Hiểu và triển khai máy phát dạng sóng

Máy phát sóng với mạch điện tử được thiết kế để tạo ra nhiều dạng sóng khác nhau, bao gồm sóng hình sin, vuông, tam giác và răng cưa. Các mạch này sử dụng bộ dao động và mạch xung để tạo ra các dạng sóng mong muốn, rất cần thiết trong nhiều ứng dụng điện tử. Trong các cuộc thảo luận trước, chúng ta đã khám phá bộ dao động đa hài transistor như bộ dao động thư giãn (relaxation oscillators), tạo ra sóng vuông hoặc hình chữ nhật phù hợp với tín hiệu đồng hồ và thời gian. Hướng dẫn này sẽ tập trung vào việc xây dựng máy phát sóng bằng cách sử dụng mạch tích hợp, bộ khuếch đại hoạt động và các thành phần tiêu chuẩn khác.

Kiến thức cơ bản về tạo dạng sóng

Máy phát sóng có thể được xây dựng bằng cách sử dụng mạch tích hợp đơn giản hoặc bộ khuếch đại hoạt động được kết nối với mạch RC (điện trở-tụ điện) hoặc tinh thể thạch anh. Các thiết lập này có thể tạo ra đầu ra sóng nhị phân hoặc sóng vuông ở tần số cụ thể. Mạch chuyển tái tạo, chẳng hạn như bộ dao động đa hài không ổn định được sử dụng rộng rãi vì chúng tạo ra đầu ra sóng vuông không đổi. Các mạch này liên tục chuyển đổi giữa hai trạng thái không ổn định ở tốc độ lặp lại cố định, khiến chúng trở nên lý tưởng để tạo dạng sóng kỹ thuật số.

Máy phát sóng Schmitt

Một trong những cách đơn giản nhất để tạo ra máy phát sóng cơ bản là sử dụng bộ biến tần kích hoạt Schmitt, chẳng hạn như TTL 74LS14. Phương pháp này đơn giản và hiệu quả để tạo tín hiệu xung nhịp hoặc thời gian. Bộ biến tần Schmitt thay đổi trạng thái ở các mức điện áp khác nhau, cung cấp độ trễ, giúp ổn định đầu ra chống nhiễu và méo tiếng.

Trong mạch máy phát sóng Schmitt cơ bản, tụ điện được kết nối giữa đầu vào và đất (Ground), với điện trở phản hồi cung cấp dao động cần thiết. Khi tụ điện sạc và xả, bộ biến tần chuyển đổi giữa trạng thái logic "1" và "0", tạo ra dao động liên tục. Dạng sóng đầu ra không hoàn toàn đối xứng, thường tạo ra chu kỳ hoạt động khoảng 33%. Tần số dao động được xác định bởi hằng số thời gian RC của mạch.

Cải tiến máy phát sóng Schmitt

Bộ biến tần Schmitt CMOS 40106B cung cấp những cải tiến so với bộ biến tần TTL tiêu chuẩn. Nó hoạt động trên phạm vi điện áp rộng hơn (3V đến 15V) và cung cấp khả năng chống nhiễu tốt hơn, băng thông cao hơn và đặc tính đầu vào,  ra được cải thiện. Điều này tạo ra dạng sóng đầu ra có hình vuông hơn. Bằng cách thêm một điện trở để bảo vệ các bóng bán dẫn đầu vào, mạch trở nên đáng tin cậy hơn, đặc biệt là ở tần số cao. Dải tần số của thiết lập này có thể thay đổi từ 0,1Hz đến 100kHz, tùy thuộc vào giá trị điện trở và tụ điện.

Kỹ thuật tạo sóng nâng cao

Máy phát sóng Schmitt có thể được sửa đổi để tạo ra các đầu ra hoặc tần số khác nhau. Ví dụ, thêm một bộ biến tần Schmitt thứ hai vào đầu ra của bộ đầu tiên sẽ tạo ra hai dạng sóng bổ sung. Các dạng sóng này là ảnh phản chiếu của nhau, với một đầu ra là "Cao" trong khi đầu ra kia là "Thấp". Cấu hình này có thể được sử dụng để điều khiển đèn LED hoặc các thiết bị khác theo trình tự nhấp nháy.

Để đạt được tần số thấp hơn, đầu ra tần số cao từ máy phát Schmitt có thể được chia bằng bộ đếm gợn sóng. Bộ đếm gợn sóng bao gồm các flip-flop loại D xếp tầng, chia tần số đầu vào cho một hệ số cụ thể, tạo ra các tần số phụ. Phương pháp này, được gọi là phân chia tần số, cho phép tạo ra nhiều tần số từ một máy phát dạng sóng duy nhất.

Máy phát dạng sóng cổng NAND

Một phương pháp khác để tạo sóng là sử dụng cổng logic CMOS NAND. Một bộ dao động thư giãn RC cơ bản có thể được xây dựng bằng hai cổng NAND. Cổng đầu tiên điều khiển quá trình sạc và xả tụ điện, trong khi cổng thứ hai theo dõi các thay đổi trạng thái, tạo ra đầu ra sóng vuông. Tần số dao động phụ thuộc vào hằng số thời gian RC. Một phiên bản ổn định hơn của mạch này có thể được xây dựng bằng cách sử dụng ba cổng NAND, được gọi là máy phát dạng sóng "vòng ba". Cấu hình này giúp tự khởi động được đảm bảo và cải thiện độ ổn định.

Máy phát sóng loại vòng

Máy phát sóng cũng có thể được tạo ra chỉ bằng cách sử dụng cổng logic NOT (bộ biến tần) mà không cần thêm các thành phần thụ động. Bằng cách kết nối một số lượng cổng NOT lẻ trong một vòng, mạch sẽ dao động liên tục, tạo ra dạng sóng được xác định bởi độ trễ lan truyền của bộ biến tần. Phương pháp này mặc dù đơn giản nhưng ít thực tế hơn do tính không ổn định và tần số dao động rất cao, thường ở phạm vi megahertz. Tần số có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi số lượng bộ biến tần trong vòng, nhưng các bộ tạo dạng sóng RC ổn định hơn thường được ưa chuộng hơn.

Kết Luận 

Máy phát sóng là công cụ đa năng và thiết yếu trong thiết kế mạch điện tử. Chúng có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau, từ bộ biến tần Schmitt đơn giản đến cấu hình cổng NAND phức tạp hơn. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm khác nhau, chẳng hạn như dễ chế tạo, ổn định và dải tần số rộng. Hiểu được các nguyên lý đằng sau các mạch này cho phép tạo ra các máy phát dạng sóng chính xác và đáng tin cậy, phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Cho dù sử dụng TTL, CMOS hay cấu hình tiên tiến hơn, máy phát sóng vẫn là thành phần cơ bản trong thiết bị điện tử.