Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 10 doc

Bài 10 các sơ đồ điều biên & điều tần Mục đích : Nghiên cứu, phân tích hoạt động và khảo sát thực nghiệm các mạch điều biên (AM) dùng diode, dùng transistor và các mạch giải điều chế biên độ. Đồng thời cũng nghiên cứu và khảo sát các mạch điều tần dùng transistor và vi mạch IC-555. phần lý thuyết 1. Điều biên 1.1. Mạch điều chế biên độ sử dụng diode Diode là phần tử phi tuyến có thể đợc sử dụng trong mạch điều biên (xem hình 10-1). Hàm số đặc trng cho phần tử phi tuyến diode xung quanh điểm làm việc đợc biểu diễn theo chuỗi Taylor: 3 3 2 21 +++= DDDD UaUaUai tUtUU VVmmD coscos + = U m và m là biên độ cực đại và tần số của sóng mang. U V và V là biên độ cực đại và tần số của tín hiệu. Vậy ta có: + += )coscos( 1 tUtUai VVmmD ++ 2 2 )coscos( tUtUa VVmm )coscos( 3 3 ++ tUtUa VVmm khai triển và bỏ qua các số hạng bậc cao ta sẽ có đợc phổ tín hiệu đợc biểu diễn trên hình 10-2. Phổ này có chứa thành phần 4n )( Vm và các thành phần phụ không muốn (các thành phần này sẽ bằng không khi a 4 = a 5 = = 0). Để khảo sát thực nghiệm mạch điều biên dùng diode ta hãy xem hình vẽ hình A10-1 (phần thực nghiệm). Tiến hành từng bớc và sử dụng dao động ký để quan sát dạng tín hiệu vào, tín hiệu sóng mang và tín hiệu điều biên. Vẽ lại các dạng tín hiệu này với sự điều chỉnh tần số và biên độ của máy phát tín hiệu. 191 D (a) o o oo m C B + E o V U iD 0 U D U D iD 0 0 t E o (b) Hình 10.1: Điều biên ở chế độ A. a) Mạch điện dùng diode. b) Đặc tuyến của diode, đồ thị thời gian của tín hiệu vào và tín hiệu ra. m V 0 m +2 V m + V m +3 V m - V m -2 V m -3 V 2 m 2 m -2 V 2 m - V 2 m + V 2 m +2 V 2 V 3 V Hình 10.2: Phổ của tín hiệu điều biên khi mạch làm việc ở chế độ A. 192 1.2. Mạch điều chế sử dụng phần tử tuyến tính có tham số thay đổi Mạch này dùng phần tử tuyến tính có tham số thay đổi. Thực chất của quá trình điều biên này là quá trình nhân tín hiệu. (Xem hình 10.3). o o E C U V U m o U đB U đB U m U S1 U S2 U S3 (a): Mạch điện (b): Đặc tính truyền đạt Hình 10.3 Trong mạch điện này, quan hệ giữa điện áp U đB và điện áp U m là quan hệ tuyến tính. Nhng khi U V biến thiên thì điểm làm việc của transistor (yếu tố nhân) chuyển từ đặc tuyến này sang đặc tuyến khác làm cho biên độ tín hiệu ra thay đổi theo U V . Ta có biểu thức sau: U đB = tUtUE mmoVVoC cos).cos( + = ++ + t UU tUE Vm moVo mmoC )cos(. 2 cos. t UU Vm moVo )cos(. 2 Nh vậy phổ của tín hiệu ra có chứa cả thành phần sóng mang và tín hiệu vào mong muốn. Để khảo sát mạch điều chế này ta xem hình A10-2 (phần thực nghiệm). Ta nhận thấy là với mạch điều chế này thì tín hiệu sóng mang còn đợc khuếch đại lên do vậy biên độ máy phát đa vào là nhỏ (500mV). 1.3. Mạch giải điều chế biên độ Mạch giải điều chế gồm 2 phần chính là: - Bộ phận tách sóng sử dụng diode và yếu tố lọc thờng dùng là tụ để loại bỏ thành phần sóng mang cao tần. Tín hiệu sau khi qua mạch giải điều chế sẽ là: tUU VVoV cos= 193 Hình A10-3a là sơ đồ một mạch giải điều chế toàn phần (xem phần thực nghiệm). Ghép nối mạch này với mạch điều chế dùng transistor cho ta mạch điều chế và giải điều chế AM (xem hình A10-3b - phần thực nghiệm). 2. Điều tần 2.1. Khái niệm về điều tần Điều tần là quá trình làm cho tần số sóng mang thay đổi theo biên độ tín hiệu. Ta có biểu thức: U đt (t) ++= ot t m mo ttU sin. cos với m : là tần số sóng mang khi cha điều tần. t : là tần số tín hiệu tin tức Ký hiệu t m A = : là chỉ số điều tần. và ttt mot t m ++ = sin.)( do vậy mtm t dt td +== cos )( là tần số của tín hiệu đã điều tần thay đổi theo quy luật hình sin. m là độ di tần tỉ lệ với biên độ của tín hiệu hình sin mang thông tin. Dạng tín hiệu điều tần: (Hình 10.4) Hình 10.4: Dạng tín hiệu điều tần Có một số phơng pháp điều tần thông dụng nh: Điều tần dùng diode biến dung, điều tần dùng transistor điện kháng. Trong phơng pháp điều tần dùng transistor điện kháng thì biên độ của tín hiệu tin tức làm thay đổi độ dẫn của transistor mắc song song với các yếu tố điện kháng (ví dụ nh L, C; R, C; L, C ). Hình A10- 4 (xem phần thực nghiệm) là một mạch điều tần sử dụng transistor. Tín hiệu tin tức làm thay đổi độ dẫn của T 2 dẫn đến làm thay đổi tham số giá trị của L 1 , L 2 và làm thay đổi giá trị của khung cộng hởng của máy phát T 3 . 194 2.2. Điều tần và điều pha 2.2.1. Các công thức cơ bản và quan hệ giữa điều tần và điều pha Vì giữa tần số và góc pha của một dao động có quan hệ (1.a) nên dễ dàng chuyển đổi sự biến thiên tần số thành biến thiên về pha và ngợc lại. dt d = (1.a) Điều tần và điều pha là quá trình ghi tin tức vào tải tin, làm cho tần số hoặc pha tức thời của tải biến thiên theo dạng của tín hiệu điều chế. Với tải tin của dao động điều hòa: )(cos )cos( )( tUtUtu tott =+= (1b) Từ (1.a) suy ra: += t tdttt 0 )()()( (2) Thay (2) vào (1) ta nhận đợc biểu thức: [ ] += )()(cos )( tdttUtu t (3) Giả thiết tín hiệu điều chế là tín hiệu đơn âm: tUU sss cos = (4) Khi điều chế tần số hoặc điều chế pha thì tần số hoặc góc pha của dao động cao tần biến thiên tỉ lệ với tín hiệu điều chế và chúng đợc xác định lần lợt theo công thức (5a) và (5b): (5a) tUkt ssdtt cos )( += tUkt ssdfo cos )( += (5b) Trong trờng hợp này gọi t là tần số trung tâm của tín hiệu điều tần. Đặt gọi là lợng di tần cực đại. msdt Uk = msdf Uk = gọi là lợng di pha cực đại. Các biểu thức 5a và 5b viết lại nh sau: tt smt cos)( + = (6a) tt smo cos)( + = (6b) Khi điều chế tần số thì góc pha đầu kông đổi, do đó o t =)( . Thay 6 vào 3 và tích phân lên, ta nhận đợc biểu thức của dao động đã điều tần: )sincos( )( os s m ttdt ttUtu + += (7) 195 Tơng tự nh vậy, biểu thức của dao động điều pha tìm đợc bằng cách thay )(t trong công thức 3 bởi 6b và cho const t = = , ta có: )coscos( )( osmttdt ttUtu ++= (8) Vậy lợng di pha đạt đợc khi điều pha: t sm cos= Tơng ứng với lợng di pha này sẽ có một lợng di tần: t dt d ssmm sin )( = = Và lợng di tần cực đại đạt đợc khi điều pha: sdfsmsm Uk == (9a) Theo công thức 5a, lợng di tần cực đại đạt đợc khi điều tân: sdtm Uk = (9b) So sánh 9a và 9b ta thấy rằng: điểm khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là lợng di tần khi điều pha tỉ lệ với biên độ điện áp điều chế và tần số điều chế còn lợng di tần khi điều tần chỉ tỉ lệ với biên độ điện áp điều chế mà thôi. Vì vậy từ một mạch điều chế pha có thể lấy ra tín hiệu điều chế tần số, nếu trớc khi đa vào điều chế, tín hiệu điều chế đợc đa qua một mạch tích phân (hình 10.5a). Ngợc lại, có thể lấy ra tín hiệu điều chế pha từ một mạch điều chế tần số, nếu tín hiệu điều chế đợc đa qua một mạch vi phân trớc khi đa vào bộ điều chế (hình 10.5b). dt Điều chế pha Tín hiệu điều chế tần số (a) : Sơ đồ khối mạch điều chế tần số thông qua điều chế pha. dt d Điều chế tần số Tín hiệu điều chế pha (b) : Sơ đồ khối mạch điều chế pha thông qua điều chế tần số. Hình 10.5: Minh họa quan hệ giữa tín hiệu điều tần và tín hiệu pha. 2.2.2. Phổ của dao động đã điều tần và điều pha Trong biểu thức của dao động đã điều tần công thức (7) cho góc pha đầu 196 0= o và đặt f s m M= (gọi là hệ số điều tần) công thức (7) đợc viết lại: f M )sincos( tMtUu sfttdt += (10) Trong trờng hợp tín hiệu điều chế là tín hiệu phức tạp có tần số từ mins đến maxs , đợc xác định nh sau: f M maxs m f M = (11) Hệ số điều tần không những chỉ phụ thuộc biên độ điện áp mà còn phụ thuộc vào tần số điều chế. Tơng tự nh vậy, ta có biểu thức của dao động đã điều pha: f M )sincos( tMtUu sttdt += (12) Trong đó m M = . Công thức (10) và (12) có thể biểu diễn dới dạng chuỗi mà hệ số của nó là các hàm số Betxen loại bậc n, nh sau: = + tnj fn n tdt st eMJjUu )( 1 ).()( Re (13) (14) = tnj fn n tdf st eMJjUu )( ).()( Re Trong đó, là hàm số Betxen loại một bậc n (chú thích). n J Nếu không xét đến pha, thì phổ của tín hiệu điều tần và điều pha giống nhau; gồm có thành phần tải tần số t (ứng với n = 0), biên độ và vô số các biên tần: to UJ st n + ( ), biên độ . phụ thuộc vào hoặc . += ,n tn UJ n J f M M Theo bảng hàm số Betxen, khi , = 2,405 thì nghĩa là lúc này tín hiệu điều tần và điều pha không chứa tải tin. ngoài ra, còn thấy rằng, nếu biểu diễn hàm số Betxen theo bậc n của nó, trong trờng hợp > 1, tất cả biên tần có bậc n > đều có biên độ nhỏ hơn 5% biên độ tải tần và đều có thể bỏ qua. Vì vậy có thể coi độ rộng dải tần của tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha là hữu hạn và xác định nó theo biểu thức: f M M 0)( = fo MJ f M f M mstdt MD = 22 (15) Nh vậy độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần không phụ thuộc tần số điều chế. 197 Đối với tín hiệu điều pha, độ rộng dải tần của nó đợc xác định theo công thức 16. smsmdf MD = 22 (16) Vậy độ rộng dải tần của tín hiệu điều pha phụ thuộc tần số điều chế. Khi , thì chỉ có một cặp biên tần có biên độ lớn hơn 5% biên độ tải tần, do đó: 1 , f M max 2 sdt D Trong trờng hợp này độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần bằng độ rộng dải tần của tín hiệu điều biên, ta gọi là điều tần dải hẹp. Ngợc lại, khi , thì có điều tần dải rộng. 1 , > f M Thông thờng tín hiệu điều chế là tín hiệu bất kỳ gồm nhiều thành phần tần số. Lúc đó tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha có thể biểu diễn tổng quát theo biểu thức sau: ++= = m v vsvvtdt tMtUu 1 )cos(cos (17) Trong công thức này có quan tâm đến góc pha đầu v , vì hiệu pha khác nhau của các thành phần phổ của tín hiệu điều chế có tính chất quyết định đối với tín hiệu tổng quát của nó. Khai triển 17 theo chuỗi Betxen ta có: [ +++ = = )cos()(2)()sin(cosRe 1 1 vsvvvo m v ttdt tMjJMJxtjtUu (18) ] +++ )cos()(2)(2cos)(2 32 vsvvvsvv tMjJtMJ Theo công thức (18), phổ của tín hiệu điều tần có tất cả các thành phần tần số tổ hợp: = + m v svvt 1 à ; với v à là số nguyên hữu tỉ; v à . 198 thực nghiệm A. Thiết bị sử dụng: 1. Thiết bị chính cho thực tập điện tử tơng tự (Khối đế nguồn) 2. Panel thí nghiệm AE - 110N cho bài thực tập về điều biên và điều tần (Gắn lên thiết bị chính - khối đế nguồn). 3. Máy phát xung HF (sin, tần số 2MHz -có thể sử dụng máy phát FG- 503). 4. Dao động ký 2 chùm tia. 5. Dây nối cắm 2 đầu. B. Cấp nguồn và nối dây Khối thí nghiệm AE - 110N chứa 5 mảng sơ đồ A10-1 A10- 5, với các chốt cắm nguồn riêng. Khi sử dụng mảng nào thì cắm dây nguồn cho mảng đó. Đất (GND) của các mảng sơ đồ đất đợc nối sẵn với nhau. Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối AE 110N. 1. Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị chính, cung cấp các thế chuẩn , cố định. V5 V12 2. Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị chính, cung cấp các giá trị điện thế một chiều V15 0 + và V15 0 . Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết. Sử dụng đồng hồ đo thế DC trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt. 3. Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của thiết bị chính tới trạm nguồn của khối, hoặc cấp trực tiếp cho mảng sơ đồ cần khảo sát. Chú ý : cắm đùng phân cực của nguồn và đồng hồ đo. C. Các bài thực tập 1. Bộ điều biên với diode có mạch cộng hởng lối ra Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc điều biên sử dụng mạch diode có bộ cộng hởng lối ra Các bớc thực hiện: 1.1. Máy phát xung cao tần (HF) đặt ở khoảng < 1MHz, biên độ 5V (đỉnh - đỉnh). Nối lối ra của máy phát HF với lối vào sóng mang CARRIER FREQUENCY của sơ đồ hình A10-1. 199 1.2. Tinh chỉnh tần số và biên độ tín hiệu HF để lối ra AM OUT có tín hiệu HF cực đại và không méo dạng. 1.3. Máy phát xung thấp tần (LF) - là máy phát FUNCTION GEN của thiết bị chính - đặt ở tần số phát 1 KHz, biên độ 2V (đỉnh - đỉnh). Nối lối ra máy phát LF với lối vào thấp tần TONE SIGNAL của sơ đồ hình A10-1. 1.4. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 200m V/cm và thời gian quét ở 0,5 ms/cm. 1.5. Nối kênh 2 của dao động ký với lối ra AM-OUT. Sử dụng kênh 1 dao động ký để quan sát tín hiệu HF và LF. Điều chỉnh tần số và biên độ hai máy phát để nhận dạng điều biên. Có thể đảo hai chốt cắm lối vào HF để có tín hiệu ra tốt nhất. Vẽ lại dạng tín hiệu. 1.6. Thay đổi biên độ của các máy phát để nhận các giá trị hệ số điều chế m khác nhau, nhận xét kết quả. 1.7. Thay đổi tần số của máy phát HF, quan sát và giải thích kết quả. 2. Bộ điều biên dùng transistor Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc điều biên sử dụng transistor kiểu điều chế collector . Các bớc thực hiện: 2.1. Máy phát xung cao tần (HF) đặt ở khoảng > 1MHz, biên độ 500mV (đỉnh - đỉnh). Nối lối ra của máy phát HF với lối vào sóng mang CARRIER FREQUENCY của sơ đồ hình A10-2. 2.2. Tinh chỉnh tần số và biên độ tín hiệu HF để lối ra AM OUT có tín hiệu HF cực đại và không méo dạng. 200 [...]... Ic -5 55 Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc làm việc và đặc trng của bộ điều tần dùng IC-555 203 Các bớc thực hiện: 5.1 Cấp nguồn +5V cho mảng sơ đồ A1 0-5 5.2 Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở chế độ: - Phát dạng sin (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình tam giác) - Tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY) - Biên độ ra 5V - từ... tính dòng collector T1 - Độ sụt thế trên các trở (R2 + R6) để tính dòng emitter T2 - Độ sụt thế trên các trở R10 để tính dòng emitter T3 4.3 Đặt máy phát tín hiệu FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở chế độ: - Phát dạng sin (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình sin) - Tần số 1KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở chỉnh tinh FREQUENCY) - Biên độ ra 2V - từ đỉnh tới đỉnh (chỉnh...2.3 Máy phát xung thấp tần (LF) - là máy phát FUNCTION GEN của thiết bị chính - đặt ở tần số phát 1 KHz , biên độ 3 ữ5V (đỉnh - đỉnh) Nối lối ra máy phát LF với lối vào thấp tần TONE SIGNAL của sơ đồ hình A1 0-2 2.4 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 1V/ cm và thời gian quét ở 0,5 ms/cm 2.5 Nối kênh 2 của dao động ký với lối ra AM-OUT Sử dụng kênh 1 dao động ký để quan sát tín... chế nh hình A1 0-3 b 3.4 Sử dụng dao động ký quan sát và vẽ lại tín hiệu ra tại lối ra (SIGNAL OUT) 3.5 So sánh tín hiệu giải điều chế với tín hiệu LF lối vào Nhận xét kết quả 4 sơ đồ điều tần dùng transistor Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc làm việc và đặc trng của bộ điều tần trên transistor 202 Các bớc thực hiện: 4.1 Cấp nguồn +3V cho mảng sơ đồ A1 0- 4 4.2 Kiểm tra chế độ tĩnh của sơ đồ : - Độ sụt thế... để nhận dạng điều biên cực đại Vẽ lại dạng tín hiệu 2.6 Thay đổi biên độ và tần số của các máy phát để nhận các giá trị hệ số điều chế m khác nhau, nhận xét kết quả 3 giải điều chế biên độ tín hiệu 3.1 Giữ nguyên sơ đồ điều chế trên transistor nh mục trên 3.2 Sử dụng sơ đồ giải điều chế toàn phần biên độ tín hiệu nh hình A1 0-3 a 201 3.3 Nối lối ra điều biên AM OUT của mảng A1 0-2 với lối vào AM SIGNAL . v à . 198 thực nghiệm A. Thiết bị sử dụng: 1. Thiết bị chính cho thực tập điện tử tơng tự (Khối đế nguồn) 2. Panel thí nghiệm AE - 110N cho bài thực tập về điều biên và điều. toàn phần biên độ tín hiệu nh hình A1 0-3 a. 201 3.3. Nối lối ra điều biên AM OUT của mảng A1 0-2 với lối vào AM SIGNAL IN của sơ đồ giải điều chế nh hình A1 0-3 b. 3.4. Sử dụng dao động ký quan. Hình 10. 1: Điều biên ở chế độ A. a) Mạch điện dùng diode. b) Đặc tuyến của diode, đồ thị thời gian của tín hiệu vào và tín hiệu ra. m V 0 m +2 V m + V m +3 V m - V m -2 V m -3 V 2 m 2 m -2 V 2 m - V 2 m + V 2 m +2 V 2 V 3 V