Báo cáo thí nghiệm giải tích mạch 2

MUC DICH: Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiệu được tính chất phụ thuộc tần sô của mạch điện thông qua xác định đáp ứng tần số của mạch, khảo sát các mạch lọc thụ động cơ bản và tìm hiểu

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHI MINH

TRUONG DAI HOC BACH KHOA TPHCM

KHOA DIEN- DIEN TU

Bai 4: DAP UNG TAN SO VA MACH CONG HUONG

A MUC DICH:

Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiệu được tính chất phụ thuộc tần sô của mạch điện thông

qua xác định đáp ứng tần số của mạch, khảo sát các mạch lọc thụ động cơ bản và tìm hiểu

hiện tượng cộng hưởng (xem thêm lý thuyết ở chương 2 - giáo trình Mạch Điện ])

B DAC DIEM:

Mạch lọc điện là mạch điện có tính chất cho qua (pass) các tín hiệu ở một khoáng tần

sô nào đó và không cho qua (stop) các tín hiệu ở các tần số còn lại Mạch lọc thụ động

được thiết kế từ các phần tử R, L, C và M Mạch lọc tích cực có sự tham gia của các phần

tử nguôn, phô biến là các phần tử mạch bán dẫn hay OP-AMP Có 4 loại mạch lọc cơ bản:

mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải và mạch lọc chắn dải Khảo sát mạch lọc dựa trên tìm đáp ứng tần số của mạch lọc, thường viết đạng:

Vout

Ho) = 7 |H(jw)|Lo

in

À Ag 3 ga A x ae ; _ il ;

Tân sô cắt (£.) của mạch lọc là tan so ma 6 d6 |H (jw)| = 7 |H(jw) |max

hay tính theo độ lợi đơn vị đB là -3đb so độ loi tai | H (jw )| max

Cộng hưởng là một hiện tượng đặc trưng của tính chất thay đổi theo tần số của một

nhánh mạch điện: áp và dòng sẽ cùng pha tại tần số cộng hưởng Có hai dạng cộng hưởng

cơ bản: cộng hưởng nồi tiếp và cộng hưởng song song Ở mạch cộng hưởng RLC nối tiếp, trị hiệu dụng các điện áp trên các phần tử kháng ở gần cộng hưởng sẽ rất lớn so với điện

áp vào của mạch (do đó mạch cộng hưởng nối tiếp còn gọi là cộng hưởng áp) Ở mạch cộng hưởng RLC song song thì dòng điện qua mắc lưới LC ở gần cộng hưởng sẽ rất lớn so với dòng điện cấp cho mạch (do đó mạch cộng hưởng song song còn gọi là cộng hưởng đòng )

Tại tần số cộng hưởng , biên độ tín hiệu ngõ ra sẽ là cực đại Và khoảng tần số , mà ở

đó biên độ hàm truyền đạt áp lớn hơn” biên độ cực đại , được gọi là băng thông của mạch cộng hưởng (ký hiệu là BW) Dấu bằng xảy ra tại tần số cắt của mạch cộng hưởng Có hai

giá trị tần số cắt : tần số cat dudi f (hay øœ1) bé hơn tần số cộng hưởng và tần số cắt trên

f (hay w2) lớn hơn tần số cộng hưởng (xem thêm các công thức tính tần số cắt theo thông

sô mạch ở chương 2- giáo trình Mạch Điện [ )

Băng thông của mạch cộng hưởng được xác định khi biết tần số cắt :

BW = fh- fi (Hz)

Hay: BW = w2 — @} (rad/s)

Hệ số phẩm chất Q của mạch cộng hưởng có thê tính bằng công thức :

Q=f/BW: với f là tần số cộng hưởng

(BW và tần số cùng theo thứ nguyên như nhau)

C PHAN THI NGHIEM :

L Gia tri thông số mạch thí nghiệm:

Giá trị thông sô mạch thí nghiệm trong bài thí nghiệm này cho trong bảng sau, trong

đó Rr là điện trở nội của cuộn dây trong mô hình nỗi tiếp

IL Mạch cộng hưởng RLC noi tiếp:

a) Đo tần số cộng hưởng nối tiếp:

Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.4.1 Chỉnh máy phát sóng sin để u¡n luôn có

biên độ 2 V, tần số chỉnh từ IkHz đến khoáng I0kHz

fo= 2272 Hz

Dao động ký CHÍ CH2 GND

mm H

Hình 1.4.1: Mạch cộng hưởng nối tiếp

b) Vé dang Uau(f) của mạch nối tiếp:

Mạch thí nghiệm như 1.4.1, chỉnh ua biên độ 2V, tần số thay đổi

c) Do tan s6 cat va bang théng mach ndi tiếp:

1

+ Từ giá trị ñ, giảm từ từ tần số máy phát cho dén khi Vour = = Uae (Fo)

fi= 1515 Hz

v2 Usu()E 1 V

+ Từ giá trị fo, tang tir tir tan so may phat cho dén khi Uoue == Uae (f 0)

%sai sd = | _ Lýthuết -đođy_ 100%

e) Đo góc lệch pha giữa uau¡ và uịn tại các tần số cắt:

JHL, Mạch cộng hưởng RC song song:

a) Do tansé cong hưởng song song:

Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.4.2 Chỉnh máy phat song sin để u¡n luôn có

biên độ 2 V, tần số chỉnh từ IkHz đến khoáng I0kHz

Hình 1.4.2: Mạch cộng hưởng song song

Mach thi nghiệm như 1.4.2, chỉnh ua biên độ 2 V, tần số thay đôi (có thể đọc tần số

Hình 1.4.3: Mạch lọc thông thấp RC

Tân số 100Hz IkHz 10kHz 100kHz | fe=3 Uin (V) 2 2 2 2 2

Uout (V) 2 19 0.6 0.09 1.41 20log(Uout/Uin) 0 -0.445 | -10.46 -26.94 -3.04 o(deg) 0 -14.4 -72 -88.4 -45

+ Vẽ đặc tuyến biên độ và pha theo thông số mạch dùng Bode plot

đặc tuyến biên độ Bode plot

đặc tuyến pha Bode plot

—=e— Thục tế =—@—Bode plot

+ Thiết kê bộ lọc thông thấp , dùng mạch R-C, có tần số cắt f= 1,7 Khz

V Mach loc théng cao RL:

+ Thực hiện mạch thi nghiệm như Hình 1.4.4

Tính tần số cắt (f.) của mạch lọc theo thông số mạch

Tân số 100Hz IkHz 10kHz 100kHz | fe

Uout (V) 0.5 0.975 1.95 1.98 14 20log(Uout/Uin) -12.04 -6.24 -0.45 -0.09 3.1

+ Vẽ đặc tuyến biên độ logarithm và đặc tuyến pha của mạch lọc

đặc tuyến biên độ logarithm và đặc tuyến pha của mạch lọc thông cao RL

+ Vẽ đặc tuyến biên độ và pha theo thông số mạch dùng Bode plot

đặc tuyên biên độ Bode plot

đặc tuyến pha Bode plot

=O= Thuc té =#—hode ploi

+ Thiết kế bộ lọc thông cao , dung mach R-L, co tan sô cắt f-= 5 Khz

Bài 5 : QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ MẠCH TUYẾN TÍNH

A MUC DICH:

Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu được một số đặc tính quá độ ở mạch tuyến tính,

gôm các mạch: RC; RL và mạch RLC Thông qua các đặc tính này, sinh viên có thể kiểm nghiệm được các phương pháp phân tích mạch quá độ đã học ở phần lý thuyết, và hiểu thêm được một số quá trình vật lý xảy ra trong các mạch quá độ thực tế

B DAC DIEM :

Quá trình quá độ là quá trình xuất hiện khi mạch chuyển từ một chế độ xác lập này sang

chế độ xác lập khác (xem thêm lý thuyết về phân tích mạch miền thời gian: chương 6 — giáo trình Mạch Điện II) Thông thường thời gian quá độ rất ngắn nên để quan sát quá trình quá độ người ta có thê sử dụng nguồn kích thích chu kỳ có biên độ biến thiên đột ngột (đóng mở theo chu kỳ đủ lớn cho phép theo dõi được quá trình quá độ diễn ra trong mạch)

C PHAN THI NGHIEM :

I Théng s6 mach thi nghiém:

Thông số trong các mạch thí nghiệm của bài này cho trong bảng sau, trong đó Rị là điện trở trong mô hình nói tiếp của cuộn dây

II Mạch quá độ cấp I RC:

a) CHINH DANG SONG VÀO MẠCH: Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.5.1

Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung trên hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz

(nêu chọn Time/div = 0.5 ms thì chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ là 4 ô) Ghi lại dạng

sóng khảo sát quá d6 uap(t)

Dao động ký CHÍ CH2 GND

b) Quan sát dạng tín hiệu áp trên tụ dùng mạch Hình I.5.2 Ghi nhận lại dạng sóng

ue trên đao động kỷ ứng với VR¡ = 2 kQ (chon gia tri cho VR)

Hình 1.5.2: Quan sat dang áp trên tụ

c) Quan sát dạng tín hiệu dòng điện qua tụ dùng mạch Hình 1.5.3 Ghi nhận lại dạng

song i,(t) trên dao động ký ứng với VR¡ = 2 kO Lưu ý các giá trị dòng điện tính thông qua

ap trén Ro

KIEM CHUNG TINH TOAN LY THUYET: Gia str qua trinh uạ, =—2V là xác lập Tại

t=0, uạp thay đối từ -2V đến 2V: Dùng tích phan kinh dién hay toan tir Laplace, cho biết dang áp trên tụ và dòng qua tụ ở mạch quá độ cấp I RC khi t > 0 có biêu thức:

ue( =2— 4.e1912t (V), 1c(£) = 2.103.192! (A),

Hinh 1.5.3: Quan sat dang dong dién qua tu

d) DO HANG SO THOL GIAN CUA MACH QUA DO CAP IRC: Thời hằng của

mach quá độ cấp I RC xác định theo công thức:

T‹ [s] = R[O].C|[F]

Đại lượng này có thê đo được khi dùng mạch thí nghiệm Hình I.5.2 Thế t = re vào các

biéu thức & phan c) sé cho ta giá trị i.(œ), giúp ta đọc được +c khi dựa vào dang song i:(t) trên màn hình dao động ký (bằng số ô theo chiều ngang và giá trị nút chỉnh Time/div, nhớ

chỉnh các biến trở VAR về CAL) Hoàn thành bảng số liệu sau ứng với VRI= 2 kQ và

II Mạch quá độ cấp I RL:

a) CHỈNH DẠNG SÓNG VÀO MẠCH: Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.5.4

Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung trên hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz

(nêu chọn Time/div = 0.5 ms thi chinh nut Fre dé tin hiệu có chu ky 1a 4 6) Ghi lai dang

sóng khảo sat qua dé uap(t)

Dao động ký CHÍ CH2 GND

Hinh 1.5.4: Chinh dang sUng thi nghiệm

b) Quan sát dạng tín hiệu áp trên cuộn dây dùng mạch Hình 1.5.5 Ghi nhan lai dang sóng trên dao động ký ứng với VRas= 100 O

Hinh 1.5.5: Quan sát dạng áp trên cuộn dây

¢) Quan sát dạng tín hiệu dòng điện qua cuộn dây dùng mạch Hình 1.5.6 Ghi nhận lại dạng sóng trên dao động ký ứng với VR:= 100 Ó

Dao động ký

CHÍ CH2 GND

n Oo

Hinh 1.5.6: Quan sát dạng dòng điện qua cuộn dây

KIEM CHUNG TINH TOAN LY THUYET: Gia str qua trinh uạ, =—2V là xác lập Tại

t=0, uạp thay đối từ -2V đến 2V: Dùng tích phan kinh dién hay toan tir Laplace, cho biết dạng áp và dòng trên cuộn dây ở mạch quá độ cấp I R-L khi t > 0 có biểu thức:

ui(£) = 1,2 + 1,6.e 599% (V),

1Ð) = 4.102.(1— 2e 0999 (A),

d) DO HANG SO THOI GIAN CUA MACH QUA DO CAP I RL: Thoi hang cua

mach qua d6 cap I RL xac dinh theo công thức :

( thay déi) VR: VR¿ VR: VR¿ VRi VR¿ -2V-—›2V | 10000 | 0/1250 | 39460 | -02821 | 09886 | 0/1387

IV Mạch quá độ cấp II RLC:

a) CHINH DANG SONG VÀO MẠCH: Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.5.7

máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2 V, tần số 500 Hz

(nêu chọn Time/div = 0.5 ms thi chinh nut Fre dé tin hiệu có chu ky 1a 4 6) Ghi lai dang

song khảo sat quá d6 uap(t)

b) DO DIEN TRG TOLHAN CUA MACH QUÁ DO CAP II: Ding mạch thí nghiệm

như trên Hinh 1.5.8 Tw gia tri VR = 500 Q, tang tir tir VR (mdi bude 100Q, chinh tinh dùng biến trở 10 ©) và quan sát tín hiéu uc(t) trên dao động ký cho tới khi đạt chế độ tới

Hinh 1.5.9: Quan sat dang dong dién

(Céng thire ly thuyét tinh dién tré téi han 1a: Ru=2VL/C )

hiệu dòng qua tụ điện dùng mạch Hình 1.5.9 Cho biết mạch quá độ đang làm việc ở chế

độ nào và ghi nhận lại dạng sóng trên dao động ký ứng với các chế độ đó

THỊ) VR =500 O:

TH3) VR =4 kO:

> Mạch quá độ ở chế độ: DAO ĐỘNG

3> Dạng áp trên tụ đo được: > Dạng dòng qua tụ đo được:

d) KIEM CHUNG TINH TOAN LY THUYET: Gia str qua trình uạy =—2V là xác lập

Tai t = 0, ua thay đối từ -2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay toán ttr Laplace, cho

biết đạng điện áp và dòng qua tụ điện ở mạch quá độ cấp [RLC khi t >0 có biểu thức:

e) XAC DINH THONG SO DAC TRUNG CHO CHE ĐỘ DAO ĐỘNG: Theo kết

cé dang: s7 + 85+ 1 5 s2 +2.%.s +ø” với nghiệm phức: si2= — _ + — (2= x

Doc gia tri T va [1, la trên màn hình dao động ký ứng với VR = 500 2 Từ đó suy ra a

và 8 So sánh giá trị tính theo thông số mạch ?

0 ĐO R TỚI HẠN CUA MACH QUA DO CAP II RLC SONG SONG: Ding mach

thi nghiém nhw trén Hinh 1.5.11 Tw gia tri VR = 100 Q, tang tr tir VR (mdi bude 100Q, chỉnh tinh dùng biến tré 10Q) va quan sát tín hiệu uou(t) cua mach song song trén dao động

ký cho tới khi đạt chế độ tới hạn Ghi số liệu Cho biết giá trị này tinh theo thông số mạch

> Module bài thí nghiệm SỐ 5

> Dao dong ky

> DMM va cau do RLC

> Dây nổi.