BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài: MÔ PHỎNG BỘ TẠO DAO ĐỘNG TẦN SỐ FM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài MÔ PHỎNG BỘ TẠO DAO ĐỘNG TẦN SỐ FM Nhóm sinh viên thực hiện NGÔ THẾ QUÂN 20172768 ĐTVT 05 K62 116. LỜI NÓI ĐẦU Trong thời kì hội nhập ngày nay, để có thể bắt kịp các nước phát triển và vươn lên, Việt Nam cần một đội ngũ kỹ sư lành nghề, có hiểu biết sâu rộng và có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp. Trong hoàn cảnh công nghệ hiện đại ngày càng được sử dụng rộng rãi trong đời sống, việc sử dụng nhuần nhuyễn công nghệ như là một công cụ để học tập và làm việc là ưu tiên hàng đầu. Tuy nhiên, là sinh viên thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội, khoa Điện tử viễn thông, chúng em không những cần học cách sử dụng các thành tựu công nghệ của thế giới như một công cụ sao cho hiệu quả mà còn cần phải hiểu rõ cách mà chúng hoạt động, tìm hiểu các thành phần từ những bộ phận nhỏ nhất, nhằm có thể tối ưu hóa, cải tiến chúng, tăng năng suất, góp phần đẩy mạnh cuộc cách mạng khoa học công nghệ. Trong các hệ thống viễn thông, bộ tạo dao động là thành phần cốt lõi không thể thiếu. Bộ tạo dao động thường được sử dụng để tạo sóng mang, một dạng sóng (thường là sóng hình sin) được điều biến với một tín hiệu nhập liệu (còn gọi là sóng điều biến) nhằm mục đích chuyển vận thông tin. Sóng tải thường có tần số cao hơn so với tần số của tín hiệu mà nó truyền tải. Chức năng của sóng tải thường là dùng để truyền các thông tin xuyên qua không gian như là một sóng điện từ (ví dụ như liên lạc bằng sóng vô tuyến) hay là cho phép vài sóng tải tần số khác nhau có thể chia sẻ chung một môi trường phát sóng vật lý bằng phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số. Ở bài tập này, chúng em quyết định chọn đề tài mô phỏng công nghệ điều chế tần số (Frequency Modulation FM). Qua quá trình học tập, nghiên cứu để thực hiện bài tập lớn này, chúng em không những nắm bắt được những kiến thức cơ bản về cách thức hoạt động mạch tạo dao động LC cơ bản, hoàn thiện và hiểu kĩ hơn về kiến thức đã được học ở trên lớp, nhất là 2 môn Điện tử tương tự I và Điện tử tương tự II, mà chúng em còn hiểu rõ hơn vai trò của bản thân mình đối với cuộc cách mạng công nghệ đang diễn ra và được đẩy mạnh hơn bao giờ hết. Đây chính là một trong những động lực để chúng em ra sức học tập và đóng góp vào cuộc cách mạng cộng nghệ của đất nước và thế giới. Qua đây nhóm chúng em xin phép bày tỏ lòng biết ơn đến sự dạy dỗ và chỉ bảo của thầy Nguyễn Anh Quang, người trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ chúng em họchỏi và tìm hiểu để có thể hoàn thành bài tập lớn này. Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài: MÔ PHỎNG BỘ TẠO DAO ĐỘNG TẦN SỐ FM Nhóm sinh viên thực hiện: NGƠ THẾ QUÂN 20172768 ĐTVT.05-K62 Email: thequan1510@gmail.com 116280 Số điện thoại 0829216760 ĐỖ TRƯỜNG GIANG 20172524 ĐTVT.07-K62 116280 BÙI VÂN ANH 20172412 ĐTVT.06-K62 116280 VŨ THỊ MINH PHƯƠNG 20172757 ĐTVT.05-K62 116280 CHU MINH PHƯỢNG ĐTVT.05-K62 116280 20170032 Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN ANH QUANG Hà Nội, 6-2020 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời kì hội nhập ngày nay, để bắt kịp nước phát triển vươn lên, Việt Nam cần đội ngũ kỹ sư lành nghề, có hiểu biết sâu rộng có khả giải vấn đề phức tạp Trong hồn cảnh cơng nghệ đại ngày sử dụng rộng rãi đời sống, việc sử dụng nhuần nhuyễn công nghệ công cụ để học tập làm việc ưu tiên hàng đầu Tuy nhiên, sinh viên thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội, khoa Điện tử viễn thông, chúng em cần học cách sử dụng thành tựu công nghệ giới cơng cụ cho hiệu mà cịn cần phải hiểu rõ cách mà chúng hoạt động, tìm hiểu thành phần từ phận nhỏ nhất, nhằm tối ưu hóa, cải tiến chúng, tăng suất, góp phần đẩy mạnh cách mạng khoa học công nghệ Trong hệ thống viễn thông, tạo dao động thành phần cốt lõi thiếu Bộ tạo dao động thường sử dụng để tạo sóng mang, dạng sóng (thường sóng hình sin) điều biến với tín hiệu nhập liệu (cịn gọi sóng điều biến) nhằm mục đích chuyển vận thơng tin Sóng tải thường có tần số cao so với tần số tín hiệu mà truyền tải Chức sóng tải thường dùng để truyền thông tin xuyên qua không gian sóng điện từ (ví dụ liên lạc sóng vơ tuyến) cho phép vài sóng tải tần số khác chia sẻ chung mơi trường phát sóng vật lý phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số Ở tập này, chúng em định chọn đề tài mô công nghệ điều chế tần số (Frequency Modulation - FM) Qua trình học tập, nghiên cứu để thực tập lớn này, chúng em nắm bắt kiến thức cách thức hoạt động mạch tạo dao động LC bản, hoàn thiện hiểu kĩ kiến thức học lớp, môn Điện tử tương tự I Điện tử tương tự II, mà chúng em cịn hiểu rõ vai trị thân cách mạng công nghệ diễn đẩy mạnh hết Đây động lực để chúng em sức học tập đóng góp vào cách mạng cộng nghệ đất nước giới Qua nhóm chúng em xin phép bày tỏ lịng biết ơn đến dạy dỗ bảo thầy Nguyễn Anh Quang, người trực tiếp hướng dẫn, bảo giúp đỡ chúng em học hỏi tìm hiểu để hồn thành tập lớn Chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC HÌNH VẼ ii CHƯƠNG TÓM TẮT CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Dao động điều hoà 1.1.1 Nguyên lý mạch tự dao động 1.1.2 Điều kiện dao động điều hoà 1.2 Mạch dao động LC 1.2.1 Mơ hình mạch cộng hưởng LC điểm 1.2.2 Mạch dao động Hartley CHƯƠNG SƠ LƯỢC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ADVANCED DESIGN SYSTEM 2.1 Sơ lược phần mềm Advanced Design System 2.2 Các tính 2.3 Giao diện phần mềm CHƯƠNG MÔ PHỎNG BỘ TẠO DAO ĐỘNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS 10 3.1 Thiết kế tạo dao động 10 3.2 Ghép nối hồi tiếp liên kết với thành phần mô 13 3.3 Kết mô 14 KẾT LUẬN 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADS Advanced Design System PDK Process Design Kit AC Alternating Current DC Direct Current LO Local Oscillator HB Harmonic Balance i DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hoá mạch tự dao động Hình 1.2 Dao động hình sin Hình 1.3 Mơ hình mạch cộng hưởng LC điểm Hình 1.4 Mạch dao động Hartley Hình 2.1 Giao diện khởi động Hình 2.2 Giao diện thiết kế sơ đồ mạch điện Hình 2.3 Giao diện kết mô Hình 3.1 Sơ đồ chi tiết tạo dao động 11 Hình 3.2 Các thơng số BJT sử dụng mô 12 Hình 3.3 Kí hiệu tạo dao động 13 Hình 3.4 Ghép nối khối liên kết với thành phần mô 13 Hình 3.5 Tín hiệu tạo mạch tạo dao động 14 ii CHƯƠNG TÓM TẮT CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mạch tạo dao động mạch điện tử quan trọng kỹ thuật điện tử Các dao động tạo từ mạch tự dao động đơn giản, từ vi mạch chuyên dụng, từ mạch tổng hợp, từ mạch phát hàm kết hợp phần cứng xử lý lập trình Mạch tạo dao động dùng để tạo dao động điện có hình dạng, biên độ tần số xác định Các dao động điện tạo dùng nguồn tín hiệu thử nghiệm, tín hiệu tải tin, tín hiệu điều khiển, nguồn lượng cao tần,… Các dao động có dạng sóng sin, sóng vng, sóng tam giác, sóng cưa Những sóng qua mạch biến đổi nhận dạng sóng đặc biệt khác Ở tập lớn này, nhóm chúng em tập trung vào dao động hình sin 1.1 Dao động điều hoà 1.1.1 Nguyên lý mạch tự dao động Một hệ thống mạch gồm có Khối khuếch đại Khối hồi tiếp phát sinh dao động, nguyên lý mạch tự dao động Sơ đồ khối đơn giản hoá mạch tự dạo động: Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hố mạch tự dao động Hình 1.1 mơ tả mạch tự dao động, gồm có: − Khối khuếch đại với hệ số khuếch đại 𝐾, hệ số góc 𝜙𝐾 − Khối hồi tiếp với hệ số truyền đạt 𝐾𝑓𝑏 , hệ số góc 𝜙𝑓𝑏 Điều kiện để có dao động điều hoà [1]: − Điều kiện cân biên: |𝐾| |𝐾𝑓𝑏 | = (1) 𝜙𝐾 + 𝜙𝑓𝑏 = ℎ𝑜ặ𝑐 2𝜋 (2) − Điều kiện cân pha: Phương trình (1) thể điều kiện biên độ: Tích độ lớn hệ số khuếch đại vịng kín phải Phương trình (2) thể điều kiện pha: Tổng dịch pha vịng kín phải 360 độ 1.1.2 Điều kiện dao động điều hồ Dao động điều hồ dao động hình sin, sử dụng để làm sóng mang hệ thống thơng tin Hình 1.2 Dao động hình sin Ngồi hai điều kiện mạch tự dao động phương trình (1) (2), dao động gọi điều hồ dao động tần số Mạch hồi tiếp có đặc tính chọn lọc tần số hay tần số dao động mạch hồi tiếp định Trong lĩnh vực tần số thấp, mạch hồi tiếp mạch RC đặc biệt mạch cầu Wien, mạch dịch pha, mạch cầu T kép,… Trong lĩnh vực tần số cao, mạch hồi tiếp mạch cộng hưởng LC: mạch điểm điện cảm, mạch điểm điện dung mạch cộng hưởng Quartz Mạch hồi tiếp có hệ số phẩm chất Q lớn, đặc tính pha dốc tần số dao động ổn định 1.2 Mạch dao động LC Mạch tạo dao động LC gồm có khuếch đại mạch cộng hưởng LC vai trò mạch hồi tiếp xác định tần số dao động Mạch dao động LC sử dụng lĩnh vực tần số cao kích thước nhỏ độ dốc pha tần vùng cộng hưởng lớn Các mạch dao động LC tạo sóng hình sin điển hình là: Mạch dao động Meissner, Mạch dao động Hartley Mạch dao động Colpitts [1] Trong tập lớn này, nhóm chúng em định sử dụng Mạch dao động Hartley 1.2.1 Mơ hình mạch cộng hưởng LC điểm Hình 1.3 Mơ hình mạch cộng hưởng LC điểm Hình 1.3 mơ tả mạch cộng hưởng LC điểm, 𝑍1 , 𝑍2 , 𝑍3 phải L C − 𝑍𝑖 cuộn cảm L: 𝑍𝐿 = 𝑗𝜔𝐿 = 𝑗 𝑌𝐿 − 𝑍𝑖 điện dung C: 𝑍𝐶 = 𝑗𝜔𝐶 = 𝑗 𝑌𝐶 − Nếu 𝑍𝑖 C L ⇒ 𝑍𝑖 = 𝑗 𝑌𝑖 − Trở kháng mạch 𝑍 = (𝑍1 𝑛𝑡 𝑍1 )// 𝑍3 = (𝑍1 +𝑍2 ).𝑍3 𝑍1 +𝑍2 +𝑍3 • 𝑍 = ∞ hay 𝑌1 + 𝑌2 + 𝑌3 = ⟹ Ta tìm tần số 𝑓0 tần số cộng hưởng song song • 𝐾𝑓𝑏 = 𝑈𝑓𝑏 𝑈𝑜𝑢𝑡 = 𝑍2 𝑍1 +𝑍2 = 𝑌2 𝑌1 +𝑌2 =− 𝑌2 𝑌3 1.2.2 Mạch dao động Hartley Mạch dao động Hartley mạch cộng hưởng LC điểm 𝑍1 𝑍2 điện cảm, 𝑍3 điện dung Hình 1.4 Mạch dao động Hartley Tần số cộng hưởng mạch Hartley: 𝑓0 = 2𝜋 √𝐶3 ∗ (𝐿1 + 𝐿2 ) CHƯƠNG SƠ LƯỢC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ADVANCED DESIGN SYSTEM Advanced Design System phần mềm mạnh mẽ, hỗ trợ đầy đủ cho nhu cầu mô từ mạch học môn học Điện tử tương tự II hệ thống tương tự, hệ thống viễn thông lớn Ở phần này, chúng em giới thiệu sơ lược phần mềm Advanced Design System, tính giao diện người dùng phần mềm Việc sử dụng phần mềm để mô Bộ tạo dao động LO CHƯƠNG mô tả đầy đủ CHƯƠNG 2.1 Sơ lược phần mềm Advanced Design System Advanced Design System (ADS) tên đầy đủ Keysight Advanced Design System, hệ thống phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử thiết kế phát triển Keysight EEsof EDA, phận công ty Keysight Technologies [2] ADS hỗ trợ chút cho trình thiết kế [2] - từ thiết kế sơ đồ mạch điện, thiết kế bố cục linh kiện, từ mô mạch miền tần số đến miền thời gian, mô trường điện từ, … nhằm hỗ trợ người kĩ sư mô tả tối ưu hệ thống RF mà khơng cần phải thay đổi phần mềm Đó lý mà ADS coi phần mềm thiết kế điện tử hàng đầu giới, dành cho ứng dụng RF, lị vi sóng truyền thơng tin tốc độ cao Ngồi ADS cịn tiên phong công nghệ mô nhiệt - 3DEM, sử dụng công ty hàng đầu ngành công nghiệp lượng, truyền thông không dây, mạng tốc độ cao, hàng không vũ trụ, ô tô ngành lượng Đối với thiết kế cung cấp lượng chuyển đổi tốc độ cao 5G, hệ thống IoT nhiều Gigabit, radar, vệ tinh tốc độ cao Keysight ADS cung cấp môi trường mô xác minh tích hợp, phù hợp để thiết kế phần cứng hiệu suất cao, tuân thủ kỹ thuật số quân không dây, tốc độ cao tiêu chuẩn Do độ phức tạp lớn, hỗ trợ nhiều tính năng, phần mềm yêu cầu hệ thống mạnh mẽ nhiều so với phần mềm mô mạch điện hay thiết kế mạch truyền thống khác Để sử dụng phần mềm cần tối thiểu có máy tính sử dụng Window trở lên (64 bit), vi xử lý có xung nhịp 1.66Ghz, cấu trúc x86 bốn lõi, 4GB Ram, đồng thời hình phải có độ phân giải tối thiểu 1024x768 2.2 Các tính ADS cung cấp đầy đủ tính mà kĩ sư điện tử cần sử dụng, tất đóng gói phần mềm Một số tính kể đến là: − Bố trí hồn thành sơ đồ mạch điện − Mơ hệ thống mạch sáng tạo công nghiệp hàng đầu − Truy cập trực tiếp, tự nhiên vào máy bay 3D giải trường EM 3D đầy đủ − Số lượng lớn dụng cụ thiết kế quy trình (Process Design Kit - PDK) phát triển trì đối tác cơng nghiệp xưởng đúc hàng đầu − Tối ưu hóa Buồng lái để phản hồi kiểm soát thời gian thực − Tạo mơ hình tham số X từ sơ đồ mạch NVNA Keysight cho thiết kế tần số cao phi tuyến − Thư viện không dây cho phép thiết kế xác minh tiêu chuẩn không dây − Phân tích mơ số mạch AC DC − Có khả tính tốn tất loại tiếng ồn nhiệt tuyến tính − Có khả phân tích khuếch đại lớn − Mô cân hài (Harmonic Balance - HB) − Phân tích mơ thơng số S − Điều chỉnh mạch điện tử − Truyền phần tử mạch đến cửa sổ sơ đồ − Thiết kế tối ưu hóa lọc dừng băng tần − Thiết kế lọc analog kỹ thuật số − Tính toán tham số tán xạ MOSFET − Làm việc với biểu đồ Smith Ngồi ra, ADS cịn hỗ trợ nhiều tính khác phức tạp Trong đó, giới hạn thời gian đề tài, chúng em dừng lại việc tìm hiểu số chức mà áp dụng trực tiếp vào đề tài như: Bố trí hồn thành sơ đồ mạch điện, Mơ cân hài Chi tiết việc sử dụng chức mô tả chi tiết CHƯƠNG 2.3 Giao diện phần mềm Do hỗ trợ nhiều chức khác nhau, giao diện phần mềm bao gồm nhiều giao diện nhằm giúp người dùng tương tác với chức riêng biệt, hỗ trợ thiết kế khối hệ thống lớn, … Dưới chúng em mô tả số giao diện Hình 2.1 Giao diện khởi động Từ giao diện khởi động Hình 2.1, ta truy cập vào tập tin Dự án (Project) tại, bao gồm sơ đồ mạch điện, tạo Kí hiệu (Symbol) linh kiện mới, biểu đồ sau mơ Từ giao diện này, ta tạo Dự án mới, tạo tập tin thư mục mạch điện đây, sơ đồ mạch điện kèm với Kí hiệu mơ tả mạch điện để sử dụng sơ đồ khác Biểu đồ mô tạo ta chạy mơ giao diện Hình 2.2, có tên giống với tên tập tin sơ đồ mạch điện Hình 2.2 Giao diện thiết kế sơ đồ mạch điện Hình 2.2 mơ tả giao diện làm việc phần mềm ADS, giao diện sơ đồ mạch điện Đây nơi ta thiết kế mạch điện sử dụng mô phỏng, hay thiết kế sơ đồ mạch điện kèm với kí hiệu Từ giao diện này, ta mở thêm nhiều cửa sổ nhằm tìm kiếm linh kiện điện tử bản, mô-đun thường dùng mạch tương tự, hệ thống viễn thông hay mô-đun mô từ thư viện có sẵn Ngồi ta tự tạo mơ-đun riêng thiết kế Kí hiệu để sử dụng hệ thống lớn Đối với sơ đồ mạch điện có thành phần mơ phỏng, ta sử dụng chức mơ giao diện (hình Bánh cưa công cụ) để tiến hành mô chuyển đến giao diện kết mơ Hình 2.3 Hình 2.3 Giao diện kết mơ Ở giao diện này, ta hiển thị đồ thị kết mơ phỏng, biểu diễn phương trình cần thiết thơng qua chức Equation Đồ thị Hình 2.3 mơ tả điện áp Output theo miền thời gian Ngồi giao diện này, có số giao diện thiết kế khác nằm phạm vi tập lớn nên em không mô tả Thầy bạn đọc tìm hiểu trang chủ Keysight EEsof EDA thông qua phần Trợ giúp (Help) phần mềm CHƯƠNG MÔ PHỎNG BỘ TẠO DAO ĐỘNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS Ở phần này, chúng em sử dụng chức thiết kế sơ đồ mạch điện, với linh kiện điện tử thư viện mơ có sẵn phần mềm ADS Bộ mô Cân hài, đồng thời kết hợp với sở lý thuyết nhằm thiết kế mạch tạo dao động theo đề tài giao 3.1 Thiết kế tạo dao động Do tạo dao động phức tạp, chúng em định tách riêng tạo dao động sau nối hồi tiếp, đồng thời ghép nối với mơ Cân hài 3.2 Hình 3.1 mơ tả chi tiết khối khuyếch đại, giá trị linh kiện Điện trở R, Tụ điện C, Cuộn cảm L (cùng với nội trở) ghi rõ sơ đồ dễ dàng thay đổi trước thực mô Các thông số BJT NPN đặt thay đổi thơng qua mơ hình BJT Hình 3.2 Trong tham số để trống tham số mang giá trị mặc định phần mềm ADS quy định 10 Hình 3.1 Sơ đồ chi tiết tạo dao động 11 Hình 3.2 Các thông số BJT sử dụng mô Khối khuếch đại: BJT phân cực phân áp, B chung ⟹ Khuếch đại thuận − Chế độ làm việc chiều: 𝑈𝐵 − 𝑈𝐵𝐸0 𝐼𝐶0 = 𝑅𝐸 𝑉𝐷𝐶 𝑅1 𝑈𝐵0 = 𝑅1 𝑅2 𝑈𝐶𝐸0 = 𝑉𝐷𝐶 − 𝐼𝐶0 𝑅3 − Chế độ làm việc xoay chiều: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = −𝐼𝐶 𝑅3 𝑉𝑖𝑛 = −𝐼𝐶 𝑟𝑒 − 𝐼𝐵 (𝑅1 //𝑅2 ) = −𝐼𝑐 𝑟𝑒 − 𝐾= 𝐼𝑐 (𝑅 //𝑅2 ) 𝛽 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑅3 = 𝑅 //𝑅2 𝑉𝑖𝑛 𝑟𝑒 + 𝛽 Dựa vào số liệu Hình 3.1 ta tính hệ số khuếch đại K = 20 12 ... phần mô 13 Hình 3.5 Tín hiệu tạo mạch tạo dao động 14 ii CHƯƠNG TÓM TẮT CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mạch tạo dao động mạch điện tử quan trọng kỹ thuật điện tử Các dao động tạo từ mạch tự dao động. .. tin Hình 1.2 Dao động hình sin Ngồi hai điều kiện mạch tự dao động phương trình (1) (2), dao động gọi điều hồ dao động tần số Mạch hồi tiếp có đặc tính chọn lọc tần số hay tần số dao động mạch hồi... hoạt động mạch tạo dao động LC bản, hoàn thiện hiểu kĩ kiến thức học lớp, môn Điện tử tương tự I Điện tử tương tự II, mà chúng em hiểu rõ vai trò thân cách mạng cơng nghệ diễn đẩy mạnh hết Đây động