Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử 3

ra của nó U4 = 2U1 . Ở điểm 2 (điểm đấu RM) có hạ áp U2 = = U1. Các trường hợp đặt biệt khác cũng có thể giải thích tương tự. - Trong trường hợp tổng quát ta cần tìm phương trình truyền đạt để mô tả tính chất của mạch Xiecculato. Viết phương trình dòng điện nút cho các nút P và N: - Loại U4, U5, U6 ra khỏi các phuong trình trên, ta có: 38 Đây chính là hệ phương trình truyền đạt của Xiecculato. Cộng ba phương trình trên ta có: Mạch điện Xieccuato có thể được mở rộng bằng cách mắc thêm một số khâu giống nhau nữa. 4.4 Ứng dụng của mạch Xiecclato - Một số ứng dụng quan trọng của mạch Xiecculato là tạo ra điện cảm không có đầu nối đất. Để thực hiện mạch đó, mắc một tụ điện vào giũa nút 1 và 2, lúc này giữa các đầu 1 và 3 sẽ xuất hiện một điện cảm không có đầu nối đất. Giá trị của điện cảm này được xác định từ trở kháng phức của nó: - Theo định luật OHM: - Thay vào (3.78.b) và sau đó thay tiếp (3.78.c) ta có: - Do đó: 39 Hình 15.Dùng Xiecculato để tạo điện cảm không có đầu nối đất. - Mạch Xiecculato còn được dùng làm mạch phân tích tín hiệu trong điện thoại 2 dây. Hình 16. Mạch ứng dụng của Xiecculato - Ba cửa của Xiecculato Đều được nối với 3 điện trở tải Rt. Nhờ tính chất của mạch Xiecculato mà tín hiệu từ micro sẽ đi đến tổng đài mà không vào tai nghe, và tín hiệu từ tổng đài truyền đến chỉ vào tai nghe mà không đi vào micro. 5. Đo, kiểm tra, cân chỉnh các thông số mạch Chúng ta sẽ thực hiện một mạch tạo điện trở âm (NIC) sử dụng Opamp 5.1 Chuẩn bị 5.1.1 Chuẩn bị linh kiện Chuẩn bị các linh kiện sau :  2 điện trở 10K.  1 điện trở 50K. 40  1 opamp LM358  1 Bộ nguồn +/-5VDC 5.1.2 Chuẩn bị dụng cụ, testboard Chuẩn bị các dụng cụ sau :  Mỏ hàn,  chì hàn, nhựa thông.  Testboard  Dây nối  Kìm cắt,kìm kẹp, nhíp .  Bộ nguồn DC.  VOM 5.2 Lắp ráp mạch 5.2.1 Lắp ráp mạch trên testboard Lắp ráp mạch trên testboard theo sơ đồ nguyên lý sau : GND 1 3 2 8 4 U1A LM358 +5V 10k R450k R3 -5V GND 10k R2 2 1 CN1 U1 5.2.2 Đo ngắn mạch Dùng VOM đo giữa hai đầu CN1 và nguồn +/-5VDC xem có chạm nguồn hay không. 5.3 Cấp nguồn 5.3.1 Chỉnh nguồn, áp phù hợp. Chỉnh bộ nguồn +/-5VDC cung cấp cho mạch. 41 5.3.2 Cấp nguồn cho mạch Sau khi đã chỉnh nguồn, cấp tín hiệu cho mạch thông qua CN1. 5.4 Đo đạc và cân chỉnh 5.4.1 Đo đạc tín hiệu Quan sát và đo dòng từ nguồn tín hiệu đổ vào mạch 5.4.2 Cân chỉnh thông số theo yêu cầu 42 BÀI 6: MẠCH TÍCH PHÂN Giới thiệu: Mạch tích phân trng thực tế có nhiều ứng dụng như tạo ra các dạng sóng bằng cách lấy tích phân một tín hiệu chuẩn, mạch cũng dùng trong lĩnh vực điều khiển. Mục tiêu : Học xong bài này học viên có khả năng:  Kiến thức:  Nắm được khái niệm của mạch tích phân.  Phân loại và tính toán được các mạch tích phân.  Kỹ năng:  Có thể nhận dạng và hiểu nguyên lý của các loại mạch tích phân.  Biết phân tích , tính toán mạch tích phân.  Thái độ:  Có ý thức tự giác học tập.  Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn nhau.  Tuân thủ nội quy và giờ giấc học tập. Nội dung chính : 1. Khái niệm chung về mạch tích phân Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ ra là các phương trình toán học đó là phép toán tích phân tín hiệu vào. 2. Chức năng và nhiệm vụ của mạch tích phân Giá trị điện thế ở ngõ ra là kết quả tích phân điện thế ngõ vào theo hệ số tích phân . 43 3. Mạch tích phân không đảo 3.1 Sơ đồ mạch điện Hình 0.1 Mạch tích phân không đảo 3.2 Tác dụng của các linh kiện trong mạch Đây thực chất là một mạch tích phân ghép RC với bộ khuếch đại thuật toán làm nhiệm vụ đệm. 3.3 Nguyên lý hoạt động mạch tích phân Mạch khuếch đại thuật toán hoạt động ở chế độ hồi tiếp âm và dương, với bộ tích phân RC. 3.4 Tính toán các thông số của mạch Tại nút P ta có phương trình dòng điện: Mặc khác: 44 4. Mạch tích phân đảo 4.1 Sơ đồ và nguyên lý mạch điện Hình 0.2Mạch tích phân đảo 4.2 Tính toán các thông số của mạch Tại nút N ta có: Như vậy điện áp ra là tích phân điện áp vào. Trong biểu thức (1), ur(t = 0) là điều kiện ban đầu. Nếu u1 là điện áp xoay chiều hình sin: Thì 45 Ta thấy, biên độ điện áp ra tỉ lệ nghịch với tần số và đặt tuyến biên độ_ tần số của mạch tích phân. Có độ dốc Đây là một dấu hiệu đặc trưng của một mạch tích phân. Từ đặt điểm này ta có định nghĩa sau: Một mạch được gọi là mạch tích phân trong một tần số nào đó nếu trong phạm vi tần số đó đặc tính tần số của nó giảm với độ dốc 6dB/Octave. Trong một bộ khuếch đại thuật toán thực thì dòng tĩnh It và điện áp lệch không thể gây ra sai số đáng kể trong mạch tích phân. Ta sẽ tính sai số này. Giả thuyết U1 = 0, dòng qua tụ điện sẽ là: - Vậy nếu dòng sai số qua C là 1µA và C =1µF thì - Để giảm sai số này ta có thể tăng tụ C, tuy nhiên C không thể lớn tùy ý vì vậy cần dùng Hình 3 để giảm ảnh hưởng của dòng tĩnh. Trong hình 6.3 chọn R1 ≈ R, do đó nếu U1 = 0 thì dòng qua R: 46 Hình 0.3Mạch tích phân có bù dòng tĩnh đầu vào. Do đó sai số qua C bị triệt tiêu. Nhờ thay đổi R1 có thể bù được một phần dòng lệch không và điện áp lệch không. Trôi dòng lệch không và trôi áp lệch không không thể bù được vì thường chúng khá lớn. * Điều kiện đầu của mạch tích phân - Mạch tích phân chỉ có ý nghĩa khi điều kiện ban đầuur(t = 0) không phụ thuộc vào điện áp vào u1. Để đạt điều kiện đầu cho mạch, ta dùng hình 4. Nếu K1 và K2 đều ở vị trí 1 thì mạch làm việc như một mạch tích phân thông thường. Nếu chuyển K1 sang vị trí 2 thì dòng điện Iv = 0 và điện áp ra giữ nguyên giá trị của nó tại thời điểm chuyển mạch. Hình 0.4Mạch tích phân có điều kiện đầu Trạng thái này được dùng khi cần ngắt quá trình tính toán để đọc điện áp ra. Nếu K2 cũng chuyển sang vị trí 2 thì U2 nạp điện cho C đến giá trị U2. Điện áp ban đầu ur(t = 0) chỉ xuất hiện sau khi C đã nạp xong, thời gian nạp 47 - Giá trị của điện áp ra tại t = 0: Hình 0.5Mạch tích phân có điều kiện đầu dùng nguồn điện áp nối đất. 5. Mạch tích phân tổng và hiệu 5.1 Sơ đồ và nguyên lý Hình 0.6Mạch tích phân tổng. 48 Hình 0.7Mạch tích phân hiệu. 5.2 Tính toán các thông số mạch tích phân hiệu - Tại nút N và P ta có: - Biến đổi và cho ,R1CN = R2CP = RC ta được: 6. Mạch tích phân kép 6.1 Sơ đồ và nguyên lý mạch điện Hình 0.8Mạch tích phân kép 49 6.2 Tính toán các thông số của mạch Viết phương trình dòng điện cho các nút 1, 2 và 3 ta có : Nút 1: Nút 2: Nút 3: Rút u2 ở phương trình thứ nhất và htay vào phương trình thứ hai ta có: Vi phân (5) theo t và nhân với RC ta có: Cộng (6) với (4) ta có: 50 Hay Đây là kết quả của mạch tích phân kép đối với ngõ vào 51 BÀI 7: MẠCH PI Giới thiệu: Mạch PI thường dùng trong lĩnh vực điều khiển bằng cách lấy tích phân và vi phân của tín hiệu Mục tiêu : Học xong bài này học viên có khả năng:  Kiến thức:  Nắm được khái niệm của mạch tính tích phân-tỷ lệ.  Tính toán và thiết kế được mạch tích phân-tỷ lệ.  Kỹ năng:  Có thể nhận dạng và hiểu nguyên lý của mạch tính tích phân-tỷ lệ.  Biết thiết kế , tính toán mạch PI.  Thái độ:  Có ý thức tự giác học tập.  Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn nhau.  Tuân thủ nội quy và giờ giấc học tập. Nội dung chính : 1. Khái niệm chung về mạch PI 1.1 Khái niệm chung Mạch PI là mạch tính tỷ lệ và tích phân tín hiệu đầu vào. 1.2 Vai trò và chức năng mạch Mạch PI thường được dùng trong lĩnh vực điều khiển để thực hiện thuật toán điều khiển khâu tích phân-tỷ lệ. 52 2. Sơ đồ mạch điện 2.1 Sơ đồ và nguyên lý mạch Hình 0.1Mạch PI. 2.2 Tác dụng các linh kiện trong mạch Mạch tích phân và tỷ lệ sử dụng mạch khuếch đại thuật toán. Thực chất mạch PI là mạch tích phân sử dụng mạch khuếch đại thuật toán, bổ sung thêm thành phân tỷ lệ với tín hiệu đầu vào bằng cách thêm điện trở mắc nối tiếp với tụ. 2.3 Đặc tuyến biên độ/tần số của mạch PI Hình 0.2Đặc tuyến biên độ- tần số. 2.4 Chức năng và nhiệm vụ của mạch Chức năng của mạch PI là lấy tổng của thành phần tỷ lệ với tín hiệu và tích phân của tín hiệu đầu vào. Mạch PI thường được dùng để thực hiện thuật toán điều khiển khâu tích phân-tỷ lệ. 53 2.5 Tính toán thông số mạch Mạch có điện áp ra: - Biết rằng dòng vào: tạo nên điện trở RN điện áp và trên tụ điện C điện áp mặc khác do UN = 0V, nên - Để làm rõ nguyên lý của mạch, ta sẽ xét trường hợp - Ta có: - Đặt : 54 3. Đo, kiểm tra, cân chỉnh các thông số mạch 3.1 Chuẩn bị 3.1.1 Chuẩn bị linh kiện Chuẩn bị các linh kiện sau :  1 điện trở 10K.  1 Tụ 104.  1 biến trở 50K.  1 opamp LM358  1 Bộ nguồn +/-5VDC 3.1.2 Chuẩn bị dụng cụ, testboard Chuẩn bị các dụng cụ sau :  Mỏ hàn,  chì hàn, nhựa thông.  Testboard  Dây nối  Kìm cắt,kìm kẹp, nhíp .  Bộ nguồn DC.  Máy phát hàm.  VOM 3.2 Lắp ráp mạch 3.2.1 Lắp ráp mạch trên testboard Lắp ráp mạch trên testboard theo sơ đồ nguyên lý sau : 55 GND 1 3 2 8 4 U1A LM358 +5V 10k R1 -5V GND 2 1 CN1 U1 104 C2 2 1 CN2 GND U2 50K R2 3.2.2 Đo ngắn mạch Dùng VOM đo giữa hai đầu CN1,CN2 và nguồn +/-5VDC xem có chạm nguồn hay không. 3.3 Cấp nguồn 3.3.1 Chỉnh nguồn, áp phù hợp. Chỉnh bộ nguồn +/-5VDC cung cấp cho mạch. 3.3.2 Cấp tín hiệu cho mạch Sau khi đã chỉnh nguồn, cấp tín hiệu sóng sin từ máy phát hàm cho mạch thông qua CN1. 3.4 Đo đạc và cân chỉnh 3.4.1 Đo đạc tín hiệu Quan sát và đo tín hiệu trên CN2, so sánh với tín hiệu đầu vào trên CN1 3.4.2 Cân chỉnh thông số theo yêu cầu Chỉnh biến trở R2 và quan sát thành phần tỷ lệ với tín hiệu vào. 56 BÀI 8: MẠCH VI PHÂN Giới thiệu: Mạch vi phân trng thực tế có nhiều ứng dụng như tạo ra các dạng sóng bằng cách lấy vi phân một tín hiệu chuẩn, mạch cũng dùng trong lĩnh vực điều khiển hoặc xử lý tìn hiệu analog. Mục tiêu : Học xong bài này học viên có khả năng:  Kiến thức:  Nắm được khái niệm của mạch tính vi phân.  Tính toán và thiết kế được mạch vi phân.  Kỹ năng:  Có thể nhận dạng và hiểu nguyên lý của mạch tính vi phân.  Biết thiết kế , tính toán mạch vi phân.  Thái độ:  Có ý thức tự giác học tập.  Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn nhau.  Tuân thủ nội quy và giờ giấc học tập. Nội dung chính : 1. Khái niệm chung về mạch vi phân 1.1 Khái niệm chung Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ ra là các phương trình toán học đó là phép toán vi phân tín hiệu vào. 1.2 Vai trò và chức năng của mạch Giá trị điện thế ở ngõ ra là kết quả tích phân điện thế ngõ vào theo hệ số vi phân RC. 57 2. Sơ đồ mạch điện 2.1 Sơ đồ mạch Hình 0.1Mạch vi phân lý thuyết Hình 0.2Mạch vi phân sử dụng trong thực tế. 2.2 Tác dụng của linh kiện trong mạch Mạch vi phân tương tự như mạch tích phân, trong đó linh kiện R và C đổi vị trí cho nhau. Mạch cũng sử dụng Chip khuếch đại thuật toán để tạo ra tín hiệu vi phân của tín hiệu đầu vào. 2.3 Nguyên lý hoạt động của mạch Nguyên lý hoạt động dựa trên nguyên tắc nạp xả của tụ. Cộng với đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán, cho phép tạo ra tín hiệu vi phân của tín hiệu đầu vào. 58 2.4 Chức năng và nhiệm vụ của mạch Mạch có nhiệm vụ tạo ra các tín hiệu vi phân của tín hiệu đầu vào. Các mạch tính vi phân có thể sử dụng trong các mạch cần xử lý tín hiệu tương tự hoặc các mạch cần biến đổi dạng sóng tín hiệu. 2.5 Tính toán thông số mạch (cho mạch trong hình 8.1) Viết phương trình dòng điện cho nút cho nút N ta có: Giả thiết Ta có: Do vậy hệ số khuếch đại của mạch: - Như vậy K’ tỷ lệ với tần số và đồ thị Bode Có độ dốc 6dB/Octave. Ta có định nghĩa sau: Mạch vi phân là mạch có đặt tuyến tần số tăng với độ dốc 6dB/Octave. Mạch điện hình 8.1 có các nhược điểm sau: - Do hệ số khuếch đại của nạch tỉ lệ với tần số nên tạp âm tần số cao ở đầu ra của mạch là rất lớn, có thể lấn ác tín hiệu. - Trở kháng vào của mạch 59 giảm khi tần số tăng, do đó khi nguồn tín hiệu có trở kháng trong lớn thì chỉ có một phần tín hiệu được vi phân, phần còn lại được khuếch đại. Mặt khác ở tần số cao hệ số hồi tiếp của mạch giảm. Mạch kém ổn định do bản thân mạch hồi tiếp đã gây ra một góc di pha_900. Để bù tần số đảm bảo ổn định phải tính toán sau cho lượng dự trữ về pha ФK = 90 0. Do các nhược điểm vừa nêu, trong thực tế người ta thường dùng mạch vi phân hình 8.2. Điện trở R1 được mắc nối tiếp với C1 để giảm tạp âm tần số cao. Do vậy mạch chỉ có tác dụng vi phân khi Ở tần số đó có thể coi CN là hở mạch, ở tần số cao thì trở kháng của CN rất nhỏ nên có thể coi đầu ra ghép hồi tiếp âm hoàn toàn với đầu vào, nhờ vậy mà giảm được tạp âm ở đầu ra Hình 0.3Đặt tuyến biên độ - tần số Nếu chọn CN sao choR1C1 = RNCN thì khi hệ số khuếch đại giảm theo tần số. Do đó đồ thị Bode (Hình 3) của mạch trên hình 2 gồm có 2 thành phần: là thành phần vi phân. là thành pần tích phân. 60 Điện áp ra khi được biểu diễn qua công thức: 3. Đo, kiểm tra, cân chỉnh các thông số mạch 3.1 Chuẩn bị Chuẩn bị linh kiện Chuẩn bị các linh kiện sau :  1 Tụ 104.  1 biến trở 50K.  1 opamp LM358  1 Bộ nguồn +/-5VDC Chuẩn bị dụng cụ, testboard Chuẩn bị các dụng cụ sau :  Mỏ hàn,  chì hàn, nhựa thông.  Testboard  Dây nối  Kìm cắt,kìm kẹp, nhíp .  Bộ nguồn DC.  Máy phát hàm.  VOM 3.2 Lắp ráp mạch 3.2.1 Lắp ráp mạch trên testboard Lắp ráp mạch trên testboard theo sơ đồ nguyên lý sau : 61 GND 1 3 2 8 4 U1A LM358 +5V -5V GND 2 1 CN1 U1 104 C1 2 1 CN2 GND U2 50K R1 3.2.2 Đo ngắn mạch Dùng VOM đo giữa hai đầu CN1,CN2 và nguồn +/-5VDC xem có chạm nguồn hay không. 3.3 Cấp nguồn 3.3.1 Chỉnh nguồn, áp phù hợp. Chỉnh bộ nguồn +/-5VDC cung cấp cho mạch. 3.3.2 Cấp tín hiệu cho mạch Sau khi đã chỉnh nguồn, cấp tín hiệu sóng sin từ máy phát hàm cho mạch thông qua CN1. 3.4 Đo đạc và cân chỉnh 3.4.1 Đo đạc tín hiệu Quan sát và đo tín hiệu trên CN2, so sánh với tín hiệu đầu vào trên CN1 3.4.2 Cân chỉnh thông số theo yêu cầu Chỉnh biến trở R2 và quan sát tín hiệu đầu ra so với tín hiệu vào. 62 BÀI 9: MẠCH PID Giới thiệu Mạch PID ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực điều khiển hoặc trong các phần tính toán và xử lý tín hiệu analog. Mục tiêu : Học xong bài này học viên có khả năng:  Kiến thức:  Nắm được khái niệm của mạch tính PID (Tỷ lệ-Tích phân-Vi phân).  Tính toán và thiết kế được mạch PID.  Kỹ năng:  Có thể nhận dạng và hiểu nguyên lý của mạch PID.  Biết thiết kế , tính toán mạch PID.  Thái độ:  Có ý thức tự giác học tập.  Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn nhau.  Tuân thủ nội quy và giờ giấc học tập. Nội dung chính : 1. Khái niệm chung về mạch PID (Propotional-Intergrated-Differential ) 1.1 Khái niệm chung Mạch PID là mạch tạo tín hiệu là tổng của ba thành phần tỷ lệ, tích phân và vi phân của tín hiệu đầu vào. 1.2 Vai trò và chức năng của mạch Mạch PID cũng là một mạch hay được sử dụng trong kỹ thuật điều khiển để mở rộng phạm vi tần số điều khiển và trong nhiều trường hợp để tăng tính ổn định của hệ thống điều khiển trong một dải tần rộng. 63 2. Sơ đồ mạch điện 2.1 Sơ đồ mạch điện Hình 0.1Mạch PID 2.2 Tác dụng của các linh kiện trong mạch Mạch PID thực chất là ghép lại của mạch PI và mạch vi phân tạo ra mạch PID. Điện trợ RN ,CN và Ri tạo ra thành phần P và I trên tín hiệu đầu vào. Mặt khắc điện trở RN và tụ Ci kết hợp với mạch khuếch đại thuật toán tạo ra thành phần vi phân của tín hiệu. 2.3 Nguyên lý hoạt động của mạch Như đã đề cập ở trên, mạch PID thực chất là ghép lại của mạch PI và mạch vi phân, vì vậy nguyên lý hoạt động của mạch tương tự mạch vi phân và mạch PI. 2.4 Đặc tuyến biên độ tần số của mạch PID Đặc tuyến biên độ tần số của mạch PID như hình 9.1 có dạng Hình 0.2Đặc tuyến biên độ_tần số. 64 Nhược điểm của mạch vừa xét là phần vi phân gây tạp âm lớn trong tần số cao còn thành phần tích phân thì có hệ số khuếch đại rất lớn ở tần số thấp nên mạch có thể tự kích khi lượng dự trữ về pha không đủ lớn. Để khắc phục, người ta hạn chế hệ số khuếch đại ở tần số thấp và tần số cao trong một dải nào đó bằng các điện trở R2, R3 như trong Hình 9.3. Ở đây R2 làm nhiệm vụ hạn chế hệ số khuếch đại ở tần số cao, R3 hạn chế tần số khuếch đại ở tần số thấp. Hình 0.3Mạch PID dùng trong thực tế. - Thường chọn R3 >> RNvà R2 << R1. Biểu thức điện áp ra giống như (*) tuy nhiên mạch chỉ có tác dụng trong phạm vi tần số: Với Đặt tuyến tần số của mạch được biểu diễn trên Hình 9.4. 65 Hình 0.4Đặt tuyến biên độ - tần số PID thực tế. 2.5 Chức năng của mạch Chức năng của mạch là tạo ra một tín hiệu là tổng của ba thành phần tỷ lệ của tín hiệu vào và thành phần tích phân và vi phân của tín hiệu đầu vào. Mạch thường sử dụng trong các hệ thống điều khiển sử dụng khâu tỷ lệ, tích phân, vi phân. 2.6 Tính toán thông số mạch Xét mạch điện hình 9.1 ta có phương trình dòng điện tại nút N như sau: Phương trình điện áp trên nhánh ra: Suy ra: Hay Ta thấy ở tần số thấp khi thì thành phần tích phân trong biểu thức (*) chiếm ưu thế. Ở tần số cao khi thì thành phần vi phân lại chiếm ưu thế. Trong dải tần Thì thành phần tỷ lệ với điện áp vào (khuếch đại) chiếm ưu thế. 3. Đo, kiểm tra, cân chỉnh các thông số mạch 3.1 Chuẩn bị 3.1.1 Chuẩn bị linh kiện Chuẩn bị các linh kiện sau : 66  2 Tụ 104.  1 điện trở 10K  1 biến trở 50K.  1 opamp LM358  1 Bộ nguồn +/-5VDC 3.1.2 Chuẩn bị dụng cụ, testboard Chuẩn bị các dụng cụ sau :  Mỏ hàn,  chì hàn, nhựa thông.  Testboard  Dây nối  Kìm cắt,kìm kẹp, nhíp .  Bộ nguồn DC.  Máy phát hàm.  VOM 3.2 Lắp ráp mạch 3.2.1 Lắp ráp mạch trên testboard Lắp ráp mạch trên testboard theo sơ đồ nguyên lý sau : GND 1 3 2 8 4 U1A LM358 +5V 10kR1 -5V GND 2 1 CN1 U1 104C2 2 1 CN2 GND U2 50KR2 104C1 3.2.2 Đo ngắn mạch Dùng VOM đo giữa hai đầu CN1,CN2 và nguồn +/-5VDC xem có chạm nguồn hay không. 67 3.3 Cấp nguồn 3.3.1 Chỉnh nguồn, áp phù hợp. Chỉnh bộ nguồn +/-5VDC cung cấp cho mạch. 3.3.2 Cấp tín hiệu cho mạch Sau khi đã chỉnh nguồn, cấp tín hiệu sóng sin từ máy phát hàm cho mạch thông qua CN1. 3.4 Đo đạc và cân chỉnh 3.4.1 Đo đạc tín hiệu Quan sát và đo tín hiệu trên CN2, so sánh với tín hiệu đầu vào trên CN1 3.4.2 Cân chỉnh thông số theo yêu cầu Chỉnh biến trở R2 và quan sát tín hiệu đầu ra so với tín hiệu vào. 68 BÀI 10: MẠCH LỌC THÔNG THẤP BẬC HAI Giới thiệu Mạch lọc thông thấp dùng hầu hết trong các mạch điện tử nhằm mục đích loại bỏ nhiễu hoặc lọc những thành phần cần thiết. Mục tiêu : Học xong bài này học viên có khả năng:  Kiến thức:  Nắm được khái niệm của mạch lọc thông thấp.  Tính toán và thiết kế được mạch lọc thông thấp bậc hai.  Kỹ năng:  Có thể nhận dạng và hiểu nguyên lý của mạch lọc thông thấp bậc hai  Biết thiết kế , tính toán mạch lọc thông thấp bậc hai.  Thái độ:  Có ý thức tự giác học tập.  Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn nhau.  Tuân thủ nội quy và giờ giấc học tập. Nội dung chính : 1. Khái niệm về mạch lọc thông thấp bậc hai 1.1 Khái niệm chung Mạch lọc thông thấp là mạch lọc chỉ cho phép các tần số thấp hơn một tần số qui định đi qua. Các tần số lớn hơn tần số cho phép sẽ bị triệt tiêu khi qua mạch lọc này. Với các bộ lọc lý tưởng ta có các dạng đặc tuyến như sau: 69 •Mạch lọc thông thấp cho qua các tần số từ 0 ÷ fc và chặn tất cả các tần số từ fc trở lên, với fc là tần số cắt của mạch. 1.2 Vai trò và chức năng của mạch Mạch lọc thông thấp bậc hai có chức năng lọc các tần số cao hơn tần số mong muốn khỏi tín hiệu. Mạch lọc sử dụng nhiều trong các hệ thống thông tin vô tuyến, các hệ thống xử lý tín hiệu... 2. Chức năng và nhiệm vụ của mạch 2.1 Chức năng và nhiệm vụ của mạch Chức năng của mạch là làm các mạch lọc thông thấp trong các hệ thống thông tin hoặc các hệ thống cần xử lý tín hiệu có các tần số nằm ngoài dải tần mong muốn. 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch Hình 0.5Mạch lọc thông thấp bậc hai Sallen-Key 2.3 Chức năng của mạch Chức năng của mạch lọc thông thấp là chỉ cho các tần số nhỏ hơn một tần số fc đi qua. 70 Hình 0.6 Đáp ứng tần số của mạch lọc thông thấp bậc hai Sallen-Key có tần số cắt là 15.9Khz 2.4 Nguyên lý hoạt động của mạch Mạch lọc bậc hai Sallen-Key là một dạng mạch lọc chủ động bậc hay rất hay được sử dụng nhờ sự đơn giản của nó. Nó là một dạng biến đổi của mạch lọc điều khiển bởi nguồn (VCVS). Mạch lọc VCVS sử dụng một bộ khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại cực lớn với trở kháng vào vô hạn và trở kháng ra gần bằng không để thực hiện một bộ lọc thông thấp hai cực (2-pole) với độ dốc 12 dB/octave. Việc sử dụng bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại cực lớn cho hệ số phẩm chất Q rất cao và độ lợi có thể điều chỉnh được mà không cần sử dụng linh kiện cảm kháng. 2.5 Tính toán thông số mạch Hàm truyền của bộ lọc hình 10.1 có dạng như sau Hình 0.7 hàm truyền của bộ lọc thông thấp bậc hai Sallen-Key 71 Trong đó, f0 là tần số cắt, hệ số phẩm chất Q (hay tỷ số damping ) được cho bởi công thức sau : Và Hoặc, Hệ số Q xác định chiều rộng và chiều cao của đỉnh của đáp ứng tần số của bộ lọc. Khi hệ số này tăng, bộ lọc sẽ có khuynh hướng dao động tại tần số cộng hưởng đơn gần 3. Đo, kiểm tra, cân chỉnh các thông số mạch 3.1 Chuẩn bị 3.1.1 Chuẩn bị linh kiện Chuẩn bị các linh kiện sau :  2 Tụ 10nF.  1 điện trở 10K  1 biến trở 50K.  1 opamp LM358  1 Bộ nguồn +/-5VDC 3.1.2 Chuẩn bị dụng cụ, testboard Chuẩn bị các dụng cụ sau :  Mỏ hàn,  chì hàn, nhựa thông.  Testboard  Dây nối  Kìm cắt,kìm kẹp, nhíp .  Bộ nguồn DC.  Máy phát hàm.  VOM 72 3.2 Lắp ráp mạch 3.2.1 Lắp ráp mạch trên testboard Lắp ráp mạch trên testboard theo sơ đồ nguyên lý sau : 50K R2 10nF C2 1 3 2 8 4 U1A LM358 +5V -5V 10nF C1 10K R1 2 1 CN2 GND V2 V1 2 1 CN1 GND GND 3.2.2 Đo ngắn mạch Dùng VOM đo giữa hai đầu CN1,CN2 và nguồn +/-5VDC xem có chạm nguồn hay không. 3.3 Cấp nguồn 3.3.1 Chỉnh nguồn, áp phù hợp. Chỉnh bộ nguồn +/-5VDC cung cấp cho mạch. 3.3.2 Cấp tín hiệu cho mạch Sau khi đã chỉnh nguồn, cấp tín hiệu sóng sin tần số 500 Hz từ máy phát hàm cho mạch thông qua CN1. 3.4 Đo đạc và cân chỉnh 3.4.1 Đo đạc tín hiệu Chỉnh biến trở R2 = 10K. Quan sát và đo tín hiệu trên CN2, so sánh với tín hiệu đầu vào trên CN1. 3.4.2 Cân chỉnh thông số theo yêu cầu Thay đổi tần sóng sin đầu vào từ 100Hz – 10Khz, mỗi bước thay đổi 100Hz. Vẽ đáp ứng tần số của mạch lọc trong khoảng tần số này. 73 BÀI 11: MẠCH LỌC THÔNG CAO BẬC HAI Giới thiệu Mạch lọc thông cao dùng hầu hết trong các mạch điện tử nhằm mục đích loại bỏ nhiễu hoặc lọc những thành phần cần thiết. Mục tiêu : Học xong bài này học viên có khả năng:  Kiến thức:  Nắm được khái niệm của mạch lọc thông cao.  Tính toán và thiết kế được mạch lọc thông cao bậc hai.  Kỹ năng:  Có thể nhận dạng và hiểu nguyên lý của mạch lọc thông cao bậc hai  Biết thiết kế , tính toán mạch lọc thông cao bậc hai.  Thái độ:  Có ý thức tự giác học tập.  Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn nhau.  Tuân thủ nội quy và giờ giấc học tập. Nội dung chính : 1. Khái niệm chung về mạch lọc thông cao bậc hai 1.1 Khái niệm chung Mạch lọc thông cao là mạch lọc chỉ cho phép các tần số cao hơn một tần số qui định đi qua. Các tần số nhỏ hơn tần số cho phép sẽ bị triệt tiêu khi qua mạch lọc này. Với các bộ lọc lý tưởng ta có các dạng đặc tuyến như sau: 74 • Mạch lọc thông cao chặn tất cả các tần số từ 0 ÷ fc và cho qua tất cả các tần số từ tần số fc trở đi. 1.2 Vai trò và chức năng của mạch Mạch lọc thông cao bậc hai có chức năng lọc các tần số thấp hơn một tần số mong muốn khỏi tín hiệu. Mạch lọc sử dụng nhiều trong các hệ thống thông tin vô tuyến, các hệ thống xử lý tín hiệu... 2. Chức năng và nhiệm vụ của mạch 2.1 Chức năng và nhiệm vụ của mạch Chức năng của mạch là làm các mạch lọc thông cao trong các hệ thống thông tin hoặc các hệ thống cần xử lý tín hiệu có các tần số nằm ngoài dải tần mong muốn. 2.2 Sơ đồ mạch Hình 0.1 Mạch lọc thông cao bậc hai Sallen-Key 2.3 Chức năng của các linh kiện trong mạch Chức năng của mạch lọc thông cao là chỉ cho các tần số cao hơn một tần số fc đi qua. 75 Hình 0.2 Đáp ứng tần số của mạch lọc thông thấp bậc hai Sallen-Key có tần số cắt là 15.9Khz 2.4 Nguyên lý hoạt động của mạch Cũng giống như mạch lọc thông thấp bậc hai, mạch lọc bậc hai Sallen-Key cũng là một dạng biến thể của mạch lọc VCVS, và rất hay được sử dụng nhờ sự đơn giản của nó. Mạch tạo ra một bộ lọc thông cao hai cực (2-pole) với độ dốc 12 dB/octave. Việc sử dụng bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại cực lớn cho hệ số phẩm chất Q rất cao và độ lợi có thể điều chỉnh được mà không cần sử dụng linh kiện cảm kháng. 2.5 Tính toán các thông số mạch Hàm truyền của bộ lọc hình 11.1 có dạng như sau Hình 0.3 Hàm truyền của mạch lọc thông cao bậc hai Sallen-Key Trong đócũng như mạch lọc thông thấp bậc hai, f0 là tần số cắt, hệ số phẩm chất Q (hay tỷ số damping ) được cho bởi công thức sau : 76 (và tương tự như mạch lọc thông thấp) Hoặc, Cách tính cũng tương tự như mạch lọc thông thấp bậc hai. Trong trường hợp đặt tuyến biên độ - tần số của bộ lọc không đủ vuông gốc, phải thực hiện bộ lọc bậc cao hơn hai. Muốn vậy, ta mắc nối tiếp các bộ lọc thông cao bậc hai dạng cascade . Lúc đó, đặc tính tần số của mạch sẽ là đặc tính tần số của tổng các mạch lọc bậc hai riêng rẽ. 3. Đo, kiểm tra, cân chỉnh các thông số mạch 3.1 Chuẩn bị 3.1.1 Chuẩn bị linh kiện Chuẩn bị các linh kiện sau :  2 Tụ 10nF.  1 điện trở 10K  1 biến trở 50K.  1 opamp LM358  1 Bộ nguồn +/-5VDC 3.1.2 Chuẩn bị dụng cụ, testboard Chuẩn bị các dụng cụ sau :  Mỏ hàn,  chì hàn, nhựa thông.  Testboard  Dây nối  Kìm cắt,kìm kẹp, nhíp .  Bộ nguồn DC.  Máy phát hàm.  VOM 77 3.2 Lắp ráp mạch 3.2.1 Lắp ráp mạch trên testboard Lắp ráp mạch trên testboard theo sơ đồ nguyên lý sau : 50K R2 10nF C2 1 3 2 8 4 U1A LM358 +5V -5V 10nF C1 10K R1 2 1 CN2 GND V2 V1 2 1 CN1 GND GND 3.2.2 Đo ngắn mạch Dùng VOM đo giữa hai đầu CN1,CN2 và nguồn +/-5VDC xem có chạm nguồn hay không. 3.3 Cấp nguồn 3.3.1 Chỉnh nguồn, áp phù hợp. Chỉnh bộ nguồn +/-5VDC cung cấp cho mạch. 3.3.2 Cấp tín hiệu cho mạch Sau khi đã chỉnh nguồn, cấp tín hiệu sóng sin tần số 5KHz từ máy phát hàm cho mạch thông qua CN1. 3.4 Đo đạc và cân chỉnh 3.4.1 Đo đạc tín hiệu Chỉnh biến trở R2 = 10K. Quan sát và đo tín hiệu trên CN2, so sánh với tín hiệu đầu vào trên CN1. 3.4.2 Cân chỉnh thông số theo yêu cầu Thay đổi tần sóng sin đầu vào từ 100Hz – 10Khz, mỗi bước thay đổi 100Hz. Vẽ đáp ứng tần số của mạch lọc trong khoảng tần số này. 78 2.2.5 BÀI 12: MẠCH LỌC CHỌN LỌC VÀ MẠCH LỌC THÔNG DẢI Giới thiệu Mạch lọc chọn lọc và mạch lọc thông dải dùng hầu hết trong các mạch điện tử nhằm mục đích loại bỏ nhiễu hoặc lọc những thành phần cần thiết. Đặc biệt mạch lọc chọn lọc rất hay dùng trong các mạch cộng hưởng tín hiệu vô tuyến Mục tiêu : Học xong bài này học viên có khả năng:  Kiến thức:  Nắm được khái niệm của mạch chọn lọc và mạch lọc thông dải.  Tính toán và thiết kế được mạch chọn lọc và mạch lọc thông dải.  Kỹ năng:  Có thể nhận dạng và hiểu nguyên lý của mạch chọn lọc và mạch lọc thông dải.  Biết thiết kế , tính toán mạch chọn lọc và mạch lọc thông dải.  Thái độ:  Có ý thức tự giác học tập.  Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn nhau.  Tuân thủ nội quy và giờ giấc học tập. Nội dung chính : 1. Khái niệm chung về mạch lọc chọn lọc và mạch lọc thông dải 1.1 Mạch lọc chọn lọc Mạch lọc chọn lọc cho qua các tần số nhỏ hơn f1 và lớn hơn f2 (f2 > f1) và chặn tất cả các tần số nằm trong khoảng f1 ÷ f2. Độ rộng của dải được tính bằng B = f2 - f1. Với mạch lọc chọn lọc lý tưởng, ta có đặc tuyến đáp ứng tần số như sau : 79 Tần số trung tâm: 1.2 Mạch lọc thông dải Mạch lọc thông dải cho các tần số nằm trong khoảng từ f1 ÷ f2 và chặn tất cả các tần số nằm ngoài dải này. Độ rộng của dải thong được tính bằng B = f2 –f1. Tần số trung tâm Mạch lọc thông dải lý tưởng có đáp ứng tần số như hình sau 2. Sơ đồ mạch điện a) Sơ đồ mạch lọc chọn lọc Hình 0.1 Mạch lọc chọn lọc Twin-T chủ động b) Sơ đồ mạch lọc thông dải 80 Hình 0.2 Mạch lọc thông dải bậc hai Sallen-Key 2.1 Nguyên lý hoạt động của mạch Mạch lọc chọn lọc Twin-T chủ động dựa trên nguyên lý mạch lọc Twin-T thụ động, nhưng sử dụng mạch khuếch đại thuật toán có hệ số khue16ch đại rất lớn để tăng hệ số phẩm chất Q. Mạch lọc thông dải bậc hai là cũng là dạng mạch Sallen-Key,tương tự như mạch lọc thông thấp và thông cao bậc hai. Điện trở R1 và R2 được mắc thêm để cung cấp thêm độ lợi cho mạch lọc. 2.2 Chức năng và nhiệm vụ của mạch Chức năng của mạch lọc chọn lọc là chỉ cho các tần số nằm trong một dải tần cho phép được đi qua. 81 Hình 0.3 Đáp ứng tần số của mạch lọc chọn lọc dải tần 1.47Khz-1.5Khz 3. Tính toán thông số mạch 3.1 Chức năng của các linh kiện Linh kiện R,C tạo thành mạch lọc tại tần số mong muốn. Mạch khuếch đại thuật toán mắc theo kiểu kéo theo điện áp nhằm nâng cao hệ số phẩm chất Q của bộ lọc. Điện trở R1,R2 bù độ lợi cho mạch lọc. 3.2 Tính toán thông số mạch Lọc chọn lọc là lọc thông dải có tần số giới hạn trên bằng tần số giới hạn dưới: fgt =fgd = fo. Đểđơn giản, xét một bộ lọc chọn lọc được cấu tạo từ một mạch lọc thông cao tích cực bậc một và mạch lọc thông thấp tích cực bậc một. - Đặt: Ko.K∞=A. 82 chú ý rằng với bộ lọc bậc một: a1 = 1 ta sẽ viết lại biểu thức trên: - Đặc trưng cơ bản của mạch lọc chọn lọc là: hệ số khuếch đại của mạch ở tần số trung tâm fo và hệ số phẩm chất Q. Tại tần số trung tâm fo, ta có: Ω=f/fo = 1 vµ P =jΩ = j - Lúc này, hệ số khuềch đại ở tần số fo (tần số cộng hưởng): - Độ rộng dải thông được xác định khi hệ số khuếch đại giảm lần , nên ta có: - Thay (6b) vào (6) và giải phương trình theo Ω, ta có 2 nghiệm: - Theo định nghĩa, phẩm chất của mạch: - Thay nghiệm từ (7) vào (8), ta có: 83 - Thay (6a) và (9) vào (6), ta sẽ nhậnn được hệ số khuếch đại của mạch lọc chọn loc : Hình 0.4Mạch lọc chọn lọc. a./ hồi tiếp âm một vòng; b./ hồi tiếp âm nhiều vòng; c./hồi tiếp dương một vòng. - Xét mạch phản hồi âm nhiều vòng, hàm truyền đạtđược viết: 84 - So sánh (11) với (10), ta thấy, biểu thức (11) sẽ có dạng hệ số khuếch đại của mạch lọc chọn nếu hệ số P2 bằng 1, tức: - Do đó, tần số cộng hưởng: Nếu mắc nối tiếp một mạch lọc thông thấp có tần số giới hạn fg1 và một mạch lọc thông cao có tần số giới hạn fg2 ta sẽ nhận được mạch lọc thông dải với điều kiện fg1 >fg2 . Lúc đó, fg1 được gọi là tần sô giới hạn trên (fgt) và fg2 được gọi là tần số giới hạn dưới (fgd). Đặc tính tần số của nó là tích đặc tính tần số của hai khâu lọc riêng rẽ. Với mạch này điện thế ngõ ra v0max đạt đến trị số tối đa ở một tần số nào đó gọilà tần số cộng hưởng wr. Khi tần số khác với tần số cộng hưởng, độ khuếch đại giảm dần. Tần số thấp hơn wr làm độ lợi giảm đi còn 0.707v0max gọi là tần số ngắt thấp wL và tần số cao hơn wr làm độ lợi giảm còn 0.707v0max gọi là tần số ngắt cao wh. Băng thông được định nghĩa: B = wH - wL 85 Khi B<0.1wr mạch được gọi là lọc dải thông băng tần hẹp hay mạch lọc cộng hưởng. Khi B>0.1wr được gọi là mạch lọc dải thông băng tần rộng. - Tỉ số: gọi là hệ số phẩm chất (quality factor) của mạch. Và Nếu B = fH – fL Mạch lọc thông dải băng tần rộng: - Mạch lọc thông dải băng tần rộng là một mạch mà ở ngõ ra chỉ có một dải tần giới hạn nào đó trong toàn bộ dải tần của tín hiệu đưa vào ngõ vào. - Thông thường để được một mạch dải thông băng tần rộng, người ta dùng hai mạch lọc hạ thông và thượng thông mắc nối tiếp nhau nhưng phải thỏa mãn điều kiện tần số cắt w2 của mạch lọc hạ thông phải lớn hơn tần số cắt w1 của mạch lọc thượng thông. Sơ đồ mạch: 86 Tính toán mạch: - Ta có: - Ta tìm được hai tầ số cắt: - Phải chọn R1, R2, C1, C2 sao cho w1 < w2. Mạch lọc thông dải băng tầng hẹp Sơ đồ mạch Với I: Tính toán mạch - Ta có: Nên: 87 Đặt: - Tại tần số cộng hưởng wr: Để đơn giản và tiện lợi trong việc ứng dụng, ta chọn C1= C2 = C; R2 = 2R1 - Để định băng tần B, ta tìm ωH và ωL, tại ωL và ωH ta có: - Ta có hai phương trình: - Từ phương trình (a) ta tìm được:- Từ phương trình (b) ta tìm được: - Ta chỉ lấy nghiệm dương là: Và - Tính R3: 88 - Mà: - Trong thiết kế ta chọn:3 C1 = C2 = C. Chọn bang tầng B và tần số cộng hưởng ωr.Từ đó suy ra: R1, R2, R3 được tính từ các phương trình: Mạch lọc triệt dải (mạch lọc chọn lọc) Sơ đồ mạch lọc triệt dải Hình 0.5Sơ đồ mạch lọc triệt dải * Phân tích mạch - Để loại bỏ được một dải tần số Wr thì mạch lọc triệt dải phải có hai chức năng lọc thông thấp các dải tầng số WL < Wr, và lọc thông cao các dải tầng số WH< Wr. - Phân giải mạch này tương đối phức tạp, ta chấp nhận các bước thiết kế sau: 1. Chọn C1 = C2 = C: Trị thích hợp từ 100pf đến 0.1uF. 2. Tính R1, R2 từ công thức: R1 = R2 = 89 3. Chọn Ra thích hợp (thường Ra = 1kΩ). 4. Tính Rb từ công thức Rb = 2. 4. Đo, kiểm tra, cân chỉnh các thông số mạch 4.1 Chuẩn bị 4.1.1 Chuẩn bị linh kiện Chuẩn bị các linh kiện sau :  2 Tụ 10nF.  1 điện trở 10K  1 biến trở 50K.  1 opamp LM358  1 Bộ nguồn +/-5VDC 4.1.2 Chuẩn bị dụng cụ, testboard Chuẩn bị các dụng cụ sau :  Mỏ hàn,  chì hàn, nhựa thông.  Testboard  Dây nối  Kìm cắt,kìm kẹp, nhíp .  Bộ nguồn DC.  Máy phát hàm.  VOM 4.2 Lắp ráp mạch 4.2.1 Lắp ráp mạch trên testboard Lắp ráp mạch trên testboard theo sơ đồ nguyên lý sau : 90 10nF C1 1 3 2 8 4 U1A LM358 +5V -5V 20K R3 2 1 CN2 GND V2 V1 2 1 CN1 GND GND 10K R5 10K R4 GND 10K R1 10nF C2 GND 10K R2 4.2.2 Đo ngắn mạch Dùng VOM đo giữa hai đầu CN1,CN2 và nguồn +/-5VDC xem có chạm nguồn hay không. 4.3 Cấp nguồn 4.3.1 Chỉnh nguồn, áp phù hợp. Chỉnh bộ nguồn +/-5VDC cung cấp cho mạch. 4.3.2 Cấp tín hiệu cho mạch Sau khi đã chỉnh nguồn, cấp tín hiệu sóng sin từ máy phát hàm cho mạch thông qua CN1. 4.4 Đo đạc và cân chỉnh 4.4.1 Đo đạc tín hiệu Quan sát và đo tín hiệu trên CN2, so sánh với tín hiệu đầu vào trên CN1. 4.4.2 Cân chỉnh thông số theo yêu cầu Thay đổi tần sóng sin đầu vào từ 100Hz – 10Khz, mỗi bước thay đổi 100Hz. Vẽ đáp ứng tần số của mạch lọc trong khoảng tần số này. 91 BÀI 13: MẠCH NÉN CHỌN LỌC Giới thiệu Mạch nén chọn lọc thường dùng trong các mạch cộng hưởng tần số vô tuyến để chọn lọc tần số mong muốn Mục tiêu : Học xong bài này học viên có khả năng:  Kiến thức:  Nắm được khái niệm của mạch nén chọn lọc.  Tính toán và thiết kế được mạch nén chọn lọc.  Kỹ năng:  Có thể nhận dạng và hiểu nguyên lý của mạch nén chọn lọc  Biết thiết kế , tính toán mạch nén chọn lọc.  Thái độ:  Có ý thức tự giác học tập.  Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn nhau.  Tuân thủ nội quy và giờ giấc học tập. Nội dung chính : 1. Khái niệm chung về mạch nén chọn lọc 1.1 Khái niệm chung Mạch nén chọn lọc là mạch lọc thông dải có băng thông B rất hẹp. Mạch nén chọn lọc lý tưởng có đáp ứng tần số như sau : Mạch nén chọn lọc lý tưởng 92 1.2 Vai trò và chức năng của mạch Mạch nén chọn lọc thường dùng trong các mạch cộng hưởng tại tần số trung tâm trong các hệ thống thông tin vô tuyến, các mạch tạo dao động... 2. Chức năng và nhiệm vụ của mạch nén chọn lọc 2.1 Nhiệm vụ và vai trò của mạch nén Mạch nén chọn lọc chỉ cho đúng một tần số mang muốn đi qua, các tần số khác sẽ bị triệt tiệu khi qua mạch này. 2.2 Sơ đồ mạch điện Hình 0.1Sơ đồ mạch nén chọn lọc dùng mạch lọc T kép. 2.3 Chức năng của các linh kiện Một mạch nén chon lọc ở hình 13.1 là mạch T kép thụ động, kết hợp với mạch khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại lớn để tăng hệ số phẩm chất Q.R1 và (k+1)R1 được mắc thêm để bù độ lợi cho mạch nén chọn lọc. 2.4 Nguyên lý hoạt động của mạch Để nén một tần số nào đó, người ta dùng một bộ lọc có hệ số truyền đạt ở tần số cộng hưởng bằng không, còn ở tần số thấp và tần số cao thì hệ số truyền đạt tăng đến một giá trị không đổi nào đó. Một mạch nén chon lọc chủ động khá phổ biến là mạch T kép thụ động, kết hợp với mạch khuếch đại thuật toán. 93 2.5 Tính toán thông số mạch Ta xem xét mạch lọc T kép thụ động Hình 0.2 Mạch lọc T kép thụ động Hàm truyền đạt của mạch: Với Ω = ωRC. Biểu thức này tường đương với biểu thức (6), trong đó: A=1 ; β = 4; Khi f>fO tức P>j thì KT = KTO=A còn khi, f=fO tức P=j thì KT=0. Tương tự với mạch lọc chọn lọc, ta tính được 2 nghiệm Ω1 và Ω2, do đó: Q=fO/B = 1/ Ω1 - Ω2 = 1/β. (14) Thay (14) vào (6), ta có biểu thức: So sánh với (13), rút ra:Q=1/4. Từ (15), tính được KT: 94 Ta đã tính được hệ số phẩm chất của mạch T kép Q=1/4 Ta có thể tăng Q bằng cách mắc mạch T kép vào mạch hồi tiếp của bộ KĐTT để tạo mạch lọc tích cực. Hình 0.3Mạch lọc T kép chủ động. Hình trên là sơđồ mạch nén chọn lọc dùng mạch lọc T kép Tại tần số cao và thấp, tính chất truyền đạt của mạch T kép không có gì thay đổi, do đó, điện áp ra: Tại tần số cộng hưởng ru = 0, lúc này coi như một đầu của R/2 nối đất, do đó tần số cộng hưởng fO vẫn xác định theo biểu thức : Hàm truyền đạt phức của mạch điện : 95 Do đó, KO= k và: Khi k=1 thì Q = 0,6; Khi k=2 thì Q = ∞. 2.6 Bài tập 1) Tính các giá trị R1,R2,R3,C1,C2,C3 để mạch nén chọn lọc T kép thụ động sau có tần số f0=1.5Khz 2) Tính tần số fo của mạch nén chọn lọc thụ động sau 96 BÀI 14: MẠCH VÒNG KHOÁ PHA (PLL) Giới thiệu Mạch PLL dùng rất nhiều trong các hệ thống vô tuyến hoặc các bộ tạo xung clock trong các mạch điện tử Mục tiêu : Học xong bài này học viên có khả năng:  Kiến thức:  Nắm được khái niệm của mạch vòng khóa pha.  Tính toán và thiết kế được mạch vòng khóa pha.  Kỹ năng:  Có thể nhận dạng và hiểu nguyên lý của mạch vòng khóa pha  Biết thiết kế , tính toán mạch vòng khóa pha.  Thái độ:  Có ý thức tự giác học tập.  Có tinh thần hợp tác giúp đỡ lẫn nhau.  Tuân thủ nội quy và giờ giấc học tập. Nội dung chính. 1. Sơ đồ khối vòng khóa pha Vòng khóa pha (Phase_locked_loop)PLL là hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong đó tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và pha của tín hiệu vào. Tín hiệu vào có thể có thể có dạng tương tự hình sine hoặc dạng số. Kỹ thuật PLL được ứng dụng rộng rãi trong các mạch lọc, tổng hợp tần số, điều chế và giãi điều chế, điều khiển tự động 97 Hình 0.1Sơ đồ khối của PLL 1.1 Nguyên lý hoạt động Vòng khóa phahoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào và ra là tần số Và các đại lượng này được so sánh với nhau về pha. Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát hiện và điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vào ra. PLL hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển, đại lượng vào và ra là các tần số, chúng được so sánh với nhau về pha. Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát hiện vàđiều chỉnh những sai số nhỏ về tầnn số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra: làm cho tần số ω`r của tín hiệu so sánh bám theo tần số ωv của tín hiệu vào, tần số tín hiệu so sánh bằng tần số tín hiệu ra(ω`r =ωr), hoặc tỉ lệ với tần số tín hiệu ra (ω`r =ωr/N). Xét trường hợp tín hiệu vào là sin, mạch tách sóng pha là mạch nhân tương tự.  Khi không có tín hiệu vào, thì tín hiệu điều chỉnh ud=K. uv.u`r = 0, mạch VCO dao động với tần số bằng tần số dao động riêng ω0(tần số dao động tự do – chếđộ chờ)  Khi có tín hiệu vào, bộ tách sóng pha sẽ so pha và tần số của tín hiệu vào và tín hiệu so sánh, đầu ra bộ tách sóng pha có ud=K. uv u`r (# 0), chứa thành phần tổng và hiệu các tần số: ωv ± ω`r, thành phần tổng ωv + ω`r bị loại bỏ nhờ mạch lọc thông thấp, chỉ còn thành phần hiệu: ωv - ω`r, sau khi khuếch đại được dùng làm tín hiệu điều khiển bộ dao động VCO, tần số VCO thay đổi sao cho: tạo được tần số hồi tiếp ω`r có giá trị làm cho (ωv - ω`r) --> 0. 98 Nếu tần số ωv và ω`r lệch nhau quá lớn làm cho tần sốtổng và hiệu nằm ngoài dải thông của mạch lọc, thì sẽ không có tín hiệu điều khiển VCO, VCO dao động với tần số ω0, khi ω`r tiến dần đến ωv sao cho thành phần hiệu rơi vào dải thông của bộ lọc, VCO bắt đầu nhận tín hiệu điều khiển, khi đó ta gọi PLL làm việc trong “dải bắt” tín hiệu, vậy “dải bắt” là dải PLL thiết lập chếđộđồng bộ. “Dải giữ” là dải PLL có thể giữđược chếđộđồng bộ khi thay đổi tần số tín hiệu vào(phụ thuộc biên độđiện áp điều khiển ud và khả năng biến đổi tần số của VCO). Trong dải giữ PLL là một mạch điều khiển tuyến tính, theo các giả thiết trên và chọn hệ số chia tần N=1, ta có: - Như bộ lọc thông thấp, tín hiệu đưa đến VCO còn: - Trong đó Kd; ⎢G⎢là hệ số và module truyền đạt của mạch lọc thông thấp Tại xung quanh điểm làm việc tĩnh, tần số VCO tỉ lệ với giá trị trung bình Của ud, do vậy có thể viết và dãy bắt chính là: 2 . 99 - Khi ωv là hằng số thì PLL đã chuyển sang quá trình giữ, hiệu pha giữa 2 tín hiệu u’r và uv không đổi (ωv = ω`r), từ phương trình trên => là giá trị một chiều. - Do vậy tần số thay đổi một lượng: 2∆ωGmax chính là dải giữ của PLL. 1.2 Chức năng nhiệm vụ của từng khối Bộ tách sóng pha Tạo ra tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha của 2 tín hiệu vào, tín hiệu vào thường là hình sin hoặc xung vuông, cho nên có 2 loại chính là tách sóng pha tuyến tính(tín hiệu vào là sin), tách sóng pha số(tín hiệu vào là xung vuông). Bộ tách sóng pha tuyến tính: là mạch nhân tương tự, tín hiệu ra tỉ lệ với biên độ tín hiệu vào. Bộ tách sóng pha sẽ: thực hiện bởi các mạch số, thuộc loại mạch tổ hợp. Bộ lọc thông thấp Thực hiện các chức năng: Cho qua tín hiệu tần số thấp ωv - ω`r, nén tần số cao ωv + ω`r Đảm bảo cho vong khoá pha PLL bắt nhanh và bám được tín hiệu vào khi tần số thay đổi, nghĩa là nã phải có tốc độđáp ứng thoả mãn. 100 Dải thông của bộ lọc phải đủ lớn đểđảm bảo dải bắt cần thiết. Thông thường trong PLL dùng bộ lọc thông thấp bậc nhất, vì có tính ổn định cao hơn bộ lọc bậc cao, và dùng lọc tích cực để tăng độ khuếch đại cho hệ thống. Bộ dao động có tần số điều khiển được Yêu cầu chung là quan hệ giữa điện áp điều khiển và tần số dãy xung phải tuyến tính, ngoài ra còn phải cóđộổn định cao,dải biến đổi của tần số lớn, dễđiều chỉnh, và dễ chế tạo thành vi mạch. Về nguyên tắc có thể dùng mọi mạch tạo dao động, mà tần số dao động của nó biến thiên được trong phạm vi: (±10% ÷ ±50%), xung quanh giá trị dao động tự do ω0. Trong phạm vi tần số : 1Mhz - 100 Mhz, thường dùng các bộ dao động tạo xung chữ nhật; trong phạm vi tần số : 1Mhz - 50 Mhz, thường dùng các bộ daođộng đa hài (tích thoát, mạch đa hài ghép Emitter...). Các bộ dao động được điều khiển bởi dòng điện (CCO), ưu việt hơn các bộ dao động bởi điện áp (VCO), vì có phạm vi tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt rộng hơn. 2. Các tính chất của PLL tuyến tính 2.1 VCO Khi không có tín hiệu Vi ở ngõ vào, thì điện áp ngõ ra Vdc(t) = 0V, bộ dao động VCO hoạt động ở tần số fn được cài đặt bởi điện trở và tụ điện ngoài. Khi có tín hiệu vào Vi, bộ tách sóng pha so sánh pha và tần số của tín hiệu vào với tín hiệu ra của VCO. Ngõ ra của bộ tách sóng pha là điện áp sai lệch Vd(t) , Chỉ sự sai biệt về pha và tần số của hai tín hiệu. Điện áp áp sai lệch Vd(t) được lọc lấy thành phần biến đổi chậm Vdc(t) Nhờ bộ lọc thông thấp LPF, Khuếch đại để thành tín hiệu Vdk(t) đưa đến ngõ vào của VCO, để điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vào. Đến khi tần số focủa VCO bằng tần số fi của tín hiệu vào, ta nói bộ VCO đã bắt kịp tín hiệu vào. Lúc bấy giờ sự sai lệch giữa hai tín hiệu này chỉ còn lại sự sai lệch về pha mà thôi. Bộ tách sóng pha tiếp tục so sánh pha giữa hai tín hiệu để điều khiển VCO hoạt động sao cho sự sai lệch pha giữa chúng giảm đến mức nhỏ nhất. 101 Dải bắt BC (Capture range). Ký hiệu BC = f2 f1 là dãi tần số tín hiệu vào thay đổi nhưng PLL vẫn đạt được sự khóa pha, Nghĩa là bộ VCO vẫn bắt kịp tín hiệu vào. Như vậy để PLL hoạt động được thì tần số của Vi phải nằm trong BC. BC phụ thuộc vào băng thông LPF. Để PLL đạt đươc sự khóa pha thì độ sai lệch tần số (fifn) phải nằm trong băng thông LPF. Nếu nó nằm ngoài băng thông thì PLL sẽ không đạt đươc khóa pha vì biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh. Hình sau là mạch VCO thực hiện bằng Mạch khuếch đại thuật toán Hình 0.2 Mạch VCO 2.2 Tính chất PLL 102 Giả sử mạch PLL đã đạt đươc chế độ khóa pha, VCO đã đồng bộ với tín hiệu vào. Bây giờ ta thay đổi tần số tín hiệu vào theo hướng lớn hơn tần số VCO thì VCO sẽ bám theo. Tuy nhiên khi tăng đến một giá trị nào đó thì VCO sẽ không bám theo được nữa và quay về tần số tự nhiên ban đầu của nó. Tương tự khi giảm tần số tín hiệu vào nhỏ hơn tần số VCO, thì giảm đến một giá trị nào đó thì nó cũng không thể bám theo được và cũng trở về tần số tự nhiên của nó. Dải giá trị tần số từ thấp đến cao nói trên gọi là dải khóa: Dải khóa BL (Lock range): ký hiệu BL = fmax -fmin là dài tần số mà PLL đồng nhất được tần số fo vàfi . Các tần số fmax, fmin tần số cực đại cực tiểu mà PLL thự hiện được khóa pha. Dải khóa phụ thuộc vào hàm truyền đạt (độ lợi) của bộ tách sóng pha, khuếch đại VCO. Nó không phụ thuộc vào đáp tuyến bộ lọc LPF vì khi PLL khóa pha thì fi -fo = 0. Khi PLL chưa khóa pha: fi ≠fo. Khi PLL khóa pha: fi =fo. Ở chế độ khóa pha, dao động fo của VCO bam đồng bộ theo fi trong dải tần số khóa BL rộng hơn dải tần số bắt BC. Ví dụ: VCO của một bộ khóa pha PLL có tần số tự nhiên là 12MHz. Khi tần số tín hiệu vào tăng lên từ 0Hz thì vòng PLL khóa tại giá trị 10MHz. Sau đó tiếp tục tăng lên thì nó mât khóa pha tại 16MHz. 1) Hãy tìm dải bắt và dải khóa. 2) Ta lặp lại các bước trên nhưng bắt đầu với tần số tín hiệu vào có giá trị rất cao sau đó giảm dần. Hãy tính các thành phần mà PLL thực hiện khóa pha và mất khóa pha. 1) Dải bắt BC = f2 f1 = 2(12 - 10) = 4MHz. Dải khóa BC = fmax fmin = 2(16 – 12) = 8MHz. 2) Đáp ứng của PLL có tính đối xứng, nghĩa là tần số tự nhiên nằm tại trung tâm của dải hkoa1 và dải bắt. Do đó khi giảm tần số tín hiệu đến 14MHz thì PLL sẽ thức hiện khóa pha. Tiếp tục giảm tần số tín hiệu vào đến giá trị 8MHz thì PLL bắt đầu mất khóa pha. 103 3. Ứng dụng của PLL PLL đóng vai tròquan trọng trong kỹ thuật truyền số liệu, kỹ thuật vô tuyến điện, kỹthuậtt đo lường điện tử....nóđược dùng nhằm biến đổi tần số, sau đây là các ứng dụng cụ thể: 3.1 Tách sóng tín hiệu điều tần Khi chọn tần số dao động tự do ωo = ωt(tần số tải tần), thì ud chính là tín hiệu cần tách sóng. Hình 0.3Mạch giải điều chế FM dùng PLL 3.2 Điều chế tín hiệu số FSK Dùng MODEM để truyển tín hiệu số trên đường điện thoại(tương tự), có thể dùng phương pháp khoá dich tần FSK, hai bít 1, và 0 được khoá theo 2 tần số khác nhau, ví dụ 950hz=0;1050hz=1, PLL được cấu tạo sao cho tần số dao động tự do ωo nằm giữa 2 tần sốđiều chế, để ωo bám theo một trong 2 tần số, điện áp ra tỉ lệ với tần số vào. Ví dụ với bít 1(1050hz), điện áp Ud lớn, bit 0(950hz), tín hiệu Ud nhỏ≅0. Như vậy Ud biểu diễn tín hiệu nhị phân, hay PLL điều chế tín hiệu nhị phân, tín hiệu này có thể truyền trên đường tương tự. 3.3 Tổng hợp tần số 3.3.1 Nguyên lý hoạt động Mạch tổng hợp tần số: cấu tạo và nguyên tắc giống mạch nhân tần chỉ khác Tần số chuẩn trước khi đưa vào bộ tách sóng pha được chia tầnn với hệ số chia M, khi đó fc=fv/M, Như vậy tần số ra được xác định : 104 khi chương trình hoá sự thay đổi các tham số N và M có thể nhận được chuỗi tần sốcó giá trị khác nhau từ tần số ban đầu fv Hình 0.4Mạch tổng hợp tần số dùng PLL 3.3.2 Sơ đồ mạch Hình 0.5Mạch nhân tần số dùng PLL Đồng bộ tần số: dùng để đồng bộ tần số ra với một tần số vào: Hình 0.6Mạch đồng bộ tần số dùng PLL 3.3.3 Tính toán các thông số Chúng ta sẽ thực hiện một mạch VCO dạng VFC (Voltage to Frequency Convertor) sử dụng IC chuyên dụng VFC32 của hãng Texas Instruments. 105 Hình 0.7 Mạch chuyển đổi điện áp thành tần số VFC Mạch được mắc như hình 14.7. Trong đó R1 sẽ set tầm của tí hiệu đầu vào theo công thức R1=Vfs/0.25mA Để có Vfs10V thì R1=10/0.25=40Kohm Tầm tần số đầu ra được xác định bởi tụ C1 theo bảng sau Hình 0.8 bảng chọn C1,C2 theo tần số đầu ra 106 Để có tần số đầu ra trong khoảng từ 0-10Khz với điện áp đầu vào từ 0-10Khz thì ta chọn C1= 3.3nF. Đầu ra của bộ tạo dao động là dạng cực thu hở, nên ta cần phải gắn thêm một điện trở kéo lên nguồn. 4. Đo, kiểm tra, cân chỉnh các thông số mạch 4.1 Chuẩn bị 4.1.1 Chuẩn bị linh kiện Chuẩn bị các linh kiện sau :  2 Tụ 104.  1 tụ 10nF,1 tụ 3.3nF  1 điện trở 40K,1 điện trở 4k7  1 IC VFC32  1 Bộ nguồn +/-15VDC 4.1.2 Chuẩn bị dụng cụ, testboard Chuẩn bị các dụng cụ sau :  Mỏ hàn,  chì hàn, nhựa thông.  Testboard  Dây nối  Kìm cắt,kìm kẹp, nhíp .  Bộ nguồn DC.  Máy phát hàm.  VOM 4.2 Lắp ráp mạch 4.2.1 Lắp ráp mạch trên testboard Lắp ráp mạch trên testboard theo sơ đồ nguyên lý sau : 107 4.2.2 Đo ngắn mạch Dùng VOM đo giữa hai đầu CN1,CN2 và nguồn +/-15VDC xem có chạm nguồn hay không. 4.3 Cấp nguồn 4.3.1 Chỉnh nguồn, áp phù hợp. Chỉnh bộ nguồn +/-15VDC cung cấp cho mạch. 4.3.2 Cấp tín hiệu cho mạch Sau khi đã chỉnh nguồn, cấp tín hiệu điện áp DC từ 0-10V cho mạch thông qua CN1. 4.4 Đo đạc và cân chỉnh 4.4.1 Đo đạc tín hiệu Chỉnh tín hiệu ngõ vào là 5VDC. Quan sát và đo tín hiệu trên CN2. 4.4.2 Cân chỉnh thông số theo yêu cầu Thay đổi điện áp ngõ vào từ 0-10V. Vẽ dạng sóng ngõ ra trên CN2.