thiết kế bảy bài thí nghiệm vô tuyến điện dùng cho sinh viên đại học An Giang

báo cáo thiết kế bảy bài thí nghiệm vô tuyến điện dùng cho sinh viên đại học An Giang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN VẬT LÝ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN VĂN MỆN Long xuyên, tháng 04 năm 2007 TÓM TẮT Các mạch điện tử quan trọng sống đại Chúng có mặt hầu hết thiết bị điện tử sử dụng ngày việc nghiên cứu, chọn lọc chúng đưa vào giảng dạy cho sinh viên trường đại học cần thiết Đáp ứng yêu cầu đó, đề tài nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật điện tử, vô tuyến điện để chọn lọc, đưa nội dung môn thực hành vô tuyến điện gồm thí nghiệm với board mạch tự chế dụng cụ đo trang bị sẵn Phịng thí nghiệm Bộ thí nghiệm dùng cho sinh viên hệ đại học có tài liệu hướng dẫn kèm Thêm vào đó, đề tài hướng dẫn sử dụng số dụng cụ đo phổ biến đặc biệt dao động ký điện tử hai chùm tia, thiết bị đo điện phổ dụng Thí nghiệm vơ tuyến điện MỤC LỤC Trang TÓM TẮT Các mạch điện tử quan trọng sống đại Chúng có mặt hầu hết thiết bị điện tử sử dụng ngày việc nghiên cứu, chọn lọc chúng đưa vào giảng dạy cho sinh viên trường đại học cần thiết Đáp ứng yêu cầu đó, đề tài nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật điện tử, vô tuyến điện để chọn lọc, đưa nội dung môn thực hành vô tuyến điện gồm thí nghiệm với board mạch tự chế dụng cụ đo trang bị sẵn Phịng thí nghiệm Bộ thí nghiệm dùng cho sinh viên hệ đại học có tài liệu hướng dẫn kèm Thêm vào đó, đề tài hướng dẫn sử dụng số dụng cụ đo phổ biến đặc biệt dao động ký điện tử hai chùm tia, thiết bị đo điện phổ dụng PHẦN I .3 PHẦN II Chương Chất bán dẫn linh kiện bán dẫn Mạch RLC nối tiếp 14 Mạch khuếch đại 15 Mạch làm toán dùng OP-AMP 18 Mạch đếm 19 Chương 24 Các dụng cụ đo 24 Các board mạch điện tử 27 Máy phát tần số 30 Nguồn điện 31 Dây nối 32 Chương 33 Bài 33 Bài 39 Bài 42 Bài 45 Bài 48 Bài 53 Bài 56 PHẦN III 60 KẾT LUẬN 60 PHỤ LỤC 62 P1 SỬ DỤNG DAO ĐỘNG KÝ HAI CHÙM TIA 62 P2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSITOR 63 P3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG OP-AMP 64 P4 MẠCH LÀM TOÁN 64 P5 CỔNG LOGIC 65 Nguyễn Văn Mện Thí nghiệm vơ tuyến điện PHẦN I MỞ ĐẦU Khái quát chung cho đề tài: Ngày nay, mạch điện tử sử dụng phổ biến thiết bị điện tử (radio, ampli, đồng hồ điện tử, biển quảng cáo,…) Chúng trở thành phần thiếu sống đại việc giảng dạy học phần sở có liên quan đến cơng nghệ thơng tin cho sinh viên cần thiết Ở hầu hết trường đại học, môn vô tuyến điện đưa vào giảng dạy phần lý thuyết thực hành với tên gọi khác Việc làm trang bị kiến thức kỹ thuật điện tử cho sinh viên mà rèn luyện cho em kỹ thực nghiệm khoa học Phịng thí nghiệm Vật lý Trường Đại học An Giang đảm nhận tất học phần thí nghiệm Vật lý, kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử trường Đáp ứng nhu cầu tình hình mới, Bộ mơn Vật lý có đề nghị mua số dụng cụ thí nghiệm vơ tuyến Cơng ty sách thiết bị giáo dục Thắng Lợi cung cấp với thành giá cao Trong đó, sử dụng dụng cụ đo có sẵn, mua sắm linh kiện tự thiết kế, lắp ráp mạch ta thu thí nghiệm tương tự có kết khơng hiệu kinh tế đáng kể Nhận thấy điều thực tế trên, định thực đề tài: "Thiết kế bảy thí nghiệm vơ tuyến dùng cho sinh viên Đại học An Giang" Đề tài nhằm thiết kế số mạch thí nghiệm điện tử phục vụ cho việc giảng dạy thực hành mơn vơ tuyến điện phịng thí nghiệm Vật lý Giả thuyết khoa học đề tài: Hướng dẫn thực hành môn vật lý đại cương phịng thí nghiệm vật lý, mơn có liên quan đến điện tử: vô tuyến điện, mạch RLC, mạch khuếch đại … Nếu giảng viên dựa sở hiểu biết sinh viên kiến thức lý thuyết điện tử, xác định hệ thống kỹ thí nghiệm, cung cấp đủ linh kiện thí nghiệm, sử dụng phương pháp hướng dẫn phù hợp sinh viên dễ dàng hình thành kỹ hồn thành tốt thí nghiệm điện tử với chất lượng cao Qua đó, sinh viên tự vận dụng kiến thức kỹ vừa trang bị biết thiết kế, lắp đặt mạch điện tử thông dụng dùng việc giảng dạy ứng dụng sống sau - Qua khảo sát thực tế cho thấy việc lắp ráp linh kiện điện tử thành thí nghiệm giúp sinh viên củng cố vững kiến thức lý thuyết, đồng thời dễ dàng hình thành sinh viên kỹ ứng dụng - Qua khảo sát thị trường cho thấy việc mua sắm linh kiện điện tử để lắp ráp thành mạch tiết kiệm nhiều so với mua trọn thí nghiệm cơng ty sách thiết bị giáo dục cung cấp Giá thành thí nghiệm điện tử cao (hàng chục triệu đồng thí nghiệm), mua sắm tự lắp ráp, cộng thêm khoảng chi phí khảo sát, tham quan thí nghiệm tự chế rẻ nhiều lần mà đảm bảo chất lượng đào tạo Nguyễn Văn Mện Thí nghiệm vơ tuyến điện - Có thể nghiên cứu lý thuyết vô tuyến điện, kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử để đưa nội dung bản, quan trọng đưa vào giảng dạy cho sinh viên Nội dung vấn đề đa dạng, phong phú nên việc lựa chọn đưa vào chương trình quan trọng Nội dung giảng dạy học phần vô tuyến điện lớp Sư phạm lý khơng địi hỏi phức tạp, kỹ thuật cao lớp chuyên ngành, sơ sài, qua loa đại khái mà phải rèn luyện cho thầy cô giáo tương lai kiến thức kỹ - Có thể thiết kế mạch điện tử, sử dụng máy đo có sẵn phịng thí nghiệm để tạo thành thí nghiệm hồn chỉnh, hoạt động đồng Do đảm nhận tất học phần vật lý, kỹ thuật Trường, Phịng Thí nghiệm Vật lý trang bị đầy đủ dụng cụ đo phục vụ cho việc giảng dạy thí nghiệm vật lý trước Các dụng cụ phát huy hết cơng suất sử dụng cho giảng dạy thí nghiệm vô tuyến cách hiệu Các máy công cụ trang bị nên việc sản xuất, gia công, lắp ráp mạch điện tử thực số cơng đoạn phịng - Có thể sử dụng mạch điện tử thiết kế được, viết thêm tài liệu hướng dẫn đưa vào giảng dạy cho sinh viên hệ đại học Trong chương trình khung hệ đại học số chuyên ngành có học phần vô tuyên điện, kỹ thuật điện tử lý thuyết thực hành thí nghiệm thiết kế đưa vào giảng thử nghiệm để kịp thời điều chỉnh cho phù hợp Nội dung nghiên cứu: Đề tài thực nội dung sau: - Nghiên cứu thực tế: tìm hiểu chương trình đào tạo chuyên ngành có liên quan đến điện tử, tham quan phịng thí nghiệm vô tuyến trường bạn, khảo sát giá thành số dụng cụ thí nghiệm linh kiện điện tử cần thiết - Nghiên cứu lý thuyết: lý thuyết mạch điện tử, kỹ thuật điện tử, vô tuyến điện để định hướng, đưa nội dung môn học - Nghiên cứu thực nghiệm: lắp ráp, thử nghiệm mạch điện tử theo nội dung đưa ra, kiểm tra lại hoạt động mạch lắp ráp - Viết tài liệu hướng dẫn thực hành - Đưa vào giảng dạy thử nghiệm cho sinh viên, thu thập thơng tin phản hồi để có thay đổi, sửa chữa hợp lý Phương pháp nghiên cứu: Do mang đặc tính sư phạm thực nghiệm nên việc nghiên cứu đề tài sử dụng phối hợp phương pháp khoa học giáo dục thực hành thí nghiệm gồm phương pháp cụ thể sau: Nguyễn Văn Mện Thí nghiệm vơ tuyến điện - Nghiên cứu lý thuyết: Đọc nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu - Trao đổi thăm dò ý kiến với giảng viên sinh viên trường, nhằm tìm hiểu thực tế giảng dạy thiết bị thực hành có liên quan đến thí nghiệm điện tử - Quan sát sư phạm, tham quan mơ hình thí nghiệm điện tử số trường lớn - Thực nghiệm sư phạm: Tiến hành thực nghiệm 102 sinh viên lớp DH4 lý lớp 29A2 theo phương án soạn thảo tài liệu hướng dẫn, thiết kế mạch thực hành, cho sinh viên tiến hành thực đánh giá hiệu phương án thực hiện, thử loại sai Về phương pháp khoa học thực nghiệm, với thí nghiệm, việc thực tiến hành theo ba bước: - Thiết kế sơ đồ mạch điện, lựa chọn linh kiện phù hợp Các linh kiện mua ban đầu với nhiều chủng loại khác nên cần phải lựa chọn linh kiện tối ưu cho yêu cầu thí nghiệm - Lắp ráp linh kiện chọn tạo, thành board mạch điện tử với phân bố linh kiện hợp lý - Kiểm tra lại hoạt động mạch theo tiêu chí đặt ban đầu - Khắc phục nhược điểm gặp phải làm thí nghiệm board mạch Những đóng góp khoa học đề tài: - Về mặt khoa học, phục vụ cơng tác đào tạo: đề tài vừa góp phần hồn thiện chương trình đào tạo chun ngành có liên quan đến điện tử, đưa vào giảng dạy cho chuyên ngành Sư phạm Vật lý vừa nâng cao khả đảm nhận giảng dạy Phịng thí nghiệm Vật lý - Về mặt kinh tế: tiết kiệm khoảng chi phí hàng chục triệu đồng cho Trường Nguyễn Văn Mện Thí nghiệm vơ tuyến điện PHẦN II NỘI DUNG Chương SƠ LƯỢC MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO ĐỀ TÀI Chất bán dẫn linh kiện bán dẫn 1.1 Chất bán dẫn Trong ngành vật liệu điện, người ta chia thành bốn nhóm vật liệu: chất dẫn điện, chất cách điện, chất bán dẫn điện chất dẫn điện từ Theo lý thuyết vùng lượng, tính chất dẫn vật liệu xuất bề rộng vùng cấm ngăn cách vùng hóa trị vùng dẫn không đủ rộng, electron vùng hóa trị nhận lượng kích thích nhảy lên chiếm mức vùng dẫn làm cho vật liệu trở nên dẫn điện Dưới sơ đồ vùng lượng chất cách điện (a), chất bán dẫn (b) chất dẫn điện (c) Vùng dẫn Vùng cấm ∆Eg Vùng hóa trị a) b) c) Hình 1-1 Sơ đồ cấu trúc miền lượng Dựa vào đặc tính dẫn điện chất bán dẫn người ta chia bán dẫn làm loại: bán dẫn tinh khiết, bán dẫn tạp chất loại p bán dẫn tạp chất loại n Hai chất bán dẫn tinh khiết điển hình Silicium (Eg = 1,12eV) Gecmanium (Eg = 0,72eV) thuộc nhóm bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev Lớp Ge Si có electron liên kết với nguyên tử bên cạnh tạo thành cấu trúc bền vững Tinh thể khơng dẫn điện Khi có lượng kích thích từ bên ngồi (đun nóng chẳng hạn), số electron khỏi liên kết để tạo thành electron tự đồng thời để lại lỗ trống mang điện tích +e, electron lân cận nhảy vào chiếm chỗ, tinh thể tạo thành electron tự lỗ trống di chuyển, tinh thể trở nên dẫn điện Để tăng nồng độ hạt dẫn, người ta pha vào chất bán dẫn tinh khiết loại tạp chất Tùy theo tính chất tạp chất pha cho (donor) hay nhận (accepto) mà ta có bán dẫn tạp chất loại n hay bán dẫn tạp chất loại p Chất bán dẫn có số đặc tính sau: a Điện trở suất: Điện trở suất chất bán dẫn lớn so với chất dẫn điện Nguyễn Văn Mện Thí nghiệm vơ tuyến điện b Ảnh hưởng nhiệt độ: Điện trở chất bán dẫn thay đổi lớn theo nhiệt độ, nhiệt độ tăng điện trở suất chất bán dẫn giảm xuống, khoảng nhiệt độ cao mức giảm điện trở lớn Nhờ đặc tính người ta chế tạo nhiệt điện trở c Ảnh hưởng ánh sáng: Điện trở chất bán dẫn giảm xuống có ánh sáng chiếu vào Nhờ vào đặc tính người ta chế tạo quang trở d Ảnh hưởng độ tinh khiết: Khối bán dẫn tinh khiết có điện trở lớn pha tạp chất vào độ dẫn điện tăng lên Tỷ lệ pha chế lớn điện trở giảm nhỏ Nhờ đặc tính người ta chế tạo linh kiện bán dẫn diode, transitor 1.2 Một số linh kiện bán dẫn 1.2.1 Diode bán dẫn Diodee bán dẫn loại linh kiện bán dẫn đơn giản gồm hai vùng bán dẫn p n ghép với Trong vùng bán dẫn loại p có thừa lỗ trống, vùng bán dẫn loại n có thừa electron Khi hai vùng tiếp xúc có số electron vùng n qua mối nối hợp với lỗ trống vùng p Khi chất bán dẫn trung hòa mà vùng bán dẫn n bị electron, vùng bán dẫn loại p nhận thêm electron tạo nên chênh lệch điện tích Kết xuất điện trường hướng từ miền n sang miền p ngăn cản khuếch tán điện tích Điện trường tạo nên hàng rào điện Dùng nguồn DC Er nối hai đầu diodee Khi cực âm nối p, cực dương nối n Nguồn điện làm xuất r n p điện trường E0 chiều với điện trường r Miền tiếp giáp tiếp giáp Er nghĩa điện Hình 1-2 Cấu tạo diode trường góp phần ngăn cản di chuyển điện tích (electron từ n sang p lỗ trống từ p sang n) Không có dịng điện qua diodee Ta nói diodee phân cực nghịch Nếu cực dương nối p, cực âm nối n nguồn điện tạo điện trường chống lại điện trường cản, hạt mang điện khuếch tán qua tiếp giáp, làm xuất dòng điện chạy qua diodee theo chiều từ p sang n Ta nói diodee phân cực thuận Thực tế phân cực thuận cho diodee điện nguồn đạt giá trị VY có dịng điện qua diodee Khi dịng điện qua diodee phụ thuộc vào hiệu điện hai đầu diode theo biểu thức:  V   qV  ID = IS  e kT − 1 = IS  e 26mV − 1     D Nguyễn Văn Mện D (1-1) Thí nghiệm vơ tuyến điện VD Khi VD > VY coi I = I e 26mV Trong IS dịng bảo hịa ngược Nhờ D S đặc tính người ta sử dụng diode để hồi tiếp mạch biến đổi hàm số Nhờ đặc điểm cho dòng điện qua theo chiều, người ta dùng diode để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều mạch nắn điện 1.2.2 Transitor E n p n C E B p n p C B Hình 1-3 Cấu tạo Transitor Transitor linh kiện bán dẫn gồm cực tạo thành hai mối tiếp giáp p-n Transitor có ba miền bán dẫn npn pnp xen kẻ tạo thành loại transitor (kênh n kênh p) - Miền phát: nối điện cực gọi cực phát, ký hiệu E (emitor) có nồng độ hạt dẫn cao - Miền nền: nối điện cực gọi cực nền, ký hiệu B (base) có nồng độ hạt dẫn thấp - Miền thu: nối điện cực gọi cực thu, ký hiệu C (collector) có nồng độ hạt dẫn trung bình Ở trạng thái bình thường, transitor không dẫn điện Muốn transitor hoạt động ta phải phân cực cho transitor Trạng thái phân cực thiết lập cho tiếp giáp JE (mối nối E-B) phân cực thuận, tiếp giáp JC (mối nối C-B) phân cực nghịch Có nhiều cách để phân cực cho transitor, ta ý cách phân cực phổ biến sau: a Phân cực dòng cố định: sử dụng chung nguồn cho hai tiếp giáp, để điện khác ta sử dụng hai điện trở có giá trị khác (hình 1-4a) b Phân cực hồi tiếp thu – nền: sử dụng điện trở hồi tiếp từ cực thu cực để phân cực cho transitor (hình 1-4b) Nguyễn Văn Mện Thí nghiệm vơ tuyến điện c) b) a) Hình 1-4 Phân cực cho transitor c Phân cực cầu chia điện thế: sử dụng cầu chia điện hai điện trở khác để phân cực (hình 1-4c) Do đặc tính hồi tiếp ổn định nhiệt cao nên hai cách phân cực sau sử dụng phổ biến 1.2.3 Transitor trường ứng (JFET) Transitor trường ứng gồm có cực: cực thoát (D: drain), cực nguồn (S: source), cực cổng (G: gate) Tùy theo khối bán dẫn tạo thành mà ta chia transitor trường làm hai loại: kênh n (hai khối bán dẫn loại p khối bán dẫn loại n), kênh p (hai khối bán dẫn loại n khối bán dẫn loại p) Sau ta xét JFET kênh n Cũng giống transitor thường, JFET cần phân cực để hoạt động Điện phân cực JFET khác so với transitor thường: cực thoát nối điện dương, cực cổng nối điện âm Khi dịng điện qua JFET phụ thuộc vào điện phân cực VGS (khi VDS không đổi) theo biểu thức:  V  ID = I DSS  − GS  VGSoff   (1-2) Trong IDSS dịng điện bảo hịa, VGSoff điện nghẽn Ứng với giá trị khác VGS, phụ thuộc dòng ID vào điện VDS cho ta chùm đặc tuyến ngõ Khi sử dụng JFET để khuếch đại tín hiệu, ta cho tín hiệu vào cực cổng (G) lấy cực (D) Tín hiệu ngõ ngược pha với tín hiệu ngõ vào Nguyễn Văn Mện Thí nghiệm vơ tuyến điện - Cấp nguồn đối xứng ±6V cho OP-AMP - Cho V1 = 1,5V, V2 = 0,5V Đo Vo so sánh với kết tính từ lý thuyết - Lập lại thí nghiệm với V1 = 1,5V, V2 = -0,5V 4.3 Mạch tích phân: Sinh viên mắc mạch hình - Cấp nguồn đối xứng ±6V cho OP-AMP - Cho vi tín hiệu hình vng tần số 1kHz với biên độ thích hợp Quan sát tín hiệu ngõ ra, vẽ hai tín hiệu đồ thị Hình 3-33 Mạch thực hành - Chọn pha tín hiệu vi Viết biểu thức hai tín hiệu - Thay đổi tần số tín hiệu vào Quan sát tín hiệu ngõ ra, nhận xét giải thích 4.4 Mạch vi phân: Sinh viên mắc mạch hình 3-33 - Cấp nguồn đối xứng ±6V cho OP-AMP - Cho tín hiệu vào tín hiệu hình sin tần số 1kHz Quan sát tín hiệu ngõ ra, vẽ hai tín hiệu đồ thị - Xem tín hiệu nguồn tín hiệu chuẩn pha Viết biểu thức hai tín hiệu - Thay đổi tần số tín hiệu vào Quan sát tín hiệu ngõ ra, nhận xét giải thích Nguyễn Văn Mện Hình 3-34 Mạch thực hành 52 Thí nghiệm vơ tuyến điện Bài KHẢO SÁT CỔNG LOGIC Mục đích: - Làm quen với cổng logic mắc sẵn IC - Xác định loại cổng số cổng 1IC, điện áp ngã vào, ra, điện ngưỡng - Biến đổi qua lại cổng - Xây dựng mạch tổ hợp với hàm logic biết trước từ cổng NAND Cơ sơ lý thuyết: Các cổng logic bao gồm AND, OR, NOT, NAND, NOR, EX-OR, EX-NOR lắp đặt sẵn IC họ TTL Các IC thường có 14 chân phân bố hình vẽ chân nối mass chân 14 nối nguồn có số chân để trống Các cổng IC thường có ngõ vào ngõ 2.1 Xác định nhóm chân IC: VCC 14 13 12 11 10 GND Hình 3-35 Sơ đồ chân TTL Vì cổng IC loại nên để hở cấp nguồn chân IC tạo thành nhóm điện Dựa vào nhóm điện ta hình dung IC mắc 2.2 Xác định loại cổng: Bằng cách cấp mức (nối nguồn) mức (nối mass) cho ngã vào, lập bảng chân lý ta suy loại cổng IC 2.3 Xác định ngưỡng logic: Ngưỡng logic giá trị nhỏ điện ngõ vào mà cổng xem mức (bắt đầu hoạt động) Để xác định ngưỡng logic cho cổng ta cấp cho ngã vào điện thay đổi được, ngã vào lại điện áp thích hợp (mức NAND, AND; mức OR, NOR) Hình 3-36 Xác định ngưỡng logic - Bắt đầu từ điên áp 0V, tăng dần điện áp cổng thay đổi trạng thái (led cháy sáng) Đó giá trị điện áp ngưỡng - Sau tăng ngã vào đến điện áp cao nhất, giảm dần điện áp led tắt Đó điện áp ngưỡng Nguyễn Văn Mện 53 Thí nghiệm vơ tuyến điện 2.4 Biến đổi cổng: Chỉ cần loại cổng (cổng NAND chẳng hạn) ta tạo thành tất loại cổng khác Dưới ta xét cổng sở cổng NAND 2.5 Thiết kế mạch tổ hợp: Để thiết kế mạch tổ hợp theo yêu cầu ta thực bước sau: - Gán mức logic cho trạng thái vật lý đối tượng - Lập bảng chân lý hàm logic diễn tả quan hệ trạng thái hệ - Rút gọn hàm logic tìm - Vẽ sơ đồ ráp mạch theo sơ đồ Dụng cụ thiết bị thí nghiệm: - Board mạch khảo sát IC7400 - Nguồn điện chiều - Vôn kế Thực hành: 4.1 Xác định cổng hai IC: − Đo điện chân, tìm nhóm chân − Lập bảng chân lý cho nhóm chân suy loại cổng − Xác định ngưỡng logic cổng IC 4.2 Tạo cổng khác từ cổng NAND ngã vào: Lần lượt vẽ sơ đồ tạo cổng: NOT, OR (hai ba ngõ vào), AND (hai ba ngã vào) Lập bảng chân lý cổng vừa tạo Nguyễn Văn Mện 54 Thí nghiệm vô tuyến điện 4.3 Xây dựng mạch tổ hợp từ cổng NAND ngã vào: − Xây dựng mạch logic có ba ngã vào có ngã mức cao đa số ngã vào mức cao Kiểm tra lại hoạt động mạch − Xây dựng mạch logic cho hàm logic ba ngã vào có bảng chân lý sau kiểm tra lại hoạt động mạch Bảng 7: Bảng chân lý thực hành A C F 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 Nguyễn Văn Mện B 1 55 Thí nghiệm vô tuyến điện Bài KHẢO SÁT MẠCH FLIPFLOP Mục đích thí nghiệm: - Khảo sát hoạt động flipflop mạch sử dụng flipflop - Thiết kế mạch logic sử dụng FF theo yêu cầu - Khảo sát mạch đếm lên, xuống, đếm vòng sử dụng FF Cơ sở lý thuyết: 2.1 Mạch flipflop: Mạch FF mạch có ngõ vào ngõ bổ túc Ngõ phụ thuộc vào xung CK a RS-FF: Sơ đồ cấu tạo RS-FF nguyên tắc hoạt động: R Q R 1 CK R S 0 Qn+1 X Qn Hình 3-37 RS-FF b JK-FF: Để loại bỏ trạng thái cấm RS-FF, người ta mắc thêm vào cổng AND J S K R SET CLR Q Q J K 1 0 Qn+1 Qn Qn Hình 3-38JK-FF JK-FF mắc sẵn IC74112 có xung đồng hồ tác động cạnh xuống, ngã preset, clear tác động mức thấp Dưới sơ đồ cấu tạo IC74112 Nguyễn Văn Mện 56 Thí nghiệm vô tuyến điện VCC 16 15 S J R K SET CLR 14 13 12 11 Q S J Q R K 10 SET CLR Q Q GND Hình 3-39.IC4112 c D-FF: D S R SET CLR Q Q Hình 3-40 D-FF d T-FF: T S R SET CLR Q Q 2.2 Mạch đếm: Hình 3-41.T-FF a Mạch đếm đồng bộ: Trong mạch đếm đồng bộ, FF chịu tác dụng đồng thời xung C K Các ngã FF đứng trước đưa vào ngã vào FF đứng sau Tùy theo mạch đếm lên hay đếm xuống mà ta sử dụng ngã hay ngã phụ để đưa vào tầng sau Sau sơ đồ mạch đếm ráp thực tập: - Mạch đếm lên đồng 4bit: (hình 1-28) - Mạch đếm xuống đồng 4bit: (hình 1-29) b Mạch đếm khơng đồng bộ: Trong mạch đếm không đồng bộ, ngã FF đứng trước nối với xung đồng hồ FF đứng sau - Mạch đếm lên 4bit khơng đồng (hình 1-30) - Mạch đếm xuống 4bit khơng đồng (hình 1-31) - Mạch đếm đồng modulo N (N≠2n) (hình 1-32) Nguyễn Văn Mện 57 Thí nghiệm vơ tuyến điện Ta mắc thêm cổng NAND vào ngã mức cao mạch lần đếm thứ N đưa chân clear - Mạch đếm lên xuống không đồng (hình 1-33) Dụng cụ thiết bị thí nghiệm: - Board mạch đếm dùng IC74112 - Nguồn điện chiều - Vôn kế Thực hành: 4.1 Khảo sát hoạt động FF: - Sinh viên sử dụng cổng NAND IC7490 mắc thành RS-FF, JK-FF, T-FF, D-FF có xung đồng hồ tác động cạnh xuống (mạch tạo xung tay thiết kế sẵn) Kiểm tra lại hoạt động FF vừa mắc VCC J S SET Q VCC CK K R CLR Q VCC J S SET Q CK K R CLR VCC Q Hình 3-42 - Lập bảng chân lý cho FF thực nghiệm - Thiết kế mạch gồm công tắc giành quyền ưu tiên cơng tắc nhấn cơng tắc tia khơng cịn tác dụng - Sử dụng tính chất JK-FF Dùng công tắc đưa xung đồng hồ vào FF, lần cơng tắc nhấn FF tương ứng hoạt động thay đổi trạng thái đồng thời khống chế FF khác có cơng tắc nhấn khơng ảnh hưởng đến mạch Mạch có sơ đồ hình Sinh viên mắc mạch, giải thích hoạt động kiểm tra lại hoạt động 4.2 Mạch đếm: Mạch đếm thực hành sử dụng JK-FF IC74112 cổng NAND IC7400 dùng làm cổng nối mắc mạch tạo xung Sinh viên dò kỹ mạch điện thực yêu cầu sau: - Lắp mạch đếm lên đồng 4bit Kiểm tra lại hoạt động mạch, lập bảng chân lý Nguyễn Văn Mện 58 Thí nghiệm vơ tuyến điện - Lắp mạch đếm xuống đồng 4bit Kiểm tra lại hoạt động mạch, lập bảng chân lý Chú ý dùng cổng NAND IC7400 để mắc thành cổng AND - Lắp mạch đếm lên không đồng 4bit Kiểm tra lại hoạt động mạch, lập bảng chân lý - Lắp mạch đếm xuống không đồng 4bit Kiểm tra lại hoạt động mạch, lập bảng chân lý - Lắp mạch đếm modulo N=10 Nguyễn Văn Mện 59 Thí nghiệm vơ tuyến điện PHẦN III KẾT LUẬN Nhận định lại giả thuyết đề tài Sau tháng thực đề tài, điểm lại điều làm so với giả thuyết ban đầu đưa ra: - Một việc nghiên cứu lý thuyết, chọn lọc, đưa nội dung môn học "Thực hành vơ tuyến điện" gồm thí nghiệm hồn chỉnh - Hai việc thiết kế, chế tạo dụng cụ thí nghiệm, đề tài làm board mạch điện tử hoạt động đồng với máy đo sẵn có Phịng thí nghiệm - Ba viết tài liệu hướng dẫn thực hành Tài liệu đưa vào hướng dẫn cho sinh viên lớp DH3L DH4L với tất mạch điện tử thiết kế được, hướng dẫn sử dụng số máy đo phổ biến Những khó khăn thực đề tài Trong trình thực đề tài, tơi gặp phải số khó khăn sau: - Về quỹ thời gian: giai đoạn học nên khó chủ động thời gian làm việc cịn chưa đảm bảo tiến độ thực đề tài - Về kinh phí thực đề tài: kinh phí tạm ứng cịn so với tổng kinh phí thực đề tài, thủ tục tạm ứng rườm rà Hướng phát triển đề tài Thành cơng bước đầu đề tài áp dụng vào giảng dạy cho Lớp Đại học Sư phạm chuyên ngành Vật lý Nếu tiếp tục nghiên cứu theo hướng thiết kế nhiều thí nghiệm hơn, nội dung phong phú hơn, chuyên sâu để đưa vào giảng dạy cho lớp Lý – Kỹ thuật công nghiệp thời gian tới Nguyễn Văn Mện 60 Thí nghiệm vơ tuyến điện TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Xuân Thụ 1999 Kỹ thuật điện tử NXB GD Phan Tấn Uẩn 2000 Điện tử Sở Giáo dục đào tạo TP Hồ Chí Minh Vương Tấn Sĩ 2003 Giáo trình điện tử Đại học Cần Thơ Vương Tấn Sĩ 1998 Giáo trình dao động ký điện tử Đại học Cần Thơ Giáo trình thực tập vô tuyến điện 2001 Khoa Công nghệ thông tin – Đại học Cần Thơ Giáo trình thực tập kỹ thuật điện tử Khoa Công nghệ thông tin – Đại học Cần Thơ Nguyễn Văn Mện 61 Thí nghiệm vô tuyến điện PHỤ LỤC MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM P1 SỬ DỤNG DAO ĐỘNG KÝ HAI CHÙM TIA Viết biểu thức tín hiệu Mắc mạch RLC nối tiếp Biểu thức tín hiệu: uR = 0,5sin435πt (V) uL = 0,12sin(435πt+π/2) (V) uC = 0,1sin(435πt-π/2) (V) u = 4,08sin435πt (V) Xác định tần số, biên độ phương pháp Lissajous Nguồn chuẩn có tần số 50Hz Một số dạng tín hiệu thường gặp: f21 = f1 = 50Hz f22 = 2f1 = 100Hz f23 = 3f1 = 150Hz Hình P1 Đối chiếu với cách đọc thông thường: f21 = 1/T = 1/0,02 = 50Hz (trùng với lý thuyết) f22 = 1/T = 1/0,01 = 100Hz (trùng với lý thuyết) f23 = 1/T = 1/0,006 = 166Hz (LT: 150) Xác định biên độ phương pháp so sánh: tín hiệu chuẩn 12V chiếm 2,4 khoảng trục đứng (volt/div giai 5V/div); tín hiệu cần đo chiếm 6,6 khoảng volt/div nên có biên độ: 12 × 6, = 33V 2, Đo L, C phương pháp cộng hưởng Nguyễn Văn Mện 62 Thí nghiệm vơ tuyến điện Chu kỳ tín hiệu xảy cộng hưởng: T = 5,4 khoảng X 50µs/khoảng = 0,27ms f = 1/T = 3703,7Hz Suy độ tự cảm cuộn dây: L = 1,8mH (LT: 1,6mH) Đo điện trở cuộn dây Chọn R = 1k, L = 6mH Độ lệch pha ϕ = 5o12’ Điện trở cuộn dây: r = 0,1k (LT: 0,08k) P2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANSITOR Dùng cầu chia điện - Khi tụ phân dòng 100µF: Các điện phân cực: VC = 5,2V; VB = 1V; VE = 0,5V; VCE = 4,5V Độ lợi thế: Av = 118,75 lần, tín hiệu ngược pha với tín hiệu vào Giới hạn biên độ tín hiệu vào mà mạch cịn có khả khuếch đại: vi = 3,5V Giảm VCE = 2,5V, độ lợi Av = 30,4 lần (giảm nhiều so với trường hợp trên) - Khi tụ phân dịng 22µF Độ lợi thế: Av = 19,68lần, tín hiệu ngược pha với tín hiệu vào - Khơng có tụ phân dịng Độ lợi Av = 2,64 lần Độ lợi giảm so với có tụ phân dịng (phù hợp với lý thuyết) Mạch dùng điện trở hồi tiếp thu – - Khi tụ phân dịng 100µF: Các điện phân cực: VC = 6,25V; VB = 2,25V; VE = 1,75V; VCE = 4,5V Độ lợi thế: Av = 64,6 lần, tín hiệu ngược pha với tín hiệu vào Giới hạn biên độ tín hiệu vào mà mạch cịn có khả khuếch đại: vi = 3,5V Nguyễn Văn Mện 63 Thí nghiệm vơ tuyến điện - Khi tụ phân dịng 22µF Độ lợi thế: Av = 51,4lần, tín hiệu ngược pha với tín hiệu vào - Khơng có tụ phân dịng Độ lợi Av = 1,06 lần Độ khuếch đại giảm so với có tụ phân dịng (phù hợp với lý thuyết) P3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG OP-AMP Mạch khuếch đại đảo Cấp điện ngõ vào vi = 1V - Hồi tiếp 10k, vo = -1V (phù hợp với lý thuyết) - Hối tiếp 20k, vo = -2V (phù hợp với lý thuyết) - Hối tiếp 30k, vo = -3V (phù hợp với lý thuyết) Cấp tín hiệu hình sin tần số 1kHz, vo = -vi (phù hợp với lý thuyết) Mạch khuếch đại khơng đảo Cấp tín hiệu vào vi = 1V - Hồi tiếp 10k, vo = -2,3V (LT: 2V) - Hối tiếp 20k, vo = -2,8V (LT: 3V) - Hối tiếp 30k, vo = -3,5V (LT: 4V) Cấp tín hiệu hình sin tần số 1kHz, điện trở hồi tiếp 10k Tín hiệu v o = 2vi (trùng với lý thuyết) Mạch kết hợp Cho v1 = 2V, v2 = 1V - Hồi tiếp 10k, vo = 0,2V (LT: 0V) - Hối tiếp 20k, vo = -1,1V (LT: -1V) P4 MẠCH LÀM TOÁN Mạch cộng - Cấp v1 = 1V, v2 = 2V: vo1 = -2,5V; vo = 2,6V(LT:-3V; 3V) - Cấp v1 = 1V, v2 = -2V: vo1 = 1,2V; vo = -1,1V(LT:1V; -1V) Nguyễn Văn Mện 64 Thí nghiệm vơ tuyến điện - Cấp tí n hiệu hình sin: vo = -2,8vi Mạch trừ - Trừ đổi dấu: v1 = 2V, v2 = 1V: vo1 = -1,5V; vo = 0,9V (LT:-2V; 1V) v1 = 1V, v2 = 1V: vo1 = -0,8V; vo = 0V (LT: -1V; 0V) - Trừ vi sai v1 = 3V, v2 = 1V: vo = 1,45V (LT:4V) v1 = 3V, v2 = -1V: vo = 3,8V (LT: 4V) Mạch tích phân Tín hiệu vào hình vng tần số 1kHz, tín hiệu hình cưa tần số Khi tần số tín hiệu vào tăng biên độ tín hiệu giảm ngược lại (trùng với lý thuyết) Mạch vi phân Tín hiệu vào hình sin tần số 1kHz, tín hiệu hình sin tần số lệch pha π/2 so với tín hiệu vào (trùng với lý thuyết) Khi tần số tín hiệu vào tăng biên độ tín hiệu giảm ngược lại P5 CỔNG LOGIC Xác định cổng hai IC V14 = VCC, V7 = IC có nhóm chân: (1,2,3); (4,5,6); (10,9,8); (13,12,11) Loại cổng chứa IC7400 cổng NAND Ngưỡng logic IC: vngưỡng = 3V Tạo cổng khác từ cổng NAND hai ngã vào Tạo cổng NOT, AND (hai ba ngã vào), OR (hai ba ngã vào) A B A Y=ABC C B Y=A+B+C C a) Sơ đồ cổng AND ba ngã vào Nguyễn Văn Mện b) Sơ đồ cổng OR ba ngã vào Hình P3 65 Thí nghiệm vơ tuyến điện Xây dựng mạch logic từ cổng NAND - Mạch có ngã mức cao đa số ngã vào mức cao (P3a) - Mạch có bảng chân lý cho sẵn (P3b) A A B B C Y Y C a) b) Hình P3 Nguyễn Văn Mện 66 ... có kết khơng hiệu kinh tế đáng kể Nhận thấy điều thực tế trên, định thực đề tài: "Thiết kế bảy thí nghiệm vơ tuyến dùng cho sinh viên Đại học An Giang" Đề tài nhằm thiết kế số mạch thí nghiệm điện. .. thuật điện tử cho sinh viên mà rèn luyện cho em kỹ thực nghiệm khoa học Phịng thí nghiệm Vật lý Trường Đại học An Giang đảm nhận tất học phần thí nghiệm Vật lý, kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử... thuật điện tử, vô tuyến điện để chọn lọc, đưa nội dung mơn thực hành vơ tuyến điện gồm thí nghiệm với board mạch tự chế dụng cụ đo trang bị sẵn Phịng thí nghiệm Bộ thí nghiệm dùng cho sinh viên