Giáo trình kĩ thuật điện phần 2

Chương Đ áp ứng tần số, m ạch lọc cộng hưởng Trong thực tế kỹ thuật, điện áp dịng điện mang thơng tin gọi chung tín hiệu điện Tín hiệu âm chuyển thành tín hiệu điện rnicrophone, tín hiệu khuếch đại, lưu trữ, xử lý truyền đến loa Các tín hiệu âm khuếch đại truyền thẳng đến loa hệ thống âm giảng đường Âm thu thập chuyển đổi sang dạng tín hiệu số, mã hóa lưu trữ hệ thống khác đĩa CD, thẻ nhớ Dể điều khiển hoạt động động đại, cảm biến thường đặt khoang động để thu thập thông tin nhiệt độ, tốc độ, vị trí bướm ga, vị trí quay trục khuỷu Các tín hiệu xử lý để xác định thời điểm nung tối ưu cho xy lanh Cuối cùng, xung điện tạo phù hợp cho bugi Khoảng cách đưỢc đo cách sử dụng công cụ phát xung ánh sáng, ánh sáng thu lại sau phản xạ từ m ặt gương đặt điểm cần quan sát Xung ánh sáng phản xạ chuyển đổi thành tín hiệu điện, xử lý mạch điện để xác định thời gian truyền ánh sáng máy đo gương Khoảng cách máy đo điểm cần đo tính tích thời gian truyền vận tốc ánh sáng Trong thể người động vật, hệ quan trao đổi thơng tin thơng qua tín hiệu điện Khi muốn điều khiển hoạt động tay, não sinh tín hiệu điều khiển, tín hiệu truyền đến hệ cần điều khiển thông qua dây thần kinh Các tín hiệu điện bó điều khiển làm cho tay co vào duỗi Dáp ứng tần số, mạch lọc cộng huởng 242 theo yêu cầu Trong y tế, ngiíời ta sử dụng số hệ đo để theo dõi điện áp điều khiển để đánh giá chuẩn đoán bệnh hay phản ứng phận thể liên quan Tương tự hệ bình thường, tim điều khiển xung điện áp lặp lặp lại theo chu kỳ nhịp đập tim Các tín hiệu xung điều khiển tim phát truyền khắp tim để điều khiển hoạt động khối hoạt động nhịp nhàng Theo dõi tín hiệu điện tim thể đánh giá tình trạng hoạt động tim Máy đo điện tâm đồ (Electrocardiography ECG) theo dõi ghi tín hiệu điện tim theo chuyển đạo khác Dựa vào tín hiệu điện tim chuyển đạo, bác sỹ tiên đốn tình trạng bệnh nhân đưa phác đồ điều trị thích hợp Bên cạnh tín hiệu điện tim, số tín hiệu khác thể người quan tâm nghiên cứu ứng dụng điều trị bệnh như: tín hiệu điện não đồ (Electroencephalography - EEG), điện đồ (Electromyography - EMG), điện võng mạc đồ (Electroretinography ERG), điện nhãn đồ (Electrooculography - EOG), điện ốc tai (Electrococholeograin - ECoG) Nói chung, xử lý tín hiệu thường liên quan đến thao tác nhằm trích xuất thơng tin cần thiết để phục vụ cho ứng dụng liêii quan Xử lý tín hiệu chủ đề quan trọng, sâu rộng liên quan đến nhiều lĩnh vực khoa học khác Trong chương trình đào tạo công nghệ kỹ thuật, sinh viên thường yêu cầu học mơn tín hiệu hệ thống, xử lý tín hiệu, xử lý ảnh, xử lý tín hiệu âưi thanh, Chương trình bày vài mạch điện bản, đơii giản hữu ích từ góc nhìn xử lý tín hiệu Trong chương trước, ta học cách làm để phân tích mạch điện có tác động tín hiệu dạng sine, tấ t tín hiệu sine có tần số chung Tuy nhiên, phần lớn tín hiệu điện mang thơng tin thực tế lại khơng phải dạng sine May mắn tín hiệu nói chung tách thành thành phần dạng sine, hay nói cách khác, tín hiệii tổng hợp nhiều thành phần sine khác Phép phân tích tín hiệu theo tần số gọi phân tích phổ tần số tín hiệu Phân tích mạch điện theo tần số khác cho đáp ứng gọi đáp ứng tần số 6.1 P h ân tích Fourier, m ạch lọc hàm tru yền P h ân tích Pourier 6.1 Pìiãn tích Pourier, mạch lọc hàm truyền 243 Trong chương 5, phân tích đáp ứng mạch điện tác động tín hiệu dạng sine Tuy nhiên thực tế, hầu hết tín hiệu có dạng khơng sine, ví dụ dạng tín hiệu âm thanh, áp suất, ánh sáng, nhiệt độ Các tín hiệu khơng sine có dạng, tần số biên độ khơng tiên đốn Hình 6.1(a) thể đoạn ngắn tín hiệu âm giả tiếng kèn Clarinet đàn điện tử hãng Yamaha Các tín hiệu thành phần hình (b) gồm thành phần Trên lý thuyết, tín hiệu tổng hợp vô hạn thành phần tín hiệu sine khác Trong thực tế, tấ t tín hiệu thực phân tích tổng nhiều thành phần tín hiệu sine khác Con người động vật có xương sống khác nghe hệ thính giác, dao động điíỢc tai phát chuyển thành xung thần kinh truyền đến não Tai người có phản ứng với nhiều tần số tổ hợp tần số khác dải tần số từ 15 Hz đến 20 kHz (Âm với tần số cao 20 kHz gọi siêu âiri, thấp 15 Hz gọi hạ âm) 4 Thoi gian - ms Thoi gian - ms Hình 6.1: (a) Một đoạn ngắn tín hiệu âm giả tiếng kèn Cỉarinet đàn điện tử Yamaha; (b) Một số thành phần phổ tín hiệu ârn giả tiếng kèn Clarỉnet Xét tín hiệu tuần hồn x{t), có dạng sau: x{t) = x{t + Tữ) Trong đó, To (6.1) chu kỳ tín hiệu tưQ = 27t/T o tần số góc tín hiệu Tín hiệu x{t) phân tích thành tổng vơ hạn tín hiệu sine thành phần với biên độ pha khác nhau, công thức sau: (6.2) Dáp ứng tần số, mạch lọc cộng hưởng 244 Thành phần tín hiệu có tần số U)(Ị gọi hài bậc tín hiệu x{t), tín hiệu khác có tần số bội số Q gọi hài bậc cao Tổ hợp thành phần tín hiệu sine gọi phổ tín hiệu Các giá trị biên độ pha tín hiệu thành phần tạo đặc tính tín hiệu Trong âm thanh, âm sắc tổ hỢp nhiều thành phần tín hiệu sine khác giúp cảm nhận âm từ nhạc cụ khác cho dù chúng chơi nốt nhạc P h ổ Pourier tín hiệu hình vng Một tín hiệu hình vng phân tích thành tổng vơ hạn tín hiệu sine thành phần sau: V s q { t ) iA iA 4A 4A = ^sin {u iQ Ì) + -^ sin {3 u o t) + -^ sin { u o t) + -^sin{7u}ot) + 7T Trong đó, luq = tĩ/ T 37T o tt tĩ (6.3) gọi tần số tín hiệu hình vng Hình 6.2 thể tín hiệu hình vng tổ hợp từ rnột nhiều tín hiệu sine thành phần Hình cho thấy, số lượng tín hiệu thành phần nhiều tín hiệu tổng hỢp gần với dạng tín hiệu xung vng Từ hình này, thấy số lượng tín hiệu sine thành phần tăng sườn xung hình vng có độ dốc lớn đỉnh xung phẳng Trong thực tế, tùy theo yêu cầu chất lượng xung vuông mà người ta giới hạn số lượng tín hiệu sine thành phần thơng qua sử dụng lọc tần thấp (low pass íilter) để đáp ứng yêu cầu độ rộng phổ kênh truyền chất lượng xung vuông Không giống xung vng, thơng thường tín hiệu thực tổ hỢp nhiều tần số dải tần định Tuy nhiên, biên độ tín hiệu sine thành phần thường không viết dạng biểu thức toán học đơn giản Bảng 6.1 liệt kê số loại tín hiệu điển hình dải tần số Ngồi thành phần tín hiệu sine, số tín hiệu chứa thành phần có tần số khơng, hay biên độ khơng thay đổi theo thời gian Thành phần gọi thành phần chiều DC (direct current) tín hiệu Trong kv th u ật điện, điện tử, bên cạnh phương pháp phân tích tín hiệu sở lý thuyết toán học, người ta hay sử dụng máy phân tích phổ (Spectrum Analyzer) để khảo sát tần số tín hiệu Thơng thường máy phân tích phổ sử dụng để khảo sát đáp ứng tần số mạch điện, thiết bị hệ thống Tùy theo dải tần tín hiệu, người ta lựa chọn máy phân tích phổ có tần số phù hợp để khảo sát mạch 6.1 Phãn tích Eourier, mạch lọc hàm truyền (a) 245 (b) 10 ■s c 100.000 km Extremely low ừequency ELF 3-30 Hz 100.000 - 10.000 kni Super low frequency SLF 30-300 Hz 10.000 - 1.000 km U ltra low frequency ULF 300-3.000 Hz 1.000 - 100 km Very low írequency ƯLF 3-30 kHz 100 - 10 km Tần số thấp - Low írequency LF 30-300 kHz 10 - km Trung tần - Medium ừequency MF 300 - 3.000 kHz km - 100 m Cao tần - High ữequency HF 3-30 MHz 100 - 10 m Very High Prequency VHF 30-300 MHz 10 -1 m U ltra high ửequency UHF 300 - 3.000 MHz m - 100 mm Super high ừequency SHF - 30 GHz 100 - 10 mm Extrernely high ừequency EHF 30-300 GHz 10 Terahertz T H z/TH F 300-3.000 GHz mm - 100 ịini rnrn Bảng 6.2 liệt kê băng tần số tín hiệu radio từ tần số thấp đến tần số siêu cao bước sóng tương ứng Các băng sóng từ thấp đến cao đặc trưng cho dải tín hiệu khác sử dụng kỹ thuật chuyên ngành đặc thù khác nhau: • TLF: Nhiễu điện từ, • ELF: Tần số thơng tin mtóc (tàu ngầm), • SLF: Tần số thơng tin nước (tàu ngầm), • ULF: Tần số thơng tin nước (tàu ngầm), hầm • ƯLF: Tần số thông tin dvtới nước (tàu ngầm), thời gian, dẫn đường, mỏ, • LF; Thời gian, AM radio sóng dài, dẫn đường, RFID, kênh radio nghiệp dư, • MF: AM radio trung tần, kênh radio nghiệp dư, • HF: AM radio sóng ngắn, RFID, thơng tin khơng dây, • V H P: FM radio, truyền hình quảng bá, truyền thơng m ặt đất - máy bay, thông tin không dây, kênh radio amateur, radio thời tiết, 6.1 Phân tích Pourier, mạch lọc hàm truyền 247 • ƯHF: FM radio, truyền hình quảng bá, lị vi sóng, thơng tin khơng dây, LAN khơng dây, Bluetooth, ZigBee, GPS, kênh radio nghiệp dư, • SHF: Thiên văn học, thơng tin sóng siêu ngắn, LAN không dây, radar đại, thông tin vệ tinh, truyền hình quảng bá vệ tinh, DBS, kênh radio nghiệp dư, • EHF: Thiên văn học, sóng chuyển tiếp vơ tuyến viba, cảm nhận từ xa sóng mm, kênh radio am ateur, vũ khí lượng trực tiếp, máy quét sóng mm, • TH z/TH F: ảnh terahertz sử dụng ứng dụng chụp ảnh y tế (thay cho X-rays), ultrafast molecular dynamics, vật lý chất rắn, quang phổ thời gian terahertz, tính tốn/truyền thơng terahertz, cảm nhận từ xa sóng mm, kênh radio nghiệp dư, M ạch lọc Trong kỹ thuật điện, điện tử, truyền thông yêu cầu giới hạn dải tần số tín hiệu để khơng gây nhiễu sang kênh tín hiệu khác tăng hiệu suất sử dụng băng tần Các lọc (filter) thiết kế để thực nhiệm vụ Mạch lọc sử dụng để phân loại tín hiệu, cho tín hiệu mong muốn qua chặn tín hiệu khơng mong muốn Mạch lọc phân chia theo dải tần lọc mạch lọc tần thấp (low pass filter- LPF), lọc tần cao (high pass filter-HPF), lọc thông dải (band pass filter - BPF), lọc chặn dải (notch filter) Các mạch lọc tương tự xây dựng sở mạch điện tương tự thực lọc trực tiếp tín hiệu Mạch lọc tương tự chia thành hai loại: mạch lọc thụ động (passive filter) mạch lọc tích cực (active filter) Mạch lọc thụ động bao gồm linh kiện thụ động điện trở, tụ điện cuộn cảm Mạch lọc tích cực có tham gia phần tử tích cực transistor, khuếch đại thuật tốn, Giáo trình trình bày giới thiệu số kiến thức mạch lọc tập trung vào mạch lọc thụ động dựa RLC Sơ đồ khối chức mạch lọc thường biểu diễn mạch hai cửa thể hình 6.3 Tín hiệu nguồn đặt lên hai lối vào, lý tưởng có thành phần tần số đáp ứng yêu cầu mạch lọc xuất lối Các thành phần tần số khác không thuộc dải tần số mạch lọc khơng xuất lối Ví dụ như, tín hiệu lối vào antenna TV bao gồm tín hiệu tấ t kênh truyền hình Bộ kênh TV mạch lọc cho tín hiệu kênh truyền hình muốn xem qua chặn khơng cho qua tín hiệu kênh thơng tin khác Các mạch lọc sử dụng kênh TV thông thường mạch 248 Dáp ứng tần số, mạch lọc cộng hưởng lọc thông dải với tần số trung tâm thay đổi được, đáp ứng yêu cầu lựa chọn kênh người dùng Các rnạch lọc tần thấp thường đưỢc sử dụng hệ thống chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số (Analog to Digital Converter - ADC) để loại bỏ hiệu ứng chồng phổ (aliases) Tín hiệu nguồn Hình 6.3: Sơ đồ khối mạch lọc mạch hai cỉía, mạch chọn kênh T V Dáp ứng tần số lý tưởng mạch lọc thể hìiih 6.4 với biên độ đơn vị tần số mong muốn không tần số chặn Tần số f c gọi tần số cắt mạch lọc Hình 6.4(a) đáp ứng tần số mạch lọc tần thấp LPF Mạch cho tần số thấp qua chặn tần số cao Hình 6.4(b) đáp ứng tần số mạch lọc tần cao HPF Mạch chặn tần số thấp cho tần số cao qua Nếu nối tầng hai mạch lọc tần thấp tần cao tạo mạch lọc thông dải mạch chặn dải hình 6.4(c), (d) Đáp ứng tần số mạch lọc hình 6.4 đáp ứng tần số lý tưởng Hình 6.5 đáp ứng tần số mạch lọc tần thấp thực tế Chuyển từ dải thông sang dải chặn vùng tần số lý tưởng tần số f c mạch lọc lý tưởng Dải tần số từ f c đến f s dải tần chuyển giao vùng tần số dải thông dải chặn Trong mạch lọc thực, đáp ứng tần số dải chặn dải thông số mà có gợn sóng thể hình vẽ Biên độ gợn sóng độ rộng vùng tần số chuyển giao định tính chất mạch lọc Các kiến thức sâu mạch lọc trình bày giáo trình Kỹ thuật điện tử giáo trình Xử lý tín hiệu số sau 6.1 Phân tích Eourier, mạch lọc hàm truyền Low pass filter 249 High pass íilter Ip♦o c