thí nghiệm tách sóng trong chương trình điện tử đại cương của khoa vật lý

Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy PHẦN MỞ ĐẦU I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, điện tử là một trong những ngành khoa học mũi nhọn của tất cả các nước trên thế giới. Điện tử có ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, khoa học kỹ thuật và trong đời sống của con người. Các thiết bị điện tử dần dần đã thay thế các thiết bị cơ học như trước đây với độ chính xác rất cao. Sự phát triển của điện tử sẽ góp phần rất lớn thúc đẩy sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật khác. Để thực hiện thành công công cuộc công nghiệp húa hiện đại húa đất nước đòi hỏi nước ta phải đầu tư phát triển nghành điện tử để nú có được bước tiến nhanh hơn nữa. Một lĩnh vực quan trọng hàng đầu của kỹ thuật điện tử là kỹ thuật truyền tín hiệu đi xa (truyền thanh, truyền hình). Ngày nay kỹ thuật truyền tín hiệu đi xa đã đạt đến trình độ rất cao (truyền hình số), để đạt được đến trình độ đó thì các nhà kỹ thuật hiện nay cũng phải bắt đầu nghiên cứu từ những nguyên lý cơ bản của kỹ thuật truyền tín hiệu đi xa (kỹ thuật truyền tín hiệu tương tự). Để sinh viên khoa Vật Lý dễ dàng hiểu được nguyên lý tách sóng, là một nguyên lý cơ bản của kỹ thuật truyền tín hiệu đi xa đề tài đã tập trung xây dựng bài thí nghiệm tách sóng trong chương trình điện tử đại cương của khoa Vật Lý. II. MỤC TIấU, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 1. Mục tiêu Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng bài thí nghiệm tách sóng, viết tài liệu hướng dẫn thực hành nội dung này để phục vụ cho học phần thực hành điện tử đại cương. 2. Nhiệm vụ • Nghiên cứu lý thuyết về tách sóng. • Thiết kế bài thí nghiệm tách sóng. Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy • Viết tài liệu hướng dẫn thực hành bài tách sóng. I. PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU Nghiên cứu các tài liệu liên quan về tách sóng, điều chế, mạch lọc, khung cộng hưởng, các tài liệu hướng dẫn thực hành điện tử đại cương… Tiến hành thực nghiệm. II. CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI Ngoài phần mở đầu và kết luận, đề tài gồm hai phần: Phần A: Tổng quan về lý thuyết Chương 1: Mạch lọc Chương 2: Đại cương về điều chế Chương 3: Lý thuyết tách sóng Phần B: Thực hành I. Tiến trình thiết kế và lắp ráp mạch II. Tài liệu hướng dẫn thực hành A. TỔNG QUAN VỀ MẶT Lí THUYẾT Chương 1: MẠCH LỌC I. KHÁI NIỆM VỀ MẠCH LỌC Mạch lọc là những mạch điện căn cứ theo yêu cầu của sự lọc lựa và tính năng của các phần tử cơ bản của mạch điện mà bố trí chúng nhằm lấy ra những dao động điện cần thiết. Mạch lọc thụ động là mạch lọc chứa các phần tử thụ động R, L, C mà không có các phần tử tích cực như BJT hay KĐTT. Có nhiều loại mạch lọc khác nhau căn cứ theo các cách khác nhau: Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy - Căn cứ theo công dụng của bộ lọc chia thành bộ lọc tần số thấp, bộ lọc tần số cao, bộ lọc tần số cao, bộ lọc dải tần, bộ lọc bỏ dải tần. - Căn cứ theo hình dạng của bộ lọc chia thành bộ lọc chữ L ngược, bộ lọc chữ T, bộ lọc chữ Π. - Căn cứ theo các linh kiện tham gia lọc chia thành bộ lọc RC, bộ lọc LC, bộ lọc RL. Để đánh giá tính năng của bộ lọc người ta dùng khái niệm hệ số truyền đạt k hay hệ số suy giảm β: U1: Điện áp vào của bộ lọc U2: Điện áp ra của bộ lọc Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của k hay β theo tần số gọi là đặc tuyến tần số của bộ lọc. Các mạch lọc thụ động có hệ số truyền đạt k < 1, mạch lọc lí tưởng có hệ số truyền đạt k = 1 II. CÁC MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG 2.1. Mạch lọc tần số thấp Mạch lọc tần số thấp là mạch lọc chỉ cho qua các tần số thấp và dòng một chiều, còn các tần số cao thì không cho qua Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Ở vùng tần số thấp tụ C có trở kháng rất lớn nên nú không thoát qua tụ được, khi đó U2 ≈ U1. Ở vùng tần số cao, trở kháng của tụ C đủ nhỏ nên nú thoát qua tụ, khi đó U2 ≈ 0. Do đó ở đầu ra ta chỉ thu được thành phần tần số thấp. 2.2. Mạch lọc tần số cao Là bộ lọc cho qua các dòng điện tần số cao và không cho qua các dòng một chiều và tần số thấp. Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Điều chế là quá trình điều khiển dao động cao tần không tắt theo một qui luật nào đó của dao động tín hiệu cần truyền đi. Dao động cao tần được gọi là sóng mang, dao động tín hiệu cần truyền đi gọi là sóng làm điều chế, dao động cao tần đã bị điều chế gọi là sóng điều chế. 1.2. Phân loại điều chế Do một dao động điện được đặc trưng bởi biên độ, tần số và pha xác định u = U m cos(ωt+φ) Nên theo định nghĩa trên có thể làm dao động cao tần điều chế bằng cách tác dụng lên một trong ba đại lượng trên, để đại lượng đó biến đổi theo một qui luật nào đó của tín hiệu cần truyền đi F(t). Vậy có ba loại điều chế cơ bản: • Điều chế biên độ (gọi tắt là điều biên) là loại điều chế mà biên độ của sóng mang biến đổi theo qui luật F(t) của tín hiệu cần truyền đi. Tức là U m biến đổi theo F(t): U m ~ F(t), còn ω = const, φ = const (hình 2.1). • Điều chế tần số (gọi tắt là điều tần) là loại điều chế mà tần số của sóng mang biến đổi theo qui luật F(t) của tín hiệu cần truyền đi: ω ~ F(t), còn U m = const, φ = const (hình 2.2). Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Hình 2. 1:a) Dao động cao tần ; b) Dao động âm tần ; c) Dao động điều biên Hình 2.2: a) Dao động cao tần ; b) Dao động âm tần ; c) Dao động điều tần Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Ta thấy dòng điện i gồm các thành phần: • Thành phần không đổi: • Thành phần tần số Ω với biên độ aU m • Thành phần tần số 2Ω với biên độ • Thành phần cao tần 2ω với biên độ • Thành phần cao tần ω có biên độ Ta thấy thành phần cao tần ω này là dao động có biên độ biến đổi thao thời gian theo qui luật của tín hiệu làm điều chế . Chính thành phần này là tín hiệu của dao động điều chế biên độ thỏa mãn yêu cầu đặt ra: (2. 5) Theo quan điểm kỹ thuật, sau khi điều chế không nhất thiết phải truyền cả dao động mang đi, mà có thể chỉ truyền đi một dải sóng biên nào đó có chứa tín hiệu cần truyền đi là được. Vì vậy người ta dùng khung cộng hưởng LC điều chỉnh về tần số cộng hưởng với ω để tách riêng thành phần được điều chế ra khỏi các dao động phức tạp khác. Trên mạch cộng hưởng ta có điện áp điều chế: (2. 6) ở đó U 0 = aU M . Z ch là biên độ cức đại của sóng điều chế. Điện áp này cho cảm ứng sang ăng ten phát, ta có thể truyền dao động điều chế biên độ vào không gian có dạng (3. 6) trong đó có chứa tín hiệu âm tần Ω. Vậy ở nơi phát người ta chỉ truyền đi thành phần điện áp có biên độ biến đổi theo qui luật của tín hiệu gọi là sóng điều biên (AM) Ta đặt và viết biểu thức 5 dưới dạng: (2. 7) M - gọi là hệ số điều chế (hay độ sâu điều chế). Như thế M phụ thuộc vào biên độ của sóng làm điều chế U m . Còn biên độ của sóng điều chế thay đổi theo cosΩt. Vì cosΩt có giá trị cực tiểu là - 1 và cực đại là +1, nên biên độ của sóng điều chế có giá trị cực tiểu và cực đại là: U min = U 0 (1 - M) ; U max = U 0 (1 + M) Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Hình 2.6: Phổ của tín hiệu điều chế Như vậy muốn để khung cộng hưởng có thể chọn hết cả ba thành phần của phổ, để cho dao động điều chế lấy ra không bị méo thì dải thông của khung không thể bé hơn 2Ω. Khoảng tần số 2Ω gọi là độ rộng của dải sóng. Độ rộng của dải sóng sẽ hạn chế số đài phát có thể hoạt động đồng thời mà không làm nhiễu loạn lên nhau. Vì thế việc mở rộng mạng lưới các đài truyền thanh truyền hình đòi hỏi phải dùng những dải tần ngày càng cao. 2.1.2. Nguyên lí điều biên cân bằng Hình 2.7: Sơ đồ điều biên cân bằng: A) dùng điốt; B) dùng Tranzito Hình 2. 7 là sơ đồ điều biên cân bằng dùng hai điốt (hoặc hai BJT). Có thể coi đây là hai sơ đồ điều biên một điốt (một Tranzito) ghép chung trên một tải. Điện áp sóng mang đặt lên hai điốt là đồng pha, điện áp tín hiệu sơ cấp dặt lên chúng là ngược pha, nên ta có: u D1 (t) = u 1ω (t) + u 2Ω (t) = U 1m cosωt + U 2m cosΩt u D2 (t) = u 1ω (t) - u 2Ω (t) = U 1m cosωt - U 2m cosΩt Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Chú ý: Trong điều tần có xảy ra điều biên kèm theo, nhưng người ta tìm cách khử nú đi chỉ để lại điều tần. Mạch khử được điều biên đó được gọi là bộ hạn biên. 3.4.2. Điều tần dùng Tranzito điện kháng Phần tử điện kháng (dung tính hoặc cảm tính) có trị số biến thiên theo điện áp điều chế đặt trên nú được mắc song song với hệ dao động cảu bộ dao động, làm cho tần số dao động thay đổi theo tín hiệu làm điều chế. Phần tử điện kháng được thực hiện nhờ một mạch di pha trong mạch hồi tiếp của BJT. Có bốn cách mắc phần tử điện kháng như hình vẽ: Với mạch phân áp RC ta tính được: Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Trong khai triển của công thức (3.12) có thành phần âm tần tần số Ω mà không còn thành phần 2Ω nữa. Kết quả này làm cho tín hiệu không còn bị méo phi tuyến. Đây là ưu điểm của phép tách sóng bậc nhất. 1.1.3. Tách sóng kép (tách sóng bội áp) Tương tự chỉnh lưu hai nửa chu kỳ ta có thể có sự tách sóng kép (tách sóng bội áp). Trong trường hợp này dòng điện ra có dạng: (3.13) Ta có: Trong biểu thức (14) xuất hiện số hạng hữu ích là thành phần hữu íchcó biên độ gấp hai lần tách sóng thường và không xuất hiện thành phần 2Ω. Vậy mục đích tách sóng đã đạt được. Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Có thể hiểu bộ lọc theo nhiều cách: • Bộ lọc tạo thành mạch rẽ: Ta phải chọn R và C sao cho dung kháng của tụ điện C đối với thành phần cao tần rất nhỏ so với R ( ) thì thành phần cao tần chỉ đi qua tụ điện mà không đi qua R. Mặt khác dung kháng của tụ C đối với thành [...]... Tranzito điện kháng 20 3.4.3 Mạch điều pha theo Amstrong 21 3.5 Bộ hạn biên 22 CHƯƠNG 4: Lí THUYẾT TÁCH SểNG 23 I TÁCH SểNG ĐIỀU BIấN 23 1.1 Lý thuyết tách sóng điều biên 23 1.1.1 Tách sóng phi tuyến 23 1.1.2 Tách sóng tuyến tính 25 1.1.3 Tách sóng kép (tách sóng bội áp) 27 1.1.4 Bộ lọc 28 1.2 Các sơ đồ tách sóng điều biên 31 1.2.1 Tách sóng điốt 31 8 1.2.2 Tách sóng bội áp (tách súng kép) 32 1.2.3 Tách sóng. .. điều tần sang tín hiệu điều biên rồi tách sóng điều biên bình thường, nhưng trong truyền thanh, truyền hình người ta vẫn thường truyền sóng FM? KẾT LUẬN CHUNG 1 Kết quả Đề tài đã nghiờn cứu và xây dựng thành công bài thí nghiệm tách sóng và có thể sử dụng trong chương trình điện tử đại cương 2 Ưu nhược điểm của đề tài 2.1 Ưu điểm: - Đề tài xây dựng bộ thí nghiệm tách sóng với cấu trúc mạch đơn giản để... cứu nguyên lý của nú - Đưa ra tài liệu hướng dẫn thực hành để sinh viên có thể dễ dàng tiến hành thí nghiệm 2.2 Nhược điểm Do thời gian có hạn nên đề tài vẫn chưa làm được những mạch tách sóng điều tần phức tạp có chất lượng tốt hơn (mạch tách sóng điều tần lệch cộng hưởng kép, cộng hưởng kép, tỉ số) 3 Ứng dụng Bộ thí nghiệm có thể bổ sung vào các bài thí nghiệm trong học phần điện tử đại cương Khóa... hiệu này được bộ tách sóng điều biên tách lấy thành phần âm tần ra và mục đích tách sóng đạt được 1 k 1 0 1 k 0 1 1 k Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý ĐHSP Hà Nội 2 Trường Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Hai điot D , D mắc ngược đầu nhau (thực ra là mắc nối tiếp) và chỉ làm việc trong nửa chu kỳ của tín hiệu bên sơ cấp L C Bộ R C là tải tách sóng của điot D ,R C là tải tách sóng của D Tụ C có trị... 500kHz Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý ĐHSP Hà Nội Trường Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy V CÂU HỎI 1 Giải thích các kết quả thí nghiệm thu được trong bài thực hành? 2 Tại sao khi đo tín hiệu âm tần sau khi tách sóng ta phải đặt dao động kí ở chế độ DC? 3 Tại sao trong bài thực hành ta lại sử dụng bộ lọc RC hình chữ Π? 4 Tại sao trong tách sóng điều tần ta phải chuyển từ tách tín hiệu điều tần sang... hiệu ra Biên độ tín hiệu ra 1MHz + Nối J2 và J4(theo hình 6.8) Làm lại các bước như trên 4.2.2 Thí nghiệm tách sóng bội áp + Khảo sát biên độ tách sóng bội áp so với biên độ tách sóng điốt thông thường - Đưa tín hiệu điều biên từ máy phát tín hiệu điều chế vào đầu vào của sơ đồ TS - 2: Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý ĐHSP Hà Nội Trường Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy - Dùng dao động kí quan sát và ghi... có điện áp âm tần, điện áp ra U bằng không - Khi thì I > I ở điểm E có điện áp dương, nếu càng lớn hơn thì điện áp dương có biên độ càng lớn - Khi thì điện áp trên D nhỏ hơn điện áp trên D và I < I ở điểm E có điện áp âm, nếu càng nhỏ hơn thì điện áp âm có biên độ càng lớn 1 2 1 2 1 1 3 1 2 o 1 2 o 1 1 1 2 1 1 4 2- 2 2 1 3 4 2 1 3 4 3 4 3 4 3 1 3 2 4 4 1 2 1 2 r 1 2 1 Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý ĐHSP... K55 - Khoa Vật lý ĐHSP Hà Nội Trường Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy số 2Δω nằm trọn trên phần thẳng của đường cong cộng hưởng thì ta có thể chuyển tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều biên Hình 3 13: Nguyên lý tách sóng điều tần Từ hình vẽ ta thấy nếu chọn tần số trung tâm ω của tín hiệu điều tần ứng với điểm A là đoạn giữa của đoạn thẳng trên sườn phải của đặc tuyến cộng hưởng sẽ có một điện. .. qua điốt tách sóng Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy - Thang đo thế 0 5V và đo thời gian 1ms • Đưa tín hiệu điều biên vào dao động kí để qua sát dạng tín hiệu 4.1.1 Thí nghiệm tách sóng điốt thông thường a Khảo sát dạng tín hiệu điều biên sau khi cho qua bộ tách sóng điốt theo tần số cao tần, với giá trị bộ lọc không đổi C1 = C2 = 56pF, R = 10kΩ, biên độ vào 1V Hình 6.8: Sơ đồ mạch tách sóng điốt... tụ thoát cho các điện trở gánh của hai Điot Vì vậy trên hai điện trở R , R chỉ có điện áp một chiều, điện áp một chiều này biến đổi chậm vì hang số thời gian của mạch gánh điot khá lớn (tới 0,2s) Nhờ đó bộ tách sóng tỷ lệ này có ưu điểm là nú làm triệt tiêu được sự điều biên (hạn biên) Đồng thời cũng do C’ có trị số lớn nên điểm ở giữa R , R không có điện áp âm tần (nối mát được) Còn điện áp trên hai . viên khoa Vật Lý dễ dàng hiểu được nguyên lý tách sóng, là một nguyên lý cơ bản của kỹ thuật truyền tín hiệu đi xa đề tài đã tập trung xây dựng bài thí nghiệm tách sóng trong chương trình điện tử. thành công bài thí nghiệm tách sóng và có thể sử dụng trong chương trình điện tử đại cương. 2. Ưu nhược điểm của đề tài 2.1. Ưu điểm: - Đề tài xây dựng bộ thí nghiệm tách sóng với cấu trúc mạch. phục vụ cho học phần thực hành điện tử đại cương. 2. Nhiệm vụ • Nghiên cứu lý thuyết về tách sóng. • Thiết kế bài thí nghiệm tách sóng. Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội Khóa luận