THIẾT KẾ BỘ LỌC ÂM SẮC GRAPHIC EQUALIZER

THIẾT KẾ BỘ LỌC ÂM SẮC GRAPHIC EQUALIZER

Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001:2008 NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ BỘ LỌC ÂM SẮC GRAPHIC EQUALIZER GVHD : Đỗ Anh Dũng 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng Mục lục Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 1- Đặt vấn đề 2- Mục tiêu của đề tài 3- Nhiệm vụ của đề tài Chương I– Cơ sở lý thuyết 1. Lý thuyết mạch khuếch đại 1.1. Khuếch đại Transistor 1.2. Khuếch đại thuật toán 1.2.1. Khuếch đại vi sai 1.2.2. Tầng khuếch đại đẩy kéo 1.2.3. Mạch khuếch đại thuật toán 2. Lý thuyết mạng bốn cực và ứng dụng 2.1. Khái niệm mạng bốn cực 2.2. Mạch lọc tần số 2.2.1. Khái niệm chung 2.2.2. Điều kiện dải thông mạch lọc 2.2.3. Tính chất mạch lọc loại K 2.3. Mạch lọc tích cực 2.3.1. Khái niệm chung 2.3.2. Mạch lọc thông thấp bậc 2 2.3.3. Mạch lọc thông cao bậc 2 2.3.4. Mạch lọc thông dải và mạch chọn lọc 3. Mạch nguồn cung cấp 3.1. Mạch chỉnh lưu nửa song 3.2. Mạch chỉnh lưu toàn song 3.3. Mạch bội áp 3.4. Mạch nguồn cung cấp sử dụng IC chuyên dụng 4. Phân tích cấu tạo một số IC KĐTT thông dụng 4.1. 4.2. 2 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng Chương II-Tính toán thiết kế mạch 1. Các linh kiện dùng trong mạch lọc 2. Các thông số đặc tính của mạch lọc và thiết kế mạch lọc. 3. Sơ đồ mạch. Chương III- Kết luận và hướng phát triển đồ án 1. Kết quả thực tế 2. Đánh giá kết quả thực hiện đồ án 3. Hướng phát triển đồ án Tài liệu tham khảo 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 1- Đặt vấn đề Equalizer (EQ) là một thiết bị rất quan trong trong sản xuất âm nhạc ngày nay. Mỗi chúng ta hẳn đã từng dùng Equalizer ở một góc độ nào đó. Đơn giản nhất là thiết bị nghe nhạc mp3 hay các phần mềm nghe nhạc của mình chẳng hạn. Nhưng để hiểu sâu về Equalizer và biết cách chỉnh để cho phù hợp từng bài hát thì hẳn ít ai trong chúng ta từng tìm hiểu . Bằng những kiến thức hiểu biết của mình áp dụng trong bài viết này, chúng tôi chỉ có thể đưa ra một số lý thuyết và mạch Equalizer thực tế ở dạng nhỏ để có thể khái quát một các cụ thể về cấu tạo, chức năng của Equalizer trong thực tế . 2- Mục tiêu của đề tài Mục đích của đề tài là xây dựng một bộ lọc âm sắc Equalizer (EQ) bao gồm : một bộ lọc âm sắc Graphic Equalizer , một bộ khuếch đại . Khi cho thiết bị Audio (CD player) kết nối với mạch lọc qua jack hoặc cổng kết nối sẽ được mạch lọc điều chỉnh thành 5 băng tần khác nhau nằm trong ngưỡng nghe của tai người (Giải tần âm thanh mà con người có thể cảm nhận từ 20Hz đền 20 KHz ) .Khi đi qua mạch lọc tín hiệu sẽ được điều chỉnh thành tín hiệu mới mang chất lượng âm thanh tốt nhất cho người nghe . Một trong các băng tần sau khi được chuyển đổi sẽ được đưa vào mạch khuếch đại làm tăng biên độ của tín hiệu để đạt tới một điểm đủ để người nghe cảm nhận được âm thanh qua loa speaker bình thường . 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng Sơ đồ khối hệ thống Graphic Equalizer Và cuối cùng kết quả đạt được của đề tài là có thể làm thành công một mạch lọc âm sắc Graphic Equalizer 5 bands với công suất phát khoảng 20W . 3- Nhiệm vụ của đề tài Để thực hiện được đề tài “ Thiết kế bộ lọc âm sắc Equalizer “ này trước hết ta cần nắm rõ các lý thuyết về mạng bốn cực, mạch khuếch đại , mạch lọc và IC khuếch đại thuật toán . Từ đó lấy lý thuyết làm nền tảng xây dựng lên sơ đồ mạch thực tế , tính toán trị số linh kiện theo đúng công thức để tìm giá trị tần số của mạch lọc trong thực tế và thi công làm mạch , hoàn thiện sản phẩm Chương I– Cơ sở lý thuyết 1. Lý thuyết mạch khuếch đại Khuếch đại là quá trình khống chế năng lượng có điều khiển, trong đó năng lượng nhỏ chứa đựng thông tin điều khiển năng lượng lớn không chứa thông tin, và năng lượng lớn biến thiên theo năng lượng nhỏ, kết quả ta được một đại lượng điện chứa thông tin, mà dòng điện hoặc điện áp có trị số lớn hơn nhiều lần so với trước. Trên thực tế có ba kiểu mạch khuếch đại thông dụng : 5 Thiết bị Audio Mạch lọc Equalizer Mạch nguồn Mạch khuếch đại Loa Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng Về phương diện dạng của đại lượng : có khuếch đại dòng và khuếch đại áp. Về phương diện tần số của nguồn tín hiệu : có khuếch đại hạ tần, trung tần, cao tần Về thành phần cấu trúc của một bộ khuếch đại : có tiền khuếch đại, tiền công suất, khuếch đại tầng trung gian , tầng khuếch đại công suất Ngoài ra, do yêu cầu, các tầng khuếch đại còn được ghép với để thực hiện chức năng : khuếch đại vi sai, khuếch đại đẩy kéo, khuếch đại Darlington…Trong thực tế mạch khuyếch đại được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử, như mạch khuyếch đại âm tần trong Cassete, Amply, khuyếch đại tín hiệu video , khuếch đại công suất v.v Trong phần báo cáo này chúng ta sẽ tiến hành tìm hiểu lý thuyết của một số mạch khuếch đại trong mạng bốn cực như mạch khuếch đạitransistor ,mạch khuếch đại thuật toán để có thể hiểu một cách cụ thể chức năng nhiệm vụ của từng loại mạch và ứng dụng của chúng trong thực tế . 1.1. Khuếch đại Transistor Transistor có hai loại là : npn và pnp . Nguyên lý tác dụng của transistor đã được nghiện cứu rất nhiều để áp dụng vào thực tế , trong các dụng cụ bán dẫn và được minh họa bởi đặc tuyến vào , đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt và được minh họa bằng hình sau : Hình 1.1 Đặc tuyến của npn mắc emitor chung 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng Các transistor có thể mắc theo các kiểu bazo chung , emitor chung hoặc collector chung . Trong ba các mắc thì cách mắc theo kiểu emitor chung được ứng dụng nhiều nhất trong thực tế . Ta có thể đưa ra một bảng để tóm tắt tính chất của từng cách mắc transistor cơ bản theo bảng : Bảng 1.1 Tính chất từng cách mắc transistor Trong đó : L : lớn ; B : bé ; TB : trung bình ; RL : rất lớn : góc lệch pha giữa điện áp ra và điện áp vào Các tính chất có thể tóm tắt như sau : - Mạch emitor chung cho hệ số khuếch đại công suất lớn nhất (vì K i , K u đều lớn) vì vậy cách mắc emitor chung hay được dùng hơn cả . Trở kháng vào , trở kháng ra của mạch có giá trị trung bình , vì vậy mạch emito tiện lợi đối với việc ghép tải và nguồn tín hiệu . Điện trở tải yêu cầu của nó khoảng vài . 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng - Mạch bazo chung và emitor chung có hồi tiếp âm dòng điện qua điện trở R E thường được dùng làm nguồn dòng, còn mạch lặp emitor được dùng làm nguồn áp Trong báo cáo này chúng ta nghiên cứu về các sơ đồ mắc cơ bản của transistor để có thể hiểu được một cách cụ thể tác dụng cũng như chức năng của từng loại mạch khi ứng dụng trong IC khuếch đại, góp phần giúp chúng ta tìm hiểu rõ hơn về mạch khuếch đại trong thực tế. Khi phân tích các sơ đồ của một tầng khuếch đại thì vấn đề cơ bản là chọn được cách biểu diễn thích hợp cho các phần tử tích cực. Có nhiều phương pháp biểu diễn và mắc transistor khác nhau . 1.2. Khuếch đại thuật toán Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ngày nay được sản xuất dưới dạng các IC tương tự (analog). Có từ "thuật toán" vì lần đầu tiên chế tạo ra chúng người ta sử dụng chúng trong các máy điện toán . Do sự ra đời của khuếch đại thuật toán mà các mạch tổ hợp analog đã chiếm một vai trò quan trọng trong kỹ thuật mạch điện tử. Trước đây chưa có khuếch đại thuật toán thì đã tồn tại vô số các mạch chức năng khác nhau. Ngày nay, nhờ sự ra đời của khuếch đại thuật toán số lượng đó đã giảm xuống một cách đáng kể vì có thể dùng khuếch đại thuật toán để thực hiện các chức năng khác nhau nhờ mạch hồi tiếp ngoài thích hợp. Trong nhiều trường hợp dùng khuếch đại thuật toán có thể tạo hàm đơn giản hơn, chính xác hơn và giá thành rẻ hơn các mạch khuếch đại rời rạc (được lắp bằng các linh kiện rời ) . Hình 1.2. Ký hiệu của khuếch đại thuật toán Ta hiểu khuếch đại thuật toán như một bộ khuếch đại lý tưởng : có hệ số khuếch đại điện áp vô cùng lớn K → ∞, dải tần số làm việc từ 0→ ∞, trở kháng vào cực lớn Zv → ∞, trở kháng ra cực nhỏ Zr → 0, có hai đầu vào và một đầu ra. Thực tế người ta chế tạo ra KĐTT có các tham số gần được lý tưởng. Hình 1.2 là ký hiệu của KĐTT : 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng Đầu vào (+) gọi là đầu vào không đảo P(positive), đầu vào (-) gọi là đầu vào đảo N (negative), (VS+) điện áp nguồn dương, (VS-) điện áp nguồn âm và một đầu ra (VOut).KĐTT ngày nay có thể được chế tạo như một IC hoặc nằm trong một phần của IC đa chức năng . Hình 1.3.Sơ đồ khối bên trong khuếch đại thuật toán 1.2.1. Khuếch đại vi sai Khuếch đại vi sai là khuếch đại mà tín hiệu ra không tỷ lệ với trị tuyệt đối của tín hiệu vào mà tỷ lệ với hiệu của tín hiệu vào. Khuếch đại vi sai được sử dụng để khuếch đại tín hiệu có tần số giới hạn dưới nhỏ (tới vài Hz) , gọi là tín hiệu biến thiên chậm hay tín hiệu một chiều. Ta có thể coi dải thông của nó là 0 ÷ f C .Nếu sử dụng khuếch đại RC để khuếch đại loại tín hiệu này thì các tụ nối tầng phải có trị số rất lớn nên bất tiện. Khuếch đại vi sai thích hợp cho loại tín hiệu này, ngoài ra nó còn có nhiều tính chất quí báu mà ta sẽ nói tới sau này. Khuếch đại vi sai là cơ sở để xây dựng khuếch đại thuật toán nên ta xét lý thuyết loại khuếch đại này. Bộ khuếch đại vi sai là một bộ khuếch đại tín hiệu một chiều đối xứng, có hai đầu vào và hai đầu ra. Trong bộ khuếch đại vi sai điều đáng chú ý là nếu các điện áp vào và hai đầu ra. Trong bộ khếch đại vi sai điều đáng chú ý là nếu các điện áp vào U đ = U v1 – U v2 được khuếch đại lên K uđ lần thì các điện áp vào có trị số bằng nhau chỉ được khuếch đại lên K cm lần, với K cm << K ud . Điện áp vào được chia làm hai thành phần: thành phần điện áp đồng pha, ký hiệu là chính là trị trung bình đại số của hai điện áp vào: = (1) và thành phần điện áp hiệu = - (2) Vì giả thiết mạch hoàn toàn đối xứng nên điện thế emito (điểm P trong bảng 1) luôn luôn không đổi. Do đó các sơ đồ trong bảng 1 có thể coi như sơ đồ emito chung 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng hoặc colecto chung có điện áp vào trên mỗi tranzistor là . Để tính hệ số khuếch đại K u , K i và trở kháng vào Z v , trở kháng ra Z r có thể áo dụng các biểu thức của sơ đồ emito chung đã biết. + Hệ số khuếch đại hiệu K ud = = với giả thiết U cm = 0 ở tần số thấp cũng như ở tần số cao K ud đều có trị số giống như của mạch emito chung. Trường hợp cần lấy tín hiệu trên một đầu ra so với đất, ta có hệ số khuếch đại đối với một đầu ra: K ud1 = K ud2 = = = bằng một nửa hệ số khuếch đại hiệu khi lấy điện áp ra đối xứng. Khi ở đầu vào chỉ có điện áp không đồng pha tức = 0 thì U cm = = , thì mạch làm việc ở chế độ khuếch đại tín hiệu đồng pha. Lức này cả hai tranzistor đều được điều khiển bởi một điện áp có biên độ và pha như nhau. Do mạch đối xứng, nên dòng điện trên các cực tương ứng của hai tranzistor bằng nhau. Do đó ta có sơ đồ tương đương hình 1.4a. Vì điện thế emito cuartranzistor bằng nhau nên không có dòng chạy trong dây dẫn nối hai emito với nhau, do đó trong sơ đồ tương đương không vẽ dây nối đó. Tách sơ đồ tương đương thành hai nửa đối xứng, mỗi nửa tương ứng với một mạch emito chung có điện trở emito là 2R E hoặc một mạch source chung có điện trở nguồn là 2R s và có hồi tiếp âm dòng điện Hình 1.4. Sơ đồ tương đương của bộ khuếch đại vi sai a) Đối với điện áp đồng pha 10 [...]... quan tâm nhiều đến ba loại bộ lọc: Bessel, lọc Butter worth và lọc Tschebys-cheff Đặc tính của các loại bộ lọc đó được minh họa trên hình 2.4 Hình 2.4 Đặc tính biên độ-tần số của mạch lọc thông thấp bậc 4 ở đây : 1- lọc thụ động ; 2- lọc Bessel ; 3- lọc Butterworth ; 4- lọc Tschebyscheff Mạch lọc Butterworth (3) có đặc tính phẳng kéo dài và gấp khúc trước khi đạt được tần số giới hạn fg Mạch lọc thông... bậc của bộ lọc và loại bộ lọc Tần số giới hạn fg là tần số mà tại đó đặc tuyến biên độ tần số của hàm truyền đạt giảm 3dB so với hệ số truyền đạt ở tần số trung tâm Bậc bộ lọc xác định độ dốc của tuyến biên độ - tần số ở tần số f >> fg Loại bộ lọc xác định dạng của đặc tuyến biên độ - tần số xung quanh tần số giới hạn và trong khu vực thông của mạch lọc Cần chú ý rằng: mạch điện của các loại bộ lọc thì... tần số của hai khâu lọc riêng rẽ Độ dốc của đặc tính tần số ở f > fgt (fgt: tần số giới hạn trên) và ở f < fgd (fgd ; tần số giới hạn dưới) phụ thuộc vào bậc và loại bộ lọc thông thấp và thông cao được dùng Nếu trong mạch lọc thông dải đó fgt = fgd = f0 thì ta có mạch chọn lọc Để đươn giản, ta xét một bộ lọc chọn lọc được cấu tạo từ một mạch lọc thông cao tích cực bậc một và một mạch lọc thông thấp tích... mắc hai bộ lọc chọn lọc nối tiếp có tần số cộng hưởng f01 và f02 lệch nhau chút ít Lúc đó sẽ nhận được đặc tính tần số như trên hình 2.8 Trường hợp 35 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng này tần số giới hạn trên của bộ lọc thứ nhất trùng với tần số giới hạn dưới của bộ lọc thứ hai tại f0 Đặc tính tần số mới (đường 3) có dạng như mong muốn Như vậy, về nguyên tắc, có thể thực hiện mạch lọc chọn lọc nhờ... dựng các mạch lọc chọn lọc bậc hai đặc biệt Các loại sơ đồ cơ bản của nó được thể hiện trên hình 2.9 Với mạch lọc như vậy có thể chọn các hệ số của biểu thức (9) một cách tùy ý và đạt được phẩm chất Q = 100 một cách dễ dàng Hình 2.9 Sơ đồ mạch lọc chọn lọc a) hồi tiếp âm một vòng; b) hồi tiếp âm nhiều vòng ; c) hồi tiếp dương một vòng Mạch lọc trên hình 2.9a có khâu ac và R/a tạo thành khâu lọc thông cao,... cực bậc một và một mạch lọc thông thấp tích cực bậc một mắc nối tiếp Hàm truyền đạt phức của bộ lọc: Kd = = = Đặt (1) =A =β Và với bộ lọc bậc một a1 = 1, do đó biểu thức (2) được viết lại như sau: Kd = (3) Với mạch lọc chọ lọc, cần quan tâm đến hai thông số cơ bản: độ khuếch đại của mạch tại tần số trung tâm f0 và hệ số phẩm chất Q Thay Ω = 1 tức P = j vào (3) để xác định hệ số khuếch đại tại f0 Kd|f... đối với mạch lọc thông tháp, K = 1, và C1 = C2 = C, ta có: Kd = (14) Hệ số truyền đạt ở tần số cao Kd∞ = 1 a1 = do đó R1 = b1 = , do đó R2 = Trường hợp cho R1 = R2 = R và C1 = C2 = C ta lại có: RC = K = Kd∞ = 3 - 2.3.4 Mạch lọc chọn lọc và mạch lọc thông dải 33 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng Nếu mắc xâu chuỗi một khâu lọc thông thấp với một khâu lọc thông cao, ta nhận được một bộ lọc thông dải... của mạch lọc loại K cho dù có tính chất thuần trở trong dải thông nhưng vẫn bị phụ thuộc khá nhiều vào tần số Vì vậy nhược điểm của loại bộ lọc này là trở kháng đặc tính và sự truyền đạt tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều bởi tần số 2.3 Mạch lọc tích cực 2.3.1 Khái niệm Tùy thuộc vào dải tần số cần truyền đạt, người ta phân biệt: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải và mạch lọc chắn... thông số cơ bản của một mạch lọc 2.3.2 Mạch lọc thông thấp bậc hai Hình 2.5 Mạch lọc thông thấp bậc 2 a) Hồi tiếp âm một vòng ; b) Hồi tiếp âm nhiều vòng c) Hồi tiếp dương một vòng 30 Đồ án tốt nghiệp GVHD : Đỗ Anh Dũng Để tính hàm truyền đạt, viết phương trình dòng điện nút cho các nút 1,2 và 3 Giải hệ phương trình đó, sẽ nhận được hàm truyền đạt của mạch lọc hồi tiếp âm một vòng (3): Kd = = (3) So... cách thay đổi RC mà không ảnh hưởng đến tính chất của bộ lọc 2.3.3 Mạch lọc thông cao bậc 2 Để thực hiện mạch lọc thông cao bậc hai có thể dùng tất cả các dạng sơ đồ đối với mạch lọc thông thấp được chỉ ra trên hình 2.5, trong đó phải đổi chỗ vị trí của R với C Ví dụ mạch lọc thông cao hồi tiếp dương một vòng có dạng như hình 2.6 Hình 2.6 Mạch lọc thông cao bậc hai hồi tiếp dương một vòng Để tìm hàm . Equalizer (EQ) bao gồm : một bộ lọc âm sắc Graphic Equalizer , một bộ khuếch đại . Khi cho thiết bị Audio (CD player) kết nối với mạch lọc qua jack hoặc cổng kết nối sẽ được mạch lọc điều chỉnh thành. làm thành công một mạch lọc âm sắc Graphic Equalizer 5 bands với công suất phát khoảng 20W . 3- Nhiệm vụ của đề tài Để thực hiện được đề tài “ Thiết kế bộ lọc âm sắc Equalizer “ này trước hết ta cần. II-Tính toán thiết kế mạch 1. Các linh kiện dùng trong mạch lọc 2. Các thông số đặc tính của mạch lọc và thiết kế mạch lọc. 3. Sơ đồ mạch. Chương III- Kết luận và hướng phát triển đồ án 1. Kết quả