Báo cáo thí nghiệm xung mạch điện

BÀI 1: MẠCH XÉN, MẠCH GHIM ĐIỆN ÁP I. Mục đích yêu cầu: Khảo sát hoạt động của mạch xén, mạch ghim điện áp dùng diode, cấp sóng vào và khảo sát dạng sóng ra sau khi bị xén hoặc ghim. II. Tóm tắt lý thuyết: 1. Mạch xén: - Mạch xén có nhiệm vụ chỉ cho một phần tín hiệu ngõ vào đưa đến ngõ ra. - Trong bài thí nghiệm này ta thực hiện mạch xén dùng diode mắc theo kiểu song song, có xén trên, xén dưới, và xén hai mức. Sơ đồ mạch xén mắc kiểu song song : Mạch xén mức dưới Mạch xén mức trên Ec 0 - Coi diode D là lý tưởng, VD = 0V - Đối với mạch xén trên, khi Vin Ec thì diode được phân cực thuận, điện áp ra Vout = Ec, ta nói tín hiệu bị xén ở mức Ec. khi tín hiệu vào là sóng sin thì dạng sóng ra có dạng: Ec t v Vout Vin - Đối với mạch xén dưới, khi Vin > – Ec thì diode chưa được phân cực thuận, toàn bộ Vin được đưa ra Vout, khi Vin < – Ec thì diode được phân cực thuận, điện áp ra Vout = – Ec, ta nói tín hiệu bị xén ở mức – Ec. Khi tín hiệu vào là sóng sin thì dạng sóng ra có dạng: Vout Vin - Ec V t Kết hợp hai mạch xén trên và dưới ta được mạch xén hai mức V1 Vout Vin - V2 V t 2. Mạch ghim: - Mạch ghim điện áp là mạch khôi phục thành phần một chiều của tín hiệu. Nó được dùng để ổn định nền hoặc đỉnh của tín hiệu, ở một mức xác định nào đó. - Có hai loại mạch ghim cơ bản là mạch ghim đỉnh trên và mạch ghim đỉnh dưới Mạch ghim đỉnh dưới Mạch ghim đỉnh trên - Coi diode như lý tưởng, VD = 0V - Đối với mạch ghim đỉnh trên: Khi Vin tăng từ 0 đến Vp(giá trị đỉnh), thì tụ C được nạp đến giá trị VC = Vp – Ec, diode D dẫn, Vout = Ec. Khi Vin giảm từ Vp về 0, điện áp đặt lên hai cực diode là Vin – VC – Ec mà VC = Vp – Ec => VD = Vin – Vp, vậy VD < 0 diode D tắt, Vout = Vin – VC, do đó Vout giảm từ Ec về (- Vp + Ec). Khi Vin giảm từ 0 về - Vp, diode D vẫn phân cực ngược, tụ C vẫn chưa xả, Vout = Vin – VC giảm từ (- Vp + Ec) về (- 2Vp + Ec). Khi Vin tăng từ - Vp đến 0, thì Vout tăng từ (- 2Vp + Ec) đến (- Vp + Ec). Vp Ec Vin Ec - Vp + Ec Vout Đối với mạch ghim đỉnh dưới(giải thích tương tự), có dạng sóng vào ra: Vp - Ec Vin Vout Vp – Ec 2Vp – Ec – Ec Ta có thể thay đổi Ec để ghim ở các mức mong muốn. III. Dụng cụ thí nghiệm 1 FACET Base Unit. (Đế lắp mạch thí nghiệm). 1 SEMICONDUCTOR FUNDAMENTAL circuit board. 1 VOM. 1 Dao động ký. 1 Máy tạo sóng. Các dây nối và các connector. VI. Tiến hành thí nghiệm 1. khảo sát mạch xén sơ đồ mạch xén trên Dùng máy tạo sóng, cấp sóng sin 20Vp-p, tần số 1kHz, điều chỉnh nguồn dương trên Base unit để đưa V1 về 0V. Dùng kênh 2 của dao động ký, đo dạng sóng trên 2 đầu điện trở R2 thì thu được sóng sin bị xén ở mức trên 0.6V V t 0.6V là điện áp phân cực thuận của diode CR1. khi áp vào vượt quá 0.6V thì diode dẫn, ghim mức áp ra ở 0.6V. Sơ đồ mạch xén dưới Làm tương tự các bước như trên. Thu được dạng sóng ra ở 2 đầu R2 là sóng sin bị xén ở mức dưới -0.6V V t khi áp vào nhỏ hơn - 0.6V thì diode dẫn, ghim mức áp ra ở - 0.6V. sơ đồ mạch xén 2 mức - Quan sát dạng sóng, ta thấy dạng sóng ra có dạng sóng vuông, 0.6Vp-p -0.6V V t -0.6V khi áp vào nhỏ hơn - 0.6V thì diode CR2 dẫn, ghim mức áp ra ở - 0.6V, khi áp vào lớn hơn 0.6V thì diode CR1 dẫn, ghim mức áp ra ở 0.6V. Điều chỉnh V1 = 2V, V2 = 0V thì mức xén trên tăng lên 2.6 V Điều chỉnh V1 = 0V, V2 = -2V thì mức xén dưới giảm xuống 2.6 V 2. khảo sát mạch ghim: Sơ đồ mạch ghim đỉnh trên Dùng máy tạo sóng, cấp sóng vuông 10Vp-p, tần số 1kHz, điều chỉnh nguồn dương trên Base unit để đưa V1 về 0V. Dùng kênh 2 của dao động ký, đo dạng sóng ra thu được điện áp ghim đỉnh trên ở mức 0,6V -9.4V 0.6V t V Điều chỉnh V1 = 3V, thì thu được điện áp ghim đỉnh trên ở mức 3.6V Sơ đồ mạch ghim đỉnh dưới Dùng máy tạo sóng, cấp sóng vuông 10Vp-p, tần số 1kHz, điều chỉnh nguồn dương trên Base unit để đưa V2 về 0V. Dùng kênh 2 của dao động ký, đo dạng sóng ra thu được điện áp ghim đỉnh dưới ở mức - 0,6V. 9.4V - 0.6V t Điều chỉnh V1 = -2V, thì thu được điện áp ghim đỉnh trên ở mức -2.6V BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH TÍCH PHÂN VÀ MẠCH VI PHÂN DÙNG OP-AMP I. Mục đích yêu cầu: Khảo sát mạch tích phân và mạch vi phân dùng op-amp, kiểm tra dạng sóng vào ra của mạch vi phân, tích phân. II. Tóm tắt lí thuyết Mạch tích phân và mạch vi phân là những mạch làm thay đổi dạng sóng vào. 1. Mạch tích phân - Mạch tích phân thụ động (chỉ bao gồm các phần tử thụ động): Điện áp ra là điện áp lấy trên tụ, do đó tỉ lệ với XC. Nhưng XC= 1/j2πfC. Do đó khi f tăng thì XC giảm, Vo giảm; khi f giảm thì XC tăng, Vo tăng. Mạch tích phân làm chức năng mạch lọc thông thấp. - Giả sử sóng vào là sóng vuông có độ rộng xung là PW: Khi RC> PW: xung vào kết thúc trước khi tụ nạp đầy, xung ra là xung tam giác Khi RC≈ PW: thời gian nạp của tụ xấp xỉ thời gian tồn tại xung, xung ra là xung răng cưa Khi RC< PW: tụ nạp đầy trước khi xung vào kết thúc, xung ra là xung vuông - Khi mắc thêm opamp vào mạch như sau ta có mạch tích phân tích cực: - Đối với tín hiệu tần số thấp hoặc tín hiệu một chiều, XC→0, tụ CF có thể bỏ qua, mạch hoạt động như là một mạch khuyếch đại đảo, do đó độ lệch pha giữa ngõ ra và ngõ vào là 1800. Đáp ứng tần số của mạch: 2.Mạch vi phân: - Mạch vi phân thụ động (gồm các phần tử thụ động): Điện áp ngõ ra lấy trên điện trở R, Vo tỉ lệ nghịch với XC của mạch. Mà XC= 1/j2πfC. Do đó khi f tăng, Vo tăng; khi f giảm, Vo giảm. - Giả sử sóng vào là sóng vuông có độ rộng xung là PW: Khi RC< PW: tụ nạp đầy trước khi xung vào kết thúc, xung ra là xung nhọn Khi RC≈ PW: thời gian nạp của tụ xấp xỉ với thời gian tồn tại xung vào, xung ra là xung răng cưa Khi RC> PW: xung vào kết thúc trước khi tụ nạp đầy, xung ra là xung vuông - Khi mắc thêm opamp vào mạch như sau ta có mạch vi phân tích cực: - Đối với tín hiệu tần số cao, XC→∞. tụ CF có thể bỏ qua, mạch hoạt động như là một mạch khuyếch đại đảo, do đó độ lệch pha giữa ngõ ra và ngõ vào là 1800. Đáp ứng tần số của mạch: III. Dụng cụ thí nghiệm 1 FACET Base Unit. 1 OPERATIONAL AMPLIFIER APPLICATIONS circuit board. 1 VOM. 1 Dao động ký. 1 Máy tạo sóng. Các dây nối và các connector. VI. Tiến hành thí nghiệm 1.Mạch tích phân Mạch thí nghiệm: - Tần số cắt fc của mạch (tại đó XC1=R3): fc=1/2πR3C1= 159.5 Hz - Đặt kênh 1 của máy hiện sóng vào đầu vào của mạch, kênh 2 vào đầu ra. - Cấp nguồn tín hiệu sóng sin 1Vp-p tần số 20Hz. - Từ dạng sóng ra ta có: Độ lợi : Gain=R3/R1= 10 . Độ lệch pha giữa điện áp ra và điện áp vào là 1800 . Mạch làm việc như một mạch khuếch đại đảo. - Tăng tần số của sóng vào lên 2 kHz, và quan sát tín hiệu ra ở kênh 2: độ lợi điện áp giảm đi. Mạch làm việc như một mạch lọc thông thấp. Độ lệch pha ≈ 2700 Vout Vin V t Lệch pha 270o - Đổi sóng sin ở đầu vào thành sóng vuông. Dạng sóng vào ra như sau: t t V Vout Vin V Mạch làm việc trong vùng tích phân 2. Mạch vi phân Mạch thí nghiệm: - Tần số cắt của mạch ( tại đó XC1=R1): fc=1/2πR1C1 = 15.9 kHz - Đặt kênh 1 của máy hiện sóng vào đầu vào của mạch, kênh 2 vào đầu ra. - Cấp nguồn tín hiệu sóng vuông 1Vp-p tần số 100Hz. Dạng sóng vào ra Vout Vin V V t t Đổi sóng vuông thành sóng sin. Dạng sóng ở ngõ ra: Vin V t Lệch pha 90o Vout Độ lệch pha: 90o. Gain <1 Tăng tần số sóng vào lên 10 kHz: Độ lệch pha : 180o. Gain=10 Tăng tần số sóng vào lên 50 kHz: độ lệch pha tăng, khi giảm tần số xuống lại thì biên độ sóng ra giảm → Mạch vi phân làm việc như một chức năng là mạch lọc thông cao. Đổi sóng ngõ vào thành sóng tam giác 0.3Vp-p, tần số 500Hz. Sóng ở ngõ ra: Vin V t V Voutut t Mắc mạch vi phân và tích phân như hình vẽ: Cấp sóng vuông 1V đỉnh-đỉnh, tần số 2kHz. Dạng sóng ngõ ra mạch tích phân là sóng tam giác, và dạng sóng ra ở mạch vi phân là xấp xỉ sóng vuông. Vậy, mạch vi phân và mạch tích phân có chức năng trái ngược nhau. BÀI 3: MẠCH DAO ĐỘNG TÍCH THOÁT DÙNG UJT I. Mục đích yêu cầu: Khảo sát hoạt động của mạch dao động tích thoát dùng UJT, kiểm tra dạng sóng tại các chân của UJT. II. Tóm tắt lý thuyết: UJT có cấu trúc chỉ có một tiếp giáp PN, mặc dù UJT không phải là linh kiện 4 lớp nhưng vẫn được công nhận là một thành phần của họ SCR vì đặc tính chuyển mạch của nó. UJT được dùng trong các mạch như là : các bộ dao động, các mạch kích khởi, bộ dao động tạo sóng răng cưa, mạch điều khiển pha, bộ định thời. Kí hiệu và cấu tạo bên trong của một UJT : Phần bán dẫn N có đặc tính điện trở có thể coi như hai điện trở nối tiếp, phần tiếp xúc PN có thể coi như một diode, như sơ đồ sau : RB2 RB1 Khi IE = 0 (mạch emitter hở) điện trở của thanh bán dẫn cỡ hàng ngàn Ohm, dòng qua B1B2 rất nhỏ. Khi VE đạt đến giá trị Vp , dòng IE xuất hiện, tiếp giáp PN được phân cực thuận. Sau khi dẫn, UJT hoạt động trong vùng điện trở âm, VE giảm trong khi IE vẫn tiếp tục tăng. Khi VE giảm đến VV thi dòng tăng nhanh, UJT hoạt động trong vùng bão hòa. Vp = VBB + VD VD : điện áp ngưỡng diode : tỉ số dừng nội tại Vp IE Vv VE Vùng ngắt Vùng điện trở âm Vùng bão hòa UJT được sử dụng trong mạch là 2N2646 có nằm trong khoảng 0.56 đến 0.75 Khi mà Ve bé hơn Vp thì lúc đó dòng Ie là rất nhỏ, khi Ve đạt đến giá trị của Vp thì lúc đó dòng Ie sẽ bắt đầu tăng lên và mạch chuyển sang hoạt động trong vùng quá độ, lúc này I tăng trong kho áp giảm, người ta gọi đây là vùng điện trở âm. Khi V giảm đến giá trị của Vv thì lúc đó dòng sẽ tăng lên mạnh, người ta gọi đây là vùng đánh thủng của mạch. Đặc tuyến làm việc của mạch như hình vẽ trên III. Dụng cụ thí nghiệm 1 FACET Base Unit. (Đế lắp mạch thí nghiệm). 1 FET Fundamental circuit board (Board mạch thí nghiệm). 1 VOM. 1 Dao động ký. Các dây nối và các connector VI. Tiến hành thí nghiệm Mắc mạch như hình vẽ Cấp nguồn VBB cho mạch là 10Vdc Đo dạng sóng tại các chân E, B1, B2 thu được kết quả : Khi mới cấp nguồn, UJT chưa được kích khởi nên tắt, tụ C2 nạp thông qua R1 làm điện áp VE lên đến áp đỉnh của UJT (Vp), khi đó xuất hiện dòng chảy qua cực E của UJT. Lúc này UJT dẫn, tụ C xã theo đường E, B1 và R3. t t t (VB1 ) (VB2 ) (VE ) VV VP Giải thích: Khi mới cấp nguồn, UJT chưa được kích khởi nên tắt, tụ C2 nạp thông qua R1 làm điện áp VE lên đến áp đỉnh của UJT (Vp), khi đó xuất hiện dòng chảy qua cực E của UJT. Lúc này UJT dẫn, tụ C xã theo đường E, B1 và R3. Khi đó UJT đang hoạt động trong vùng điện trở âm, điện trở RB1 giảm, dòng qua R2 tăng lên tạo sụt áp và cực B2 có xung âm ra. Đồng thời cũng tạo sụt áp trên R3 và cực B1 có xung dương ra. Vì giá trị R3 = 10 << R1 = 10 k nên thời gian xả của C2 nhỏ hơn rất nhiều so với thời gian nạp.