Đồ án thiết kế mạch lọc thông thấp và thông cao bậc 2 với tần số giới hạn fc = 1000Hz

Bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin bằng sóng điện từ, nhất là trong thời đại hiện nay, khi công nghệ không dây đang phát triển một cách nhanh chóng. Phổ tần số sóng điện từ là nguồn tài nguyên có hạn và phải được chia sẻ. Bộ lọc có nhiệm vụ phân tách hoặc kết hợp các tần số khác nhau. Yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế các bộ lọc tần số đó là khả năng chống nhiễu giữa các tín hiệu có tần số khác nhau. Như vậy đặc tính lọc, hay đáp ứng tần số của một bộ lọc phải có khả năng lựa chọn và loại bỏ các tần số trong dải tần một cách tối ưu nhất. Không nằm ngoài xu hướng nhỏ gọn hóa các thiết bị thông tin liên lạc, các bộ lọc có kích thước nhỏ, hiệu suất cao và giá thành thấp đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển.Trong kỹ thuật viễn thông để thực hiện việc lọc lấy dải tần mong muốn ta có thể dùng các mạch lọc tần số. Mạch lọc tần số được ứng dụng rộng rãi và rất phổ biến trong các mạch điện tử. Vậy nên chúng em chọn đề tài : Thiết kế mạch lọc thông thấp và thông cao bậc 2 với tần số giới hạn fc = 1000Hz.Nội dung đồ án gồm 2 chương:Chương I: Trình bày cơ sở lý thuyết về mạch lọc thông thấp và thông cao.Chương II: Thiết kế, khảo sát và chế tạo mạchQuá trình thiết kế mạch lọc thông thấp, thông caoMô phỏng mạch nguyên lý của mạch lọc trên phần mềm proteusChế tạo mạchTrong quá trình thiết kế và trình bày chúng em không tránh khỏi những sai sót vì vậy mong các thầy cô chỉ bảo, giúp đỡ chúng em để chúng em có thể đạt được kết quả tốt hơn trong môn học.

LỜI MỞ ĐẦU

Bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin bằng sóngđiện từ, nhất là trong thời đại hiện nay, khi công nghệ không dây đang phát triểnmột cách nhanh chóng Phổ tần số sóng điện từ là nguồn tài nguyên có hạn vàphải được chia sẻ Bộ lọc có nhiệm vụ phân tách hoặc kết hợp các tần số khácnhau Yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế các bộ lọc tần số đó là khả năngchống nhiễu giữa các tín hiệu có tần số khác nhau Như vậy đặc tính lọc, hayđáp ứng tần số của một bộ lọc phải có khả năng lựa chọn và loại bỏ các tần sốtrong dải tần một cách tối ưu nhất Không nằm ngoài xu hướng nhỏ gọn hóa cácthiết bị thông tin liên lạc, các bộ lọc có kích thước nhỏ, hiệu suất cao và giáthành thấp đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển

Trong kỹ thuật viễn thông để thực hiện việc lọc lấy dải tần mong muốn ta

có thể dùng các mạch lọc tần số Mạch lọc tần số được ứng dụng rộng rãi và rất

phổ biến trong các mạch điện tử Vậy nên chúng em chọn đề tài : Thiết kế mạch lọc thông thấp và thông cao bậc 2 với tần số giới hạn f c = 1000Hz.

Nội dung đồ án gồm 2 chương:

Chương I: Trình bày cơ sở lý thuyết về mạch lọc thông thấp và thông cao

Chương II: Thiết kế, khảo sát và chế tạo mạch

- Quá trình thiết kế mạch lọc thông thấp, thông cao

- Mô phỏng mạch nguyên lý của mạch lọc trên phần mềm proteus

- Chế tạo mạch

Trong quá trình thiết kế và trình bày chúng em không tránh khỏi những saisót vì vậy mong các thầy cô chỉ bảo, giúp đỡ chúng em để chúng em có thể đạtđược kết quả tốt hơn trong môn học

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về mạch lọc

1.1.1 Giới thiệu chung và phân loại

a, Giới thiệu chung

Trong thực tế khi thiết kế một mạch điện tử có nhiều yêu cầu kĩ thuật nãysinh đòi hỏi người kĩ sư phải có những biện pháp kĩ thuật để giải quyết nhữngyêu cầu thực tế đặt ra nó

Trong kĩ thuật điện tử để thực hiện yêu cầu ổn định biên độ dao động,

ta có thể dùng phương pháp dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phi tuyếncủa phần tử tích cực, hay dùng mạch hồi tiếp phi tuyến như điện trở nhiệt, hayđiện trở thông của diode….Hay trong kĩ thuật viễn thông để thực hiện việc lọclấy dải tần số mong muốn người ta có thể dùng các mạch lọc tần số Chính vìđặc trưng này mà mạch lọc tần số được ứng dụng rộng rãi trong thực tế và rấtphổ biến trong các mạch điện tử

b, Phân loại

Theo dạng đáp ứng tần, người ta chia bộ lọc tần số thành 4 loại:

- Bộ lọc thông thấp (Low-pass filter-LPF)

- Bộ lọc thông cao (High-pass filter-HPF)

- Bộ lọc thông dải (Band-pass filter-BPF)

- Bộ lọc chắn dải (Band-stop filter – BSF)

Khi biểu diễn mạch lọc tần số thông qua hệ số truyền đạt điện áp thì có thểnói mạch lọc lý tưởng là một mạng 4 cực có hệ số truyền đạt K = 1 trong dảithông và K = 0 ngoài dải thông Nghĩa là mạch lọc lý tưởng sẽ không gây suygiảm tín hiệu trong dải thông và triệt tiêu hoàn toàn tín hiệu ngoài dải thông,mạch này có vùng chuyển tiếp thẳng đứng và không gây di pha tín hiệu

Với các bộ lọc lý tưởng ta có các dạng đặc tuyến như sau:

 Mạch lọc thông thấp

Mạch lọc thông thấp cho qua các tần số từ 0 tới f c và chặn tất cả các tần số

từ f c trở lên và f c gọi là tần số cắt của mạch

Mạch lọc chặn dải cho qua các tần số nằm trong khoảng nhỏ hơn f 1 và

lớn hơn f 2 , và chặn tất cả các tần số nằm trong khoảng (f 1 - f 2) Độ rộng của dải

chặn được tính bằng B = f 1 - f 2

1.1.2 Mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực

1.1.2.1 Mạch lọc thụ động

Mạch lọc thụ động là mạch chứa các phần tử thụ động R, L, C mà không cócác phần tử tích cực như BJT hay KĐTT Mạch lọc thụ động đơn giản nhất đượcxây dựng từ các khâu RC Hình 1 là mạch lọc thụ động thông thấp và thông cao.Các mạch lọc này là phần tử cơ bản để tạo các mạch lọc phức tạp hơn Để tínhtần số cắt của các mạch lọc này dùng công thức chia áp, với mạch lọc thông caohình (a) ta có:

Làm tương tự ta có được tần số cắt của mạch lọc thông thấp

Mạch lọc thụ động có hệ số truyền đạt K(w) < 1 Các mạch này hầu hết làmviệc ở tần số cao ( > 1MHz) vì ở khu vực tần số thấp các mạch này có kết cấunặng nề và hệ số phẩm chất giảm

Một số mạch lọc thụ động thường gặp và đặc tuyến truyền đạt của chúng:

Hình 1.2 Một số mạch lọc thụ động và đặc tuyến truyền đạt

1.1.2.2 Mạch lọc tích cực

Mạch lọc thụ động RLC có độ suy giảm lớn , công kềnh và khó chế tạo dướidạng IC ở dải tần thấp Với tần số nhỏ hơn vài trăm KHz thường dùng mạch lọc

RC kết hợp với các phần tử tích cực (BJT, Op-Amp ) gọi là mạch lọc tích cực.Mạch lọc tích cực có các ưu điểm so với mạch lọc thụ động như:

- Linh hoạt trong xây dựng và thiết kế

- Sử dụng tốt ở dải tần thấp do không có cuộn cảm nên kinh tế và gọn nhẹ

- Các ứng dụng tần thấp tới 1Hz

- Trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ nên có chức năng làm bộ đệm

- Có khả năng khuếch đại nên tín hiệu vào không bị suy giảm như lọc thụđộng

Một mạch lọc tích cực được đặc trưng bởi 3 tham số:

- Tần số cắt  c là tần số tại đó hệ số khuếch đại suy giảm 2 lần (hay 3dB) Tại tần số này biên độ của đáp ứng tần số bắt đầu giảm

Loại bộ lọc: xác định dạng đặc tuyến tần số quanh tần số c và trong dảithông Mạch điện của các loại bộ lọc này giống nhau, chỉ khác nhau vềgiá trị RC Có 3 loại bộ lọc: Bessel, Butterworth và Tschbyscheff Đặctuyến biên độ tần số của 3 loại bộ lọc này như hình 2

1-Lọc thụ động; 2-Lọc Bessel; 3-Lọc Butterworth; 4-Lọc Tschebyscheff.

 Mạch lọc Butterworth (3) có đặc tuyến trong dải thông phẳng nhất Không

có gợn sóng trong dải thông và tần số cắt được lấy ở mức 3dB Chú ý trong

hình 3, dải chặn nằm trong khoảng 0Hz đến f c Trong thực tế không có

trường hợp này và hệ số khuếch đại nhỏ nhất đạt được trong khoảng giữa

điểm A và f c Đặc tuyến biên độ phẳng của lọc Butterworth tốt cho tần số

gần 0Hz nhưng không tốt ở vùng cạnh dải thông vì độ dốc của đặc tuyếnkhông lớn Lọc Chebysev sẽ khắc phục nhược điểm này

Hình 1.4 Đặc tuyến tần số mạch lọc Butterworth

 Mạch lọc Chebyshev (4) có độ gợn sóng trong dải thông Tuy nhiên phíangoài dải thông biên độ sẽ suy giảm nhanh hơn so với lọc Butterworth Độgợn sóng càng cao thì tính chọn lọc của bộ lọc càng tốt Để xác định dảithông không dễ nhưng thường lấy tại đỉnh gợn sóng có tần số lớn nhất.Ví dụtrong hình 4 là đặc tuyến của mạch lọc thông cao Chebyshev có độ gợn sóng

là 0.5dB và tần số f r =1kHz, do đó đặc tuyến của nó sẽ thay đổi 0.5dB từ

tần số 1kHz trở đi và độ khuếch đại sẽ giảm nhanh chóng ở tần số nhỏ hơn1kHz

Hình 1.5 Đặc tuyến tần số mạch lọc Chebyshev

 Mạch lọc Bessel có đặc tuyến giảm đều từ khu vực thông sang khu vực chắn

và có đáp ứng xung gần như lý tưởng (hình 1.6) Tuỳ yêu cầu cụ thể, có thểchọn loại mạch lọc thích hợp

Hình 1.6 Đáp ứng xung của mạch lọc thông thấp

- Bậc của bộ lọc xác định độ dốc của đặc tuyến tần số ngoài dải tần Bậc bộ

lọc càng cao thì độ dốc của đặc tuyến tần số càng lớn và tiến gần đếndạng đặc tuyến lý tưởng Bậc của bộ lọc bằng số khâu RC trong bộ lọc.Thông thường không cần thiết dùng các bộ lọc có bậc lớn hơn 4 Thôngthường sẽ tạo bộ lọc bậc cao bằng cách ghép liên tiếp các bộ lọc bậc 1 vàbậc 2 Với bộ lọc Chebyshev, số đỉnh gợn sóng trong dải thông sẽ xácđịnh bậc của bộ lọc

- Hàm truyền đạt của bộ lọc:

K d ( p)= K d0

1+C1P+C2P2C3P3…+C n P n Trong đó:

P= p

ω c=

jωω

ω c=jωω

Ci là các hệ số thực dương Bậc của bộ lọc chính là số mũ lớn nhất của P

CHƯƠNG II THIẾT KẾ, KHẢO SÁT VÀ

CHẾ TẠO MẠCH

2.1 Sơ đồ khối và chức năng các khối

a Sơ đồ khối

Hình 2.1 Sơ đồ khối của mạch lọc

+Với mạch lọc thông cao : Thực hiện chức năng cho tần số cao, lớn hơn tần

số cắt đi qua và chặn tần số nhỏ hơn tần số cắt

- Tín hiệu ra : Là tín hiệu có tần số cao, trong dải tần quy định

- Khối nguồn nuôi: Là nguồn xoay chiều DC cung cấp vào khối mạch lọc

* Yêu cầu thiết kế: Thiết kế mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao bậc 2

loại Chebyscheff với tần số giới hạn là f c=1000 Hz

Độ gợn sóng nhỏ hơn 1dB

Độ suy giảm nhỏ hơn 3dB

2.2 Thiết kế các khối trong mạch

2.2.1 Khối tín hiệu vào.

Dùng máy phát tín hiệu để cấp vào đầu vào của mạch ,phát ra tín hiệu sóngsin, sóng tam giác, sóng vuông với giải tần từ 0,2Hz đến 2MHz, hiển thị số với

độ chính xác cao Ngoài ra còn có các chức năng VCF, DC OFFSET, SWEEP,

… cho phép nhiều ứng dụng trong mạch tương tự hay vi mạch số

Chức năng các thành phần trong máy phát tín hiệu:

- Power on/off : Bật /tắt nguồn 220V AC.

- Display: Hiển thị số

- Function: Chọn chức năng phát song sin, song tam giác, song vuông

- Frequency: Thay đổi tần số

- Amplitude: Thay đổi biên độ

- Offset: Kéo ra thì chỉnh thành phần DC từ 0 đến 5V Ấn vào thì không điềuchỉnh được

- With: Kéo ra thì chỉnh độ rộng tín hiệu quét Ấn vào thì không điều chỉnhđược

- Rate: Thay đổi tốc độ quét Kéo ra thì kéo theo logarit Ấn vào thì quét tuyếntính

- Duty: Thay đổi chu kì làm việc Kéo ra thì đảo ngược tín hiệu

- Push TTL: Ấn vào thì thay đổi đặc tính ngõ ra TTL Kéo ra thì thay đổi đặctính ngõ ra CMOS

- Output: Ngõ ra song sin, song tam giác, song vuông

- TTL/CMOS: Ngõ ra mức tín hiệu TTL/CMOS

- Exit Counter: Đếm tần số tín hiệu ngoài

- VCF: Điện áp ngoài từ 0 đến 10V để điều khiển tần số ngõ ra

- Attenuator: Suy giảm biên độ tín hiệu ra -40dB/-20Db

- Exit -20dB: Suy giảm biên độ tín hiệu ngoài vào -20dB.4

Hình 2.2 Máy phát xung

Ở đây chúng em dùng máy phát tín hiệu để cấp vào đầu vào của

mạch ,phát ra tín hiệu sóng sin

2.2.2 Khối mạch lọc

Trong thực tế muốn tăng độ dốc của đặc tuyến biên độ - tần số để đạt gầntới đặc tuyến của bộ lọc lý tưởng  sử dụng các bộ lọc bậc cao Trong thực tếthường sử dụng bộ lọc bậc 2 vì:

+ Cấu trúc đơn giản

ra tín hiệu sẽ nhỏ hơn, khi tần số f càng lớn, tín hiệu sẽ càng bé và tiến dần tới 0

Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp bậc 2 được thể hiện trên hình 2.3

c Các linh kiện cơ bản

Trong thiết kế mạch chúng em sử dụng một số điện trở,tụ điệnvà IC LM358

để làm phần tử khuếch đại thuật toán

Nhóm chọn vi mạch LM358 bởi vì vi mạch này là vi mạch khuếch đại thuậttoán với dòng vào nhỏ, dễ tìm mua, giá thành rẻ Vi mạch này có thể dùng đểthiết kế:

- Mạch khuếch đại: gồm khuếch đại điện áp đảo, không đảo, khuếch đại visai trở kháng lối vào lớn, khuếch đại chọn lọc

- Mạch thực hiện các phép tính số học: cộng, trừ, tích phân, vi phân,…

- Mạch tạo dao động

- Mạch lọc: thông thấp, thông cao, thông dải…

 Sơ đồ chân của vi mạch

* Thông số kỹ thuật của vi mạch LM358

- Các giá trị danh định cực đại (TA = +250C)

Thời gian ngắn mạch lối ra tSC Liên tục

Khoảng nhiệt độ bảo quản TStg -55 đến +125 0C

Khoảng nhiệt độ xung quanh TA 0 đến +70 0C

2.2.3 Khối tín hiệu ra

Khối tín hiệu ra của mạch lọc ở đây chúng em sử dụng Oxilo để khảo sáthoạt động của mạch:

Hình 2.5 Máy oxilo

2.2.4 Nguồn nuôi

Sử dụng nguồn +15V và -15V cấp vào chân 8 và chân 4 của ICLM358

Hình 2.6 Nguồn nuôi

2.3 Yêu cầu thiết kế

Với yêu cầu đã được nêu trước đó chúng em đã tính toán và lựa chọn cáclinh kiện như sau

làm hệ số khuếch đại, làm tăng nhiễu khiến độ gợn sóng tăng lên và cũng làmtăng độ méo tín hiệu Khi tín hiệu đưa vào đầu vào nếu tần số f ≪ f c ta thấy vùngtần số cao bị biến dạng tức là thành phần tần số cao bị lọc đi ta có trở kháng

không bị ảnh hưởng Ta có trở kháng trong mạch X c= 1

2 π f c Khi tần số lớn thì

X cnhỏ, do đó nó cho tần số lớn đi qua và đưa tới ngõ ra; còn với tần số nhỏ X c

lớn nó cản trở không cho tín hiệu thấp đi qua và cho xuống đất

2.4 Khảo sát mạch trên phần mềm Proteus

Để khảo sát hoạt động của mạch chúng em tiến hành thay đổi tần số của tínhiệu vào và khảo sát tín hiệu ra tương ứng

c Tương tự, ứng với mỗi tần số 200Hz, 400Hz, 600Hz, 800Hz, 1000Hz, 1200Hz ta có bảng sau:

- Máy tính cài sẵn phần mềm Proteus, biết cách vẽ sơ đồ nguyên lý trên phần

mềm

- Chuẩn bị đầy đủ các linh kiện có trong sơ đồ

- Chuẩn bị đầy đủ: Bo test, Bo đồng, bột sắt, máy khoan, mỏ hàn, dây đồng…

2.6 Mô phỏng mạch bằng phần mềm Proteus

Hình 2.14 Mạch lọc thông cao

Hình 2.15 Mạch lọc thông thấp

2.7 Sơ đồ mạch in

Sơ đồ mạch in của mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao được thể hiện như sau:

Hình 2.16 Mạch lọc thông cao

Hình 2.17 Mạch lọc thông thấp

2.8 Chế tạo mạch

Bước 1: Vẽ sơ đồ nguyên lý bằng phần mềm Proteus

Bước 2: Lắp ráp trên bo test kiểm tra hoạt động của mạch đã đúng haychưa

Bước 3: Thiết kế mạch in

Bước 4: In sơ đồ mạch in lên giấy Đề Can

Bước 5: Thực hiện là mạch cẩn thận trên Bo đồng sau đó tiến hành ăn mònBước 6: Khoan các mũi khoan lỗ các chân linh kiện lên Bo đồnh

Bước 7: Tiến hành lắp ráp linh kiện dựa trên sơ đồ nguyên lý

Bước 8: Dùng mỏ hàn để hàn mạch

Bước 9: Hoàn thành kiểm tra mạch và đưa ra sản phẩm thực tế

a, Mạch lọc thông thấp b, Mạch lọc thông cao

Hình 2.18 Hình ảnh mạch lọc sau khi chế tạo

2.9 Khảo sát mạch thật

Sau khi hoàn thành việc thi công mạch chúng em đã tiến hành khảo sát laimạch trên oxilo và cho kết quả gần tương đồng với các kết quả trên cơ sở lýthuyết và mô phỏng đạt được

a Mạch lọc thông cao

- Chế tạo đơn giản

- Chi phí không quá cao

- Linh kiện dễ dàng tìm kiếm và thay thế

Nhược điểm:

- Chỉ hoạt động tốt trong dải tần, cường độ nhất định

Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn ThS.Nguyễn Thị Minh đãtận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án thiết kế này

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Kĩ thuật mạch điện tử -Phạm Minh Hà-NXB Khoa học Kỹ Thuật (2006)

2 Bài giảng kĩ thuật mạch điện tử (Trường ĐH KTCN Thái Nguyên)

3 http://tusach.thuvienkhoahoc.com(truy xuất cuối cùng ngày 10/12/2016)

4 www.alldatasheet.com (truy xuất cuối cùng ngày 15/12/2016)