Mạch phát xung điều khiển

Mạch phát xung điều khiển

Mạch phát xung điều khiển là các mạch điện tử có thể tạo ra các dạng sóng hình sin, vuông, tam giác và răng cưa bằng cách sử dụng bộ dao động và mạch xung

Trong các hướng dẫn trước, chúng ta đã xem xét chi tiết ba loại mạch tạo xung đa hài cơ bản khác nhau có thể được sử dụng làm bộ dao động đa hài để tạo ra sóng hình vuông hoặc hình chữ nhật ở trên đầu ra của chúng để sử dụng làm tín hiệu xung clock và thời gian.

Nhưng cũng có thể xây dựng các mạch Mạch phát xung cơ bản từ các mạch tích hợp đơn giản hoặc bộ khuếch đại thuật toán được kết nối với mạch điện trở-tụ điện (  RC  ) hoặc với tinh thể thạch anh để tạo ra dạng sóng đầu ra nhị phân hoặc sóng vuông cần thiết ở tần số mong muốn.

Hướng dẫn tạo dạng sóng này sẽ không đầy đủ nếu không có một số ví dụ về các mạch chuyển mạch tái tạo kỹ thuật số, vì nó minh họa cả hoạt động chuyển đổi và hoạt động của Mạch phát xung được sử dụng để tạo ra sóng vuông để sử dụng làm định thời hoặc dạng sóng tuần tự.

Chúng ta biết rằng các mạch chuyển mạch tái sinh như Mạch tạo xung đa hài linh hoạt là bộ dao động đa hài được sử dụng phổ biến nhất vì chúng tạo ra đầu ra sóng vuông không đổi, khiến chúng trở nên lý tưởng như một Mạch phát xung kỹ thuật số .

Mạch tạo xung đa hài tạo ra các bộ dao động tuyệt vời vì chúng chuyển đổi liên tục giữa hai trạng thái không ổn định của chúng với tốc độ lặp lại không đổi, do đó tạo ra đầu ra sóng vuông liên tục với tỷ lệ Mark-Space 1: 1 từ đầu ra của nó và trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ xem xét một số cách khác nhau mà chúng ta có thể xây dựng Mạch phát xung chỉ bằng cách sử dụng các mạch logic TTL và CMOS tiêu chuẩn cùng với một số thành phần định thời rời rạc bổ sung.

Mạch phát xung điều khiển Schmitt

Mạch phát xung đơn giản có thể được xây dựng bằng cách sử dụng bộ khởi động Schmitt cơ bản như TTL 74LS14. Phương pháp này cho đến nay là cách dễ nhất để tạo ra một Mạch phát xung điều khiển cơ bản ổn định. Khi được sử dụng để tạo ra tín hiệu xung clock hoặc tín hiệu thời gian, bộ tạo xung đa hài phải tạo ra một dạng sóng ổn định chuyển đổi nhanh chóng giữa trạng thái “CAO” và “THẤP” mà không có bất kỳ sự biến dạng hoặc nhiễu nào và bộ khởi động Schmitt làm được điều đó.

Chúng ta biết rằng trạng thái đầu ra của bộ khởi động Schmitt là ngược lại hoặc nghịch đảo với trạng thái đầu vào của nó, và nó có thể thay đổi trạng thái ở các mức điện áp khác nhau khiến nó có “độ trễ”.

Bộ khởi động hay kích hoạt Schmitt sử dụng hành động kích hoạt Schmitt để thay đổi trạng thái giữa mức ngưỡng trên và ngưỡng dưới khi tín hiệu điện áp đầu vào tăng và giảm ở đầu vào. Mức ngưỡng trên này “Set” đầu ra và mức ngưỡng dưới “Reset” đầu ra tương ứng với mức logic “0” và mức logic “1” tương ứng. Hãy xem xét mạch dưới đây.

Mạch phát xung Schmitt

Mạch phát xung đơn giản này bao gồm một đơn TTL 74LS14 với một tụ điện, C kết nối giữa đầu đầu vào và đất, (0v) và những phản hồi dương cần thiết cho mạch dao động được cung cấp bởi các điện trở phản hồi, R .

Vì vậy, làm thế nào nó hoạt động?. Giả sử rằng điện tích trên các bản tụ điện dưới mức ngưỡng thấp hơn của Schmitt là 0,8 volt .Điều này làm cho đầu vào của mạch ở mức logic “0” dẫn đến mức đầu ra logic “1” 

Điện trở R bây giờ được kết nối với đầu ra mức logic “1” (+ 5V) trong khi mặt kia của điện trở được kết nối với tụ điện, C ở mức logic “0” (0,8v hoặc thấp hơn) . Tụ điện bây giờ bắt đầu tích điện theo chiều dương qua điện trở với tốc độ được xác định bởi hằng số thời gian RC.

Khi điện tích qua tụ điện đạt đến mức ngưỡng trên 1,6 vôn của bộ kích hoạt Schmitt , đầu ra từ bộ Schmitt sẽ nhanh chóng thay đổi từ mức logic “1” sang trạng thái mức logic “0” và dòng điện chạy qua điện trở đổi chiều.

Sự thay đổi này bây giờ làm cho tụ điện ban đầu được sạc qua điện trở, R bắt đầu tự phóng điện trở lại qua cùng một điện trở cho đến khi điện tích trên các tấm tụ điện đạt đến mức ngưỡng thấp hơn là 0,8 vôn và đầu ra của mạch chuyển trạng thái trở lại với chu kỳ lặp đi lặp lại lặp đi lặp lại miễn là có điện áp cung cấp.

Vì vậy, tụ điện, C liên tục tự sạc và xả trong mỗi chu kỳ giữa các mức ngưỡng trên và dưới của đầu vào của bộ khởi động Schmitt tạo ra mức logic “1” hoặc mức logic “0” ở đầu ra của mạch. Tuy nhiên, dạng sóng đầu ra không đối xứng tạo ra chu kỳ làm việc khoảng 33% hoặc 1/3 vì tỷ lệ Mark-space giữa “CAO” và “THẤP” tương ứng là 1: 2 do đặc tính cổng đầu vào của TTL.

Giá trị của điện trở phản hồi, ( R ) cũng PHẢI được giữ ở mức thấp dưới 1kΩ để mạch dao động chính xác, 220R đến 470R là tốt, và bằng cách thay đổi giá trị của tụ điện, C để thay đổi tần số. Cũng ở mức tần số cao, dạng sóng đầu ra thay đổi hình dạng từ dạng sóng hình vuông sang dạng sóng hình thang do các đặc tính đầu vào của cổng TTL bị ảnh hưởng bởi quá trình sạc và phóng điện nhanh chóng của tụ điện. Do đó, tần số dao động của Mạch phát xung điều khiển Schmitt được cho là:

Tần số dạng sóng Schmitt

Với giá trị điện trở trong khoảng: 100R đến 1kΩ và giá trị tụ điện trong khoảng: 1nF đến 1000uF . Điều này sẽ cung cấp dải tần từ 1Hz đến 1MHz, (tần số cao tạo ra sự biến dạng dạng sóng).

Nói chung, các cổng logic TTL tiêu chuẩn không hoạt động quá tốt như các Mạch phát xung do đặc tính đầu vào và đầu ra trung bình của chúng, sự biến dạng của dạng sóng đầu ra và giá trị thấp của điện trở phản hồi yêu cầu, dẫn đến một tụ điện giá trị cao lớn cho hoạt động tần số thấp.

Ngoài ra bộ dao động TTL có thể không dao động nếu giá trị của tụ phản hồi quá nhỏ. Tuy nhiên, chúng tôi cũng có thể sử dụng công nghệ logic CMOS tốt hơn hoạt động từ nguồn điện 3V đến 15V chẳng hạn như CMOS 40106B Schmitt.

CMOS 40106 có một đầu vào duy nhất có cùng hành động kích hoạt Schmitt như TTL 74LS14 nhưng có khả năng chống nhiễu rất tốt, băng thông cao, độ lợi cao và các đặc tính đầu vào / đầu ra tuyệt vời để tạo ra dạng sóng đầu ra “vuông hơn” như hình dưới đây.

Mạch phát xung điều khiển CMOS Schmitt

Mạch tạo dạng sóng Schmitt cho CMOS 40106 về cơ bản giống với mạch của TTL 74LS14 trước đó, ngoại trừ việc bổ sung điện trở 10kΩ được sử dụng để ngăn tụ điện làm hỏng các transistor đầu vào MOSFET nhạy cảm vì nó phóng điện nhanh ở mức cao hơn tần số.

Tỷ lệ Mark-Space được đồng đều hơn khớp ở mức khoảng 1: 1 với giá trị điện trở phản hồi tăng xuống dưới 100kΩ kết quả trong một tụ điện nhỏ hơn và rẻ hơn. Tần số dao động có thể không giống: (  1 / 1.2RC  ) vì đặc tính đầu vào CMOS khác với TTL. Với giá trị điện trở trong khoảng: 1kΩ đến 100kΩ và giá trị tụ điện trong khoảng: 1pF đến 100uF . Điều này sẽ cung cấp dải tần từ 0,1Hz đến 100kHz.

Mạch phát xung điều khiển clock

Trong mạch đầu tiên ở trên, một Schmitt bổ sung đã được thêm vào đầu ra của Mạch phát xung Schmitt để tạo ra dạng sóng thứ hai là dạng nghịch đảo hoặc phản chiếu của đầu ra tạo ra hai dạng sóng đầu ra bổ sung, vì vậy khi một đầu ra là “CAO” cái còn lại là “THẤP”. Schmitt thứ hai này cũng cải thiện hình dạng của dạng sóng đầu ra nghịch đảo nhưng thêm một “độ trễ” nhỏ vào nó để nó không đồng bộ chính xác với dạng đầu tiên.

Ngoài ra, tần số đầu ra của mạch dao động có thể thay đổi bằng cách thay đổi điện trở cố định, R thành một chiết áp nhưng vẫn cần một điện trở phản hồi nhỏ hơn để ngăn chiết áp làm ngắn mạch khi nó ở giá trị nhỏ nhất, 0Ω .

Chúng ta cũng có thể sử dụng hai đầu ra bổ sung, Q và Q  phủ của mạch đầu tiên để nhấp nháy đèn LED bằng cách kết nối đầu ra của chúng trực tiếp với cực B của hai transistor chuyển đổi như được hiển thị.

Bằng cách này, một hoặc một số đèn LED được kết nối nối tiếp với nhau với cực của các transistor chuyển mạch dẫn đến nhấp nháy luân phiên của từng bộ đèn LED khi mỗi transistor lần lượt được chuyển sang trạng thái “BẬT”.

Ngoài ra khi sử dụng loại mạch này, hãy nhớ tính toán một điện trở nối tiếp phù hợp, R để giới hạn dòng LED dưới 20mA (của LED đỏ) đối với điện áp bạn đang sử dụng.

Để tạo ra một đầu ra tần số rất thấp khoảng vài Hertz để làm nháy đèn LED, Mạch phát xung Schmitt sử dụng các tụ điện định thời giá trị cao .

Một giải pháp thay thế là sử dụng tụ điện có giá trị nhỏ hơn để tạo ra tần số cao hơn nhiều, chẳng hạn như 1kHz hoặc 10kHz, sau đó chia tần số xung nhịp chính này thành các tần số nhỏ hơn cho đến khi đạt được giá trị tần số thấp cần thiết và mạch thứ hai ở trên thực hiện điều đó.

Mạch dưới ở trên cho thấy bộ dao động được sử dụng để điều khiển đầu vào xung clock của bộ đếm gợn sóng điện. Bộ đếm Ripple về cơ bản là một số bộ đếm chia cho 2, kiểu D xếp chồng lên nhau để tạo thành một bộ đếm chia cho N duy nhất, trong đó N bằng số bit của bộ đếm chẳng hạn như CMOS 4024 7-bit Bộ đếm Ripple hoặc Bộ đếm Ripple 12-bit CMOS 4040.

Tần số xung clock cố định được tạo ra bởi mạch xung xung clock Schmitt được chia thành một số tần số phụ khác nhau như, ƒ ÷ 2, ƒ ÷ 4, ƒ ÷ 8, ƒ ÷ 256 , v.v., lên đến mức tối đa “Chia cho n ”của bộ đếm gợn sóng đang được sử dụng. Quá trình sử dụng “Flip-flops”, “Binary Counters” hoặc “Ripple Counters” để chia tần số xung clock cố định chính thành các tần số phụ khác nhau được gọi là Phân chia tần số và chúng ta có thể sử dụng nó để thu được một số giá trị tần số từ một máy phát sóng đơn.

Mạch phát xung điều khiển cổng NAND

Mạch phát xung điều khiển Schmitt cũng có thể được chế tạo bằng cách sử dụng Cổng NAND CMOS Logic tiêu chuẩn được kết nối để tạo ra một mạch biến tần số. Ở đây, hai cổng NAND được kết nối với nhau để tạo ra một loại mạch dao động đa hài RC khác sẽ tạo ra một dạng sóng đầu ra hình sóng vuông như hình dưới đây.

Mạch phát xung cổng NAND

Trong loại mạch tạo dạng sóng này, mạng RC được hình thành từ điện trở, R1 và tụ điện, C với mạng RC này được điều khiển bởi đầu ra của cổng NAND đầu tiên .Đầu ra từ R1-C được đưa trở lại vào đầu vào của cổng NAND cổng qua điện trở R2 và khi điện áp sạc trên tụ điện đạt đến mức ngưỡng trên của NAND đầu tiên,Nó thay đổi trạng thái gây ra  cổng NAND thứ 2 thay đổi theo, do đó thay đổi trạng thái và tạo ra sự thay đổi mức đầu ra.

Điện áp trên mạng R1-C bây giờ được đảo ngược và tụ điện bắt đầu phóng điện qua điện trở cho đến khi nó đạt đến mức ngưỡng thấp hơn của cổng NAND đầu tiên khiến hai cổng thay đổi trạng thái một lần nữa. Giống như mạch tạo dạng sóng Schmitt trước đó ở trên, tần số dao động được xác định bởi hằng số thời gian R1-C , được cho là: 1 / 2.2R1C . Nói chung R2 được cho một giá trị gấp 10 lần giá trị của điện trở R1 .

Khi yêu cầu độ ổn định cao hoặc khả năng tự khởi động được đảm bảo, Mạch phát xung điều khiển CMOS có thể được thực hiện bằng cách sử dụng ba cổng NAND đảo ngược hoặc ba bộ nghịch lưu logic bất kỳ cho vấn đề đó, được kết nối với nhau như hình dưới đây tạo ra một mạch dưới đây. Tần số của dao động lại được xác định bằng hằng số thời gian R1C , giống như đối với hai dao động cổng ở trên, và được cho là: 1 / 2.2R1C khi R2 có giá trị gấp 10 lần giá trị của điện trở, R1 .

Mạch phát xung cổng NAND ổn định

Việc bổ sung thêm cổng NAND đảm bảo rằng bộ dao động sẽ bắt đầu ngay cả với các giá trị tụ điện rất thấp. Ngoài ra, độ ổn định của Mạch phát xung cũng được cải thiện đáng kể vì nó ít bị biến đổi nguồn điện hơn do mức kích hoạt ngưỡng của nó là gần một nửa điện áp cung cấp.

Mức độ ổn định chủ yếu được xác định bởi tần số dao động và nói chung, tần số càng thấp thì bộ dao động càng ổn định.

Vì loại Mạch phát xung điều khiển này hoạt động ở gần một nửa hoặc 50% điện áp cung cấp nên dạng sóng đầu ra kết quả có rất gần 50% chu kỳ làm việc, tỷ lệ mark – space 1: 1. Mạch phát xung ba cổng có nhiều ưu điểm hơn bộ tạo dao động hai cổng trước ở trên nhưng một nhược điểm lớn của nó là nó sử dụng thêm một cổng logic.

Mạch phát xung điều khiển kiểu vòng

Chúng ta đã thấy ở trên rằng Mạch phát xung có thể được tạo ra bằng cách sử dụng cả TTL và công nghệ logic CMOS tốt hơn với mạng RC tạo ra độ trễ thời gian trong mạch khi được kết nối qua một, hai hoặc thậm chí ba cổng logic để tạo thành Bộ dao động đa hài RC đơn giản. Nhưng chúng ta cũng có thể tạo ra các Mạch phát xung chỉ bằng cách sử dụng cổng Logic NOT hay nói cách khác là biến đổi mà không cần bất kỳ thành phần thụ động bổ sung nào được kết nối với chúng.

Bằng cách kết nối với nhau bất kỳ  (3, 5, 7, 9, v.v.) của cổng NOT để tạo thành mạch “vòng”, để đầu ra của vòng được kết nối thẳng trở lại đầu vào của vòng, mạch sẽ tiếp tục dao động như mức logic “1” liên tục quay xung quanh mạng tạo ra một tần số đầu ra được xác định bởi độ trễ lan truyền của các bộ biến đổi được sử dụng.

Mạch phát xung điều khiển vòng

Tần số dao động được xác định bởi tổng độ trễ lan truyền của bộ biến đổi được sử dụng trong vòng và bản thân nó được xác định bởi loại công nghệ TTL, CMOS, BiCMOS mà bộ biến đổi được tạo ra. Trễ lan truyền hoặc thời gian lan truyền, là tổng thời gian cần thiết (thường tính bằng Nano giây) để tín hiệu đi thẳng qua bộ biến đổi từ logic “0” đến đầu vào để tạo ra logic “1” ở đầu ra của nó.

Ngoài ra, đối với loại mạch tạo dạng sóng vòng này, các biến về điện áp nguồn, nhiệt độ và điện dung tải đều ảnh hưởng đến độ trễ lan truyền của các cổng logic. Nói chung, thời gian trễ truyền trung bình sẽ được đưa ra trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất cho loại cổng logic kỹ thuật số đang được sử dụng với tần số dao động được cho là:

Trong đó: ƒ là tần số dao động, n là số cổng được sử dụng và Tp là độ trễ lan truyền cho mỗi cổng.

Ví dụ, giả sử rằng một mạch tạo dạng sóng đơn giản có 5 bộ biến đổi riêng lẻ được mắc nối tiếp với nhau để tạo thành Bộ dao động vòng , độ trễ lan truyền cho mỗi Biến tần được cho là 8ns . Khi đó tần số của dao động sẽ cho là:

Tất nhiên, đây không thực sự là một bộ dao động thực tế do chủ yếu là tính không ổn định và tần số dao động rất cao Megahertz tùy thuộc vào loại công nghệ cổng logic được sử dụng, và trong ví dụ đơn giản của chúng tôi, nó được tính là 12,5MHz !!. Tần số đầu ra của bộ tạo dao động vòng có thể được “điều chỉnh” một chút bằng cách thay đổi số lượng bộ biến đổi được sử dụng trong vòng nhưng tốt hơn nhiều là sử dụng Mạch phát xung kết hợp RC ổn định như chúng ta đã thảo luận ở trên.

Tuy nhiên, nó cho thấy rằng các cổng logic có thể được kết nối với nhau để tạo ra các Mạch phát xung dựa trên cổng logic và các mạch kỹ thuật số được với rất nhiều cổng, đường dẫn tín hiệu và vòng phản hồi đã được biết là dao động không chủ ý.

Bằng cách sử dụng mạng RC trên mạch , tần số dao động có thể được kiểm soát chính xác tạo ra một mạch dao động đa hài thực tế hơn để sử dụng trong nhiều ứng dụng điện tử nói chung.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.

Back to top button