Đề tài Thiết kế bảy bài thí nghiệm vô tuyến điện dùng cho sinh viên Đại học An Giang

i hiện hành của nó. Khi mất một hoặc tất cả các tín hiệu vào của các FF đang hoạt động, nó vẫn có khả năng giữ trạng thái hiện hành trong một thời gian nhất định. Vì vậy nó có thể được sử dụng như một phần tử nhớ. Ta có thể phân FF thành 2 loại theo nhóm hoạt động: - Không đồng bộ: Thông tin ghi vào được thực hiện ngay sau khi thông tin tới ngõ vào của FF. - Đồng bộ: Loại này có ngõ vào nhịp và ngõ vào thông tin (còn gọi là ngõ vào logic). Sự ghi thông tin chỉ có thể thực hiện khi có tác dụng xung nhịp. Sau đây ta nghiên cứu một số loại FF cơ bản: Nguyễn Văn Mện 13 Y A B Y A B Hình 1-13. Cấu tạo cổng NAND 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 9 8 GND 7400 VCC Hình 1-14. IC 7400 S R Q CK Hình 1-15. Cấu tạo RS-FF Thí nghiệm vô tuyến điện - FF – RS đồng bộ: là loại FF cơ bản nhất có hai ngõ vào S và R và hai ngõ ra Q và Q . Trong điều kiện bình thường, hai ngõ ra này bù nhau. FF – RS có xung đồng hồ tác động ở mức thấp được cấu tạo từ 4 cổng NAND bắt chéo. FF-RS hoạt động theo bảng chân lý sau: Bảng 5: Hoạt động RS – FF R S Qn+1 0 0 Qn (giữ nguyên) 0 1 1 ( = S) 1 0 0 ( = S) 1 1 cấm - FF – JK đồng bộ: hoạt động giống như FF – RS nhưng để loại bỏ trạng thái cấm người ta thêm vào cho nó hai cổng AND (hình vẽ) Bảng 6: Hoạt động JK – FF J K Qn+1 1 1 nQ 0 0 Qn 1 0 1 0 1 0 2. Mạch RLC nối tiếp Mạch RLC nối tiếp là loại mạch điện cơ bản nhất của mạng điện gia đình. Chọn dòng điện làm trục gốc về pha. Biểu thức các hiệu điện thế: R 0Ru U sin t= ω C 0Cu U sin t 2 pi  = ω −   L 0Lu U sin t 2 pi  = ω +   ( )u Usin t= ω + ϕ Nguyễn Văn Mện 14 Q QSET CLR S R J K Hình 1-16. Cấu tạo JK-FF Hình 1-17. Mạch RLC mắc nối tiếp Thí nghiệm vô tuyến điện Trong đó: 0R 0U I R= 0C 0 CU I Z= 0L 0 LU I Z= 0 0 UI Z = L CZ Ztg R −ϕ = 3. Mạch khuếch đại Mạch khuếch đại tín hiệu là loại mạch điện sử dụng năng lượng của nguồn một chiều để biến đổi tín hiệu ngõ vào thành tín hiệu ngõ ra có biên độ lớn hơn (năng lượng lớn hơn). Tùy theo đặc tính của mạch khuếch đại mà tín hiệu thu được sẽ lợi hơn so với tín hiệu đưa vào về điện thế, dòng điện hay công suất. Các mạch khuếch đại có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật điện tử và được sử dụng rất rộng rãi. Có nhiều loại mạch khuếch đại khác nhau, sau đây ta xét ba loại mạch khuếch đại phổ biến: 3.1. Mạch khuếch đại dùng transitor Transitor là một linh kiện ba cực nên khi mắc vào mạch điện thành một linh kiện 4 cực ta phải mắc có một cực chung cho cả ngõ vào và ngõ ra. Trên thực tế có 3 cách mắc transitor: cực phát chung, cực thu chung và cực nền chung. Nội dung tài liệu này chỉ nghiên cứu mạch cực phát chung (common emittor). Đối với mạch cực phát chung, tín hiệu cần khuếch đại được đưa vào ở cực nền (cực B) và lấy ra ở cực thu (cực C). Các điện thế phân cực VC > VB > VE. Sau đây là một số thông số kỹ thuật. + Tổng trở vào: i ie b er h r r= = + β + Tổng trở ra: ro vài chục kΩ. + Độ khuếch đại điện thế: C ie R h − β (vài trăm lần). Nguyễn Văn Mện 15 Hình 1-18. Phân cực cho transitor Thí nghiệm vô tuyến điện + Pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra: đảo pha. Ngoài ra, để tăng độ lợi thế của mạch khuếch đại, người ta thường mắc thêm vào mạch một tụ phân dòng cực phát có tác dụng nối mass đối với tín hiệu cho cực này. Giá trị của tụ càng lớn ta sẽ có độ lợi càng lớn. 3.2. Mạch khuếch đại dùng transitor trường ứng Trong mạch khuếch đại, JFET thường được mắc cực S chung cho hai ngõ vào và ra, tín hiệu đưa vào ở cực G và lấy ra ở cực D. Sơ đồ mạch như hình vẽ: Tín hiệu ngõ ra ngược pha với tín hiệu ngõ vào. Cũng giống như mạch khuếch đại dùng transitor, mạch dùng JFET cũng được tăng độ lợi thế bằng tụ phân dòng cực nguồn. 3.3. Mạch khuếch đại thuật toán Do có hai ngõ vào ngược dấu nên tùy theo việc sử dụng ngõ vào nào mà pha của tín hiệu có bị đảo hay không. Cũng chính vì đặc điểm này mà mạch khuếch đại dùng OPA có hai loại sau: a. Mạch khuếch đại đảo: tín hiệu được đưa vào ngõ vào đảo và hồi tiếp âm, ngõ vào không đảo được nối mass. Độ khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại đảo được xác định bằng biểu thức: ht V RA 0 R = − < (phụ thuộc vào phần tử thụ động R). - Nếu chọn R = Rht, thì AV = -1, mạch có tác dụng đảo pha tín hiệu. - Nếu R = 0 thì Vo = -IvRht, mạch có tác dụng biến đổi dòng thành thế. b. Mạch khuếch đại không đảo: tín hiệu được đưa vào ngõ vào không đảo và hồi tiếp dương, ngõ vào đảo được nối mass. Độ khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại không đảo được xác định bằng biểu thức: Nguyễn Văn Mện 16 v v AB Hình 1-19. Phân cực cho JFET Hình 1-20. Mạch khuếch đại đảo Hình 1-21. Mạch khuếch đại khổng đảo Thí nghiệm vô tuyến điện ht V RA 1 0 R = + > Nguyễn Văn Mện 17 Thí nghiệm vô tuyến điện 4. Mạch làm toán dùng OP-AMP Mạch làm toán là loại mạch cho ta quan hệ giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra bằng một phép toán đơn giản. Các mạch làm toán đơn giản thường gặp gồm: mạch cộng, mạch trừ, mạch tích phân, mạch vi phân, mạch logarit. 4.1. Mạch cộng 4.1.1. Mạch cộng đảo Mạch cộng đảo được thiết kế dựa trên mạch khuếch đại đảo vào song song với các đầu vào chính là các tín hiệu cần cộng (hình 1-22). Quan hệ giữa điện thế ngõ ra với các điện thế ngõ vào: 1 2 n o f 1 2 n V V VV R ... R R R   = − + + +   (1-3) Nếu sử dụng các điện trở bằng nhau, điện thế ngõ ra sẽ có biểu thức đơn giản hơn: ( )fo 1 2 nRV V V ... VR= − + + + (1-4) Từ biểu thức quan hệ cho thấy tín hiệu ngõ ra và tín hiệu ngõ vào ngược pha nhau. 4.1.2. Mạch cộng không đảo Cũng giống như mạch cộng đảo, mạch cộng không đảo được xây dựng trên cơ sở mạch khuếch đại không đảo. Mạch cộng không đảo có sơ đồ như hình 1-23. Nếu chọn Rf = (n-1)RL ta được biểu thức liên hệ hai tín hiệu: n o 1 2 n i i 1 V V V ... V V = = + + + = ∑ (1-5) Tín hiệu ngõ ra đồng pha với tín hiệu ngõ vào. Nguyễn Văn Mện 18 Hình 1-22. Mạch cộng đảo Hình 1-23. Mạch cộng không đảo Thí nghiệm vô tuyến điện 4.2. Mạch trừ Là mạch kết hợp giữa mạch khuếch đại đảo và không đảo. Biểu thức liên hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra có dạng: Vo = α(V2 – V1). (1-6) Trong đó α là hệ số khuếch đại độc lập của một ngõ vào khi điện thế của ngõ vào kia bằng không. Nếu các điện trở là giống nhau thì α = 1. 4.3. Mạch tích phân Mạch tích phân sử dụng hiện tượng phóng điện của tụ trên đường hồi tiếp. Biểu thức liên hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra: t o i 0 1V Vdt= τ ∫ (1-7) Trong đó RCτ = gọi là hằng số tích phân của mạch. 4.4. Mạch vi phân Điện áp ra tỷ lệ với tốc độ thay đổi điện áp vào. i o dVV dt = − τ (1-8) Trong đó RCτ = − gọi là hằng số vi phân của mạch. 4.5. Mạch biến đổi hàm số Mạch biến đổi hàm số là loại mạch cho mối quan hệ giữa điện áp vào và điện áp ra theo biểu thức: Vo = f(Vi) với f là một hàm bất kỳ. Nếu f là một hàm logarit, dựa vào đặc tính dẫn điện đặc biệt của diode, ta có mạch điện như hình vẽ. 5. Mạch đếm Các bộ đếm là những mạch điện tử số quan trọng, chúng đều là những mạch logic tuần tự, trong đó tính thời gian là một đặc trưng quan trọng. Các chỉ tiêu quan trọng của một mạch đếm là: - Dung lượng đếm cực đại. Nguyễn Văn Mện 19 Hình 1-24. Mạch trừ Hình 1-25. Mạch tích phân Hình 1-26. Mạch vi phân Hình 1-27. Mạch lấy logarit Thí nghiệm vô tuyến điện - Cách đếm tiến lên hay lùi. - Hoạt động đồng bộ hay không đồng bộ. - Hoạt động liên tục hay dừng tự động. Các mạch đếm đều được cấu tạo từ các FF. 5.1. Mạch đếm đồng bộ Là loại mạch đếm có xung đồng hồ tác động đồng bộ (tác động song song). 5.1.1. Mạch đếm lên đồng bộ Hình 1-28 là sơ đồ mạch đếm lên nhị phân 4 bit đồng bộ sử dụng các cổng AND để liên kết các FF. Nguyễn Văn Mện 20 Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R + Ck Ck Ck Ck CL QA QB QC QD J K J K J K J K Hình 1-28. Mạch đếm lên đồng bộ Thí nghiệm vô tuyến điện 5.1.2. Mạch đếm xuống đồng bộ Khác với các mạch đếm lên, mạch đếm xuống dùng ngõ ra phụ của các FF đứng trước nối vào ngõ vào của các FF đứng sau qua các cổng AND (hình 1-29). 5.2. Mạch đếm không đồng bộ Mạch đếm không đồng bộ sử dụng các FF mắc nối tiếp, ngõ ra của FF đứng trước dùng làm xung đồng hồ của FF đứng sau. 5.2.1. Mạch đếm lên không đồng bộ Nguyễn Văn Mện 21 Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R + Ck Ck Ck Ck CL QA QB QC QD J K J K J K J K Hình 1-29. Mạch đếm xuống đồng bộ Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R + Ck Ck Ck Ck CL QA QB QC QD + ++ J K J K J K J K Hình 1-30. Mạch đếm lên không đồng bộ Thí nghiệm vô tuyến điện 5.2.2. Mạch đếm xuống không đồng bộ Mạch đếm xuống không đồng bộ sử dụng ngõ ra phụ của FF đứng trước làm xung đồng hồ cho FF đứng sau. 5.2.3. Mạch đếm lên xuống không đồng bộ Mạch đếm lên xuống là sự tổ hợp của mạch đếm lên và mạch đếm xuống nhờ vào một chân điều khiển. Hình 1-32 là sơ đồ một mạch đếm lên xuống không đồng bộ. Nguyễn Văn Mện 22 Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R + Ck Ck Ck Ck CL QA QB QC QD + ++ J K J K J K J K Hình 1-31. Mạch đếm xuống không đồng bộ Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R QCQA QB+ + + J K J K J K Hình 1-32. Mạch đếm lên xuống không đồng bộ Thí nghiệm vô tuyến điện 5.3. Mạch đếm vòng Các mạch đếm đồng bộ và không đồng bộ dựa vào sự chia nhị phân kế tiếp. Một loại mạch đếm dựa vào sự di chuyển vòng quanh của một ghi chuyển có hồi tiếp gọi là mạch đếm vòng. Mạch này tác động đồng bộ có tốc độ giao hoán cao và do có đặc tính riêng biệt nên đôi khi được dùng. Nguyễn Văn Mện 23 Q QSET CLR S RQ QSET CLR S R Q QSET CLR S R J K J K J K QA QB QC Hình 1-33. Mạch đếm vòng Thí nghiệm vô tuyến điện Chương 2 GIỚI THIỆU BỘ THÍ NGHIỆM VÔ TUYẾN ĐIỆN 1. Các dụng cụ đo 1.1. Dao động kí hai chùm tia Dao động ký điện tử là một loại dụng cụ cho phép ta quan sát dạng của một tín hiệu điện thế mà không làm ảnh hưởng đến dòng ở mạch ngoài (có điện trở rất lớn) với phổ quan sát (biên độ và tần số) rộng. Dao động ký hai chùm tia có thể đồng thời đo được hai tín hiệu điện thế. Có nhiều loại dao động ký điện tử, loại chủ yếu được trang bị ở Phòng thí nghiệm Vật lý là dao động ký Hameg HM303-6 (hình 2- 1) do Đức sản xuất. Đây là loại hai chùm tia có hai tần số quét ngang là 1kHz và 1MHz. Hình 2-2 là sơ đồ các nút chức năng của dao động ký Hameg HM303-6. - POWER (1): led báo tắt, mở máy. - INTENS (2): điều chỉnh độ sáng của dạng sóng trên màn hình. Nguyễn Văn Mện 24 Hình 2-1 Dao động ký Hameg HM303-6 Hình 2-2. Các nút dao động ký Thí nghiệm vô tuyến điện - TRACK ROTATION (3): điều chỉnh độ nghiêng của vệt sáng. - FOCUS (4): điều chỉnh độ sắc nét của vệt sáng. - Y-POS I (5): điều chỉnh vị trí tín hiệu đưa vào kênh CH1 trên trục đứng. - Y-MAG X 5 (6): nhân 5 lần tín hiệu theo trục đứng của kênh CH1. - Y-MAG X 5 (7): nhân 5 lần tín hiệu theo trục đứng của kênh CH2. - Y-POS II (8): điều chỉnh vị trí tín hiệu đưa vào kênh CH2 trên trục đứng. - SLOP (9): chọn tín hiệu bắt đầu quét ở cạnh lên hay cạnh xuống. - LEVEL (10): điều chỉnh để tín hiệu ít nhấp nháy trên màn hình. - X-POS (11): điều chỉnh vị trí hai tín hiệu theo trục ngang. - X-MAG X 10 (12): nhân 10 lần giá trị của trục ngang (trục thời gian). - VOLTS/DIV (13):có 12 giá trị điều chỉnh từng nấc ứng với giá trị mỗi ô trên trục đứng của kênh CH1 (nút 14 ở vị trí CAL). - VAR GAIN (14): điều chỉnh liên tục cho nút 13, khi nút này ở vị trí CAL (hết cỡ về bên phải) thì nút volts/div mới đúng giá trị được ghi. - CHI/II (15): chọn kênh CH1 hay CH2 để xem khi DUAL và ADD không được chọn. - DUAL (16): xem hai kênh cùng một lúc. - ADD (17): xem tổng hai tín hiệu. - VOLTS/DIV (18):có 12 giá trị điều chỉnh từng nấc ứng với giá trị mỗi ô trên trục đứng của kênh CH2 (nút 19 ở vị trí CAL). - VAR GAIN (19): điều chỉnh liên tục cho nút 18, khi nút này ở vị trí CAL (hết cỡ về bên phải) thì nút volts/div mới đúng giá trị được ghi. - TRIG.MODE (20): chọn tần số quét ngang để xem tín hiệu. - AT/NM, ALT (21, 22): quét tín hiệu đồng bộ tự động. - HOLD OFF (23): điều chỉnh cho tín hiệu ổn định trên màn hình. - TIME/DIV (24): điều chỉnh theo từng nấc giá trị thời gian trên mỗi ô trục ngang (khi VAR GAIN ở vị trí CAL) có giá trị từ 0,2s/div đến 0,1µs/div. - VAR GAIN (25): điều chỉnh liên tục cho TIME/DIV. - X-Y (26): hiển thị tín hiệu tổng hợp hai tín hiệu. Nguyễn Văn Mện 25 Thí nghiệm vô tuyến điện - TRIG.EXT (27): ngõ lấy tín hiệu đồng bộ bên ngoài vào máy. - INPUT CH1 (28): ngõ vào tín hiệu kênh CH1. - AC/DC (29): chọn loại tín hiệu đưa vào kênh CH1 là xoay chiều hay tổng hợp. - GD (30): nối mass cho kênh CH1. - MASS (31): nối mass cho máy. - INPUT CH2 (32): ngõ vào tín hiệu kênh CH2. - AC/DC (33): chọn loại tín hiệu đưa vào kênh CH1 là xoay chiều hay tổng hợp. - GD (34): nối mass cho kênh CH2. - INV (35): đảo pha tín hiệu kênh CH2. - (36): ngõ vào phụ. - COMP TESTER (37, 38): ngõ kết nối các dụng cụ khác. - (39): ngõ lấy tín hiệu ra chuẩn. - CALIBRATOR (40): chọn tần số tín hiệu quét ngang. 1.2. Ampe kế Do đặc tính của các bài thí nghiệm, ampe kế được sử dụng là loại có giai đo nhỏ giá trị lớn nhất của thang đo là 100mA, độ chia nhỏ nhất 0,1mA. 1.3. Vôn kế Là loại vôn kế khung quay có hai giai đo chủ yếu: giai 6V và giai 12V được trang bị sẵn ở Phòng thí nghiệm. * Cách đọc giá trị trên đồng hồ đo: Giá trị cần đo = (số chỉ trên đồng hồ X giai đo)/giới hạn đo. Nguyễn Văn Mện 26 Hình 2-3. Vôn kế và ampe kế Thí nghiệm vô tuyến điện 2. Các board mạch điện tử Các board mạch điện tử được kết nối sẵn một số chi tiết, linh kiện cần thiết. Kích thước chung cho các board mạch là 30X50cm bố trí theo chiều ngang hoặc dọc tùy theo tính chất của mạch điện. 2.1. Mạch RLC nối tiếp Gồm các điện trở có giá trị 1k, 10k, 100k, các tụ điện 1, 22, 100µ được nối sẵn vào các cọc ở hai đầu. Các cuộn dây có số vòng khác nhau, lõi sắt để tăng độ tự cảm của cuộn. Board mạch này dùng cho bài sử dụng dao động ký. 2.2. Mạch khuếch đại dùng transitor phân cực bằng cầu chia điện thế Board mạch có một transitor loại C828 mắc sẵn vào các cọc. Các điện trở và biến trở để phân cực transitor, các tụ lọc, tụ đưa tín hiệu vào và lấy tín hiệu ra được bố trí như hình vẽ. Nguyễn Văn Mện 27 Hình 2-4. mạch RLC Hình 2-5. Mạch khuếch đại dùng transitor Thí nghiệm vô tuyến điện 2.3. Mạch khuếch đại dùng transitor phân cực bằng hồi tiếp thu nền Board mạch có một transitor loại C828 mắc sẵn vào các cọc. Các điện trở và biến trở để phân cực transitor, các tụ lọc, tụ đưa tín hiệu vào và lấy tín hiệu ra được bố trí như hình vẽ. 2.4. Mạch khuếch đại dùng transitor trường ứng Board mạch có một transitor trường ứng loại k30A mắc sẵn vào các cọc. Các điện trở để phân cực transitor, các biến trở để thay đổi điện thế các cực, các tụ lọc, tụ đưa tín hiệu vào và lấy tín hiệu ra được bố trí như hình vẽ. Nguyễn Văn Mện 28 Hình 2-6. Mạch khuếch đại dùng transitor Hình 2-7. Mạch khuếch đại dùng JFET Thí nghiệm vô tuyến điện 2.5. Mạch khuếch đại dùng OP-AMP Gồm một IC 741 có các chân cần thiết được nối ra cọc, các điện trở lấy tín hiệu vào, điện trở hồi tiếp có các giá trị khác nhau, điện trở tải có giá trị 10k. 2.6. Mạch làm toán Mạch làm toán gồm hai IC741 được nối các chân vào các cọc được cấp nguồn chung, các điện trở đưa tín hiệu vào, lấy tín hiệu ra, các tụ điện để thực hiện các phép tính vi – tích phân, điện trở tải. Nguyễn Văn Mện 29 Hình 2-8. Mạch khuếch đại dùng OPA Hình 2-9. Mạch làm toán Thí nghiệm vô tuyến điện 2.7. Khảo sát IC chứa cổng logic 7400 Mạch có hai IC 7400 được cấp nguồn độc lập, các led chỉ thị ngõ ra, ngõ vào, biến trở để thay đổi điện thế. 2.8. Mạch đếm nhị phân 4 bít Gồm hai IC 74112 được nối sẵn để tạo mạch đếm. Các ngõ vào của FF, các ngõ PRE được nối sẵn lên điện thế cao. Các led chỉ thị điện thế ngõ ra được nối sẵn, các cổng NAND của hai IC 7400 để liên kết các FF trong mạch đếm khi cần. Một mạch tạo xung bằng tay. Các IC được cấp nguồn chung và các ngõ tín hiệu CLR được nối lại với nhau. 3. Máy phát tần số Là loại máy phát tín hiệu có biên độ từ vài mV đến vài V. Máy có thể tạo được tín hiệu dạng sin, dạng vuông hay dạng răng cưa có tần số và biên độ thay đổi được liên tục, sử dụng mạng điện 220V-50Hz. Tín hiệu do máy tạo ra được dùng để cung cấp cho các mạch khuếch đại. Hình 2-12 là sơ các nút chức năng của máy phát tần số. Nguyễn Văn Mện 30 Hình 2-10. Khảo sát IC 7400 Hình 2-11. Mạch đếm Thí nghiệm vô tuyến điện (1): bật, tắt máy. (2): thay đổi liên tục tần số. (3): thay đổi từng nấc tần số. (4): chọn dạng tín hiệu ra. (5): thay đổi biên độ tín hiệu ra. (6): chọn pha tín hiệu ra là dương hay âm. (7): ngõ lấy tín hiệu ra có biên độ từ 100mV đến12V. (8): ngõ lấy tín hiệu ra có biên độ từ 1mV đến12mV. (9): ngõ lấy tín hiệu DC. 4. Nguồn điện Để tạo ra hiệu điện thế DC cung cấp cho các mạch điện tử. Có hai loại nguồn điện được sử dụng: - Loại tạo điện thế một chiều: có thang điện thế từ 3 đến 15V, thay đổi được mỗi 3V để cung cấp cho các IC, phân cực transitor. Loại này được trang bị sẵn cho phòng thí nghiệm. - Loại tạo điện thế đối xứng: có thang chia nhỏ hơn, có giá trị từ -7,5 đến 7,5V thay đổi được mỗi 1,5V, có điểm giữa. Nguồn này do cán bộ phòng thí nghiệm tự chế từ nguồn điện một chiều dùng để cung cấp điện thế cho OPA. Nguyễn Văn Mện 31 Hình 2-12. Máy phát tần số (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)(8)(9) a) Nguồn một chiều b) Nguồn đối xứng Hình 2-13 Thí nghiệm vô tuyến điện 5. Dây nối Để tiện lợi cho việc kết nối các mạch điện, bộ thí nghiệm sử dụng hai loại dây nối: - Loại kết nối bằng mỏ sấu. - Loại kết nối bằng chui cắm. Các dây có nhiều lõi, có độ dài khác nhau tùy theo mạch điện. Nguyễn Văn Mện 32 Hình 2-14. Dây nối Thí nghiệm vô tuyến điện Chương 3 CÁC BÀI THỰC HÀNH DÙNG CHO SINH VIÊN HỆ ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ Bài 1 SỬ DỤNG DAO ĐỘNG KÝ HAI CHÙM TIA 1. Mục đích: − Biết sử dụng dao động ký hai chùm tia. − Sử dụng dao động ký để đo biên độ, tần số, pha của một tín hiệu (hiệu điện thế) từ đó viết biểu thức của tín hiệu. − Nội dung phương pháp Lissajous, sử dụng phương pháp Lissajous để xác định tần số, biên độ của một tín hiệu dựa vào tín hiệu chuẩn. − Đo điện trở thuần, suất điện động và điện trở nội của nguồn điện. − Đo L, C bằng phương pháp cộng hưởng. − Đo điện trở của cuộn dây dựa vào độ lệch pha giữa uL và uR. 2. Cơ sở lý thuyết: 2.1. Nguyên tắc hoạt động của dao động ký: Hoạt động của dao động ký dựa trên hiện tượng lệch quỹ đạo của electron trong điện trường. Bộ phận chính của dao động ký là hai hệ thống bản lệch: - Bản lệch đứng: làm electron lệch theo chiều dọc. - Bản lệch ngang: làm electron lệch theo chiều ngang. Hai hệ thống bản lệch đặt trên đường đi của tia katôt. Ở trạng thái bình thường, bản lệch ngang được cấp tín hiệu chuẩn có sẵn trong máy là một tín hiệu răng cưa có phương trình dạng: x = ct có tần số biết trước có thể thay đổi được. Khi nối tín hiệu vào dao động ký, tín hiệu này được đưa vào bản lệch đứng. Giả sử tín hiệu vào có dạng hình sin: y = sin(ωt). Sự tổng hợp của tín hiệu này với tín hiệu quét ngang sẽ tạo ra một sóng dạng sin trên màn hình. Nguyễn Văn Mện 33 Thí nghiệm vô tuyến điện 2.2. Sử dụng dao động ký để quan sát tín hiệu: Để quan sát một tín hiệu (điện thế) ta nối hai điểm cần đo điện thế vào một kênh của dao động ký. - Biên độ của tín hiệu: Vpp = số khoảng trên trục đứng * [volts/div] (3-1) Nút vi chỉnh biên độ ở vị trí CAL (hết cỡ về bên phải). - Tần số của tín hiệu: Khi n chu kỳ tín hiệu chiếm m khoảng trên trục ngang ta có: T = n m * [times/div] (3-2) Nút vi chỉnh times/div ở vị trí CAL (hết cỡ về bên phải) Từ đó suy ra tần số của tín hiệu: T f 1= (3-3) - Độ lệch pha giữa hai tín hiệu: Hai điểm dao động đồng pha gần nhất trên hai tín hiệu cách nhau n khoảng trên trục ngang, mỗi chu kỳ tín hiệu chiếm m khoảng. Độ lệch pha giữa hai tín hiệu là: m n =ϕ * 360o (3-4) * Chú ý: Chỉ xét độ lệch pha của những tín hiệu cùng tần số. Nguyễn Văn Mện 34 m = 2chu kỳ n =5 khoảng Hình 3-1. Xác định chu kỳ T=4,2khoảng ϕ=0,7khoảng Hình 3-2. Xác định độ lệch pha Thí nghiệm vô tuyến điện 2.3. Phương pháp Lissajous: Đưa tín hiệu chuẩn vào CH1 có tần số f1, tín hiệu cần đo vào CH2. Dạng sóng tổng hợp là một đường ngoằn ngoèo khép kín gọi là đường Lissajous. Hai tần số liên hệ với nhau theo công thức: Số tiếp điểm dọc* f2 = số tiếp điểm ngang* f1 Từ đó suy ra tần số của tín hiệu cần đo. Khi hai tín hiệu cùng tần số, tùy theo độ lệch pha giữa hai tín hiệu mà dao động tổng hợp sẽ có dạng đường thẳng, elip hoặc đường tròn. Một số dạng đường Lissajous thường gặp: 2.4. Phương pháp cộng hưởng: Mắc mạch RLC, nối uC vào CH1, uL vào CH2. Khi [volts/div] của hai kênh bằng nhau và uL = uC hai tín hiệu chồng khít lên nhau. Ta có: fC fL pi pi 2 12 = (3-5) Biết L ta suy ra C và ngược lại. 2.5. Đo điện trở của cuộn dây dựa trên độ lệch pha giữa UL và I: Biểu thức điện trở của cuộn dây: Nguyễn Văn Mện 35 Số tiếp điểm ngang Số ti ếp đ iể m d ọc Hình 3-3. Phương pháp Lissajous Hình 3-4. Một số dạng đường Lissajous thường gặp f 2 = 3f 1 f 2 = 2f 1 f2 = 1/2f1 f 2 = 3/2f 1 f 2 = 5/2f 1 f2 = 4f1 Thí nghiệm vô tuyến điện [ ] [ ] ϕcos2/ 1/ R divCHvolsN divCHvolsNr R L × = 3. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm: - Bộ thí nghiệm mạch RLC. - Dao động ký điện tử hai chùm tia. - Máy phát tần số. - Nguồn điện xoay chiều. 4. Thực hành: 4.1. Viết biểu thức của tín hiệu: − Mắc mạch RLC nối tiếp. − Nối uR vào CH1 viết biểu thức của uR (xem là tín hiệu chuẩn về pha). − Nối uL vào CH2 viết biểu thức của uL. − Chuyển CH2 sang uC viết biểu thức của uC. − Chuyển CH2 sang u viết biểu thức của u (hiệu điện thế toàn mạch). − Vẽ lần lượt các sóng trên cùng một hệ trục tọa độ với uR. − Nghiệm lại định luật Ohm. 4.2. Xác định tần số, biên độ bằng phương pháp Lissajous: − Nối CH1 với nguồn 12V - 50Hz, CH2 với một nguồn khác chưa biết tần số. − Bật sang chế độ X-Y, thay đổi tần số của tín hiệu từ nguồn chuẩn sao cho sóng tổng hợp ổn định. Nguyễn Văn Mện 36 23mH 1k Hình 3-5. Sử dụng dao động ký Hình 3-6. Xác định tần số và biên độ Thí nghiệm vô tuyến điện − Vẽ lại dạng sóng tổng hợp, suy ra tần số và biên độ của tín hiệu cần đo. − Thực hiện tiếp tục như trên đo 3 tần số khác nhau (thay đổi tần số nguồn cần đo). − Đối chiếu với cách đọc thông thường. − Điều chỉnh tần số của nguồn sao cho hai tín hiệu cùng tần số. Vẽ lại dạng sóng tổng hợp, tìm độ lệch pha giữa hai tín hiệu. − Coi biên độ của sóng chuẩn là 12V, xác định biên độ sóng cần đo bằng phương pháp so sánh. 4.3. Đo L, C bằng phương pháp cộng hưởng: − Mắc mạch RLC nối tiếp vào nguồn điện 12V – 50Hz. Tụ C = 1µ, L chưa biết. − Nối hai kênh vào hai hiệu điện thế uC và uL sao cho hai tín hiệu cùng pha (nếu chúng ngược pha nhau thì ấn nút invert để đổi dấu tín hiệu thứ hai bằng cách nhấn nút INVERT). − Đặt các nút volts/div của hai kênh có giá trị bằng nhau, các nút vi chỉnh đều ở vị trí . − Thay đổi tần số của nguồn phát sao cho hai tín hiệu chồng khít lên nhau. Ghi lại giá trị tần số này để tính giá trị của L. − Làm tương tự để đo giá trị một tụ C chưa biết dựa vào L đã đo được. Nguyễn Văn Mện 37 1k Hình 3-7. Xác định tần số cộng hưởng 1k Hình 3-8. Đo L, C bằng cộng hưởng Thí nghiệm vô tuyến điện 4.4. Đo điện trở của cuộn dây theo độ lệch pha giữa UL và I: − Mắc mạch gồm điện trở R đã biết và cuộn cảm L cần đo điện trở. − Nối CH1 với uL, CH2 với uR. − Chọn volts/div và times/div thích hợp để quan sát được cả hai tín hiệu trên màn hình. − Vẽ lại dạng sóng của hai tín hiệu. − Đọc số khoảng trên trục đứng của hai tín hiệu và độ lệch pha giữa hai tín hiệu. − Chứng minh rằng điện trở r của cuộn dây xác định bằng biểu thức: [ ] [ ] ϕcos2/ 1/ R divCHvolsN divCHvolsNr R L × = − Xác định điện trở này từ thí nghiệm. Nguyễn Văn Mện 38 U (12V/50Hz) R = 1kΩ L = 6mH r Hình 3-9. Đo điện trở cuộn cảm Thí nghiệm vô tuyến điện Bài 2 KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG TRANSITOR 1. Mục đích: − Hình thành kỹ năng mắc một mạch khuếch đại dùng transitor. − Phân cực cho transitor. − Sử dụng mạch mắc được để khuếch đại tín hiệu điện thế. − Tìm hiểu ứng dụng của mạch khuếch đại điện thế. 2. Cơ sở lý thuyết: 2.1. Phân cực cho transitor dùng cầu chia điện thế: Biến đổi mạch cơ bản (1) thành mạch (2) 21 21 RR RRRBB + = (3-6) 21 2 RR RVV CCBB + = (3-7) Độ lợi thế: i o v v vA = Nguyễn Văn Mện 39 u R R 1 R 2 R C R E V CC C 1 C 2 C E v i v o v ov i R C V CC R E R B V BB C 1 C 2 C E Hình 3-10. Mạch tương đương Thí nghiệm vô tuyến điện Ứng với tần số cao, các tụ phân dòng có giá trị lớn, tụ có tác dụng nối mass cho cực E. Khi đó: e C i o v r R v vA −== với CE e I mV I mVr 2626 ≈= Khi không có tụ phân dòng: Ee C i o v Rr R v vA + −== (3-8) 2.2. Phân cực bằng hồi tiếp thu – nền: Độ lợi thế: i o v v vA = Khi có tụ phân dòng: e C i o v r R v vA −== với CE e I mV I mVr 2626 ≈= Khi không có tụ phân dòng (có tác dụng nối mass cho cực E đối với tín hiệu có tần số cao): Ee C i o v Rr R v v A + −== (3-9) 3. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm: - Board mạch khuếch đại tín hiệu transitor phân cực bằng cầu chia điện thế. - Board mạch khuếch đại tín hiệu transitor phân cực bằng hồi tiếp thu – nền. - Nguồn điện một chiều. - Dao động ký hai chùm tia. - Máy phát tần số. - Vôn kế. 4. Thực hành: 4.1. Mạch dùng cầu chia điện thế: Sinh viên mắc mạch như hình 3.12. Nguyễn Văn Mện 40 R C R B R E C 1 C 2 C E v i Hình 3-11. Phân cực bằng hồi tiếp Thí nghiệm vô tuyến điện Chọn giá trị của tụ phân dòng CE = 100µ: − Không cho tín hiệu vào, cấp điện thế phân cực VCC = 9V (cực âm nối mass). Chỉnh biến trở sao cho VCE = 4,5V. Đo điện thế phân cực tương ứng. Giải thích việc làm này. − Cho tín hiệu vào vi có dạng hình sin có biên độ thích hợp (tín hiệu ra không bị méo dạng) có tần số 1kHz. Quan sát tín hiệu ngõ ra. Vẽ hai tín hiệu trên cùng một đồ thị từ đó xác định độ lợi thế bằng phương pháp so sánh. − Thay đổi biên độ tín hiệu ngõ vào, với giá trị nào thì tín hiệu ngõ ra bắt đầu biến dạng, ghi lại giá trị này. − Đo điện thế VCE thay đổi Rx để VCE thay đổi khoảng ±2V. Lặp lại thí nghiệm tương tự. So sánh hai độ lợi thế, giải thích kết quả. Chọn giá trị của tụ phân dòng CE = 1µ: Lặp lại TN như trên với VCE = 4,5V, so sánh hai độ lợi thế và giải thích kết quả. Để hở A, B (không có tụ phân dòng): Lặp lại thí nghiệm như trên với VCE = 4,5V. So sánh kết quả và giải thích. 4.2. Mạch dùng điện trở thu nền:Sinh viên mắc mạch hư hình 3-13: Nguyễn Văn Mện 41 5.6k 2.8k 1k 9V 1µ 1µ C E v i v oRx AB Hình 3-12. Mạch thực hành FET1 A B R x 1k 1k Hình 3-13. Mạch thực hành FET2 Thí nghiệm vô tuyến điện Chọn giá trị của tụ phân dòng CE = 100µ: − Không cho tín hiệu vào, cấp điện thế phân cực VCC = 9V (cực âm nối mass). Chỉnh Rx sao cho VCE = 4,5V. Đo điện thế phân cực tương ứng. Giải thích việc làm này. − Cho tín hiệu vào vi có dạng hình sin có biên độ thích hợp (tín hiệu ra không bị méo dạng) có tần số 1kHz. Quan sát tín hiệu ngõ ra. Vẽ lại hai tín hiệu trên cùng một đồ thị từ đó xác định độ lợi thế. Chọn giá trị của tụ phân dòng CE = 1µ: Lặp lại TN như trên với VCE = 4,5V, so sánh hai độ lợi thế và giải thích kết quả. Để hở A, B (không có tụ phân dòng): Lặp lại thí nghiệm như trên. So sánh kết quả và giải thích. Bài 3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU DÙNG TRANSITOR TRƯỜNG (FET) 1. Mục đích: − Lắp mạch khuếch đại dùng JFET. − Khảo sát đặt tuyến truyền, đặt tuyến ngõ ra, mạch phân cực và mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ. 2. Cơ sở lý thuyết: 2.1. Đặc tuyến truyền dẫn: ( ) 2 1     −= offGS GS DSSD V V II (3- 10) Nguyễn Văn Mện 42 O VGS V GS(off) I D I DSS Hình 3-14. Phân cực cho JFET Thí nghiệm vô tuyến điện IDSS: dòng điện bảo hòa ID khi VGS = 0. VGS(off): trị số của GSV mà từ đó JFET ngưng dẫn. 2.2. Đặc tuyến ngõ ra: 2.3. Mạch phân cực và khuếch đại: a. Tính phân cực: Điểm điều hành là giao của đường phân cực VGS = -RSID và đặc tuyến truyền. b. Độ lợi thế: Dm i o v Rgv v A −== với gm là độ truyền dẫn tại điểm điều hành. ( ) ( ) GSD D m GS GS off GS off VdI 2Ig 1 V V V   = = − −    ( ) GS m0 GS off Vg 1 V   = −    (3-11) với gm0 = ( )offGS GS V I2 − là độ truyền dẫn khi VGS=0. 3. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm: - Board mạch khuếch đại dùng transitor trường ứng. - Nguồn điện một chiều. - Dao động ký hai chùm tia. - Máy phát tần số. - Vôn kế, ampe kế. Nguyễn Văn Mện 43 V GS =0V V GS =-1V V GS =-2V V GS =-3V V DS V DS V P I DSS I D (mV) V R2 V GS V DS mA V R2 Hình 3-15. Khảo sát đặc tuyến của JFET Thí nghiệm vô tuyến điện 4. Thực hành: 4.1. Khảo sát đặc tuyến của JFET: Sinh viên mắc mạch như hình 3-15 a. Đặc tuyến truyền: - Cho VDD = 15V - Chỉnh VR1 lập bảng giá trị của ID theo VGS. - Vẽ đặc tuyến truyền từ đó xác định VGS(off) và IDSS và độ truyền dẫn gm0. b. Vẽ đặc tuyến ngõ ra: - Cho VGS = 0. Thay đổi VR2 để được từng cặp giá trị của ID và VDS. Vẽ đặc tuyến này. - Cho VGS lần lượt các giá trị -0,5V; -1V; -1,5V. Lặp lại thí nghiệm. - Từ chùm đặc tuyến ngõ ra xác định VGS(off), so sánh với kết quả câu a. 4.2. Khảo sát độ lợi thế: Sinh viên mắc mạch như hình 3-16. a. Để hở A-B: Cho tín hiệu vào dạng sin tần số 1kHz có biên độ thích hợp (tín hiệu ngõ ra không bị méo dạng). Quan sát hai tín hiệu trên màn hình dao động ký suy ra độ lợi thế: i o v v v A = b. Nối A-B: Lặp lại thí nghiệm như trên. So sánh kết quả và giải thích. Nguyễn Văn Mện 44 Hình 3-16. Khảo sát độ lợi thế Thí nghiệm vô tuyến điện Bài 4 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG OP-AMP 1. Mục đích: Khảo sát các mạch khuếch đại: - Khuếch đại đảo. - Khuếch đại không đảo. - Mạch kết hợp. 2. Cơ sở lý thuyết: 2.1. Tính chất của OP-AMP lý tưởng: Khi phân cực một OP-AMP lý tưởng bằng điện thế đối xứng ±VCC: - Điện thế hai ngã vào bằng nhau và bằng không khi không có tín hiệu vào. - Dòng điện ngã vào bằng không. - Điện thế ngõ ra không ảnh hưởng bởi tải. 2.2. Mạch khuếch đại đảo: Mạch căn bản: Độ lợi thế: i f i o v R R v v A −== (3-12) Nguyễn Văn Mện 45 v- i v+ i v o +V CC -V CC 1 (trống) 2 () 3 () 4 (-V CC ) 8 (trống) 5 (trống) 6 (out) 7 (+V CC ) Hình 3-17. OPA741 v i vo Hình 3-18. Mạch khuếch đại đảo Thí nghiệm vô tuyến điện 2.3. Mạch khuếch đại không đảo: Mạch căn bản: Độ lợi thế: i f i o v R R v v A +== 1 (3-13) 2.4. Mạch đảo và không đảo kết hợp: Độ lợi thế: 211 VR R V R R v vA i f i f i o v −    +== (3-14) 3. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm: - Board mạch khuếch đại dùng Op-Amp. - Nguồn điện một chiều đối xứng. - Dao động ký hai chùm tia. - Máy phát tần số. - Vôn kế. 4. Thực hành: Mạch thực hành dùng OP-AMP 741 4.1. Mạch khuếch đại đảo: Sinh viên mắc mạch như hình 3-21: - Thiết lập công thức tính vo theo vi. - Cấp nguồn đối xứng ±6V cho OP- AMP. Nguyễn Văn Mện 46 v i v o Hình 3-19. Mạch khuếch đại không đảo v o v 2 v 1 Hình 3-20. Mạch kết hợp R f v i v Hình 3-21. Mạch thực hành 1 Thí nghiệm vô tuyến điện - Cho vi = 1V, đo vo ứng với Rf = 10, 20, 30kΩ. - Từ kết quả trên so sánh với kết quả tính được từ lý thuyết. Tăng dần giá trị của vi cho đến khi vo bảo hòa, xác định giá trị này. - Lập lại thí nghiệm với vi = -1V. - Cho vi là tín hiệu hình sin tần số 1kHz với biên độ thích hợp (ngõ ra không bị méo dạng). Quan sát hai tín hiệu trên màn hình dao động ký, vẽ chúng trên cùng một đồ thị. Suy ra độ lợi thế (Rf = 10kΩ) và so sánh với kết quả tính được từ lý thuyết. 4.2. Mạch khuếch đại không đảo: Sinh viên mắc mạch như hình vẽ: - Thiết lập công thức tính vo theo vi. - Cấp nguồn đối xứng ±6V cho OP-AMP. - Cho vi = 0,5V; đo vo ứng với Rf = 10, 20, 30kΩ. - Lập lại thí nghiệm với vi = -0,5V. - Cho vi là tín hiệu hình sin tần số 1kHz với biên độ thích hợp (ngõ ra không bị méo dạng). Quan sát hai tín hiệu trên màn hình dao động ký, vẽ chúng trên cùng một đồ thị. Suy ra độ lợi thế (Rf = 10kΩ) và so sánh với kết quả tính được từ lý thuyết. 4.3. Mạch kết hợp: Sinh viên mắc mạch như hình: - Thiết lập công thức tính vo theo vi. - Cấp nguồn đối xứng ±6V cho OP-AMP. - Cho V1 = 1V, V2 = 0,5V đo Vo ứng với Rf = 10, 20kΩ. So sánh với kết quả tính được từ lý thuyết. Nguyễn Văn Mện 47 R f v o v i Hình 3-22. Mạch thực hành 2 R f v 1 v 2 v o Hình 3-23. Mạch thực hành 3 Thí nghiệm vô tuyến điện Bài 5 MẠCH LÀM TOÁN 1. Mục đích: Khảo sát một số mạch dùng OP-AMP với mối liên hệ ngõ vào và ngõ ra bằng những biểu thức toán học đơn giản. 2. Cơ sở lý thuyết: 2.1. Mạch cộng: Mạch cơ bản: Liên hệ giữa tín hiệu ngõ ra và tín hiệu ngõ vào: ∑ = −= n i i i fo R VRV 1 (3-16) Nếu Rf = Ri thì: ∑ = −= n i io VV 1 (3-17) 2.2. Mạch trừ: a. Trừ bằng phương pháp đổi dấu: Mạch cơ bản: Điện thế ngõ ra: ( )21 VVVo −−= (3-18) b. Trừ bằng phương pháp vi sai: Nguyễn Văn Mện 48 v 1 v 2 v 3 v o Hình 3-24. Mạch cộng đảo v 2 v 1 v o Hình 3-25. Mạch trừ bằng đổi dấu Thí nghiệm vô tuyến điện Mạch cơ bản: Điện thế ngõ ra: ( )21 VVR R V i f o −= (3-19) Nếu Ri = Rf thì Vo = V1-V2 2.3. Mạch tích phân: Mạch cơ bản: Tín hiệu ngõ ra: ∫−= dtvRCv io 1 (3-20) 2.4. Mạch vi phân: Mạch cơ bản: Tín hiệu ngõ ra: dt dvRCv io −= (3-21) Nguyễn Văn Mện 49 v o v 1 v 2 Hình 3-26. Trừ bằng vi sai v o v i Hình 3-27. Mạch tích phân v o v i Hình 3-28. Mạch vi phân Thí nghiệm vô tuyến điện 3. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm: - Board mạch làm toán dùng OPA. - Nguồn điện một chiều đối xứng. - Dao động ký hai chùm tia. - Máy phát tần số. - Vôn kế. 4. Thực hành: 4.1. Mạch cộng: Sinh viên mắc mạch như hình dưới: - Thiết lập biểu thức tính Vo1, Vo theo V1 và V2. - Cấp nguồn đối xứng ±6V cho 2 OP-AMP. - Cho V1 = 0,5V, V2 = 1V. Đo Vo1, Vo so sánh với kết quả tính được từ lý thuyết. Nguyễn Văn Mện 50 R f V 1 V 2 V ov o1 Hình 3-29. Mạch thực hành 1 v i vo v o1 Hình 3-30. Mạch thực hành 2 Thí nghiệm vô tuyến điện - Lập lại thí nghiệm với V1 = 0,5V, V2 = -1V - Sinh viên mắc mạch như hình 3-29. - Thiết lập biểu thức tính vo1, vo theo vi với Rf = 10k, 20k. - Cho vi là tín hiệu hình sin tần số 1kHz với biên độ thích hợp (tín hiệu ngõ ra không bị méo dạng). Quan sát và vẽ các tín hiệu trên cùng một đồ thị với hai trường hợp trên. 4.2. Mạch trừ: a. Trừ bằng phương pháp đổi dấu: Sinh viên mắc mạch như hình 3-30. - Thiết lập biểu thức tính Vo1, Vo theo V1 và V2. - Cấp nguồn đối xứng ±6V cho 2 OP-AMP. - Cho V1 = 1V, V2 = 0,5V. Đo Vo1, Vo so sánh với kết quả tính được từ lý thuyết. - Lập lại thí nghiệm với V1 = 1V, V2 = -1V. b. Trừ bằng phương pháp vi sai: Sinh viên mắc mạch như hình 3-31. - Thiết lập biểu thức tính Vo theo V1 và V2. Nguyễn Văn Mện 51 V o1 Hình 3-31. Mạch thực hành 3 Hình 3-32. Mạch thực hành 4 Thí nghiệm vô tuyến điện - Cấp nguồn đối xứng ±6V cho OP-AMP. - Cho V1 = 1,5V, V2 = 0,5V. Đo Vo so sánh với kết quả tính được từ lý thuyết. - Lập lại thí nghiệm với V1 = 1,5V, V2 = -0,5V 4.3. Mạch tích phân: Sinh viên mắc mạch như hình. - Cấp nguồn đối xứng ±6V cho OP-AMP. - Cho vi là tín hiệu hình vuông tần số 1kHz với biên độ thích hợp. Quan sát tín hiệu ngõ ra, vẽ hai tín hiệu trên cùng một đồ thị. - Chọn pha của tín hiệu vi bằng 0. Viết biểu thức hai tín hiệu. - Thay đổi tần số của tín hiệu vào. Quan sát tín hiệu ngõ ra, nhận xét và giải thích. 4.4. Mạch vi phân: Sinh viên mắc mạch như hình 3-33. - Cấp nguồn đối xứng ±6V cho OP-AMP. - Cho tín hiệu vào là tín hiệu hình sin tần số 1kHz. Quan sát tín hiệu ngõ ra, vẽ hai tín hiệu trên cùng một đồ thị. - Xem tín hiệu của nguồn là tín hiệu chuẩn về pha. Viết biểu thức hai tín hiệu. - Thay đổi tần số của tín hiệu vào. Quan sát tín hiệu ngõ ra, nhận xét và giải thích. Nguyễn Văn Mện 52 Hình 3-33. Mạch thực hành 5 Hình 3-34. Mạch thực hành 6 Thí nghiệm vô tuyến điện Bài 6 KHẢO SÁT CỔNG LOGIC 1. Mục đích: - Làm quen với các cổng logic được mắc sẵn trong các IC. - Xác định loại cổng và số cổng của 1IC, các điện áp ngã vào, ra, điện thế ngưỡng. - Biến đổi qua lại giữa các cổng. - Xây dựng một mạch tổ hợp với hàm logic biết trước từ cổng NAND. 2. Cơ sơ lý thuyết: Các cổng logic cơ bản bao gồm AND, OR, NOT, NAND, NOR, EX-OR, EX-NOR được lắp đặt sẵn trong các IC họ TTL. Các IC thường có 14 chân được phân bố như hình vẽ chân 7 nối mass và chân 14 nối nguồn có thể có một số chân để trống. Các cổng trong IC thường có 2 ngõ vào và 1 ngõ ra. 2.1. Xác định nhóm chân của IC: Vì các cổng trong một IC là cùng một loại nên khi để hở và được cấp nguồn thì các chân của IC tạo thành các nhóm điện thế. Dựa vào các nhóm điện thế này ta có thể hình dung IC được mắc như thế nào. 2.2. Xác định loại cổng: Bằng cách cấp mức 1 (nối nguồn) và mức 0 (nối mass) cho các ngã vào, lập bảng chân lý ta có thể suy ra loại cổng trong IC. 2.3. Xác định ngưỡng logic: Ngưỡng logic là các giá trị nhỏ nhất của điện thế ở ngõ vào mà cổng xem đó là mức 1 (bắt đầu hoạt động). Để xác định ngưỡng logic cho cổng ta cấp cho một ngã vào điện thế thay đổi được, ngã vào còn lại ở điện áp thích hợp (mức 1 đối với NAND, AND; mức 0 đối với OR, NOR). - Bắt đầu từ điên áp 0V, tăng dần điện áp cho tới khi cổng thay đổi trạng thái (led cháy sáng). Đó là giá trị điện áp ngưỡng dưới. - Sau khi tăng ngã vào đến điện áp cao nhất, giảm dần điện áp cho tới khi led tắt. Đó chính là điện áp ngưỡng trên. Nguyễn Văn Mện 53 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 9 8 GND V CC Hình 3-35. Sơ đồ chân TTL Hình 3-36. Xác định ngưỡng logic Thí nghiệm vô tuyến điện 2.4. Biến đổi cổng: Chỉ cần một loại cổng duy nhất (cổng NAND chẳng hạn) ta có thể tạo thành tất cả các loại cổng khác. Dưới đây ta chỉ xét cổng cơ sở là cổng NAND. 2.5. Thiết kế một mạch tổ hợp: Để thiết kế một mạch tổ hợp theo yêu cầu ta thực hiện các bước sau: - Gán mức logic cho các trạng thái vật lý của các đối tượng. - Lập bảng chân lý của hàm logic diễn tả quan hệ giữa các trạng thái và hệ quả. - Rút gọn hàm logic tìm được. - Vẽ sơ đồ và ráp mạch theo sơ đồ. 3. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm: - Board mạch khảo sát IC7400. - Nguồn điện một chiều. - Vôn kế. 4. Thực hành: 4.1. Xác định cổng của hai IC: − Đo điện thế các chân, tìm các nhóm chân. − Lập bảng chân lý cho một nhóm chân suy ra loại cổng. − Xác định ngưỡng logic của cổng trong IC. 4.2. Tạo cổng khác từ cổng NAND 2 ngã vào: Lần lượt vẽ sơ đồ tạo các cổng: NOT, OR (hai và ba ngõ vào), AND (hai và ba ngã vào). Lập bảng chân lý của các cổng vừa tạo được. Nguyễn Văn Mện 54 Thí nghiệm vô tuyến điện 4.3. Xây dựng mạch tổ hợp từ cổng NAND 2 ngã vào: − Xây dựng một mạch logic có ba ngã vào có ngã ra ở mức cao khi đa số các ngã vào ở mức cao. Kiểm tra lại hoạt động của mạch. − Xây dựng mạch logic cho hàm logic ba ngã vào có bảng chân lý sau rồi kiểm tra lại hoạt động của mạch. Bảng 7: Bảng chân lý thực hành Nguyễn Văn Mện A B C F 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 55 Thí nghiệm vô tuyến điện Bài 7 KHẢO SÁT MẠCH FLIPFLOP 1. Mục đích thí nghiệm: - Khảo sát hoạt động của flipflop và các mạch sử dụng flipflop. - Thiết kế một mạch logic sử dụng FF theo yêu cầu. - Khảo sát các mạch đếm lên, xuống, đếm vòng sử dụng FF. 2. Cơ sở lý thuyết: 2.1. Mạch flipflop: Mạch FF là mạch có 2 ngõ vào và 2 ngõ ra bổ túc nhau. Ngõ ra còn phụ thuộc vào xung CK. a. RS-FF: Sơ đồ cấu tạo của RS-FF và nguyên tắc hoạt động: R S Qn+1 1 1 X 0 0 Qn 1 0 1 0 1 0 b. JK-FF: Để loại bỏ trạng thái cấm của RS-FF, người ta mắc thêm vào nó 2 cổng AND JK-FF được mắc sẵn trong IC74112 có xung đồng hồ tác động ở cạnh xuống, các ngã preset, clear tác động ở mức thấp. Dưới đây là sơ đồ cấu tạo IC74112. Nguyễn Văn Mện J K Qn+1 1 1 nQ 0 0 Qn 1 0 1 0 1 0 56 R R Q CK Hình 3-37. RS-FF Q QSET CLR S R J K Hình 3-38JK-FF Thí nghiệm vô tuyến điện c. D-FF: d. T-FF: 2.2. Mạch đếm: a. Mạch đếm đồng bộ: Trong mạch đếm đồng bộ, các FF chịu tác dụng đồng thời của xung CK. Các ngã ra của các FF đứng trước được đưa vào ngã vào của FF đứng sau. Tùy theo mạch là đếm lên hay đếm xuống mà ta sử dụng ngã ra chính hay ngã ra phụ để đưa vào các tầng sau. Sau đây là sơ đồ 2 mạch đếm sẽ ráp trong bài thực tập: - Mạch đếm lên đồng bộ 4bit: (hình 1-28) - Mạch đếm xuống đồng bộ 4bit: (hình 1-29) b. Mạch đếm không đồng bộ: Trong mạch đếm không đồng bộ, ngã ra của FF đứng trước được nối với xung đồng hồ của FF đứng sau. - Mạch đếm lên 4bit không đồng bộ (hình 1-30) - Mạch đếm xuống 4bit không đồng bộ (hình 1-31) - Mạch đếm đồng bộ modulo N (N≠2n) (hình 1-32) Nguyễn Văn Mện 57 Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R 16 15 14 13 12 11 10 9 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC GND J J KK Hình 3-39.IC4112 Q QSET CLR S R D Hình 3-40. D-FF Q QSET CLR S R T Hình 3-41.T-FF Thí nghiệm vô tuyến điện Ta mắc thêm cổng NAND vào các ngã ra ở mức cao của mạch ở lần đếm thứ N rồi đưa về chân clear. - Mạch đếm lên xuống không đồng bộ (hình 1-33) 3. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm: - Board mạch đếm dùng IC74112. - Nguồn điện một chiều. - Vôn kế. 4. Thực hành: 4.1. Khảo sát hoạt động của FF: - Sinh viên sử dụng cổng NAND của IC7490 mắc thành các RS-FF, JK-FF, T-FF, D-FF có xung đồng hồ tác động ở cạnh xuống (mạch tạo xung bằng tay được thiết kế sẵn). Kiểm tra lại hoạt động của các FF vừa mắc được. - Lập bảng chân lý cho các FF trên bằng thực nghiệm. - Thiết kế một mạch gồm 2 công tắc giành quyền ưu tiên và khi một công tắc đã nhấn thì công tắc tia không còn tác dụng. - Sử dụng tính chất của JK-FF. Dùng công tắc đưa xung đồng hồ vào các FF, mỗi lần công tắc được nhấn thì FF tương ứng hoạt động và thay đổi trạng thái đồng thời cũng khống chế các FF khác nếu có một công tắc được nhấn thì cũng không ảnh hưởng đến mạch nữa. Mạch có sơ đồ như hình dưới đây. Sinh viên mắc mạch, giải thích hoạt động và kiểm tra lại hoạt động của nó. 4.2. Mạch đếm: Mạch đếm trong bài thực hành sử dụng JK-FF của IC74112 và các cổng NAND của IC7400 dùng làm cổng nối và mắc mạch tạo xung. Sinh viên dò kỹ mạch điện và thực hiện các yêu cầu sau: - Lắp mạch đếm lên đồng bộ 4bit. Kiểm tra lại hoạt động của mạch, lập bảng chân lý. Nguyễn Văn Mện 58 Q QSET CLR S R Q QSET CLR S R CK CK J J K K VCC VCC VCC VCC Hình 3-42 Thí nghiệm vô tuyến điện - Lắp mạch đếm xuống đồng bộ 4bit. Kiểm tra lại hoạt động của mạch, lập bảng chân lý. Chú ý dùng cổng NAND của IC7400 để mắc thành các cổng AND. - Lắp mạch đếm lên không đồng bộ 4bit. Kiểm tra lại hoạt động của mạch, lập bảng chân lý. - Lắp mạch đếm xuống không đồng bộ 4bit. Kiểm tra lại hoạt động của mạch, lập bảng chân lý. - Lắp mạch đếm modulo N=10. Nguyễn Văn Mện 59 Thí nghiệm vô tuyến điện PHẦN III KẾT LUẬN 1. Nhận định lại giả thuyết của đề tài Sau hơn 6 tháng thực hiện đề tài, tôi điểm lại những điều đã làm được so với các giả thuyết ban đầu đưa ra: - Một là việc nghiên cứu lý thuyết, tôi đã chọn lọc, đưa ra nội dung môn học "Thực hành vô tuyến điện" gồm 7 bài thí nghiệm hoàn chỉnh. - Hai là việc thiết kế, chế tạo dụng cụ thí nghiệm, đề tài làm được 7 board mạch điện tử hoạt động đồng bộ với các máy đo sẵn có của Phòng thí nghiệm. - Ba là viết tài liệu hướng dẫn thực hành. Tài liệu này đã được đưa vào hướng dẫn cho sinh viên các lớp DH3L và DH4L với tất cả các mạch điện tử thiết kế được, hướng dẫn sử dụng một số máy đo phổ biến hiện nay. 2. Những khó khăn khi thực hiện đề tài Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi gặp phải một số khó khăn sau: - Về quỹ thời gian: do còn đang trong giai đoạn đi học nên khó chủ động được thời gian làm việc vì thế còn chưa đảm bảo được tiến độ thực hiện đề tài. - Về kinh phí thực hiện đề tài: kinh phí được tạm ứng còn ít so với tổng kinh phí thực hiện đề tài, thủ tục tạm ứng rườm rà 3. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài Thành công bước đầu của đề tài có thể áp dụng vào giảng dạy cho Lớp Đại học Sư phạm chuyên ngành Vật lý. Nếu tiếp tục nghiên cứu theo hướng này có thế thiết kế nhiều bài thí nghiệm hơn, nội dung phong phú hơn, chuyên sâu hơn để đưa vào giảng dạy cho các lớp Lý – Kỹ thuật công nghiệp trong thời gian sắp tới. Nguyễn Văn Mện 60 Thí nghiệm vô tuyến điện TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Xuân Thụ. 1999. Kỹ thuật điện tử. NXB GD. Phan Tấn Uẩn. 2000. Điện tử căn bản. Sở Giáo dục và đào tạo TP. Hồ Chí Minh. Vương Tấn Sĩ. 2003. Giáo trình điện tử. Đại học Cần Thơ. Vương Tấn Sĩ. 1998. Giáo trình dao động ký điện tử. Đại học Cần Thơ. Giáo trình thực tập vô tuyến điện. 2001. Khoa Công nghệ thông tin – Đại học Cần Thơ. Giáo trình thực tập kỹ thuật điện tử 1. Khoa Công nghệ thông tin – Đại học Cần Thơ. Nguyễn Văn Mện 61 Thí nghiệm vô tuyến điện PHỤ LỤC MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM P1. SỬ DỤNG DAO ĐỘNG KÝ HAI CHÙM TIA 1. Viết biểu thức tín hiệu Mắc mạch RLC nối tiếp. Biểu thức của các tín hiệu: uR = 0,5sin435pit (V) uL = 0,12sin(435pit+pi/2) (V) uC = 0,1sin(435pit-pi/2) (V) u = 4,08sin435pit (V) 2. Xác định tần số, biên độ bằng phương pháp Lissajous Nguồn chuẩn có tần số 50Hz. Một số dạng tín hiệu thường gặp: Đối chiếu với cách đọc thông thường: f21 = 1/T = 1/0,02 = 50Hz (trùng với lý thuyết) f22 = 1/T = 1/0,01 = 100Hz (trùng với lý thuyết) f23 = 1/T = 1/0,006 = 166Hz (LT: 150) Xác định biên độ bằng phương pháp so sánh: tín hiệu chuẩn là 12V chiếm 2,4 khoảng trên trục đứng (volt/div ở giai 5V/div); tín hiệu cần đo chiếm 6,6 khoảng cùng volt/div nên có biên độ: 6,612 33 2,4 V× = 3. Đo L, C bằng phương pháp cộng hưởng Nguyễn Văn Mện 62 f 21 = f 1 = 50Hz f 22 = 2f 1 = 100Hz f 23 = 3f 1 = 150Hz Hình P1 Thí nghiệm vô tuyến điện Chu kỳ của tín hiệu khi xảy ra cộng hưởng: T = 5,4 khoảng X 50µs/khoảng = 0,27ms f = 1/T = 3703,7Hz Suy ra độ tự cảm của cuộn dây: L = 1,8mH (LT: 1,6mH). 4. Đo điện trở của cuộn dây Chọn R = 1k, L = 6mH. Độ lệch pha ϕ = 5o12’. Điện trở của cuộn dây: r = 0,1k (LT: 0,08k) P2. MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSITOR 1. Dùng cầu chia điện thế - Khi tụ phân dòng là 100µF: Các điện thế phân cực: VC = 5,2V; VB = 1V; VE = 0,5V; VCE = 4,5V. Độ lợi thế: Av = 118,75 lần, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào. Giới hạn biên độ tín hiệu vào mà mạch còn có khả năng khuếch đại: vi = 3,5V. Giảm VCE = 2,5V, độ lợi thế bằng Av = 30,4 lần (giảm đi nhiều so với trường hợp trên). - Khi tụ phân dòng là 22µF Độ lợi thế: Av = 19,68lần, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào. - Không có tụ phân dòng Độ lợi thế Av = 2,64 lần. Độ lợi giảm đi so với khi có tụ phân dòng (phù hợp với lý thuyết). 2. Mạch dùng điện trở hồi tiếp thu – nền - Khi tụ phân dòng là 100µF: Các điện thế phân cực: VC = 6,25V; VB = 2,25V; VE = 1,75V; VCE = 4,5V. Độ lợi thế: Av = 64,6 lần, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào. Giới hạn biên độ tín hiệu vào mà mạch còn có khả năng khuếch đại: vi = 3,5V. Nguyễn Văn Mện 63 Thí nghiệm vô tuyến điện - Khi tụ phân dòng là 22µF Độ lợi thế: Av = 51,4lần, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào. - Không có tụ phân dòng Độ lợi thế Av = 1,06 lần. Độ khuếch đại giảm so với khi có tụ phân dòng (phù hợp với lý thuyết). P3. MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG OP-AMP 1. Mạch khuếch đại đảo Cấp điện thế ngõ vào vi = 1V - Hồi tiếp 10k, vo = -1V (phù hợp với lý thuyết). - Hối tiếp 20k, vo = -2V (phù hợp với lý thuyết). - Hối tiếp 30k, vo = -3V (phù hợp với lý thuyết). Cấp tín hiệu hình sin tần số 1kHz, vo = -vi (phù hợp với lý thuyết). 2. Mạch khuếch đại không đảo Cấp tín hiệu vào vi = 1V - Hồi tiếp 10k, vo = -2,3V (LT: 2V). - Hối tiếp 20k, vo = -2,8V (LT: 3V) - Hối tiếp 30k, vo = -3,5V (LT: 4V). Cấp tín hiệu hình sin tần số 1kHz, điện trở hồi tiếp 10k. Tín hiệu ra vo = 2vi (trùng với lý thuyết). 3. Mạch kết hợp Cho v1 = 2V, v2 = 1V - Hồi tiếp 10k, vo = 0,2V (LT: 0V). - Hối tiếp 20k, vo = -1,1V (LT: -1V). P4. MẠCH LÀM TOÁN 1. Mạch cộng - Cấp v1 = 1V, v2 = 2V: vo1 = -2,5V; vo = 2,6V(LT:-3V; 3V). - Cấp v1 = 1V, v2 = -2V: vo1 = 1,2V; vo = -1,1V(LT:1V; -1V). Nguyễn Văn Mện 64 Thí nghiệm vô tuyến điện - Cấp tí n hiệu hình sin: vo = -2,8vi. 2. Mạch trừ - Trừ bằng đổi dấu: v1 = 2V, v2 = 1V: vo1 = -1,5V; vo = 0,9V (LT:-2V; 1V). v1 = 1V, v2 = 1V: vo1 = -0,8V; vo = 0V (LT: -1V; 0V). - Trừ bằng vi sai v1 = 3V, v2 = 1V: vo = 1,45V (LT:4V). v1 = 3V, v2 = -1V: vo = 3,8V (LT: 4V). 3. Mạch tích phân Tín hiệu vào là hình vuông tần số 1kHz, tín hiệu ra hình răng cưa cùng tần số. Khi tần số tín hiệu vào tăng thì biên độ tín hiệu ra giảm và ngược lại (trùng với lý thuyết). 4. Mạch vi phân Tín hiệu vào là hình sin tần số 1kHz, tín hiệu ra là hình sin cùng tần số nhưng lệch pha pi/2 so với tín hiệu vào (trùng với lý thuyết). Khi tần số tín hiệu vào tăng thì biên độ tín hiệu ra giảm và ngược lại. P5. CỔNG LOGIC 1. Xác định cổng của hai IC V14 = VCC, V7 = 0 IC có 4 nhóm chân: (1,2,3); (4,5,6); (10,9,8); (13,12,11). Loại cổng chứa trong IC7400 là cổng NAND. Ngưỡng logic của IC: vngưỡng = 3V. 2. Tạo các cổng khác từ cổng NAND hai ngã vào Tạo được các cổng NOT, AND (hai và ba ngã vào), OR (hai và ba ngã vào). Nguyễn Văn Mện 65 A B C Y=ABC A B C Y=A+B+C a) Sơ đồ cổng AND ba ngã vào b) Sơ đồ cổng OR ba ngã vào Hình P3 Thí nghiệm vô tuyến điện 3. Xây dựng mạch logic từ cổng NAND - Mạch có ngã ra ở mức cao khi đa số ngã vào ở mức cao (P3a). - Mạch có bảng chân lý cho sẵn (P3b). Nguyễn Văn Mện 66 A B C Y A B C Y Hình P3 b) a)