Giáo trình Kỹ thuật xung số - Bài mở đầu: Các khái niệm cơ bản về kỹ thuật xung số

 t 
 Các dạng xung tạo ra từ các mạch điện được thiết kế thường có một số dạng cơ 
 bản: 
(u,t) (u,t) (u,t (u,t) 
 t t t t 
 Hình 1.4: Các dạng xung cơ bản của các mạch điện được thiết kế 
1.1. Các thông số cơ bản 
a. Các tham số của xung điện: 
Dạng xung vuông lý tưởng được trình bày trên 
 U, 
 off 
 I 
 t 
 on 
 Hình 1.5: Các thông số cơ bản của xung 
 + Độ rộng xung: là thời gian xuất hiện của xung trên mạch điện, thời gian 
này thường được gọi là thời gian mở ton. Thời gian không có sự xuất hiện của 
xung gọi là thời gian nghỉ t off. 
+ Chu kỳ xung: là khỏang thời gian giữa 2 lần xuất hiện của 2 xung liên tiếp, 
được tính theo công thức: 
 T= t on + t off (1.1) 
 Tần số xung được tính theo công thức: 
 f = 1 (1.2) 
 T
+ Độ rỗng và hệ số đầy của xung: 
- Độ rỗng của xung là tỷ số giữa chu kỳ và độ rộng xung, được tính theo công 
thức: 
 Q = T (1.3) 
 Ton
- Hệ số đầy của xung là nghịch đảo của độ rỗng, được tính theo công thức: 
 T
 n = on (1.4) 
 T
Trong thực tế, người ta ít quan tâm đến tham số này, người ta chỉ quan tâm trong 
khi thiết kế các bộ nguồn kiểu xung, để đảm bảo điện áp một chiều được tạo ra 
sau mạch chỉnh lưu, mạch lọc và mạch điều chỉnh sao cho mạch điện cấp đủ 
dòng, đủ công suất, cung cấp cho tải. 
+ Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau: 
Trong thực tế, các xung vuông, xung chữ nhật không có cấu trúc một cách lí 
tưởng. Khi các đại lượng điện tăng hay giảm để tạo một xung, thường có thời 
gian tăng trưởng (thời gian quá độ)nhất là các mạch có tổng trở vào ra nhỏ hoặc 
có thành phần điện kháng nên 2 sườn trước và sau không thẳng đứng một cách lí 
tưởng. 
Do đó thời gian xung được tính theo công thức: 
 ton = tt + tđ + ts (1.5) 
Trong đó: 
ton: Độ rộng xung 
tt : Độ rộng sườn trước 
tđ : Độ rộng đỉnh xung 
ts : Độ rộng sườn sau 
 Sườn đỉnh 
 U,I trước 
 xung Sườn 
 sau 
 t 
 Hình 1.6: Cách gọi tên các cạnh xung. 
Độ rộng sườn trước t1 được tính từ thời điểm điện áp xung tăng lên từ 10% đến 
90% trị số biên độ xung và độ rộng sườn sau t2 được tính từ thời điểm điện áp 
xung giảm từ 90% đến 10% trị số biên độ xung. Trong khi xét trạng tháI ngưng 
dẫn hay bão hòa của các mạch điện điều khiển 
Ví dụ, xung nhịp điều khiển mạch logic có mức cao H tương ứng với điện áp 
+5V. Sườn trước xung nhịp được tính từ khi xung nhịp tăng từ +0,5V lên đến 
+4,5V và sườn sau xung nhịp được tính từ khi xung nhịp giảm từ mức điện áp 
+4,5V xuống đến +0,5V. 10% giá trị điện áp ở đáy và đỉnh xung được dùng cho 
việc chuyển chế độ phân cực của mạch điện. Do đó đối với các mạch tạo xung 
nguồn cung cấp cho mạch đòi hỏi độ chính xác và tính ổn định rất cao. 
+ Biên độ xung và cực tính của xung: 
Biên độ xung là giá trị lớn nhất của xung với mức thềm 0V (U, I)Max (Hình 1.7) 
 Hình dưới đây mô tả dạng xung khi tăng thời gian quét của máy hiện sóng. Lúc 
đó ta chỉ thấy các vach nằm song song (Hình 1.7b) và không thấy được các vạch 
hình thành các sườn trước và sườn sau xung nhịp. Khi giảm thời gian quét ta có 
thể thấy rõ dạng xung với sườn trước và sườn sau xung (Hình 1.7c) 
 Hình 1.7: Xung vuông trên màn hình máy hiện sóng 
Xung vuông lý tưởng 
xung vuông khi tăng thời gian quét c) xung vuông khi giảm thời thời gian quét 
 Giá trị đỉnh của xung là giá trị được tính từ 2 đỉnh xung liền kề nhau (Hình 1.7) 
 U, 
 I 
 t 
 Hình 1.8: Giá trị đỉnh xung 
Cực tính của xung là giá trị của xung so với điện áp thềm phân cực của 
xung.Hình1.9: 
 U, I U, I 
 t 
 t 
 xung dương xung âm 
 Hình 1.9: Các dạng xung dương và xung 
 âm 
b. Chuỗi xung: 
 Trong thực tế xung điện là nền tảng của kỹ thuật điều khiển. Các thiết bị 
điều khiển đầu tiên ra đời điều khiển các mạch điện có chức năng đơn giản 
thường chỉ cần điều khiển bằng một xung. Trong một chuỗi xung, các xung có 
hình dạng giống nhau và biên độ bằng nhau. 
Nếu chuỗi xung được tạo ra liên tục trong quá trình làm việc thì gọi là chuỗi 
xung liên tục. 
 Nếu chuỗi xung được tạo ra trong từng khỏang thời gian nhất định gọi là 
chuỗi xung gián đọan. Đối với chuỗi xung gián đọan, ngoài các thông số cơ bản 
của xung còn có thêm các thông số: 
- Số lượng xung trong chuỗi, 
- Độ rộng chuỗi xung, 
- Tần số chuỗi xung. 
 U, I U, I 
 t t 
 a) b) 
 Hình 1.10: Chuỗi xung liên tục (a) và chuỗi xung gián đoạn (b) 
1.2. Các hàm cơ bản 
1.2.1. Hàm R – L – C 
Trong thực tế, mạch điện không dùng mạch mắc theo RLC trong các mạch xử lý 
dạng xung, thường sau khi đã xử lý xong thì mạch RLC thường dùng để lọc tín 
hiệu hoặc xử lý bù pha dòng điện, do dòng điện hay điện áp qua L, C đều bị lệch 
pha một góc 900 nhưng ngược nhau, nên cùng một lúc qua L và C sẽ dẫn đến 
chúng lệch nhau một góc 1800 . Nên dễ sinh ra hiện tượng cộng hưởng, tự phát 
sinh dao động. 
 Ur 
 L
 Vi R C Vo
 r
 t 
 Hình 1.11: Mạch R-L-C 
 Khi tác động vào mạch một đột biến dòng điện, trong mạch sẽ phát sinh 
dao động có biện độ suy giảm và dao động quanh trị số không đổi Ir. Nguyên 
nhân của sự suy giảm là do do điện trở song song với mạch điện R và r làm rẽ 
nhánh dòng điện ngõ ra. Nếu tần số của cộng hưởng riêng của mạch trùng với 
tần số của xung ngõ vào làm cho mạch cộng hưởng, biên độ ngõ ra tăng cao. 
Nếu ngõ vào là chuỗi xung thì: 
- Nếu thời gian lặp lại của xung ngắn hơn chu kỳ cộng hưởng biên độ ngõ ra sẽ 
tăng dần theo thời gian dễ gây quá áp ở ngõ vào của tầng kế tiếp. 
- Nếu thời gian lặp lại của xung bằng với chu kỳ cộng hưởng thì biên độ tín hiệu 
ngõ ra gần bằng với tín hiệu ngõ vào, có dạng hình sin và thềm điện áp là hìn sin 
tắt dần, không có lợi cho các mạch xung số. Trong thực tế mạch này được dùng 
để lọc nhiễu xung có biên độ cao và tần số lớn với điện áp ngõ vào có dạng hình 
sin. 
1.2.2 Hàm tích phân: 
 Hàm tích phân là mạch mà điện áp ra vo(t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian 
của điện áp vào vi(t). 
Ta có: vo(t) = K vi(t) (1.6) 
 Trong đó K là hệ số tỉ lệ. 
Mạch tích phân RC: 
 Vi R Vo
 C
 Hình 1.12: Mạch tích phân RC 
 Mạch tích phân RC chính là mạch lọc thấp qua dùng RC. Tần số cắt của 
mạch lọc là: 
 1
 fc (1.7) 
 2 RC
 Do vậy điện áp vào Vi là hàm biến thiên theo thời gian nên điện áp trên 
điện trở R và tụ điện C cũng là hàm biến thiên theo thời gian. Ta có: 
Vi(t) = VR(t) + VC(t) (1.8) 
 Xét mạch điện ở trường hợp nguồn điện áp vào Vi có tần số fi rất cao so với 
tần số cắt fc. Lúc đó dung kháng XC sẽ có trị số rất nhỏ do. 
 1
 Xc (1.9) 
 2 fiC
 1 1
Như vậy: Nếu f >> fc thì R >> Xc 
 2 RC 2 fiC
Suy ra: VR(t) >> VC(t) vì dòng i(t) qua R và C bằng nhau. 
Điện áp đối với tụ C được tính theo công thức: 
 1
Vc i(t)dt (1.10) 
 C 
Như vậy điện áp trên tụ C cũng là điện áp ra từ đó ta có điện ra V0(t) 
 1
Vo Vi(t)dt (1.11) 
 RC 
b. Điện áp vào là tín hiệu xung vuông: 
 Khi điện áp vào là tín hiệu xung vuôn có chu kỳ là Ti thì có thể xét tỷ lệ 
hằng số thời gian  RC so với Ti để giải thích các dạng sóng ra theo hiện tượng 
nạp xả của tụ. 
 Vi(t
 ) 
 t 
 Ti 
 Vo(t) 
 VP(t) 
 t 
 Vo(t) Khi  << T 
 VP(t) 
 t 
 Vo(t) Khi  == Ti/5 
 VP(t) 
 t 
 Khi  >> T 
 Hình 1.13: Dạng sóng vào và ra của mạch tích phân nhận xung vuông 
 Giả thiết điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng chu kỳ Ti. 
 Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian  RC rất nhỏ so với Ti thì tụ 
nạp và xả rất nhanh nên điện áp ngõ ra Vo(t) có dạng giống như dạng điện áp 
vào Vi(t). 
 Ti
 Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian  thì tụ nạp và xả điện áp 
 5
theodạng hàm số mũ, biên độ đỉnh của điện áp ra thấp hơn VP. 
 Nếu mạch tích có hằng số thời gian  rất lớn so với Ti thì tụ C nạp rất 
chậm nên điện áp ra có biên độ rất thấp nhưn đường tăng giảm điện áp gần như 
đường thẳng. 
 Như vậy, mạch tích phân nếu chọn trị số RC thaichs hợp thì có thể sửa 
dạng xung vuông ở ngõ vào thành dạng xung tam giác ở ngõ ra. Nếu xung 
vuông đối xứng thì xung tam giác ra là tam giác cân. 
1.2.3. Hàm vi phân: 
 Là hàm có điện ra có điện áp ngõ ra V0(t) tỉ lệ với đạo hàm theo thời gian 
của điện áp ngõ vào Vi(t). 
 d
 Ta có: Vo(t) K Vi(t) (1.12) 
 dt
 Trong đó K là hệ số tỉ lệ. 
 Trong kỹ thuật xung , mạch vi phân có tác dụng thu hẹp độ rộng xung tạo 
ra các xung nhọn để kích cac linh kiện điều khiển hay linh kiện công suất khác 
như SCR, Triac.. 
 a. Mạch vi phân dung RC: 
 Vi C Vo
 R
 Hình 1.14: Mạch vi phân RC 
 Mạch vi phân dung RC chính la mạch lọc cao qua dung RC. Tần số cắt 
của mạch lọc là: 
 1
 fc (1.13) 
 2 RC
 Vì vậy dòng điện i(t) qua mchj cho ra sự phân áp như sau: 
 Vi(t) = VC(t) + VR(t) (1.14) 
 Xte mạch điện ổ trường hợp nguồn điện áp vào Vi(t) có tần số fi rất thấpso 
 1
với tần số cắt fc. Lúc đó fi << fc và ơ tần số này thì dung kháng XC có trị 
 2 RC
số rất lớn. 
 1
 Như vậy: R << Xc 
 2 fiC
 Suy ra: VR(t) << VC(t) vì dòng điện qua R và C bằng nhau 
 Hay : Vi(t)  VC(t) 
 Điện áp trên tụ điện C được tính theo công thức: 
 q(t)
 Vc(t) 
 C
 (1.15) 
 Trong đó q là điện tích nạp cho tụ: 
 dVi(t)
 i(t) C (1.16) 
 dt
 Vậy điện áp trên điện trở chính là điện áp ra: 
 dv (t)
 Vo(t) RC i (1.17) 
 dt
 Ta có hằng số thòi gian  RC 
b. Điện áp vào là tín hiệu xung vuông: 
 Khi điện áp vào là tín hiệu xung vuông có chu kỳ Ti thì xét tỉ lệ hằng số thời 
gian  RC so với Ti để giải thích dạng sóng ra theo hiện tượng nạp, xả của tụ 
điện. 
 Vi 
 t a. Dạng sóng ngõ vào 
 Vo 
 TC
 t b. Dạng sóng ngõ ra khi  
 5
 Vo 
 t c. Dạng sóng ngõ ra khi  Ti 
 Hình 1.15: Dạng sóng vào ra của mạch vi phân nhận xung vuông 
 Giả thiết điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng ó chu kỳ Ti. 
 TC
Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian  thì tụ nạp và xả điện tạo dòng i(t) 
 5
qua điện trở R tạo ra điện áp giảm theo hàm số mũ. Khi điện áp ngõ vào bằng 0v 
thì đầu dương của tụ nối mass và tụ sẽ xả điện âm trên điện trở R. Ở ngõ ra sẽ có 
hai xung ngược đầu nhau và có biên độ giảm dần. 
 Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian  rất nhỏ so với Ti thì tụ sẽ nạp xả 
điện rất nhanh cho ra 2 xung ngược dấu nhưng có độ rộng xung rất hẹp được gọi 
là xung nhọn. 
 Như vậy nếu thỏa mãn điều kiện cảu mạch vi phân thì mach RC se đổi tín 
hiệu từ xung vuông đơn cực ra 2 xung nhọn lưỡng cực như ở hình c. 
1.3. Hàm RC và hàm RL 
1.3.1. Hàm RC 
Có hai mạch lọc RC cơ bản là mạch lọc thấp đi qua và mạch lọc cao đi qua 
 Vi R Vo
 C
 Hình 1.16 a: Mạch lọc thấp đi qua Hình 1.16 b: Đáp ứng tần số 
 Vi C Vo
 R
 Hình 1.17 a: Mạch lọc cao qua 
 Hình 1.17 b: Đáp ứng tần số 
 Trong cả hai mạch lọc thấp qua và mạch lọc cao qua dùng RC tần số được tính 
theo công thức: 
 1
 fc (1.18) 
 2 RC
Ở tần số cắt điện áp ra Vo có biên độ là: 
 Vi
Vo (1.19) 
 2
1.3.2. Hàm R-L 
 Người ta có thể dùng điện trở R kết hợp với cuộn cảm L để tạo thành các 
mạch lọc thay cho tụ C. Do tính chất của L và C ngược nhau đối với tần số nên 
mạch lọc thấp qua và cao qua khi dùng RL có cách mắc ngược lại với mạch RC. 
 R 
 L Vi Vo 
 Vi Vo 
 R L 
 Hình 1.18a: Hình 1.18 b: 
 M ạch lọc thấp dùng RL Mạch lọc cao dùng RL 
 Hai mạch lọc thấp qua và mạch lọc cao qua dung RL cũng có đáp ứng tần 
số và có dạng giống như trong mạch lọc RC 
 R
 fc (1.20) 
 2 L
2. Các phương pháp biến đổi dạng xung 
- Biến đổi xung Sin thành xung vuông 
- Biến đổi xung Sin thành xung tam giác 
- Biến đổi xung vuông thành xung Sin 
3.Các mạch xén-mạch ghim 
Mục tiêu: 
- Trình bày được nguyên lý của các mạch xén, mạch ghim. 
3.1.Mạch xén 
 Mạch xén là mạch cắt đi một phần của dạng điện áp vào ở trên hay ở dưới 
một mức chuẩn nào đó. Mối liên hệ giữa ngõ vào và ngõ ra của mạch xén 
thường có các dạng sau: 
 Hình 1.19. Đặc tuyến truyền đạt của một số mạch xén cơ bản 
 Dựa vào cấu trúc mạch xén gồm mạch xén song song và mạch xén nối tiếp. 
- Mạch xén song song là mạch xén có phần tử xén nối song song với ngõ 
ra. 
- Mạch xén nối tiếp là mạch xén có phần tử xén nối nối tiếp với ngõ ra. 
3.1.1 Mạch xén song song 
Xét mạch sau: 
 Hình 1.20. Mạch xén song song 
Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode. Mạch trên có hai trường 
hợp xảy ra: 
- Trường hợp 1: Khi Va>Vk Vi>Vdc, diode dẫn, sơ đồ mạch trở thành: 
Trường hợp 2: Khi Va<Vk Vi<Vdc, diode ngưng dẫn, sơ đồ mạch trở 
thành: 
3.1.2 Mạch xén nối tiếp 
 Xét mạch sau: 
 Hình 1.21. Mạch xén nối tiếp 
 Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode. Mạch trên có hai 
trường hợp xảy ra: 
- Trường hợp 1: Khi Va>Vk Vi>Vdc, diode dẫn, sơ đồ mạch trở thành: 
Trường hợp 2: Khi Va<Vk Vi<Vdc, diode ngưng dẫn, sơ đồ mạch trở thành: 
3.2.Mạch ghim 
3.2.1.Mạch ghim đỉnh trên 
* Cho mạch hình 1.22a, điện áp Vi và Vdc như hình 1.22b. 
 Hình 1.22.Mạch ghim đỉnh trên và điện áp Vi , Vdc 
Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode và Vc là điện áp trên tụ. 
Giả sử, ban đầu điện áp trên tụ Vc bằng không. 
* Trong khoảng thời gian 0 Vk làm diode dẫn, mạch hình 
1.22a trở thành: 
 * Trong khoảng thời gian t1 < t < t2, ta thấy Va < Vk làm diode ngưng dẫn, 
mạch hình 1.22a trở thành: 
Tụ C xả qua R. Do R rất lớn nên tụ xả không đáng kể nên Vc là hằng số trong 
suốt khoảng thời gian từ t1 đến t2 đến Vc = Vm – Vdc 
Mà: Vo = Vi – Vc= –Vm –(Vm – Vdc)= –2Vm + Vdc 
* Trong khoảng thời gian t2 < t < t3: 
Ta có: –Vi +Vc +Vak +Vdc= 0 suy ra Vak= Vi – Vc – Vdc 
Do trong thời gian trước tụ xả không đáng kể nên tại thời điểm t2 điện áp trên tụ 
Vc= Vm – Vdc. 
Suy ra Vak= Vi – (Vm – Vdc) – Vdc = Vm – Vm + Vdc – Vdc= 0 
Lúc này, diode vẫn ngưng dẫn, Vo= Vi – Vc= Vm – (Vm – Vdc)= Vdc 
* Ta làm tương tự cho các khoảng thời gian khác. 
Từ những trình bày trên điện áp ra có dạng như hình 1.23: 
 Hình 1.23. Giản đồ xung 
3.2.2 Mạch ghim đỉnh dưới 
* Cho mạch hình 1.24a, điện áp Vi và Vdc như hình 1.24b. 
 Hình 1.24.Mạch ghim đỉnh dưới và điện áp Vi,Vdc 
Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode và Vc là điện áp trên tụ. 
Giả sử, ban đầu điện áp trên tụ Vc bằng không. 
* Trong khoảng thời gian 0 Va làm diode ngưng dẫn, 
mạch hình 1.24a trở thành: 
Tụ C nạp qua điện trở R có giá trị rất lớn nên nạp không đáng kể. 
Suy ra Vc = 0V và Vo = Vi – Vc= Vi 
* Trong khoảng thời gian t1 Vk làm diode dẫn, mạch 
hình 1.24a trở thành: 
Do đó Vo = Vdc Tụ C nạp qua diode nên đầy tức thì 
lúc này Vc = Vi – Vo= –Vm – Vdc 
* Trong khoảng thời gian t2 < t < t3: 
Diode ngưng dẫn, tụ xả qua R nên không đáng kể. Do đó Vc là hằng số trong 
khoảng thời gian từ t2 đến t3 và Vc= –Vm – Vdc 
Mà: Vo= Vi – Vc nên Vo= Vm + (Vm + Vdc)= 2Vm +Vdc 
 * Trong khoảng thời gian t3 < t < t4: 
Ta có: –Vi +Vc +Vka +Vdc=0 suy ra Vka= Vi – Vc – Vdc 
Do trong thời gian trước tụ xả không đáng kể nên tại thời điểm t3 điện áp trên tụ 
Vc= –Vm – Vdc. 
Suy ra Vka = Vi + (Vm + Vdc) – Vdc = –Vm + Vm + Vdc – Vdc= 0 
Do đó diode vẫn ngưng dẫn. 
Nên Vo= Vi – Vc= –Vm +(Vm +Vdc) 
và Vo= Vdc 
* Ta làm tương tự cho các khoảng thời gian khác. 
Từ những trình bày trên điện áp ra có dạng: