Mạch tạo xung và sơ đồ, ứng dụng của mạch tạo xung trong điện tử

Mạch tạo xung là một trong những khối linh kiện quan trọng và phổ biến trong lĩnh vực điện tử. Với khả năng tạo ra xung điện với các thông số và tần số khác nhau, mạch này đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng điện tử hiện đại. Từ các ứng dụng cơ bản như đồng hồ điện tử cho đến các ứng dụng phức tạp như vi xử lý, mạch tạo xung đóng vai trò không thể thiếu. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào khám phá cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng thực tế của mạch tạo xung trong lĩnh vực điện tử.

Mạch tạo xung là gì?

Mạch tạo xung là một mạch điện hoặc thiết bị được thiết kế để tạo ra xung điện hoặc sóng điện. Xung điện thường được tạo ra trong các mạch này với các đặc tính như tần số, biên độ và thời gian tồn tại được điều chỉnh để phù hợp với yêu cầu cụ thể của một ứng dụng điện tử.

Mạch tạo xung thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện tử khác nhau nơi cần có một tín hiệu chu kỳ định. Chúng có thể được tìm thấy trong các thiết bị như đồng hồ điện tử, vi xử lý, điều khiển tự động, và nhiều ứng dụng khác trong lĩnh vực điện tử kỹ thuật số và viễn thông.

Mạch tạo xung chuyển đổi tín hiệu điện một chiều thành tín hiệu điện có xung và tần số theo yêu cầu cụ thể. Chúng thường bao gồm các linh kiện điện tử như bộ kích thích, tụ điện và các linh kiện khác để tạo ra xung điện với các đặc tính mong muốn.

Chức năng chính của mạch tạo xung là cung cấp một nguồn tín hiệu có xung có thể được điều chỉnh, làm cho chúng trở thành một công cụ linh hoạt trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau trong điện tử.

Xem thêm: Mạch khuếch đại là gì và nguyên lý hoạt động của mạch mạch khuếch đại.

Các loại mạch tạo xung

Mạch Schmitt Trigger

Mạch Schmitt Trigger, hay còn gọi là bộ kích Schmitt, là một loại mạch đặc biệt trong điện tử kỹ thuật số. Nó được sử dụng để biến đổi tín hiệu vào thành tín hiệu ra với mức độ chính xác và ổn định, đặc biệt là trong các ứng dụng cần xử lý tín hiệu analog thành tín hiệu digital hoặc ngược lại.

Mạch Schmitt Trigger có hai ngưỡng hoạt động: ngưỡng cao (upper threshold) và ngưỡng thấp (lower threshold). Khi tín hiệu vào vượt quá ngưỡng cao, tín hiệu ra chuyển từ mức thấp sang mức cao, và ngược lại, khi tín hiệu vào thấp hơn ngưỡng thấp, tín hiệu ra chuyển từ mức cao sang mức thấp. Điều này tạo ra một hình dạng sóng vuông hoặc hình dạng sóng xung.

Một trong những ứng dụng phổ biến của mạch Schmitt Trigger là trong các mạch cộng hưởng (feedback circuits) và các mạch đầu vào số hóa (digital input circuits). Nó cũng được sử dụng để giảm nhiễu và đảm bảo rằng tín hiệu vào được xử lý đúng đắn trong môi trường nhiễu.

Trong tự động hóa và điều khiển tự động, mạch Schmitt Trigger được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu digital hoặc ngược lại, giúp trong việc xác định các trạng thái hoạt động của hệ thống và thực hiện các quyết định điều khiển.

Mạch đa hài đợi

Mạch đa hài đợi (Multivibrator) là một loại mạch điện tử được sử dụng để tạo ra các xung điện với chu kỳ và tần số nhất định. Mạch cho dãy xung vuông đầu ra có tần số bằng tần số xung vào. Mạch này được gọi là "đa hài" vì nó có thể tạo ra hai loại xung đầu ra khác nhau: xung đầu ra chuyển đổi giữa hai trạng thái cao và thấp (ví dụ: xung reo cảm ứng), hoặc xung đầu ra chuyển đổi giữa hai trạng thái cao và thấp sau mỗi chu kỳ (ví dụ: xung dao động). Mạch đa hài đợi thường được sử dụng trong các ứng dụng như đồng hồ điện tử, mạch chớp đèn LED, và các ứng dụng đồng bộ hóa trong viễn thông và điều khiển tự động.

Mạch đa hài tự dao động

Mạch đa hài tự đồng hồ (astable multivibrator) là một loại mạch đa hài mà không có trạng thái cố định nào và không cần tín hiệu vào bên ngoài để kích hoạt. Thay vào đó, mạch này sử dụng các thành phần bên trong của nó, chẳng hạn như transistor và bộ tự kích hoạt thuật toán , để tạo ra các xung vuông đầu ra tự động.

Trong mạch đa hài tự đồng hồ sử dụng transistor, sự chuyển đổi giữa hai trạng thái hoạt động khác nhau của transistor tạo ra sự biến đổi liên tục giữa hai mức điện áp đầu ra, tạo thành dãy xung vuông với chu kỳ và tần số phụ thuộc vào các thành phần RC của mạch (trở kháng và tụ điện).

Mạch đa hài tự đồng hồ sử dụng Bộ khuếch đại thuật toán (BKĐTT) cũng hoạt động theo cách tương tự, với việc sử dụng thuật toán để tạo ra các xung vuông đầu ra tự động dựa trên điều kiện cài đặt và các thông số của mạch.

Trong cả hai trường hợp, mạch đa hài tự đồng hồ tạo ra các xung vuông đầu ra với tần số và chu kỳ ổn định, làm cho chúng hữu ích trong nhiều ứng dụng như đồng hồ điện tử, mạch chớp đèn LED, và các ứng dụng điều khiển tự động.

Mạch dao động nghẹt

Mạch dao động nghẹt (choked oscillator) là một loại mạch dao động trong điện tử mà nguyên tắc hoạt động dựa trên việc sử dụng tranzistor và một biến áp được ghép chặt để tạo ra hồi tiếp dương sâu.

Trong mạch này, biến áp được sử dụng để tạo ra một hồi tiếp dương sâu (positive feedback) từ cực thu được đến cực cấp của tranzistor. Điều này làm cho trạng thái hoạt động của mạch tự duy trì và dẫn đến việc tạo ra một dãy xung vuông hẹp với độ rộng lớn.

Mạch dao động nghẹt thường tự làm việc mà không cần tín hiệu vào bên ngoài để kích hoạt. Các thành phần bên trong của mạch tạo điều kiện để sinh ra các xung vuông với đặc tính tần số và độ rộng được xác định bởi các thông số của mạch, chẳng hạn như các thành phần của biến áp và các thuật toán điều chỉnh.

Dãy xung vuông được tạo ra từ mạch dao động nghẹt thường có đặc tính đặc biệt, với độ rộng lớn và tần số được điều chỉnh để phù hợp với yêu cầu cụ thể của ứng dụng điện tử. Mạch này thường được sử dụng trong các ứng dụng như viễn thông, mạch chuyển mạch, và các hệ thống điều khiển tự động.

Mạch hạn chế

Mạch hạn chế (clipping circuit) là một loại mạch trong điện tử được sử dụng để giới hạn hoặc cắt xén biên độ của tín hiệu điện. Mục đích chính của mạch này là làm giảm biên độ của tín hiệu đầu vào để đảm bảo rằng tín hiệu đầu ra không vượt quá một giới hạn nhất định.

Có hai loại mạch hạn chế phổ biến là mạch hạn chế một phía và mạch hạn chế hai phía.

1. Mạch hạn chế một phía: Trong mạch này, chỉ một phần của tín hiệu đầu vào được cắt xén, làm giảm hoặc loại bỏ các biên độ tín hiệu vượt quá giới hạn. Mạch hạn chế một phía có thể sử dụng điốt hoặc transistor để thực hiện.

2. Mạch hạn chế hai phía: Mạch này cắt xén cả phần dương và âm của tín hiệu đầu vào, giới hạn biên độ tín hiệu ở cả hai hướng. Mạch hạn chế hai phía có thể được thiết kế dưới dạng mạch song song hoặc mạch nối tiếp.

Trong mạch hạn chế sử dụng điốt lý tưởng, điốt tắt (điện trở bằng vô cùng) sẽ cắt xén phần tín hiệu vượt quá ngưỡng và điốt thông (điện trở bằng không) sẽ cho phép tín hiệu đi qua mà không thay đổi. Mức hạn chế cần phải được thiết lập sao cho thoả mãn điều kiện về biên độ tín hiệu đầu vào để đảm bảo rằng tín hiệu đầu ra không bị biến đổi quá mức mong muốn.

Mạch tạo xung răng cưa

Mạch tạo xung răng cưa (sawtooth waveform generator circuit) là loại mạch được sử dụng để tạo ra xung răng cưa, một dạng tín hiệu với biên độ tăng dần hoặc giảm dần theo thời gian. Xung răng cưa này thường được sử dụng để điều khiển tia điện tử trong máy hiện sóng hoặc trong các ứng dụng điện tử khác.

Các tham số chính của xung răng cưa bao gồm:

1. Biên độ xung: Độ lớn của biên độ dao động của xung, được đo từ mức cơ sở lên đến mức tối đa hoặc từ mức cơ sở xuống đến mức tối thiểu.

2. Thời gian quét thuận (TQT): Thời gian mà xung tăng từ mức tối thiểu lên mức tối đa.

3. Thời gian quét ngược (TQN): Thời gian mà xung giảm từ mức tối đa xuống mức tối thiểu.

4. Hệ số phi tuyến (ε): Đánh giá mức độ méo phi tuyến của xung, tức là độ chệch so với một đường thẳng hoàn hảo.

5. Hiệu suất sử dụng điện áp (η): Đo lường khả năng chuyển đổi điện áp vào thành xung răng cưa, thể hiện bằng phần trăm.

Có một số cách để tạo ra mạch tạo xung răng cưa, bao gồm sử dụng mạch tích phân RC, mạch có nguồn dòng, hoặc mạch có tầng khuếch đại hồi tiếp. Khi thiết kế mạch tạo xung răng cưa, quan trọng là lưu ý đến các yếu tố như biên độ lớn, méo phi tuyến nhỏ và hiệu suất cao để đảm bảo xung răng cưa đầu ra đáp ứng được yêu cầu của ứng dụng cụ thể.

Mạch tạo tín hiệu tổng hợp

Mạch này được thiết kế để tạo ra các tín hiệu xung vuông, xung tam giác và tín hiệu sin đồng thời từ một nguồn tín hiệu đầu vào. Sơ đồ khối của mạch này thường bao gồm các phần chính như:

• Bộ tạo xung vuông (Square Wave Generator): Dùng để tạo ra tín hiệu xung vuông với chu kỳ và tần số được đặt trước.

• Bộ tạo xung tam giác (Triangle Wave Generator): Sử dụng để tạo ra tín hiệu tam giác với biên độ và tần số được điều chỉnh.

• Bộ tạo tín hiệu sin (Sine Wave Generator): Tạo ra tín hiệu sin với các thông số như biên độ và tần số được cài đặt.

• Mạch tổng hợp (Synthesizer Circuit): Kết hợp các tín hiệu xung vuông, xung tam giác và tín hiệu sin để tạo ra một tín hiệu tổng hợp đa dạng.

Mạch tạo tín hiệu tổng hợp thường được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị như bộ tạo sóng sử dụng trong phòng thí nghiệm để sinh ra các tín hiệu thử nghiệm hoặc trong các ứng dụng âm nhạc và điều khiển.

Mạch tạo dao động điều khiển ở điện áp (Voltage Controlled Oscillator - VCO)

Đây là một loại mạch dao động mà tần số của tín hiệu ra được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đầu vào. Một dạng phổ biến của VCO là mạch đa hài tự đồng hồ, trong đó tần số ra được điều khiển bằng một điện áp đầu vào.

• Mạch đa hài tự đồng hồ (Voltage-Controlled Multivibrator): Sử dụng một điện áp điều khiển để điều chỉnh tần số của xung ra. Quan hệ giữa tần số và điện áp đầu vào thường được mô tả theo quy luật tuyến tính, tức là một biến thiên tuyến tính của điện áp sẽ tương ứng với một biến thiên tuyến tính của tần số xung ra.

Mạch VCO thường được sử dụng trong các ứng dụng như truyền thông không dây, thiết bị điều khiển từ xa và các hệ thống xử lý tín hiệu.

Nguyên lí làm việc của mạch tạo xung

Như trình bày ở trên chúng ta có nhiều loại mạch tạo xung khác nhau xong mạch tạo xung đa hài tự kích được sử dụng phổ biến nhất. Trong bài viết này chúng tôi sẽ trình bày nguyên lý làm việc của mạch tạo xung đa hài tự kích sử dụng Tranzito ghép với colecto-bazo.

Sơ đồ mạch tạo xung đa hài tự kích dùng Tranzito ghép Colecto-bazo

Nguyên lý hoạt động

Khi đóng điện, ngẫu nhiên một Tranzito mở còn một Tranzito tắt. Nhưng chỉ sau thời gian Tranzito đang mở lại tắt, còn Tranzito đang tắt lại mở.

Chính quá trình phóng nạp của hai tụ điện đã làm thay đổi điện áp tắt mở của hai Tranzito.

Quá trình cứ theo một chu kỳ như vậy để tạo xung.

– Trong khoảng 0 đến t1

+ Tranzito T1 mở, T2 khoá

+ Tụ C1  phóng điện từ +C1 qua T1 xuống mát, -C1  qua T2 về mát.

+ Tụ C2 nạp điện từ +EC qua R1 tới  +C2 . Từ -EC qua T1 đến – C2

→ Có xung ra Ura2

– Trong khoảng t1 đến t2

+ Tranzito T1 khoá, T2 mở

+ Tụ C2  phóng điện từ +C2 qua T2  xuống mát (-Ec), Từ – C2 qua T1 về mát (-Ec).

+ Tụ C1 nạp điện từ +EC qua R1 tới  +C1. Từ – Ec qua T2 đến – C1

→ Có xung ra Ura1

– Quá trình lặp đi lặp lại tạo xung ra hình chữ nhật như hình vẽ:

Trường hợp đặc biệt T1 và T2 giống nhau R1=R2;R3=R4=R;C1=C2=C thì ta sẽ được xung đa hài đối xứng với độ rộng xung là  τ=0,7RC và chu kì  xung TX=2=1,4RC.

Ứng dụng của mạch tạo xung

Mạch tạo xung có nhiều ứng dụng thực tiến không chỉ trong điện tử mà nó còn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, và truyền thông. Có thể kể ra đây một số ứng dụng thực tế của mạch tạo xung.

1. Bộ đếm: Mạch tạo xung thường được sử dụng để tạo xung đồng hồ và đếm trong các thiết bị đo lường và đồng hồ.

2. Điều khiển động cơ: Trong các ứng dụng điều khiển động cơ, mạch tạo xung được sử dụng để cung cấp xung PWM hoặc xung có tần số cố định để điều khiển tốc độ và hướng chuyển động của động cơ.

3. Truyền thông và Viễn thông: Trong các hệ thống truyền thông, mạch tạo xung có thể được sử dụng để tạo xung đồng hồ và tín hiệu đồng bộ hóa trong các thiết bị truyền thông.

4. Đèn LED: Mạch tạo xung được sử dụng trong các ứng dụng chiếu sáng để tạo xung PWM, giúp kiểm soát độ sáng của đèn LED và tiết kiệm năng lượng.

5. Mạch xử lý tín hiệu: Trong các hệ thống xử lý tín hiệu, mạch tạo xung được sử dụng để tạo ra xung đồng hồ và xung đồng bộ hóa để đồng bộ hóa quá trình xử lý.

6. Máy phát sóng radio: Trong các bộ phát sóng radio, mạch tạo xung được sử dụng để tạo ra tín hiệu sóng cơ bản và xung để modulat và đồng bộ hóa tín hiệu truyền.

7. Cảm biến và Điều khiển tự động: Trong các hệ thống điều khiển tự động và cảm biến, mạch tạo xung có thể được sử dụng để tạo ra các xung điều khiển và tín hiệu đồng bộ.

8. Bảo dưỡng và Kiểm tra: Trong các ứng dụng kiểm tra và bảo dưỡng, mạch tạo xung thường được sử dụng để tạo ra các xung thử nghiệm và xung đo lường.

Lời kết

Trên đây chúng ta đã tìm hiểu về mạch tạo xung cũng như một số mạch tạo xung mà chúng ta được biết đặc biệt chúng ta còn hiểu hơn ý nghĩa, ứng dụng của mạch tạo xung trong công nghiệp và trong điện tử viễn thông. Hy vọng qua bài viết này các bạn hiểu hơn tầm quan trong của mạch tạo xung trong lĩnh vực điện tử và có cái nhìn chi tiết hơn về loại mạch này.