báo cáo thí nghiệm siêu cao tần

Ảnh hưởng của tín hiệu phản xạ từ tải về nguồn tăng theo tần số nên giá trị điện áp tải cao hơn điện áp nguồn... -TD: Thời gian trễ, là chiều dài của đường truyền trên đơn vị thời gian..

Trang 1

-Sơ đồ mạch như sau:

-Thực hiện mô phỏng mạch trên theo yêu cầu của bài thí nghiệm

1.2: Vẽ đồ thị:

Câu 1.9: Các thông số

a Dòng và điện áp của nguồn

b Dòng và điện áp của tải

Trang 2

-Điện áp nguồn:

Trang 3

1.11: Đồ thị Bode của điện áp nguồn và tải:

a Dải tần quét từ: 100MHz tới 10GHz

Trang 4

b Dải tần quét từ:100KHz tới 100MHz

1.12: Trong mạng thụ động này tại sao điện áp tải lại cao hơn điện áp nguồn?

Trảlời: Vì trong sơ đồ mạch này, tải không thuần trờ Thành phần tải Z có gi á trị thay đổi

theo tần số nên giá trị tổng tải thay đổi theo tần số Điều này dẫn tới sự thay đổi của hệ số phản xạ tại tải Ảnh hưởng của tín hiệu phản xạ từ tải về nguồn tăng theo tần số nên giá trị điện áp tải cao hơn điện áp nguồn

1.13: Thay nguồn AC bằng nguồn SIN

Đồ thị dạng song của điện áp nguồn và tải trong 5 chu kì song tại tần số 0,5GHz

f=0,5GHz  T=1/f=1/0.5*10^9=2ns

Bài thí nghiệm yêu cầu vẽ đồ thị điện áp nguồn và tải trong 5 chu kì song với tần số 0,5GHz thiết lập thời gian quét từ 0->10ns

Trang 5

1.13: Với các giá trị đường truyền như ta đã chọn thì trễ pha là bao nhiêu độ ?

Trảlời: Ta có độ trễ của đường truyền là 1ns.

2.1.Mô hình đường truyền cơ bản.

Có 1 mô hình đường truyền tổn hao cơ bản T, được xác định bởi một vài thông

số Chúng ta cần xác định 2 thông số:

-Z0: Trở kháng đặc tính

-TD: Thời gian trễ, là chiều dài của đường truyền trên đơn vị thời gian

Chiều dài của đường truyền L có mối quan hệ với thời gian trễ thông qua phương trình sau:

L = UpTD (2.1)Với Up là vận tốc pha của sóng trên đường truyền

Gọi L’ là điện cảm trên một đơn vị chiều dài, và C’ là điện dung trên một đơn vị

chiều dài, thì ta có :

(2.2)

Trang 6

Trả lời:Dựa vào cách tính trở kháng đặc tính Z0 và vận tốc pha up ở trên ta có:

Đối với cáp đồng trục có suy hao, các công thức sau đây thể hiện mối quan hệ giữa điện cảm L’ và điện dung C’ với bán kính trong và bán kính ngoài của dây dẫn:

: Mô phỏng đường truyền.

Sử dụng phần mềm PSPICE, vẽ sơ đồ mạch như hình :

Trang 7

Ta sẽ khảo sát một vài thông số đường truyền tại tần số 200Mhz.

Câu hỏi 4: Ở tần số 200Mhz, vận tốc pha Up=2/3 c thì độ dài bước sóng trên đường truyền là bao nhiêu ?

Trả lời : Độ dài bước sóng

Câu hỏi 5: Tại độ dài bước sóng bằng λ/16 thì thời gian trễ TD là bao nhiêu?

D     hay L = TD up (để ý trường hợp này up là hằng số)

Do đó nếu muốn khảo sát hàm Vinput (L) ta có thể khảo sát hàm Vinput ( TD)

Dùng Excel lập bảng giá trị điện áp – dòng điện tại Input và Load:

Câu hỏi 6: Sử dụng PSPICE, EXCEL, hay matlab để vẽ cường độ dòng điện tại ‘Input’ với chiều

dài đường truyền Từ những giá trị điện áp trên đồ thị và phương trình :

VSWR= , xác định VSWR, và từ VSWR tính ||

Trả lời:

Trang 8

Chạy mô phỏng , để vẽ đồ thị điện áp Vinput (TD) , chọn Trace / Add trace > V(INPUT)

delay

0 0.5n 1.0n 1.5n 2.0n 2.5n 3.0n 3.5n 4.0n 4.5n 5.0n V(INPUT)

Trang 9

Dùng Toggle cursor để đánh dấu Imax và Imin

Câu hỏi 8: Vẽ biên độ trở kháng tại “Input” với chiều dài đường truyền, sử dụng dữ liệu

thu thập được từ PSPICE Vẽ phần thực và phần ảo của trở kháng sử dụng PSPICE

Trả lời:

Trang 10

- Đồ thị độ lớn của trở kháng ngõ vào theo hàm của thời gian trễ TD

-Đồ thị phần thực của trở kháng ngõ vào theo hàm thời gian trễ TD

-Đồ thị phần ảo của trở kháng ngõ vào theo hàm thời gian trễ TD

Trang 11

Câu hỏi 9: Tính  và VSWR trực tiếp, sử dụng phương trình (2.6) và(2.7) bên dưới Có giống với kết quả đo được từ câu hỏi 6, 7 và 8 không?

Z Z L

0.001 50 0.001 50

Kết quả tính theo công thức này hoàn toàn phù hợp với kết quả tính ở các câu hỏi 6,7,8

Câu hỏi 10: Vẽ đồ thị biểu diễn quan hệ giữa cường độ điện áp và chiều dài đường truyền

Khi chiều dài đường truyền thay đổi thì cường độ điện áp thay đổi như thế nào? Từ đó, bạn

có đánh giá gì về công suất nhận được tại tải khi độ dài đường truyền thay đổi

Trả lời:

-Đồ thị điện áp trên tải:

Trang 12

delay

0 0.5n 1.0n 1.5n 2.0n 2.5n 3.0n 3.5n 4.0n 4.5n 5.0n V(LOAD)

-Đồ thị công suất trên tải theo hàm của TD :

delay

0 0.5n 1.0n 1.5n 2.0n 2.5n 3.0n 3.5n 4.0n 4.5n 5.0n W(ZL)

Ta thấy công suất trên tải hầu như không đổi (thay đổi dưới 0.1 mW)

2.3: Ngắn mạch và quá tải trở kháng tải.

SPICE có một công cụ để quét tần số, nhưng không có trực tiếp quét chiều dài

của đường truyền “electrical length” của một đường truyền bằng βl

l u

f l

Trang 13

đổi chiều dài vật lý của đường truyền , nó chỉ là “electrical length” như định nghĩa ở trên )

Trả lời:

Cáp đồng trục trong câu hỏi 4 hoạt động ở tần số 200Mhz

Để “electrical length” của nó là λ/2 thì tần số sẽ là f/2 = 200/2 = 100Mhz

Để “electrical length” của nó là 2,5λ thì tần số sẽ là 2,5f = 2,5 200 = 500Mhz

Sử dụng PSPICE mô phỏng, quét tần số từ 0.5 đến 2.5 lần bước sóng ( không thay đổi độ dài đường truyền) Ta thay đổi tần số để đem lại kết quả như thay đổi độ dài đường truyền

Sơ đồ mạch cho câu hỏi 13

Câu hỏi 12: Vẽ cường độ điện áp tại “Input” cho những chiều dài khác nhau ( nhớ rằng ta

chỉ điều chỉnh tần số) trên trục ngang Có giống với đồ thị trong câu hỏi 6 không? Giá trị VSWR bằng bao nhiêu? Thay tải 100 Ωbằng 25Ω

Trả lời:

Đồ thị độ lớn điện áp ngõ vào Input với dải tần từ 100Mhz tới 500Mhz

Trang 14

Frequency

80MHz 120MHz 160MHz 200MHz 240MHz 280MHz 320MHz 360MHz 400MHz 440MHz 480MHz 520MHz V(INPUT)

Thay đổi trở kháng tải từ 100 Ω về 25 Ω

Câu hỏi 13: Vẽ cường độ điện áp tại “Input”, và so sánh với trường hợp trước có tải bằng 100Ω

Từ đồ thị, tìm giá trị VSWR? Thay tải bằng 0.001Ω , giống như ngắn mạch tải

Trả lời:

Đồ thị độ lớn điện áp tại ngõ vào Input

Frequency

Trang 15

Trả lời:

Đồ thị độ lớn điện áp tại Input

Frequency

Thay thế tải bởi giá trị 1 MΩ để tạo trường hợp hở mạch

Câu hỏi 15: Vẽ cường độ điện áp tại “Input”.Từ đồ thị, xác định VSWR Tính giá trị

VSWR từ phương trình (2.6) và (2.7), So sánh 2 kết quả với nhau

Trả lời:

Trang 16

Frequency

6 0

Lab 3: QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN

3.1: Giới thiệu

Trang 17

3.2: Tải thuần trở :

Dùng PSPICE khảo sát quá trình lan truyền của một xung trên đường truyền nối với tảithuần trở

3.2.1: Hàm bước nhảy,phối hợp trở kháng tải

Đầu tiên tạo một đường truyền có trở kháng đặc tính Z0 = 50  , thời gian trễ TD = 25ns,

gắn với nguồn Thevenin 10u(t) , điện trở nguồn R g = 50 Phía tải có trở R L = 50, chạy

mô phỏng

Chú ý tạo nguồn VPWL, để tạo giá trị 10 u(t) cho nguồn thì đặt các thông số:

V1=0, V2=10, V3=10, V4=0

T1=0, T2=0.001ns, T3=50ns T4=50.001ns

Câu hỏi 1: Vẽ điện áp tại 2 điểm đầu cuối của đường truyền tong khoảng thời gian

t=0….50 ns Sử dụng sự hiểu biết về “ bounce diagrams” , giải thích đồ thị

Trả lời:

Đồ thị điện áp tại nguồn và tải:

Trang 18

Giải thích:

Ta tính điện áp tại tải theo lý thuyết:

Xét hệ số phản xạ tại nguồn và tải:

50 10

V Z

3.2.2: Hàm bước nhảy không phối hợp trở kháng:

Bây giờ thay đổi điện trở tải thành 20

Trang 19

t= 0….100 ns Sử dụng sự hiểu biết về “ bounce diagrams” , giải thích đồ thị

Trả lời:

Đồ thị điện áp tại nguồn và tải:

Giải thích:

Ta tính điện áp tại tải theo lý thuyết:

Xét hệ số phản xạ tại nguồn và tải:

0 50 50

50 50

50 20

Z

V

Trang 20

Tại t = TD = 25ns, sóng lan truyền đến tải z = l, mà hệ số phản xạ tại tải 3

20 7

) ( 86 2 7

20 7

Vậy sau 2TD = 50ns thì điện áp ở 2 đầu đường truyền xác lập ở 2,86V

Quan sát trên đồ thị thấy kết quả tính toán và đồ thị hoàn toàn phù hợp với nhau, sau 50nsthì giá trị của Vsource và Vload là trùng nhau

3.2.3: Hàm bước nhảy không phối hợp trở kháng tải và nguồn :

Bây giờ thay đổi điện trở tải R L=20, điện trở nguồn R g=200

t= 0….300 ns Sử dụng sự hiểu biết về “ bounce diagrams” , giải thích đồ thị

Trả lời:

Trang 21

Giải thích:

Hệ số phản xạ sóng tại nguồn và tải:

6 0 50 200

50 200

50 20

Trang 22

đường truyền ở phía nguồn lúc này là:

Biên độ sóng phản xạ: V2  L V2

Tính được V L 0.85( )V

Quá trình phản xạ minh họa bởi:

Tiếp tục quá trình tính toán với t = 4TD , t = 5TD :

Trang 23

) ( 909 0 20 200

20 10

0

V Z

vẫn đảm bảo 25ns Các giá trị điện trở R g=200 R L=20

Chú ý tạo nguồn Vg lúc này là xung 10ns, nên phải tạo các thông số nguồn VPWL như sau:T1=0, V1=0,

T2=0.001n, V2=10,

T3=10n, V3=10,

T4=10.001n, V4=0

Lúc này vg(t) = 10(u(t)- u(t-10ns))

Câu hỏi 4 : Vẽ điện áp tại nguồn, điểm giữa và tải của đường truyền trong khoảng thời

gian t=0….100 ns Sử dụng Sử dụng sự hiểu biết về “ bounce diagrams” , giải thích đồthị Mất bao lâu để xung “ghót” ( là xung mà ta thấy được tại điểm giữa của đường truyền )

Trang 24

50 200

50 20

50 10

0

V Z

Trang 25

VS = 0 (V)

Vm = 2 (V)

VL = 0 (V)Với t = TD = 25ns :

VS = 0 (V)

Vm = 0 (V)

VL = 1,14 (V)Với t = 3TD / 2 = 37,5ns :

VS = 0 (V)

Vm = -0,86 (V)

Trang 26

Với t = 2TD = 50 ns :

VS = -1,37 (V)

Vm = 0 (V)

VL = 0 (V)Với t = 5TD / 2 = 62,5ns :

VS = 0 (V)

Vm = -0,51 (V)

VL = 0 (V)Với t = 3TD = 75ns :

VS = 0 (V)

Vm = 0 (V)

VL = -0,29 (V)Với t = 7TD / 2 = 87,5ns :

VS = 0 (V)

Vm = 0,22 (V)

VL = 0 (V)Với t = 4TD = 100ns :

VS = 0 (V)

Vm = 0 (V)

VL = 0 (V)Mất một thời gian là TD / 2 = 12,5ns để xung “ghost” đi từ phần trung gian giữa 2 đường truyền đến tải (đó chính là trễ lan truyền trên đường truyền thứ 2)

Độ rộng xung là 12,5ns, còn nếu chỉ tính phần tồn tại xung (khác mức 0V ) thì là 10nsNhận xét: Kết quả tính được phù hợp với những gì đã vẽ trên đồ thị

3.2.5: Xung Dài:

Trang 27

khoảng thời gian t= 0….100 ns Sự chuyển đổi từ ‘ hight’ xuống ‘low’ tại tải có rõ ràng không ?

Đồ thị điện áp nguồn, tải , trung gian:

Từ đồ thị ta thấy có sự chuyển đổi mức rõ ràng đối với điện áp trên tải

3.3: Tải là phần tử tích cực:

Như đã đề cập ở phần trước, thong thường tải tại điểm cuối của bus dữ liệu là phần tử tích

Trang 28

Trong phần này sơ đồ mạch gồm nguồn điện vg(t) = 10u(t) có trở kháng R g=25, đườngtruyền có trở kháng đặc tính Z0 = 50  , và chiều dài 25ns.

Câu hỏi 6: Đầu cuối của đường truyền có 1 tụ điện 1nF Vẽ điện áp tại 2 đầu của đường

truyền trong khoảng thời gian t = 0 600 ns Nếu thấy bất kỳ quá trình nạp hay xả, xácđịnh τ và R Có thể áp dụng các công thức sau:

Trả lời:

Đồ thị điện áp trên nguồn và tải:

Trang 29

Dùng chức năng Toggle cursor để đánh dấu điểm max của Vload , từ đó có:

50.10

4.22 10 8.4 12.132

4.22.10

42.2( )10

C

t

Định dạng
Số trang	29
Dung lượng	0,97 MB