LỜI MỞ ĐẦUI Lý do chọn đề tài
Ngày nay khoa học kĩ thuật ngày càng pháy triển thì con người càng
chú ý đến tác dụng mạnh mẽ của kĩ thuật vô tuyến điện tử Những ứng dụngcủa nó càng vơ cùng quan trọng và rộng rãi Trong khoa học kĩ thuật, vôtuyến điện tử là một công cụ thiết yếu giúp con người đi sâu vào tất cả cáclĩnh vực Nó cũng là phương tiện đặc biệt để truyền thông tin và xử lý điềukhiển tự động Trong đời sống xã hội ở bất kì đâu ta cũng thấy sự xuất hiệncủa vô tuyến điện tử Từ truyền thanh, truyền hình cho đến các đồ dùngtrong gia đình, trang bị cá nhân đều có thể nhận thấy ứng dụng của nó Về cơ bản,ngành điện tử liên quan đến cơng việc xử lý và thực hiện cácdạng sóng hoặc các dạng tín hiệu Điều này có thể bao gồm việc khuếch đạihoặc sửa dạng một tín hiệu, hoặc xử lý một tín hiệu phức hợp để lấy ra cácthành phần gốc của tín hiệu, hoặc sử dụng một dạng sóng để khởi kích mộtchuỗi các thao tác… Tất cả các q trình này đều địi hỏi các mạch tạo sóng,vì vậy chúng hình thành một dạng mạch điện tử quan trọng và đựơc thiềt kếđể tạo ra các tín hiệu có các dạng cụ thể (như là sóng sin, vng, tam giác…)hoặc để tạo ra các dạng sóng có chất lựợng cao hay có tần số ổn định.
Mạch tạo dao động có vai trị ngày càng quan trọng và ứng dụng rộngrãi nên việc học và nghiên cứu nó là rất cần thiết Nó càng có ý nghĩa hơnđối với sinh viên sư phạm học môn Điện tử đại cương Việc học và hiểuthấu đáo nó sẽ mở ra cánh cửa một khoa học mới mẻ và hiện đại Để chuẩnbị cho những điều này em đã chọn, xây dựng và hồn thiện bộ thí nghiệmcho sinh viên sư phạm học mơn Điện tử đại cương
II Mục đích đề tài
Tìm hiểu máy phát dao động và ứng dụng nó thiết kế mạch điện và xây
Trang 22
III Nhiệm vụ của đề tài
Nghiên cứu mạch phát dao động Thiết kế, lắp ráp, cải tiến bài thí
nghiệm về mạch phát dao động.
IV Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu một số tài liệu về máy phát dao động, nghiên cứu các lýthuyết có liên quan về khung dao động LC, RLC,mạch dao động điều hịa vàphi điều hịa…Từ đó đi đến hình thành lý thuyết thực hành thí nghiệm.Đồng thời tìm hiểu và học hỏi một số kỹ năng lắp ráp mạch thực hành phụcvụ cho lắp mạch.
V Cấu trúc đề tài
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, đề tài được chia thành 3 phần: Phần I: Tổng quan lý thuyết.
Vấn đề 1: Tín hiệu biến thiên và ứng dụng trong kĩ thuật Vấn đề 2: Tìm hiểu về khung dao động LC
Vấn đề 3: Tìm hiểu sự xoay pha cuả tín hiệu qua các phần tử RC Vấn đề 4: Duy trì dao động và mạch tạo tín hiệu
Phần II: Phần thực hành.
Tìm hiểu và lắp ráp mạch.
Phần III.: Kết luận
IV Vị trí của bài thí nghiệm trong chương trình học Điện tử đại cương
Bài thí nghiệm “ Máy phát dao động điều hòa và phi điều hòa” nằm trongphần kĩ thuật tương tự, sau khi nghiên cứu về khuếch đại, các tầng khuếchđại dùng transitor, hồi tiếp trong mạch khuếch đại Do vậy bài thí nghiệm đãvận dụng được kiến thức về mạch khuếch đại, hồi tiếp trong mạch khuếchđại để nghiên cứu về mạch dao động Sau bài này là nghiên cứu về điện tửsố, phương pháp khác để thiết kế mạch tạo dao động
Trang 3PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT
VẤN ĐỀ I: TÍN HIỆU BIÊN THIÊN VÀ ỨNG DỤNG TRONG KĨTHUẬT
I Tín hiệu biến thiênI.1 Định nghĩa
Tín hiệu biến thiên hay là tín hiệu biến thiên theo thời gian, hoàn tất
mỗi một chu kỳ trong một khoảng thời gian T và tự động lặp lại q trìnhtạo sóng nghĩa là lặp lại các chu kỳ ở tần số f hay 1/T (Hz)
Các dạng tín hiệu thường được sử dụng: tín hiệu sin, tín hiệu xungvng, tín hiệu xung tam giác và xung răng cưa
I.2 Cách tạo
Thiết kế các mạch tạo sóng dựa trên các tranzitor, các opamp, các IC sốhoặc các IC tạo dạng sóng và tạo hàm có sẵn.
Một trong những cách tạo xung thông dụng là dùng IC 555 do tính phổbiến và linh hoạt của IC này
I.3 Các đặc trưng
Tín hiệu biến thiên có hai dạng cơ bản: liên tục (điều hòa) và rời rạc (gián đoạn)* Tín hiệu rời rạc (xung vng, xung hình thang …):
- Biên độ xung Um: xác định bằng giá trị lớn nhất của điện áp tín hiệu xungcó được trong thời gian tồn tại của nó
- Chu kì xung T hay tần số xung f = 1/T: là khoảng thời gian giữa các điểm
tương ứng của hai xung kế tiếp nhau.
- Độ rộng sườn trước và sườn sau (ttr và ts) xác định bởi thời gian tăng vàthời gian giảm của biên độ xung trong khoảng giá trị 0,1Um đến 0,9Um
- Độ rộng xung tx xác định bằng khoảng thời gian có xung với biên độ trênmức 0,1Um
- Độ sụt đỉnh xung: thể hiện mức giảm biên độ xung ở đoạn đỉnh xung
Trang 44Điều chếTÝn hiƯuSãng mangSãng biÕn ®iƯuĐổi tầnTÝn hiƯu cao tầnSóng riêngSãng biÕn ®iƯuU(t) = Um cosin (t)
Các đặc trưng cơ bản là: biên độ xung, chu kỳ xung, tần số xung…
II Các ứng dụng của tín hiệu biến thiênII.1 Điều chế tín hiệu
Trong thông tin liên lạc vô tuyến điện (truyền thanh, truyền hình, điệntín…), tin tức cần truyền được chuyển thành tín hiệu và truyền đi xa Đểtruyền được tín hiệu âm tần đi xa phải tìm cách gủi nó vào dao động có tầnsố cao khơng tắt Do đó ta phải tạo ra sóng mang có tần số thích hợp
II.2 Biến đổi tần số
Mạch đổi tần là mạch trộn sóng có hai tín hiệu vào (tín hiệu sóngmang cao tần và tín hiệu cao tần tự tạo ra) để nhận được tín hiệu có tần sốmang nhỏ hơn Do đó để có thể đổi tần ta phải tạo ra một dao động riêngnhờ khối tạo sóng riêng.
II.3 Một vài ứng dụng khác
Ví dụ xét sơ đồ sau:
Trang 51000VK1000VD Đ MPNOMở bão hịaNgắt
Để tăng tín hiệu từ 12V lên 1000V người ta dùng một máy biên áp Trước đây, người ta sử dụng khóa K để làm thay đổi tín hiệu qua các cuộndây Nhược điểm của phương pháp này là:
+ Tín hiệu biến thiên chậm
+ Dễ bị hỏng chố tiếp xúc của khóa K + Dễ gây ra tiến ồn trong khi hoạt động
Do đó, trong điện tử, ngày nay người ta dùng mạch dao động để tạora các xung (hay các tín hiệu) để thay thế cho khóa K
Ưu điểm của phương pháp này là: + Cách tạo đơn giản, gọn nhẹ
+ Hiệu suất cao (do có thời gian nghỉ)
Mạch dao động phổ biến tạo ra tín hiệu biến thiên như vậy gọi là đahài Mạch đa hài hoạt động chủ yếu nhờ sự tích phóng của tụ điện C.
Ta cũng có thể sử dụng tranzitor (giống như tụ C trong mạch dao
động) để tạo ra tín hiệu biến thiên dựa vào đặc tuyến ra của tranzitor:
Đường thẳng tải trên họ đặc tuyến ra+
12V
Trang 66
Điểm làm việc P xác định chế độ làm việc của tranzitor
+ P nằm giữa đoạn MN: tranzitor làm việc ở chế độ khuếch đại
+ P nằm trên M: ta có chế độ mở bão hịa dịng qua tranzitor là cực đại(ứng với trường hợp phóng điện của tụ)
+ P nằm dưới N: ta có chế độ khóa dịng (trường hợp tích điện của tụ)
Trang 7Uc=U0Uc=U0Uc=U0Uc=U0i = 0i = 0 i = imi = im+-_+VẤN ĐỀ 2: KHUNG DAO ĐỘNG LC I Khung dao động LC
Xét khung dao động gồm cuộn dây có độ tự cảm L, tụ điện có điện dungC, bỏ qua điện trở thuần của cuộn dây và dây nối tức là xét khung dao độnglà lý tưởng Là hệ có thơng số tập chung.
Khung dao động LCHoạt động của khung dao động:
Trang 88UC, i
Uc i
Đồ thị dao động của điện áp và dòng điện Chu kỳ dao động riêng của khung: T 2 LC
Tần số dao động riêng : 012fLC
II Khung dao động RLC
Thực tế cuộn dây có điện trở thuần đáng kể, do đó năng lượng trongmạch sẽ bị tiêu hao trên đó, mạch dao động riêng sẽ tắt dần Ta đưa vào mộtđiện trở R, nó bao gồm tải tiêu thụ và điện trở thuần của cuộn dây.
Khung dao động RLC
Do có điện trở R, biên độ dao động sẽ giảm dần sau mỗi chu kì và sẽ tắtvới hằng thời gian t nào đó Đó là dao động tắt dần Sự tắt dần của daođộng tuân theo quy luật hàm mũ:
0( ) tmmUU tU e0( ) tmmII tI e Trong đó 2RL
= 1/ t được gọi là hệ số tắt dần U0, I0 là biên độ banđầu của điện áp và dòng điện.
ĐỖ THỊ THANH CHUNG A-K55 – VẬT LÝ
R
Trang 9UC
0
Um(t)
Um(t+T)
Tần số dao động riêng của mạch được xác định bằng:
20112fLC
Vậy điều kiện để có dao động tắt dần là R < 2L/C
Hệ số phẩm chất Q của mạch: LCQr
với r là điện trở thuần của cuộn dây.
III Dao động cưỡc bức
Dao động riêng của mạch trong thực tế là tắt dần nên để bù lượng nănglượng đã mất của mạch người ta tác động bởi nguồn tín hiệu ngoài
Nếu dưới tác động của nguồn tín hiệu ngồi mà trong khung có daođộng khơng tắt dần thì dao động đó gọi là dao động cưỡng bức.
Có hai cách đưa tín hiệu ngồi vào, do đó có 2 kiểu mạch:
+ Kiểu mạch nối tiếp (dao động cưỡng bức nối tiêp- cộng hưởng điện áp) + Kiểu mạch song song (dao động cưỡng bức song song – cộng hưởngdòng điện)
IV Mạch điện các bộ tạo dao động LC
IV.1 Sơ đồ ghép biến áp hồi tiếp (sơ đồ Miller)
Trang 1010
Mạch thực hiện hồi tiếp dương nhờ mắc các đầu cuộn dây của biến áp mộtcách thích hợp Tần số của mạch dao động phụ thuộc vào điện dung C của tụđiện và độ tự cảm L của cuộn dây W1 Được xác định bởi:
12fLC
IV.2 Sơ đồ ba điểm điện cảm (sơ đồ Hartley)
- Tín hiệu hồi tiếp lấy từ W2
- Tín hiệu lấy ra trên W1 và W2 ngược pha nhau
- Số vòng W2 đảm bảo biên độ điện áp hồi tiếp cho khung dao động- R1,R2 là các điện trở định thiên, xác định chế độ làm việc cho tranzitor- RE, CE là mạch hồi tiếp âm, ổn định chế độ cho tranzitor
- Tần số của mạch dao động là:12fLC
Với L là độ tự cảm của cuộn dây W1 và W2
IV.3 Sơ đồ ba điểm diện dung (sơ đồ Colpitz)
- Điện áp hồi tiếp lấy từ tụ điện C2 đưa tới lối vào qua CP1
ĐỖ THỊ THANH CHUNG A-K55 – VẬT LÝ
Trang 11- Điện áp trên tụ C1 , C2 ngược pha nhau Do vậy sẽ gây nên hồi tiếpdương (vì pha tín hiệu ở cực bazơ và colector ngược pha nhau)
Trang 1212
VẤN ĐỀ 3: MÁY PHÁT DAO ĐỘNG RC
I Đặc điểm chung của các bộ tạo dao động RC
- Thường được dùng ở phạm vi tần số thấp thay cho các bộ tạo dao động LC - Trong mạch điện khơng có cuộn cảm nên dễ dàng chế tạo nó bằng vi mạch- Với cùng một điện dung biến đổi, có thể điều chỉnh được tần số dao
động RC trong phạm vi rộng hơn so với bộ tạo dao động LC
- Khâu hồi tiếp chỉ bao gồm phần tử RC, khơng có tính cộng hưởng nên
u cầu bộ khuếch đại làm việc ở chế độ A
- Khâu hồi tiếp phụ thuộc tần số, nên mạch tạo được dao động tại tần số
mà điều kiện pha được thỏa mãn
II Sự xoay pha của tín hiệu qua các phần tử RC
Sơ đồ trên là mạch dao động RC dùng 3 khâu hồi tiếp
Điều kiện pha của mạch điện phụ thuộc vào việc chọn số khâu RC.Phần tử khuếch đại có độ dịch pha 1800 do đó mạch hồi tiếp cũng phải có độdịch pha 1800 Muốn có độ dịch pha 1800 ta thấy:
- Với độ dịch pha RC 600 thì cần 3 khâu
- Với độ dịch pha RC 450 thì cần 4 khâu
Nếu trong trường hợp ba khâu giống nhau thì (R1//R2//rBE) = R
Ta có: 2211 5(6)htKj với 1RC
ĐỖ THỊ THANH CHUNG A-K55 – VẬT LÝ
Trang 13Độ dịch pha: 22(6-)arctg1-5ht Khi Vht = thì 2 6 Vậy 129htK
Ta có tần số dao động f0 ứng với góc dịch pha 1800:
126fRC
Ta thấy rằng số khâu hồi tiếp tăng thì độ ổn định càng tăng.
Có thể dùng vi mạch khuếch đại thuật toán để thực hiện mạch daođộng Mạch hồi tiếp được mắc giữa đầu ra và đầu vào đảo.
Tần số của mạch dao động được xác định bởi:
Trang 1414KUraVẤN ĐỀ 4: MẠCH TẠO DAO ĐỘNG
I Phương pháp tạo tín hiệu điều hịa
Dao động điều hịa có thể được tạo ra theo ba phương pháp: Dùng hệ tụ dao động gần với hệ bảo tồn tuyến tính Biến đổi từ một dạng tín hiệu khác thành tín hiệu hình sin Dùng bộ biến đổi số - tương tự
I.1 Dùng hệ tụ dao động gần với hệ bảo tồn tuyến tính * Nguyên lý chung
Máy phát dao động hình sin là thiết bị biến đổi năng lượng của nguồnđiện khơng đổi thành dịng xoay chiều có tần số theo yêu cầu Khung daođộng và mạch khuếch đại được kết hợp với nhau như hệ bảo toàn, tự bùnăng lượng
* Điều kiện của một mạch dao động:
- Điều kiện cân bằng về pha: K 2n với K là độ dịch pha qua bộkhuếch đại K , là độ lệch pha qua khối hồi tiếp
- Điều kiện cân bằng về biên độ: K . 1
Máy phát dao động hình sin sử dụng các dao động LC hoặc RC + Mạch LC dùng cho vùng tần số cao
+ Mạch RC vùng cho vùng tần số thấp
I.2 Biến đổi từ một dạng tín hiệu khác thành tín hiệu hình sin
Đây là máy phát đa năng, gồm mạch tích phân I và mạch điều chỉnh R,cho ra hai tín hiệu chữ nhật (U1) và tam giác (U2)
Trang 15RR1C1IU2 U1U3tU3+U1- U1
Nguyên lý tạo tín hiệu hình sin từ dạng tín hiệu tuần hồn khác:
Hàm truyền đạt của biến đổi xung: tam giác – sin là U3 = f2(U1) códạng như hình vẽ Cụ thể: U3 = a sinU1
Để thực hiện hàm này có hai phương pháp chính: + Xấp xỉ từng đoạn tuyến tính
+ Xấp xỉ từng đoạn khơng tuyến tính
a) Xấp xỉ từng đoạn tuyến tính
Đó là chia khoảng hình sin thành 4n phần nhỏ và thay thế mỗi phầnbằng một đoạn thẳng có độ nghiêng khác nhau Số n càng lớn thì độ chínhxác càng cao và hệ số méo càng nhỏ.
Mạch xấp xỉ 5 đoạn tuyến tính để tạo tín hiệu sin từ tín hiệu tam giác:
Các điot D1 D10 ở trạng thái khóa bởi các điện áp U1,U5 Khi Uvtăng dần và giảm dần ở nửa chu kỳ dương thì các điot D1 D9 mở dần Ở nửachu kỳ âm thì nhóm D2 D10 cũng mở dần và sau đó khóa dần, tạo thànhtừng đoạn tín hiệu có độ dốc khác nhau
Trang 1616
TxRCDFCDAC
Độ dốc của từng đoạn được xác định bởi:
0121111 nntgRRRR
Với n là góc nghiêng của đoạn thứ n
b) Xấp xỉ từng đoạn khơng tuyến tính
Là chia hình sin thành nhiều đoạn và thay mỗi đoạn bằng một hàm phituyến Kiểu xấp xỉ từng đoạn khơng tuyến tính có độ chính xác cao hơnnhưng khó thực hiện hơn.
Ở tần số fmax1MHz người ta sử dụng FET để thực hiện sự biến đổi này.Tuy nhiên các đặc trưng của FET phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nên cần cóbiện pháp ổn định nhiệt độ
I.3 Tạo tín hiệu hình sin theo phương pháp số
Phương pháp này dựa trên nguyên tắc xấp xỉ hóa từng đoạn kết hợp với
lấy mẫu đều theo thời gian
Phương pháp này bị hạn chế ở tần số cao nên chưa phổ biến Sơ đồ khối mô phỏng phương pháp số:
Tx: bộ tạo xung nhịp RC: Bộ đếm thuận nghịch DFC: bộ biến đổi số - hàm DAC: bộ biến đổi số - tương tự
II Máy phát dao động khơng điều hịa
Máy phát dao động điều hòa thường dùng nguyên tắc tích phóng, mà
trong đó phần tử tích lũy năng lượng thường là tụ điện, mạch phóng điệnthường là tải tiêu thụ Để thực hiện việc chuyển mạch một cách tự động, tasử dụng thiết bị chuyển mạch là tranzitor hay vi mạch điện tử.
Nguyên tắc máy phát dao động khơng điều hịa:
Trang 17Nguồn năng lượng
Ec Phần tử tích lũy năng lượng C
Mạch phóng điện
Thiết bị chuyển mạch
III Ổn định biên độ và tần số cho dao độngIII.2.1 Ổn định biên độ dao động:
Để bảo đảm ổn định biên độ dao động điện áp ra ở trạng thái xác lậpcó thể thực hiện các biện pháp sau:
- Hạn chế biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồncung cấp một chiều thích hợp Biết rằng biên độ điện áp xoay chiều cực đạitrên đầu ra mạch KĐ luôn luôn nhỏ hơn giá trị điện áp cung cấp một chiềucho phần tử KĐ đó.
- Dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phi tuyến của phần tử tíchcực nhờ thay đổi điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển của phần tử KĐ.
- Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh, ví dụđiện trở nhiệt, điện trở thơng của diode.
III.2.2 Ổn định tần số dao động:
Vấn đề này liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng pha Khi dịchpha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu thay đổi sẽ dẫn tới thayđổi tần số dao động.
Từ điều kiện: ϕK+ϕnt=2nπ chọn n = 0 ϕK+ϕht=0
T
R
Trang 1818
ϕk , ϕht phụ thuộc các tham số của phần tử mạch và phụ thuộc tần
số.
Do đó: ϕk=ϕk(m ,ω)ϕht=ϕht(n ,ω)
Nên ϕk(m, ω)+ϕht(n , ω)=0
Trong đó: m, n đặc trưng cho các tham số trong mạch KĐ và mạchhồi tiếp.
Vi phân tồn phần biểu thức trên ta có:
dωω=−∂ϕk∂m dωm∂ϕht∂n dωn∂ϕk∂m +∂ϕht∂n
Từ đó ta có các biện pháp nâng cao tính ổn định tần số của mạch dao động:1 Thực hiện các biện pháp nhằm giảm thay đổi tham số dm của mạch KĐvà dn của mạch hồi tiếp bằng cách:
- Dùng nguồn ổn áp.
- Dùng các phần tử có hệ số nhiệt nhỏ.- Dùng linh kiện có sai số nhỏ.
- Dùng các phần tử ổn nhiệt.
- Giảm ảnh hưởng của tải đến mạch dao động bằng cách mắc thêmtầng đệm ở đầu ra tầng tạo dao động.
2 Thực hiện các biện pháp nhằm làm giảm tốc độ thay đổi góc pha theo
tham số của mạch nghĩa là làm giảm ∂ϕk
∂m và ∂ϕht
∂n nhờ chọn mạch daođộng thích hợp.
3 Thực hiện các biện pháp tăng tốc độ thay đổi góc pha theo tần số, tức là
tăng ∂ϕk
∂m và ∂ϕht
∂n xung quanh tần số dao động Sử dụng các phần tử có
Trang 19phẩm chất cao (tốc độ biến thiên của pha theo tần số tỉ lệ với hệ số phẩmchất Q), dùng phần tử tích cực có hệ số KĐ lớn.
Thơng thường khi dùng các biện pháp trên có thể có độ ổn định tần sốtới 10-4 hoặc cao hơn, trường hợp dùng thạch anh có thể đạt 10-6 10-8.
III.3 Phương pháp tính tốn mạch dao động
Có nhiều phương pháp để tính tốn mạch dao động Ở đây ta tính tốn
mạch tạo dao động theo phương pháp bộ khuếch đại có hồi tiếp Phươngpháp này xuất phát từ điều kiện cân bằng biên độ Điều kiện cân bằng phađã được kết cấu của mạch thỏa mãn Khi tính tốn phải căn cứ vào mạchđiện cụ thể để xác định hệ số khuếch đại K, hệ số hồi tiếp Kht rồi buộc tíchcủa chúng bằng 1 Từ đó suy ra các thơng số cần thiết của mạch.
Để minh họa, ta tính điều kiện tự dao động của ví dụ sau:
Bước 1: Tính hệ số khuếch đại K.
2111CChKSZZh ZC P R2 td //Zvpa
- P là hệ số ghép của tranzitor với khung cộng hưởng
12212112.()CEtdUC CCPUCC CCC
- Rtd là trở kháng của khung cộng hưởng tại tần số cộng hưởng
Trang 2020
- Zvpa:trở kháng vào phản ảnh sang nhánh colectơ-emito (R1//R2 >>h11)
1122vvpaZhZnn với 12BECEUCnUC Vậy: 112221211122(1)(1)tdtdRhhnnKRhhnn
Bước 2: Xác định hệ số hồi tiếp:
12BEhtCEUCKnUCBước 3: Tính tích KKht: 212211(1 )tdhttdR hKKnn Rhn
Bước 4: Xác định điều kiện dao động của mạch: KK ht 1
Biến đổi ta được:
22211111(1) td 0tdRhnnR nhh
Dấu “ = ” ứng với trừơng hợp dao động xác lập, dấu “ < ” ứng vớitrường hợp quá độ lúc mới đóng mạch
Bước 5: Xác định hệ số hồi tiếp cần thiết để mạch tự dao động được:
Thường n << 1 nên được viết gần đúng:
2 2111111 0tdtdRhnnRh h Giải ra ta được: n n n2 1 Với 22121111,2()22 tdhhhnR
Vậy hệ số hồi tiếp n thoải mãn điều kiện trên thì trong mạch có daođộng Mạch có dao động hình sin tại n1 hoặc n2
Bước 6: Xác định trị số các linh kiện qua hệ số hồi tiếp n và tần số dao
động:
Trang 21dd12121.2chffC CLCC
III.5 Máy phát dao động dùng mạch cầu Wiên sử dụng tranzitor
Vì thời gian có hạn nên trong mạch tạo dao động điều hòa em chỉ nghiêncứu mạch dao động điều hòa cầu Wiên trong mạch hồi tiếp dùng tranzitor
III.5.1 Sơ đồ nguyên lý:
III.5.2 Cấu tạo cuả mạch:
Mạch bao gồm 2 khối chính:
- Khối khuyếch đại chính T1 và T2 mắc EC.- Khối hồi tiếp cầu viên tạo dao động.
a) Khối khuyếch đại chính:
- Hai đèn T1 và T2 thuộc loại C828 mắc theo kiểu EC do đó hệ sốkhuếch đại lớn hơn 1 và hai đèn đều làm việc ở chế độ A
- Tụ hóa C4 là tụ nối tầng
Trang 2222
- Tụ C3 và biến trở P1 hồi tiếp nối tiếp điện áp (hồi tiếp âm xoaychiều) làm thay đổi biên độ ra cuả tín hiêụ Đây là mạch sửa dạng xung.
b) Khối tạo dao động:
Đèn T1: T1 hoạt động nhờ có dịng hồi tiếp dương từ cực C của T2 đưa về.Dòng hồi tiếp dương được đưa qua mạch lọc tần số mắc theo kiểu cầu Wiengồm tụ C1, C2 và điện trở R2 và R3.
Cầu Wien
Ta có cơng thức tính tần số của mạch cầu viên RC 2 3 1 2
12fR R C C
Nếu lấy R2 = R3 = R và C2 = C1 = C thì tần số dao động sẽ là f0=1
2π RC
III.5.3 Nguyên lý hoạt động của mạch a) Điều kiện dao động:
- Điều kiện cân bằng pha:
KD 2 và PH 0 KD PH 2
- Điều kiện cân bằng biên độ: KKĐ.KPH 1
b) Sự hoạt động của mạch:
- Khi cấp cho mạch một điện áp 5V DCV, có hiện tượng hồi tiếp dươnggây tự kích ở BT1 sau đó được khuyếch đại qua T1 T1 làm việc ở chế độ A,mắc EC nên qua T1 thu được 1 tín hiệu ngược pha với tín hiệu ở BT1.
- Tín hiệu này được đưa đến T2, được khuyếch đại lên tiếp (T2 cũng làmviệc ở chế độ A và mắc EC) thành tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu ở BT1 - T1 và T2 mắc theo kiểu EC, trong đó T1 làm nhiệm vụ dao động đa hàicó hồi tiếp dương, đèn T2 chủ yếu làm nhiệm vụ khuyếch đại.
III.6 Máy phát dao động đa hài dùng tranzitorIII.6.1 Sơ đồ nguyên lý:
ĐỖ THỊ THANH CHUNG A-K55 – VẬT LÝ
R3R2
C1C2
Trang 23ttt3t0t1t2T1UB1Ur1E0,6V-EUr2
III.6.2 Nguyên lý hoạt động và biểu đồ thời gian
Việc hình thành xung vng ở cửa ra sau một khoảng thời gian t1=t1-t0(đối với cửa ra 1) hoặc t2=t2-t1 (đối với của ra 2) nhờ quá trình đột biếnchuyển trạng thái của sơ đồ tại các thời điểm t0, t1, t2…
Trong khoảng thời gian t1 , tranzitor T1 khóa, T2 mở, tụ C đã được nạpđầy điện tích trước t0 sẽ phóng điện qua T2 qua nguồn EC, qua R1 theođường C1T2 R1 C1 làm điện thế UB của T1 thay đổi Đồng thời trongkhoảng thời gian này tụ C2 được nguồn EC nạp theo đường
2
CCC
ERTE
làm cho điện thế UB trên T2 cũng thay đổi (như hìnhvẽ) Lúc t = t1 , UB1= +0.6V: T1 mở, xảy ra quá trình đột biến thứ nhất, nhờmạch hồi tiếp dương làm sơ đồ lật tới tình trạng T1 mở, T2 khóa.
Trong khoảng thời gian t2= t2 - t1 trạng thái trên được giữ nguyên, tụC2 bắt đầu phóng điện, tụ C1 bắt đầu quá trình nạp tương tự như trên cho tớikhi t = t2 , UB2= +0.6V: T2 mở, xảy ra đột biến lần thứ 2 chuyển sơ đồ vềtrạng thái ban đầu.
Biểu đồ thời gian:
Trang 2424
t0,6V
-E
Khóa luận tốt nghiệp Chuyên ngành Điện tử
Các tham số chủ yếu của xung vuông đầu ra được xác định bởi: T1 = R C1 1ln 2 0.7 R C1 1
T2 = R C22ln 2 0.7 R C22
Nếu R1 = R2, C1 = C2 thì T1 = T2 và nhận được sơ đồ đa hài đối xứng,ngược lại sẽ cho đa hài không đối xứng khi T1 T2
Chu kì xung vng: Tra = T1 + T2
Biên độ xung ra gần đúng bằng trị số nguồn E cung cấp
Sơ đồ có hạn chế ở khu vực tần số thấp (< 100Hz) và tần số cao (>10kHz)
Trang 25PHẦN II: THỰC HÀNH
I Tiến trình thiết kế và thực hiện dụng cụ bài thí nghiệm
I.1 Nghiên cứu nguyên lý và các sơ đồ mạch thực thi
Tìm hiểu các mạch tạo dao động (điều hịa và phi điều hòa), lựa chọncác mạch thực thi, tìm hiểu nguyên lý hoạt động của chúng rồi đưa ra cáclinh kiện và giá trị của chúng cần dùng trong các mạch đó
I.2.1 Mạch dao động cầu Wien
Sơ đồ nguyên lý dao động cầu Wien
Nghiên cứu kiến thức đối với mạch dao động cầu Wien đặt ra yêu cầu: - Quan sát dạng tín hiệu hình sin
- Thay đổi một vài thông số cơ bản của mạch để tạo các tín hiệu có tầnsố khác nhau
- Hiểu nguyên lý hoạt động của mạch
Từ sơ đồ nguyên lý và yêu cầu đó thiết kế mạch thực hành Lắp sẵn nhữngphần tử cơ bản Cần cắm một số chốt (J1, J2, J3) và điều chỉnh P1 và P2 đểhiểu nguyên lý của mạch Cắm chốt J1 và J3 để nối lại đường hồi tiếp dươngcho mạch Nối J2 để thay đổi điện dung của mạch hồi tiếp dương P1 để điềuchỉnh dạng xung hay thay đổi biên độ ra của tín hiệu P2 làm thay đổi tần sốcủa mạch bằng cách thay đổi điện trở của mạch hồi tiếp dương.
Trang 2626
- Lựa chọn các linh kiện:
+ Tranzitor: Sử dụng các tranzitor C828 (tranzitor n-p-n, mắc E chung)+ Điện trở: R1 = 33k ; R2=3.3k ; R3=4,7k ; R4= 1k;
R5= 17k ; R6= 10k ; R7= 4,7k ; R8= 4,7k;+ Biến trở: P1 =1k ; P2 = 2k
+Tụ điện: Tụ thường: C1= 0,1F ; C2= 0,033F C5=104 (0,1F)
Tụ hóa: C3= 220uF; C4 = 4,7uF
- Cách mắc:
Chân bazơ của tranzitor T1 được nối với R1 lên dương nguồn, R3 songsong với C1 xuống đất để phân cực cho tranzitor T1 R5 nối với colectơ T1 lêndương nguồn Các điện trở R6 (nối với bazơ của T2 lên dương nguồn), R7(nối với colectơ T2 lên dương nguồn), R8 (nối từ emitơ T2 xuống đất) dùngđể phân áp cho đèn T2 Tụ C4 nối từ colectơ của T1 đến bazơ của T2 để nốihai tầng khuếch đại Tụ C5 // R8 dùng để ổn định dòng 1 chiều
Trang 27Tụ C3 và biến trở P1 (nối emitơ của T1 và colectơ của T2) hồi tiếp nốitiếp điện áp (hồi tiếp âm xoay chiều) làm thay đổi biên độ ra của tín hiệu.Đây là mạch sửa dạng xung.
I.2.2 Mạch dao động đa hài
Sơ đồ nguyên lý mạch dao động đa hài:
Yêu cầu nội dung kiên thức cần đạt được: + Quan sát dạng tín hiệu xung ra + Thay đổi thông số của tụ
+ Hiểu nguyên lý hoạt động của mạch + Xác định được tần số dao động của mạch
Từ mạch nguyên lý và yêu cầu trên ta có sơ đồ thực hành thỏa mãn:
Trang 2828
- Lựa chọn các linh kiện
+ Tranzitor: sử dụng tranzitor C828 (tranzitor n-p-n, mắc E chung) + Điện trở: RC = 1,5k ; R2 = R3 = 56k
+ Tụ điện: Tụ thường C1 = C4 = 0,01F ; C2 = C4 = 0,1F
Tụ hóa: C3 = C6 = 0,033F
- Cách mắc:
Cực colector của hai tranzitor được mắc với hai điện trở RC lên dươngnguồn Cực bazơ của T1, T2 nối lên dương nguồn qua điện trở R2 và R3.Điện trở Rc , R1, R2 để phân cực cho các tranzitor
Các tụ điện (C1//C2//C3) nối giữa cực bazơ của tranzitor T1 và cựccolector của tranzitor T2 Tụ (C4//C5//C6)) nối giữa cực bazơ của tranzitor T2và cực colector của tranzitor T1
Trang 29I.3 Thử mạch trên board mạch thử
Mạch dao động cầu Wien
Trang 3030
I.4 Vẽ mạch in và lắp ráp linh kiện
Phần mền hỗ trợ
Vẽ mạch in trongTraxMacker
Trang 31I.5 Kết quả
Thiết kế được bộ thí nghiệm dao động điều hịa cầu Wien và dao độngđa hài
II CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH BÀI THÍ NGHIỆM1 Máy phát kiểu cầu Wien
1.1 Cấp nguồn +5V cho sơ đồ C-2.
- Đặt thang đo thế lối vào dao động kí ở 5V Thời gian quét cho dao động kíở 1ms/cm Chỉnh cho cả hai tia nằm cả phần trên và phần dưới của màn daođộng ký.
- Nối kênh 1 dao động kí với lối vào A/D; kênh 2 dao động kí với lối raC/D.
1.2 Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị ATS-11 ở chế độ:
+ Phát dạng sin (cơng tắc FUNCTION ở vị trí trên hình vẽ sin)
+ Tần số 1kHz (cơng tắc RANGE ở vị trí 1k và điều chỉnh tinh biến trởFERQUENCY)
Trang 3232
1.3 Nối lối ra của máy phát xung với lối vào INPUT của sơ đồ C-2 Bậtnguồn điện Điều chỉnh biến trở P1 để nhận xung ra khơng méo và có biênđộ được khuếch đại Kiểm tra để thấy rằng xung ra ở colector T1 là ngượcpha xung vào, xung ra ở colector T2 cùng pha xung vào Ngắt tín hiệu từmáy phát.
1.4 Nối J1, J3 Chỉnh P1 để lối ra xuất hiện xung sin méo dạng Đặt P2 ởba vị trí: cực tiểu, giữa và cực đại Đo chu kỳ xung ra tương ứng trên daođộng kí, tính tần số dao động f = 1/T (s)
2 Máy phát đa hài
2.1 Cấp nguồn +5V cho sơ đồ C-1.
2.2 Thay đổi vị trí các chốt cắm để thay đổi giá trị của tụ điện từ đóthay đổi tần số của mạch Đo và vẽ lại dạng tín hiệu và xác định tần số tín hiệu ra khi thay đổi các giá trị của tụ tương ứng với các cách nối đó.
Trang 33PHẦN III: KẾT LUẬN
III.1 Kết quả thí nghiệm1 Mạch dao động cầu Wien
Đo chu kỳ xung ra và tính tần số dao động của mạch:
- Nối lại đường hồi tiếp dương (nối J3 ,J1) Điều chỉnh P1 để lối ra xuất hiện xung sin:
- Đặt P2 ở các vị trí: min, giữa, max Điều chỉnh P1 cho xung ra là xung sin.Đo chu kỳ xung ra tương ứng trên dao động ký Lặp lại thí nghiệm khi nối J2Ta có bảng kết quả như sau:
C2 = 100000pF ; C5 = 100000pF ; C1 = 100000pF R2 = 10K ; R9 = 3.3 K ; P2 = 2k ; P1 = 1k
Trang 3434T(đo) f (tính) (Hz) f (đo) (Hz)Nối J3, nối J1 P2 min3,3.1 (ms)2212 A C R = 277303Nối J3, nối J1 P2 giữa3,4.1 (ms)22212()2PA C R=264294Nối J3, nối J1 P2 max3,6.1 (ms)22212A C R(P) =252278Nối J3, nối J1,J2 P2 min4,7 (ms)12212A C(C R) =196213Nối J3, nối J1,J2 P2 giữa4,9 (ms)212212()()2PA CCR=186204Nối J3, nối J1,J2 P2 max5,1 (ms)122212A C(C )(R P) =179196Nhận xét: + Vì tần số dao động của mạch f0=1
2π RC nên P2 tăng (tức R tăng) thì tầnsố dao động của mạch càng giảm Nối J2 (tăng C) cũng làm tần số dao độngcủa mạch giảm đi.
+ Tần số f (đo) khi chưa nối J2 và khi nối J2 so với f(tính) có sự sai lệch nhỏ(f(đo) >f(tính))do ảnh hưởng điện dung ký sinh của mạch (ở các chốt hàn,coi như nối tiếp với nhau) làm cho tổng điện dung của mạch giảm đi,dẫnđến tânf số của mạch tăng lên.
3 Mạch dao động đa hài
Chu kì xung vng: Tra = T1 + T2
Với T1 = R C1 1ln 2 0.7 R C1 1 ; T2 = R C22ln 2 0.7 R C22
Khi nối các chốt J1 – J6 trên dao động kí thu được tín hiệu xung vng.Khi điện dung của tụ càng lớn thì tín hiệu càng bị suy biến, xung trở thànhxung kim Tùy theo cách nối chốt mà ta có tần số tín hiệu khác nhau.
Trang 35Tín hiệu xung ra khi nối chốt J2 và J5 (cổng ra ở bazơ của T2)
Trang 3636
Tín hiệ khi nối chốt J1- J5 (cổng ra ở bazơ của T2)Ta có bảng kết quả đo:
Chu kỳ xung ra T f(đo)(Hz) f(tính)(Hz)
Nối J1, J4 3,9.0.2 (ms) 1282 1275Nối J1, J5 3,8 (ms) 263 232Nối J1, J6 5,8 (ms) 172 593Nối J2, J4 3,9 (ms) 256 232Nối J2, J5 6,9 (ms) 144 127Nối J2, J6 5,1 (ms) 196 191Nối J3, J4 4.02(ms) 1250 1275Nối J3, J5 4,5(ms) 222 191Nối J3, J6 2,5(ms) 400 386
Nhận xét: f(đo) có giá trị xấp xỉ với f(tính) Sai số do ảnh hưởng của điện dung kí sinh của mạch và do sai số chủ quan khi đo trên dao động kí.
4 Trả lời câu hỏi
a Nguyên tắc chung của máy dao động:
Để mạch dao động thì các phần tử của mạch phải thoả mãn:
- Điều kiện cân bằng về pha: K 2n với K là độ dịch pha qua bộkhuếch đại K , là độ lệch pha qua khối hồi tiếp
- Điều kiện cân bằng về biên độ: K . 1
Trang 37b Giải thích hoạt động của máy phát kiểu cầu Wien và máy đa hài: Máy phát kiểu cầu Wien:
- Khi cấp cho mạch một điện áp +12V DCV, có hiện tượng hồi tiếpdương gây tự kích ở BT1 sau đó được khuyếch đại qua T1 T1 làm việc ở chếđộ A, mắc EC nên qua T1 thu được 1 tín hiệu ngược pha với tín hiệu ở BT1 - Tín hiệu này được đưa đến T2, được khuyếch đại lên tiếp (T2 cũng làmviệc ở chế độ A và mắc EC) thành tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu ở BT1 - T1 và T2 mắc theo kiểu EC, trong đó T1 làm nhiệm vụ dao động đa hàicó hồi tiếp dương, đèn T2 chủ yếu làm nhiệm vụ khuyếch đại.
Máy phát đa hài:
- Khi cấp nguồn , giả sử đèn T1 dẫn trước, áp Uc đèn T1 giảm => thôngqua C1 làm áp Ub đèn T2 giảm => T2 tắt => áp Uc đèn T2 tăng => thôngqua C2 làm áp Ub đèn T1 tăng => xác lập trạng thái T1 dẫn bão hoà và T2tắt , sau khoảng thời gian t , dòng nạp qua R3 vào tụ C1 khi điện áp này >0,6V thì đèn T2 dẫn => áp Uc đèn T2 giảm => tiếp tục như vậy cho đến khiT2 dẫn bão hoà và T1 tắt, trạng thái lặp đi lặp lại và tạo thành dao động, chukỳ dao động phụ thuộc vào C1, C2 và R2, R3
c Kết luận về vai trị của mạch RC trong việc hình thành xung ra:
- Mạch tạo dao động RC, xung ra có tần số thấp
- Tần số xung ra của mạch RC có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng- Việc chọn số khâu RC ảnh hưởng đến điều kiện pha của mạch dao động
do đó ảnh hưởng đến sự dao động của mạch.
Trang 3838
- Mạch in gọn nhỏ, dễ dàng di chuyển, trình bày linh kiện đẹp- Sơ đồ mạch trực quan dễ nhìn, phân tích mạch được thuận lợi
- Các thông số được hiển thị ngay trên mạch in, tính tốn được thuận tiện- Linh kiện có sẵn, giá cả hợp,khi hỏng dễ dàng thay được các linh kiện- Được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cơ trong tổ
III.2.2 Khó khăn
- Chưa có kinh nghiệm hàn nên mối hàn chưa tròn, hay bị bong dây- Do các linh kiện được hàn trực tiếp ở mặt quan sát nên nguy hiểm, dễ
bị cháy và hỏng Linh kiện dễ hỏng
- Điều chỉnh biến trở phải nhẹ nhàng mới tìm đựợc vị trí để cho mạch
dao động được
III.3 MỞ RỘNG NỘI DUNG KHAI THÁC VÀ ỨNG DỤNGIII.1 Mở rộng
III.1.1 Mạch dao động cầu Wien dùng khuếch đại thuật toán
* Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
- Nhánh R1, R2 tạo thành một mạch hồi tiếp âm Các thành phần R,C tạothành mạng cầu Wien Mạng cầu Wien được nối giữa ngõ vào khơng đảo vàngõ ra của khuếch đại thuật tốn nên mạch có độ dịch pha tồn thể bằng 0.
ĐỖ THỊ THANH CHUNG A-K55 – VẬT LÝ
Trang 39- Mạch dao động chính xác ứng với tần số 012fRC khi ( )13htK Do đóchọn R1 và R2 sao R1 = 2R2 để đảm bảo điều kiện cân bằng biên độ (hệ sốkhuếch đại của bộ khuếch đại có hồi tiếp âm bằng 3)
- Hai điot mắc song song với R1 làm nhiệm vụ ổn định biên độ cho bộ tạodao động
- Ngoài cách ổn định biên độ của mạch dao động bằng điot người ta cònthay thế điện trở thụ động R1, R2 bằng các nhiệt trở.
* So sánh hai phương pháp:
Mạch dao động dùng khuếch đại thuật toán đơn giản hơn so với mạchtương tự, nhưng học sinh khó tìm hiểu được nguyên lý hoạt động của mạch Tuy nhiên mạch dùng khuếch đại thuật tốn có nhược điểm là khóthay đổi được biên độ của tín hiệu ra nếu cần Mạch tương tự có thể điềuchỉnh được nhờ việc điều chỉnh điện trở R6 Đây là giải pháp để lựa chọnmạch tương tự: phân tích mạch dễ dàng và có khả năng điều chỉnh biên độvà tần số của mạch.
II.1.2 Mạch đa hài dùng khuếch đại thuật toán
Trang 4040Ur max-UrmaxTT ra0 t1 t2 t3 tU ra UpU ngắt 0 Uđóng t1 t2 t3 t- UmaxUmaxU đóngUN=UCU ngắt0 t1 t2 t3 t * Giản đồ thời gian làm việc:
* Hoạt động của mạch:
- Khi điện thế trên đầu vào N đạt tới ngưỡng lật của trigơ Smit thì sơ đồ
chuyển trạng thái và điện áp ra đột biến giá trị ngược lại với giá trị cũ Sau đóđiện thế trên đầu vào N thay đổi theo hướng ngược lại và tiếp tục cho tới khi
chưa đạt được ngưỡng lật khác (khoảng (t1t2) trên giản đồ thời gian) Sơ đồlật về trạng thái ban đầu vào lúc t2 khi UN = Uđóng = - Umax Quá trình thay đổiUN được điều khiển bởi thời gian phóng và nạp của C bởi Ura qua R.
- Nếu chọn Ura max = - Ura min = Umax thì
Uđóng = -Umax ; Ungắt = Umax với
112RRR Điện áp vào axt( )1 (1exp(-)RCNmU t U
UN sẽ đạt tới ngưỡng lật của trigơ Smit sau một khoảng thời gian bằng;