Báo cáo mạch phát FM

Báo cáo mạch phát FM Bài tập lớn môn điện tử tương tự II Thiết kế mạch phát FM thu được bằng đài radio

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, việc phát triển các thiết bị không dây đã là hướng phát triển mới và đang được chú trọng đầu tư với nhiều thành tựu đạt được không nhỏ Xu hướng này không chỉ ở các nước phát triển mà ở các nước đang phát triển cũng đã hình thành rất rõ nét Cùng với sự phát triển của các mạch tích hợp, ưu điểm của các thiết bị này là nhỏ gọn và dễ dàng trong lắp đặt, sử dụng do không phải tính toán việc đi dây, bố trí các thiết bị Có thể kể ra đây một số ứng dụng tiện ích trong gia đình mà sự thay đổi này đã đem lại sự tiện nghi, thoải mái cho con người như: điện thoại kéo dài ,chuông cửa từ xa, quạt tường có điều khiển

từ xa…

M ục Lục c L c ục Lục

PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐIỀU TẦN 3

1 Điều chế tần số (FM) : 4

a Dạng sóng U dt (t) 4

b Dạng phổ của điều tần 5

2.Chỉ số điều biến FM: 6

PHẦN II SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 7

1 Chỉ tiêu kỹ thuật 7

2 Sơ đồ khối: 7

3 Chức năng các khối: 7

a Mạch vào: 7

b Mạch lọc: 8

c Khối khuếch đại âm tần: 8

d Khối dao động : 9

f.cuộn cảm 9

4 Sơ đồ nguyên lý: 10

5 Nguyên tắc hoạt động 10

PHẦN III TÍNH TOÁN 12

1 Khối khuếch đại âm tần 12

2 Khối dao động (khối tạo sóng) 12

3 Công suất phát của mạch 13

4 Cự li phát tối đa 14

5 Sơ đồ mạch in: 14

PHẦN IV Kết quả mô phỏng trên phần mềm workben 15

PHẦN V Kết luận 16

1 Về các thông số kỹ thuật : 16

2 Về các yêu cầu khác : 16

3 Ưu và nhược điểm của sóng FM: 16

4 Ứng dụng của điều chế FM: 17

NỘI DUNG

PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐIỀU TẦN

Thông tin mà chúng ta truyền đạt (âm thanh ) phần lớn nằm ở khoảng tín hiệu thấp, nếu không thông qua điều chế trước khi phát bằng sóng vô tuyến , sẽ gặp phải nhiều vấn đề khó khăn như khoảng cách truyền, tổn hao, nhiễu, giới hạn băng thông, khó khăn phía thu để khắc phục những vấn đề này , người ta sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để đưa tần số của tín hiệu mang tin lên khoảng tần

số cao ,phù hợp với hoàn cảnh và thiết bị Người ta gọi đó là các kỹ thuật điều chế Điều chế là quá trình ghi tin tức vào một dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó ( ví dụ: biên độ, tần số, góc pha, độ rộng xung, … ) của dao động cao tần theo tin tức

Trong trường hợp này, tin tức được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần được gọi là tải tin, còn dao động cao tần mang tin tức được gọi là dao động cao tần

đã điều chế

Nói chung các phương pháp điều chế rất đa dạng , bao gồm cả điều chế cho tín hiệu tương tự và cho tín hiệu số , trong đó , một trong những phương pháp đơn giản cho tín hiệu tương tự là phương pháp điều tần – frequency modulation (FM)

Điều tần là quá trình ghi tín hiệu tin tức ở tần số thấp vào một dao động ở tần số

cao làm biến đổi tần số theo tín hiệu tin tức Trong điều tần, tín hiệu điều tần thay đổi quanh tín hiệu tải tin Phương pháp này khác với phương pháp thay đổi biên

độ của sóng mang hay còn gọi là điều chế biên độ - amplitude modulation (AM) Trong kỹ thuật truyền thông tương tự , giá trị của tín hiệu mang tin sẽ ảnh hưởng trực tiếp lên tần số của sóng mang

Mục đích của điều chế là chọn một phổ tần thích hợp cho việc truyền thông tin, với các tần số sóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tần trên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyền Xét tín hiệu tải tin : Ut(t) = Umt cos ωt t

Nếu ωt thay đổi tương ứng với nguồn thông tin, ta có tín hiệu điều chế tần số (FM) Một kỹ thuật điều chế tương tự là điều chế pha PM (Φ(t) thay đổi) Trong phạm vi bài tập này, ta chỉ xét kỹ thuật điều tần

1 Điều chế tần số (FM) :

Xét 2 tín hiệu:

Tin tức Us(t) = Ums cos ωs t

Tải tin Ut(t) = Umt cos ωt t

Khi điều chế tần số, tần số của dao động cao tần biến thiên tỉ lệ với tín hiệu điều chế và được xác định

ωdt = ωt + Kdt .Ums cos ωs t

Trong đó : ωt là tần số trung tâm của tín hiệu điều tần

∆fmax = Kdt .Ums gọi lượng di tần cực đại

a Dạng sóng U dt (t).

ωdt = ωt + Kdt .Ums cos ωs t

Có ωdt = dφdt(t)/ dt

dφdt(t) = ∫ ωdt(t).dt

= ∫ (ωt + Kdt .Ums cos ωs t).dt

= ∫ ωt(t).dt + ∆fmax ∫ cos ωs t dt

= ωt.t + (∆fmax / ωs) Sin ωs t

Biểu thức của điều tần :

Udt = Umt cos (ωt.t + (∆fmax / ωs) Sin ωs t)

= Umt cos (ωt.t + mf Sin ωs t)

Hình 1 Sơ đồ mô tả điều chế FM Với mạch điều chế tần số thì sóng mang có biên độ không đổi, nhưng tần số thay đổi theo biên độ của tín hiệu âm tần, khi biên độ tín hiệu âm tần tăng thì tần

số cao tần tăng, khi biên độ âm tần giảm thì tần số cao tần giảm Như vậy sóng mang FM có tần số tăng giảm theo tín hiệu

Hình 2: Tín hiệu trước và sau điều tần

b Dạng phổ của điều tần

Udt = Umt cos (ωt.t + mf Sin ωs t) có thể biểu diễn dạng chuỗi mà hệ số là các hàm Bessel loại 1 bậc K

Udt = Umt cos (ωt.t + mf Sin ωs t)

=Umt + J0(mf) cos ωtt + Umt ∑J2k(mf)[sin(ωt + 2kωs)t + sin (ωt- 2k ωs)t] +

Umt ∑ J2k+1(mf)[cos(ωt + (2k+1)ωs)t - cos (ωt- (2k+1) ωs)t] +

Tín hiệu điều tần có vô số thành phần tấn số, trong diều tần dải hẹp ∆fmax <<

ωs do đó mf << 1 Nên các thành phần tần số cao bằng 0, còn 3 thành phần tần số

ωt ,ωt +ωs ,ωt - ωs

Hình 3: Phổ tín hiệu điều tần

2.Chỉ số điều biến FM:

Giống như các ở phương pháp điều chế khác , đối với FM chỉ số điều chế cũng chỉ ra mức độ thay đổi của tín hiệu đã điều chế so với tín hiệu chưa qua điều chế Ở trường hợp này ,đó là mức độ biến thiên của tần số sóng mang :

( )

m

f x t f

h





Trong đó f m là tần số điều biên cao nhất Nếu h<<1 , đây là phương pháp điều chế giải hẹp với băng thông xấp xỉ 2f m, nếu h>>1 thì đó là phương pháp điều chế

FM băng rộng với băng thông xấp xỉ 2 f Mặc dù FM băng rộng chiếm nhiều băng thông hơn nhưng nó cũng có thể nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) một cách đáng kể

PHẦN II SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

1 Chỉ tiêu kỹ thuật

Mạch phát tín hiệu trên băng tần FM được thiết kế với mục đích có tính ứng dụng cao nên cần ưu tiên một số đặc điểm sau

1 - Tín hiệu phát đi có chất lượng tốt, tầm phát xa khoảng 20m

2 - Mạch nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí tới mức tối đa

3 - Nguồn cung cấp phải đơn giản và nhỏ gọn

Mạch có các thông số kỹ thuật như sau

2 - Tần số phát nằm trong dải FM từ 64 – 108 Mhz

3 - Tầm phát xa 20m

2 Sơ đồ khối:

3 Chức năng các khối:

a Mạch vào:

bao gồm khối nguồn và micro-audio:

Khối nguồn Micro

Khối nguồn: chế tạo từ nguồn tuyến tính đầu ra cỡ 9-10v

Micro: gồm dây adio đưa tín hiệu âm thanh từ máy tính hoặc thiết bị âm

thanh (máy tính,Đài… )vào mạch điều biên Fm

b Mạch lọc:

Mạch lọc ở đây chỉ đơn giản là tụ C1, ngăn 1 chiều từ mic vào Q1.Vì trở kháng vào của Transistor nhỏ lên để tín hiệu âm tần ít bị sụp áp trên C1 thì dung kháng của chúng phải nhỏ hơn nhiều so với trở kháng vào của transistor,do đó C1 thường chọn 3-10uF Trong mạch sử dụng tụ C1 là 10uF

c Khối khuếch đại âm tần:

Gồm Q1, R2, R3, R4, R5// C3 Q1 được mắc theo kiểu EC, R2, R3 làm nhiệm vụ phân

áp cho cực Base Tạo điểm làm việc tĩnh cho Q1.Chức năng của khối làm nhiệm

vụ khuếch đại tín hiệu từ mic đưa qua tụ C2 để đưa ra tầng sau:

Khối khuếch đại âm tần

d Khối dao động :

Khung dao động L1C5 tạo ra tần số dao động riêng chính là tần số sóng mang Khi tín hiệu vào thay đổi, tần số riêng của mạch cộng hưởng này thay đổi trong một dải tần theo sự biến thiên của tín hiệu Giá trị trung tâm của dải này chính là tần số phát của mạch

Cuộn cảm L1 dùng chặn cao tần ( chặn xoay chiều)

R7 ,R8 làm nhiệm vụ phân áp tạo điểm làm việc cho Q2

e Anten:

Làm nhiệm vụ phát tín hiệu có tác dụng tăng khả năng bức xạ sóng điện từ ra môi trường xung quanh Cơ cấu và tính chất của antena là một trong những yếu tố quan trọng quyết định cự ly phát của mạch Ở đây em dùng ăngten là sợi dây dẫn nhiều sợi dài khoảng 30cm

Tụ C5 =5pf

f.cuộn cảm

công thức tính cuộn cảm cho hình trụ tròn dài

ở đây em cuốn cuộn cảm cỡ dây 0.4mm,cuốn 20 vòng lõi không khí

4 Sơ đồ nguyên lý:

5 Nguyên tắc hoạt động

Tín hiệu được đưa vào mạch thông qua một rắc micro Điện trở R1 nối tiếp với micro vào nguồn để phân cực cho tín hiệu vào Âm thanh thay đổi khi qua dây này

sẽ được chuyển thành tín hiệu điện đưa qua tụ C1 vào cực B (bazơ) của transistor Q1 mắc Emiter chung (EC) Điện trở R2 và R3 phối hợp tạo điểm làm việc tĩnh Q cho transistor Q1 Ở chế độ xoay chiều, transistor làm việc xung quanh điểm làm việc tĩnh Q này Tín hiệu sau đó được khuếch đại và đưa vào cực Bazơ của transistor Q2 thông qua tụ C2( nhiệm vụ ngăn 1 chiều và cho xoay chiều đi qua) Transistor Q2 được mắc Emiter chung (EC), hồi tiếp C-E bằng tụ C6 Khi tín hiệu đưa ra từ chân C của transistor Q1 biến thiên xoay quanh một trị số tĩnh (do điểm làm việc tĩnh Q của Q1 quyết định) từ đó tần số riêng của mạch dao động biến đổi tạo nên sự điều biến tần số (FM – Frequence Modulation) cho mạch này Anten nối với cực Colector của transistor Q2 giúp tăng khả năng phát xạ của mạch

PHẦN III TÍNH TOÁN

1 Khối khuếch đại âm tần

Q1 là transistor loại bình thường (2N2222A), R2 và R3 là các điện trở định thiên để xác định điểm làm việc cho transistor được chọn trong mạch với giá trị 15KΩ, 6,8KΩ R4 là điện trở tải, trị số thường dùng trong khoảng 1KΩ đến 10KΩ, trong mạch ta chọn 10KΩ.Nếu điện trở tải quá nhỏ, hệ số khuếch đại sẽ nhỏ, nếu điện trở tải quá lớn, điện áp một chiều sụt trên tải sẽ lớn làm điện áp đưa vào colector sẽ quá nhỏ làm hiệu suất thấp và tín hiệu ra méo R5 hồi tiếp âm dòng điện một chiều, C3 là tụ phân đường âm tần dùng ổn định điểm làm việc

transistor,tụ thoát thành phần xoay chiều xuống mát Chọn R5 4,7kΩ, C6 47nF (2A473)

2 Khối dao động (khối tạo sóng)

Khung dao động tạo ra tần số dao động riêng chính là tần số sóng mang , ban đầu khi chưa đưa tín hiệu vào, tần số trung tâm

Tín hiệu sau khi qua transistor Q1 biến thiên xoay quanh 1 giá trị cố định, làm thay đổi cảm kháng Ltđ làm cho tần số dao động của mạch dao động biến đổi theo tín hiệu tin tức

Cuộn cảm được quẩn theo thông số : lõi không khí, bán kính lõi r = 4mm chiều dài l=20cm số vòng dây N=20 dây đồng đường kính d=0.4mm

C6=33pF

Chọn các giá trị R7= 4,7KΩ, R8=2,2KΩ, R9=220Ω

3 Công suất phát của mạch

Công suất của Transistor: P=Uce.Ic

Uce = Vc – Ve = 9 - Ve

Ub = R8Vc/R7+R8 = 2,2K.9 / 2,2K+4,7K

= 2,86V

Rb = R7R8/R7+R8 = 1,5K

Ub = Ib Rb + Ube + Ie R9 = Ib (Rb+ (1+β) R) R9) + Ube

Vậy Ib= Ub-Ube/ (Rb+ (1+β) R) R9) ( β) R=50)

= 2,87-0,7/1,5K+(1+ 50)220

= 1,7.10^-4 A = 0,17mA

Ie = (1+β) R)Ib = 51 0,17mA = 8,67mA

Suy ra Ve = Ie.R9 = 8,67mA 220=2V

Uce = 9-Ve = 7V

Công suất phát của mạch là : Pt= Uce Ic = 7 8,67mA=60,7mW

4 Cự li phát tối đa.

Cự li phát của mạch là khoảng cách lớn nhất tính từ mạch mà tại đó tín hiệu thu được có chất lượng như khi phát đi

Cự li phát được tính bằng căn bậc hai của tỉ số công suất phát Pt với công suất máy thu Pr

Đặc trưng của sóng radio là truyền và nhận trong một dải, công suất thu của máy thu FM thường trong khoảng 0.1mW

Vậy khoảng cách lớn nhất mà mạch phát được là

Coi anten là lí tưởng thì khoảng cách phát thực tế của mạch là d ≤ 24,6m

5 Sơ đồ mạch in:

Do việc đặt mạch in còn khá đắt với mạch cỡ nhỏ nên bọn em đã làm mạch in bằng phương pháp thủ công

PHẦN IV Kết quả mô phỏng trên phần mềm workben

Do tính chất mạch tương tự nên nhiều phần mềm không hỗ trợ mô phỏng như

protues, nên bọn em chon phần mềm wordkben để mô phỏng

- phần mềm này dễ sử dụng và có thể mô phỏng được các mạch tương tự tương đối tốt

-Trong bài báo cáo này em xin phép không trình bày cách sử dụng phần mềm này

Dưới đây là kết quả mô phỏng cho mạch trên

PHẦN V Kết luận

1 Về các thông số kỹ thuật :

Mạch phát FM được thiết kế có các thông số: tần số phát trong khoảng 64-108MHz, nguồn cung cấp sử dụng là 9V, tầm phát xa gần 20m hoàn toàn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đã đề ra

Chất lượng tín hiệu thu được sử dụng đài thu FM thông thường cho tín hiệu tốt, không có tiếng ồn trong phạm vi phát cho phép của thiết bị

2 Về các yêu cầu khác :

Mạch được thiết kế có kích thước 4cm x 7cm, hàn gọn và chi phí thành phẩm thấp, sử dụng linh kiện truyền thống Trên thực tế, nếu sử dụng các linh kiện dán kích thước nhỏ, ta có thể thu hẹp kích thước mạch xuống mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật với giá thành cao hơn từ 15% đến 20% Linh kiện sử dụng phổ biến, quy trình lắp mạch đơn giản và hiệu chỉnh dễ dàng Như vậy, các yêu cầu này

đảm bảo cho việc đưa vào thiết bị tai nghe không dây mà không làm thay đổi nhiều kích thước cũng như khối lượng của tai nghe, có tính khả thi cao khi áp dụng trong thực tế

3 Ưu và nhược điểm của sóng FM:

Sóng FM có nhiều ưu điểm về mặt tần số, dải tần âm thanh sau khi tách sóng điều tần có chất lượng rất tốt, cho âm thanh trung thực và có thể truyền âm thanh Stereo , sóng FM ít bị can nhiễu hơn so với sóng AM

Nhược điểm của sóng FM là cự ly truyền sóng ngắn, chỉ truyền được cự ly từ vài chục đến vài trăm Km , do đó sóng FM thường được sử dụng làm sóng phát thanh trên các địa phương

4 Ứng dụng của điều chế FM:

Kỹ thuật điều chế FM được sử dụng phổ biến trong khoảng tần sô vô tuyến VHF dành cho truyền phát âm nhạc và giọng nói độ trung thực cao Hệ quả là FM gần như trở thành một loại chuẩn điều chế truyền phát tương tự ở tần số cao và độ trung thực cao – FM radio Điều chế FM sử dụng trong truyền phát tín hiệu thông thường được gọi là điều chế FM giải rộng (W-FM) Trong chuyền phát Radio 2 chiều m FM giải hẹp (N-FM) được sử dụng để tiết kiệm băng thông

Nhóm sinh viên thực hiện.

Tài liệu tham khảo:

1, Kỹ thuật mạch điện tử- Phạm Minh Hà

2, Nguồn internet: www.dientuvietnam.com,

3, Electronic devices