Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)

Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)Các phương pháp thiết kế mạch điện tử (LV thạc sĩ)

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ THU ÁNH

CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Thái Nguyên 2016

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn “Các phương pháp thiết kế mạch điện tử” đã được thực hiện theo đúng mục tiêu đề ra dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Duy Cương Kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của cá nhân tôi Trong toàn bộ

luận văn, những điều được trình bày là của cá nhân và được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong

đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Trang 3

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Các thầy cô giáo Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên

đã truyền thụ kiến thức cho tôi trong khoảng thời gian học tập tại trường và nhà trường

đã tạo điều kiện cơ sở vật chất, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, làm thực nghiệm

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn bố mẹ và gia đình đã bên cạnh động viên trong thời gian qua

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và bạn bè đã đóng góp giúp tôi hoàn thành luận văn

Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tôi mong nhận được

sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè, đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2016

HỌC VIÊN

Vũ Thu Ánh

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x

LỜI NÓI ĐẦU xii

CHƯƠNG 1 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Đặc tính truyền đạt 6

1.3 Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng 7

1.4 Các phép toán sử dụng mạch khuếch đại thuật toán 7

1.4.1 Mạch khuếch đại không đảo 7

1.4.2 Mạch khuếch đại đảo (Khâu tỷ lệ) 8

1.4.3 Mạch khuếch đại cộng đảo (bộ cộng) 9

1.4.4 Mạch tích phân 10

1.4.5 Mạch vi phân 11

1.4.6 Mạch nhân tương tự 12

Kết luận chương 1 14

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ BIỂU THỨC TOÁN 15

2.1 Cơ sở lý thuyết 15

2.2 Thiết kế mạch điện tử hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS sử dụng khuếch đại thuật toán 16

2.2.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc từ biểu thức toán mô tả bộ điều khiển 17

2.2.3 Kết quả mô phỏng mạch điện tử trên phần mềm Multisim 22

Trang 5

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 26

3.1 Cơ sở lý thuyết 26

3.2 Thiết kế mạch điện tử tương đương hệ thống điều khiển tối ưu LQG sử dụng khuếch đại thuật toán 26

3.2.1 Xây dựng mạch điện tử tương đương cho bộ quan sát LQE 27

3.2.2 Xây dựng mạch điện tử tương đương của bộ hiệu chỉnh tham số LQR 29

3.2.3 Xây dựng mạch điện tử tương đương của đối tượng điều khiển 31

3.3 Kết quả mô phỏng mạch điện tử LQG trên phần mềm Multisim 2013 35

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ ĐỒ THỊ BODE 37

4.1 Đặc tính tần số của hệ thống 37

4.2 Giản đồ Bode 38

4.2.1 Các bước vẽ giản đồ Bode bằng các đường gần đúng 38

4.2.2 Nhận dạng hàm truyền đạt từ đặc tính tần cho trước 42

4.3 Thiết kế mạch điện tử dựa trên cơ sở đặc tính tần cho trước 45

4.3.1 Thiết kế mạch lọc tích cực dựa trên cơ sở đặc tính tần cho trước 46

4.3.2 Cách tiến hành 46

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM 54

5.1 Phần mềm hỗ trợ thiết kế mạch PCB Altium Designer 2010 54

5.2 Thiết kế mô hình thực hệ thống LQG sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324 55

5.3 Thiết kế mô hình thực bộ lọc tích cực sử dụng IC khuếch đại thuật toán LM324 56

5.4 Kết quả đo hiển thị trên máy hiện sóng 57

5.4.1 Kết quả đo dạng sóng của bộ điều khiển LQG 57

5.4.2 Kết quả đo trên hiện sóng của mô hình bộ lọc tích cực 59

Trang 6

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 62

Kết luận: 62

Kiến nghị: 62

Hướng nghiên cứu tiếp theo: 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

Trang 7

DANH MỤC CÁC HÌNH

CHƯƠNG 1 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1

Hình 1.1 Ký hiệu khuếch đại thuật toán trong sơ đồ mạch điện tử 2

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán µA741 3

Hình 1.3 Đặc tuyến truyền đạt của khuếch đại 6

Hình 1.4 Mạch khuếch đại không đảo 7

Hình 1.5 Mạch khuếch đại đảo 8

Hình 1.6 Mạch khuếch đại cộng đảo 9

Hình 1.7 Mạch tích phân 10

Hình 1.8 Mạch vi phân 11

Hình 1.9 Sơ đồ chân của IC nhân AD633JN/AN 12

Hình 1.10 Sơ đồ mạch nhân sử dụng IC AD633JN 12

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TỪ BIỂU THỨC TOÁN 15

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) 16

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) 20

Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “mô hình đối tượng” 21

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “mô hình mẫu” 21

Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “bộ điều khiển PD thích nghi” 22

Hình 2.6 Kết quả mô phỏng hệ thống MRAS trên phần mềm Multisim 2013 22

Hình 2.7 Tín hiệu thích nghi Kd 23

Hình 2.8 Tín hiệu thích nghi Kp 23

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện tử hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRAS sử dụng khuếch đại thuật toán 24

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 26

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nâng cao LQG 27

Trang 8

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc bộ quan sát LQE 27

Hình 3.3 Sơ đồ mạch điện tử tương đương bộ quan sát LQE 28

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc bộ hiệu chỉnh LQR 29

Hình 3.5 Mạch điện tử tương đương của bộ hiệu chỉnh LQR 30

Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc đối tượng điều khiển 31

Hình 3.7 Sơ đồ mạch điện tử hàm dấu sử dụng KĐTT 31

Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện tử tương đương của đối tượng điều khiển sử dụng KĐTT 32

Hình 3.9 Sơ đồ mạch mô phỏng hệ thống điều khiển LQG trên Multisim 2013 34

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng mạch điện tử tương đương LQG trên phần mềm Multisim 2013 35

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TỪ ĐỒ THỊ BODE 37

Hình 4.1 Giản đồ Bode (đặc tính biên độ) 40

Hình 4.2 Giản đồ Bode (đặc tính pha) 40

Hình 4.3 Biểu đồ Bode biên độ các hàm 42

Hình 4.4 Biểu đồ Bode biên độ tổng thể của hệ thống 42

Hình 4.5 Biểu đồ đặc tính biên độ gần đúng 43

Hình 4.6 Đặc tính biên độ của hàm truyền được nhận dạng ở bước 4 45

Hình 4.7 Biểu đồ Bode (đặc tính biên độ và đặc tính pha) 46

Hình 4.8 Đường gần đúng với đường biên độ của biểu đồ Bode 47

Hình 4.9 Biểu đồ Bode (đặc tính biên độ) với các tần số gãy của đường gần đúng 47

Hình 4.10 Biểu đồ Bode (Đặc tính biên độ, đặc tính pha) của hàm truyền vừa nhận dạng 49 Hình 4.11 Sơ đồ cấu trúc của hàm truyền đạt 49

Hình 4.12 Sơ đồ mạch điện tử tương đương của bộ lọc 50

Hình 4.13 Sơ đồ mạch điện tử tương đương mô phỏng trên Multisim 2013 52

Hình 4.14 Kết quả mô phỏng hệ thống trên Multisim 2013 52

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM 54

Hình 5.1 Mạch in (PCB) được hoàn thiện bằng phần mềm Altium Designer 2010 55

Trang 9

Hình 5.2 Mạch in (PCB) thực hiện với phần mềm Altium Designer 2010 56

Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của bộ lọc tích cực trên Altium Designer 56

Hình 5.4 Sơ đồ mạch in PCB của bộ lọc tích cực trên phần mềm Altium Designer 57

Hình 5.5 Hình ảnh thực nghiệm trên phòng thí nghiệm Khoa Điện tử -TNUT 57

Hình 5.6 Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng đầu ra đối tượng của bộ điều khiển LQG 58

Hình 5.7 Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng của khối quan sát LQE 58

Hình 5.8 Tín hiệu đầu ra của đối tượng điều khiển và khối quan sát 59

Hình 5.9 Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng của bộ lọc tích cực 1 59

Hình 5.10 Kết quả đo thực nghiệm dạng sóng của bộ lọc tích cực 2 60

Trang 10

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các cấu hình khuếch đại thuật toán cơ bản 13

Bảng 3.1 Giá trị các linh kiện sử dụng để xây dựng bộ quan sát LQE 29

Bảng 3.2 Giá trị các linh kiện sử dụng để xây dựng bộ hiệu chỉnh LQR 30

Bảng 3.3 Giá trị các linh kiện sử dụng để xây dựng đối tượng điều khiển 33

Bảng 4.1 Các thông số giá trị các linh kiện (tụ điện, điện trở) 51

Trang 11

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ĐLK1 : Định luật Kirchhoff về dòng điện ĐLK2 : Định luật Kirchhoff về điện áp

Trang 12

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ đáp ứng nhanh,… là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn

Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hằng ngày Điện tử tương tự là môn học cơ sở, nhằm cùng cấp cho người học những kiến thức cơ bản nhất để phân tích, thiết kế các mạch điện trong hệ thống mạch điện tử Khi nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật điện tử phải biết thiết kế mạch điện tử theo yêu cầu thực tế cuộc sống

Nhận thấy được mức độ cấp thiết của vấn đề và được sự gợi ý của thầy giáo

hướng dẫn em đã chọn đề tài: “Các phương pháp thiết kế mạch điện tử” làm luận văn

tốt nghiệp của mình

Phương pháp nghiên cứu của đề tài như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng các bước thiết kế mạch điện tử từ yêu cầu cho trước, tính toán, thiết kế các mạch điện tử tương đương sử dụng IC khuếch đại thuật toán

- Kiểm chứng kết quả lý thuyết thông qua mô phỏng trên phần mềm Multisim 2013

- Tiến hành thiết kế mô hình thực sử dụng công cụ phần mềm hỗ trợ Altium Designer

2010

- Tiến hành đo thực nghiệm thông qua máy hiện sóng

Trang 13

Cấu trúc luận văn bao gồm 5 chương, nội dung tóm tắt của các chương như sau:

Chương 1 Khuếch đại thuật toán

Chương 2 Thiết kế mạch điện tử tương tự từ biểu thức toán

Chương 3 Thiết kế mạch điện tử tương tự từ sơ đồ cấu trúc điều khiển

Chương 4 Thiết kế mạch điện tử tương tự từ đồ thị Bode

Chương 5 Thực nghiệm

Trang 14

CHƯƠNG 1 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

Ngày nay IC analog sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử Khi sử dụng chúng cần đấu thêm các điện trở, tụ điện, điện cảm tùy theo từng loại và chức năng của chúng Sơ đồ đấu cũng như trị số của các linh kiện ngoài được cho trong các sổ tay

IC analog Các IC analog được chế tạo chủ yếu dưới dạng khuếch đại thuật toán (như một mạch khuếch đại lý tưởng) thực hiện nhiều chức năng trong các máy điện tử một cách gọn - nhẹ - hiệu suất cao Chương này sẽ giới thiệu về IC khuếch đại thuật toán (Mục 1.1), đặc tính truyền đạt (Mục 1.2), mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng (Mục

1.3), các cấu hình được thực hiện bởi khuếch đại thuật toán (Mục 1.4)

1.1 Giới thiệu chung

Khuếch đại thuật toán [1]; [2]; [3]; [5]; [7]; [8] (tiếng Anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín

hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai và thông thường có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra

Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ Các thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây và một số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làm hư hỏng

Danh từ "Khuếch đại thuật toán" (OA- Operational Amplifier) thuộc về bộ khuếch đại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai và một đầu

ra chung Tên gọi này có quan hệ tới việc ứng dụng đầu tiên của chúng chủ yếu để thực hiện các phép tính cộng, trừ, tích phân, vi phân… Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực Ký hiệu quy

ước của một bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) cho trên Hình 1.1 với đầu vào không

đảo (ký hiệu bằng dấu “+”) và đầu thứ hai là đầu vào đảo (ký hiệu bằng dấu “-”)

Trang 15

Hình 1.1 Ký hiệu khuếch đại thuật toán trong sơ đồ mạch điện tử

Khi có tín hiệu đưa vào đầu không đảo thì gia số tín hiệu ra cùng dấu (cùng pha) với gia số tín hiệu vào Nếu tín hiệu được đưa vào đầu vào đảo thì gia số tín hiệu

ra ngược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào Đầu vào đảo thường được dùng

để thực hiện phản hồi âm bên ngoài cho KĐTT

Cấu tạo cơ sở của KĐTT là các tầng vi sai dùng làm tầng vào và tầng giữa của

bộ khuếch đại Tầng ra của KĐTT thường là tầng lặp phát (CC) đảm bảo khả năng tải yêu cầu của các sơ đồ Vì hệ số khuếch đại của tầng lặp phát gần bằng 1 nên hệ số khuếch đại đạt được nhờ tầng vào và các tầng khuếch đại trung gian mắc giữa tầng

vi sai và tầng ra Tuỳ thuộc vào hệ số khuếch đại của KĐTT mà quyết định số lượng tầng trung gian Ngoài ra KĐTT còn có các tầng phụ như tầng dịch mức điện áp một chiều, tầng tạo nguồn ổn dòng, mạch hồi tiếp

Trang 16

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán µA741

Mặc dù các thiết kế có thể khác nhau giữa các sản phẩm và các nhà chế tạo, nhưng tất cả các mạch khuếch đại thuật toán đều có chung những cấu trúc bên trong, bao gồm 3 tầng:

Mạch khuếch đại vi sai:

Tầng khuếch đại đầu vào, tạo ra độ khuếch đại tạp âm thấp, tổng trở vào cao, thường có đầu ra vi sai

Mạch khuếch đại điện áp:

Tầng khuếch đại điện áp, tạo ra hệ số khuếch đại điện áp lớn, độ suy giảm tần

số đơn cực, và thường có ngõ ra đơn

Mạch khuếch đại đầu ra:

Tầng khuếch đại đầu ra, tạo ra khả năng tải dòng lớn, tổng trở đầu ra thấp, có giới hạn dòng và bảo vệ ngắn mạch

Gương dòng điện:

Các phần mạch điện được tô màu đỏ cam là các gương dòng điện Dòng điện ban đầu để có thể sinh ra các dòng điện khác được xác định bởi điện áp cấp nguồn và điện trở 39kΩ cùng với 2 mối nối pn tạo ra Dòng điện được tính gần đúng bằng:

(𝑉𝑠+− 𝑉𝑠−− 2𝑉𝑏𝑒)/39𝑘𝛺

Trạng thái của tầng khuếch đại đầu vào được điều khiển bởi hai gương dòng điện bên phía trái Q10 and Q11 hình thành một nguồn dòng Widlar trong đó điện trở 5kΩ sẽ đặt dòng điện của cực thu Q10 đến một trị số có tỷ lệ rất nhỏ so với dòng điện ban đầu Dòng điện cố định của Q10 cấp dòng cực nền cho transistor Q3

và Q4 nhưng cũng cấp dòng cực thu cho Q9, trong khi gương dòng điện Q8 và Q9 sẽ

cố bám theo độ lớn của dòng cực thu Q3 và Q4 Dòng nay cũng bằng với dòng điện yêu cầu cho đầu vào và sẽ là một tỷ lệ nhỏ của dòng điện Q10 vốn đã nhỏ

Một cách khác để nhìn nhận vấn đề là nếu dòng điện của đầu vào có khuynh hướng tăng cao hơn dòng điện Q10, thì gương dòng điện Q8, Q9 sẽ tháo bớt dòng điện ra khỏi cực nền chung của Q3 và Q4, hạn chế dòng đầu vào và ngược lại Như vậy, điều kiện về một chiều của tầng đầu vào sẽ được ổn định nhờ một hệ thống hồi

Trang 17

tiếp âm có độ lợi cao Vòng hồi tiếp này cũng loại trừ những thay đổi theo hướng đồng pha của các thành phần khác trong mạch bằng cách làm cho điện áp cực nền của Q3/Q4 bám theo 2Vbe thấp hơn trị số của điện áp đầu vào

Gương dòng điện ở góc trái trên Q12/Q13 tạo ra dòng điện cố định cho tầng khuếch đại điện áp lớp A qua cực thu của Q13 và độc lập với điện áp ngõ ra

Tầng khuếch đại vi sai đầu vào:

Phần mạch điện tô màu xanh dương đậm là một tầng khuếch đại vi sai Q1 và Q2 là transistor đầu vào, lắp theo kiểu theo cực phát (hay kiểu cực thu chung) phối hợp bởi đôi transistor Q3 và Q4 nối cực gốc chung thành mạch vi sai đầu vào Ngoài

ra, Q3 và Q4 cũng tác động như một bộ dời mức điện áp và tạo ra một độ lợi để kéo tầng khuếch đại lớp A Chúng cũng tăng cường khả năng chịu điện áp ngược của Vbe rating cho các transistor đầu vào

Mạch khuếch đại vi sai Q1 - Q4 sẽ kéo một tải tích cực là gương dòng điện Q5 - Q7 Q7 làm tăng độ chính xác của gương dòng điện bằng cách giảm trị số dòng điện tín hiệu cần thiết đi từ Q3 để kéo cực nền của Q5 và Q6 Gương dòng điện này

sẽ biến đổi tín hiệu vi sai thành tín hiệu đơn theo cách sau:

Dòng điện tín hiệu của Q3 sẽ là đầu vào của gương dòng điện trong khi đầu ra của gương dòng điện (cực thu của Q6) được nối đến cực thu của Q4 Ở đây, dòng tín hiệu của Q3 và Q4 sẽ được cộng lại với nhau Đối với nguồn vi sai đầu vào, tín hiệu của Q3 và Q4 bằng và ngược dấu với nhau Như thế, tổng này sẽ bằng hai lần dòng điện tín hiệu Mạch này đã hoàn tất quá trình biến từ tín hiệu vào vi sai thành tín hiệu

ra đơn

Điện áp tín hiệu hở mạch xuất hiện ở điểm này do tổng dòng điện trên, các điện trở cực thu của Q4 và Q6 nối song song Do điện trở cực thu của Q4 và Q6 đối với tín hiệu sẽ rất lớn, nên độ li75 của điện áp hở mạch của tầng này sẽ rất lớn

Cần lưu ý rằng dòng điện cực nền của đầu vào khác không và tổng trở đầu vào

vi sai của 741 sẽ xấp xỉ 2MΩ Chân "offset null" có thể được dùng để lắp các điện trở ngoài song song với điện trở 1kΩ (thông thường đó sẽ là 2 đầu cuối của 1 biến trở tinh chỉnh) để điều chỉnh cân bằng cho gương dòng điện Q5, Q6 và như thế sẽ gián

Trang 18

tiếp điều chỉnh điện áp ra khi tín hiệu đầu vào = 0

Tầng khuếch đại điện áp lớp A:

Phần nằm trong khối màu tím là một mạch khuếch đại lớp A Nó bao gồm 2 transistor NPN nối Darling ton và sử dụng đầu ra của một gương dòng điện làm tải cực thu nhằm có độ lợi lớn Tụ điện 30pF tạo ra hồi tiếp âm chọn lọc tần số cho tầng khuếch đại này, hình thành một bộ bù tần số để tạo sự ổn định Kỹ thuật này gọi là

bù kiểu Miller và chức năng của nó giống như một mạch tích phân dùng mạch khuếch đại thuật toán Đặc tuyến biên độ tần số của nó có độ dốc bắt đầu từ 10Hz và giảm 3dB/bát độ theo tần số Nó sẽ kết thúc khi độ lợi giảm xuống một

Mạch định thiên đầu ra:

Khối màu xanh lá cây (Q16) là một mạch dời mức điện áp hoặc một mạch nhân Vbe, một dạng của nguồn điện áp Trong mạch điện như hình vẽ, Q16 tạo ra một sụt áp không đổi giữa cực thu và cực phát bất kể dòng điện qua mạch Nếu dòng điện cực nền gần bằng không, điện áp giữa hai cực phát và cực nền là 0.625V (trị số tiêu chuẩn của BJT trong miền tích cực) Do đó, dòng điện đi qua điện trở 4.5kΩ sẽ bằng với dòng đi qua điện trở 7.5kΩ và sẽ gây ra giảm áp trên đó là 0.375V Do đó,

nó sẽ duy trì điện áp trên 2 đầu transistor và 2 điện trở là 0.625 + 0.375 = 1V Nó sẽ định thiên cho 2 transistor đầu ra ở vùng dẫn gần và giảm méo xuyên tâm Trong một

số mạch khuếch đại linh kiện rời, chức năng này được thực hiện với chỉ 2 diode

Tầng xuất:

Tầng xuất (khối màu xanh nhạt) là một mạch khuếch đại đầy kéo lớp AB (Q14, Q20) được định thiên bằng bộ nhân điện áp Vbe Q16 và các điện trở cực thu của nó Tầng này được kéo bằng cực thu của Q13 và Q19 Dải điện áp ra khoảng thấp hơn 1volt so với nguồn cấp ứng bao gồm phần điện áp của Vbe transistors Q14 và Q20

Điện trở 25Ω trong mạch ra tác động như một mạch nhạy dòng, để tạo chức năng giới hạn dòng ra của transistor Q14 đến trị số khoảng 25mA đối với 741 Giới hạn cho dòng điện ra âm bằng cách sử dụng điện áp ngang qua điện trở cực phát của Q19 và dùng điện áp này để giảm bớt dòng điện kéo cực nền của Q15 Với các phiên bản mới hơn có thể thấy những sai biệt nhỏ trong mạch giới hạn dòng ra này

Trang 19

Điện trở ra không bằng 0 nhưng nếu sử dụng hồi tiếp thì có thể tiến đến gần 0 nếu có sử dụng hồi tiếp âm

1.2 Đặc tính truyền đạt

Đặc tuyến quan trọng nhất của KĐTT là đặc tuyến truyền đạt Hình 1.3, gồm hai đường cong tương ứng với các đầu vào đảo và không đảo

Hình 1.3 Đặc tuyến truyền đạt của khuếch đại

Mỗi đường cong gồm hai đoạn nằm ngang và một đoạn dốc Đoạn nằm ngang tương ứng với chế độ tranzitor tầng ra thông bão hòa hoặc cắt dòng Trên những đoạn

đó khi thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp ra của bộ KĐTT không đổi và được xác định bằng các giá trị U+ ra max, U− ra max gọi là giá trị điện áp ra cực đại (điện

áp bão hòa) gần bằng nguồn cung cấp EC (thường nhỏ hơn nguồn EC từ (13) V) Đoạn dốc biểu thị phụ thuộc tỉ lệ của điện áp ra với điện áp vào với góc nghiêng xác định hệ số khuếch đại của KĐTT (khi không có mạch phản hồi bên ngoài)

𝐾 = 𝑈𝑟𝑎

𝑈𝑣à𝑜

Hiệu giữa các điện áp ở các đầu vào không đảo và đầu vào đảo được định

nghĩa là điện áp vào vi sai 𝑢0: 𝑢0 = 𝑢𝑣+ − 𝑢𝑣 –

Khi đó điện áp ra 𝑈𝑟𝑎 (so với mass) được tính:

𝑈𝑟𝑎 = 𝐾 𝑢0 = 𝐾 (𝑢𝑣+ − 𝑢𝑣 −) (1.2)

Trang 20

1.3 Mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng

- Trở kháng vào của KĐTT nhìn từ hai đầu lối vào là vô cùng lớn: 𝑍𝑣 = ∞

- Trở kháng ra của KĐTT nhìn từ đầu ra so với mass là bằng 0: 𝑍𝑟 = 0

- Hệ số khuếch đại (chưa thực hiện phản hồi) tiến tới vô cùng: 𝐾 = ∞

- Độ "trôi điểm không" bằng 0 - các đường đặc tuyến đi qua gốc tọa độ

1.4 Các phép toán sử dụng mạch khuếch đại thuật toán

1.4.1 Mạch khuếch đại không đảo

Điện áp vào được đưa đến đầu vào không đảo Mạch thực hiện phản hồi âm điện áp, thông qua điện trở R1, Rph đưa đến đầu vào đảo Giả thiết KĐTT là lý tưởng,

ta có:

𝑢𝑣 = U0 + 𝑢𝑁 𝑉ì U0 = 0  𝑢𝑣 = 𝑢𝑁

Hình 1.4 Mạch khuếch đại không đảo

Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại điểm N ta có:

Trang 21

Iph = I1+ IoSuy ra:

𝑢𝑟𝑎− 𝑢𝑁

𝑅𝑝ℎ =

𝑢𝑁

𝑅1 + 0 Mặt khác ta có: 𝑢𝑁 = 𝑢𝑉

𝑢𝑟𝑎

𝑢𝑣 = 1 +

𝑅𝑝ℎ

𝑅1

1.4.2 Mạch khuếch đại đảo (Khâu tỷ lệ)

Điện áp vào cần khuếch đại được đưa đến đầu vào đảo thông qua điện trở R1 Đầu vào không đảo được nối với điểm chung của sơ đồ (nối đất) Để lấy phản hồi âm

ta dùng điện trở Rph đưa từ đầu ra quay về đầu vào đảo

Hình 1.5 Mạch khuếch đại đảo

Giả thiết IC KĐTT là lý tưởng, chiều các dòng điện như Hình 1.5

𝑖0: Dòng điện đầu vào đảo của KĐTT

𝑢0: Điện áp giữa hai đầu vào của KĐTT (𝑢0 = 𝑢𝑁 − 𝑢𝑃 = 0)

Do KĐTT có trở kháng đầu vào là vô cùng lớn (𝑍𝑣  ) nên 𝑖0 = 0

Trang 22

Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút N ta có:

𝑖1− 𝑖𝑝ℎ− 𝑖0− = 0 Trong đó:

𝑖1 =𝑢𝑣− 𝑢𝑁

𝑅1 ; 𝑖𝑝ℎ =

𝑢𝑁 − 𝑢𝑟𝑎

𝑅𝑝ℎSuy ra:

hệ số khuếch đại của toàn mạch

1.4.3 Mạch khuếch đại cộng đảo (bộ cộng)

Hình 1.6 Mạch khuếch đại cộng đảo

Giả thiết KĐTT là lý tưởng Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút N ta có:

𝐼𝑝ℎ = 𝐼1+ 𝐼2+ ⋯ + 𝐼𝑛Hoặc có thể viết dưới dạng:

Suy ra:

Trang 23

Sơ đồ mạch thể hiện khâu tích phân như Hình 1.7 Giả sử KĐTT là lý tưởng,

áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút N ta có phương trình dòng điện sau:

𝑖𝑅 = 𝑖𝐶 →𝑢𝑣− 𝑢𝑁

𝑑(𝑢𝑁 − 𝑢𝑟𝑎)𝑑𝑡

dt + ura(0)

Trang 24

Từ (**) ta có thể biểu diễn mối quan hệ vào ra trên miền S như sau:

Sơ đồ mạch vi phân cho trên Hình 1.8 Giả thiết IC lý tưởng

Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút N ta có:

iC = iR Hay

Cd(uv− uN)

uN− uraRMặt khác ta có: 𝑢𝑁 = 𝑢𝑃 = 0

ura = −s RC Trong đó: RC là hằng số tích phân của mạch

Khi tín hiệu vào là hình sin, bộ vi phân làm việc như là bộ lọc tần cao, hệ số khuếch đại của nó tỷ lệ thuận với tần số tín hiệu vào và làm quay pha u vào một góc 90 độ

Trang 25

Thường bộ vi phân làm việc kém ổn định ở tần cao vì khi đó:

𝑍𝑐 = 1

𝜔𝐶 → 0 làm hệ số hồi tiếp âm giảm

1.4.6 Mạch nhân tương tự

IC nhân AD633:

Hình 1.9 Sơ đồ chân của IC nhân AD633JN/AN

IC AD633 là bộ nhân tương tự 4 góc phần tư hoàn chỉnh, có trở kháng vào lớn, các đầu vào vi sai X và Y và có trở kháng cộng với tín hiệu vào (Z) IC AD633

là một sản phẩm có chi phí hợp lý và dễ sử dụng Điện áp cấp để duy trì hoạt động cho IC từ ±8𝑉 đến ±18𝑉 Điện áp chia tỷ lệ bên trong được tạo ra bởi đi-ốt Zener

ổn định điện áp

Mối liên hệ đầu vào – đầu ra:

Hình 1.10 Sơ đồ mạch nhân sử dụng IC AD633JN

Trang 26

Giả sử nhân 2 tín hiệu đầu vào lần lượt là X và Y, tín hiệu đầu ra được ký hiệu là W

Ta có công thức liên hệ sau:

𝑊 =(𝑋1− 𝑋2) × (𝑌1− 𝑌2)

Bảng 1.1 Các cấu hình khuếch đại thuật toán cơ bản

Trang 27

Kết luận chương 1

Để thực hiện việc “Thiết kế mạch điện tử sử dụng IC khuếch đại thuật toán” thì chương này đưa ra tổng quan về khuếch đại thuật toán và các phép toán (tích phân,

vi phân, cộng, đảo, khuếch đại) được thực hiện bằng khuếch đại thuật toán

Chương này bên cạnh việc đưa ra các cấu hình khuếch đại thuật toán thực hiện các chức năng (tích phân, vi phân, cộng, khuếch đại, đảo, nhân), thì các tính chất cũng như cách nhận dạng các phép toán từ cấu hình của khuếch đại thuật toán cũng được làm rõ

Trang 28

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ TỪ BIỂU THỨC TOÁN

Một hệ thống/quá trình được đặc trưng bởi phương trình toán học (biểu thức toán học) Trong quá trình thiết kế điều khiển cho hệ thống có 2 hướng thiết kế: Thứ nhất là điều khiển số; thứ hai là điều khiển tương tự Việc lựa chọn này phụ thuộc vào yêu cầu bài toán đặt ra Chương 2 đưa ra trình tự và cách xây dựng mạch điện tử từ biểu thức toán học cho trước Đồng thời áp dụng đối với việc thiết kế hệ thống điều khiển theo mô hình mẫu [4] (MRAS) Trong đó không chỉ bộ điều khiển được xây dựng sử dụng khuếch đại thuật toán, mà đối tượng điều khiển cũng được giả lập bằng việc sử dụng khuếch đại thuật toán để xây dựng nhằm test bộ điều khiển trước khi áp dụng vào mô hình thực

đề xuất để thiết kế mạch điện tử từ biểu thức toán học cho trước:

Bước 1: Từ phương trình vi phân vẽ sơ đồ cấu trúc

- Cần xác định các đại lượng đầu vào, đầu ra, phản hồi …

- Ghép nối các khối lại với nhau thành một mạch tổng thể

- Xét dấu, thêm phần tử đảo nếu cần thiết

Bước 3: Mô phỏng sơ đồ nguyên lý tổng thể với phần mềm Multisim

Trang 29

Bước 4: Thiết kế mô hình thực

Chúng ta có thể thực hiện việc thiết kế mạch PCB bằng việc sử dụng phần mềm Altium đối với các mạch phức tạp, hoặc ta có thể cắm dây trực tiếp trên bo mạch đối với các mạch đơn giản, ít phần tử

Bước 5: Kiểm tra mô hình thực với máy hiện sóng (Oscilloscope)

2.2 Thiết kế mạch điện tử hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS sử dụng khuếch đại thuật toán

Hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) [4] là một trong các hướng tiếp cận chính đối với điều khiển thích nghi Đặc tính mong muốn được diễn đạt theo

mô hình mẫu (mô hình mẫu là mô hình miêu tả các đặc tính vào/ra mong muốn của

hệ thống vòng kín) Khi đáp ứng của đối tượng điều khiển sai khác so với “đáp ứng

lý tưởng” thì nó được xác định bởi mô hình mẫu, đối tượng điều khiển được hiệu chỉnh bằng việc thay đổi các tham số của bộ điều khiển hoặc bằng cách tạo ra tín hiệu đầu vào bổ sung cho đối tượng dựa vào sai số giữa đầu ra của mô hình mẫu và đầu ra của hệ thống Mục tiêu là để các tham số hội tụ về các giá trị lý tưởng từ đó đáp ứng của đối tượng sẽ bám theo đáp ứng của mô hình mẫu Như Hình 2.1, trong đó có 2 mạch vòng điều khiển: Vòng điều khiển trong (inner loop) là mạch vòng điều khiển phản hồi thông thường và mạch vòng điều khiển ngoài (outer loop) có nhiệm vụ hiệu chỉnh các tham số mạch vòng điều khiển trong (inner loop) Mạch vòng điều khiển trong (inner loop) được giả sử là nhanh hơn mạch vòng điều khiển ngoài (outer loop)

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS)

Trang 30

2.2.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc từ biểu thức toán mô tả bộ điều khiển

Luận văn tập trung trình bày các bước thực hiện việc thiết kế mạch điện tử từ biểu thức toán có sẵn, trong đó biểu thức toán mô tả hệ thống thích nghi theo mô hình

𝑥1𝑝 : đầu ra của đối tượng điều khiển (Hình 2.2)

𝑎𝑝; 𝑏𝑝 : là các tham số của đối tượng điều khiển

Sơ đồ cấu trúc mô tả biểu thức toán của đối tượng khi chưa có bộ điều khiển:

 Mô hình mẫu được diễn tả bởi các phương trình vi phân sau:

𝜀𝑚 = 𝑅 − 𝑥1𝑚 → 𝜀̇𝑚 = 𝑅̇ − 𝑥̇1𝑚 = −𝑥2𝑚

Trang 31

𝑥̇2𝑚 = 𝜔𝑚2 𝜀𝑚− 2𝑧𝜔𝑚 𝑥2𝑚Trong đó: 𝜀𝑚 là sai lệch giữa lượng đặt và đầu ra của mô hình mẫu

Sơ đồ cấu trúc tương ứng với biểu thức toán của mô hình mẫu:

 Biểu thức toán các tham số của bộ điểu khiển được đưa ra bởi các biểu thức toán sau:

𝐾𝑝 = 1

𝑎11 𝑏𝑝∫(𝑃21𝑒1+ 𝑃22𝑒2)𝜀𝑑𝑡 + 𝐾𝑝(0)

𝐾𝑑 = 1

𝑎22 𝑏𝑝∫(𝑃21𝑒1+ 𝑃22𝑒2)𝑥2𝑝𝑑𝑡 + 𝐾𝑑(0)

Sơ đồ khối hiệu chỉnh tham số Kp và Kd với điều kiện đầu bằng 0:

a) Cấu hình của Kp thích nghi mô tả theo sơ đồ khối

b) Cấu hình của Kd thích nghi mô tả theo sơ đồ khối

Trang 32

Khi tín hiệu vào (𝜀 và 𝑥2𝑝) đảo dấu khiến Kp thay đổi theo chiều hướng sai dẫn đến hệ thống mất ổn định Giải pháp đưa ra là thay vì sử dụng một bộ nhân, trong cấu hình của Kp và Kd thích nghi sử dụng 2 bộ nhân

 Cơ chế thích nghi của hệ thống được tính toán dựa vào phương trình Liapulov:

𝑝21 = −𝑞11

2𝜔2 𝑚

; 𝑝22 =𝑞11+ 𝑞22 𝜔

2 𝑚

4 𝑧 𝜔3

𝑚

Từ biểu thức toán mô tả đối tượng, mô hình mẫu, bộ điều khiển và cơ chế thích nghi ta có thể xây dựng được sơ đồ cấu trúc như Hình 2.2

Sơ đồ cấu trúc Hình 2.2 bao gồm các khâu cơ bản sau:

 Đối tượng bao gồm các khâu cơ bản sau: Tích phân 1; Tích phân 2; 2 khâu độ lợi

(Gain 1, 2); 2 bộ cộng 2 đầu vào

 Mô hình mẫu bao gỗm các khâu cơ bản sau: 2 khâu tích phân (Tích phân 3, Tích

phân 4); 2 khâu độ lợi (Gain 3, Gain 4); 2 bộ cộng 2 đầu vào

 Bộ điều khiển PD bao gồm các khâu cơ bản sau: 2 khâu tích phân (Tích phân 5,

Tích phân 6); 2 khâu nhân (Nhân 1, Nhân 2); 4 khâu độ lợi (Gain 3, Gain 4, Gain

7, Gain 8)

Trang 33

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS)

Trang 34

2.2.2 Xác định sơ đồ nguyên lý mạch điện tử tương đương dựa vào sơ đồ cấu trúc

 Mạch điện tử tương đương miêu tả “mô hình đối tượng”

Đối tượng bao gồm các khâu cơ bản sau: Tích phân 1; Tích phân 2; 2 khâu độ

lợi (Gain 1, 2); 2 bộ cộng 2 đầu vào

Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “mô hình đối tượng”

 Mạch điện tử tương đương đối miêu tả “mô hình mẫu”

Mô hình mẫu bao gồm các khâu cơ bản sau: 2 khâu tích phân (Tích phân 3,

Tích phân 4); 2 khâu độ lợi (Gain 3, Gain 4); 2 bộ cộng 2 đầu vào

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “mô hình mẫu”

Trang 35

 Mạch điện tử tương đương miêu tả “bộ điều khiển PD thích nghi”

Bộ điều khiển PD thích nghi bao gồm các khâu cơ bản sau: 2 khâu tích phân

(Tích phân 5, Tích phân 6); 2 khâu nhân (Nhân 1, Nhân 2); 4 khâu độ lợi (Gain 3, Gain 4, Gain 7, Gain 8)

Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện tử tương đương miêu tả “bộ điều khiển PD thích nghi”

2.2.3 Kết quả mô phỏng mạch điện tử trên phần mềm Multisim

Sau khi hoàn thành việc xây dựng mạch điện tử tương đương thì phần mềm Multisim 2013 được sử dụng để mô phỏng mạch điện tử Dưới đây là kết quả đạt được khi mô phỏng hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS với phần mềm Multisim 2013

Hình 2.6 Kết quả mô phỏng hệ thống MRAS trên phần mềm Multisim 2013

Trang 36

Từ kết quả trên ta có thể thấy tín hiệu ra của mô hình mẫu và tín hiệu ra của đối tượng điều khiển bám nhau, đồng thời bám theo tín hiệu đặt

Hình 2.7 Tín hiệu thích nghi Kd

Hình 2.8 Tín hiệu thích nghi Kp

Ở Hình 2.7 và Hình 2.8 này ta có thể thấy tín hiệu thích nghi Kp và Kd hội tụ sau 1 khoảng thời gian Từ đó có thể thấy rằng hệ thống điều khiển ổn định sau 1 khoảng thời gian mặc dù thời điểm ban đầu hệ thống không ổn định.Sơ đồ mạch tổng thể của hệ thống MRAS được đưa ra chi tiết hơn ở Hình 2.9

Trang 37

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện tử hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRAS sử dụng khuếch đại thuật toán

Trang 38

Kết luận chương 2

Chương 2 đưa ra cơ sở lý thuyết để thực hiện việc “Thiết kế mạch điện tử tương

tự từ biểu thức toán học” theo các bước đề xuất dưới đây:

Bước 1: Từ phương trình vi phân vẽ sơ đồ cấu trúc

Bước 2: Xác định sơ đồ nguyên lý mạch điện tử tương đương dựa vào sơ đồ cấu trúc Bước 3: Mô phỏng sơ đồ nguyên lý tổng thể với phần mềm Multisim

Bước 4: Thiết kế mô hình thực

Bước 5: Kiểm tra mô hình thực với máy hiện sóng (Oscilloscope)

Trên cơ sở lý thuyết và các bước đề xuất đã trình bày, luận văn đưa ra ví dụ cụ thể là “Thiết kế mạch điện tử bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS sử dụng khuếch đại thuật toán” Qua ví dụ cụ thể này ta có thể khẳng định lại cơ sở lý thuyết cũng như có cái nhìn rõ ràng hơn về thiết kế mạch điện tử từ biểu thức toán

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	3,91 MB