KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN ,GIỚI THIỆU VỀ MODULE THÍ NGHIỆM ITF-202B

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em nhận hướng dẫn, giúp đỡ va góp ý nhiệt tình thầy trường Đại học hành hải Việt Nam đặc biệt thầy Trương Thanh Bình giúp đỡ em nhiều, với giúp đỡ bạn lớp ĐTV52-ĐH2 Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo khoa Điện-Điện tử tàu biển quan tâm , nhiệt huyết kiến thức quý báu mà thầy cô truyền đạt cho em suốt năm qua đặc biệt thầy Th.S Trương Thanh Bình người dành thời gian tâm huyết để hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án Tuy nhiên trình làm đề tài em cịn nhiều thiếu sót thời gian vốn kiến thức thân có hạn Em mong nhận đóng góp thầy để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm2015 Sinh viên thực Phạm Thùy Linh LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án hoàn toàn em thực hiên Các số liệu, kết luận đồ án thực thực module thí nghiệm Em xin chịu trách nghiệm với việc nghiên cứu MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………… DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN KĐTT LPF HPF KĐT KĐĐ Operational Amplifier: Khuếch đại thuật toán Low-pass filter:Mạch lọc thông thấp High-pass filter:Lọc thông cao Noninverting amplifier circuit:Mạch khuếch đai thuận Inverting amplifier circuit:Mạch khuếch đại đảo MT MC Defferential amplifier circuit:Mạch trừ Voltage adder circuit:Mạch cộng DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 3.1 Mối quan hệ điện áp mach KĐĐ 29 3.2 Điện áp vào KĐĐ 31 3.3 Điện áp vào thay điện trở hồi tiếp 33 3.4 Điện áp vào KĐT 37 3.5 Gía trị điện áp KĐT dạng chiều 42 3.6 Điện áp chiều mạch cộng 48 3.7 Sự biến đổi điện áp mạch LPF 60 3.8 Gía trị điện áp mạch HPF 62 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình Trang 1.1 Bộ khuếch đại thuật toán 1.2 Đặc tuyến truyền đạt KĐTT 1.3 Mơ hình khuếch đại thuật toán 1.4 Đặc tuyến biên độ - tần số KĐTT 1.5 Quan hệ điện áp điện áp đồng 1.6 Các mạch bù lệch khơng 2.1 Module thí nghiệm khuếch đại thuật toán ITF 12 2.2 Mạch tương đương khuếch đại thuật toán 12 2.3 Mạch khuếch đại nguồn cung cấp 13 2.4 Khối mạch lọc,cầu Wien, tích phân-vi phân ITF202B 14 2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại đảo 16 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại thuận 17 2.7 Sơ đồ mạch trừ 18 2.8 Sơ đồ mạch cộng điện áp 19 2.9 Sơ đồ mạch lọc 21 2.10 Đặc tuyến tần số cuả lọc thông cao 21 2.11 Mạch lọc thông thấp 22 2.12 Đặc tuyến tần số lọc thông thấp 23 2.13 Mạch cầu Wien 24 2.14 Mạch khuếch đại thuật toán sử dụng mạch cầu Wien 25 2.15 Mạch vi phân 26 2.16 Đặc tuyến biên-tần mạch vi phân thực tế 27 2.17 Mạch tích phân 28 2.18 Đặc điểm tần số mạch tích phân 29 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại đảo 31 3.2 Mạch khuếch đại đảo 32 3.3 Mối quan hệ điện áp vào 33 3.4 Mối quan hệ điện áp vào 34 3.5 Tín hiệu KĐĐ tần số 2KHz 35 3.6 Tín hiệu KĐĐ tần số 660KHz 35 3.7 Tín hiệu KĐĐ 935KHz 36 3.8 Tín hiệu thay Rht tần số 188Hz 37 3.9 Tần số cắt thay Rht 37 3.10 Hai tín hiệu KĐĐ pha 38 3.11 Đặc tuyến tần số biên độ KĐĐ 39 3.12 Mạch khuếch đại thuận 40 3.13 Đường biểu diễn mối quan hệ Ur,Uv 41 3.14 Tín hiệu mạch KĐT với f=300Hz 42 3.15 Tín hiệu tần số cắt KĐT 42 3.16 Đường biểu diễn mối quan hệ tần số điện áp 43 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch trừ 44 3.18 Sơ đồ mạch trừ 44 3.19 Quan hệ điện áp điện áp vào 45 3.20 Hai tín hiệu ngược pha 46 3.21 Sự dịch pha hai tín hiệu 46 3.22 Tín hiệu mạch trừ cấp xoay chiều 47 3.23 Hai tín hiệu ngược pha mạch trừ 47 3.24 Tín hiệu điện áp vào xoay chiều 48 Ω 3.25 Tín hiệu thay R14 = 100k 3.26 Điện áp thay đổi Rht = 10k 3.27 Sơ đồ nguyên lý mạch cộng 50 3.28 Sơ đồ thực mạch cộng 50 3.29 Đường biểu diễn mối quan hệ tín hiệu vào Uv Ur 51 3.30 Khi điện áp dịch xuống hai tín hiệu vào khác 52 3.31 Điện áp điện áp vào xoay chiều 53 3.32 Sơ đồ nguyên lý mạch vi phân thực 54 3.33 Sơ đồ kết nối mạch vi phân 54 3.34 Tín hiệu mạch tín hiệu vào hình vng 55 3.35 Tín hiệu vào dạng xung vng 56 3.36 Tín hiệu đầu vào hình sine 56 3.37 Sơ đồ nguyên lý mạch tích phân 57 3.38 Sơ đồ mạch kết nối mạch tích phân 58 3.39 Tín hiệu mạch tích phân tần số 1KHz 58 3.40 Tín hiệu mạch tích phân tần số 1KHz 59 3.41 Tín hiệu dạng xung cưa 60 3.42 Tín hiệu mạch tích phân tần số 20KHz 60 3.43 Mạch thực dao động cầu Wien 61 3.44 Mạch cầu wien tần số 10KHz 61 mạch trừ Ω 49 49 3.45 Mạch cầu wien 62 3.46 Sơ đồ lọc thông thấp 63 3.47 Sơ đồ mạch thực cầu Wien 63 3.48 Dạng tín hiệu mạch cầu wien 64 3.49 Tín hiệu f=fc LPF 65 3.50 Mối quan hệ f-Ur LPF 65 3.51 Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông cao 66 LỜI MỞ ĐẦU Trong kỹ thuật mạch điện tử ngày khuếch đại thuật toán sử dụng nhiều rộng rãi đặc biệt tín hiệu biến thiên chậm Bộ KĐTT sử dụng dễ dàng ,việc lắp đặt không phức tạp,độ ổn định lại cao nên ưu chuộng.Ngồi tác dụng khuếch đại thuật tốn cịn có ưu điểm vượt trội phụ thuộc vào linh kiện mắc bên ngồi mà khơng phụ thuộc vào kết cấu bên mạch khuếch đại thông thường Qua đề tài vừa nghiên cứu phịng thí nghiệm điện tử tương tự nhà trường , em muốn sâu vào nghiên cứu mạch khuếch đại thuật toán hiểu rõ lý thuyết học Đề tài nghiên cứu em gồm chương sau : CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN CHƯƠNG II GIỚI THIỆU VỀ MODULE THÍ NGHIỆM ITF-202B CHƯƠNG III: QUY TRÌNH VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN 1.1 Khái niệm tính chất KĐTT Khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier): khuếch đại dịng chiều có hệ số khuếch đại khơng tải khơng phản hồi lớn, có đầu vào vi sai đầu chung, mạch khuếch đại ứng dụng số mạch mạch cộng, mạch trừ, mạch tích phân… Ngồi cịn đóng vai trị lớn sử dụng rộng rãi mạch khuếch đại , tín hiệu hình sin, xung ổn áp, lọc tích cực Về khuếch đại thơng thường khếch đại thuật tốn khơng khác Cả dùng để khuếch đại dịng điện, điện áp, cơng suất Nhưng khuếch đại thông thường phụ thuộc vào kết cấu bên mạch KĐTT phụ thuộc vào linh kiện mắc ngồi Do KĐTT phải có hệ số khuếch đại lớn, trở kháng vào lớn trở kháng nhỏ KĐTT thực sau : +UCC -UCC Ur UN UP Ud P N IN IP + Ir 10 Tiếp tục thay đổi giá trị đầu vào cách đưa tín hiệu xoay chiều TP11,TP12 vào mạch khuếch đại ta thu tín hiệu có biên độ gấp lần biên độ tín hiệu vào Uv1 = Uv2 = 2V, điện áp Ur2= 4V có pha ngược pha với tín hiệu vào hình 3.32 Hình 3.32.Điện áp điện áp vào xoay chiều Thay đổi giá trị Rht=100K Khi cấp tín hiệu xoay chiều vào TP11,TP12 điện áp tăng gấp 10 lần điện áp vào U r=10Uv ngược pha với tín hiệu vào 3.4.4.Kết luận Vậy đưa hai điện áp chiều vào đầu vào đảo mạch khuếch đại thuật tốn biên độ tín hiêu tổng hai tín hiệu chiều mà ngược pha Trở kháng vào mạch có giá trị nhỏ điện trở mắc song song Zv=R1//R2//R3…//RN Mạch cộng có dịch biên độ ngược so với mạch trừ 3.5 Mạch vi phân 3.5.1.Mục đích sơ đồ thực 65 Hình 3.33 Sơ đồ nguyên lý mạch vi phân thực Kết nối máy phát tín hiệu hình vng hình sin ,f=160Hz, đưa 2V vào đầu vào đảo mạch khuếch đại thuật toán Kết nối giá trị điện áp đầu vào C41:0.01µF, R41:10kΩ, R42:100kΩ Hình 3.34.Sơ đồ kết nối mạch vi phân 3.5.2.Quy trình kết thí nghiệm Dùng máy sóng kênh để đo xác định dạng đầu vào đầu thay đổi tín hiệu vào để quan sát tín hiệu tốt Quan sát máy sóng sau: Khi đưa tín hiệu xung vng ta nhận thấy thời điểm sườn lên xung vuông tụ phóng điện trở kháng tụ nhỏ Điện tích tụ tăng lên trở kháng giảm dần tụ nạp đầy trở kháng tụ vơ lớn , dịng nạp giảm xuống Tại thời điểm khơng có xung vào tụ bắt đầu phóng điện (U giảm dần dẫn đến dịng phóng giảm làm sụt áp trở giảm dần không điện áp âm đầu giảm dần ) hình 3.35 Hình 3.35 Tín hiệu mạch tín hiệu vào hình vng 66 Khi điện trở hồi tiếp R42 = 10k Ω Hình 3.36.Tín hiệu vào dạng xung vng Khi đưa tín hiệu hình sine vào vi phân ta thu đựơc kết hình sau  với biên độ tín hiệu vào Uv=9V,Ur=0.9V Hai tín hiệu lệch pha 92 Hình 3.37 Tín hiệu đầu vào hình sine Khi tăng tần số tín hiêu lên biên độ tín hiệu tăng dần f=4,2KHz ta thu dạng tín hiệu vào với biên độ tín hiệu gấp lần tín hiệu vào Khi thay đổi giá trị điện trở R42=10kΩ, ta thấy biên độ tín hiệu giảm nhanh tần số f=4,2kHz 3.5.3.Kết luận 67 - Đối với mạch vi phân đưa tín hiệu xoay chiều hình sin điện áp có giá trị Ur = - RC.cos ϖ t = - RC.2 Ω f cos ϖ t Vậy tăng tần số tín hiệu biên độ điện áp tăng ngược lại - Khi đưa tín hiệu xung vng tụ xảy tượng phóng nạp điện Mạch vi phân tạo tín hiệu đầu tỷ lệ với hàm vi phân tín hiệu vào 3.6 Mạch tích phân 3.6.1 Sơ đồ thực mạch tích phân Sơ đồ nguyên lý mạch Hình 3.38.Sơ đồ nguyên lý mạch tích phân Thực kết nối giá trị điện trở tụ điện module thí nghiệm với µ giá trị C42:0.001 F, R41:10K Ω ,R42:200K Ω , ngắn mạch tụ C41 để tín hiệu cấp vào mạch Mạch kết nối thực tế module thí nghiệm sau 68 Hình 3.39.Sơ đồ mạch kết nối mạch tích phân 3.6.3 Quy trình thí nghiêm Dùng máy phát tín hiệu đưa tín hiệu vào đầu đảo mạch khuếch đại, hai kênh máy sóng để quan sát dạng sóng tín hiệu vào Tại tần số f=1kHz biên độ tín hiệu vào Uv=12V,Ur=15V tín hiệu vào hình sine Hình 3.40 Tín hiệu mạch tích phân tần số 1KHz Ta có hệ số khuyếch đại 69 Ur = Uv 2ΠfRC K= Vậy tăng tần số tín hiệu hệ số khuếch đại giảm hay điện áp mạch giảm Lần lượt thay đổi tần số quan sát dạng tín hiệu Tại tần số f=16KHz điện áp Ur= 10 Uv ta đưa vào tín hiệu hình sine Hình 3.41 Tín hiệu mạch tích phân tần số 1KHz Khi tín hiệu vào xung vng tín hiêu có dạng xung cưa hình Hình 3.42.Tín hiệu dạng xung cưa 70 Tại thời điểm sườn xuống xung vng Tụ bắt đầu phóng ,dịng phóng có chiều từ cực dương qua điện trở R qua nguồn tín hiệu cực âm tụ.Trong trình phóng điện tích dương tụ giảm dần dẫn đến giảm điện áp đầu Trở kháng tụ tăng dần Làm giảm điện áp không tuyến tính Khi tăng tần số tín hiệu biên độ tín hiệu giảm Tại tần số 20k ta thu hình 3.43 Hình 3.43.Tín hiệu mạch tích phân tần số 20KHz Ω Thay đổi giá trị R14=100K thực đo giá trị biên độ tín hiệu khơng thay đổi 3.6.3.Kết luận Theo lý thuyết ta có điện áp xác định theo công thức: t Ur = U dt + U r RC ∫0 Khi cấp tín hiệu hình sin vào ta có Ur= U1 cos ωt 2πfRC Vậy tần số tăng điện áp giảm kết thu với lý thuyết 3.7 Mạch dao động cầu wien 3.7.1.Sơ đồ thí nghiệm 71 Thực kết nối giá trị điện trở tụ điện vào mạch với giá trị sau C31:0.01 µF ,C32:0.01 µF , R31 : 16kΩ, R32 : 16kΩ Hình 3.44 Mạch thực dao động cầu Wien Quan sát tín hiệu Osc đông thời thay đổi R34 ta thấy thay đổi giá trị R34 biên độ thay đổi, tăng R34 đến giá trị lớn Ur đạt giá trị cực đại Hình 3.45.Mạch cầu wien tần số 10KHz Biên độ tín hiệu max U r max x =10V ,T=0,1ms Uv = 3V Vậy thỏa mãn điều kiện cân biên độ 72 Khi R34 điện áp khơng nên xảy tín hiệu Khi R34 thay đổi biên độ tín hiệu thay đổi chu kì tín hiệu cố định Vì mạch wien đưa vào đầu vào đầu thuận mạch KĐTT Nên điện áp vào thoả mãn điều kiện cân pha Thay đổi giá trị tụ điện điện trở µ µ Ω Ω C31:0.001 F,C32:0.001 F, R31:3.3K ,R32:3.3K ta thực bước thu hình sau Hình 3.46.Mạch cầu wien Điều chỉnh R34 kết qua trên: Khi tăng R34 tới max biên độ tín hiệu đạt giá trị cực đại giảm R34 tới xảy tượng tín hiệu 3.8 Mạch lọc 3.8.1.Quy trình kết thí nghiệm lọc thơng thấp Bộ lọc thơng thấp lọc cấu thành từ tụ điện điện trở, dựa lý thuyết lọc RC Tại lọc cho tần số mà có giá trị nhỏ với tần số cắt cịn lại tín hiệu lớn lọc lại Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thơng thấp 73 Hình3.47 Sơ đồ lọc thông thấp Ω Ω Thiết lập giá trị mạch lọc sau CR21:10k , CR23:10k , µ µ CR24:0.001 F, CR22:0.0022 F Kết nối máy tạo tín hiệu để cấp dạng sóng vào hình sine hình vng Ta có tín hiệu kết nối Hình 3.48 Sơ đồ mạch thực cầu Wien Khi tần số tín hiệu tăng lên biên độ tín hiệu vào khơng đổi, biên độ tín hiệu giảm tới thời điểm Khi đưa tín hiệu vào hình sine tần số f=100Hz biên độ tín hiệu đạt giá trị Ur=2V , pha pha với tín hiệu vào (Uv=2V) 74 Hình 3.49.Dạng tín hiệu mạch cầu wien Tiếp tục thay đổi tần số biên độ pha tín hiệu thay đổi Tại tần số f=800Hz ta có biên độ tín hiệu giảm lần tần số  cắt cần xác định với góc lệch pha 49 Thay đổi giá trị tần số ta có bảng giá tri tần số tín hiệu sau Bản 3.7.Sự biến đổi điện áp mạch LPF Tần số tín hiệu 100Hz 150Hz 800Hz 2KHz 5KHz Biên độ tín hiệu 2V 1,8V 1,5V 0.85V 0.7V Tiếp tục thay đổi tần số biên độ pha tín hiệu thay đổi Tại tần số f=800Hz ta có biên độ tín hiệu giảm  cắt cần xác định với góc lệch pha 49 75 lần tần số Hình3.50.Tín hiệu f=fc LPF Vậy tần số thay đổi làm thay đổi độ rộng độ rỗng tín hiệu đầu từ ta có mối quan hệ f Ur sau: Ur(V) 1,5 f(Hz) 100 150 800 Hình 3.51.Mối quan hệ f-Ur LPF 3.8.2.Quy trình kết thí nghiệm lọc thơng cao(HPF) Cũng giống mạch lọc thông thấp mạch lọc thông cao hoạt động theo lý thuyết mạch lọc RC.Nhưng khác với lọc thơng thấp (LPF) lọc thơng cao cho tần số lớn tần số cắt qua cịn tần thấp bị lọc lại Thay đổi giá trị điện trở tụ điện so với mạch LPF ta sơ đồ mạch lọc thông cao ,các giá trị thay đổi như: µ µ Ω Ω CR21:0.0022 F, CR22:220k , CR23:0.001 F, CR24:220k 76 Hình3.53 Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông cao So sánh đối chiều với tần số ta có tăng tín hiệu lên biên độ tín hiệu tăng với giá trị cụ thể sau Bảng 3.8 Gía trị điện áp mạch HPF Tần số tín hiệu 100Hz 150Hz 209Hz 357Hz 709Hz 860Hz 2KHz Giá trị điện áp 5V 8V 11V 15V 19V 20V 20V Khi tăng giá trị tần số vượt mức 860Hz biên độ tín hiệu bão hịa ln nhận giá trị 20V từ ta có đường biểu diễn mối quan hệ chúng KẾT LUẬN Sau thời gian thực đề tài , nhận giúp đỡ tận tình thầy Th.S Trương Thanh Bình , với nỗ lực thân góp phần hồn thiên mục tiêu đề Qua việc tìm hiểm ơn lại lý thuyết học mạch ứng dụng khuếch đại thuật tốn với phần thí nghiệm thực tế từ mạch điện tử phịng thí nghiệm giúp em hiểu kỹ tính chất ứng dụng mạch khuếch đại thuật tốn Tuy nhiên q trình cịn nhiều thiếu sót hạn chế Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy để em hồn thiện tốt bổ sung kiến thức thân 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Thu Hà, Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội ,2005 2.Trương Thanh Bình,Bài giảng chi tiết mơn điện tử tương tự 78 NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tinh thần thái độ, cố gắng sinh viên trình thực đồ án: Có ý thức tìm hiểu , cố gắng q trình làm đồ án , tinh thần tự giác cao Đánh giá chất lượng đồ án tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đề mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh bản vẽ): 79