Tạo dạng sóng là một phần quan trọng trong mạch tương tự, được dùng trong thiết kế và kiểm thử, giao tiếp với cảm biến, ứng dụng RF và không dây cũng như tạo xung nhịp. Khả năng ứng dụng của mạch tương tự là vô tận khi sử dụng bộ tạo dạng sóng tùy ý (arbitrary waveform generator). Dù nhiều ứng dụng chỉ tạo sóng vuông bằng mạch đa hài (multivibrator), do đó đôi khi sẽ cần các mạch phức tạp hơn để tạo dạng sóng cho các ứng dụng nâng cao. Bài viết này đưa ra một số cách dễ dàng để tạo dạng sóng với một số mạch dao động đơn giản.

Bộ dao động là gì?

Bộ dao động là mạch tạo ra dạng sóng liên tục, xen kẽ từ nguồn một chiều DC mà không cần bất kỳ đầu vào bên ngoài nào. Nó chuyển đổi dòng điện một chiều thành dạng sóng xen kẽ ở tần số do các thành phần xác định của nó.

Nguyên lý cơ bản đằng sau hoạt động của bộ dao động có thể được hiểu bằng cách phân tích hành vi của mạch LC được thể hiện trong hình 1 bên dưới. Trong đó, mạch sử dụng một cuộn cảm L và một tụ điện C được sạc đầy. Ở trạng thái ban đầu, tụ điện bắt đầu xả qua cuộn cảm, dẫn đến việc chuyển đổi năng lượng điện thành trường điện từ và có thể được lưu trữ trong cuộn cảm. Sau khi tụ điện xả hoàn toàn, sẽ không còn dòng điện chạy qua mạch.

‍Hình 1. Mạch RC

Các loại mạch dao động cơ bản: Sóng vuông, sóng sin và sóng tam giác

Một sốcác dạng sóng cơ bản được tạo ra từ mạch dao động gồm: sóng vuông, sóng sin và sóng tam giác (dạng sóng răng cưa). Những dạng sóng này có thể chuyển đổi qua lại nhờ một số mạch đơn giản, thường sử dụng một hoặc nhiều op-amp. Quá trình này thường bắt đầu từ một dạng sóng gốc, sau đó đưa qua mạch chuyển đổi để tạo ra dạng sóng mong muốn.

Một cách khác là chuyển đổi trực tiếp tín hiệu DC thành sóng dao động. Phương pháp cổ điển để tạo sóng vuông từ tín hiệu DC là dùng mạch đa hài không ổn định (astable multivibrator). Loại mạch này rất dễ thiết kế chỉ với vài linh kiện thụ động và hai transistor hoặc sử dụng IC 555 cấu hình ở chế độ astable.

Trong mạch đó, các transistor hoạt động như các công tắc luân phiên, được kích hoạt bởi tụ điện nạp/xả. Người ta có thể điều chỉnh chu kỳ làm việc bằng cách thay đổi tụ hoặc điện trở. Trong đó, tốc độ chuyển mạch (slew rate) của đầu ra phụ thuộc vào thời gian tăng/giảm của transistor.

Trong khi đó, chuỗi xung đồng hồ (ví dụ, đầu ra đã lọc của dao động tinh thể) có thể chuyển tín hiệu đồng hồ thành sóng tam giác hoặc sóng răng cưa bằng mạch tích phân (integrator). Ngược lại, ta có thể chuyển về tín hiệu đồng hồ bằng mạch vi phân (differentiator). Những mạch này có thể xây dựng khá đơn giản từ điện trở, tụ điện và op-amp. Ngoài ra, người ta có thể khai thác hiện tượng trễ (hysteresis) trong bộ so sánh (comparator) để tạo tín hiệu PWM từ sóng tam giác, nơi việc điều chế được kiểm soát bằng cách thay đổi biên độ của sóng tam giác.

Một số các loại mạch dao động khác

Bên cạnh mạch nêu trên, hiện nay có một số loại mạch dao động khác cũng dùng để tạo hoặc chuyển đổi trực tiếp gồm: Hartley, Armstrong, Clapp, Colpitts, và RC oscillator. Các mạch dao động đơn giản này thường chỉ dùng op-amp hoặc transistor và một vài linh kiện thụ động nên dễ dàng thực hiện trên PCB.

Tạo dạng sóng phức tạp hơn

Ngày nay, khi làm việc với dạng sóng phức tạp hơn như dạng sóng tùy ý hoặc dạng sóng điều chế sẽ cần yêu cầu các mạch khác nhau. Những dạng sóng này được dùng cho các ứng dụng chuyên biệt, nhưng hoàn toàn có thể thiết kế mạch phù hợp bằng các linh kiện thương mại (COTS) có sẵn. Một số dạng sóng được phân tích cụ thể như sau:

Sóng AM và FM

Sóng AM là kết quả của tích giữa sóng mang tần số cao và sóng điều chế tần số thấp có thêm phần DC offset. Khi thêm DC offset vào sóng sin tần số thấp có thể dễ dàng thực hiện với mạch cộng analog hoặc bộ tạo sóng sin chuyên dụng. Sau đó đưa tín hiệu này vào mạch nhân analog, cùng với sóng mang cao tần, để tạo ra sóng mang cao tần mang theo biên độ điều chế. Sóng FM có thể được tạo bằng bộ chuyển đổi điện áp thành tần số (V-to-F converter), trong đó các dải tần được điều chế bằng cách thay đổi mức điện áp đầu vào.

Dạng sóng tùy ý (Arbitrary Waveforms)

Một dạng sóng tuần hoàn bất kỳ có thể được biểu diễn bằng tổng của vô số sóng sin và cosin với biên độ cụ thể. Tuy nhiên, việc cộng một số lượng vô hạn sóng sin/cosin vào một bộ cộng là không khả thi. Nếu chỉ cộng một số lượng hạn chế, dạng sóng đầu ra sẽ có sai số, vì vậy người ta cần đưa ra các giải pháp hiệu quả hơn. Lúc này, ta có thể sử dụng bộ chuyển đổi số – tương tự (DAC) kết hợp với vi điều khiển trong một mạch đơn giản. Vi điều khiển sẽ mã hóa mức tín hiệu tại các thời điểm khác nhau của dạng sóng thành giá trị số, rồi gửi đến DAC để chuyển thành tín hiệu analog tương ứng. Để tránh tín hiệu thay đổi quá nhanh giữa các mức rời rạc, họ cần thêm dithering (nhiễu nhân tạo) để làm mượt chuyển đổi. IC như AD9708 hoặc DAC có tốc độ đáp ứng nhanh là lựa chọn lý tưởng cho ứng dụng này.

Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là tần số và độ chính xác của dạng sóng sẽ bị giới hạn bởi tần số xung nhịp của vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ có một tần số tối đa mà tại đó nó có thể xuất tín hiệu ra qua GPIO hoặc giao diện khác, điều này giới hạn tần số lặp lại tối đa của tín hiệu theo công thức C/N, trong đó C là tần số xung nhịp của vi điều khiển, và N là số mức rời rạc được dùng để mã hóa tín hiệu.

Nếu cần tạo tín hiệu ở tần số cao hơn thì người ta sẽ cần xung nhịp nhanh hơn, một FPGA nhỏ chạy ở tốc độ xung cao là một lựa chọn thay thế tốt vì nó có thể được thiết kế chuyên biệt để tạo dạng sóng cụ thể.

Việc xây dựng các loại mạch dao động khác nhau hoặc thêm IC tạo dạng sóng sẽ trở nên dễ dàng hơn nhiều khi bạn sử dụng phần mềm thiết kế và phân tích mạch PCB phù hợp. Các công cụ bố trí và mô phỏng trong OrCAD PSpice Simulator, cùng với bộ công cụ phân tích toàn diện từ Cadence, cho phép xây dựng và phân tích hành vi của các mạch dao động, đồng thời giúp bạn phát hiện các vấn đề tín hiệu có thể phát sinh trong bố cục mạch phức tạp.

‍