Thí nghiệm tách sóng trong chương trình điện tử đại cương của khoa vật lý

Khãa ln tèt nghiƯp Ngun ThÞ Thóy PHẦN MỞ ĐẦU I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, điện tử ngành khoa học mũi nhọn tất nước giới Điện tử có ứng dụng rộng rãi công nghiệp, khoa học kỹ thuật đời sống người Các thiết bị điện tử thay thiết bị học trước với độ xác cao Sự phát triển điện tử góp phần lớn thúc đẩy phát triển ngành khoa học kỹ thuật khác Để thực thành cơng cơng cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước đòi hỏi nước ta phải đầu tư phát triển nghành điện tử để có bước tiến nhanh Một lĩnh vực quan trọng hàng đầu kỹ thuật điện tử kỹ thuật truyền tín hiệu xa (truyền thanh, truyền hình) Ngày kỹ thuật truyền tín hiệu xa đạt đến trình độ cao (truyền hình số), để đạt đến trình độ nhà kỹ thuật phải bắt đầu nghiên cứu từ nguyên lý kỹ thuật truyền tín hiệu xa (kỹ thuật truyền tín hiệu tương tự) Để sinh viên khoa Vật Lý dễ dàng hiểu nguyên lý tách sóng, nguyên lý kỹ thuật truyền tín hiệu xa đề tài tập trung xây dựng thí nghiệm tách sóng chương trình điện tử đại cương khoa Vật Lý II MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI Mục tiêu Nghiên cứu, thiết kế xây dựng thí nghiệm tách sóng, viết tài liệu hướng dẫn thực hành nội dung để phục vụ cho học phần thực hành điện tử đại cương Nhiệm vụ  Nghiên cứu lý thuyết tách sóng  Thiết kế thí nghiệm tách sóng Líp: CLC - K55 - Khoa VËt lý Trờng ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn ThÞ Thóy  Viết tài liệu hướng dẫn thực hành tách sóng III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tài liệu liên quan tách sóng, điều chế, mạch lọc, khung cộng hưởng, tài liệu hướng dẫn thực hành điện tử đại cương… Tiến hành thực nghiệm IV CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI Ngoài phần mở đầu kết luận, đề tài gồm hai phần: Phần A: Tổng quan lý thuyết Chương 1: Mạch lọc Chương 2: Đại cương điều chế Chương 3: Lý thuyết tách sóng Phần B: Thực hành I Tiến trình thiết kế lắp ráp mạch II Tài liệu hướng dẫn thực hành Líp: CLC - K55 - Khoa VËt lý Trờng ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn ThÞ Thóy A TỔNG QUAN VỀ MẶT LÝ THUYẾT Chương 1: MẠCH LỌC I KHÁI NIỆM VỀ MẠCH LỌC Mạch lọc mạch điện theo yêu cầu lọc lựa tính phần tử mạch điện mà bố trí chúng nhằm lấy dao động điện cần thiết Mạch lọc thụ động mạch lọc chứa phần tử thụ động R, L, C mà khơng có phần tử tích cực BJT hay KĐTT Có nhiều loại mạch lọc khác theo cách khác nhau: - Căn theo công dụng lọc chia thành lọc tần số thấp, lọc tần số cao, lọc tần số cao, lọc dải tần, lọc bỏ dải tần - Căn theo hình dạng lọc chia thành lọc chữ L ngược, lọc chữ T, lọc chữ Π - Căn theo linh kiện tham gia lọc chia thành lọc RC, lọc LC, lọc RL Để đánh giá tính lọc người ta dùng khái niệm hệ số truyền đạt k hay hệ số suy giảm β: U1: Điện áp vào lọc U2: Điện áp lọc Đồ thị biểu diễn phụ thuộc k hay β theo tần số gọi đặc tuyến tần số lọc Các mạch lọc thụ động có hệ số truyền đạt k < 1, mạch lọc lí tưởng có hệ số truyền đạt k = II CÁC MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG 2.1 Mạch lọc tần số thấp Mạch lọc tần số thấp mạch lọc cho qua tần số thấp dòng chiều, tần số cao khơng cho qua Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trờng ĐHSP Hà Nội Khãa ln tèt nghiƯp Ngun ThÞ Thóy Hình 1.1: a) Mạch lọc tần số thấp RC LC b) Đặc tuyến tần số mạch lọc tần số thấp Ở vùng tần số thấp tụ C có trở kháng lớn nên khơng qua tụ được, U2 ≈ U1 Ở vùng tần số cao, trở kháng tụ C đủ nhỏ nên qua tụ, U2 ≈ Do đầu ta thu thành phần tần số thấp 2.2 Mạch lọc tần số cao Là lọc cho qua dịng điện tần số cao khơng cho qua dịng chiều tần số thấp Hình 1.3: a) Đặc tuyến tần số lọc b) Các mạch lọc tần số cao RC LC Ở tần số thấp, trở kháng C lớn, cảm kháng L nhỏ nên khơng qua tụ, U ≈ Ở tần số cao, trở kháng C nhỏ, cảm kháng L lớn nên thành phần qua tụ, U2 ≈ U1 Do đầu ta thu thành phần cao tần Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trờng ĐHSP Hà Nội Khóa ln tèt nghiƯp Ngun ThÞ Thóy 2.3 Mạch lọc dải tần Là mạch lọc cho dòng điện dải tần từ f1 đến f2 qua, tần số ngồi khoảng khơng cho qua Hình 1.6: a) Đặc tuyến tần số mạch lọc dải tần b) Các mạch lọc dải tần RC LC - Trong mạch RC: Khâu RC lọc tần số tần số thấp từ đến f 2, khâu CR sau lọc tần số cao từ f1 đến f2 Kết mạch cho qua dải tần từ f1 đến f2 - Trong mạch LC: Những dịng điện có tần số gần tần số riêng mạch f0 (từ f1 đến f2) dao động LC dễ dàng qua mạch nối tiếp khó qua mạch song song Trái lại, với dịng điện có tần số khác xa với tần số f0 khó qua mạch nối tiếp dễ dàng qua mạch song song Kết mạch cho qua dải tần từ f1 đến f2 2.4 Mạch lọc bỏ dải tần (mạch lọc chặn dải tần) Là mạch lọc bỏ qua dòng điện dải tần từ f đến f2, cịn tần số ngồi khoảng qua Líp: CLC - K55 - Khoa VËt lý Trờng ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thóy Hình 1.5: a) Đặc tuyến tần số mạch lọc bỏ dải tần b) Các mạch lọc bỏ dải tần RC LC - Trong mạch LC: Những dòng điện có tần số gần tần số riêng mạch f0 (từ f1 đến f2) dao động LC dễ dàng qua mạch nối tiếp khó qua mạch song song Trái lại, với dòng điện có tần số khác xa với tần số f0 khó qua mạch nối tiếp dễ dàng qua mạch song song Kết mạch lọc bỏ dải tần từ f1 đến f2 Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trờng ĐHSP Hà Nội Khóa ln tèt nghiƯp Ngun ThÞ Thóy Chương 2: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU CHẾ Trong thực tế tin tức thường dao động có tần số thấp (như tần số sóng âm từ 16 Hz đến 2000 kHz), dao động tần số thấp có lượng nhỏ nên khó truyền xa Cịn tín hiệu cao tần lại có lượng lớn bị hấp thụ khí nên có khả truyền xa Do người ta phải gửi tin tức có tần số thấp vào dao động có tần số cao để truyền xa Q trình gọi trình điều chế Khi đến nơi thu, muốn thu tín hiệu người ta phải tách tín hiệu khỏi dao động cao tần, q trình gọi q trình tách sóng Vậy để nghiên cứu tách sóng ta phải hiểu nơi phát người ta điều chế tín hiệu nào? I KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU CHẾ 1.1 Khái niệm điều chế Điều chế trình điều khiển dao động cao tần khơng tắt theo qui luật dao động tín hiệu cần truyền Dao động cao tần gọi sóng mang, dao động tín hiệu cần truyền gọi sóng làm điều chế, dao động cao tần bị điều chế gọi sóng điều chế 1.2 Phân loại điều chế Do dao động điện đặc trưng biên độ, tần số pha xác định u = Um cos(ωt+φ)t+φ)φ)) Nên theo định nghĩa làm dao động cao tần điều chế cách tác dụng lên ba đại lượng trên, để đại lượng biến đổi theo qui luật tín hiệu cần truyền F(t) Vậy có ba loại điều chế bản:  Điều chế biên độ (gọi tắt điều biên) loại điều chế mà biên độ sóng mang biến đổi theo qui luật F(t) tín hiệu cần truyền Tức U m biến đổi theo F(t): Um ~ F(t), ωt+φ) = const, φ) = const (hình 2.1) Líp: CLC - K55 - Khoa VËt lý Trờng ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Ngun ThÞ Thóy  Điều chế tần số (gọi tắt điều tần) loại điều chế mà tần số sóng mang biến đổi theo qui luật F(t) tín hiệu cần truyền đi: ωt+φ) ~ F(t), cịn Um = const, φ) = const (hình 2.2) Hình 2.1:a) Dao động cao tần ; b) Hình 2.2: a) Dao động cao tần ; b) Dao động âm tần ; c) Dao động điều Dao động âm tần ; c) Dao động điều biên tần  Điều chế pha (điều pha) loại điều chế mà pha sóng mang biến đổi theo qui luật tín hiệu cần truyền đi: φ) ~ F(t), Um = const, ωt+φ) = const Trong vô tuyến truyền người ta thường dùng điều chế biên độ tần số, vô tuyến truyền hình người ta dùng điều tần nên ta xem xét đến hai q trình điều biên điều tần Líp: CLC - K55 - Khoa VËt lý Trêng §HSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy II ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ 2.1 Nguyên tắc tạo nên dao động điều biên 2.1.1 Nguyên lý điều biên thường điốt hay Trandito ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ Tín hiệu u2 Dao động điều chế Sóng mang u1 Hình 2.3 : Nguyên lý điều chế biên độ Giả sử máy phát cho dao động sóng mang cao tần có dạng: u1 = UMcosωt+φ)t (2.1) Cịn dao động tín hiệu cần truyền có tần số thấp Ω coi điều hồ có dạng: u2 = Um cosΩt (trong Ω « ωt+φ)) (2.2) Ta đặt hai tín hiệu lên yếu tố phi tuyến tính điốt (hình 2.4a) hay tranzito ( hình 2.4b), với tranzito hoạt động phần cong đặc tuyến Hình 2.4: Mạch nguyên lý điều biên: A)1 điốt; B) Tranzito Nếu M = tức Umax = Umin, Nếu M = tức Umax = 2U0, khơng có điều chế (hình Umin = 0, trường hợp gọi 3.5a) điều chế tối đa (hinh 3.5b) Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trờng ĐHSP Hà Nội Khóa luận tèt nghiƯp Ngun ThÞ Thóy Nếu M > dao động mang cao tần bị cắt (hình 3.5c) Nếu < M < 1, tín hiệu điều chế có dạng (hình 3.5d ) Vậy để có điều chế M phải thỏa mãn < M ≤ Để có hiệu suất cao lấy M = Hình 2.5 Tín hiệu điều biên a) M = 0; b) M = c) M > 1; < M < Vậy ý nghĩa M cho biết khả (hay mức độ) biên độ sóng mang bị biến đổi theo dạng tín hiệu làm điều chế Từ biểu thức 3.6 ta viết dạng: (2.9) Từ biểu thức 3.9 ta thấy dao động điều chế gồm ba thành phần có tần số ωt+φ) ωt+φ) ± Ω Các tần số biểu diễn dạng phổ tần số (như hình 2.6) Líp: CLC - K55 - Khoa VËt lý Trờng ĐHSP Hà Nội