Thiết kế mô hình máy thu thanh AM

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐƠNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CỬ NHÂN VẬT LÝ Đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY THU THANH AM Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Đông Người thực hiện: Trần Ngọc Trâm Anh Đà Nẵng, tháng 5/2013 SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang i KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐÔNG LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật giới có nhiều tiến bộ, nhiều thành tựu đáng kể Nhất lĩnh vực kỹ thuật, công nghệ thông tin, kỹ thuật viba, truyền hình số, tổng đài điện thoại vơ tuyến, kỹ thuật phát thanh, phát triển vượt bậc Các thiết bị điện tử ngày tinh gọn, siêu nhỏ tính hiệu làm việc chúng cao bền Trong lĩnh vực phát thanh, truyền hình nước ta, ngày có nhiều tiến đáng kể có nhiều nhà khoa học, nhiều chuyên gia, nhiều kỹ sư giỏi khoa học kỹ thuật tham gia nghiên cứu triển khai ứng dụng Kết có nhiều thiết bị đưa vào thay thiết bị, máy móc cũ mang lại hiệu kinh tế cao Tuy vậy, phát truyền hình có nhiều lĩnh vực cần tiếp tục nghiên cứu, học hỏi phát triển them Dựa kiến thức học môn Kỹ thuật mạch điện tử Kỹ thuật mạch điện tử 2, chúng em nghiên cứu ngun lý thu sóng radio AM thơng qua đề tài: “ Thiết kế mơ hình máy thu AM” Trong chừng mực thời gian ngắn ngủi lượng kiến thức tích lũy cịn hạn chế, tài liệu chưa nhiều, em khảo sát máy thu radio AM dựa kiến thức học môn Kỹ Thuật Mạch Điện Tử Hi vọng với đề tài này, em có thêm hiểu biết kỹ thuật thu sóng radio tích luỹ thêm kiến thức phục vụ cho trình học tập SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang ii KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐƠNG LỜI CẢM ƠN Khóa luận tốt nghiệp bước cuối đánh dấu trưởng thành sinh viên giảng đường đại học Để trở thành cử nhân hay kĩ sư đóng góp học cho phát triển đất nước Trong suốt q trình học tập hồn thành luận văn này, chúng em nhận hướng dẫn, giúp đỡ quý báu thầy cô, anh chị, em bạn Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: - Ban giám hiệu, Phịng đào tạo, Bộ mơn Vật Lý trường Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ chúng em trình học tập hoàn thành luận văn - Thạc sĩ Nguyễn Văn Đơng, người thầy kính mến hết lịng giúp đỡ, dạy bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em suốt trình học tập hồn thành luận văn tốt nghiệp Tuy có nhiều cố gắng thực thành công luận văn khơng thể tránh khỏi hạn chế, thiếu sót, có điều kiện nhóm thực nghiên cứu sâu hồn thiện Mong nhận góp ý bảo thêm thầy cô bạn để đề tài hồn thiện tốt SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang iii KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐƠNG DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Đặc tuyến chọn lọc máy thu Hình 2.2 Dạng sóng tín hiệu âm Hình 2.3 Thành phần tần số chứa sóng Hình 2.4 Biên độ dải tần tín hiệu âm Hình 2.5: Sơ đồ khối máy thu khuếch đại thẳng Hình 2.6: Sơ đồ khối máy thu đổi tần Hình 2.7: Sơ đồ mạch ghép nối điện dung đáp ứng tần số 10 Hình 2.8: Sơ đồ mạch ghép nối điện cảm & đáp ứng tần số 11 Hình 2.9: Mạch LC dùng làm mạch cộng hưởng tần số 12 Hình 2.10: Sơ đồ phân cực cố định 13 Hình 2.11: Sơ đồ phân cực cầu chia 13 Hình 2.12: Sơ đồ phân cực ổn định cực phát 14 Hình 2.13: Sơ đồ phân cực 16 Hình 2.14: Mạch khuếch đại trung tần 18 Hình 2.15: Mạch khuếch đại trung tần cộng hưởng kép 19 Hình 2.16: Mạch khuếch đại trung tần tham số tập trung 19 Hình 2.17: Bộ lọc theo nguyên lý áp điện 20 Hình 2.18: Sơ đồ tách sóng biên độ mạch chỉnh lưu 21 Hình 2.19: Q trình tách sóng tín hiệu lớn nhờ mạch chỉnh lưu dùng điot 21 Hình 2.20: Đồ thị thời gian điện áp uC tải tách sóng nối tiếp 22 Hinh 2.21: Sơ đồ khối tổng quát mạch dao động 23 Hình 2.22: Mạch dao động ghép biến áp 24 Hình 2.23: Sơ đồ tương đương 25 Hình 3.1: Sơ đồ mạch vào khuếch đại cao tần 26 Hình 3.2: Sơ đồ mạch tách sóng 27 Hình 3.3: Sơ đồ mạch khuếch đại công suất âm tần 29 SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang iv KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐÔNG DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT KĐ Khuếch đại AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ BJT Bipolar Junction Transistor lưỡng cực Transistor FM Frequency Modulation Điều chế tần số IF Intermediate Frequency Tần số trung tần SW Short wave Sóng ngắn LW Long Wave Sóng dài MW Medium Wave Sóng trung RF Radio Frequency Tần số vơ tuyến S/N Signal/Noise Tín hiệu/Nhiễu SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang v KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐÔNG PHẦN I: GIỚI THIỆU Đặt vấn đề Trước phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật thiết bị điện tử đóng vai trò quan trọng Từ nhà vật lý học John Bardeen, William Bradford Shockley Walter Houser Brattain sáng chế mẫu transistor ứng dụng nhiều ngành điện tử hay công nghệ thông tin Transistor bước ngoặt lớn cho phát triển toàn giới, đưa nhân loại tới thời kỳ phát triển thịnh vượng (16/12/1947) Qua trình học lý thuyết giảng đường đại học, chúng em tích lũy số kiến thức mạch điện tử Vì chúng em muốn thông qua đề tài để thực hành kiến thức học hiểu rõ đặc tính linh kiện điện tử thực tế kĩ thuật làm mạch Mục tiêu: - Giúp sinh viên nắm kỹ thuật làm mạch - Biết nguyên lý máy thu - Biết lắp ráp điều chỉnh Yêu cầu: - Hiểu mạch điện bản: mạch cộng hưởng LC, mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, mạch khuếch đại cơng suất, khuếch đại thuật tốn, mạch tách sóng… - Mạch thiết kế phải thu sóng AM SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐÔNG PHẦN II: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Khái niệm chung máy thu radio 1.1 Khái niệm Máy thu radio hay gọi máy thu thiết bị hoàn chỉnh dùng để thu nhận sóng radio mang thơng tin, phục hồi lại tín hiệu thơng tin khuếch đại đến giá trị ban đầu đưa loa Khi nghiên cứu máy thu thanh, người ta thường ý đến thông số kỹ thuật sau:  Độ nhạy sức điện động nhỏ anten để máy thu làm việc bình thường Những máy thu có chất lượng cao thường có độ nhạy anten nằm khoảng 0.5 V 10 V Ngồi máy thu cịn phải có khả chọn lọc nén tạp âm, tức đảm bảo tỷ số S/N mức cho phép Thơng thường để thu tốt biên độ tín hiệu phải lớn tạp âm 10 lần ( tức 20 dB) Ở siêu cao tần (f >30 MHz) độ nhạy máy thu thường xác định công suất sức điện động cảm ứng anten  Độ chọn lọc: khả chọn lọc tín hiệu cần thu tín hiệu cần loại bỏ tạp âm tác động vào Anten Độ chọn lọc thường thực mạch cộng hưởng, phụ thuộc vào số lượng, chất lượng độ xác hiệu chỉnh Về mặt số lượng, độ chọn lọc kí hiệu: Ao: hệ số khuếch đại tần số fo hệ số khuếch đại tần số f Độ chọn lọc thường tính đơn vị dexibel: SdB=20logSe Đơi người ta dùng độ chọn lọc theo hệ số: SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐƠNG Hình 2.1 Đặc tuyến chọn lọc máy thu Vì nhỏ tốt Máy thu lý tưởng có đặc tuyến hình chữ nhật Trong dải thơng D A=const Ngồi dải thơng D A=0  Dải tần máy thu: khoảng tần số mà máy thu điều chỉnh để thu sóng phát với tiêu kỹ thuật yêu cầu Máy thu thường có dải sóng sau: - Sóng dài: LW : 150KHz → 408KHz - Sóng trung: MW: 525KHz → 1605KH - Sóng ngắn: SW: 4MHz → 24MHz Băng sóng ngắn thường chia làm loại sóng: o SW1: 3,95MHz → 7,95MHz o SW2: 8MHz → 16MHz SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐƠNG o SW3: 16MHz → 24MHz - Sóng cực ngắn : FM: 65,8 → 73MHz 087,5 → 104 Mhz  Méo tần số: khả khuếch đại tần số khác khác sơ đồ máy thu có phần tử L, C Méo tần số đánh giá đặc tuyến tần số Ở máy thu điều biên AM dải tần âm vào khoảng 40KHz từ 30Hz 60KHz Còn với máy thu điều tần FM dải tần âm 15KHz Ngồi người ta cịn quan tâm đến thơng số khác méo phi tuyến công suất máy thu 1.2 Điều chế tín hiệu radio Trong kỹ thuật radio có hai cách điều chế tín hiệu bản: 1.2.1 Điều chế biên độ – AM (Amplitude Modulation)  Khái niệm: Điều chế trình biến đổi dạng tín hiệu sóng mang tn theo đặc trưng tín hiệu điều chế cần truyền nhằm tạo tín hiệu chứa nội dung tin tức có dạng thức phù hợp, lan truyền môi trường Phương pháp điều chế biên độ (điều biên) AM sử dụng sóng có tần số cao (rất lớn tần số tín hiệu – gọi sóng mang) phối hợp với tín hiệu để tạo dạng sóng có tần số tần số sóng mang, biên độ thay đổi theo dạng sóng tín hiệu Sóng AM phát ngồi khơng gian  Mục đích điều chế  Để xạ tín hiệu vào khơng gian dạng sóng điện từ  Cho phép sử dụng hiệu kênh truyền  Tăng khả chống nhiễu cho hệ thống Sóng AM radio chia thành dãi tần: - Sóng trung – MW (medium wave) có tần số từ 530 KHz – 1600 KHz - Sóng ngắn – SW1 (short wave) có tần số từ 2.3 MHz – MHz - Sóng ngắn – SW2 (short wave) có tần số từ MHz – 22 MHz SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐƠNG Khi nói đến dải tần băng sóng, tức nói đến tần số sóng mang dải tần  Ưu nhược điểm điều chế AM Ưu điểm:  Ưu điểm điều chế AM (điều biên) kinh tế Các máy thu phát AM thường có thiết kế đơn giản, khơng tốn kém, điều giải thích máy móc AM phổ thơng truyền thơng vơ tuyến  Sóng AM khơng cần cơng suất phát lớn Nếu sóng mang có bước sóng dài, AM truyền xa khả vượt chướng ngại tốt  Có thể truyền xa, hàng ngàn km Nhược điểm:  Tính chọn lọc khơng cao  Sóng AM dễ bị biến dạng tín hiệu nên tín hiệu khơng trung thực 1.2.2 Điều chế tần số – FM (Frequency Modulation) Khác với điều biên, điều chế tần số (điều tần) FM làm thay đổi tần số sóng mang theo biên độ tín hiệu Tần số sóng mang FM lớn tần số sóng mang AM Dải tần FM từ 88 MHz – 108 MHz, điều chế FM Trong hai cách điều chế, phương pháp điều chế FM cho tín hiệu đến nơi thu trung thành hơn, sai lệch điều chế AM, đường truyền ảnh hưởng đến tần số sóng truyền, lại tác động lớn lên biên độ Tuy nhiên, sóng FM tần số lớn tần số AM nên không truyền xa sóng AM Khi ta nói phát âm thanh, tín hiệu phức tạp có nhiều biến đổi liên tục, thời điểm dạng sóng xuất hình 2.2 bên SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐƠNG PHẦN 3: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN Tính toán nguồn cung cấp: Do phần khuếch đại công suất âm tần ta dùng IC LM 386 nên nguồn cung cấp cho toàn mạch phải nằm khoảng cho phép Theo datasheet LM386 có điện áp cung cấp nằm khoảng 4V-12V Ta sử dụng loa có điện trở RL= 8, công suất cực đại 3W, chọn hiệu suất sử dụng nguồn  = 0.8  VCC = = = 8,66 (V)  Chọn nguồn cung cấp cho mạch 9V Mạch vào khuếch đại cao tần: Hình 3.1: Sơ đồ mạch vào khuếch đại cao tần Dùng mạch cộng hưởng LC mắc song song để tạo cộng hưởng với tần số cần thu: f = Khi giá trị tụ xoay Cv thay đổi ta cộng hưởng tần số khác nhau, đây, tụ xoay Cv cuộn dây L ta lấy từ radio cũ, số cộng hưởng khung số nằm dải sóng MW từ 550 KHz 1600 KHz SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang 26 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐƠNG Chọn : IR3 = IR2 = IC2 = 2.5 mA VR3 = 1 VCC = = 2.25 (V) 4  R3 = = = 0.9 (K) Chọn R3 = K Điện áp điểm A: VA = VCC – VR3 =9 – 2.25 = 6.75 (V)  IE1 = Chọn BJT Q1, Q2 28C535 có thông số: IC = 20 mA Pc = 100 mW β = 60 Chọn β1= β2 = 100  IE1 = = = 0.025 mA Chọn R1=1 K để hạn dòng IB2 VB/Q1 = IB.R1 + VBE/Q1 + VBE/Q2 BJT Q1 Q2 phân cực chế độ khuếch đại mắc theo kiểu Dalington để tăng hệ số khuếch đại cao tần đủ lớn để thực tách sóng Bên cạnh đó, nhờ mắc Dalington nên mạch có điện trở khoảng vào lớn để phối hợp trở kháng với khung cộng hưởng LC dò đài Chọn: VBE/Q1 = VBE/Q2= 0.6 V  VB/Q1 = 0.025 mA 1K + 0.6 = 1.225 R4 RV1 thành phần hồi tiếp âm, kết hợp với tụ C1 để tăng độ ổn định mạch tạo phân cực cho Q1, Q2 Khi R4 nhỏ mạch ổn định, nhiên hệ số khuếch đại giảm Để giảm bớt ảnh hưởng ta mắc thêm tụ C1, chế độ xoay chiều tụ ngắn mạch tín hiệu xoay chiều xuống mass khơng cho hồi tiếp cực B Q1  chọn R1+VR1=120K SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang 27 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐƠNG Chọn R4 =100 K VR1 biến trở 50K để điều chỉnh Sụt áp (R4 + VR) R’4 = VR4 = IB1.R’4 = 120K = 0,03 (V) VCE/Q2= VB/Q1 + VR4= 1,2 + 0,03 = 1,23 (V) R2 = = =2,208 (K) Chọn R2 = 2,2 (K) Giả sử tín hiệu RF thu khung cộng hưởng đầu vào có giá trị xấp xỉ 50V Sau qua tầng khuếch đại cao tần tín hiệu có mức điện áp xấp xỉ 50V β1.β2 = 50V.100.100= 0,5 (V) Mạch tách sóng: Hình 3.2: Sơ đồ mạch tách sóng Tín hiệu cao tần RF sau qua mạch khuếch đại cao tần thông qua tụ C2 đưa vào cực B BJT Q3 thực tách sóng BJT Q3 phân cực để dẫn ứng với biên tín hiệu RF, tín hiệu khỏi BJT Q3 cực C đưa qua mạch lọc thơng thấp C5 ,C4 , VR2 để loại bỏ sóng ngang, khơi phục lại tín hiệu tin tức ban đầu, tín hiệu sau đưa vào tầng khuếch đại công suất để đưa loa Để loại bỏ biên tín hiệu RF ta phân cực BJT Q3 có VBF/Q3 ~ 0,5V để gặp biến thiên tín hiệu RF Q3 ngưng dẫn Chọn: ICQ3 = 0,5mA SVTH: TRẦN NGỌC TRÂM ANH – LỚP 09CVL Trang 28 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN VĂN ĐƠNG VCE/Q3 = 4V R5 = = R6 = = 10 (K) = = 700 K  chọn R6 = 680K Chọn BJT Q3 28C 535 Mạch khuếch đại công suất âm tần: Ta dùng IC LM386 làm mạch khuếch đại cơng suất âm tần có sơ đồ sau: Hình 3.3: Sơ đồ mạch khuếch đại cơng suất âm tần Với C7= 100 , C8= 220 , C10=47nF, R7=10 Phần ta không thiết kế, lấy phần ứng dụng mà nhà sản xuất cung cấp datasheet Tính toán các tụ:  Tụ C1: chế đọ xoay chiều, tụ ngắn mạch tín hiệu xoay chiều xuống mass không cho hồi tiếp cực B Q1 Chọn C1 cho XC1