Thiết kế mạch tạo dao động cầu viên

Thiết kế mạch tạo dao động cầu viên

ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – HẬU CẦN CAND KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO Bắc Ninh, ngày 19 tháng 09 năm 2016 ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II “THIẾT KẾ MẠCH TẠO DAO ĐỘNG CẦU VIÊN” Nhóm sinh viên thực hiện: Lớp: B7/D4 NHẬN XÉT BÁO CÁO CỦA GIẢNG VIÊN - - Nhóm sinh viên thực hiện: Lớp: B7/D4 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử truyền thông Khoa: Điện tử viễn thông Nhận xét giảng viên: LỜI NÓI ĐẦU Nhằm kiểm chứng lại lý thuyết mạch tạo dao động, củng cố kiến thức lý thuyết lớp áp dụng vào thực tế thông qua việc thực hành lắp ráp tính toán số liệu mạch tạo dao động cầu Wien Cùng với quan trọng mạch dao động nói chung mạch tạo dao động hình sin nói riêng, thành phần thiếu mạch thông dụng Do chúng em lựa chọn đề tài thiết kế mạch tạo dao động cầu Wien để làm đề tài báo cáo tập lớn Sau thời gian, báo cáo sản phẩm hoàn thành, thành từ trình tự nghiên cứu nguồn tài liệu, trình tìm tòi, vận dụng hiểu biết đọc thêm kiến thức Trong trình thực đề tài, kiến thức nguồn tài liệu hạn chế nên cố gắng báo cáo chúng em không tránh khỏi thiếu sót, cần bổ sung MỤC LỤC Lời nói đầu CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU Mục đích Với mục đích khảo sát lại lý thuyết mạch dao động tạo sóng sin tần số thấp thực hành lắp ráp mạch điện tử Qua giúp củng cố kiến thức lý thuyết nâng cao kỹ thực hành Trên thực tế dạng mạch dao động sử dụng OP-AMP( Operational Amplifer) mắc theo kiểu khuếch đại thuật toán thuận Mục tiêu thiết kế đề tài thiết kế mạch tạo dao động cầu Viên dao động với biên độ 6.5V tần số dao động khoảng 500Hz đến 1KHz Yêu cầu Củng cố kiến thức học lớp mạch tạo dao động cầu Viên, vận dụng kiến thức học vào thực thiết kế mạch tạo dao động cầu Viên theo thông số yêu cầu Thiết kế mạch thực tế (hoặc mô phỏng) dựa số liệu cho trước đáp ứng yêu cầu mạch thực chức Phương pháp thiết kế đề tài Thực hành cách tốt để kiểm chứng lại lý thuyết, toán cần thiêt phải thực theo trình tự thiết kế Bắt đầu từ việc phân tích sơ đồ nguyên lý, tính toán thông số linh kiện, mô kiểm chứng (sử dụng phần mềm proteus để mô phỏng) cuối thiết kế lắp ráp mạch in Mỗi công đoạn đề phải thực cách đồng bộ, xác, sản phẩm tạo phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật hoạt động ổn định CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tổng quan mạch tạo dao động cầu viên a Mạch khuếch đại hồi tiếp K= Ur Uv K ht = U ht Ur K = K e jϕk ; K ht = K ht e jϕht Mặt khác, ta có: Trong đó: φk : Góc lệch pha Ur Uv khuếch đại; Φht: Góc lệch pha Uht Ur hồi tiếp Điều kiện để mạch dao động với biên độ không đổi: - Điều kiện φk+φht=2kπ với k=1,2,3… điều kiện hồi tiếp dương: Đây điều kiện cần mạch dao động hay gọi điều kiện cân pha - Điều kiện |K|.|Kht| = điều kiện để mạch dao động với biên độ không đổi: Đây điều kiện đủ để mạch dao động hay gọi điều kiện cân biên độ b Op-Amp (Operational Amplifer): Là linh kiện điện tử phổ biến,cấu tạo gồm đầu vào vi sai, ngõ nguồn áp phụ thuộc Op-Amp thường dùng để thiết kế mạch khuếch đại,vi phân,tích phân,…Op-Amp hoạt động nguồn đôi nối tương ứng với hai ngã vào Vcc+ Vcc- Op-Amp 741 loại thường sử dụng hình c Giới thiệu mạch tạo dao động cầu viên: Mạch dao động cầu Wien là: dạng dao động dịch pha , thường dùng Op-Amp ráp theo kiểu khuếch đại không đảo Hình Mạch lọc thông dải Ta có hệ số truyền đạt mạch là: K ht = U2 = R C U1 + + + j (ωR1C − ) R2 C1 ωR2 C1 Khi ta xác định được: ϕ ht = − arctg K ht = ωR2C1 R C 1+ + R2 C1 ωR1C −   R C   1 + +  +  ωR1C2 −  R C ω R C     Xét trường hợp K ht = C1 = C = C 1   +  ωRC −  ωRC   = R1 = R2 = R ta có: 1  +  −α  α  ϕ ht = arctg − α α = Trong f0 = mạch 2πRC +α ωRC Như vậy, ta có K ht = ϕ ht = tần số dao động Để mạch tạo dao động phải thỏa mãn điều kiện cân pha cân biên độ nên phần mạch khuếch đại mạch dao động phải có ϕK = Đối với mạch khuếch đại thuật toán sử dụng mạch khuếch đại thuận, tín hiệu hồi tiếp đưa cửa thuận mạch dao động chế độ xác lập K =3 Ta có sơ đồ mạch tạo dao động cầu viên sau: Hình Mạch tạo dao động cầu viên Mạch khuếch đại thuật toán thuận nên ta có: R K = + = ⇒ R2 = R1 R1 Đây điều kiện cân biên độ 10 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động cầu viên Hình Mạch tạo dao động cầu viên Nguyên lý: → Các tín hiệu phản hồi mạch dao động kết nối với thiết bị đầu cuối đầu vào không đảo ngược để op-amp hoạt động → khuếch đại không nghịch đảo Các điều kiện không chuyển giai đoạn xung quanh mạch thực cách cân cầu, không giai đoạn chuyển đổi điều cần thiết → cho dao động bền vững Tần số dao động tần số cộng hưởng cầu cân cho f0 = biểu thức → 2πRC Tại tần số cộng hưởng ( f0 ), nghịch đảo không đảo ngược điện áp đầu vào bình đẳng "trong giai đoạn" để tín hiệu phản hồi → tiêu cực bị hủy bỏ phản hồi tích cực làm cho mạch dao động Từ việc phân tích mạch, thấy yếu tố phản hồi K ht = tần số dao động Vì cho dao động trì, khuếch 11 đại phải độ lợi vòng hở để giảm thiểu tối đa việc biến → dạng Tần số mạch thay đổi cách đơn giản thay đổi chiết áp R1 biên độ dạng sóng điều chỉnh cách thay đổi chiết áp R Tần số sóng sin tạo mạch → phụ thuộc vào thành phần R1, R2, C1 C2 Đối với việc điều chỉnh biên độ sóng sin thực cách sử dụng chiết áp Một chiết áp giá trị thấp (1K) kết nối với giá trị cao (100K) để điều chỉnh thô thực với điện trở có giá trị cao điều chỉnh tốt với điện trở có giá trị thấp 12 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH Lý thuyết chung Trong toán yêu cầu thiết kế mạch tạo dao động cầu viên với tần số dao động khoảng 500Hz đến 1KHz ta có phương án thực hiện: điều chỉnh tần số cách thay đổi điện trở R1, R2 điều chỉnh tần số cách thay đổi tụ điện C1, C2 điều chỉnh tần số cách thay đổi đồng thời tụ điện điện trở Ở để đơn giản điều chỉnh tần số cách thay đổi điện → → →  trở R2 ( dùng biến trở) Với tần số 500Hz:  Chọn C1 = C = 10µF ω= Ta có: ; ⇒ ω = 1000π (rad ) s R1 = 20Ω = R1 R2C1C2 20.R2 10.10 −6.10.10 −6 ⇒ R2 = 50,66Ω R2 = 12,67Ω Tương tự với tần số 1KHz ta tính Như lý thuyết để tạo mạch dao động cầu viên có tần số dao  → động biến đổi từ 500Hz đến 1KHz, với mạch dung Op-Amp 741 ta thay R2 biến trở có điện trở biến đổi từ 12,67Ω đến 50,66Ω → Nhưng sai số nên ta dùng biến trở có điện trở thay đổi từ 12( ) → Ω Ω 50( ) Tuy nhiên thay đổi giá trị R (hoặc R1 ) không thôi, tần số f biên độ dao động mạch thay đổi lúc Như vậy, theo trên, ta tính với R 1=const xảy tượng Do ta phải chọn R1= R2 Theo công thức cho µ C1=C2=10 F thì: 13 → → Với tần số 500Hz R1= R2 =32 Ω Với tần số 1000Hz R1= R2= 16 Ω Khi ta có R1 = R2 ta có Kht = Khi để mạch dao động với biên độ K ht K = không đổi phải thỏa mãn Suy K =3 Mặt khác ta lại có K =1+ điện trở R3 R4 thoả mãn R4 = 2R3 R4 R3 Vì ta phải điều chỉnh giá trị Sơ đồ mô Ta vẽ mạch thực tế mô sử dụng phần mềm proteus cho mạch dao động với tần số nằm khoảng 500Hz Ω Ω R3 =100 K ; R4 = 40 K ; C1=C2= 10 → 1000Hz Ω với giá trị R 1=R2= 20 ; µF Tuy nhiên mạch tạo dao động cầu viên có biên độ dao động nhỏ nên ta sử dụng thêm máy biến áp với tỉ lệ số vòng cuộn dây sơ cấp thứ cấp thích hợp (hình vẽ) để khuếch đại điện áp đến giá trị 6,5V cho thỏa mãn yêu cầu toán 14 Hình Sơ đồ mô mạch tạo dao động cầu Viên Hình 6: Dạng sóng đầu Mô mạch in 3D Hình 7: Mô mạch dạng 3D 15 Sơ đồ sau dây Danh sách linh kiện sử dụng mạch: TT Tên linh kiện Giá trị Số lượng Tụ gốm 10µF 2 Điện trở 10Ω Điện trở 64kΩ Điện trở 30kΩ Biến áp LM741 Ưu, nhược điểm mạch Ưu điểm Mạch điện đơn giản dễ làm với linh kiện phổ biến, dễ tìm, chi phí a) → → → thấp Nguyên lý đơn giản, dễ hiểu b) Nhược điểm Tạo điện áp nhỏ nên phải sử dụng máy biến áp để kích điện áp lên 16 17 Kết luận Báo cáo trình bày quy trình thiết kế mô mạch tạo dao động cầu Wien sử dụng khuếch đại thuật toán không đảo Các kết đạt cụ thể : - Tìm hiểu tổng quan mạch dao động cầu Wien, tập trung phân tích nguyên lý mạch cầu Wien - Lựa chọn phương án xây dựng mạch theo nguyên lý, tính toán giá trị cụ thể linh kiện để thiết kế mạch cho phù hợp với yêu cầu toán - Khảo sát mạch công cụ Proteus Mặc dù cố gắng, song điều kiện thời gian, kiến thức kinh nghiệm thực tế nhiều hạn chế nên tránh sai sót Vì vậy, nhóm chúng em mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô bạn bè quan tâm Chúng em xin trân thành cảm ơn ! 18 Tài liệu tham khảo - Đề cương giảng Kỹ thuật Điện tử tương tự II – Hoàng Thị Tuyên Điện tử tương tự - PTIT – Ngô Đức Thiện, Lê Đức Toàn Các video hướng dẫn sử dụng proteus để mô mạch điện - https://www.youtube.com/ Tìm tài liệu internet (tailieu.vn, 123.doc.org, vn-zoom.vn, http://www.dientuvietnam.net/forums/ ) 19 ... Mục tiêu thiết kế đề tài thiết kế mạch tạo dao động cầu Viên dao động với biên độ 6.5V tần số dao động khoảng 500Hz đến 1KHz Yêu cầu Củng cố kiến thức học lớp mạch tạo dao động cầu Viên, vận... nguyên lý mạch tạo dao động cầu viên Hình Mạch tạo dao động cầu viên Nguyên lý: → Các tín hiệu phản hồi mạch dao động kết nối với thiết bị đầu cuối đầu vào không đảo ngược để op-amp hoạt động →... toán sử dụng mạch khuếch đại thuận, tín hiệu hồi tiếp đưa cửa thuận mạch dao động chế độ xác lập K =3 Ta có sơ đồ mạch tạo dao động cầu viên sau: Hình Mạch tạo dao động cầu viên Mạch khuếch đại