thí nghiệm lý thuyết mạch số 7 quá trình quá độ trong mạch tuyến tính

THÍ NGHIỆM VỀ VẬN TỐC TRUYỀN SÓNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY MỤC TIÊU Trong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ được học về cách đo vận tốc truyền sóng của một tín hiệu trên đường dây dài, sử dụng ph

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Lý thuyết mạch điện II – EE2022

THÍ NGHIỆM LÝ THUYẾT MẠCH SỐ 7

Quá trình quá độ trong mạch tuyến tính

IV Nhiệm vụ thí nghiệm

2 Vẽ quỹ đạo pha trên dao động ký hai tia, thay đổi thông số R, L, C xét ảnh hưởng tới quá trình dao động tắt dần của nghiệm tự do

Khi thay đổi R càng tăng thì mạch càng ít dao động

R=50Ω R=100Ω

R=200Ω R=300Ω

R=400Ω

Khi thay đổi C từ 2, 5, 10, 20 uF thì dao động càng trở thành hình sin

C=2 uF: C= 5uF:

C=10uF: C=20uF:

V Yêu cầu báo cáo thí nghiệm

1 Trình bày ảnh hưởng của thông số R, L, C tới hằng số thời gian và dao động của quá trình tự

do

- Khi R càng lớn thì sự dao động càng giảm

- Khi C thay đổi thì mạch có thể trở nên dao động hình sin hoặc sự dao động có thể lớn hơn

2 Cách chọn tần số thích hợp để quan sát thí nghiệm?

- Chọn tần số không quá lớn ~50Hz nếu lớn quá sẽ khó quan sát

THÍ NGHIỆM LÝ THUYẾT MẠCH SỐ 8

Một số tính chất của mạch phi tuyến

IV Nhiệm vụ thí nghiệm

1 Quan sát hiện tượng nhảy vọt áp của mạch nối song song cuộn dây lõi thép với tụ điện (hình 1) khi cung cấp bằng nguồn dòng

- Ghi lại các giá trị áp nhảy vọt

- Vẽ toàn bộ đặc tính U(I) dạng chữ N bằng nguồn áp biến thiên

U (V) 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 50 I( mA) 0 40.1 53 62.7 72.5 87.5 102.7 114.9 133.2 149.6 163.9 177.1 189.8 201.1 215.7 234.5 264.4 277.9

2 Quan sát hiện tượng nhảy vọt dòng trong mạch nối tiếp cuộn dây lõi thép với tụ điện hình 2 khi cung cấp bằng nguồn áp

- Ghi lại các giá trị dòng nhảy vọt quan sát được

- Vẽ toàn bộ đặc tính U(I) bằng nguồn áp

U (V) 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 50

I( mA) 0 57 82.9 96 109.9 120.6 130.4 139.6 153.2 166 178.5 201.4 224.8 258.8 299.2 340.3 414.8 461.1

3 Đo đặc tính Ura(Uvao) của sơ đồ mạch ổn áp (hình 3) trong trường hợp có tải và không có tải (R tai

= 100 ôm)

U vào 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 50

U ra 0 0.7 1.9 3.5 6.3 10.6 14.3 17.5 20.6 24 26.4 29.5 32.4 36.3 40.1 43.1 45.7 47

V Yêu cầu báo cáo thí nghiệm

1 Hiện tượng trigo là sự thay đổi trạng thái của một thành phần hoặc một mạch từ trạng thái bình thường sang trạng thái hoạt động Điều này xảy ra khi một tín hiệu đầu vào đạt mức cao nhất hoặc thấp nhất của nó

BÀI 1 THÍ NGHIỆM VỀ VẬN TỐC TRUYỀN SÓNG TRÊN

ĐƯỜNG DÂY

MỤC TIÊU

Trong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ được học về cách đo vận tốc truyền sóng của một tín hiệu trên đường dây dài, sử dụng phương pháp đáp ứng xung Dựa trên các phép đo, sinh viên có thể xác định được hằng số điện môi tương đối của bộ phận cách điện cấu thành nên dây hay cáp

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA

Ta đã biết rằng tín hiệu vô tuyến lan truyền trong chân không với vấn tốc ánh sáng Trên đường dây dài, một tín hiệu lan truyền với tốc độ thấp hơn Lý do chính dẫn đến sự giảm tốc độ đó là do có vật liệu điện môi dùng để cách điện trong chế tạo dây và cáp Ta có thể thấy sự có mặt của lớp điện môi trong một số đường dây đôi và cáp đồng trục như ở hình dưới đây:

Trong thực tế, vận tốc truyền sóng của một tín hiệu trên đường dây dài, ký hiệu Vp, phụ thuộc vào hệ số tự cảm và điện dung trên đơn vị dài, tương ứng L’ và C’, phân bố trên đường dây như mạch tương đương của đường dây hai dây ở hình sau:

Công thức của vận tốc truyền sóng được tính như sau: Vp = 1

LC

Trong đó Vp là vận tốc truyền sóng (m/s hay ft/s); L’ là hệ số tự cảm trên đơn vị dài (H/m hay H/ft); C’ là điện dung trên đơn vị dài (F/m hay F/ft);

a) Phương pháp đáp ứng xung

- Vận tốc truyền sóng của tín hiệu trên đường dây dài có thể được đo thông qua phương pháp đáp ứng xung Trong phương pháp này, ta cần một STEP GENERATOR và một Oscilloscope trở kháng cao với đầu dò nối tới và điểm phát cuối (sending end) của đường dây như hình bên dưới:

Điểm thu cuối (receiving end) của dây được để hở (tức là trở kháng bằng vô cùng, hay là đặt ở trạng thái hở mạch)

Sự lan truyền của tín hiệu trên đường dây có thể được mô tả như sau:

+ Tại thời điểm t=0, máy phát xung (step generator) tạo ra một sóng tới, là xung áp dương với độ dốc cao,

VI tới đường dây Sườn lên của xung tới được gọi là bước (step), hay quá độ Sóng tới này coi như sự cố bởi

nó sinh ra từ máy phát và đi xuống dây theo một tải có khả năng phản xạ

+ Xung VI lan truyền với tốc độ Vp dọc đường dây Nó tới điểm thu cuối sau một khoảng thời gian lan truyền T Tại đây thì cường độ tín hiệu đã giảm đi một lượng nhất định do điện trở của đường dây

+ Do trở kháng của tải ở điểm cuối thu của dây ở trạng thái hở mạch (tải bằng vô cùng), dẫn tới một xung phản xạ VR, quay ngược trở lại máy phát sau một thời gian đúng bằng hai lần thời gian xung truyền đi, 2T Tín hiệu ở điểm phát cuối của dây, biểu diễn theo thời gian, gọi là tín hiệu đáp ứng xung có thể được biểu diễn như hình sau:

Bằng cách quan sát và đo khoảng thời gian 2T trên màn hình Oscilloscope, ta có thể tính được vận tốc truyền sóng của một tín hiệu Vp lan truyền trên đường dây theo công thức sau:

Vp = 2I

2T

Trong đó: Vp là vận tốc truyền sóng (m/s hay ft/s); I là chiều dài dây (m hay ft);

2T là thời gian trễ trọn vòng (s)

Ngoài vận tốc truyền sóng, người ta cũng thường quan tâm tới hệ số vận tốc Hệ số vận tốc cho ta sự so sánh tương quan giữa vận tốc truyền trên đường dây dài với vận tốc ánh sáng trong chân không Hệ số vận tốc được tính theo công thức sau:

VF =V p .100%

c

Trong đó VF là hệ số vận tốc (%); c là vận tốc ánh sáng trong chân không (khoảng 3.108 m/s)

Trong trường hợp cáp đồng trục, hệ số vận tốc dao động trong khoảng từ 66 đến 85% như bảng sau:

Trên bo mạch với các đường dây dài A và B, cáp sử dụng là loại RG-174, do vậy hệ số vận tốc truyền sóng theo lý thuyết sẽ là 66%

b) Hằng số điện môi tương đối

Vận tốc lan truyền của một tín hiệu trên đường dây dài được xác đinh chủ yếu dựa trên hằng số điện môi của phần cách điện của dây Hằng số điện môi của vật liệu cách điện nào đó thường được biểu diễn thông qua tỷ số của nó với hằng số điện môi của chân không Tỷ số này được gọi là hằng số điện môi tương đối Một khi ta biết được vận tốc lan truyền trên đường dây dài, ta có thể tính được hằng số điện môi tương đối,

r của vật liệu cách điện trong dây theo công thức dưới đây

TỪ VÀ THUẬT NGỮ MỚI

Điểm phát cuối (sending end)- là điểm cuối cùng ở phía đầu đường dây dài thí nghiệm, tại đó phát ra tín hiệu

Điểm thu cuối (receiving end)- là điểm cuối cùng bên phía đầu thu tín hiệu

Thời gian trễ trọn vòng (Round-trip time) – là khoảng thời gian xung lan truyền tính từ lúc được phát

ra từ máy phát tới điểm thu cuối và quay ngược trở lại máy phát

THIẾT BỊ CẦN THIẾT

• FACET base unit

• Bo mạch Communications Transmission Lines 581192 (91028-20)

• Oscilloscope hai kênh

• Máy phát xung bậc thang (step generator)

của TRANSMISSION LINE A (hở mạch) như hình dưới đây:

Tiếp đến, nối máy phát xung vào đầu trigger của Oscilloscope thông qua một dây cáp đồng trục

Cuối cùng, dùng dầu dò của Oscilloscope để nối Kênh số 1 của Oscilloscope tới đất (0-foot) tại điểm cuối phát ở TRANSMISSION LINE A Cũng lưu ý là cần nối dây nối đất của đầu dò với đầu nối đất của dây cáp đồng trục 3 Đặt các thông số sau cho Oscilloscope:

Tín hiệu này tương ứng với đáp ứng xung của TRANSMISSION LINE A Xung phản xạ có chồng lên xung tới (incident) như trên hình đưới đây không?

a Có

b Không

5 Quan sát sườn lên của xung tới và xung phản xạ xem hai tín hiệu này bắt đầu tăng đến một mức độ nào đó sẽ giảm mạnh theo hàm mũ, giống như ta thường thấy điện áp trên tụ điện ở mạch nối điếp với điện trở Điều này có nói lên rằng TRANSMISSION LINE A có một sự mất mát đáng kể?

a Có

b Không

6 Khi xung tới truyền đến điểm thu cuối của TRANSMISSION LINE A, nó bị phản xạ lại phía phát là do:

đương Thévénin của máy phát xung

7 Giảm thang ô thời gian của Oscilloscope xuống 0.05µs/div

Trên Oscilloscope, đo thời gian trễ trọn vòng, 2T, đo khoảng cách giữa sườn lên của xung tới với sườn lên của xung phản xạ như hình dưới đây:

B Tính hằng số điện môi tương đối

10 Dựa trên vận tốc truyền sóng tính được ở bước 8, xác định hằng số tương đối của vật liệu cách điện trong dây cáp loại RG-174 dùng cho TRANSMISSION LINE A và B

r=c2/Vp2

C Sự thay đổi của thời gian trễ trọn vòng theo sự thay đổi chiều dài dây 11 Tăng chiều dài của đường dây từ 24 mét lên 48 mét bằng cách nối hai TRANSMISSION LINE A và B với nhau Ta thực hiện bằng cách nối đầu BNC tại điểm thu cuối của TRANSMISSION LINE A với đầu nối BNC ở điểm phát cuối của TRANSMISSION LINE B bằng một đoạn cáp đồng trục Đồng thời đầu nối BNC ở điểm thu cuối của TRANSMISSION LINE B để hở

12 Đặt thời gian mỗi ô của Oscilloscope sang 0.2µs/div Quan sát thời gian trễ trọn vòng 2T thông qua các sườn lên của xung tới và xung phản xạ thấy có tăng gấp đôi Thời gian 2T tăng gấp đôi

vì:

a Vận tốc truyền sóng giảm hai lần

b Chiều dài dây tăng gấp đôi

c Hằng số điện môi tương đối tăng gấp đôi

d Tổng trở sóng của đường dây tăng gấp đôi

13 Trên màn hình hiện sóng, quan sát thấy xung tới và xung phản xạ ban đầu tăng tới một mức độ nào đó, sau đó tăng theo hàm mũ (giống như trường hợp ta xét đường dây 24m)

Các xung này tăng như nhau là do hằng số thời gian của mạch tương đương RC nối tiếp biểu diễn thông qua đường dây được xác định bởi

a Tổng trở sóng có giá trị bằng hằng số

b Tổng của trở nối tiếp và tụ điện song song của toàn bộ dây

b Tổng trở nối tiếp, tụ điện song song, cuộn cảm nối tiếp trên đơn vị dài của đường dây

có thể tính vận tốc truyền song

• Từ vận tốc truyền sóng của một tín hiệu trên một đường dây dài, ta có thể tính tỉ lệ phần trăm của nó so với vận tốc ánh sáng trong chân không, gọi là hệ số vận tốc

• Vận tốc truyền sóng trên một đường dây dài chủ yếu xác định bởi hằng số điện môi tương đối ở vật liệu dùng trong phần cách điện của cáp/dây trong đường dây dài Hằng số điện môi tương đối càng nhỏ thì vận tốc truyền sóng càng lớn

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Trên đường dây dài, một tín hiệu ở một vận tốc

a Không tính được nếu trở kháng của tải ở đầu cuối nhận của đường dây ở trạng thái hở mạch

b Tỷ lệ với hằng số điện môi tương đối của vật liệu cách điện dùng chế tạo dây

c Thường tăng khi đường kính của lõi dẫn điện của dây giảm

d Thường nhỏ hơn 3.108 m/s

2 Hằng số điện môi của vật liệu điện dùng cho chế tạo dây

a Là một thước đo thể hiện khả năng của vật liệu có thể duy trì sự khác biệt về vận tốc truyền sóng ở một khoảng cách đã cho

b Được gọi là hằng số điện môi tương đối khi biểu diễn thông qua hằng số điện môi của chân không

c Thường được biểu diễn theo tỷ lệ phần trăm của nó so với vận tốc ánh sáng trong chân không

d Không xác định hệ số vận tốc của dây đó

3 Vận tốc truyền sóng của một tín hiệu trên đường dây dài có thể được xác định bằng

a Một đầu dò của Oscilloscope nối với điểm cuối phát của đường dây và một máy phát xung nối vào đầu cuối thu của đường dây

b Một công thức đơn giản nếu như biết thời gian cần thiết để xung điện áp truyền tới điểm thu cuối của đường dây và quay trở lại máy phát

c Phương pháp đáp ứng xung, cho trở kháng tải phù hợp (hòa hợp tải) với tổng trở sóng của đường dây

d Một máy phát xung và một Oscilloscope nối vào đầu cuối nhận của đường dây

4 Khi dùng phương pháp đáp ứng xung, tín hiệu quan sát được trên Oscilloscope ở đầu cuối phát của dây gồm có

a Một xung phản xạ chồng lên xung tới phát ra, sườn lên của xung tới có điện thế cao hơn so với sườn lên của xung phản xạ do hiện tượng suy giảm

b Một xung tới chồng lên xung phản xạ, sườn lên của xung tới có điện thế cao hơn so với sườn lên của xung phản xạ do hiện tượng suy giảm

c Một xung phản xạ chồng lên xung tới, khoảng thời gian giữa hai xung này tương ứng với vận tốc truyền sóng

d Một vài xung tới, khoảng thời gian giữa các sườn xung tới liên tiếp được xác định thông qua chiều dài dây

5 Khi một xung áp được đưa vào một đường dây có tiêu tán mà trong đó các tiêu tán nối tiếp chiếm phần lớn

a Một số phần tử tần số cao trên các xung áp làm cho đường dây đóng vai trò như là một mach

RC đơn giản

b Xung tới và xung phản xạ trước tiên sẽ tăng tới một mức độ nhất định sau đó giảm theo hàm mũ

c Không thể đo được thời gian giữa sườn lên của xung tới và xung phản xạ

d Đường dây sẽ đóng vai trò như một mạch LC đơn giản dưới góc nhìn là tải

BÀI 3 THÍ NGHIỆM VỀ HIỆN TƯỢNG MÉO VÀ SUY HAO TÍN HIỆU DỌC

ĐƯỜNG TRUYỀN

MỤC TIÊU

Khi hoàn thành xong bài thí nghiệm này, sinh viên sẽ hiểu rõ hơn về khái niệm suy hao và méo cũng như ảnh hưởng của chúng tới dạng của tín hiệu truyền Sinh viên có thể giải thích nguyên nhân của hiện tượng méo và suy hao Đồng thời sinh viên cũng được học một phương pháp đánh giá chất lượng tín hiệu trong các

hệ thống truyền tải tốc độ cao

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VÀ CÂU HỎI KIỂM TRA

a) Suy hao tín hiệu

- Trên đường dây dài có tiêu tán, tín hiệu truyền đi bị mất đi năng lượng do tiêu hao trong quá trình truyền trên đường dây Điều này xảy ra vì năng lượng tiêu tán trên các điện trở dọc R’s và điện trở ngang R’P trên đơn vị dài của đường dây

Năng lượng mất đi ở mỗi R’s do tỏa nhiệt của các dây dẫn (I2R) Năng lượng mất đi ở mỗi R’P do tỏa nhiệt của vật liệu cách điện dùng trong chế tạo dây dẫn (tổn hao Shunt hoặc điện môi) như hình dưới đây:

Năng lượng tiêu hao làm cho tín hiệu truyền đi bị giảm trong quá trình truyền đi trên đường dây như hình phía dưới Mức độ giảm của tín hiệu theo khoảng cách được gọi là sự suy hao Sự suy hao tăng lên khi khoảng cách từ điểm phát tăng lên

Sự suy hao thường được biểu diễn qua đơn vị decibel (dB) Biểu thức tính toán suy hao trên nguồn tín hiệu ở một khoảng cách D từ điểm phát của đường dây như sau:

A =10log PD Ps

Trong đó: A là sự suy hao về năng lượng của tín hiệu (dB); log là logarith thang 10; PD là năng lượng tín hiệu ở khoảng cách D từ điểm phát của đường dây (W); Ps là năng lượng tín hiệu ở điểm phát ở đường dây (W)

Bảng dưới đây biểu diễn sự suy hao, A, theo tỷ lệ PD/ PS khác nhau Mỗi khoảng thời gian mà tỷ lệ giảm đi

2 lần, năng lượng của tín hiệu bị suy hao 3dB

Ví dụ, sự suy hao năng lượng tín hiệu ở khoảng cách D từ điểm phát của đường dây, nếu tỷ lệ PD/ PS là 0.75 sẽ là -1.25dB

Bình thường khi đo điện áp, thay vì đo năng lượng, công thức tính toán sự suy hao trên năng lượng tín hiệu

ở khoảng cách D từ điểm phát của dây trở thành:

Các nhà sản xuất đường dây thường cung cấp đồ thị cho biết thông tin về sự suy hao trên đơn vị dài, , của một dây dẫn như là một hàm của tần số tín hiệu Các thông tin này là cần thiết bởi lẽ ở tần số càng cao thì suy hao trên đơn vị dài sẽ càng tăng lên do hiệu ứng bề mặt (skin effect)

Hiệu ứng bề mặt được minh họa như hình dưới đây

Với tín hiệu một chiều hoặc tần số thấp, mật độ dòng điện tương đối đồng nhất dọc theo vật dẫn Ở các tần

số cao hơn, mật độ dòng điện có xu hướng tập trung gần phía bề mặt của vật dẫn, do đó làm tăng sự cản trở dòng điện chạy qua, và cả suy hao trên đơn vị dài

b) Các tần số bộ phận của một tín hiệu

Một tín hiệu hình sin thuần túy chỉ bao gồm một thành phần tần số duy nhất, gọi là tần số cơ bản Tuy nhiên, các tín hiệu tuần hoàn thường bao gồm một vài thành phần tần số khác nhau chồng lên Các thành phần này là các sóng có dạng sin nhưng với biên độ và tần số khác nhau Chúng gồm có một thành phần cơ bản, gọi là điều hòa bậc nhất, bằng với tần số của tín hiệu, và vài tần số điều hòa bậc cao hơn

c) Méo tín hiệu Trên đường dây dài, tốc độ truyền sóng tướng ứng với tần số cơ bản và thành phần điều hòa trong tín hiệu truyền được xác định chủ yếu thông qua hằng số điện môi của vật liệu điện Ở đường dây không tiêu tán hoặc là có tiêu tán rất nhỏ, hằng số điện môi gần như không đổi theo tần số Do đó, tần số cơ bản và các tần số điều hòa bậc cao của tín hiệu truyền coi như lan truyền trên đường dây với vận tốc như nhau Ngược lại, ở đường dây dài có tiêu tán, hằng số điện môi tương đối thay đổi theo tần

số Dẫn đến tần số cơ bản và điều hòa của tín hiệu lan truyền với vận tốc khác nhau Hiện tượng này gọi

là sự phân tán, gây ra méo tín hiệu, làm cho hình dạng của tín hiệu truyền đi bị méo đi Minh họa của tín hiệu trên đường dây không tiêu tán và có tiêu tán được biểu diễn như hình dưới đây: