TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH LỌC TƯƠNG TỰ CÓ BĂNG THÔNG HOẠT ĐỘNG TỪ 10 KHZ ĐẾN 12 KHZ Giảng viên hướng dẫn Nhóm s.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH LỌC TƯƠNG TỰ CĨ BĂNG THƠNG HOẠT ĐỘNG TỪ 10 KHZ ĐẾN 12 KHZ Giảng viên hướng dẫn: Nhóm sinh viên: Danh sách thành viên: Nguyễn Đăng Thế Anh Đinh Mạnh Toản Đoàn Quang Thịnh PGS.TS Nguyễn Văn Đức Nhóm 20172405 20172857 20172835 Hà Nội, 12-2021 LỜI NÓI ĐẦU Thế giới ngày phát triển, đặc biệt lĩnh vực khoa học công nghệ để đáp ứng nhu cầu ngày cao người Một thành tựu khoa học áp dụng phổ biến hệ thống truyền phát, trao đổi thông tin Hệ thống thông tin hệ thống xây dựng lên nhằm mục đích truyền tin tức từ bên phát đến bên thu Tin tức hệ thống truyền thông tin có dải tần số đa dạng tương ứng với ứng dụng cụ thể Trong hệ thống truyền phát thơng tin có nhiều phận khác nhau, phận đóng vai trịng quan trọng phải kể đến lọc thơng dải (cho qua dải tần số đó) Mạch lọc tương tự gồm mạch lọc thụ động mạch lọc tích cực Trong đề tài ta muốn lọc dải tần số từ 10 – 12 (KHz) nên ta chọn mạch lọc tích cực ưu điểm vượt trội so với mạch lọc thụ động Trong mạch lọc tích cực gồm nhiều loại, để lọc dải băng thơng u cầu ta cần sử dụng mạch lọc thông dải băng hẹp (hay mạch lọc thông dải đa hổi tiếp) Để nắm rõ cách thức hoạt động cách thiết kế lọc thơng dải băng hẹp, nhóm chúng em định thực đề tài thiết kế mô lọc thông dải băng hẹp dải 10 – 12 (KHz) Qua đây, nhóm chúng em muốn gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Văn Đức tận tình hướng dẫn chúng em hồn thành đề tài MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH LỌC TƯƠNG TỰ Mạch lọc tần số Mạch lọc tần số mạch chọn lọc lấy tín hiệu hay số khoảng tần số cịn tín hiệu tần số khác bị loại trừ Các lọc ứng dụng rộng rãi hệ thống viễn thông truyền dẫn liệu Bộ lọc dùng để lọc nhiễu, chia tách kênh hệ thống ghép kênh, lựa chọn dải thông, lọc bỏ hài không cần thiết Nếu phân chia theo dải tần số có loại mạch lọc sau: - Mạch lọc thông thấp - Mạch lọc thông cao - Mạch lọc thông dải - Mạch lọc chặn dải - Mạch lọc pha Khi biểu diễn mạch lọc tần số thơng qua hệ số truyền đạt điện áp nói mạch lọc lý tưởng mạng cực có hệ số truyền đạt K = dải thơng K = ngồi dải thơng Nghĩa mạch lọc lý tưởng không gây suy giảm tín hiệu dải thơng triệt tiêu hồn tồn tín hiệu ngồi dải thơng, mạch có vùng chuyển tiếp thẳng đứng khơng gây dịch pha tín hiệu • Mạch lọc thông thấp Mạch lọc thông thấp cho qua tần số từ tới fc chặn tất tần số từ fc trở lên fc gọi tần số cắt mạch • Mạch lọc thông cao Mạch lọc thông cao chặn tất tần số từ tới fc cho qua tất tần số từ tần số cắt fc trở • Mạch lọc thơng dải Mạch lọc thơng dải cho qua tần số nằm khoảng từ f1 tới f2 chặn tất tần số nằm ngồi dải Độ rộng dải thơng tính B = f2 – f1 , tần số trung tâm fo = f1 f • Mạch lọc chặn dải Mạch lọc chặn dải cho qua tần số nằm khoảng nhỏ f1 lớn f2, chặn tất tần số nằm khoảng (f2 – f1) Độ rộng dải chặn tính B = f2 – f1 • Mạch lọc pha Mạch lọc pha khơng có dải chặn, cho qua tất tần số đầu vào đầu có dịch pha Mạch lọc thụ động Mạch lọc thụ động mạch chứa phần tử thụ động R, L, C mà phần tử tích cực BJT hay KĐTT Mạch lọc thụ động đơn giản xây dựng từ khâu RC Hình 1.1 mạch lọc thụ động thông thấp thông cao Các mạch lọc phần tử để tạo mạch lọc phức tạp Hình 1 Mạch lọc thơng cao (a) thơng thấp (b) Để tính tần số cắt mạch lọc dùng công thức chia áp, với mạch lọc thơng cao hình (a) ta có: Tần số cắt xác định biên độ tín hiệu giảm 3dB hay 1/ số cắt có R=Xc nên có: lần Tại tần R = Xc = Do có tần số cắt mạch: Làm tương tự ta có tần số cắt mạch lọc thơng thấp Với mạch lọc bậc ta cần ý điểm sau: - Khi kết nối liên tiếp khâu lọc thành chuỗi dẫn đến đáp ứng tần số, độ dốc đặc tuyến tần số tăng thêm 20dB/D khâu lọc - Tín hiệu vào lọc thông thấp thông cao lệch pha Mạch lọc thụ động có hệ số truyền đạt K(w)1MHz) khu vực tần số thấp mạch có kết cấu nặng nề hệ số phẩm chất giảm Một số mạch lọc thụ động thường gặp đặc tuyến truyền đạt chúng: Hình Một số mạch lọc thụ động thường gặp Mạch lọc tích cực Mạch lọc thụ động RLC có độ suy giảm lớn, cơng kềnh khó chế tạo dạng IC dải tần thấp Với tần số nhỏ vài trăm KHz thường dùng mạch lọc RC kết hợp với phần tử tích cực (BJT, Op-Amp) gọi mạch lọc tích cực Mạch lọc tích cực có ưu điểm so với mạch lọc thụ động như: - Linh hoạt xây dựng thiết kế - Sử dụng tốt dải tần thấp khơng có cuộn cảm nên kinh tế gọn nhẹ - Các ứng dụng tần số thấp tới 1Hz - Trở kháng vào lớn trở kháng nhỏ nên có chức làm đệm - Có khả khuếch đại nên tín hiệu vào không bị suy giảm mạch lọc thụ động - Dễ điều chỉnh mạch lọc thụ động 3.1 Mạch lọc thông thấp bậc - Dạng mạch sau: Hình Mạch lọc thơng thấp bậc Vi tìn hiệu vào có tần số f Tổng trở hồi tiếp: Độ lợi mạch: AV = Vậy hệ số khuếch đại điện áp mạch R2 R1 | K u |= = + jω.C.R2 R2 R1 jω 1+ ω0 với - Nhận xét: + Khi ω cịn thấp |Ku| ≈ R2 / R1 + Khi tần số lên cao |Ku| giảm dần mạch lọc thông thấp + Tần số cắt tần số |K u| giảm √2 lần Nhìn vào cơng thức ta có tần số fc = cắt: 2πR2 C + Nếu chọn R1 = R2 |K0| = + Để thiết kế mạch ta làm bước sau: B1: Chọn tần số cắt B2: Chọn giá trị tụ C B3: Tính giá trị R từ công thức tần số cắt - Ngồi cịn dùng mạch sau để làm mạch lọc thông thấp bậc Đây mạch khuếch đại khơng đảo khơng có điện trở nối đất đầu vào (cửa đảo) nên hệ số khuếch đại +1 Thường chọn R f =R để giảm dòng lệch khơng Hình Mạch lọc thơng thấp bậc khuếch đại khơng đảo Do đó: Tại tần số cắt ta có: Đặc tuyến biên độ tần số 3.2 Mạch lọc thông cao bậc Dạng mạch sau: Hình Mạch lọc thơng cao bậc Nhận xét: - Hệ số khuếch đại áp mạch tăng tần số tăng - Tần số cắt ωC tần số Ku giảm √2 lần Dựa vào cơng thức ta tìm được: - Có thể dùng mạch sau: Hình Mạch lọc thông cao bậc khác Độ lợi: Tần số cắt đó: hay Trong thiết kế ta thực bước: Chọn tần số cắt Chọn 0.001uF < C < 0.1uF Tính Chọn 3.3 Mạch lọc thơng dải Mạch lọc thơng dải mạch mà tín hiệu đầu có dải tần giới hạn tồn dải tần tín hiệu đầu vào Có dạng sơ đồ mạch lọc thông dải bản: Thông dải băng rộng thông dải băng hẹp Giá trị hệ số phẩm chất đại lượng cho tính chọn lọc mạch lọc, Q cao, tính chọn lọc dải tần cao Nếu giá trị hệ số phẩm chất nhỏ 10 (Q10) lọc băng thơng hẹp Hình Đáp ứng tần số mạch lọc thông dải Mạch lọc thông dải băng rộng - Để tạo mạch thông dải băng thông rộng thường dùng mạch lọc thông cao thông thấp mắc nối tiếp với phải thoả mãn điều kiện tần số cắt ω2 mạch lọc thông thấp phải lớn tần số cắt ω1 mạch lọc thơng cao - Có thể sử dụng dạng mạch sau Hình Mạch lọc thơng dải băng rộng Hệ số phẩm chất: Q = với , BandWidth= fH - fL Khối thông cao: Khối thông thấp: Đáp ứng tần số: Hình Đáp ứng tần số mạch lọc thông dải băng rộng Mạch lọc thông dải băng hẹp Nếu giá trị hệ số chất lượng lớn 10 (Q>10) băng thơng hẹp băng thơng băng thông nhỏ Bộ lọc thông dải gọi Bộ lọc thơng dải hẹp Nó sử dụng thành phần hoạt động (op-amp) thay hai thành phần op-amp cấu hình đảo ngược Trong lọc này, độ lợi op-amp cực đại tần số trung tâm fc Nó bao gồm hai đường phản hồi, nhiều đường phản hồi nên cịn gọi 'Mạch thơng dải đa phản hồi' Giá trị hệ số chất lượng tăng tối đa lên đến 20 Có thể sử dụng dạng mạch sau: Hình 10 Mạch lọc thơng dải băng hẹp C1 = C2 = C Q = fc/Bandwidth R1 = R2 = R3 = Af = Điều kiện: Af < 2Q2 Trong đó: fc : tần số trung tâm C: tụ điện Q: hệ số phẩm chất Af : Hệ số khuếch đại lớn Đáp ứng tần số: Hình 11 Đáp ứng tần số mạch lọc thông dải băng hẹp CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT MẠCH LỌC THÔNG DẢI BĂNG RỘNG 10 – 12 (KHZ) ● Thiết kế mạch lọc tương tự dải từ 10-12KHz dải ta chọn mạch lọc tích cực với ưu điểm vượt trội ● Từ dải tần hoạt động ta có fL = 10KHz, fH = 12KHz, ● BandWidth= fH - fL = 2KHZ ● Tần số trung tâm: ● Hệ số phẩm chất Q = Q = = 5.5 < 10 Ta chọn mạch lọc thơng dải tích cực băng rộng để thực yêu cầu đề tài Ta lựa chọn sơ đồ mạch đơn giản: ghép nối lọc thông cao thông thấp để tạo thành Khối thông cao: Khối thông thấp: CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH LỌC THÔNG DẢI BĂNG RỘNG 10 – 12 (KHZ) Thiết kế Bộ lọc thông cao Chọn C = 0.047uF R = 338.8 ohm Bộ lọc thông thấp Chọn = 0.01uF R’ = 1327 ohm Mô Sử dụng phần mềm NI Multisim để mô đánh giá kết Hình Mơ mạch lọc thơng dải Multisim Kết Hình Kết mơ mạch Hình 3 Kết mơ mạch từ bảng số liệu KẾT LUẬN Bộ lọc thông dải thành phần thiếu hệ thống thông tin Bộ lọc đảm bảo thông tin phát thu dải tần định, bước quan trọng để giảm nhiễu thành phần tần số khác tiết kiệm lượng Phần tìm hiểu thiết kế mạch lọc thơng dải giúp nhóm chúng em tiếp nhận thêm kiến thức, đặc biệt biết thiết kế mơ đặc tính quan trọng mạch lọc thông dải Chắc hẳn phần tìm hiểu nhóm em cịn hạn chế thiếu sót, mong góp ý từ Thầy để chúng em hoàn thiện đề tài Một lần nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy! TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kĩ thuật mạch điện tử (Phạm Minh Hà) [2] https://www.electronicshub.org/active-band-pass-filter/#Narrow_Band_Pass_Filter [3] https://www.changpuak.ch/electronics/Narrow_Bandpass_2.php [4] https://www.slideshare.net/trongthuy3/luan-van-nghien-cuu-thiet-ke-cac-mach-loctuong-tu-hot ... khuếch đại lớn Đáp ứng tần số: Hình 11 Đáp ứng tần số mạch lọc thông dải băng hẹp CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT MẠCH LỌC THÔNG DẢI BĂNG RỘNG 10 – 12 (KHZ) ● Thiết kế mạch lọc tương tự dải từ 10- 1 2KHz dải... Mạch lọc tương tự gồm mạch lọc thụ động mạch lọc tích cực Trong đề tài ta muốn lọc dải tần số từ 10 – 12 (KHz) nên ta chọn mạch lọc tích cực ưu điểm vượt trội so với mạch lọc thụ động Trong mạch. .. (Q 10) lọc băng thơng hẹp Hình Đáp ứng tần số mạch lọc thông dải Mạch lọc thông dải băng rộng - Để tạo mạch thông dải băng thông rộng thường dùng mạch