TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO THÍ NGHIỆM GIẢI TÍCH MẠCH BÀI 4 ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ MẠCH CỘNG HƯỞNG Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Thanh Phương Sinh viên thực hiện H.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO THÍ NGHIỆM GIẢI TÍCH MẠCH BÀI 4: ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ MẠCH CỘNG HƯỞNG Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thanh Phương Sinh viên thực hiện: Họ tên MSSV Nguyễn Đạt Lý 2011596 Điểm Ngày thực thí nghiệm: 16/11/2022 Thành phố Hồ Chí Minh — 2022 Chữ kí BÀI 4: ĐÁP ỨNG TẤN SỐ VÀ MẠCH CỘNG HƯỞNG A MỤC ĐÍCH : Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu tính chất phụ thuộc tần sế mạch điện thông qua xác định đáp ứng tần số mạch, khảo sát mạch lọc thụ động tìm hiểu tượng cộng hưởng (xem thêm lý thuyết chương - giáo trình Mạch Điện I ) B ĐẶC ĐIỂM : Mạch lọc điện mạch điện có tính chất cho qua (pass) tín hiệu khoảng tần số khơng cho qua (stop) tín hiệu tần số lại Mạch lọc thụ động thiết kế từ phần tử R, L, C M Mạch lọc tích cực có tham gia phần tử nguồn, phổ biến phần tử mạch bán dẫn hay OP-AMP Có loại mạch lọc bản: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải mạch lọc chắn dải Khảo sát mạch lọc dựa tìm đáp ứng tân số mạch lọc, thường viết dạng: H(jΩ) = U´ out ´¿ U = |H ( jΩ)| ⦟ Tần số cắt (fc) mạch lọc tần số mà |H ( jΩ)| = √2 H(jΩ)|max hay tính theo độ lợi đơn vị dB -3dB so độ lợi H(jΩ)|max Cộng hưởng tượng đặc trưng tính chất thay đổi theo tần số nhánh mạch điện: áp dòng pha tần số cộng hưởng Có hai dạng cộng hưởng bản: cộng hưởng nối tiếp cộng hưởng song song Ở mạch cộng hưởng RLC nối tiếp, trị hiệu dụng điện áp phần tử kháng gần cộng hưởng lớn so với điện áp vào mạch (do mạch cộng hưởng nối tiếp gọi cộng hưởng áp) Ở mạch cộng hưởng RLC song song dịng điện qua mắc lưới LC gần cộng hưởng lớn so với dịng điện cấp cho mạch (do mạch cộng hưởng song song gọi cộng hưởng dòng ) Tại tần số cộng hưởng, biên độ tín hiệu ngõ cực đại Và khoảng tần số , mà biên độ hàm truyền đạt áp lớn √2 biên độ cực đại, gọi băng thông mạch cộng hưởng (ký hiệu BW) Dấu xảy tần số cắt mạch cộng hưởng Có hai giá trị tần số cắt : tần số cắt f (hay ω 1) bé tần số cộng hưởng tần số cắt f (hay ω ) lớn tần số cộng hưởng (xem thêm cơng thức tính tần sế cắt theo thơng số mạch chương - giáo trình Mạch Điện I) 2 Băng thông mạch cộng hưởng xác định biết tân số cắt : BW=f2 - f1 (Hz) Hay: BW= ω - ω (rad/s) Hệ số phẩm chất Q mạch cộng hưởng tính cơng thức : Q=f0/BW ; với f0 tần số cộng hưởng (BW tần số theo thứ nguyên nhau) C PHẦN THÍ NGHIỆM : I Giá trị thơng số mạch thí nghiệm: Giá trị thơng số mạch thí nghiệm thí nghiệm cho bảng sau, RL điện trở nội cuộn mơ hình nối tiếp Phần tử R, Rnt Rss C L RL II Mạch công hưởng RLC nối tiếp: Giá trị danh định kΩ 2,2 kΩ 0,047 uF (473) 100 mH 300 Ω a) Đo tần số cộng hưởng nối tiếp: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.4.1 Chỉnh máy phát sóng sin để uin ln có biên độ V, tân số chỉnh từ 1kHz đến khoảng 10kHz Xác định tần số cộng hưởng f0 uin uout pha Dao động ký cm CH2 GND Hình 1.4.1: Mạch cộng hưởng nối tiếp • Sơ đồ nối dây: CH2 CH1 ~ Kết đo được: f0 = 2,3 kHz b) Vẽ dạng Uout(f) mạch nối tiếp: Mạch thí nghiệm 1.4.1, chỉnh uin biên độ 2V, tần số thay đổi (có thể đọc tần số dùng dao động ký) Đọc biên độ uout áp điện trở dùng dao động ký thu bảng số liệu: f (Hz) Uout (V) 100 57 mV 1k 650mV Vẽ đặc tuyến Uout(f): 10k 320mV 77,2k 40mV f0 = 2,3k 1,18V c) Đo tần số cắt băng thông mạch nối tiếp: + Từ giá trị fo, giảm từ từ tần số máy phát Uout = √2 Uout(fo) Ta có: f1 = 1,5 kHz ; Uout (f1)= 0,83 V 1 + Từ giá trị fo, tăng từ từ tần số máy phát Uout = √2 Uout(fo) Ta có: f2 = 3,5 kHz ; Uout (f2)= 0,82 V + BW = f2 - f1 = kHz Q = fo/BW = 1,15 d) Thực số liệu mạch nối tiếp: • Tính tốn theo lý thuyết: f0 = π √ LC = =2,321( kHz) π √0,1.0,047 10−6 u Uout(fo)= Rnt I= Rnt Giải phương trình: √ ( R nt+ RL ) + π f L− π f C ( ) = 1,15 (V) u Rnt √ ( R nt+ RL ) + π f L− π f C ( ) = 1,15 √2 → [ f =1,507 kHz=f f =3,576 kHz=f • Bảng số liệu: Phần tử Rnt RL L C R∑ Giá trị Đại lượng Tính theo lý Đo thuyết 1k Ω fo 2,321 kHz 2,3 kHz 300 Ω f1 1,507 kHz 1,5 kHz 3,576 kHz 3,5 kHz 100 mH f2 0,047uF BW 2,069 kHz kHz 1300 Ω Ω 1,122 1,15 Với : % sai số = \ ết −đo đạc |lý thuylý thuy | ết % sai số 0,905 0,464 2,125 3,335 2,496 100% e) Đo góc lệch pha uout uin tần số cắt: Tính theo lý thuyết: Tại f1 = Góc lệch pha đo Tại f1 Tại f2 -45,9° 44,1° φ=arctan ( Z L −Z C R nt + RL ) Góc lệch pha tính theo lý thuyết Tại f1 Tại f2 -45° 45° II Mạch công hưởng RLC song song: a) Đo tần số cộng hưởng song song: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.4.1 Chỉnh máy phát sóng sin để uin ln có biên độ V, tân số chỉnh từ 1kHz đến khoảng 10kHz Xác định tần số cộng hưởng f0 uin uout pha Dao động ký CH1 CH2 GND Hình 1.4.2: Mạch cộng hưởng song song • Sơ đồ nối dây: CH2 GND CH1 ~ Kết đo được: f0 = 2,3 kHz b) Vẽ dạng Uout(f) mạch song song: Mạch thí nghiệm 1.4.1, chỉnh uin biên độ 2V, tần số thay đổi (có thể đọc tần số dùng dao động ký) Đọc biên độ uout áp điện trở dùng dao động ký thu bảng số liệu: f (Hz) Uout (V) 100 470mV 1k 680mV 10k 330mV 77,2k 70mV f0 = 2,3k 1,2V Vẽ đặc tuyến Uout(f): c) Đo tần số cắt băng thông mạch song song: + Từ giá trị f0, giảm từ từ tần số máy phát Uout= √2 Uout(fo) Ta có: f1 = 1,59 kHz ; Uout (f1)= 1,102 V + Từ giá trị f0, tăng từ từ tần số máy phát Uout= √2 U out (f 0) Ta có: f2 = 3,65 kHz ; Uout (f2)= 1,06 V + BW = f2 - fi = 2,06 kHz Q = fo/BW = 1,117 d) Thực số liệu mạch song song: • Tính tốn theo lý thuyết: f0 = 2π √ Uout(fo) = 3002 − =2,272(kHz) 0,4.0,047 10−6 0,12 2⦟0 2200 π f 0,047 10−6 = 1,526 (V) 1 + + 2200 300+ π f 0,1i −i R − L2 LC L = 2π √ Biến đổi (Rss nối tiếp Ein) thành (Rss song song Jin) 2200 (A) Dẫn nạp nhánh: Y=G+ 300 ωL + ωC− i; Với G= 2 2 Rss 300 + ( ωL ) 300 + ( ωL ) ( ) Giải phương trình: U out = U out = √( G+ J¿ 300 ωL + ωC− 2 2 300 + ( ωL ) 300 + ( ωL ) )( ) J¿ √( G+ 300 ωL + ωC− 2 300 + ( ωL ) 300 + ( ωL ) )( ) = U out ( f ) √2 • Bảng số liệu: Phần tử Rss RL L C G∑ Giá trị Đại lượng Tính theo lý thuyết 1k Ω fo 2,272 kHz 300 Ω f1 1,612 kHz 100 mH f2 3,704 kHz 0,047uF BW 2,092 kHz 1300 Ω Q 1,086 → f =1,612 kHz=f f =3,704 kHz=f [ Đo % sai số 2,3 kHz 1,59 kHz 3,65 kHz 2,06 kHz 1,117 1,23 1,36 1,46 1,53 2,855 ] e) Đo góc lệch pha uout uin tần số cắt: • Tính theo lý thuyết: Với : % sai số = ết −đo đạc |lý thuylý thuy | ết 100% Tại f1: 1 − Z ZC φ=arctan L 1 + Rss R L = 7,68 ( ) Góc lệch pha đo Tại fi Tại f2 Tại f2: 1 − Z L ZC φ=arctan 1 + Rss R L ( ) Góc lệch pha tính theo lý thuyết Tại fi Tại f2 7,68 -9,94 = -9,94 IV Mạch lọc thông thấp RC: + Thực mạch thí nghiệm Hình 1.4.3 Đưa uin vào CH1, uout vào CH2 dao động ký • Sơ đồ nối dây: CH1 ~ CH2 GND + Đáp ứng tần số mạch: H(j ω )= U´ out ´¿ U = 1+0,047 10−6 ωj + Tần số cắt (fc) mạch lọc theo thông số mạch: fc= πRC = 3386 Hz + Chỉnh máy phát sóng sin để biên độ Uin có giá trị khoảng V, tần số thay đổi từ 100 Hz đến 100 kHz, có giá trị tần số cắt (có thể đọc tần số dùng dao động ký) Đọc biên độ U out góc lệch pha Uout uin dùng dao động ký, ta có bảng số liệu: Tần số 100Hz Uin(V) 2,06 Uout(V) 2,08 20log(Uout/Uin) 0,084 (deg) -1,8° 1kHz 1,98 1,85 -0.59 -16,56° 10kHz 2,04 0,65 -10,934 -79,71° 100kHz 1,96 0,09 -30,76 -98,34° fc 2,02 1,4 -3,184 45,1° + Vẽ đặc tuyến biên độ logarithm đặc tuyến pha mạch lọc + Vẽ đặc tuyến biên độ pha theo thông số mạch dùng Bode plot + Thiết kế lọc thông thấp , dùng mạch R-C, có tần số cắt fc = 1,7 Khz, biết giá trị C = 0,047 uF fC = 1 =¿ R= =2 kω πRC 2πfCC Sơ đồ nối dây: Kết đo lại: Giá trị R Uin(V) 2k Uout(V) 1,42 20log(Uout/Uin) fc đo lại -2,97 1685 Hz % sai số 0.88 V Mạch lọc thông cao RL: + Thực mạch thí nghiệm Hình 1.4.3 Đưa uin vào CH1, uout vào CH2 dao động ký • Sơ đồ nối dây: R CH1 CH2 ~ ~ GND + Đáp ứng tần số mạch: + Tần số cắt (fc) mạch lọc theo thông số mạch: fc= = 1592 Hz + Chỉnh máy phát sóng sin để biên độ U in có giá trị khoảng V, tần số thay đổi từ 100 Hz đến 100 kHz, có giá trị tần số cắt (có thể đọc tần số dùng dao động ký) Đọc biên độ U out góc lệch pha Uout uin dùng dao động ký, ta có bảng số liệu: ... tử R, L, C M Mạch lọc tích cực có tham gia phần tử nguồn, phổ biến phần tử mạch bán dẫn hay OP-AMP Có loại mạch lọc bản: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải mạch lọc chắn... 0,0 84 (deg) -1,8° 1kHz 1,98 1,85 -0.59 -16,56° 10kHz 2, 04 0,65 -10,9 34 -79,71° 100kHz 1,96 0,09 -30,76 -98, 34? ? fc 2,02 1 ,4 -3,1 84 45,1° + Vẽ đặc tuyến biên độ logarithm đặc tuyến pha mạch. .. Tại f2 -45 ,9° 44 ,1° φ=arctan ( Z L −Z C R nt + RL ) Góc lệch pha tính theo lý thuyết Tại f1 Tại f2 -45 ° 45 ° II Mạch công hưởng RLC song song: a) Đo tần số cộng hưởng song song: Thực mạch thí