148 - M ạ ch l ọ c t ầ n th ấ p có d ả i thông t ừ 0 đế n m ộ t t ầ n s ố ω 2 nào đấ y (h.2.116a). - M ạ ch l ọ c t ầ n cao có d ả i thông t ừ giá tr ị 1 ω đế n vô h ạ n (h.2.116b). - M ạ ch l ọ c thông d ả i có d ả i thông n ằ m trong kho ả ng t ầ n s ố t ừ 1 ω đế n 2 ω (h.2.116c). - M ạ ch l ọ c ch ắ n d ả i có d ả i thông chia làm hai vùng: 0 ÷ 1 ω và t ừ 2 ω ÷ ∞ , (trong đ ó 12 ωω > ) còn ở vùng t ầ n s ố t ừ 21 ωω ÷ tín hi ệ u b ị tri ệ t tiêu (h.2.116d). Hình 2.116: Đặc tuyến các dạng bộ lọc G ọ i K L là h ệ s ố truy ề n đạ t c ủ a m ạ ch l ọ c t ứ c là K L = U r /U v trong đ ó U r là tín hi ệ u ở đầ u ra, U v là tín hi ệ u ở đầ u vào m ạ ch l ọ c, đặ c tuy ế n biên độ t ầ n s ố K L ( ) ω c ủ a b ố n lo ạ i trên ở d ạ ng lý t ưở ng cho trên hình 2.116a, b, c, d. M ạ ch l ọ c có th ể xây d ự ng t ừ các linh ki ệ n th ụ độ ng RLC. Tuy nhiên lo ạ i này th ườ ng có độ suy gi ả m l ớ n, và vi ệ c s ử d ụ ng cu ộ n c ả m L làm cho m ạ ch l ọ c tr ở nên c ồ ng k ề nh khó ch ế t ạ o d ướ i d ạ ng vi m ạ ch, đặ c bi ệ t là ở d ả i t ầ n th ấ p. Vì v ậ y trong d ả i t ầ n s ố d ướ i vài tr ă m KHz ng ườ i ta th ườ ng s ử d ụ ng m ạ ch l ọ c đượ c xây d ự ng d ự a trên các linh ki ệ n th ụ độ ng RC k ế t h ợ p v ớ i các ph ầ n t ử tích c ự c (thông th ườ ng là các vi m ạ ch thu ậ t toán) và lo ạ i này đượ c g ọ i là m ạ ch l ọ c tích c ự c. Trong th ự c t ế ng ườ i ta th ườ ng s ử d ụ ng các m ạ ch l ọ c có hàm truy ề n đạ t b ậ c hai vì chúng có nhi ề u ư u đ i ể m nh ư t ươ ng đố i đơ n gi ả n, h ệ s ố ph ẩ m ch ấ t có th ể đạ t đượ c t ớ i vài tr ă m, d ễ đ i ề u ch ỉ nh, làm vi ệ c ổ n đị nh. Hàm truy ề n đạ t b ậ c hai đượ c vi ế t d ướ i d ạ ng sau: K L ω K L ω K L ω K L ω 149 Hình 2.117: Các dạng mạch lọc K (P) = 01 2 2 01 2 2 apapa bpb α pb ++ ++ (2-251) Ở đ ây p = RCj ω là bi ế n ph ứ c đ ã chu ẩ n hoá. Đố i v ớ i b ố n lo ạ i m ạ ch l ọ c trên, n ế u s ử d ụ ng lo ạ i m ạ ch l ọ c b ậ c hai thì hàm truy ề n đạ t c ủ a chúng có d ạ ng c ụ th ể nh ư sau : • m ạ ch l ọ c t ầ n th ấ p b ậ c hai (b 1 = b 2 = 0) K (P) = 01 2 2 0 apapa b ++ (2-252) • m ạ ch l ọ c t ầ n cao b ậ c hai (b 1 = b 0 = 0) K (P) = 01 2 2 2 2 apapa pb ++ (2-253) • m ạ ch l ọ c thông d ả i b ậ c hai (b 2 = b 0 = 0) K (P) = 01 2 2 1 apapa pb ++ (2-254) • m ạ ch l ọ c ch ắ n d ả i b ậ c hai (b 1 = 0) 150 K (P) = 01 2 2 0 2 2 apapa bpb ++ + (2-255) Trên hình 2.117 đư a ra ví d ụ v ề d ạ ng m ạ ch l ọ c tích c ự c c ụ th ể t ươ ng ứ ng v ớ i các d ạ ng m ạ ch l ọ c t ầ n th ấ p, t ầ n cao và thông d ả i. 2.5. TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA 2.5.1. Nguyên lý chung tạo dao động điều hoà Có ba ph ươ ng pháp chính để t ạ o ra tín hi ệ u hình sin là: - Dùng h ệ t ự dao độ ng g ầ n v ớ i h ệ b ả o toàn tuy ế n tính. - Bi ế n đổ i m ộ t tín hi ệ u tu ầ n hoàn t ừ m ộ t d ạ ng khác thành d ạ ng hình sin. - Dùng b ộ bi ế n đổ i s ố t ươ ng t ự (DAC). Ph ươ ng pháp th ứ nh ấ t đượ c ứ ng d ụ ng khá r ộ ng rãi trong các máy t ạ o dao độ ng hình sin c ổ đ i ể n. Ph ươ ng trình vi phân c ủ a m ộ t h ệ dao độ ng đượ c mô t ả nh ư sau: 0xω dt dx x,µF dt xd 2 2 2 =+ + Trong đ ó F dt dx x, là m ộ t hàm phi tuy ế n µ là h ệ s ố nh ỏ , đồ ng th ờ i tho ả mãn đ i ề u ki ệ n 0 dt dx x,µF ' → . Máy t ạ o dao độ ng hình sin lo ạ i này th ườ ng đượ c xây d ự ng d ự a trên các m ạ ch ch ọ n l ọ c RLC. Lo ạ i máy phát này đơ n gi ả n, có h ệ s ố méo nh ỏ . S ơ đồ kh ố i c ủ a chúng có d ạ ng nh ư hình 2.118. Ở đ ây AE là ph ầ n t ử tích c ự c có h ệ s ố khu ế ch đạ i K ; W là là m ạ ch h ồ i ti ế p tuy ế n tính có h ệ s ố truy ề n đạ t là β ph ụ thu ộ c vào t ầ n s ố . M ạ ch này xác đị nh t ầ n s ố dao độ ng c ủ a h ệ . B là m ạ ch h ồ i ti ế p phi tuy ế n dùng để ổ n đị nh biên độ dao độ ng. Hình 2.118: Sơ đồ khối mạch dao động Hình 2.119: Máy phát đa tín hiệu B AE/K W/ β I R F 151 Ph ươ ng pháp th ứ hai đượ c s ử d ụ ng trong các lo ạ i máy phát đ a ch ứ c n ă ng (máy phát hàm). Lo ạ i máy phát này cùng lúc có th ể cho nhi ề u d ạ ng tín hi ệ u ở các đầ u ra khác nhau nh ư tín hi ệ u hình tam giác, tín hi ệ u xung hình ch ữ nh ậ t v.v Tín hi ệ u hình sin nh ậ n đượ c nh ờ m ộ t b ộ bi ế n đổ i “xung tam giác-hình sin”. Lo ạ i máy phát này g ầ n đ ây đượ c s ử d ụ ng r ộ ng rãi nh ờ tính đ a n ă ng c ủ a nó. Tuy nhiên tín hi ệ u hình sin ở đ ây th ườ ng có h ệ s ố méo l ớ n h ơ n so v ớ i ph ươ ng pháp trên. M ộ t trong nh ữ ng s ơ đồ kh ố i đ i ể n hình c ủ a lo ạ i máy phát này đượ c mô t ả trên hình 2.119, trong đ ó: I là b ộ tích phân, R là ph ầ n t ử r ơ le, F là b ộ bi ế n đổ i “xung tam giác-hình sin”. M ạ ch kín I–R t ạ o nên m ộ t h ệ t ự dao độ ng, sinh ra hai d ạ ng tín hi ệ u có d ạ ng xung tam giác và xung ch ữ nh ậ t. Hình 2.120: Xấp xỉ hóa tín hiệu hình sin D ự a trên ti ế n b ộ k ỹ thu ậ t c ủ a nh ữ ng n ă m sau này, đặ c bi ệ t trong l ĩ nh v ự c k ỹ thu ậ t s ố , ng ườ i ta có th ể xây d ự ng máy phát tín hi ệ u hình sin d ự a trên nguyên t ắ c x ấ p x ỉ hoá t ừ ng đ o ạ n k ế t h ợ p v ớ i l ấ y m ẫ u đề u theo th ờ i gian (h.2.120). S ơ đồ kh ố i máy t ạ o dao độ ng hình sin b ằ ng ph ươ ng pháp s ố đượ c mô t ả trên hình 2.221. Trong đ ó T x là kh ố i t ạ o xung nh ị p; C là b ộ đế m thu ậ n ngh ị ch dùng để m ở theo th ờ i gian giá tr ị t ứ c th ờ i c ủ a đố i s ố ; DFC là b ộ bi ế n đổ i s ố – hàm để t ạ o các giá tr ị c ủ a tín hi ệ u hình sin ( ở d ạ ng s ố ); DAC là b ộ bi ế n đổ i s ố – t ươ ng t ự để bi ế n tín hi ệ u t ừ d ạ ng s ố ( đầ u ra c ủ a DFC) thành tín hi ệ u t ươ ng t ự (hình sin). Độ méo tín hi ệ u hình sin ph ụ thu ộ c vào s ố l ượ ng m ẫ u l ấ y trong m ộ t chu kì. N ế u s ố l ấ y m ẫ u càng l ớ n ( đượ c xác đị nh b ở i t ầ n s ố xung nh ị p) thì hình sin có độ chính xác càng cao. Tuy nhiên đ i ề u này ph ụ thu ộ c vào gi ớ i h ạ n t ầ n s ố làm vi ệ c c ủ a các b ộ DFC và DAC. Vì v ậ y ph ươ ng pháp này không th ể ứ ng d ụ ng ở t ầ n s ố cao để tín hi ệ u hình sin v ớ i h ệ s ố méo nh ỏ đượ c. Trong ba ph ươ ng pháp nêu trên, hai ph ươ ng pháp đầ u đượ c s ử d ụ ng r ộ ng rãi h ơ n. Vì v ậ y d ướ i đ ây kh ả o sát k ĩ h ơ n hai ph ươ ng pháp này. Hình 2.121: Tạo tín hiệu hình sin bằng phương pháp số t X(t) T X RC DFC DAC Tín hi ệ u hình sin 152 2.5.2. Máy phát dao động hình sin dùng hệ tự dao động gần với hệ bảo toàn tuyến tính Máy phát dao độ ng hình sin th ự c hi ệ n bi ế n đổ i n ă ng l ượ ng ngu ồ n dòng m ộ t chi ề u thành dòng xoay chi ề u có t ầ n s ố yêu c ầ u. Chúng đượ c c ấ u t ạ o trên c ơ s ở b ộ khu ế ch đạ i có h ồ i ti ế p d ươ ng đả m b ả o ch ế độ t ự kích ổ n đị nh ở t ầ n s ố yêu c ầ u. N ế u không xét đế n ph ầ n m ạ ch phi tuy ế n dùng để ổ n đị nh biên độ , s ơ đồ máy phát dao độ ng hình sin v ẽ l ạ i trên hình 2.123. H ệ s ố khu ế ch đạ i c ủ a b ộ khu ế ch đạ i và h ệ s ố truy ề n đạ t c ủ a m ạ ch h ồ i ti ế p là s ố ph ứ c, ngh ĩ a là có tính đế n s ự ph ụ thu ộ c c ủ a chúng vào t ầ n s ố . Tín hi ệ u vào s ơ đồ máy phát là m ộ t ph ầ n c ủ a đ i ệ n áp ra đượ c truy ế n theo m ạ ch h ồ i ti ế p d ươ ng. Để s ơ đồ làm vi ệ c trong ch ế độ phát sóng thì c ầ n có hai đ i ề u ki ệ n: đ i ề u ki ệ n c ầ n là t ổ ng các góc d ị ch pha c ủ a tín hi ệ u trong b ộ khu ế ch đạ i φ k và trong m ạ ch h ồ i ti ế p φ β (theo m ộ t vòng kín) là b ộ i s ố c ủ a 2 π . φ k + φ β = 2nπ (2-256) ở đ ây: n = 0,1,2… Công th ứ c (2–256) xác đị nh đ i ề u ki ệ n cân b ằ ng pha trong b ộ khu ế ch đạ i có h ồ i ti ế p d ươ ng. Đ i ề u ki ệ n th ứ hai g ọ i là đ i ề u ki ệ n v ề biên độ đượ c xác đị nh b ở i b ấ t đẳ ng th ứ c |K|.|β| ≥ 1 (2–257) Mu ố n đầ u ra c ủ a máy phát có đ i ệ n áp d ạ ng hình sin thì công th ứ c (2-256), (2– 257) ch ỉ đ úng ở m ộ t t ầ n s ố . Ý ngh ĩ a v ậ t lí c ủ a b ấ t đẳ ng th ứ c (2–257) là: Tín hi ệ u đượ c khu ế ch đạ i lên |K| l ầ n và b ị suy gi ả m ở m ạ ch h ồ i ti ế p |β| l ầ n, khi tho ả mãn đ i ề u ki ệ n (2–157) thì tín hi ệ u xu ấ t hi ệ n ở đầ u vào b ộ khu ế ch đạ i cùng pha nh ư tr ướ c, nh ư ng biên độ l ớ n. Nói cách khác đ i, b ấ t đẳ ng th ứ c |K|.|β| > 1 xác đị nh đ i ề u ki ệ n c ầ n để máy t ự kích khi có nh ữ ng thay đổ i đầ u tiên c ủ a dòng đ i ệ n và đ i ệ n áp trong s ơ đồ khu ế ch đạ i. Đẳ ng th ứ c |K|.|β| =1 t ươ ng ứ ng v ớ i vi ệ c chuy ể n máy phát sang ch ế độ công tác xác l ậ p, khi có s ự t ă ng c ủ a biên độ dao độ ng kéo theo h ệ s ố khu ế ch đạ i K gi ả m do đặ c tuy ế n c ủ a tranzito không tuy ế n tính (v ớ i biên độ tín hi ệ u l ớ n). Trong ch ế độ xác l ậ p thì thì tín hi ệ u ở đầ u ra và vào máy phát t ươ ng ứ ng v ớ i m ộ t giá tr ị ổ n đị nh nào đ ó. Đ ó là vì độ suy gi ả m do m ạ ch h ồ i ti ế p gây ra đượ c bù hoàn toàn nh ờ b ộ khu ế ch đạ i ( đ i ề u ki ệ n cân b ằ ng biên độ ). Giá tr ị đ i ệ n áp xác l ậ p tu ỳ thu ộ c vào h ệ s ố khu ế ch đạ i c ủ a b ộ khu ế ch đạ i K đố i v ớ i tín hi ệ u nh ỏ c ũ ng nh ư vào độ không tuy ế n tính c ủ a đặ c tuy ế n tranzito. S ự ph ụ thu ộ c c ủ a h ệ s ố khu ế ch đạ i vào nhi ệ t độ và đ i ệ n tr ở t ả i là nguyên nhân gây ra không ổ n đị nh biên độ đ i ệ n áp ra. Để ổ n đị nh biên độ này, ng ườ i ta m ắ c thêm vào m ạ ch m ộ t ph ầ n t ử ổ n đị nh không tuy ế n tính, c ũ ng nh ư th ự c hi ệ n h ồ i ti ế p âm ph ầ n th ự c. 153 Hình 2.123: Mô phỏng hoạt động của mạch dao động ghép biến áp Máy phát dao độ ng hình sin th ườ ng dùng m ạ ch dao độ ng LC và m ạ ch RC ph ụ thu ộ c t ầ n s ố . Máy phát dùng LC để t ạ o ra tín hi ệ u cao t ầ n (t ầ n s ố cao h ơ n vài ch ụ c kHz), còn máy phát dùng RC để t ạ o ra tín hi ệ u t ầ n th ấ p (t ớ i vài Hz). Để t ạ o ra dao độ ng hình sin, các bi ể u th ứ c (2-256)(2-257) đượ c tho ả mãn đố i v ớ i tín hi ệ u đ i ề u chu ẩ n f 0 và tr ở kháng c ủ a m ạ ch dao độ ng ph ả i là thu ầ n tr ở . S ự thay đổ i góc di pha c ủ a b ộ khu ế ch đạ i khi l ệ ch kh ỏ i t ầ n s ố c ộ ng h ưở ng là đ i ề u ki ệ n đủ để hoàn thành bi ể u th ứ c (2-256) đố i v ớ i t ầ n s ố f 0 , vì tr ở kháng c ủ a m ạ ch s ẽ không ph ả i là thu ầ n tr ở , mà mang tính ch ấ t đ i ệ n kháng ( đ i ệ n c ả m hay đ i ệ n dung). Tính ch ấ t đ úng đắ n c ủ a bi ể u th ứ c (2-257) đố i v ớ i t ầ n s ố c ộ ng h ưở ng đượ c xác đị nh b ằ ng tr ị s ố c ự c đạ i c ủ a h ệ s ố khu ế ch đạ i ở t ầ n s ố f 0 . M ạ ch đ i ệ n c ủ a máy phát LC r ấ t đ a d ạ ng. Chúng có th ể khác nhau do ph ươ ng pháp m ắ c m ạ ch dao độ ng LC trong b ộ khu ế ch đạ i và th ự c hi ệ n h ồ i ti ế p d ươ ng. S ơ đồ máy phát v ẽ trên hình 2.123 th ự c hi ệ n h ồ i ti ế p d ươ ng nh ờ cách ghép bi ế n áp thích h ợ p. 154 Các tham s ố c ủ a m ạ ch dao độ ng này là đ i ệ n dung C và đ i ệ n c ả m L c ủ a cu ộ n s ơ c ấ p bi ế n áp. Trong s ơ đồ khu ế ch đạ i m ộ t t ầ ng t ả i thu ầ n tr ở thì tín hi ệ u ra ng ượ c pha v ớ i tín hi ệ n vào. Vì th ế để đả m b ả o đ i ề u ki ệ n cân b ằ ng pha (2-156) thì m ạ ch h ồ i ti ế p d ươ ng ở t ầ n s ố c ộ ng h ưở ng ph ả i th ự c hi ệ n đả o pha tín hi ệ u để đư a t ớ i đầ u vào b ộ khu ế ch đạ i. Tín hi ệ u h ồ i ti ế p d ươ ng l ấ y t ừ cu ộ n W 2 qua t ụ phân đườ ng C pt đặ t t ớ i đầ u vào tranzito. S ự di pha c ầ n thi ế t c ủ a m ạ ch h ồ i ti ế p th ự c hi ệ n b ằ ng cách m ắ c m ắ c đầ u dây cu ộ n th ứ c ấ p thích h ợ p. Vì đ i ệ n áp h ồ i ti ế p nh ỏ h ơ n đ i ệ n áp ra nên t ỉ s ố vòng dây n = ω 2 /ω 1 < 1. Hình 2.124: Mô phỏng hoạt động của mạch dao động ghép tự biến áp T ầ n s ố dao độ ng t ạ o ra g ầ n v ớ i t ầ n s ố c ộ ng h ưở ng c ủ a m ạ ch dao độ ng LC2 π 1 f = (2-258) Tín hi ệ u h ồ i ti ế p c ũ ng có th ể l ấ y tr ự c ti ế p t ừ colect ơ m ạ ch dao độ ng b ằ ng cách làm cu ộ n dây hay t ụ có nhi ề u đầ u ra. V ớ i các s ơ đồ phát sóng nh ư th ế , m ạ ch dao độ ng có ba đ i ể m n ố i v ớ i b ộ khu ế ch đạ i, vì v ậ y g ọ i là m ạ ch ba đ i ể m. Trong s ơ đồ phát sóng hình 2.124 (ba đ i ể m đ i ệ n c ả m), nhánh đ i ệ n c ả m qu ấ n hai cu ộ n W 1 , W 2 . Tín hi ệ u h ồ i ti ế p l ấ y t ừ cu ộ n W 2 đ i ệ n áp l ấ y ra t ừ colect ơ qua t ụ C p2 . Đ i ệ n áp trên cu ộ n W 1 , W 2 đố i v ớ i đ i ể m chung ( đấ t) ng ượ c pha nhau. Tín hi ệ u t ừ cu ộ n W 1 qua t ụ C p1 (C p1 <<C) đượ c đư a t ớ i đầ u vào tranzitor. Trong s ơ đồ hình 2.125 (ba đ i ể m đ i ệ n dung), m ạ ch dao độ ng g ồ m đ i ệ n c ả m L và hai t ụ n ố i ti ế p C 1 , C 2 đượ c m ắ c . = b 2 = 0) K (P) = 01 2 2 0 apapa b ++ ( 2- 2 52) • m ạ ch l ọ c t ầ n cao b ậ c hai (b 1 = b 0 = 0) K (P) = 01 2 2 2 2 apapa pb ++ ( 2- 2 53) • m ạ ch l ọ c thông d ả i b ậ c hai (b 2 =. b 0 = 0) K (P) = 01 2 2 1 apapa pb ++ ( 2- 2 54) • m ạ ch l ọ c ch ắ n d ả i b ậ c hai (b 1 = 0) 150 K (P) = 01 2 2 0 2 2 apapa bpb ++ + ( 2- 2 55) Trên hình 2. 117 đư a ra ví d ụ v ề . 1 (2 25 7) Mu ố n đầ u ra c ủ a máy phát có đ i ệ n áp d ạ ng hình sin thì công th ứ c ( 2- 2 56), (2 25 7) ch ỉ đ úng ở m ộ t t ầ n s ố . Ý ngh ĩ a v ậ t lí c ủ a b ấ t đẳ ng th ứ c (2 25 7)