Mục đích của mạch tạo xung vuông

Như các bạn cũng đã biết, trong hầu hết các mạch tích hợp số, thường xuyên yêu cầu phải có một bộ tạo xung liên tục được gọi là xung đồng hồ (xung clock hay xung vuông) nhằm giúp cho mạch hoạt động chính xác. Vì hầu hết các mạch tuần tự như flip-flop, mạch đếm, thanh ghi, v.v.. hoạt động với chế độ đồng bộ nên sự cần thiết về tín hiệu xung đồng hồ được thấy rõ ràng hơn trong các IC cấu thành các mạch đó. Để phục vụ nhu cầu của chúng ta, nhiều loại IC tạo xung đồng hồ chuyên dụng đã được sản xuất và phân phối trên thị trường.

Tuy nhiên, các tín hiệu xung đồng hồ này có thể được tạo ra thông qua các mạch điện tử cơ bản. Để làm được các mạch này, đòi hỏi các linh kiện điện tử rất cơ bản. Sau đó, chúng ta dành một chút thời gian và công sức để tìm hiểu và thi công các mạch tạo xung này để có thêm kiến thức và kinh nghiệm. Dưới đây chúng ta sẽ khảo sát sơ đồ mạch và hoạt động của bốn mạch tạo vuông hoàn toàn khác nhau, mỗi mạch tạo xung vuông trong đó sử dụng các linh kiện điện tử khác nhau: linh kiện rời, IC tuyến tính và IC số.

Các mạch tạo xung vuông này có một số hạn chế; xung vuông được tạo ra có thể không hoàn toàn chính xác như mạch được trình bày. Mục đích duy nhất của chúng ta là tạo ra tín hiệu xung vuông có tần số 1MHz từ mỗi mạch trong số bốn mạch này và sau đó đánh giá chất lượng tín hiệu được tạo ra qua từng mạch đó.

Chúng ta đã biết có nhiều cách tạo ra xung vuông và tất nhiên các mạch trình bày dưới đây cũng là một trong các cách tạo ra xung vuông. Có tổng cộng bốn mạch tạo xung chuyên dụng. Dưới đây là nội dung mô tả chi tiết từng mạch:

Mạch tạo xung vuông dùng transistor

Đây là mạch đầu tiên để tạo xung vuông như trong hình 1, sử dụng các linh kiện điện tử cơ bản. Mạch này còn được gọi là mạch dao động đa hài phi ổn. Hai transistor lưỡng cực được mắc đối xứng với nhau. Tín hiệu xung vuông được lấy ra tại cực thu của transistor (V_OUT). Như trong hình, nếu chúng ta lấy xung ra tại cực thu của transistor T2 thì thời gian xung ở mức cao được tính theo công thức t_H = 0,69R2C1. Tương tự, thời gian xung ở mức thấp được xác định bằng công thức t_L = 0,69R3C2. Điều ngược lại xảy ra nếu tín hiệu xung được lấy từ đầu cực thu của transistor Q1. Do đó, chúng ta có thể nói rằng tín hiệu xung vuông lấy ra tại cực thu của T1 và T2 là trái ngược nhau.

Hình 1: Mạch tạo xung vuông dùng transistor.

Nếu chúng ta giả sử: 

R₂ = R₃ = R và C₁ = C₂ = C

Thì công thức tính tần số của xung vuông ở ngõ ra là:

f=1/(1,38RC)

Với các linh kiện có giá trị như bảng bên dưới thì 1 MHz là giá trị tần số gần đúng của xung cho mạch này.

Khi làm mạch này, chúng ta cần sử dụng transistor lưỡng cực có tốc độ chuyển mạch cao (chẳng hạn như 2N918). Nếu bạn sử dụng transistor khác như 2N2222, chúng ta có thể nhận thấy tín hiệu thu được có thể xuất hiện dạng hình tam giác chứ không phải dạng xung vuông mà chúng ta mong đợi ở đầu ra. Tuy nhiên, khi tần số lên đến vài chục kHz, transistor này hoạt động tốt và dạng sóng được cải thiện.

Bảng danh sách linh kiện có trong mạch tạo xung vuông dùng transistor:

Mạch tạo xung vuông dùng IC 555

Linh kiện cốt lõi trong mạch này là IC định thời 555 được sử dụng rất phổ biến. Mạch này rất thông dụng và được dùng để cấp xung đồng hồ cho các mạch khác như mạch đếm. Xung vuông được lấy ra tại chân số 3 của IC. Thời gian xung ở mức cao được tính theo công thức t_H = 0,69R1C2 và thời gian xung ở mức thấp được xác định t_L = 0,69R2C2. Nếu các linh kiện trong mạch có giá trị như bảng bên dưới thì thời gian xung ở mức cao và thấp này được tính là khoảng 500 ns.

Như vậy, tần số của xung vuôn ở ngõ ra là gần 1 MHz. Tất nhiên, cần phải lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch để mạch tạo ra xung vuông có tần số 1 MHz. Tuy nhiên, kết quả thu được, phần lớn là hình dạng sóng nằm cách xa vùng đạt yêu cầu. Đó có thể là do cạnh lên và xuống của dạng sóng không theo phương thẳng đứng. Do hệ số giới hạn của mạch bên trong IC định thời 555 gây ra, các dạng sóng có xu hướng có dạng hình tam giác thay vì dạng sóng vuông chuẩn.

Nếu bạn quan sát, bạn có thể nhận thấy rằng chúng ta đã sử dụng tất cả các giá trị của linh kiện để mạch tạo ra xung có tần số 1 MHz. Lý do đằng sau việc làm như vậy chỉ là vì không thể sử dụng IC định thời ở tần số đó. Tuy nhiên, nếu muốn, bạn có thể thay đổi giá trị của các linh kiện và kiểm tra các dạng sóng thu được ở các tần số ngõ ra khác nhau. Bạn có thể đánh giá sự khác biệt cho chính mình. Giới hạn tối đa để có được dạng sóng xung vuông là lên đến 100 kHz. Ngoài ra, hình dạng xung thu được có thể không đáp ứng mong đợi của chúng ta.

Hình 2: Mạch tạo xung vuông dùng IC 555.

Bảng danh sách linh kiện trong mạch tạo xung vuông dùng IC 555:

Mạch tạo xung vuông dùng cổng logic

Nếu bạn đã xem qua các mạch tạo xung đồng hồ trước đây, bạn hẳn đã nhận thấy nhiều loại mạch được tạo ra bằng cách mắc nối tiếp 3 cổng NOT và một mạch R-C. Mạch tạo xung vuông dùng cổng logic là một mạch tương tự bao gồm IC cổng NOT 4069. Một ưu điểm hấp dẫn khác của mạch này là thời gian xung ở mức cao và thấp được quyết định bởi chỉ thông số 0,5R1C2. Toàn bộ quá trình xoay quanh việc nạp và xả của tụ điện.

Trong thời gian ngõ ra ở mức cao, tụ nạp điện qua điện trở R1, và khi ngõ ra ở mức thấp, tụ lại xả điện qua điện trở R1. Cũng như các mạch trước, tần số của xung vuông ở ngõ ra là 1 MHz với các linh kiện có giá trị được liệt kê trong bảng bên dưới.

Hình 3: Mạch tạo xung vuông dùng cổng logic.

Bảng danh sách linh kiện trong mạch tạo xung vuông dùng cổng logic:

Mạch tạo xung vuông dùng Op-Amp

Để dễ dàng hiểu được hoạt động của mạch, mạch được chia thành hai phần riêng biệt. Phần thứ nhất bao gồm IC1 cùng với các điện trở R1, R2, R3 và tụ điện C1 tạo thành một mạch dao động tạo sóng vuông. Biên độ cực đại của nửa chu kỳ dương và âm xấp xỉ 5V. Dạng sóng ở ngõ ra của mạch dao động là dạng xung vuông lưỡng cực đối xứng với chu kỳ được xác định bởi:

T = 2*R₁*C₁*Ln[(1+K)/(1-K)]

Trong đó: K = R₃/(R₂+R₃).

Theo giá trị của các linh kiện như trong bảng bên dưới, biểu thức Ln[(1+K)/(1-K)] = 1

Tần số của xung được tạo ra là 1/2*R₁*C₂ = 1 MHz.

Bây giờ chuyển sang phần tiếp theo, phần mạch thứ 2 được thiết kế bao gồm IC2, điện trở R4 và diode D1. Mạch này còn được gọi là mạch chỉnh lưu bán kỳ hay mạch xén âm vì nó chỉ cho phép tín hiệu ở bán kỳ dương đi qua mà thôi. Với tín hiệu đưa vào là dạng sóng vuông, trong nửa bán kỳ dương, diode D1 bị phân cực ngược và vì vậy nó chỉ đi qua phần tín hiệu dương, được thấy ở ngõ ra.

Ngược lại, đối với bán kỳ âm, diode được phân cực thuận và mạch chuyển thành dạng mạch khuếch đại đảo có điện trở hồi tiếp bằng không. Như vậy, tín hiệu thu được ở ngõ ra cũng bằng không. Nếu thi công mạch này thì bạn sẽ sử dụng Op-Amp AD829 và diode D1 (N914), cả hai linh kiện này đều hoạt động với tốc độ cao. Giá trị chính xác của linh kiện được sử dụng là một yếu tố quan trọng để tạo ra tần số 1 MHz.

Bảng danh sách các linh kiện trong mạch tạo xung vuông dùng Op-Amp: