Khóa luận Thí nghiệm tách sóng trong chương trình điện tử đại cương của khoa Vật Lý

ao RC và LC Ở tần số thấp, trở kháng của C lớn, còn cảm kháng của L nhỏ nên nó khụng đi qua được tụ, do đó U2 ≈ 0. Ở tần số cao, trở kháng của C nhỏ, còn cảm kháng của L lớn nên thành phần này qua được tụ, do đó U2 ≈ U1. Do đó ở đầu ra ta chỉ thu được thành phần cao tần. 2.3. Mạch lọc dải tần Là mạch lọc cho các dòng điện trong một dải tần từ f1 đến f2 qua, còn các tần số ngoài khoảng đú thỡ không cho qua. Hình 1.6: a) Đặc tuyến tần số của mạch lọc dải tần b) Các mạch lọc dải tần RC và LC - Trong mạch RC: Khâu RC đầu tiên lọc tần số tần số thấp từ 0 đến f2, khâu CR sau lọc tần số cao từ f1 đến f2. Kết quả là mạch này cho qua dải tần từ f1 đến f2. - Trong mạch LC: Những dòng điện có tần số gần bằng tần số riêng của mạch f0 (từ f1 đến f2) dao động LC thì dễ dàng đi qua mạch nối tiếp và khó đi qua mạch song song. Trái lại, với các dòng điện có tần số khác xa với tần số f0 thì càng khó qua mạch nối tiếp và dễ dàng qua mạch song song. Kết quả là mạch này cho qua dải tần từ f1 đến f2. 2.4. Mạch lọc bỏ dải tần (mạch lọc chặn dải tần) Là mạch lọc bỏ qua các dòng điện trong dải tần từ f1 đến f2, còn các tần số ngoài khoảng đú thỡ đi qua. Hỡnh 1.5: a) Đặc tuyến tần số của mạch lọc bỏ dải tần b) Các mạch lọc bỏ dải tần RC và LC. - Trong mạch LC: Những dòng điện có tần số gần bằng tần số riêng của mạch f0 (từ f1 đến f2) dao động LC thì dễ dàng đi qua mạch nối tiếp và khó đi qua mạch song song. Trái lại, với các dòng điện có tần số khác xa với tần số f0 thì càng khó qua mạch nối tiếp và dễ dàng qua mạch song song. Kết quả là mạch này lọc bỏ dải tần từ f1 đến f2. Chương 2: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU CHẾ Trong thực tế tin tức thường là các dao động có tần số thấp (như tần số của sóng âm thanh từ 16 Hz đến 2000 kHz), dao động tần số thấp có năng lượng nhỏ nên khó có thể truyền đi xa được. Còn tín hiệu cao tần lại có năng lượng lớn và ít bị hấp thụ trong khí quyển nờn nó có khả năng truyền đi xa. Do đó người ta phải gửi tin tức có tần số thấp vào dao động có tần số cao để truyền đi xa. Quá trình đó gọi là quá trình điều chế. Khi đến nơi thu, muốn thu được tín hiệu thì người ta phải tách tín hiệu ra khỏi dao động cao tần, quá trình đó gọi là quá trình tỏch súng. Vậy để nghiên cứu về tỏch súng ta phải hiểu được ở nơi phát người ta đã điều chế tín hiệu như thế nào? KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU CHẾ 1.1. Khái niệm điều chế Điều chế là quá trình điều khiển dao động cao tần không tắt theo một qui luật nào đó của dao động tín hiệu cần truyền đi. Dao động cao tần được gọi là sóng mang, dao động tín hiệu cần truyền đi gọi là sóng làm điều chế, dao động cao tần đã bị điều chế gọi là sóng điều chế. 1.2. Phân loại điều chế Do một dao động điện được đặc trưng bởi biên độ, tần số và pha xác định u = Um cos(ωt+φ) Nên theo định nghĩa trên có thể làm dao động cao tần điều chế bằng cách tác dụng lên một trong ba đại lượng trên, để đại lượng đó biến đổi theo một qui luật nào đó của tín hiệu cần truyền đi F(t). Vậy có ba loại điều chế cơ bản: Điều chế biên độ (gọi tắt là điều biên) là loại điều chế mà biên độ của sóng mang biến đổi theo qui luật F(t) của tín hiệu cần truyền đi. Tức là Um biến đổi theo F(t): Um ~ F(t), còn ω = const, φ = const (hình 2.1). Điều chế tần số (gọi tắt là điều tần) là loại điều chế mà tần số của sóng mang biến đổi theo qui luật F(t) của tín hiệu cần truyền đi: ω ~ F(t), còn Um = const, φ = const (hình 2.2). Hình 2.1:a) Dao động cao tần ; b) Dao động âm tần ; c) Dao động điều biên Hình 2.2: a) Dao động cao tần ; b) Dao động âm tần ; c) Dao động điều tần Điều chế pha (điều pha) là loại điều chế mà pha của sóng mang biến đổi theo qui luật của tín hiệu cần truyền đi: φ ~ F(t), còn Um = const, ω = const. Trong vô tuyến truyền thanh người ta thường dùng điều chế biên độ và tần số, trong vô tuyến truyền hình người ta dùng điều tần nên ta xem xét đến hai quá trình điều biên và điều tần II. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ 2.1. Nguyên tắc tạo nên dao động điều biên 2.1.1. Nguyên lý điều biên thường một điốt hay Trandito ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ Hình 2.3 : Nguyên lý điều chế biên độ Tín hiệu u2 Sóng mang u1 Dao động điều chế Giả sử máy phát cho dao động sóng mang cao tần có dạng: u1 = UMcosωt (2.1) Còn dao động tín hiệu cần truyền đi có tần số thấp Ω coi là điều hoà có dạng: u2 = Um cosΩt (trong đó Ω ô ω) (2.2) Ta đặt hai tín hiệu này lên một yếu tố phi tuyến tính như điốt (hình 2.4a) hay tranzito ( hình 2.4b), với tranzito hoạt động ở phần cong của đặc tuyến Hình 2.4: Mạch nguyên lý điều biên: A)1 điốt; B) Tranzito Lúc này dòng điện cực góp biến thiên là một hàm phi tuyến của điện áp gốc phụ thuộc cả vào u1 và u2: uB = u1 + u2 và i = ik = f(u1,u2) = I0 + auB + buB2 + … Để đơn giản ta chỉ giới hạn ở số hạng bậc hai của uB đủ cho mục đích ta dặt ra là dòng cực góp là dòng phi tuyến. Do đó: i = ik = f(u1,u2) = I0 + auB + buB2 (2.3) Thay (1),(2) v ào (3), sau các biến đổi phức tạp ta sẽ được dòng điện cực góp là một dòng điện phức tạp có nhiều thành phần có tần số và biên độ khác nhau: (2.4) Ta thấy dòng điện i gồm các thành phần: Thành phần không đổi: Thành phần tần số Ω với biên độ aUm Thành phần tần số 2Ω với biên độ Thành phần cao tần 2ω với biên độ Thành phần cao tần ω có biên độ Ta thấy thành phần cao tần ω này là dao động có biên độ biến đổi thao thời gian theo qui luật của tín hiệu làm điều chế . Chính thành phần này là tín hiệu của dao động điều chế biên độ thỏa mãn yêu cầu đặt ra: (2.5) Theo quan điểm kỹ thuật, sau khi điều chế không nhất thiết phải truyền cả dao động mang đi, mà có thể chỉ truyền đi một dải súng biờn nào đó có chứa tín hiệu cần truyền đi là được. Vì vậy người ta dùng khung cộng hưởng LC điều chỉnh về tần số cộng hưởng với ω để tách riêng thành phần được điều chế ra khỏi các dao động phức tạp khỏc. Trờn mạch cộng hưởng ta có điện áp điều chế: (2.6) ở đó U0 = aUM.Zch là biên độ cức đại của sóng điều chế. Điện áp này cho cảm ứng sang ăng ten phát, ta có thể truyền dao động điều chế biên độ vào không gian có dạng (3.6) trong đó có chứa tín hiệu âm tần Ω. Vậy ở nơi phát người ta chỉ truyền đi thành phần điện áp có biên độ biến đổi theo qui luật của tín hiệu gọi là sóng điều biên (AM) Ta đặt và viết biểu thức 5 dưới dạng: (2.7) M - gọi là hệ số điều chế (hay độ sâu điều chế). Như thế M phụ thuộc vào biên độ của sóng làm điều chế Um. Còn biên độ của sóng điều chế thay đổi theo cosΩt. Vì cosΩt có giá trị cực tiểu là -1 và cực đại là +1, nên biên độ của sóng điều chế có giá trị cực tiểu và cực đại là: Umin = U0(1 - M) ; Umax = U0(1 + M) Để thấy rõ hơn ý nghĩa của M ta xét: Umax – Umin = 2MU0 ; Umax + Umin = 2U0 (2.8) Nếu M = 0 tức là Umax = Umin, khi này không có điều chế (hình 3.5a) Nếu M = 1 tức là Umax = 2U0, Umin = 0, trường hợp này gọi là điều chế tối đa (hinh 3.5b) Nếu M > 1 thì dao động mang cao tần bị cắt (hình 3.5c) Nếu 0 < M < 1, tín hiệu điều chế có dạng (hình 3.5d ) Vậy để có điều chế M phải thỏa mãn 0 < M ≤ 1. Để có hiệu suất cao nhất thì lấy M = 1. Hình 2.5. Tín hiệu điều biên a) M = 0; b) M = 1 c) M > 1; 0 < M < 1 Vậy ý nghĩa của M là cho biết khả năng (hay mức độ) biên độ của sóng mang bị biến đổi theo dạng của tín hiệu làm điều chế. Từ biểu thức 3.6 ta có thể viết dưới dạng: (2.9) Từ biểu thức 3.9 ta thấy dao động điều chế gồm ba thành phần có tần số là ω và ω ± Ω. Các tần số này có thể biểu diễn dưới dạng phổ tần số (như hình 2.6) Hình 2.6: Phổ của tín hiệu điều chế Như vậy muốn để khung cộng hưởng có thể chọn hết cả ba thành phần của phổ, để cho dao động điều chế lấy ra không bị mộo thỡ dải thông của khung không thể bé hơn 2Ω. Khoảng tần số 2Ω gọi là độ rộng của dải sóng. Độ rộng của dải sóng sẽ hạn chế số đài phát có thể hoạt động đồng thời mà không làm nhiễu loạn lên nhau. Vì thế việc mở rộng mạng lưới các đài truyền thanh truyền hình đòi hỏi phải dùng những dải tần ngày càng cao. 2.1.2. Nguyờn lớ điều biên cân bằng Hình 2.7: Sơ đồ điều biên cân bằng: A) dùng điốt; B) dùng Tranzito Hình 2.7 là sơ đồ điều biên cân bằng dùng hai điốt (hoặc hai BJT). Có thể coi đây là hai sơ đồ điều biên một điốt (một Tranzito) ghép chung trên một tải. Điện áp sóng mang đặt lên hai điốt là đồng pha, điện áp tín hiệu sơ cấp dặt lờn chỳng là ngược pha, nên ta có: uD1(t) = u1ω(t) + u2Ω(t) = U1mcosωt + U2mcosΩt uD2(t) = u1ω(t) - u2Ω(t) = U1mcosωt - U2mcosΩt Thay giá trị của hai điện áp trên vào công thức 2.3 rồi biến đổi ta được dòng điện qua cuộn thứ cấp của biến áp là: i = iD1 – iD2 = I1cosΩt + I2cos3Ωt + I3[cos(ω+Ω)t + cos(ω-Ω)t] + + I4[cos(2ω+Ω)t + cos(2ω-Ω)t] ( 2.10) Tín hiệu điều biên cân bằng chính là thành phần thứ ba trong công thức 2.10. Trong đó biên độ I3 = 2bU1mU2m tăng gấp hai lần so với biên độ tín hiệu điều chế trong sơ đồ một điốt. 2.1.3. Nguyờn lớ điều biờn vũng Sơ đồ điều biờn vũng với bốn điốt trình bày trờn hỡnh 2.8. Sơ đồ này gồm hai sơ đồ điều biên cần bằng. Hình 2.8: Sơ đồ điều biờn vũng Điện áp tín hiệu sơ cấp U2 đặt lên các điốt D1 và D3, D2 và D4 là đồng pha từng cặp một, còn dao động cao tần U1 thì là các cặp D1 và D2, D3 và D4 nên ta có: uD1(t) = u1ω(t) + u2Ω(t) = U1mcosωt + U2mcosΩt uD2(t) = u1ω(t) - u2Ω(t) = U1mcosωt - U2mcosΩt uD3(t) = - u1ω(t) + u2Ω(t) = - U1mcosωt + U2mcosΩt uD4(t) = - u1ω(t) - u2Ω(t) = - U1mcosωt - U2mcosΩt Thay giá trị của bốn điện áp trên vào công thức (2.3) rồi biến đổi ta được dòng điện qua cuộn thứ cấp của biến áp là: i = (iD1 – iD2) + (iD4 – iD3) i = I[cos(ω+Ω)t + cos(ω-Ω)t] ( 2.11) Tín hiệu điều biên cân bằng chính là thành phần thứ ba trong công thức (2.11). Trong đó I = 4bU1mU2m tăng gấp bốn lần so với biên độ tín hiệu điều chế trong sơ đồ điều biên cân bằng, khử được các hài bậc lẻ của Ω và cỏc biờn tần của ω. Trong thực tế đầu ra của mạch điều biên vồng có thể không cần dùng mạch lọc. 2.2.Các sơ đồ thực hiện điều biên dùng Tranzito 2.2.1. Điều chế cực gốc Hình 2.9: Sơ đồ điều chế cực gốc Cả dao động cao tần U1(ω) và dao động âm tần U2(Ω) đều được đặt vào cực gốc của tranzito. Dòng cực góp của tranzito là dòng biến thiên phức tạp, trong đó thành phần điều chế biểu diễn bằng biểu thức 4.6 được khung cộng hưởng L3C5 lọc ra. Các tụ C2 và C3 phải chọn sao cho để hai tín hiệu đều được đặt trực tiếp vào giữa cực gốc và phát. Đối với cao tần, tụ C2 và C3 có dung kháng nhỏ nờn cỏc tụ này coi như nối tắt cao tần với cực phát. Đối với âm tần tụ C3 phải có trị số để nối tắt tín hiệu với cực phỏt, cũn tụ C2 có trị số đủ nhỏ để tín hiệu không bị ngắn mạch trờn nó. 2.2.2. Điều chế cực phát Hình 2.10: Sơ đồ điều chế cực phát Hai tín hiệu U1 và U2 qua hai biến áp cùng đặt vào cực phát và thông qua tụ C2 đặt vào cực gốc. Khung cộng hưởng LC chọn tín hiệu đã được điều chế. Các điện trở R1, R2 định thiờn phõn ỏp cho tranzito 2.2.3. Điều chế cực góp Hình 2.11: Sơ đồ điều chế cực góp Đặc điểm của sơ đồ này là dùng sơ đồ một máy phát ba điểm. Tín hiệu cao tần U1(ω) do máy phát tạo ra xuất hiện trên khung LC. Tần số dao động cao tần do khung LC quyết định, đồng thời khung LC cũng là khung cộng hưởng để láy tín hiệu cao tần điều chế. Tín hiệu âm tần U2(Ω) làm điều chế qua biến áp đặt trực tiếp vào cực góp của tranzito. Tín hiệu âm tần làm điều chế trong sơ đồ này phải khá lớn thì mới điều khiển được biên độ cao tần ở cực góp của tranzito. III. ĐIỀU CHẾ TẦN SỐ VÀ ĐIỀU CHẾ PHA 3.1. Nguyên tắc điều chế tần số Biến điệu tần số là tần số của sóng mang biến thiên theo qui luật của tín hiệu cần truyền đi. Hình 2.12: Dạng tín hiệu điều chế tần số Trong nửa chu kỳ đầu của dao động làm điều chế, tần số sóng mang cực đại khi biên độ âm tần cực đại, sau đó giảm dần đến giá trị ω0. Trong nửa chu kỳ sau tần số sóng mang giảm dần đến cực tiểu rồi tăng lên đến ω0. Nguyên tắc chung để thực hiện điều chế tần số là cần tác dụng tín hiệu âm tần cần truyền đi lên một yếu tố nào đó của máy phát cao tần, làm cho tần số của dao động cao tần biến đổi theo qui luật của tín hiệu âm tần. Hình 2.13: Mạch nguyên lý biến điệu Hình 2.13 nêu nguyên tắc biến điệu tần số. Tụ CX có điện dung biến đổi theo qui luật của tín hiệu, làm cho tần số của mạch dao động LC biến đổi theo qui luật của tín hiệu. 3.2. Quan hệ giữa điều tần và điều pha Điều tần và điều pha là quá trình ghi tin tức vào tải tin, làm cho tần số hoặc pha tức thời của tải tin biến thiên theo qui luật của tín hiệu làm điều chế. Tần số và góc pha có mối qua hệ: (2.12) Với tải tin là dao động điều hòa: u1(t) = U1mcosψt = U1mcos(ωt+φ0) (2.13) Từ (2.12) rút ra: (2.14) Thay (2.14) vào (2.13), ta được: (2.15) Giả sử tín hiệu làm điều chế là tín hiệu đơn âm: u2 = U2mcosΩt (2.16) Khi điều tần hoặc điều pha thì tần số hoặc pha của dao động cao tần biến thiên tỉ lệ với tín hiệu điều chế và được xác định: ω(t) = ω0 + KđtU2mcosΩt = ω0 + ΔωmcosΩt (2.17) φ(t) = φ0 + KđpU2mcosΩt = φ0 + ΔφmcosΩt (2.18) Trong đó Δωm , Δφm là lượng di tần và pha cực đại. Khi điều tần thỡ thỡ gúc pha ban đầu không đổi, do đó φ(t) = φ0. Thay 2.17 và 2.18 vào 2.15 và lấy tích phân lên ta được biểu thức của tín hiệu đã điều tần và điều pha: (2.19) (2.12) Lượng di pha đạt được khi điều pha là: Δφ = ΔφmcosΩt. Tương ứng có lượng di tần: Δω = dΔφ/Δt = ΔφmΩsinΩt (2.21) Lượng di tần cực đại khi điều pha: Δωm = ΔφmΩ = ΩKđpU2m (2.22) Từ (2.21) và (2.22) ta thấy rằng sự khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là luộng di tần khi điều pha tỉ lệ với biên độ điện áp và tần số tín hiệu làm điều chế, còn lượng di tần điều tần tỉ lệ với biên độ điện áp làm điều chế. Vì vậy từ một mạch điều chế pha có thể lấy ra tín hiệu điều chế tần số nếu trước khi đưa vào điều chế pha đưa qua mạch tích phân. Và ngược lại, có thể lấy tín hiệu điều pha tuef một mạch điều tần nếu tín hiệu điều chế được đưa qua mạch vi phân trước khi đưa vào điều chế tần số: 3.3. Phổ của dao động đã điều tần và điều pha Trong biểu thức 92.17), cho φ0 = 0, đặt Δφm/Ω = Mf gọi là hệ số điều tần, ta sẽ có biểu thức điều tần: uđt(t) = U1mcos(ω0t + MfsinΩt) Tương tự ta có biểu thức của dao động điều pha: uđp(t) = U1mcos(ω0t + McosΩt) Trong đó M = Δφm Thông thường tín hiệu làm điều chế là tín hiệu bất kỳ gồm nhiều thành phần tần số. Lúc đó tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha có thể biểu diễn tổng quát theo biểu thức: Nếu không xột độn pha thì phổ của tín hiệu diều tần và điều pha là giống nhau, gồm thành phần tải tần ω0 và vô số cỏc biờn tần ω0 + nΩ. Các tính toán trờn đó chỉ ra rằng độ rộng dải tần của tín hiệu điều chế tần số không phụ thuộc vào tin tức: D = 2Δωm Nhưng điều chế pha băng tần lại phụ thuộc tần số tín hiệu làm điều chế: D = 2ΩΔωm 3.4. Mạch điều tần và điều pha 3.4.1. Sơ đồ điều tần dùng VARICAP. Hình 2.14: a) Sơ đồ mạch điều chế tần số b) Đặc trưng Vụn-Ampe của điốt biến dung Trờn hình là sơ đồ mạch thực hiện điều tần dùng điốt biến dung (Điốt biến dung có điện dung thay đổi phụ thuộc vào điện áp ngược biểu diễn bằng đường đặc trưng Vụn-Ampe như hình vẽ b). Tranzito cùng với tụ điện C1, R1, khung dao động L2C2 tạo thành máy phát cao tần ω. Người ta mắc điốt biến dung vào mạch khung dao động L2C2 của máy phát cao tần. Các tụ C3,C4 có điện dung khá lớn nờn cỏc tụ này coi như ngắn mạch đối với cao tần, nhưng đối với âm tần tác dụng vào mạch làm điện dung của điốt biến dung thay đổi, do đó làm điện dung của mạch L2C2 thay đổi. kết quả là tần số của máy phát cao tần thay đổi theo qui luật của tín hiệu âm tần. Vậy mục đích điều tần đạt được. Chú ý: Trong điều tần có xảy ra điều biên kèm theo, nhưng người ta tìm cách khử nó đi chỉ để lại điều tần. Mạch khử được điều biờn đú được gọi là bộ hạn biên. 3.4.2. Điều tần dùng Tranzito điện kháng Phần tử điện kháng (dung tính hoặc cảm tính) có trị số biến thiên theo điện áp điều chế đặt trờn nó được mắc song song với hệ dao động cảu bộ dao động, làm cho tần số dao động thay đổi theo tín hiệu làm điều chế. Phần tử điện kháng được thực hiện nhờ một mạch di pha trong mạch hồi tiếp của BJT. Có bốn cách mắc phần tử điện kháng như hình vẽ: Với mạch phõn ỏp RC ta tính được: Rõ rang khi điện áp điều chế đặt vào Bazo của phần tử điện kháng thay đổi thì S thay đổi và do đó các tham số Ltđ, Ctđ thay đổi làm cho tần số dao động thay đổi. Điều tần dùng phần tử điện kháng có thể đạt được lượng di tần tương đối (Δf/ft) khoảng 2%. Hình 2.15: Sơ đồ mạch tạo dao động điều tần phần tử điện khỏng phõn ỏp RC. 3.4.3. Mạch điều pha theo Amstrong Tải tin thừ thạch anh đưa đến bộ điều biên 1 (ĐB1) và điều biên 2 (ĐB2) lệch pha 900, còn tín hiệu điều chế u2 đưa đến hai mạch điều biên ngược pha. Điện áp ra trên hai bộ điều pha: Đồ thị véc tơ của tín hiệu và cỏc véc tơ tổng của chúng là một dao động được điều chế pha và biên độ, Điều biên ở đây là điều biên ký sinh. Để hạn chế điều biờn kớ sinh ta chọn Δφ nhỏ (Δφ<0.35). 3.5. Bộ hạn biên Bộ hạn biờn dựng để khử điều biên và do đó có thể khư nhiễu vì nhiễu trên đường truyền chủ yếu tác động vào biên độ, nên sau khi xộn biờn tín hiệu điều tần coi như không ảnh hưởng. Nguyên lý của bộ hạn biên dựa trên tính chất của yếu tố phi tuyến (điốt). Hình 2.15: a) Đặc tuyến bộ hạn biên b) Sơ đồ nguyên lý bộ hạn biên Trên sơ đồ, bộ R1, E1 có tác dụng dịch đặc tuyến của D1 về phía õm, cũn bộ R2, E2 có tác dụng dịch đặc tuyến của D1 về phía dương. D = 2ΩΔωm CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT TÁCH SểNG Để nghiên cứu thực nghiệm về tỏch súng, ta cần phải tìm hiểu về lý thuyết tỏch sóng. Tỏch sóng là quá trình tách tín hiệu âm tần ra khỏi sóng mang cao tần. Ở nơi phát người ta thường dùng hai cách điều chế là điều chế biên độ và điều chế tần số, nên ta tìm hiểu hai loại tỏch súng là tỏch súng điều biên và tỏch súng điều tần. I. TÁCH SểNG ĐIỀU BIấN 1.1. Lý thuyết tỏch súng điều biên 1.1.1. Tỏch súng phi tuyến Ở nơi thu ta thu được dao động cao tần điều biờn cú dạng: u = U0 ( 1 + McosΩt)cosωt (3.1) Tín hiệu điều biờn cú đặc điểm là biên độ của dao động cao tần biến đổi theo qui luật của tín hiệu âm tần. Hình 3.1: Tín hiệu điều biên Nhiệm vụ của ta là tách tín hiệu âm tần làm điều chế: u2 = UmcosΩt ra khỏi dao động cao tần. Đặt dao động cao tần điều biên u lên yếu tố phi tuyến là điốt có đặc tuyến Vụn–Ampe: i = f(u) = C + au + bu2 + … (3.2) Và được biểu diễn trên hình vẽ: Hình 3.2: a) Đặc trưng Vụn-Ampe của điốt bán dẫn b) Mạch nguyên lý tỏch súng điều biên Thay (1) vào (2) và lấy gần đúng đến số hạng bậc hai ta được: (3.3) (3.4) Trong đó I0 là thành phần dòng điện không đổi, ict là tập hợp các dòng điện cao tần cú cỏc tần số ω, 2ω, ω±Ω, 2ω±Ω, 2(ω±Ω). Mục đích của ta là thu được thành phần âm tần có tần số Ω có dạng (hình 3.3) Hình 3.3: Tín hiệu âm tần Nhưng thành phần tần số 2Ω rất gần với tín hiệu ta cần thu, do đó rất khó để tách được nó ra. Thành phần này gây ra méo tín hiệu. Vậy có hai thành phần âm tần có tần số Ω và 2Ω được tách ra khỏi thành phần cao tần nhưng chỉ có thành phần tần số Ω là có ích còn thành phần tần số 2Ω gõy mộo phi tuyến. Thành phần tần số 2Ω càng yếu nếu M càng bé tức độ sâu điều chế càng nhỏ. Do đó để hạn chế sự méo tín hiệu thì phải làm giảm thành phần có tần số 2Ω càng nhiều càng tốt, bằng cách ở nơi phát ta điều chế tín hiệu với độ sâu điều chế nhỏ (M nhỏ). Việc xuất hiện thành phần 2Ω là nhược điểm của tỏch súng phi tuyến. Để khắc phục nhược điểm này ta dựng tỏch súng tuyến tính. 1.1.2. Tỏch súng tuyến tính Để cú tỏch súng tuyến tính trong biểu thức 2 ta chỉ cần hạn chế ở số hạng bậc nhất, tức là sự phụ thuộc của dòng i và điện áp u coi là tuyến tính. Muốn đạt được điều này tín hiệu đưa vào tỏch súng phải lớn để ta có thể bỏ qua đoạn cong ở gốc của đặc tuyến Vụn-Ampe và coi nó như là thẳng. Vì thế trước khi tỏch súng tín hiệu thường phải được khuếch đại. Tín hiệu tỏch súng tuyến tính sau khi qua yếu tố phi tuyến là các xung nửa chu kỳ (hình 3.4) Hình 3.4: Nguyên lý tỏch súng tuyến tính Nếu ta đặt tín hiệu cao tần điều chế lên yếu tố phi tuyến là điốt Đ ta sẽ được dòng điện chạy trên tải R có dạng: i = C + aU0(1+McosΩt)cosωt (3.5) = C + Im cosωt Từ biểu thức trên ta có thể khai triển thành chuỗi Fourier như sau: (3.6) (Số hạng bnsinωt = 0 vì bn là hàm chẵn) Trong đó: (3.7) (3.8) (3.10) (3.11) (3.12) Trong khai triển của công thức (3.12) có thành phần âm tần tần số Ω mà không còn thành phần 2Ω nữa. Kết quả này làm cho tín hiệu không còn bị méo phi tuyến. Đây là ưu điểm của phộp tỏch súng bậc nhất. 1.1.3. Tỏch súng kộp (tỏch súng bội áp) Tương tự chỉnh lưu hai nửa chu kỳ ta có thể có sự tỏch súng kộp (tỏch súng bội áp). Trong trường hợp này dòng điện ra có dạng: (3.13) Ta có: Trong biểu thức (14) xuất hiện số hạng hữu ích là thành phần hữu ích có biên độ gấp hai lần tỏch súng thường và không xuất hiện thành phần 2Ω. Vậy mục đích tỏch súng đó đạt được. Hình 4.5: Nguyên lý tỏch súng bội áp 1.1.4. Bộ lọc Sau khi qua điốt tỏch súng ngoài dao động cao tần có ích Ω còn có nhiều dao động cao tần khác. Vì vậy ta cần một bộ lọc tần thấp để lọc cao tần đi và tỏch õm tần ra. Người ta hay dùng bộ lọc RC mà không sử dụng bộ lọc LC vì hai lí do: Một là ta cần lọc lấy thành phần âm tần (tần số thấp), mà , do đó ta cần phải dùng cuộn dây có độ tự cảm lớn, tụ điện có điện dung lớn, như vậy ta khó chế tạo và dụng cụ lại cồng kềnh. Hai là nếu dùng mạch cộng hưởng LC, do cộng hưởng của khung LC mà nó cú sự ưu tiên về một khoảng tần số nào đó, mà mục đích của ta lại không cần sự ưu tiên đó. Hình 4.6: Sơ đồ bộ lọc trong tỏch súng Yêu cầu của bộ lọc là phải khử thành phần cao tần và giữ lại thành phần hữu ích. Có thể hiểu bộ lọc theo nhiều cách: Bộ lọc tạo thành mạch rẽ: Ta phải chọn R và C sao cho dung kháng của tụ điện C đối với thành phần cao tần rất nhỏ so với R () thì thành phần cao tần chỉ đi qua tụ điện mà không đi qua R. Mặt khác dung kháng của tụ C đối với thành phần tần thấp rất lớn so với R , thì thành phần chỉ đi qua R mà không đi qua C. Do đó trên diện trở R ta thu được thành phần hữu ích. Vậy ta cần chọn RC thỏa mãn điều kiện: Cả hai nhánh R và C tương đương với một mạch rẽ có tổng trở Z, có thể tìm theo công thức: Từ đó ta tính được: Nếu chọn RC sao cho >> 1 tức là: thì sẽ rất bé và thành phần cao tần đi qua tải không gây nên độ sụt áp đáng kể, tức là thành phần cao tần bị khử đi. Còn đối với thành phần hữu ích tần số Ω: Nếu chọn R và C sao cho << 1, tức là: Thì và dòng điện hữu ích tần số đi qua sẽ cho sụt áp đáng kể, tức là ta tách được thành phần hữu ích. Hiểu theo bản chất vật lý Thực chất của quá trình lọc là quá trình tích điện và phóng điện của tụ C. Tụ C được tích điện bằng những xung điện, khoảng cách giữa các xung tụ phóng điện qua R (nó khụng phúng qua bộ tỏch súng D vì điện trở ngược của nó lớn). Thực chất của quá trình tích và phóng điện là qui luật biến đổi của điện áp trên tụ C do quan hệ giữa hằng số thời gian τ = RC với các chu kỳ TωTΩ. Ta xét bản chất của quá trình này: Quá trình phóng điện trên tụ là quá trình biến đổi điện áp trên tuân theo định luật hàm số mũ: Ở đây τ = RC là hằng số thời gian (là thời gian phóng điện của tụ). Ta xột cỏc trường hợp + Khi τ = τ1 = RC << Tω << TΩ Khi này mạch phóng điện nhanh đối với cả Ω và ω, tức là ở nửa dương của các chu kỳ tín hiệu liên tiếp được tích vào tụ và phóng nhanh. Nờn trờn tụ luôn có điện áp của tín hiệu vào (có cả cao tần và âm tần) và điện áp trên tụ biến đổi theo đúng các xung dòng điện. Do đó mục đích tỏch súng không thực hiện được. Dạng tín hiệu + Khi τ = τ2 = RC >> TΩ >>Tω Khi này tụ phóng điện chậm, cả thành phần cao tần và âm tần đều được tích vào tụ, ta có điện ỏp trờn tụ gần như không đổi. Trường hợp này tụ C làm việc như mạch lọc xoay chiều nên cũng không dùng để lọc trong mạch tỏch súng được. Dạng tín hiệu + Khi Tω << τ3 << TΩ Nếu chọn RC để τ3 = RC lớn hơn Tω nhiều nhưng vẫn nhỏ hơn nhiều so với TΩ. Lúc này tụ không kịp phóng điện đối với thành phần cao tần vì nửa dương của chu kỳ trước tích vào tụ chưa kịp phóng điện thì nửa dương của chu kỳ sau đã lại đến và tích vào tụ liên tiếp. Nghĩa là tụ được tích điện dần và giá trị điện áp trên tụ tăng cùng với biên độ của xung. Còn đối với thành phần âm tần, vì τ3 << TΩ nên nó kịp phóng điện. Kết quả là trên tụ ta thu được điện áp hữu ích Ω. Dạng tín hiệu Vậy điều kiện của bộ lọc tỏch súng là: 1/ω << RC << 1/Ω 1.2. Các sơ đồ tỏch súng điều biên 1.2.1. Tỏch súng điốt Dùng một điốt bán dẫn tiếp điểm (điốt tỏch súng) để tách sóng, và một bộ lọc hình chữ Π để lọc âm tần. Mạch này được sử dụng phổ biến trong các máy thu thanh điều biên (AM). Hình 3.6: Sơ đồ tỏch súng điốt 1.2.2. Tỏch súng bội ỏp (tỏch sóng kép) Để tăng độ lớn và độ ổn định của tín hiệu tách sóng người ta hay dùng mạch tỏch súng bội áp. Hình 3.8: Sơ đồ tỏch súng bội áp Mạch tỏch sóng bội áp hoạt động như sau: Trong nửa chu kỳ âm của điện áp vào U1, điốt Đ1 phân cực nghịch, không có dòng chạy qua, còn điốt Đ2 phân cực thuận, có dòng điện chạy qua và nạp vào tụ C1, tạo nên trên tụ C1 một điện áp U1 = U. Đến nửa chu kỳ dương của tín hiệu, điốt Đ2 lại phân cực ngược còn Đ1 phân cực thuận nên điện áp ở đầu ra bằng tổng điện áp tớch trờn tụ trong nửa chu kỳ âm cộng với điện váp của nửa chu kỳ dương U’ = U1 + U = 2U. Do vậy điện áp trên R và C đã được nhân đôi lên. Mạch tỏch súng bội áp thường được dùng trong các máy thu khuếch đại thẳng và trước mạch này không cần dùng biến áp 1.2.3. Tỏch súng bằng Tranzito Hình 3.9: Sơ đồ mạch tỏch súng dựng Trên đây là sơ đồ mạch tỏch súng điển hình dùng Tranzito mắc cực phát chung. Mạch này có thể vừa tỏch súng vừa khuếch đại âm tần. Muốn có hiệu quả tỏch súng lớn nhất thì phải định thiên cho UBE khoảng 0.05 - 0.1V để điểm hoạt động ở đoạn cong nhất của đặc tuyến vào. Hiệu quả tỏch súng thực hiện được nhờ tiếp giáp gốc-phỏt của Tranzito, R3 là tải tỏch súng, C2 là tụ thoát cao tần. Mạch này có nhược điểm là mộo tỏch súng lớn, điện trở vào nhỏ ảnh hưởng xấu đến tầng trước. Mạch này ít gặp, nó thường chỉ được dùng trong các máy thu có khuếch đại điện áp tự động điều chỉnh độ khuếch đại và trong các máy thu đơn giản. II. TÁCH SểNG PHA Ở các mạch tỏch súng pha, tín hiệu đầu ra tỉ lệ với hiệu số pha của hai dao động ở đầu vào cú cựng tần số. Hình 3.10 là một mạch tỏch súng điều pha đơn giản Hình 3.10: a) Mạch tỏch súng điều pha đơn giản b) Giản đồ véc tơ điện áp trong tỏch súng pha đơn giản Nguyên lý hoạt động của mạch: Mạch có bộ dao động chuẩn để tạo ra dao động cú cựng tần số với tín hiệu và có pha ban đầu không đổi. Như vậy trên điốt sẽ có hai điện áp uch(t) và uđf(t) với: uch(t) = Uchmcos(ω0t+φch) uđf(t) = Uđfmcos(ω0t+φ(t)) (3.15) Đồ thi véc tơ của chúng trình bày trờn hỡnh 3.10 với pha ban đầu của dao động chuẩn φ = 0. Theo đồ thị đó thi véc tơ tổng đặt lên điốt là: (3.16) Với φ = φ(t) - φch Điện áp đầu ra của bộ tỏch súng cú trị số biên độ tỉ lệ với hiệu pha như sau: (3.17) Trong đó KTS là hệ số truyền đạt của mạch tỏch súng. Theo (3.17) thì quan hệ UTS và φ là một hàm phi tuyến nên mạch làm việc kém hiệu quả, méo phi ruyến lớn. Để mạch làm việc tốt hơn người ta dùng mạch tỏch súng pha phức tạp: Hình 3.11: a) Tỏch súng pha phức tạp b) Giản đồ véc tơ các điện áp Theo sơ đồ ta thấy: UD1 = U1 + Uch ; UD2 = -U1 + Uch Suy ra: (3.18) Nên UTS = KTS(UD1 – UD2) = KTSγUch (3.19) Trong đó Vậy điện áp ra phụ thuộc vào độ lệch tần số và pha của tín hiệu vào. Xét ba trường hợp đặc trưng: φ = 900 thì cosφ = 0 nên γ = 0, điện áp ra của bộ tỏch súng bằng không. φ 0, điện áp ra của bộ tỏch súng dương. φ > 900 thì 0 -1 cosφ < 0, γ < 0, điện áp ra của bộ tách sóng âm. III. TÁCH SểNG ĐIỀU TẦN Nguyên lý của mạch tỏch súng điều tần (hoặc điều pha) là chuyển sự biến đổi về tần số của tín hiệu điều tần thành sự biến đổi về biên độ rồi đưa tín hiệu đến bộ tỏch súng điều biên thông thường mà ta đó xột. Trong thực tế có nhiều phương pháp chuyển sóng điều tần thành điều biên rồi tách lấy thành điều biên rồi tách lấy thành phần âm tần hữu ích. Các phương pháp ấy gọi chung là các phương pháp hay mạch tỏch súng điều tần. Dưới đây là một số mạch tỏch súng điều tần có tính chất nguyên lý được ứng dụng rộng rãi. 2.1. Tỏch súng điều tần lệch cộng hưởng Nguyên lý của mạch tỏch súng điều tần được biểu diễn dưới hình 3.12 : Hình 3.12: Mạch tỏch súng điều tần lệch cộng hưởng Mạch này gồm một khung cộng hưởng LC (có đường cong cộng hưởng khỏ tự) và bộ tỏch súng điều biên thông thường. Mạch này được điều chuẩn để tần số cộng hưởng tự nhiên ω0 lệch về phía thấp hơn hoặc cao hơn so với tần số trung tâm của tín hiệu điều tần, mặt khác chọn sao cho độ biến đổi tần số 2Δω nằm trọn trên phần thẳng của đường cong cộng hưởng thì ta có thể chuyển tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều biên. Hình 3.13: Nguyên lý tỏch súng điều tần Từ hình vẽ ta thấy nếu chọn tần số trung tâm ω1 của tín hiệu điều tần ứng với điểm A là đoạn giữa của đoạn thẳng trên sườn phải của đặc tuyến cộng hưởng sẽ có một điện áp tương ứng là Uk. Bây giờ nếu ta đưa vào mạch cộng hưởng một tín hiệu điều tần được biểu diễn bằng biểu thức: ω1 = ω0 + ΔωcosΩt có độ di tần lớn nhất là Δω thì khi tần số là ω1 + Δω tần số càng lệch xa tần số cộng hưởng tự nhiên của mạch, lúc này điện áp trên hai đầu mạch cộng hưởng sẽ giảm nhỏ nhất, từ điểm A tụt xuống điểm B và có biên độ là Uk – ΔU1. Khi tần số dịch về tần số ω0 hơn (ω = ω1 - Δω) lúc này điện áp trên hai đầu cảu mạch cộng hưởng tăng lên từ điểm A đến điểm C và có biên độ là Uk + ΔU2. Như vậy mạch điện sẽ chuyển từ tín hiệu điều tần sang tín hiệu điều biên và dao động điều tần chuyển thành dao động điều biên. Tín hiệu này được bộ tỏch súng điều biờn tỏch lấy thành phần âm tần ra và mục đích tỏch súng đạt được. Điều chú ý ở đây là độ biến đổi biên độ phải lặp lại đúng qui luật của độ biến đổi tần số. Muốn vậy đoạn hoạt động trên đường cong cộng hưởng phải thẳng và đủ dài. Đó là điều khó thực hiện với mạch cộng hưởng đơn. Do đó nó chỉ được dùng trong những máy thu điều tần đơn giản kiểu siêu tái sinh. Để khắc phục nhược điển trên phải làm cho đoạn thẳng của đặc tuyến mà tần số hoạt động xê dịch 2Δω dài thêm ra, muốn vậy ta sử dụng mạch lệch cộng hưởng kép. 2.2. Tỏch súng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng kép Mạch tỏch súng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng kép là mạch kết hợp đặc tuyến hai mạch dao động L1C1 và L2C2 chỉnh lệch nhau ở hai tần số nằm hai bên ω0 ω1 = ω0 – Δω ω2 = ω0 + Δω Trong đó Δω là độ di tần cực đại. Hình 3.14: Bộ tỏch súng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng kép Các điốt Đ1, Đ2 được mắc để khi tần số lệch sang hai bên ω0 thì ta sẽ nhận được các điện áp có cực tính khác nhau trên tải. Trên đặc tuyến tỏch súng, đường nét đứt là đặc tuyến riêng của từng mạch cộng hưởng 1 và 2, còn đường nét liền là đặc tuyến tổng hợp đường này có đoạn thẳng khá dài nghĩa là đạt yêu cầu đặt ra. Nhược điểm của mạch tỏch súng này là hoạt động không ổn định do tần số cộng hưởng có thể bị suy giảm làm thay đổi đặc tuyến tỏch súng. 2.3. Tỏch súng điều tần dùng mạch cộng hưởng kép Để khắc phục nhược điểm của tỏch súng lệch cộng hưởng kép ta dùng mạch tỏch súng cộng hưởng kép. Mạch này như mạch lệch cộng hưởng kép chỉ khác là mắc thêm mạch liên kết giữa hai khung dao động bởi tụ C0 và cuộn dây L0. Trong mạch này ta không chỉnh lệch mà L1C1, L2C2 đều được điều chuẩn về tần số ω0, các khung này liên kết cảm ứng với nhau và liên kết điện dung qua tụ C0. Tải của các mạch là R1C3 và R2C4. Hình 3.15: Mạch tỏch súng điều tần dùng mạch cộng hưởng kép Khi thiết kế L0, C0 phải thỏa mãn điều kiện: Do đó điện áp trên hai đầu quận dây L0 có thể coi gần đúng bằng điện áp trên hai đầu quận dây L1 cho nên có thể xem mỗi điot chịu tác dụng tác dụng của tổng hai điện áp cao tần là điện áp trên khung L1C1 và điện áp trên nửa cuộn dây L2. Điện áp trên ai nửa cuộn dây L2 ngược pha nhau. Bây giờ ta xét hai khả năng: + Nếu đưa điện áp chưa điều tần (có tần số – không đổi) vào mạch tỏch súng thì điện áp âm tần do hai điốt nắn ra bằng nhau và ngược chiều nhau nên ở lõi ra có điện áp bằng không . + Nếu đưa điện áp điều tần (tần số thay đổi ) vào mạch tỏch súng thỡ: - Khi tần số tín hiệu lớn hơn tần số cộng hưởng () thì mạch cộng hưởng bên thứ cấp có trở kháng phức hợp với thành phần cảm kháng lớn hơn nên dòng điện trong mạch L2C2 sẽ chậm pha hơn suất điện động cảm ứng xuất hiện trong nó, điện áp trên điốt D1 bé hơn điện áp trên điốt D2 và ở mạch ra ta thu được một tín hiệu điện áp ngược dấu với trường hợp trước. Vậy hiệu số điện áp thu được ở mạch ra tỷ lệ với độ lệch tấn số (so với ) của tín hiệu điều tần, nghĩa là tín hiệu có tấn số biến thiên đưa đến đấu vào của mạch tỏch súng đó được biến đổi thành tín hiệu cú bờn độ biến thiên ở đầu ra, tức là mục đích tỏch súng điều tần là đạt được. Hai mạch tỏch súng vừa xét trên đòi hỏi phải có cấu trúc cân xứng để tránh sai sót gây ra méo tín hiệu. Mặt khác chúng cũng gây ra những biến đổi về biên độ. Do đó để nâng cao tỏch súng điều tần phía trước nó bắt buộc phải có mạch hạn biên và đây là lí do hạn chế sự ứng dụng rộng rãi của mạch tỏch súng này. 2.4. Mạch tỏch súng tỉ số Mạch tỏch súng tỷ số có ưu điểm là vừa tỏch súng điều tần vừa có tác dụng hạn chế biên bởi vậy hầu hết các mạch thu sóng điều tần (thu thanh, thu hình trừ mỏy dựng IC) đều dùng mạch này. Hình 4.14 là mạch điện nguyên lý của bộ tỏch súng tỷ số. Hình 3.16: Mạch tỏch súng tỉ số Hai điot D1, D2 mắc ngược đầu nhau (thực ra là mắc nối tiếp) và chỉ làm việc trong nửa chu kỳ của tín hiệu bên sơ cấp L1C1. Bộ R1C3 là tải tỏch súng của điot D1, R2C4 là tải tỏch súng của D2. Tụ Co có trị số khá lớn ( cỡ 10) nên có tác dụng là tụ thoát cho các điện trở gánh của hai Điot. Vì vậy trên hai điện trở R1, R2 chỉ có điện áp một chiều, điện áp một chiều này biến đổi chậm vì hang số thời gian của mạch gánh điot khá lớn (tới 0,2s). Nhờ đó bộ tỏch súng tỷ lệ này có ưu điểm là nó làm triệt tiêu được sự điều biên (hạn biên). Đồng thời cũng do C’o có trị số lớn nên điểm ở giữa R1, R2 không có điện ỏp õm tần (nối mát được). Còn điện áp trên hai đầu R1, R2 bằng tổng điện áp trên R1 và R2 vì hai điot mắc nối tiếp dòng điện chạy qua R1 và R2 là cùng chiều mà không triệt tiêu nhau như ở các sơ đồ trước. Điện áp trên hai đầu R1, R2 luôn được giữ ổn định mặc dù điện áp vào trên L1C1 có sự thay đổi. Nguyên lý tỏch súng tỷ số cũng tương tự như mạch cộng hưởng kép. Thật vậy: Điện áp nắn ra bởi mỗi điot thay đổi theo quy luật âm tần xuất hiện trên hai tụ C3 và C4. Điện áp trên C3 tăng bao nhiêu thì điện áp trên C4 lại giảm bấy nhiêu và ngược lại, vì tổng điện áp trên C3 và C4 không đổi cho nên ở điểm E (ở giữa C3 và C4) có điện ỏp õm tần. Mặt khác xét dòng điện nạp qua các tụ C3 và C4 ta thấy: dòng nắn ra của điot D1 nạp tụ C3 dòng nắn ra của D2 nạp tụ C4. Hai dũng đú ngược chiều nhau - Khi tần số của tín hiệu điều chế bằng tần số cộng hưởng thì hai điện áp trên D1 và D2 bằng nhau I1 = I2 và ở điểm E không có điện ỏp õm tần, điện áp ra Ur bằng không. - Khi thì I1 > I2 ở điểm E có điện áp dương, nếu càng lớn hơn thì điện áp dương có biên độ càng lớn. - Khi thì điện áp trên D1 nhỏ hơn điện áp trên D2 và I1 < I2 ở điểm E có điện ỏp õm, nếu càng nhỏ hơn thì điện áp õm cú biên độ càng lớn. Vậy sự biến đổi tần số của tín hiệu vào mạch tỏch súng đó dần tới sự biến đổi biên độ của tín hiệu ra. Mục đích tỏch súng điều tần đã được thực hiện. Tuy nhiên từ những phân tích trên ta thấy độ nhạy của bộ tỏch súng này chỉ bằng 1/2 so với bộ tỏch súng điều tần dùng mạch cộng hưởng kép. Mặt khác ta cũng thấy, do điện áp ra của bộ tỏch súng điều tần này không quyết định bởi điện áp tín hiệu trên hai nửa của L2 (đoạn AB) lớn hay bé mà quyết định bởi tỉ số của chúng. Vì đó mà người ta gọi bộ tỏch súng điều tần này là bộ tỏch súng tỉ số. Đồng thời tỉ số điện áp này không đổi ( ngoài giới hạn của hai bộ di tần 2). Đó cũng là tác dụng hạn biên của mạch tỏch súng tỉ số. B. THỰC HÀNH I. TIẾN TRÌNH THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MẠCH 1.1. Tìm hiểu các thiết bị sử dụng cho bài thực hành 1.1.1. Tìm hiểu máy phát tín hiệu điều chế Máy phát tín hiệu điều chế có hai chế độ: Phát tín hiệu điều biên: Để máy phát tín hiệu điều biên ta ấn phím “AM”. Khi đú trờn của sổ màn hình hiện ra bốn dữ liệu: Ở góc phía trên bên trái là dữ liệu về kênh, ta muốn thay đổi kênh chọn thì ấn phím “RECALL” để con trỏ về vị trí chọn kênh, rồi ta ấn các phím số để chọn kênh. Ở góc phía dưới bên trái là giá trị về độ sâu điều chế, muốn thay đổi giá trị của nó ta ấn phím AM rồi dựng phớm “CONTROL” để chỉnh. Ở góc bên phải là dữ liệu về tần số cao tần và biên độ cao tần, muốn thay đổi giá trị của nó ta ấn phím “LEVEL” để con trỏ trở về vị trí chọn tần số hay biên độ cao tần, rồi ấn các phím số và cỏc phớm đơn vị (bên phải) để chọn. Phát tín hiệu điều tần: Để máy phát tín hiệu điều tần ta chọn núm FM. Khi đú trờn cửa sổ cũng hiện lên bốn dữ liệu: Ở góc bên phải và phía trên bên trái là các dữ liệu như trong phần phát tín hiệu điều biờn, cũn phía dưới bên trái là dữ liệu về độ di tần, muốn thay đổi giá trị của nó ta ấn phím FM rồi dựng phớm “CONTROL” để chỉnh. Để chọn tần số âm tần ta ấn phím “MOD.S” (Máy phát chỉ cố định hai tần số âm tần là 400Hz và 1kHz) 1.1.2. Tìm hiểu dao động kí Khi sử dụng dao động kí cho bài này cần chú ý một điểm đó là khi đo tín hiệu sau tỏch súng phải đặt dao động kí ở chế độ đo DC. 1.2. Nghiên cứu lý thuyết Tìm hiểu nguyên lý tỏch súng và các mạch tỏch súng (tương tự) cả điều biên và điều tần, lựa chọn các mạch thực thi. Tỡm hiểu nguyên lý hoạt động của các mạch này, lựa chọn các mạch để khảo sát, rồi lựa chọn các linh kiện cần thiết và giá trị của chúng cần dùng trong các mạch đó. 1.3. Thử mạch trên board mạch thử Mượn linh kiện trong phòng thí nghiệm của tổ hoặc đi mua về. Lắp mạch theo sơ đồ đã chọn, thay đổi giá trị các linh kiệnvà các thông số đầu vào rồi kiểm tra tín hiệu. Lựa chọn các lịnh kiện để phù hợp với mạch thiết kế. 1.4. Vẽ mạch in và lắp ráp linh kiện Sau khi đưa ra được các mạch thực thi và thử nó trờn board mạch thử, tiến hành vẽ mạch in, nhờ thầy xem mạch và sửa mạch rồi đi in mạch. Cuối cùng là với các linh kiện đã chọn, lắp ráp chỳng lờn board mạch thực. 1.5. Kết quả 1.5.1.Thiết kế thành công bộ thí nghiệm tỏch súng (hình vẽ): 1.5.2. Các kết quả đã khảo sát ở tần số âm tần 1kHz Khảo sát dạng tín hiệu điều biên sau khi qua điốt tỏch súng Khi R = 32kHz: Khi R = 1kHz Khảo sát dạng tín hiệu điều biên sau khi cho qua bộ tỏch súng điốt theo tần số cao tần, với giá trị bộ lọc không đổi C1 = C2 = 56pF, R = 10kΩ, biên độ vào 1V. - Dạng tín hiệu: Hình 4.1 a) Tần số cao tần 100kHz: b) Tần số cao tần 1MHz: c) Tần số cao tần 10MHz: - Nhận xét: Thành phần cao tần càng nhỏ khi tần số cao tần càng lớn. Do tần số cao tần càng nhỏ thì dung kháng của tụ lọc càng gần với trở kháng của điện trở, do đó thành phần cao tần không qua tụ xuống mát hết được mà vẫn còn một phần qua trở. Khảo sát dạng tín hiệu điều biên sau khi cho qua bộ tỏch súng điốt theo điện trở của bộ lọc, với giá trị tụ lọc không đổi C1 = C2 = 56pF, tần số cao tần không đổi ω = 100kHz, biên độ vào 1V. - Dạng tín hiệu: Hình 4.2 a) Điện trở R = 10kΩ: b) Điện trở R = 32kΩ: c) Điện trở R = 97kΩ: - Nhận xét: Điện trở của bộ lọc càng lớn thì biên độ thành phần cao tần càng nhỏ. Khảo sát dạng tín hiệu điều biên sau khi cho qua bộ tỏch súng điốt theo giá trị điện dung của tụ lọc, với điện trở của bộ lọc không đổi R = 97kΩ, tần số cao tần không đổi ω = 1MHz, biên độ vào 1V. - Dạng tín hiệu: Hình 4.3 a) Điện dung C1 = C2 = 56pF: b) Điện dung C1 = C2 = 1nF: - Nhận xét: Điện dung của tụ lọc càng lớn thì tín hiệu càng bị méo lớn Khảo sát dạng tín hiệu điều biên sau khi cho qua bộ tỏch súng điốt theo hệ số điều chế với bộ lọc không đổi C1 = C2 = 1nF, R = 97kΩ, tần số cao tần không đổi ω = 1MHz, biên độ vào 1V - Dạng tín hiệu: Hình 4.4 Hệ số điều chế M = 10%: Hệ số điều chế M = 20%: Hệ số điều chế 30%: - Nhận xét: Hệ số điều chế càng lớn thỡ biờn dộ tín hiệu ra càng lớn, đồng thời độ méo càng lớn. Khảo sát sự thay đổi của biên độ tín hiệu điều biên sau khi cho qua bộ tỏch súng điốt hoặc bộ tỏch súng bội áp với các giá trị đầu vào và bộ lọc là như nhau: Biên độ tín hiệu sau khi qua bộ tỏch súng bội áp gấp hai lần biên độ tín hiệu sau khi qua bộ tỏch súng điốt. Khảo sát dạng tín hiệu điều tần sau khi qua khung cộng hưởng LC và qua bộ tỏch súng điều tần theo tần số cao tần với khung cộng hưởng LC không đổi L = 1000H, C = 56pF, độ di tần không đổi Δω = 100kHz: - Dạng tín hiệu: Tần số cao tần ω = 200kHz Tần số cao tần ω = 500kHz Tần số cao tần ω = 800kHz Nhận xét: Tần số cao tần sóng mang càng tăng thì độ sâu điều chế của tín hiệu điều biên nhận được sau khi qua khung cộng hưởng LC càng nhỏvà biên độ tín hiệu âm tần sau khi qua bộ tỏch súng điều tần càng nhỏ. Do độ di tần không thay đổi, mà tần số cao tần càng cao làm cho độ thay đổi biên độ ứng với độ di tần như nhau là giảm, nờn độ sâu điều chế giảm. Khảo sát dạng tín hiệu âm tần nhận được sau khi qua bộ tỏch súng điều tần theo tần số cộng hưởng của khung LC (bằng cách thay đổi điện dung của tụ) với các đại lượng đầu vào không đổi (độ di tần Δω = 100kHz, cao tần ω = 500kHz) Nhận xét dạng tín hiệu: Điện dung tụ điện càng tăng thì biên độ tín hiệu âm tần càng tăng và độ méo tín hiệu cũng tăng lên. II. TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH “Bài 6: NGHIÊN CỨU VỀ MẠCH TÁCH SểNG” I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 1. Hiểu được nguyên lý hoạt động của mạch tỏch súng điều biên và tỏch súng điều tần. 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của bộ lọc lên tín hiệu âm tần sau khi tỏch súng. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Tỏch súng điều biên 1.1. Lý thuyết tỏch súng điều biên Ở nơi thu ta thu được dao động cao tần điều biờn cú dạng: u = U0 ( 1 + McosΩt)cosωt (1) Hình 6.1: Tín hiệu điều biên Tín hiệu điều biờn cú đặc điểm là biên độ của dao động cao tần biến đổi theo qui luật của tín hiệu âm tần. Nhiệm vụ của ta là tách tín hiệu âm tần làm điều chế: u2 = UmcosΩt ra khỏi dao động cao tần,có dạng: Hình 2: Tín hiệu âm tần 1.1.1. Tách sóng tuyến tính Đặt dao động cao tần điều biên u lên yếu tố phi tuyến là điốt có đặc tuyến Vụn–Ampe: i = f(u) = C + au + bu2 + … (2) Và được biểu diễn trên hình vẽ: Hình 6.2: a) Đặc trưng Vụn-Ampe của điốt bán dẫn b) Mạch nguyên lý tỏch súng điều biên Trong biểu thức (4.2) ta chỉ giới hạn ở số hạng bậc 1(Để làm được điều này điện áp vào phải tương đối lớn để diờ̉m làm việc ở đoạn thẳng của đường đặc trưng) i = f(u) = C + au (4.5) Thay (4.1) vào (4.5) được: i = C + aU0(1+McosΩt)cosωt Từ biểu thức trên ta có thể khai triển thành chuỗi Fourier và thu được kế quả: (4.6) Trong khai triển của công thức (4.6) có thành phần âm tần tần số Ω, đây là thành phần hữu ích mà ta cần thu. Hỡnh 6.3: Nguyên lý tỏch súng tuyến tính 1.1.2. Tách súng kộp (tỏch súng bội áp) Hình 6.4: Nguyên lý tỏch súng bội áp Trong trường hợp này dòng điện ra có dạng: (4.7) Trong biểu thức (4.8) xuất hiện số hạng hữu ích là thành phần hữu ớchcú biên độ gấp hai lần tỏch súng thường và không xuất hiện thành phần 2Ω. 1.1.3. Bộ lọc Sau khi qua điốt tỏch súng ngoài dao động cao tần có ích Ω còn có nhiều dao động cao tần khác. Vì vậy ta cần một bộ lọc tần thấp để lọc cao tần đi và tỏch õm tần ra. Hình 6.5: Sơ đồ bộ lọc trong tỏch súng Ta phải chọn R và C sao cho dung kháng của tụ điện C đối với thành phần cao tần rất nhỏ so với R () thì thành phần cao tần chỉ đi qua tụ điện mà không đi qua R. Mặt khác dung kháng của tụ C đối với thành phần tần thấp rất lớn so với R , thì thành phần õm tần chỉ đi qua R mà không đi qua C. Do đó trờn điện trở R ta thu được thành phần hữu ích. Vậy ta cần chọn RC thỏa mãn điều kiện: 1.2. Tỏch sóng điều tần Nguyên lý của mạch tỏch súng điều tần là chuyển sự biến đổi về tần số của tín hiệu điều tần thành sự biến đổi về biên độ rồi đưa tín hiệu đến bộ tỏch súng điều biên thông thường mà ta đó xột. Hình 6.6: Mạch tỏch súng điều tần lệch cộng hưởng Mạch này gồm một khung cộng hưởng LC và bộ tỏch súng điều biên thông thường. Mạch này được điều chuẩn để tần số cộng hưởng tự nhiên ω0 lệch về phía thấp hơn hoặc cao hơn so với tần số trung tâm của tín hiệu điều tần, mặt khác chọn sao cho độ biến đổi tần số 2Δω nằm trọn trên phần thẳng của đường cong cộng hưởng thì ta có thể chuyển tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều biên. Hình 6.7: Nguyên lý tỏch súng điều tần Từ hình vẽ ta thấy, tần số của tín hiệu điều tần thay đổi một khoảng 2Δω từ ω1- Δω đến ω1+Δω , thì biên độ của tín hiệu ra thay đổi một lượng 2ΔU từ Uk-ΔU đến Uk-ΔU, theo qui luật biến đổi của tín hiệu đều tần. Do đó tín hiệu ra là tín hiệu biến điệu biên độ. III. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM - Máy phát tín hiệu điều chế - Dao dộng kí hai tia - Thiết bị chính ATS - 21 - Khối thí nghiệm tỏch súng - Các dây cắm IV. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 4.1. Thứ tự làm thí nghiệm 4.1.1. Thí nghiệm tỏch súng điốt thông thường Đặt máy phát tín hiệu điều chế ở chế độ: - Phát tín hiệu AM - Kênh 10 - Tần số cao tần 1MHz, âm tần 400Hz. - Biên độ cao tần 1V Đặt dao động kí ở chế độ: - Đo DC - Thang đo thế 0.5V và đo thời gian 1ms Đưa tín hiệu điều biên vào dao động kí để qua sát dạng tín hiệu. 4.1.1. Thí nghiệm tỏch súng điốt thông thường a. Khảo sát dạng tín hiệu điều biên sau khi cho qua bộ tỏch súng điốt theo tần số cao tần, với giá trị bộ lọc không đổi C1 = C2 = 56pF, R = 10kΩ, biên độ vào 1V. Hình 6.8: Sơ đồ mạch tỏch súng điốt Nối mạch theo sơ đồ (hình vẽ) + Nối J1 và J3 - Đưa tín hiệu điều biên từ máy phát tín hiệu điều chế vào đầu vào của sơ đồ TS-1. - Thay đổi tần số cao tần lần lượt với các giá trị 100kHz, 1MHz, 10MHz, 100MHz. - Dùng dao động kí quan sát và ghi lại dạng tín hiệu tại đầu ra. - Đo biên độ tín hiệu ra. - Ghi lại kết quả vào bảng 1 và nhận xét Bảng 1: Trạng thái nối Tần số cao tần Tín hiệu vào Tín hiệu ra Biên độ tín hiệu ra J1, J3 100kHz nt 1MHz nt 10MHz nt 100MHz b. Khảo sát dạng tín hiệu điều biên sau khi cho qua bộ tỏch súng điốt theo giá trị điện dung của tụ lọc, với điện trở của bộ lọc không đổi R = 97kΩ, tần số cao tần không đổi ω = 1MHz, biên độ vào 1V. + Nối J1 và J3(theo hình 6.8) - Chỉnh tần số cao tần về 1MHz. - Đưa tín hiệu điều biên từ máy phát tín hiệu điều chế vào đầu vào của sơ đồ TS-1. - Dùng dao động kí quan sát và ghi lại dạng tín hiệu tại đầu ra. - Đo biên độ tín hiệu ra. - Ghi lại kết quả vào bảng 2 và nhận xét Bảng 2: Trạng thái nối Tần số cao tần Tín hiệu vào Tín hiệu ra Biên độ tín hiệu ra J1, J3 1MHz J2,J4 1MHz + Nối J2 và J4(theo hình 6.8) Làm lại các bước như trên. 4.2.2. Thí nghiệm tỏch súng bội áp + Khảo sát biên độ tỏch súng bội áp so với biên độ tỏch súng điốt thông thường. - Đưa tín hiệu điều biên từ máy phát tín hiệu điều chế vào đầu vào của sơ đồ TS-2: - Dùng dao động kí quan sát và ghi lại dạng tín hiệu tại đầu ra. - Đo biên độ tín hiệu ra và so sánh nó với biên độ tín hiệu ra đo được ở bước 4.1.1-a khi cựng cỏc giá trị đầu vào. - Ghi lại kết quả vào bảng 3 và nhận xét Bảng 3: Sơ đồ mạch Tần số cao tần Tín hiệu vào Tín hiệu ra Biên độ tín hiệu ra TS-1 100kHz TS-2 100kHz TS-1 1MHz TS-2 1MHz 4.2.3. Thí nghiệm tỏch súng điều tần + Máy phát tín hiệu điều chế vẫn đặt ở chế độ cũ chỉ thay đổi chế độ phát tín hiệu AM bằng FM. a. Khảo sát dạng tín hiệu điều tần sau khi qua khung cộng hưởng LC và qua bộ tỏch súng điều tần theo tần số cao tần, với khung cộng hưởng LC không đổi L = 1000H, C = 56pF, độ di tần không đổi Δω = 100kHz, biên độ vào 1V, âm tần 400Hz: - Nối J5 trên sơ đồ TS-3. - Đưa tín hiệu điều tần từ máy phát tín hiệu điều chế vào đầu vào của sơ đồTS-3. - Thay đổi tần số cao tần lần lượt với các giá trị 200kHz, 500kHz, 800kHz. - Dùng dao động kí quan sát và ghi lại dạng tín hiệu tại đầu ra. - Đo biên độ tín hiệu ra. - Ghi lại kết quả vào bảng 4 và nhận xét Bảng 4: Trạng thái nối Tần số cao tần Tín hiệu vào Tín hiệu ra trên khung LC Dạng tín hiệu ra Biên độ tín hiệu ra J5 200kHz nt 500kHz nt 800kHz b. Khảo sát dạng tín hiệu âm tần nhận được sau khi qua bộ tỏch súng điều tần theo tần số cộng hưởng của khung LC (bằng cách thay đổi điện dung của tụ) với các đại lượng đầu vào không đổi (độ di tần Δω = 100kHz, cao tần ω = 500kHz) +Nối J5 trên sơ đồ TS-3. - Đưa tín hiệu điều tần từ máy phát tín hiệu điều chế vào đầu vào của sơ đồTS-3. - Dùng dao động kí quan sát và ghi lại dạng tín hiệu tại đầu ra. - Đo biên độ tín hiệu ra. +Nối J6 trên sơ đồ TS-3 - Làm lại các bước như trên - Ghi lại kết quả vào bảng 5 và nhận xét Bảng 5: Trạng thái nối Tần số cao tần Tín hiệu vào Tín hiệu ra Biên độ tín hiệu ra J5 500kHz J6 500kHz V. CÂU HỎI 1. Giải thích các kết quả thí nghiệm thu được trong bài thực hành? 2. Tại sao khi đo tín hiệu âm tần sau khi tỏch súng ta phải đặt dao động kí ở chế độ DC? 3. Tại sao trong bài thực hành ta lại sử dụng bộ lọc RC hình chữ Π? 4. Tại sao trong tỏch súng điều tần ta phải chuyển từ tách tín hiệu điều tần sang tín hiệu điều biên rồi tỏch súng điều biên bình thường, nhưng trong truyền thanh, truyền hình người ta vẫn thường truyền sóng FM? KẾT LUẬN CHUNG 1. Kết quả Đề tài đã nghiờn cứu và xây dựng thành công bài thí nghiệm tỏch súng và có thể sử dụng trong chương trình điện tử đại cương. 2. Ưu nhược điểm của đề tài 2.1. Ưu điểm: - Đề tài xây dựng bộ thí nghiệm tỏch súng với cấu trúc mạch đơn giản để sinh viên có thể dễ dàng nghiên cứu nguyên lý của nó. - Đưa ra tài liệu hướng dẫn thực hành để sinh viên có thể dễ dàng tiến hành thí nghiệm. 2.2. Nhược điểm Do thời gian có hạn nên đề tài vẫn chưa làm được những mạch tỏch súng điều tần phức tạp có chất lượng tốt hơn (mạch tỏch súng điều tần lệch cộng hưởng kép, cộng hưởng kép, tỉ số). 3. Ứng dụng Bộ thí nghiệm có thể bổ sung vào các bài thí nghiệm trong học phần điện tử đại cương. TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Ninh-Hoàng Cao Tân, Vật lí kĩ thuật II, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2000. T.s Đặng Văn Chuyết, Giáo trình kĩ thuật mạch điện tử, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2004 Klaus Beuth, Linh kiện điện tử, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2008. Ghausi, Electronics circuits, ISBN Editor, 1982 Phạm Minh Hà, Kĩ thuật mạch điện tử, NXB KHKT 1999 Nguyễn Xuân Thụ, Kỹ thuật mạch điện tử, NXBGD, 1997 Phương Xuân Nhàn – Hồ Anh Túy, Lý thuyết mạch tín hiệu T1, T2, T3, NXB KHKT, 1998. Hồ Tuấn Hùng, Điện tử học, 2004 Các website: MỤC LỤC Trang