ĐỒ án MẠCH điện tử bk

ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 1.1 GIỚI THIỆU : Nội dung đồ án nhóm em là: “Thiết kế mạch lọc tích cực: thơng thấp, thơng cao dải thơng” Chính vậy, cần tìm hiểu qua mạch lọc nào? Mạch lọc mạng bốn cực, dùng để tách từ tín hiệu phức tạp thành phần có tần số nằm dải định loại thành phần ngồi dải tần số Dải tần số mà mà mạch lọc cho tín hiệu qua gọi dải thơng Chúng ta thấy, mạch lọc ứng dụng rộng rãi dải tần số Chúng thường dùng để tách tín hiệu hữu ích khỏi tạp nhiễu Theo cấu tạo: gồm loại mạch sau đây: - Mạch lọc thụ động - Mạch lọc tích cực Vì nội dung đồ án là: “Thiết kế mạch lọc tích cực: thông thấp, thông cao dải thông” nên tìm hiểu mạch lọc tích cực Mạch lọc tích cực (active filter ): xây dựng từ phần tử R,C với khuếch đại thuật toán, mạch lọc tích cực làm việc tốt tần số thấp ( ), tín hiệu có tần số nhỏ bị mạch hấp thụ ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page lượng đầu tín hiệu nhỏ hơn, tần số f nhỏ, tín hiệu bé tiến tới c) Mạch lọc thông dải: Mạch chọn lọc tần số khoảng (dải thơng) để tín hiệu dải tần số qua, với tín hiệu ngồi khoảng dải thơng đó, tín hiệu bị giảm biên độ tiến dần khơng tần số tín hiệu xa dải thơng Có loại mạch lọc thơng dải yếu là:  Mạch lọc băng thông rộng: vùng dải thông mạch tương đối rộng, giá trị tần số hệ số điện áp đỉnh, đỉnh tín hiệu vào-ra gần khơng đổi, tạo thành đoạn thẳng từ tần số cắt đến tần số cắt  Mạch lọc băng thông hẹp: vùng dải thông cua mạch bé cỡ từ 3-10 Hz, hai tần số cắt gần Trong khoảng dải thơng có tần số trung tâm () mà hệ số điện áp lớn mạch có tính chọn lọc tần số cao, ứng dụng việc chống nhiễu thu thu tín hiệu có nhiều tạp nhiễu hay dò tinh tỉnh tín hiệu 1.4 CÁC LOẠI MẠCH LỌC 1.4.1 Mạch lọc thông thấp (LOW PASS FILTER) Trong thực tế thiết kế mạch lọc thông thấp, ta thường lựa chọn tham số mạch lọc theo lọc quen biết là: - Bộ lọc Butterworth tối ưu hóa độ phẳng hệ số khuếch đại dải thông - Bộ lọc Tschebyscheff tối ưu hóa chuyển tiếp tức từ dải thơng sang dải chắn - Bộ lọc Bessel có đặc tính pha - tần số tuyến tính dải rộng Đáp ứng tần số loại lọc minh họa Hình 1.2 ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page Hình 1.2 Đáp ứng tần số mạch lọc RC thông thấp Hàm truyền đạt chuẩn hóa tầng lọc thơng thấp bậc hai mơ tả sau: Trong , hệ số khuếch đại dải thông, , hệ số lọc Tùy theo yêu cầu ứng dụng cụ thể, mà hệ số , chọn theo lọc Butterworth, Tschebyscheff hay lọc Bessel Với lọc bậc 1, hệ số b1 = 0, hàm truyền đạt có dạng sau: Hình 1.3 Đáp ứng tần số lọc 1.4.2 Mạch lọc thơng thấp tích cực bậc ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page Sơ đồ mạch lọc thơng thấp tích cực bậc dạng không đảo dạng đảo cho hình 1.4 1.5 Hình 1.4 Mạch lọc thơng thấp tích cực bậc dạng khơng đảo Hình 1.5 Mạch lọc thơng thấp tích cực bậc dạng đảo Hàm truyền đạt mạch lọc thông số mạch lọc xác định sau:  Dạng không đảo :  Hàm truyền đạt A(s) =  Tham số = + =  Dạng đảo :  Hàm truyền đạt  Tham số = ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ A(s) = = Page 1.4.3 Mạch lọc thơng thấp tích cực bậc Có hai cấu hình mạch lọc thơng thấp tích cực bậc là: cấu hình Sallen - Key cấu hình đa hồi tiếp (MFB - Multiple Feedback) a) Cấu hình Sallen - Key Sơ đồ mạch lọc Sallen - Key cho hình 1.6 Hình 1.6 Bộ lọc thông thấp Sallen-Key dạng sơ đồ tổng quát Hình 1.7 Bộ lọc thơng thấp Sallen-Key dạng sơ đồ với hệ số khuếch đại đơn vị Hàm truyền đạt lọc trường hợp tổng quát có dạng sau: ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page Với sơ đồ mạch lọc có hệ số khuếch đại đơn vị =1 (Hình 3), hàm truyền đạt có dạng đơn giản sau: Trong đó:=1 ; b) Cấu hình đa hồi tiếp Mạch lọc đa hồi tiếp có hệ số phẩm chất cao thường dùng ứng dụng yêu cầu hệ số khuếch đại lớn Sơ đồ mạch lọc đa hồi tiếp mô tả hình 1.7 Hình 1.8 Cấu hình mạch lọc đa hồi tiếp Hàm truyền đạt mạch lọc có dạng: Trong đó: ; =; 1.4.4 Mạch lọc thơng cao (HIGH PASS FILTER) Sơ đồ mạch lọc thông cao tạo đơn giản cách thay điện trở tụ điện sơ đồ mạch lọc thông thấp tương ứng tụ điện điện trở: ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page Hình 1.10 Sự tương ứng mạch lọc thông thấp mạch lọc thông cao Do tương ứng với mạch lọc thông thấp nên: - Đặc tính biên độ - tần số mạch lọc thông cao thu cách lấy đối xứng đường đặc tuyến biên độ - tần số mạch lọc thơng thấp qua tần số góc - Hàm truyền đạt mạch lọc thông cao suy từ hàm truyền đạt mạch lọc thông thấp cách thay s = 1/s Do đó, hàm truyền đạt tầng lọc thơng cao bậc hai chuẩn hóa có dạng: - Nếu , ta thu hàm truyền đạy mạch lọc thông cao bậc sau: 1.4.5 Mạch lọc thông cao bậc Ta có sơ đồ mạch lọc thơng cao bậc dạng không đảo dạng đảo cho hình sau: Hình 1.11 Mạch lọc thơng cao dạng không đảo ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page Hình 1.12 Mạch lọc thơng cao dạng đảo Hàm truyền đạt thông số mạch lọc xác định sau:  Dạng không đảo  Hàm truyền đạt  Tham số  Dạng đảo  Hàm truyền đạt  Tham số 1.4.6 Mạch lọc thông cao bậc Mạch lọc thơng cao bậc có hai cấu hình cấu hình Sallen - Key cấu hình hồi tiếp (MFB) a) Cấu hình Sallen - Key Cấu hình Sallen - Key mạch lọc thơng cao bậc cho hình Với cấu hình giá trị hệ số khuếch đại thiết kế yêu cầu Hình 1.13 Cấu hình tổng quát Sallen-Key mạch lọc thông thấp bậc ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page Hàm truyền đạt mạch lọc xác định sau: Trong đó, Với ứng dụng khơng yêu cầu cao hệ số phẩm chất yêu cầu hệ số khuếch đại đơn vị (, ta sử dụng cấu hình 1.4 sau: Hình 1.14 Cấu hình Sallen-Key mạch lọc thông thấp bậc với hệ số khuếch đại đơn vị Khi đó, hàm truyền đạt mạch lọc có dạng đơn giản sau: Trong đó: ; ; b) Cấu hình đa hồi tiếp Cấu hình đa hồi tiếp thường dùng ứng dụng yêu cầu có hệ số khuếch đại cao Cấu đa hồi tiếp mạch lọc thông cao bậc cho hình 1.15 ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 10 Hình 2.4 Sơ đồ mạch lọc thông thấp nối thiếp mạch lọc thông cao 2.3 MƠ PHỎNG MẠCH NGUN LÍ 2.3.1 Mơ mạch lọc thơng thấp Ta có đáp ứng tần số lí tưởng thực tế mạch lọc thơng thấp sau: Hình 2.5 Đáp ứng lý tưởng mạch lọc thông thấp ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 23 Hình 2.6 Đáp ứng thực tế mạch lọc thông thấp Sau mơ phần mềm proteus ta có đáp ứng tần số hình đây: ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 24 Hình 2.7 Đáp ứng tần số mạch lọc thơng thấp bậc cấu hình Sallen - Key với tần số cắt  Nhận Xét: Trong mạch lọc thông cao ta sử dụng lọc Butterworth bậc nên tần số lấy từ đỉnh xuống vị trị cắt khoảng6dB biên độ dB có tần số cắt 19 2.3.2 Mơ mạch lọc thơng cao Ta có đáp ứng tần số lí tưởng thực tế mạch lọc thông cao sau: Hình 2.8 Đáp ứng lí tưởng mạch lọc thơng cao ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 25 Hình 2.9 Đáp ứng thực tế mạch lọc thông cao Sau mơ phần mềm proteus ta có đáp ứng tần số hình sau: ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 26 Hình 2.10 Đáp ứng tần số mạch lọc thơng cao bậc cấu hình Sallen - key với tần số cắt  Nhận Xét: Trong mạch lọc thông cao ta sử dụng lọc Butterworth bậc nên tần số lấy từ đỉnh xuống vị trị cắt khoảng6dB biên độ dB có tần số cắt 95 2.3.3 Mơ mạch lọc dải thơng Ta có đáp ứng tần số lí tưởng thực tế mạch lọc dải thơng sau: Hình 2.11 Đáp ứng lý tưởng mạch lọc dải thông ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 27 Hình 2.12 Đáp ứng thực tế mạch lọc dải thơng Sau mơ phần mềm proteus ta có đáp ứng tần số hình sau: ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 28 Hình 2.13 Đáp ứng tần số mạch lọc dải thông bậc cấu hình Sallen - Key với tần số  Nhận Xét: Trong mạch lọc thông cao ta sử dụng lọc Butterworth bậc nên tần số lấy từ đỉnh xuống vị trị cắt khoảng6dB biên độ dB có tần số cắt 18 tần số cắt CHƯƠNG III : TÍNH CHỌN LINH KIỆN TRONG MẠCH 3.1 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 29 a) Điện trở  Phân loại cấu tạo theo điện trở có giá trị xác định :  Điện trở than ép ( điện trở hợp chất cacbon): chế tạo cách trộn bột than với vật liệu cản điện, sau nung nóng hóa thể rắn, nén thành dạng hình trụ  Điện trở dây quấn: chế tạo cách quấn đoạn dây chất dẫn điện tốt quanh lõi hình trụ  Điện trở màng mỏng: sản xuất cách lắng đọng Cacbon, kim loại oxide kim loại dạng màng mỏng lõi hình trụ  Các giá trị điện trở thơng dụng: ta khơng thể kiếm điện trở có trị số bất kỳ, nhà sản xuất đưa khoảng 150 loại trị số điện trở thông dụng , bảng màu sắc trị số điện trở thông dụng  Cách đọc tham số điện trở: điện trở có kích thước nhỏ ghi trực tiếp thông số người ta thường vẽ vòng màu lên điện trở  Vòng màu:  vòng đầu biểu diễn chữ số có nghĩa thực  Vòng thứ biểu diễn số chữ số ( bậc lũy thừa 10 )  Sai số  Vòng màu:  vòng đầu biểu diễn chữ số có nghĩa thực  Vòng thứ biểu diễn số chữ số ( bậc lũy thừa 10 )  Vòng thứ biễu diễn dung sai ( tráng nhũ )  Vòng màu:  vòng biễu diễn chữ số có nghĩa thực  Vòng thứ biểu diễn số chữ số số (bậc lũy thừa 10 )  Vòng thứ biễu diễn dung sai ( tráng nhũ ) b) Biến trở  Phân loại theo giá trị:  Biến trở tuyến tính: giá trị điện trở thay đổi tuyến tính theo góc xoay ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 30  Biến trở phi tuyến: giá trị điện trở thay đổi theo hàm logarit theo góc xoay  Ngồi có biến trở sử dụng điều khiển điện áp (protentiometer: triết áp) điều khiển cường độ dòng điện (Rheostat)  Cấu tạo: có cấu tạo gồm điện trở màng than dây quấn có dạng hình cung, có trục xoay nối với trượt  Các loại biến trở,giá trị cách đọc:  Có loại biến trở thường sử dụng có giá thành vừa phải sau: biến trở tinh chỉnh, biến trở trượt, biến trở tam giác, biến trở núm vặn biến trở vuông  Các giá trị thường gặp: tùy theo loại biến trở mà có giá trị điện trở khác : 101, 102, 103, 104,105, 201, 202, 203, 204,205 , 500, 501, 502,503 , 504  Cách đọc : chữ số đầu nhân với bậc lũy thừa 10 chữ số cuối Ví dụ: 104 = 10=100000 c) Tụ điện  Phân loại cấu tạo:  Tụ giấy (Paper capacitors): tụ không phân cực gồm kim loại xen kẽ với lớp giấy tẩm dầu cuộn lại theo dạng hình trụ  Tụ gốm(Ceramic capacitors): tụ không phân cực sản xuất cách lắng đọng màng kim loại mỏng mặt đĩa gốm mặt mặt ngồi ống hình trụ  Tụ Mica (Mica capacitors): tụ không phân cực chế tạo cách đặt xen kẽ kim loại với lớp Mica  Tụ màng mỏng (plastic - film capacitors): tụ không phân cực, chế tạo theo phương pháp giống tụ giấy, chất liệu điện môi polyestes polyethylene có tính mềm dẻo  Tụ hóa ( Electrolytic capacitors ): tụ phân cực gồm nhôm cách ly dung dịch điện phân cuộn lại thành dạng hình trụ  Tụ Tantal: tụ phân cực giống tụ hóa khác Tantal sử dụng thay cho nhôm  Cách đọc giá trị tham số tụ điện  Đối với tụ có kích thước lớn (tụ hóa, tụ Tantal) thơng số ghi trực tiếp thân tụ giá trị điện dung điện áp đánh thủng  Theo quy ước chữ số chữ :  Đơn vị pF ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 31   chữ số đầu có nghĩa thực  Chữ số thứ biểu diễn bậc lũy thừa 10  Chữ biểu diễn sai số Ví dụ : 0.047/200: C=0.047 ; 102J : C=10.pF=1nF; Bảng ý nghĩa chữ số thứ Sai số Chữ số Hệ số nhân d) Op Amp (Operational Amplifier)  Định nghĩa: mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại cao, có đầu vào vi sai, thơng thường có đầu đơn  Các loại Op amp có thị trường: Có nhiều loại op amp có giá thành vừa phải thường sử dụng TL072, 4558, OP07, LM393, INA126UA, LM358, TL062, 3.2 TÍNH TỐN VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN TRONG MẠCH Do giá trị linh kiện ta tính khơng phù hợp với giá trị chuẩn linh kiện sản xuất thị trường nên ta thay giá trị khác gần để lắp đặt vào mạch 3.2.1 Mạch lọc thơng thấp Ta có : 47 ( nF ), nên ta chọn linh kiện sau:  Biến trở tinh chỉnh điều chỉnh giá trị điện trở 170  Điện trở có giá trị 150  Op amp OP07 DIP8 ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 32  Tụ gốm có giá trị 47 nF  Đầu nối (connector) CON KF301-2P Sơ đồ mạch điện sau lựa chọn linh kiện sau: Hình 3.1 Sơ đồ mạch lọc thơng thấp 3.2.2 Mạch lọc thơng cao Ta có: , 47 ( nF ), nên ta chọn linh kiện sau: - Biến trở tinh chỉnh điều chỉnh giá trị điện trở 48     Điện trở có giá trị 30 Op amp OP07 DIP8 Tụ gốmvà có giá trị 47 nF Đầu nối (connector) CON KF301-2P Sơ đồ mạch điện sau lựa chọn linh kiện sau: Hình 3.2 Sơ đồ mạch lọc thông cao 3.2.3 Mạch lọc dải thông Ta có: , 100( nF ) nên ta chọn linh kiện sau: ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 33        Điện trở có giá trị 30 Điện trở có giá trị 68 Điện trở có giá trị 100 Điện trở có giá trị 47 Tụ gốm có giá trị 100 nF Op amp OP07 DIP8 Đầu nối (connector) CON KF301-2P Sơ đồ mạch điện sau lựa chọn linh kiện sau: Hình 3.3 Sơ đồ mạch lọc dải thông CHƯƠNG IV : CHẾ TẠO MẠCH THỰC TẾ 4.1 THIẾT KẾ MẠCH IN Mạch in mạch lọc tích cực : thông thấp, thông cao dải thông thiết kế proteus Sau có mạch in, chúng em liền in mạch giấy A4 để tiếp tục trình làm mạch Cuối ta in giấy A4 để làm in mạch lên kết hình đây: ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 34 Hình 4.4 Mạch in mạch lọc tích cực Mạch lọc thơng thấp Mạch lọc thơng cao Mạch lọc dải thông 4.2 LẮP ĐẶT THIẾT BỊ VÀ HOÀN THIỆN MẠCH ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 35 Sau có in trên, ta đặt in lên phích đồng Sau ta dung bàn để ủi mạch lên phích đồng Khi chắn mạch in có phích, bọn em dung xăng bột sắt để làm phần đồng thừa có mạch Tiếp theo, chúng em khoan hàn linh kiện lên mạch Chú ý xếp linh kiện vị trí mạch in thiết kế đo giá trị biến trở trước hàn để tránh thêm sai số Hình 4.6 Mạch sau hồn thiện Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Quốc Huy giúp đỡ hỗ trợ chúng em hoàn thiện đồ án  TÀI LIỆU THAM KHẢO  Active filter design techniques  Bài giảng Kỹ thuật Mạch điện tử - Đỗ Xuân Thụ  PHỤ LỤC BẢNG THÔNG SỐ ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 36 Tên linh kiện Các thông số Chiều dài : 12.7mm Chiều cao: 12.7mm Chiều rộng: 5.59mm Biến trở tinh chỉnh 103 Giá trị điện trở: 10k Công suất: 0.75W, Sai số: Số vòng xoay: 25 Chiều dài: 10.16mm Giá trị điện trở: 30 Điện trở vạch 30 R Sai số: Công suất: 1/4 W Chiều dài: 10.16mm Giá trị điện trở: 68 Điện trở vạch 68 R Sai số: Công suất: 1/4 W ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 37 Chiều dài: 10.16mm ... cách thay điện trở tụ điện sơ đồ mạch lọc thông thấp tương ứng tụ điện điện trở: ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page Hình 1.10 Sự tương ứng mạch lọc thông thấp mạch lọc thông cao Do tương ứng với mạch lọc... LINH KIỆN TRONG MẠCH 3.1 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 29 a) Điện trở  Phân loại cấu tạo theo điện trở có giá trị xác định :  Điện trở than ép ( điện trở hợp chất... đại b) Mạch lọc dải thông đa hồi tiếp Sơ đồ mạch lọc dải thông đa hồi tiếp mô tả hình 1.19 ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ Page 13 Hình 1.19 Cấu hình mạch lọc dải thơng đa hồi tiếp Hàm truyền đạt mạch lọc