh (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE). 1.4. Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ A8- 1. Thay đổi biến trở P1, ứng với mỗi giá trị thế của P1, vẽ dạng tín hiệu ra ở C 1 C 2 tơng ứng với tín hiệu vào. COMPARATOR: bộ so sánh 1.5. Xác định độ nhạy của các bộ so sánh. Sử dụng khuếch đại thuật toán IC1 và vi mạch so sánh IC2: * Cố định biên độ tín hiệu vào, vặn biến trở P1 để xác định vị trí khi lối ra C xuất hiện hoặc mất tín hiệu. Dùng dao động ký để xác định độ lệch nhỏ nhất giữa biên độ tín hiệu và thế ngỡng P1 mà IC1 và IC2 hoạt động 1.6. Đo mặt tăng tín hiệu ra cho IC1, IC2. 1.7. So sánh các xung quan sát đo đợc giữa các bộ so sánh dùng khuếch đại thuật toán IC1 và dùng vi mạch so sánh IC2. 170 2. Trigger Schmitt Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để tạo sơ đồ trigger Schmitt. Các bớc thực hiện: 2.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A8-2. Chú ý cắm đúng phân cực nguồn SCHMITT TRIGGER: Trigger schmitt 2.2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký kênh 1 ở cmV2 , kênh 2 ở cmV5 , thời gian quét ở cmms1 . Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dới của màn dao động ký. Nối kênh 1 dao động ký với lối vào IN/A. Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát thế ngỡng (điểm E) hoặc tín hiệu ở các lối ra OUT/C1. 2.3. Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở chế độ: - Phát dạng sin (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình sin), tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY). - Biên độ ra 1V đỉnh tới đỉnh (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE). 2.4. Vặn biến trở P1 để VUV 3)( + = , thế ra VVVcV o 11112)( = + . 171 [...]... bảng A 8- 4 Từ kết quả thu đợc viết công thức liên hệ giữa tđ (đo) và RC Bảng A 8- 4 Nối A ì D1 Nối A ì D2 Nối A ì D3 Vo t = R.C t (o) k = tđ (đo) / RC 5 bộ biến đổi logarit Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện các thuật toán lấy logarit tín hiệu 175 Các bớc thực hiện: 5.1 Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A 8- 5 a Chú ý cắm đúng phân cực nguồn Nối J6 để chuyển mảng A 8- 5 a... khuếch đại thuật toán để thực hiện phép biến đổi hàm mũ Các bớc thực hiện: 6.1 Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A 8- 5 b Chú ý cắm đúng phân cực nguồn Nối J5 để chuyển mảng A 8- 4 làm việc ở chế độ hàm mũ 6.2 Nối biến trở P = 10K của thiết bị chính với nguồn +12V và đất Điểm giữa biến trở nối với chốt lối vào IN/A của sơ đồ A 8- 5 b 6.3 Vặn biến trở P, thay đổi thế Vin , đo điện thế ra Vo Ghi kết quả vào bảng A 8- 6... chốt lối vào IN/A của sơ đồ A 8- 5 a 5.3 Nối các chốt theo bảng A 8- 5 Vặn biến trở P, thay đổi thế Vin , đo điện thế ra Vo cho mỗi trờng hợp nối chốt Ghi kết quả vào bảng A 8- 5 Bảng A 8- 5 Vin 100mV 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V Vo (A ì L1) Vo (A ì L2) Vo (A ì L3) Biểu diễn đồ thị sự phụ thuộc thế lối ra Vo (trục y) theo thế vào Vin Kết luận về sự phụ thuộc thế ra đối với thế vào 176 8V 6 bộ biến đổi hàm mũ Nhiệm... FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở chế độ: - Phát dạng vuông góc (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình vuông góc) - Tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY) - Biên độ ra 4V (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE) 4.4 Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ A 8- 3b 4.5 Nối các chốt theo bảng A 8- 1 2, đo biên độ xung ra Vo, vẽ dạng xung... điểm e = V1 Ghi kết quả vào bảng A 8- 1 2.7 Biểu diễn giản đồ xung, trong đó: - Vẽ dạng tín hiệu vào với hai ngỡng trên Vu in và dới Vl in theo giá trị đo đợc - Vẽ dạng tín hiệu ra tơng ứng với tín hiệu vào Bảng A 8- 1 Vin (a) V(e) đo V(e) tính Vo(c) Vin tăng Vu in Vu (e) Vu (e) = 11 R 4 ( R5 + R 4) Vin giảm Vl in V1 (e) Vl (e) = (11 R 4 ( R5 + R 4)) + V ( P1) V ( D1) 2 .8 Thay đổi vị trí P1 = +2V, lặp... quả vào bảng A 8- 2 Bảng A 8- 2 Vin (a) V(e) đo V(e) tính Vin tăng Vu in Vu (e) Vu (e) = 11 R 4 ( R5 + R 4) Vin giảm Vl in V1 (e) Vo(c) Vl (e) = (11 R 4 ( R5 + R 4)) + V ( P1) V ( D1) Nhận xét kết quả 2.9 Kết luận về nguyên tắc hoạt động của trigger Schmitt với hai ngỡng 3 bộ tích phân Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc sử dụng bộ khuếch đại thuật toán để thực hiện phép toán tích phân Các bớc thực hiện: 3.1... chính ở chế độ: - Phát dạng vuông góc (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình vuông góc) - Tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY) - Biên độ ra 4V (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE) 3.4 Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ A 8- 3 a 3.5 Tạo các mạch tích phân với thông số khác nhau bằng cách nối các chốt theo bảng A 8- 3 Quan sát tín... ra Vo Tính thời gian kéo dài độ dốc mặt tăng của tín hiệu ra tr Ghi kết quả vào bảng A 8- 3 Sử dụng các giá trị R, C trong mạch đợc tạo tơng ứng (ví dụ nối A ì 11, R = R1 , C = C4 [Fara] , t = [giây], tính giá trị: tr (tính) = Vo RC Vin = 173 Trong đó Vin là biên độ tín hiệu vào Ghi kết quả vào bảng A 8- 3 Bảng A 8- 3 Nối AìI1 Nối AìI2 Nối AìI3 Nối AìI1,J9 Nối AìI2,J9 Nối AìI3,J9 Vo tr (đo) tr (tính)... máy phát, sẽ có hiện tợng gì xẩy ra, giải thích vì sao? 4 bộ vi phân 174 Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc vi phân của sơ đồ dựa trên bộ khuếch đại thuật toán Các bớc thực hiện: 4.1 Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A 8- 4 Chú ý cắm đúng phân cực nguồn Nối J7 để chuyển mảng A 8- 3 làm việc ở chế độ vi phân 4.2 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 1 V/cm, thời gian quét ở 1 V/cm Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng...Đo thế tại điểm E = Vu (e) Ghi kết quả vào bảng A 8- 1 2.5 Nối máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của sơ đồ A 8- 3 Vặn nút chỉnh tăng biên độ máy phát cho tới khi lối ra có tín hiệu biên độ đỉnh đỉnh Vo (c) = 22V Xác định biên độ tín hiệu vào tại thời điểm IC1 có tín hiệu lối ra Uu in Đo thế tại điểm E = Vl (e) Ghi kết quả vào bảng A 8- 1 2.6 Vặn nút chỉnh giảm biên độ máy phát cho tới . nghiệm A. Thiết bị sử dụng: 1. Thiết bị chính cho thực tập điện tử tơng tự 2. Panel thí nghiệm AE - 108N cho bài thực tập về bộ khuếch đại thuật toán (Gắn lên thiết bị chính ). 3. Dao động. khuếch đại thuật toán để thực hiện phép toán tích phân. Các bớc thực hiện: 3.1. Cấp nguồn 12V cho mảng sơ đồ A 8- 3 a. Chú ý cắm đúng phân cực nguồn. 172 Nối J8 để chuyển mảng A 8- 3 làm việc. Hình A 8- 5 b (phần thực nghiệm) là sơ đồ tầng vi phân dùng vi mạch thuật toán LM-741 có 3 hệ số vi phân khác nhau. 5. Bộ biến đổi logarit Mạch thực hiện chức năng khuếch đại và tạo hàm phi tuyến