Thiết kế mạch lọc tích cực, thông thấp, thông cao và dải thông. Đồ án Mạch điện tử trường đại học Bách khoa Đà Nẵng. Nguyên lý hoạt động của mạch thông thấp: Khi tín hiệu đầu vào ở tần số thấp, tín hiệu sẽ truyền trực tiếp qua mạch khuếch đại, nhưng nếu tần số đầu vào cao thì tín hiệu được truyền qua tụ C1 và đi xuống đất. Bằng mạch lọc này, biên độ tín hiệu đầu ra được tăng lên nhờ mức tăng băng thông của bộ lọc. Với hệ số khuếch đại trong mạch khi qua opamp.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ BẢN THUYẾT MINH THIẾT KẾ MẠCH LỌC TÍCH CỰC THƠNG THẤP, THƠNG CAO VÀ DẢI THÔNG Người hướng dẫn: TS.LÊ QUỐC HUY Sinh viên thực hiện: Mã số sinh viên: 105180390 Nhóm HP/Lớp: 18N33A/18TDH Ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hoá Đồ án mạch điện tử GVHD Lê Quốc Huy MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG I Giới thiệu: 1.1 Định nghĩa: 1.2 Phân loại: 1.2.1 Theo cấu tạo: 1.2.1.a Mạch lọc thụ động (passive filter): 1.2.1.b Mạch lọc tích cực (active filter): 1.2.2 Theo chức năng: II Ứng dụng mạch lọc tín hiệu: III Nguyên lý hoạt động: 3.1 Mạch lọc thông thấp (Low pass filter): 3.2 Mạch lọc thông cao (High pass filter): 3.3 Mạch lọc dải thông (Band pass filter): 3.4 Mạch lọc dải chặn (Band stop filter): IV Mạch lọc thụ động: 4.1 Mạch lọc thông thấp: 4.2 Mạch lọc thông cao: 4.3 Mạch lọc thông dải: V Mạch lọc tích cực: 5.1 Tham số đặc trưng lọc tích cực: 5.2 Mạch lọc thông thấp: 10 5.2.1 Mạch lọc thông thấp bậc 1: 10 5.2.2 Mạch lọc thông thấp bậc 2: 11 5.3 Mạch lọc thông cao: 11 5.3.1 Mạch lọc thông cao bậc 1: 11 5.3.2 Mạch lọc thông cao bậc 2: 12 5.4 Mạch lọc dải thông: 13 5.4.1 Mạch lọc dải thông Sallen-Key: 13 5.4.2 Mạch lọc dải thông Rauch – MFT: 13 5.4.3 Mạch lọc dải thông kết hợp từ mạch lọc thông thấp thông cao: 14 5.5 Mạch lọc dải chặn: 14 CHƯƠNG 15 Nhóm 5-18N33A Trang Đồ án mạch điện tử GVHD Lê Quốc Huy I Phân tích, lựa chọn phương án mạch nguyên lý 15 1.1 Phân tích, so sánh đặc tính mạch lọc tích cực thụ động 15 1.2.Phân tích loại lọc tích cực 16 1.3 Phân tích, so sánh bậc lọc 17 1.4 Phân tích mạch sallen key multiple feedback: 17 II Thiết kế mô mạch nguyên lý 18 2.1 Mạch lọc thông thấp 18 2.1.1 Mạch nguyên lý 18 2.1.2 Tính tốn chọn giá trị linh kiện 18 2.1.3 Mô 19 2.1.3.a Mô đáp ứng tần số (Frenquency Response) 19 2.1.3.b Mô với máy Oscilloscope 20 2.2 Mạch lọc thông cao 22 2.2.1 Mạch nguyên lý 22 2.2.2 Tính tốn chọn giá trị linh kiện 22 2.2.3 Mô 23 2.2.3.a Mô đáp ứng tần số (Frequency Response) 23 2.2.3.b Mô với máy Oscilloscope 24 2.3 Mạch lọc dải thông 26 2.3.1 Nguyên lý hoạt động 26 2.3.2 Tính tốn chọn giá trị linh kiện 26 2.3.3 Mô 27 2.3.3.a Mô đáp ứng tần số ( Frequency Response ) 27 2.3.3.b Mô với máy oscilloscope 28 CHƯƠNG 32 I Giới thiệu linh kiện mạch 32 1.1 Điện trở (Resistor): 32 1.2.Tụ điện (Capacitor): 33 1.3 Diode: 34 1.4 Opamp ( IC khuếch đại thuật toán): 34 1.5 IC 78xx -79xx (IC ổn áp): 34 II.Tính chọn mô với linh kiện thực tế 35 2.1 Mạch lọc thông thấp 35 2.1.1.Mô thực tế 36 2.1.1.a.Mô đáp ứng tần số (Frequency Response) 36 Nhóm 5-18N33A Trang Đồ án mạch điện tử GVHD Lê Quốc Huy 2.1.1.b.Mô với máy Oscilloscope 36 2.2 Mạch lọc thông cao 38 2.2.1.Mô thực tế 39 2.2.1.a Mô đáp ứng tần số ( Frequency Response ) 39 39 2.2.1.b Mô với máy Oscilloscope 39 2.3 Mạch lọc dải thông 41 2.3.1.Mô thực tế 42 2.3.1.a Mô đáp ứng tần số ( Frequency Response ) 42 2.3.1.b Mô với máy oscilloscope 42 III Chọn loại linh kiện 47 3.1 Tụ điện 47 3.2 Điện trở 47 3.3 Opamp uA741 47 CHƯƠNG 4: MẠCH IN PCB 48 I.Mạch in PCB mạch lọc thông thấp: 48 II.Mạch in PCB mạch lọc thông cao: 48 III.Mạch in PCB mạch lọc dải thông 48 CHƯƠNG 5: MẠCH NGUỒN NUÔI 49 I Tổng quan mạch nguồn nuôi: 49 1.1 Mạch chỉnh lưu 49 1.2.Mạch lọc 49 1.3 Mạch ổn áp 49 II Thiết lập mạch nguồn nuôi 50 2.1 Mạch nguyên lý mạch nguồn nuôi 50 2.2.Thành phần mạch nguồn nuôi 50 2.2.a.Biến áp: 50 2.2.b Mạch chỉnh lưu: 50 2.2.c Mạch lọc: 50 2.2.d.Ổn áp 50 III Tính tốn: 50 MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 Nhóm 5-18N33A Trang Đồ án mạch điện tử GVHD Lê Quốc Huy CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠCH LỌC TÍN HIỆU I Giới thiệu: 1.1 Định nghĩa: - Mạch lọc tần số loại mạch chọn lọc tần số đặc biệt, phận quan trọng kỹ thuật mạch điện tử Một cách định tính, định nghĩa mạch lọc tần số mạch cho dao động có tần số nằm hay số khoảng định qua chặn dao động có tần số nằm khoảng cịn lại 1.2 Phân loại: 1.2.1 Theo cấu tạo: Gồm loại mạch sau đây: 1.2.1.a Mạch lọc thụ động (passive filter): Mạch lọc gồm linh kiện thụ động điện trở R, cuộn cảm L, tụ điện C Thơng thường có loại mạch lọc chính: - Mạch lọc RC - Mạch lọc LC - Mạch lọc RLC *Ưu điểm + Mạch đơn giản, dễ lắp, có độ tin cậy cao, ứng dụng cho việc chọn lọc tần số cao ( cỡ > 100 kHz ) * Nhược điểm + Khi mạch lọc thụ động có điện cảm L dễ gây tượng hỗ cảm có giá trị lớn làm việc lọc tần số thấp, làm cho chi phí đắt, lại cồng kềnh + Mạch lọc thụ động có phẩm chất mạch thấp, làm suy giảm lượng qua mà khơng có khả khuếch đại, khó phối hợp tổng trở lắp vào mạch chức khác Để bổ túc nhược điểm trên, người ta thêm vào phần tử khuếch đại transistor, vi mạch… để khuếch đại tín hiệu, phối hợp tổng trở, điều chỉnh độ suy giảm Mạch RC thường dùng nhiều linh kiện rẻ chiếm diện tích Nhóm 5-18N33A Trang Đồ án mạch điện tử GVHD Lê Quốc Huy 1.2.1.b Mạch lọc tích cực (active filter): Được xây dựng từ phần tử R,C kết hợp với phần tử tích cực (OP-amp) *Ưu điểm + Mạch lọc tích cực làm việc tốt tần số thấp (< 100 kHz) + Độ phẩm chất cao + Hoạt động ổn định + Rất dễ thực + Giá thành thấp *Nhược điểm + Khi tần số tăng lên, làm giảm hệ số khuếch đại gây lệch pha tín hiệu vào ra, làm thay đổi đặc trưng mạch lọc + Nếu biên độ tín hiệu vào lớn khuếch đại thuật tốn gây tượng bão hòa; biên độ q nhỏ lại gây nhiều Tóm lại loại mạch lọc ưu việt dải tần, phạm vi mà thơi Do đó, tùy thuộc vào mục tiêu sử dụng mà lựa chọn cho phù hợp 1.2.2 Theo chức năng: Dựa vào việc mạch lọc chọn lựa dải tần số hoạt động, ta chia làm mạch lọc sau : - Mạch lọc thông thấp (low-pass filter) - Mạch lọc thông cao (high-pass filter) - Mạch lọc thông dải (band-pass filter) - Mạch lọc chắn dải (band-reject filter) Chi tiết mạch lọc đề cập phần sau: Hình 1.1: Đặc tuyến loại mạch lọc tín hiệu (Trích nguồn: What is filter?- http://spiroprojects.com) Nhóm 5-18N33A Trang Đồ án mạch điện tử GVHD Lê Quốc Huy II Ứng dụng mạch lọc tín hiệu: Mạch lọc có nhiều ứng dụng thực tế: - Mạch lọc ứng dụng nguồn ATM để loại bỏ nhiễu cao tần bám theo đường điện AC 220V Trong mạch chọn lọc tần số đài FM, AM Trong lĩnh vực điện tử y sinh, mạch lọc phần thiếu thiết bị thu nhận tín hiệu điện sinh học Được sử dụng cân khuếch đại âm Trong lọc kỹ thuật số, chúng sử dụng để làm mờ hình ảnh, làm mịn tín hiệu liệu III Nguyên lý hoạt động: 3.1 Mạch lọc thông thấp (Low pass filter): Mạch lọc cho phép dao động có tần số nhỏ tần số cắt qua (f fc), tín hiệu có tần số nhỏ bị mạch hấp thụ lượng đầu tín hiệu nhỏ hơn, tần số f nhỏ, tín hiệu bé tiến tới Nhóm 5-18N33A Trang Đồ án mạch điện tử GVHD Lê Quốc Huy K(dB) -10 -20 -30 -40 -50 -60 10 ( MHz) Hình 1.3: Đặc tuyến mạch lọc thơng cao ( Trích: nutsvolts.com ) 3.3 Mạch lọc dải thông (Band pass filter): Mạch lọc thông dải cho qua tần số nằm khoảng từ f1 tới f2 với tín hiệu ngồi khoảng dải thơng đó, tín hiệu bị giảm biên độ tiến dần tần số tín hiệu xa dải thông Độ rộng dải thông tính B = f1 - f2 tần số trung tâm fo = f1 f Có hai loại mạch lọc thông dải chủ yếu: - 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 không đổi, tạo thành đoạn thẳng từ tần số cắt đến tần số - Mạch lọc băng thông hẹp: Vùng dải thông 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 hay dị tinh chỉnh tín hiệu K(dB) -10 -20 -30 -40 -50 -60 10 ( MHz) Hình 1.4: Đặc tuyến mạch lọc dải thơng (Trích: nutsvolts.com) Nhóm 5-18N33A Trang Đồ án mạch điện tử GVHD Lê Quốc Huy 3.4 Mạch lọc dải chặn (Band stop filter): Mạch lọc chặn dải cho qua tần số nằm khoảng nhỏ f1 lớn f2, chặn tất tần số nằm khoảng (f1 - f2) Độ rộng dải chặn tính B = f1 - f2 K(dB) -10 -20 -30 -40 -50 -60 10 ( MHz) Hình 1.5: Đặc tuyến mạch lọc dải chặn (Trích: nutsvolts.com) IV Mạch lọc thụ động: Mạch lọc thụ động gồm linh kiện thụ động R, L, C Như mục giới thiệu, biết có mạch phổ biến xây dựng từ linh kiện mạch lọc RC, LC RLC Sau ta vào phân tích tổng quát 4.1 Mạch lọc thông thấp: Hệ số khuếch đại: K(s) = Vin Tần số cắt: K(s) Vout Hình 1.6 Vout Vin Tần số cắt: Hình 1.7 4.2 Mạch lọc thông cao: Hệ số khuếch đại: K(s) = Tần số cắt: Vin Vout Hình 1.8 Hình 3.1.a.3 Nhóm 5-18N33A Trang Đồ án mạch điện tử K(s) = GVHD Lê Quốc Huy Vout Vin Tần số cắt: Hình 1.9 Hình 3.1.a.3 4.3 Mạch lọc thông dải: Vout Vin K(s) = Tần số trung tâm: Hình 1.10 Hình 3.1.a.3 V Mạch lọc tích cực: 5.1 Tham số đặc trưng lọc tích cực: Mỗi lọc đặc trưng đặc tuyến tần số, đồ thị độ khuếch đại suy hao theo tần số Tại tần số xác định tần số cắt, biên độ đặc tuyến bắt đầu giảm Độ dốc đặc tuyến thể tốc độ suy giảm biên độ quanh tần số cắt Một mạch lọc tích cực đặc trưng tham số: - Tần số cắt ωc tần số hệ số khuếch đại suy giảm lần (hay -3dB) Tại tần số biên độ đáp ứng tần số bắt đầu giảm - Loại lọc: xác định dạng đặc tuyến tần số quanh tần số ωc dải thông Mạch điện loại lọc giống nhau, khác giá trị RC Có loại lọc: Bessel, Butterworth Tschbyscheff - Bậc lọc xác định độ dốc đặc tuyến tần số dải tần Bậc lọc cao độ dốc đặc tuyến tần số lớn tiến gần đến dạng đặc tuyến lý tưởng Bậc lọc số khâu RC lọc Thông thường không cần thiết dùng lọc có bậc lớn Thông thường tạo lọc bậc cao cách ghép liên tiếp lọc bậc bậc - Hàm truyền đạt lọc tổng quát b0 b1 p b2 p bn p n K ( p) a0 a1 p a p a n p n Nhóm 5-18N33A Trang ... 5.4.3 Mạch lọc dải thông kết hợp từ mạch lọc thông thấp thông cao: Có thể dễ dàng thực lọc dải thơng đơn giản cách ghép chung Bộ lọc thông thấp với lọc thông cao hiển thị Vin Vout Hình 1.21: Bộ lọc. .. 5.3.1 Mạch lọc thông cao bậc 1: 11 5.3.2 Mạch lọc thông cao bậc 2: 12 5.4 Mạch lọc dải thông: 13 5.4.1 Mạch lọc dải thông Sallen-Key: 13 5.4.2 Mạch lọc dải. .. đặc trưng lọc tích cực: 5.2 Mạch lọc thông thấp: 10 5.2.1 Mạch lọc thông thấp bậc 1: 10 5.2.2 Mạch lọc thông thấp bậc 2: 11 5.3 Mạch lọc thông cao: