Tài liệu Mạch tạo dao động sin pdf

Yêu cầu của mạch tạo dao động sin là tạo ra tín hiệu có biên độ, tần số ổn định cao.. - Điều kiện dao động của mạch tạo dao động hình sin: mạch tạo dao động sin có hai phần cơ bản: phần

89

CHƯƠNG 3: MẠCH TẠO DAO ĐỘNG SIN

GIỚI THIỆU CHUNG

Chương 3 giới thiệu các mạch tạo dao động tạo ra tín hiệu hình sin (còn gọi là tín hiệu điều hoà)

- Khái niệm về mạch tạo dao động sin Yêu cầu của mạch tạo dao động sin là tạo ra tín hiệu có biên độ, tần số ổn định cao

- Điều kiện dao động của mạch tạo dao động hình sin: mạch tạo dao động sin có hai phần cơ bản: phần mạch khuếch đại và phần mạch hồi tiếp Mạch hồi tiếp thực hiện hồi tiếp dương

- Mạch tạo dao động sin ghép biến áp loại mạch này phần tử khuếch đại là tranzito hoặc BKĐTT Mạch hồi tiếp dùng biến áp để thực hiện Khung dao động song song có hai phần tử LC

- Mạch tạo dao động sin ba điểm Loại mạch này khung dao động có ba phần tử điện kháng Mạch khuếch đại cũng có thể là tranzito hoặc BKĐTT Có mạch tạo dao động ba điểm điện dung (khung dao động có hai tụ điện, một điện cảm), mạch dao động ba điểm điện cảm (khung dao động có hai điện cảm, một tụ điện)

- Mạch tạo dao động sin ghép RC Loại mạch này phần hồi tiếp ghép qua các mắt RC

Có mạch tạo dao động sin ghép ba mắt RC, mạch tạo dao động sin Cầu Viên

- Mạch tạo dao động sin có thạch anh Loại mạch này cho tín hiệu ra có tần số ổn định cao do bản thân thạch anh có tần số dao động riêng rất ổn định Có thể dùng thạch anh trong mạch tạo dao động sin ghép biến áp hay mạch tạo dao động sin ba điểm Tuỳ vào mạch điện cụ thể mạch sẽ có tần số làm việc theo tần số dao động nối tiếp fq hay tần số dao động song song fp của thạch anh Do mỗi miếng thạch anh chỉ có một tần số dao động cố định nên muốn điều chỉnh tần số dao động của mạch trong một phạm vi hẹp phải nối tiếp với thạch anh một tụ điện vi chỉnh, ký hiệu là CS

- Mạch tạo tín hiệu sin kiểu xấp xỉ tuyến tính Mạch này được dùng phổ biến trong các mạch tạo sóng chức năng Nhờ mạch điện để tạo ra tín hiệu hình sin (gần đúng) khi đầu vào là dãy xung tam giác

- Kết thúc chương yêu cầu người học nắm được thế nào là một mạch tạo dao động sin, phân tích chế độ một chiều và chế độ xoay chiều Phân biệt được khối khuếch đại, khối tạo hồi tiếp dương và các xác định tần số dao đông của mạch

NỘI DUNG

3.1 KHÁI NIỆM

Mạch tạo dao động là mạch khi có nguồn cung cấp nó tự làm việc cho ra tín hiệu Sơ

đồ tổng quát một mạch tạo dao động như ở hình 3-1

Yêu cầu mạch tạo dao động tạo ra tín hiệu có biên độ, tần số ổn định cao, ít chịu ảnh

hưởng của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm

Để đạt các yêu cầu đó mạch tạo dao động

cần:

+ Dùng nguồn ổn áp

+ Dùng các phần tử có hệ số nhiệt

độ nhỏ

+ Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch

tạo dao động như mắc thêm tầng đệm

+ Dùng các linh kiện có sai số nhỏ

+ Dùng các phần tử ổn nhiệt

Đặc biệt khi cần có độ ổn định tần số cao

trên 104 ta dùng thạch anh vào mạch tạo dao

động Khi đó

f

f Δ

đạt được 10− 6÷10− 8

3.2 ĐIỀU KIỆN DAO ĐỘNG VÀ ĐẶC

ĐIỂM CỦA MẠCH TẠO DAO ĐỘNG

Để xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động ta dùng sơ đồ khối hình 3-2 Nó

gồm hai khối; khối khuếch đại có hệ số khếch đại K =K.exp jϕk và khối hồi tiếp có hệ số

hồi tiếp β β= .exp jϕβ

Nếu đặt vào đầu vào tín hiệu U và giả thiết V K.β=1 thì Uht =UV với

V

ht K .U

U = β Vậy tín hiệu vào của mạch khuếch đại và tín hiệu hồi tiếp Uht bằng nhau

cả về biên độ và pha nên nối a với a, thì tín hiệu vẫn khụng thay đổi Lúc đó ta có sơ đồ

khối của mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp

Như vậy trong sơ đồ này mạch chỉ dao động ở tần số mà nó thoả món:

K.β=1 (3-1)

Với K và β là những số phức nên viết lại:

K.β =K .exp (β j ϕ ϕk + β) 1= (3-2)

trong đó: K: Mođun hệ số khuếch đại

β: Mođul hệ số hồi tiếp

Mạch tạo dao

Hình 3-1: Sơ đồ tổng quát của một mạch

tạo dao động

K

β

uV

uht

a a'

ura

Hình 3-2: Sơ đồ khối đầy đủ của bộ tạo dao

động

91

ϕk: Góc dịch pha của bộ khuếch đại

ϕk: Góc dịch pha của mạch hồi tiếp

Có thể tách 3-2 thành hai biểu thức viết theo mođun và biểu thức viết theo pha:

ϕ = ϕk + ϕβ = 2π.n (3-4)

ϕ là tổng góc dịch pha của bộ khuếch đại và mạch hồi tiếp, biểu thị sự dịch pha giữa

Uht và tín hiệu vào ban đầu UV

Quan hệ 3-3 được gọi là điều kiện cân bằng biên độ Nó cho thấy mạch chỉ có thể dao động khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có thể bù được tổn hao do mạch hồi tiếp gây

ra Cũn điều kiện cân bằng pha (3-4) cho thấy dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu ban đầu tức là hồi tiếp dương

Thực tế để có dao động khi mới đóng nguồn K phải lín hơn 1 làm cho biên độ dao β động tăng dần Do tính phi tuyến của phần tử khuếch đại điểm làm việc đi vào vùng có S giảm làm K giảm đến lúc K.β=1 mạch làm việc ở chế độ xác lập Vậy điều kiện dao động của mạch là: K.β≥1

3.3 MẠCH TẠO DO ĐỘNG SIN GHÉP BIẾN ÁP

Mạch tạo dao động sin ghép biến áp có mạch hồi tiếp ghép qua biến áp ở hình 3-3 Trong mạch R1, R2 là bộ phân áp cấp điện áp một chiều cho cực gốc R3,C3 là mạch

ổn định nhiệt L1, C1 là khung dao động, L2 là cuộn ghép lấy điện áp Uht, C2 tụ thoát, C4 là

tụ lấy tín hiệu ra Do tranzito mắc phát chung, tại tần số dao động có tải là điện trở thuần,nên Ura ngược pha Uvào Như vậy để đảm bảo điều kiện cân bằng pha cần đấu cuộn L1,

L2 có cực cùng tên chéo nhau

Tần số dao động của mạch do mạch

cộng hưởng ở cực góp quyết định

fdđ = (4 5)

C L

2

1

1 1

−

π

3.4 MẠCH DAO ĐỘNG SIN BA ĐIỂM

Mạch dao động sin ba điểm có thể

dùng tranzito hay IC để khuếch đại Với

mạch dùng tranzito mắc phát chung còn IC

khuếch đại thuật toán có cửa thuận nối đất

Khung dao động chứa ba phần tử điện kháng thứ tự là X1, X2, X3

Sơ đồ đối với thành phần xoay chiều như hình 3-4

ura

X3

X1

X2

uht

Hình 4-4: Sơ đồ mạch dao động ba điểm với thành phần xoay chiều

ura

X1

X2

X3

uht

_

+

R1

R2

R3

C4

C1

L1

L2

+E

ura

Hình 3-3: Mạch tạo sin ghép biến áp

*

*

Từ mạch điện ta có:

2 1

2 X X

X +

=

Để mạch dao động được cần K β > 1 mà K < 0 nên cần β < 0 mặt khác tại tần số dao động có:

X1 + X2 + X3 = 0

Kết hợp lại ta thấy X1, X2 phải khác dấu và X2, X3 phải cựng dấu, tức là:

- Nếu X1 là điện cảm thì X2, X3 là tụ điện, ta có mạch ba điểm điện dung

- Nếu X1 là tụ điện thì X2, X3 là điện cảm, ta có mạch ba điểm điện cảm Mạch điện dùng tranzito như hình 4-5

Tần số dao động của mạch 3-5a là:

fdđ =

) L L (

C 2

1 2

1+

π (3-6a) Tần số dao động của mạch 3-5b là:

fdđ =

2 1 1

2 1 C C L

C C 2

π (3-6b)

C4

R1

R2

L2

L1

C2

C3

C1

C4

ura

R3

+EC

a)

R1

R2

L C2

C3

C1

ura

R3

+EC

R4

C5

b)

Hình 3-5: Mạch tạo dao động ba điểm

a) Ba điểm điện cảm

b) Ba điểm điện dung

93

3.5 MẠCH TẠO DAO ĐỘNG SIN GHÉP RC

Các mạch tạo dao động RC thường dùng ở phạm vi tần số thấp, vì nếu dùng mạch LC kích thước quá lớn, do điện cảm L phải lớn Trong mạch tạo dao động sin ghép RC, mạch hồi tiếp chứa các phần tử RC

3.5.1 Mạch tạo dao động dùng mạch di pha RC trong mạch hồi tiếp

Mạch điện dùng tranzito và IC khuếch đại thuật toán như ở hình 3-6

Ở đây phần tử khuếch đại đảo pha 1800, nên mạch hồi tiếp cũng phải có góc pha 1800

Hàm truyền đạt và góc di pha mỗi khâu RC trên hình 3-6 xác định theo:

C j

1 R

R K

ω +

= (3-7a)

ϕ =

R C

1 arctg ω

− (3-7b) Theo (3-7a) mỗi khâu RC chỉ tạo ra một góc di pha < 900 khi trị số R, C phù hợp Như vậy để đảm bảo về pha mạch hồi tiếp ít nhất phải có ba mắt RC, mỗi khâu thực hiện di pha

600 Với trường hợp dùng 3 khâu RC như nhau ở hình 3-6a cần:

R1//R2//rBE = R

R1//R2 = R mạch dựng IC

Từ mạch điện ta có hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp:

) C R C R 5 (

j C R 6 1

C R j U

U

3 3 3 2

2 2

3 3 3

ra

ht

ω

− ω + ω

−

ω

−

=

=

Với K là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại thì:

) C R C R 5 (

j C R 6 1

C R K j

3 3 3

ω

− ω + ω

−

ω

−

=

Cho K.β=1 ta được :

⊕ 1 6 2 R.2C2 0

ω

− (3-10)

R R R2

R1 RC

C C C

R3

ura

C1

Uht

+E

C2

R3

R R R1

C C C

Ura

R2

Uht

-

+

Hình 3-6

Tần số dao động:

C R 6

1

dd =

ω (3-11)

⊕ Thay ω vào (3-8) tính được dd

29

1

−

=

β và

dd 3

3 3 dd

dd.R.C R C K .R C

5ω −ω =− ω (3-12)

nên K = -29 (3-13)

Mạch có hệ số hồi tiếp

29

1

=

β , nên cần mắc điện trở R2, R3 sao cho 29

R

R 2

3 = Với mạch dùng tranzito cần chọn điện trở RC và hệ số khuếch đại của tranzito β sao cho:

29 r

R K vt

C ≥

β

3.5.2 Mạch tạo dao động dùng mạch

cầu Viên

Mạch điện ở hình 3-7 Ở mạch này

Uht đưa vào cửa thuận, còn các phần tử ở

cửa đảo để xác định độ khuếch đại của

mạch

Từ mạch điện ta có:

1 1 1

1 1

1 1

R C

.j

1 R

C j

1 R

Z

ω +

= ω +

ω

=

(3-15)

2

2 2 2

2

2

C j

C R j 1 C j

1 R

Z

ω

ω +

= ω +

=

(3-16)

Hệ số hồi tiếp

2 1

1 ra

ht

Z Z

Z U

U

+

=

= β

Thay vào:

) C R C R C R (

.j C C R R 1

C R j

2 1 2 2 1 1 2

1 2 1 2

2 1

+ +

ω + ω

−

ω

=

Khi R1=R2 =R, C1= C2= C thì :

R1

R3

R4

C2 R2

C1

Ura

-

+

Hình 3-7: Mạch dao động cầu Viên

95

C R 3 j C R 1

C R j 2 2

ω

−

ω

=

Để mạch dao động được:

ω +

ω

−

ω

=

= β

C R 3 j C R 1

C R K j 1

K 2 2 2 (3-19)

Hay:

1 2 R2.C2 0

ω

−

C R

1

dd =

ω (3-20)

và 3ωdd.R.C=K.ωdd.R.C (3-21)

nên K = 3

Thay ω vào (3-18) được: dd

3

1

=

β (3-22)

Để mạch tạo dao động được cần chọn các điện trở R3, R4 sao cho 2

R

R 3

4 =

3.6 MẠCH DAO ĐỘNG BẰNG THẠCH ANH

3.6.1 Tính chất và mạch tương đương của thạch anh

Khi cần mạch tạo dao động có tần số ổn định cao mà dùng các biện pháp thông thường như ổn định nguồn cung cấp, ổn định tải vẫn không đảm bảo độ ổn định tần số theo yêu cầu thì phải dùng thạch anh để ổn định tần số Thạch anh có những đặc tính vật lý rất đáng quý như độ bền cơ học cao, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và các tác dụng hoá học

Thạch anh có tính chất áp điện, nghĩa là dưới tác dụng của điện trường thường sinh ra dao động Do đó có thể dùng thạch anh như một khung cộng hưởng Tính chất dao động của thạch anh được biểu diễn bởi sơ đồ tương đương hình 4-8a trong đó Lq, Cq và rq phụ thuộc vào kích thưíc khối thạch anh và cách cắt khối thạch anh Thạch anh có kích thước càng nhỏ thì Lq, Cq và rq càng nhỏ, nghĩa là tần số cộng hưởng riêng của nó càng cao Lq, Cq, rq có tính ổn định cao Cp là điện dung giá đỡ, tính ổn định của Cp kém hơn

Thường rq rất nhỏ, nên khi tính toán bá qua Với giả thiết rq = 0 thì trở kháng tương đương của thạch anh xác định theo công thức:

) C C L C C (

1 C L j

C j

1 L

.j C j 1

C j

1 )

C j

1 L

.j ( X

Z

p q q

2 q p

q q 2

p

q q

p q

q q

− ω

= ω + ω + ω

ω ω

+ ω

=

Từ (3-23) suy ra thạch anh có hai tần số cộng hưởng: một tần số cộng hưởng nối tiếp

fq ứng với Zq= 0 và một tần số cộng hưởng song song f ứng với Z p p = ∞

Ta có :

q q q

C L 2

1 f

π

= (3-24)

Còn

p

q q

p q q

q p p

C

C 1 f C C L

C C 2

1

π

= (3-25)

Cp càng lớn so với Cq thì fp càng gần với fq Đặc tính trở kháng của thạch anh theo tần

số biểu diễn ở hình 4-9a Thường sản xuất thạch anh với tần số fq = 1khz đến 100Mhz Các thạch anh tần số thấp hơn ít được sản xuất, và loại này kích thước lớn và đắt tiền

Các tính chất về điện của thạch anh có thể tóm tắt như sau:

+ Phẩm chất cao Q =104÷105

+ Tỷ số

q

q C

L rất lớn, do đó trở kháng tương đương của thạch anh

q q

q

td C r

L

R = rất lớn + Cq <<Cp

+ Tính tiêu chuẩn của thạch anh rất cao, với khung dao động thạch anh có thể đạt được độ ổn định tần số

6 10

0

10 10 f

f ≈ − ÷ − Δ

Hình 3-8:

a) Sơ đồ quy ước của thạch anh

b) Sơ đồ tương đương về điện của thạch anh

Hình 3-9 a:

Đặc tính điện kháng của thạch anh

j.Xq

A

A

Lq

Cq

rq

B

B

CP

fq fP

97

Để thay đổi tần số cộng hưởng của thạch anh trong phạm vi hẹp ta mắc nối tiếp với thạch anh một tụ biến đổi C như trên hình 3-9b S

Khi đó tần số dao động được xác định theo biểu

thức:

S p

q q

C 1

f

f

+ +

=

′ (3-26)

3.6.2 Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh

Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng song song cho ở hình 3-10 Hình 3-10a là mạch ba điểm điện dung Nhánh có thạch anh mắc nối tiếp với tụ điện CS tương đương một điện cảm, nghĩa là tần số dao động của mạch phải thoả món điều kiện (3-27) và tụ CS chọn theo điều kiện (3-28)

fq <fdd <fp (3-27)

dd td

S dd

L C

1 <ω

ω (3-28) Trong đó Ltd là điện cảm tương đương của thạch anh Ngoài ra CS còn phải tháa mãn: 2

1

S C ,C

C <<

Tần số dao động của mạch xác định gần đúng

fdd ≈ fp (3-29)

Ở mạch 3-10b điều kiện pha chỉ thỏa mãn khi thạch anh tương đương một điện cảm tại tần số dao động nghĩa là:

fp >fdd >fq

Lúc đó ta có mạch ba điểm điện cảm, khi đó:

k k ch

dd

C L 2

1 f

f

π

=

< (3-30)

q

CS

Hình 3-9b: Một biện pháp để thay đổi tần số cộng hưởng riêng của thạch anh

R1

R2

RC

RE

+EC

CE

C1

C2

q

CS

(a)

C

R2

3

R1

3

RE

3

Lk

CK

+EC (b)

Hình 3-10: Mạch tạo dao động thạch anh với tần số cộng hưởng song song

q

98

Ở hình 3-11 là mạch tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp Ở đây thạch anh được mắc trong mạch hồi tiếp và đóng vai trò như một phần tử ghép có tính chất chọn lọc đối với tần số

Khi tần số dao động fdd ≈ thì trở kháng thạch anh fq Zq = do đó hạ áp trên thạch 0 anh nhỏ làm cho điện áp về cực gốc tăng, mạch có dao động với tần số dao động fdd = fq

3.7 MẠCH TẠO TÍN HIỆU SIN KIỂU XẤP XỈ TUYẾN TÍNH

Trong máy tạo sóng đa chức

năng (máy tạo hàm) nó đồng thời

tạo ra tín hiệu xung vuông, xung

tam giác và tín hiệu sin Để nhận

được tín hiệu hình sin từ xung tam

giác, có bộ biến đổi "xung tam

giác - hình sin’’ dựng phương

pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính

hoặc không tuyến tính Phương

pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính

chia hình sin thành 4n phần nhỏ và

thay thế mỗi phần bằng một đoạn thẳng có độ nghiêng khác nhau như ở hình 3-12

Số n càng lớn thì độ chính xác càng cao và hệ số méo hình sin nhận được càng nhỏ Một trong những sơ đồ thực hiện phương pháp này được mô tả trên hình 3-13 ở đây n = 6 Các điôt D1÷ D10 ở trạng thái ban đầu là tắt bằng các mức điện áp cho trước

⎜±U1⎜< <⎜±U5⎜<UˆV Trong đó UˆV là biên độ xung tam giác ở lối vào

Hình 3-12: Xấp xỉ dạng hình sin bằng 4n những đoạn

thẳng có góc nghiêng thay đổi

CS q M

R1

R2

*

+EC

Hình 3-11: Mach tạo dao động sin có

thạch anh với tần số cộng hưởng nối

tiếp

+U1 +U2 +U3 +U4 +U5

D1 D3 D5 D7 D9

D2 D4 D6 D8 D10

R1 R2 R3 R4 R5

R0

UV

+

_

-U1 -U2 -U3 -U4 -U5

Ur