Đồ án thiết kế máy thu radio AM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI: Thiết kế máy thu radio AM Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Minh Vinh, 2009 Đồ án kỹ thuật tương tự GVHD: Nguyễn Thị Minh Mục lục Mở đầu Ch− ¬ng 1: Tỉng quan ®Ị tμ i kh¸i niƯm chung vỊ thu radio 1.1 Kh¸i niƯm 1.2 §iỊu chÕ tÝn hiÖu radio 1.3 Sư dơng tÇn sè trung tần máy thu 1.4 Phân loại máy thu Radio sơ đồ khối máy thu 1.5 ThiÕt kÕ m¸y thu Radio AM Lý thut vỊ m¸y thu radio AM 2.1 M¹ch céng h−ëng tÇn sè 2.2 M¸y biÕn ¸p 2.3 Mạch khuếch đại 10 2.4 M¹ch dao ®éng ba ®iĨm 19 2.5 Mạch trộn tần 20 2.6 Mạch tách sóng 21 Ch− ơng 2: Phân tích, thiết kế v tính toán 24 Sơ đồ khối máy thu radio AM 24 Sơ đồ m¹ch thùc hiƯn 24 Ph©n tÝnh, thiÕt kÕ vμ tÝnh toán chi tiêt kh ối 25 5.1 Khối anten 25 5.2 khối mạch vào 25 5.3 Khối khuếch đại cao tần, khối tự tạo dao động khối trộn tần 26 5.4 Khối khuếch đại trung tần 29 5.5 Khèi t¸ch sãng 30 5.6 Khèi khuÕch đại âm tần 31 KÕt luËn 33 Tμ i liƯu tham kh¶o 34 Đề tài: Thiết kế máy thu radio AM Đình Tuấn Đồ án kỹ thuật tương tự SVTH : Nguyn GVHD: Nguyn Th Minh mở đầu gày nay, khoa häc kü tht trªn thÕ giíi cã nhiỊu tiến bộ, nhiều thành tựu đáng kể Nhất lÜnh vùc kü tht, c«ng nghƯ th«ng tin, kü tht viba, truyền hình số, tổng đài điện thoại vô tuyến, kỹ thuật phát N thanh, đà phát triễn vợt bậc Các thiết bị điện tử ngày đợc tinh gọn, siêu nhỏ nhng tính hiệu làm việc chúng rât cao bền Trong lĩnh vực phát thanh, truyền hình nớc ta, ngày đà có nhiều tiến đáng kể có nhiều nhà khoa học, nhiều chuyên gia, nhiều k ü s− giái vÒ khoa häc kü thuËt cïng tham gia nghiên cứu triển khai ứng dụng Kết có nhiều thiết bị đợc đa vào thay thiết bị, máy móc cũ mang lại hiệu kinh tế cao Tuy vậy, phát truyền hình cần có n hiều lĩnh vực cần tiếp tục nghiên cứu, học hỏi phát triễn thêm ngời l àm kỹ thuật phát truyền hình nói riêng kỹ s điện tử nói chung Trong đồ án kỹ thuật tơng tự nhóm thực xin trình bày vấn đề thu sóng radio AM qua đề tài: Thiết kế máy thu radio AM Trong chừ ng mực thời gian ngắn ngủi lợng kiến thức tích luỹ hạn chế, tài liệu c nhiều, ngời thực khảo sát máy thu radio AM khía cạnh nhậ p môn kỹ thuật phát truyền hình Hi vọng với đề tài nhóm ng ời thực có thêm hiểu biÕt vỊ kü tht thu sãng radio vµ tÝch l thêm k iến thức phục vụ cho trình học tập Tuy có nhiều cố gắng thực thành công đồ án nhng không tránh khỏi hạn chế thiếu sót, có điều kiện nhóm thực nghiên c ứu sâu hoàn thiện Mong nhận đợc góp ý bảo thêm th ầy cô bạn bè để đề tài hoàn thiện tốt Em xin chân thành cảm ơn cô giáo Nguyễn Thị Minh đà bảo tận tình trình thực đề tài này, cảm ơn tất ý kiến đóng góp thầy cô bạn bè Nhóm sinh viên t hực hiện! tài: Thiết kế máy thu radio AM Đình Tuấn Đồ ỏn k thut tng t Chơng I Tổng quan đề tμi kh¸i niƯm chung vỊ thu radio 1.1 Kh¸i niƯm GVHD: Nguyễn Thị Minh SVTH : Nguyễn M¸y thu radio hay gọi máy thu thiết bị hoàn nh dùng để thu nhận sóng radio mang thông tin, phục hồi lại tín hiệu thông tin khuếch đại đến giá trị ban đầu đa loa 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) Phơng pháp điều chế biên độ (điều biên) AM sư dơng mét sãng cã tÇn sè cao (rÊt lớn tần số tín hiệu gọi sóng mang) phối hợp với tín hiệu để tạo dạng sóng có tần số tần số sóng mang, nhng biên độ thay đổi t heo dạng sóng tín hiệu Sóng AM đợc phát không gian Sóng AM radio đợc chia thành dÃi tần: - Sãng trung – MW (medium wave) cã tÇn sè tõ 530 KHz – 160 KHz z z - Sãng ngắn SW1 (short wave) có tần số từ 2.3 MHz – MH - Sãng ng¾n – SW2 (short wave) cã tÇn sè tõ MHz – 22 MH Khi nói đến dải tần băng sóng, tức nói đến tần số sóng man g dải tần 1.2.2 Điều chế tần số FM (Frequency Modulation) Khác với điều biên, điều chế tần số (điều tần) FM làm thay đổi t ần số sóng mang theo biên độ tín hiệu Tần số sóng mang FM lớn tần s ố sóng mang AM Dải tần FM từ 88 MHz 108 MHZ Khi điều chế FM Trong hai cách điều chế, phơng pháp điều chế FM cho tí n hiệu đến nơi thu trung thành hơn, sai lệch điều chế AM, đờng truyền ảnh hởng đến tần số sóng truyền, nhng lại tác động lớn lên bi ên độ Tuy nhiên, sóng FM tần số lớn tần số AM nên không tr uyền đợc xa nh− sãng AM 1.3 Sư dơng tÇn sè trung tÇn m¸y thu Đề tài: Thiết kế máy thu radio AM Đình Tuấn Đồ án kỹ thuật tương tự SVTH : Nguyễn GVHD: Nguyễn Thị Minh Trong phÇn thu radio, tín hiệu lối vào bé, cần phải khuếch đại nhiề u lần Một mạch khuếch đại với hệ số khuếch đại lớn không gây méo su ốt toàn giải tần điều thực đợc Vì ngời ta đa tín hi ệu cần khuếch đại RF (Radio frequency) tần số trung gian cố định, gọi t ần số trung tần IF (Intermediate frequency) Trong AM IF 455 KHz, tr ong FM IF 10.7 MHz 1.4 Phân loại máy thu radio sơ đồ khối máy thu oại Căn vào cấu trúc sơ đồ mà ngời ta chia máy thu thành hai l 1.4.1 Máy thu khuếch đại thẳng Tín hiệu cao tần thu từ Anten đợc khuếch đại thẳng đa đến m ạch tách sóng, mạch khuếch đại âm tần mà không qua mạch đổi tần Đối với d ạng này, cấu trúc sơ đồ máy đơn giản nhng chất lợng thu sóng không c ao, độ chọn lọc kém, không ổn định khả thu không đồng băng sóng Vì loại máy thu gần nh không đợc sử dụng 1.4.2 Máy thu đổi tần ến đổi Tín hiệu cao tần đà điều chế thu từ Anten đợc khuếch đại lên bi tần số trung gian không đổi gọi tần số trung tần IF Trung tần đợc chọn thấp cao tần Tín hiệu trung tần sau qua vài khuếch đại trung tần đợc đa đến mạch tách sóng, mạch khuếch đại âm tần đ a loa Sơ đồ khối máy thu đổi tần có dạng nh sau: KĐ M RF ạc Trộn tần KĐ IF KĐ âm tần Tách sóng h v Dao động nội Hình 1.1 Sơ đồ máy thu đổi tần Máy thu đổi tần có u điểm độ khuếch đại đồng t rên tất băng sóng tần số trung tân tơng đối thấp ổn định tín hiệu vào thay đổi ti: Thiết kế máy thu radio AM Đình Tuấn Đồ án kỹ thuật tương tự SVTH : Nguyễn GVHD: Nguyễn Th Minh - Mạch vào: làm nhiệm vụ chọn lọc tín hiệu cần thu loại trừ tín hiệu không cần thu nh nhiễu khác nhờ có mạch cộng hởng, tần số cộng hởng đợc điều chỉnh tần số cần thu f - Khuếch đại cao tần: nhằm mục đích khuếch đại bớc đầu cho tí n hiêu cao tần thu đợc từ Anten - Bộ đổi tần: gồm mạch dao động nội mạch trộn tần Khi trộn h tần số tín hiệu dao động nội f tín hiệu cần thu f ta đợc tần số trung gia n n hay gọi trung tần IF tần số dao động nội tần số cần thu f = f – f = const tt n Khi tần số tín hiệu từ đài phát thay đổi từ f 0min đến f 0max tần số dao động nội phải thay đổi từ f đến f để bảo đảm hiệu số ch nmin nmax úng luôn số Đối với máy thu điều biên (AM): f = 455 KHz 465 KHz n Đối với máy thu điều tần (FM): f = 10.7 MHz n - Bộ khuếch đại trung tần: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu trung t ần đến giá trị đủ lớn để đa vào mạch tách sóng Đây tần khuếch đại chọn lọc tải tần số cộng hởng có tần số cộng hởng tần số trung tần - Tách sóng: có nhiệm vụ tách tín hiệu âm tần khỏi tín hiệu sóng mang cao tần sau đa qua mách khuếch đại âm tần trớc đa qua loa 1.5 Thiết kế máy thu radio AM Trong phạm vi đề tài ngời thực thiết kế máy thu sóng radio điều chế biên độ AM Máy thu radio AM hoạt động theo nguy ên lý máy thu đổi tần, có sơ đồ khối nh hình 1.1 Để đơn giản, máy thu radi o AM đợc thiết kế để thu đợc sóng trung MW (medium wave) cã tÇn sè t õ 530 KHz – 1600 KHz Máy thu phải hoạt động ổn định, có độ chống nhiễu c ao, chất lợng âm tơng đối TÇn sè céng h ∏ LC −ëng: f = Khi giá trị tụ xoay C thay đổi ta có tần số cộng hởng kh ác Điều đợc ứng dụng để thu đợc nhiều kênh máy thu tha nh 2.2 Máy biến áp 2.2.1 Định nghĩa ký hiệu Biến áp thiết bị để biến đổi điện áp xoay chiều, cấu tạo gồm c uộn cấp (đa điện áp vào) hay nhiều cuộn thứ cấp (lấy điện áp sư dơ ng) cïng qn trªn mét lái tõ thép lõi ferit Để tránh dòng điệ n Fuco chạy mạch làm nóng mạch thép làm lõi đợc dát mỏ ng ghép cách điện với Trong mạch điện biến áp đợc ký hiệu nh sau: ti: Thit k máy thu radio AM SVTH : Nguyễn Đình Tuấn Đồ án kỹ thuật tương tự GVHD: Nguyễn Thị Minh Hình 1.3 Kí hiệu biến áp sơ cấp Trong đó: N : Số vòng dây cuộn sơ cấp U : Điện áp vào cuộn N : Số vòng dây cuộn thứ cấp U : Điện áp cuộn t cấp 2.2.2 Nguyên lý làm việc Khi đặt vào cuộn sơ cấp điện áp xoay chiỊu h×nh sin U , l âi thÐp xt hiƯn mét tõ tr−êng biÕn thiªn theo quy luận điện áp vào Từ trờng b iến thiên làm xuất từ thông biến thiên, từ thông biến thiên cảm ứng sa ng cuộn thứ cấp làm xuất điện áp xoay chiều hình sin Điện áp, số vò ng dây cuộn sơ cấp điện áp, số vòng dây cuộn thứ cấp liên hệ theo công thø c sau: N U = N II U 2.2.3 Công suất Công suất máy biến ¸p phơ thc vµo tiÕt diƯn cđa lâi tõ, vµ phụ thuộc vào tần số dòng điện xoay chiều, biến áp hoạt động tần số cao t hì công suất lớn Công suất vào máy biến áp đợc tính theo công thức sau: P =U I ; P =U I 1 2 Khi hiƯu st cđa m¸y biÕn ¸p cao th×: P I ≈ P suy U I 1 U 2 2.2.4 Phân loại máy biến áp - Biến áp nguồn âm tần = Đề tài: Thiết kế máy thu radio AM SVTH : Nguyễn Đình Tuấn Đồ án kỹ thuật tng t GVHD: Nguyn Th Minh Hình 1.4 Biến áp nguồn Biến áp nguồn thờng gặp Cassete, Âmly, biến áp hoạt động tần số điện lới 50 Hz lõi biến áp sử dụng Tônsilic hình chữ E I ghép lại biến áp có tỷ số vòng / vol lớn Biến áp âm tần sử dụng làm biến áp đảo pha loa mạch khuếch đại công suất âm tần Biến áp sử dụng Tônsilic làm lõi từ nh biến áp nguồn nhng Tônsilic biến áp âm tần mỏng để tránh tổn h ao, biến áp âm tần hoạt động tần số cao có tỷ số vòng / vol thấp Khi thiết kế biến áp âm tần ngời ta thờng lấy giá trị tần số trung bình k hoảng KHz đến KHz - Biến áp xung cao áp Hình 1.5 Biến áp xung cao áp Biến áp xung biến áp hoạt động tần số cao khoảng vài chục KHz nh biến áp c¸c bé nguån xung, biÕn ¸p cao ¸p Lâi biÕn áp xung m ferit hoạt động tần số cao nên biến áp xung cho công suất mạnh, s o với biến áp nguồn thông thờng có trọng lợng biến áp xung cho cô ng suất mạnh gấp hàng chục lần 2.2.5 Tính số vòng dây, diện tính lõi từ, đờng kính dây quấn DiÖn tÝch lâi tõ: S = (0.8 1.3) P  ức: S Đối với tần số thấp 50 Hz diện tích lõi từ đợc tính theo công th = I(A) 3A / mm2 Đề tài: Thiết kế máy thu radio AM SVTH : Nguyễn Đình Tuấn Đồ án kỹ thuật tương tự GVHD: Nguyễn Thị Minh d Đờng kính dây quấn theo tiêu mật độ dòng S A/mm2: = suy S d = Số vòng dây đợc tính theo công thức: số vòn g dây / vol = Nªn suy ra: N5 ; N = U 45 = U S(cm ) 2.3 Mạch khuếch đại S(cm ) S(cm ) 2.3.1 Mạch phân cực khuếch đại tín hiƯu nhá dïng BJT Ta biÕt BJT cã thĨ ho¹t ®éng vïng: - Vïng t¸c ®éng (Vïng khÕch đại hay tuyến tính): lớp tiếp giáp BE ph ân cùc thn, líp BC ph©n cùc thn hn - Vïng bảo hoà: lớp tiếp giáp BE phân cực thuận, lớp BC ph©n cùc t - Vïng ng−ng: líp BE ph©n cực nghịch Tuỳ theo nhiệm vụ mà hoạt động transistor phải đợc đặt vùng Nh vậy, phân cực transistor đa điện chiều vào c ác cực transistor nh để transistor hoạt động vùng mong muốn Dĩ nhiên ta phải thực số biện pháp khác để ổn định hoạt động trans istor nhiệt độ transistor thay đổi a Phân cực cố định (Fixed Bias): Phơng pháp chung để phân giải mạch cực gồm ba bớc: - Bớc 1: Dùng mạch điện ngõ vào để xác định dòng điện ngõ vào (I hc I ) B E - B−íc 2: Suy dòng điện ngõ từ quan hệ I = I , I = I C  B C 〈 E - Bớc 3: Dùng mạch điện ngõ để xác định thông số lại (điện Hình 1.6 Sơ đồ phân cực c ố định chân, chân cửa BJT ) áp dụng vào mạch điện hình 1.6 ta có: ti: Thit kế máy thu radio AM Đình Tuấn SVTH : Nguyễn Đồ án kỹ thuật tương tự Thị Minh GVHD: Nguyn - Mạch ngõ vào: V - R I - V CC B , suy I Si vµ V BE B B V CC BE = BE = − R V Víi V BE = 0.7V BJT B = 0.3V nêu BJT Ge Suy I = C  I B - M¹ch ngâ ra: V = CC R I C C + V hay V CE CE = V CC − R I C C Sự liên hệ I I định xem BJT có hoạt động vù C B ng tuyến tính hay không Để BJT hoạt ®éng vïng tuyÕn tÝnh th× V > V C B = V , nÕu IC dÇn V Suy V = V – R I = V >V = CC − BE C CC C C CE BE 7V 0.7 Hay I C V CC − < R C 0.7 BJT dần vào hoạt động vùng bảo hoà Từ điều kiện tV í i RC liªn hƯ I = cho C I ta tìm đợc trị số tối đa I , từ chọn đợc trị số R B thích hợp Nếu V CE hi I C B B V (thùc V = 0.2V) suy V < V tøc lµ CC CE C B =0k R C = lớp tiếp giáp BC phân cực thuận nên BJT hoạt động vùng bảo hoà L úc dòng I đợc gọi dòng bảo hoà, kí hiệu I C Csat b Phân cực cầu chia điện (Voltage Divider Bias): Mạch có dạng nh hình 1.7 Dùng định lý Thevenin biến đổi thành mạch tơng Trong đó:R R R = R R1 + R BB // R = RR V R1 + R B B = V CC - Mạch ngõ vào: V = R I + V + R I Thay BB BE E E SuyraBB B V R BB + BB − (1 I E thÕ = (1+  )I B V BE + )R E - M¹ch ngâ ra: Đề tài: Thiết kế máy thu radio AM Đình Tuấn SVTH : Nguyễn 1 Đồ án kỹ thuật tương tự GVHD: Nguyễn Thị Minh V = V - R I - R I , v× I E CE )I CC C C E E C ≈ I suy V = V – (R + R E CE CC C C Ngoµi ra: V =V –R I ; C CC V =V –R I ; C C B BB B B V =R I E E E ≈ RI E C V CC Dòng bảo hoà trờng hợp R R C + I = I = C CSat E c Phân cực ổn định cực phát (Emitter Stabilized Bias): Mạch giống mạch phân cực cố định, nhng cực phát mắc t hêm điện trở R xớng mass E - Mạch ngõ vào: V =R I +V +R I CC ICSat = B B BE E E Hình 1.7 Sơ đồ phân cùc b»ng cÇu chia Ta IB thÊy = Ikhi B = thêm RE vào , ta tính ICSat nhỏ đTính ợc =ợc IIICBBtr=. ờng IB hợp Suy rahơn II®CC− =trong  Thay I = (1 +  E V )I , suy B V − BE R (1 )R B + + E CC - M¹ch ngâ ra: V = R I + V + R I , ®ã I CC C C CE E E E I C Hình 1.8 Sơ đồ phân c ực ổn định cực phát Suy V = V – (R + R )I CE CC C E C Trong mạch phân cực cố định, cách cho nối tắt cực thu cực phát ta tìm đợc dòng điện cực thu bảo hoà I Csat V R CC + C R E phân cực cố định, tức BJT dễ bảo hoà d Phân cực với håi tiÕp ®iƯn thÕ (Dc Bias With Voltage Feedback): - Mạch ngõ vào: V = R I + V + R I + R I víi CC C ’C BE I =I +I =I ’C C B V R CC B + − (R ≈ E V C B B I = C  E E I Suy ta tính đợc: B BE + R ) E - M¹ch ngâ ra: V = V – (R + R )I CE CC C E C Hình 1.9 Sơ ®å ph©n cùc víi håi tiÕp ® iƯn thÕ Đề tài: Thiết kế máy thu radio AM SVTH : Nguyễn Đình Tuấn Đồ án kỹ thuật tương tự Th Minh 2.3.2 Tính khuếch đại BJT Xem mạch điện hình 1.10 GVHD: Nguyn Giả sử đa tín hiệu xoay chiều có dạng sin, biên độ nhỏ vào chân B BJT nh hình vẽ Điện chân B thành phần phân cực V B có thành phần xoay chiều tín hiệu v (t) i chång lªn: V (t) = V + v (t) B B i C¸c tơ C , C ë ngâ vào ngõ đợc chọn nh để xem nh nối tắt Hình 1.10 Dung kháng nhỏ tần số tín hiệu Nh tác dụng tụ liên lạc C , C cho thành phần xoay chiều tín hiệu qua ngăn thành phần phân cùc mé t chiÒu - Khi v (t) < V , tức bán kỳ dơng tín B B hiệu V tăng tức dòng I tăng I = I BE B C B nên dòng cực thu I tăng Do điện C cùc thu v (t) = V – R i (t) giảm trị số tĩnh C CC C C V C - Khi v nhỏ V , tức bán kỳ âm tín B B hiệu, dòng I giảm đa đến dòng I giảm B C dòng v (t) tăng C Nh mạch ta thấy v (t) biến thiên C ngợc chiều với v (t) tøc v (t) ng−ỵc pha víi v (t) B i 2.3.3 Mạch khuyếch đại công suất a, Chế độ công tác định điểm làm vi Hình 1.11 giản đồ thời gian tín hiệu ệc vào cho tần khuếch đại công suất Tuỳ thuộc vào chế độ công tác transistor, ngời ta phân biệt: khuếch đại chế độ A, AB, B, C Đồ thị hình 1.12 minh hoạ chế độ khác tần khuếch đại dạng dòng điện colecto ứng với chế độ Hình 1.12 cho thấy miền làm việ c cho phép transistor khuếch đại Với chế độ khác nhau, góc cắt c ũng khác ti: Thiết kế máy thu radio AM SVTH : Nguyễn Đình Tuấn Đồ án kỹ thuật tương tự GVHD: Nguyễn Thị Minh i C Khu vùc P i b¶o hoµ Cmax C A I I CO t C t Hypebol c«ng suÊt A i AB AB C Khu vùc t¾t B t I1 U CE MAX C O t2 t i B t i C C C t t2 t2 UCE Hình 1.12 Đặc tuyến transistor dạng sóng transist or ứng với chế độ công tác khác Chế độ A 2= tín hiệu đợc khuếch đại gần nh tuyến tính, góc = T/ biên độ dòng Vì hiệu suất khuếch đại chế độ A rÊt thÊp (