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

Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy thí nghiệm tách sóng trong chương trình điện tử đại cương của khoa Vật Lý 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 hóa hiện đại hóa đất nước đòi hỏi nước ta phải đầu tư phát triển nghành điện tử để nó 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 đú 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 tỏch súng, là một nguyên lý cơ bản của kỹ thuật truyền tín hiệu đi xa đề tài đã tập trung xây dựng bài thí nghiệm tỏch sóng trong chương trình điện tử đại cương của khoa Vật Lý. II. MỤC TIÊU, 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. Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 1 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy 2. Nhiệm vụ • Nghiên cứu lý thuyết về tách sóng. • Thiết kế bài thí nghiệm tách sóng. • Viết tài liệu hướng dẫn thực hành bài tỏch sóng. III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu các tài liệu liên quan về tỏch sóng, điều chế, mạch lọc, khung cộng hưởng, các tài liệu hướng dẫn thực hành điện tử đại cương… Tiến hành thực nghiệm. IV. 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 tỏch súng Phần B: Thực hành I. Tiến trình thiết kế và lắp ráp mạch II. Tài liệu hướng dẫn thực hành Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy A. TỔNG QUAN VỀ MẶT LÝ 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 cú cỏc phần tử tích cực như BJT hay KĐTT. Có nhiều loại mạch lọc khác nhau căn cứ theo các cách khác nhau: - 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 Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 3 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Mạch lọc tần số thấp là mạch lọc chỉ cho qua các tần số thấp và dòng một chiều, cũn cỏc tần số cao thì không cho qua Hình 1.1: a) Mạch lọc tần số thấp RC và LC b) Đặc tuyến tần số của mạch lọc tần số thấp Ở vùng tần số thấp tụ C có trở kháng rất lớn nờn nó khụng thoỏt qua tụ được, khi đó U2 ≈ U1. Ở vùng tần số cao, trở kháng của tụ C đủ nhỏ nờn nó thoỏt 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 cỏc dũng một chiều và tần số thấp. Hình 1.3: a) Đặc tuyến tần số của bộ lọc b) Các mạch lọc tần số cao RC và LC Ở tần số thấp, trở kháng của C lớn, còn cảm kháng của L nhỏ nên nó khụng đi qua được tụ, do đó U 2 ≈ 0. Ở tần số cao, trở kháng của C nhỏ, còn cảm Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 4 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy kháng của L lớn nên thành phần này qua được tụ, do đó U 2 ≈ U 1 . Do đó ở đầu ra ta chỉ thu được thành phần cao tần. 2.3. Mạch lọc dải tần Là mạch lọc cho các dòng điện trong một dải tần từ f 1 đến f 2 qua, còn các tần số ngoài khoảng đú thỡ không cho qua. Hình 1.6: a) Đặc tuyến tần số của mạch lọc dải tần b) Các mạch lọc dải tần RC và LC - Trong mạch RC: Khâu RC đầu tiên lọc tần số tần số thấp từ 0 đến f 2 , khâu CR sau lọc tần số cao từ f 1 đến f 2 . Kết quả là mạch này cho qua dải tần từ f 1 đến f 2 . - Trong mạch LC: Những dòng điện có tần số gần bằng tần số riêng của mạch f 0 (từ f 1 đến f 2 ) dao động LC thì dễ dàng đi qua mạch nối tiếp và khó đi qua mạch song song. Trái lại, với các dòng điện có tần số khác xa với tần số f 0 thì càng khó qua mạch nối tiếp và dễ dàng qua mạch song song. Kết quả là mạch này cho qua dải tần từ f 1 đến f 2 . 2.4. Mạch lọc bỏ dải tần (mạch lọc chặn dải tần) Là mạch lọc bỏ qua các dòng điện trong dải tần từ f 1 đến f 2 , còn các tần số ngoài khoảng đú thỡ đi qua. Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 5 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Hỡnh 1.5: a) Đặc tuyến tần số của mạch lọc bỏ dải tần b) Các mạch lọc bỏ dải tần RC và LC. - Trong mạch LC: Những dòng điện có tần số gần bằng tần số riêng của mạch f 0 (từ f 1 đến f 2 ) dao động LC thì dễ dàng đi qua mạch nối tiếp và khó đi qua mạch song song. Trái lại, với các dòng điện có tần số khác xa với tần số f 0 thì càng khó qua mạch nối tiếp và dễ dàng qua mạch song song. Kết quả là mạch này lọc bỏ dải tần từ f 1 đến f 2 . Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 6 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Chương 2: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU CHẾ Trong thực tế tin tức thường là các dao động có tần số thấp (như tần số của sóng âm thanh từ 16 Hz đến 2000 kHz), dao động tần số thấp có năng lượng nhỏ nên khó có thể truyền đi xa được. Còn tín hiệu cao tần lại có năng lượng lớn và ít bị hấp thụ trong khí quyển nờn nó có khả năng truyền đi xa. Do đó người ta phải gửi tin tức có tần số thấp vào dao động có tần số cao để truyền đi xa. Quá trình đó gọi là quá trình điều chế. Khi đến nơi thu, muốn thu được tín hiệu thì người ta phải tách tín hiệu ra khỏi dao động cao tần, quá trình đó gọi là quá trình tỏch súng. Vậy để nghiên cứu về tỏch súng ta phải hiểu được ở nơi phát người ta đã điều chế tín hiệu như thế nào? I. KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU CHẾ 1.1. Khái niệm điều chế 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). Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 7 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy • 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). 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 • Điều chế pha (điều pha) là loại điều chế mà pha của sóng mang biến đổi theo qui luật của tín hiệu cần truyền đi: φ ~ F(t), còn U m = const, ω = const. Trong vô tuyến truyền thanh người ta thường dùng điều chế biên độ và tần số, trong vô tuyến truyền hình người ta dùng điều tần nên ta xem xét đến hai quá trình điều biên và điều tần Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 8 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy II. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ 2.1. Nguyên tắc tạo nên dao động điều biên 2.1.1. Nguyên lý điều biên thường một điốt hay Trandito Giả sử máy phát cho dao động sóng mang cao tần có dạng: u 1 = U M cosωt (2.1) Còn dao động tín hiệu cần truyền đi có tần số thấp Ω coi là điều hoà có dạng: u 2 = U m cosΩt (trong đó Ω ô ω) (2.2) Ta đặt hai tín hiệu này lên một yếu tố phi tuyến tính như điốt (hình 2.4a) hay tranzito ( hình 2.4b), với tranzito hoạt động ở phần cong của đặc tuyến Hình 2.4: Mạch nguyên lý điều biên: A)1 điốt; B) Tranzito Lúc này dòng điện cực góp biến thiên là một hàm phi tuyến của điện áp gốc phụ thuộc cả vào u 1 và u 2 : u B = u 1 + u 2 và i = i k = f(u 1 ,u 2 ) = I 0 + au B + bu B 2 + … Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 9 ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ Hình 2.3 : Nguyên lý điều chế biên độ Tín hiệu u 2 Sóng mang u 1 Dao động điều chế Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy Để đơn giản ta chỉ giới hạn ở số hạng bậc hai của u B đủ cho mục đích ta dặt ra là dòng cực góp là dòng phi tuyến. Do đó: i = i k = f(u 1 ,u 2 ) = I 0 + au B + bu B 2 (2.3) Thay (1),(2) v ào (3), sau các biến đổi phức tạp ta sẽ được dòng điện cực góp là một dòng điện phức tạp có nhiều thành phần có tần số và biên độ khác nhau: (2.4) 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 súng biờn 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 khỏc. Trờn mạch cộng hưởng ta có điện áp điều chế: (2.6) Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 10 [...]... K55 - Khoa Vật lý Hà Nội 30 Trường ĐHSP Khóa luận tốt nghiệp Thúy Nếu chọn R và C sao cho Thì Nguyễn Thị . Nguyễn Thị Thúy thí nghiệm tách sóng trong chương trình điện tử đại cương của khoa Vật Lý 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. khoa Vật Lý dễ dàng hiểu được nguyên lý tỏch súng, là một nguyên lý cơ bản của kỹ thuật truyền tín hiệu đi xa đề tài đã tập trung xây dựng bài thí nghiệm tỏch sóng trong chương trình điện tử. điện tử đại cương. Líp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường ĐHSP Hà Nội 1 Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy 2. Nhiệm vụ • Nghiên cứu lý thuyết về tách sóng. • Thiết kế bài thí nghiệm tách sóng. •