thí nghiệm siêu cao tần PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG - - BÁO CÁO CUỐI KỲ Mơn : Thí nghiệm Siêu cao tần Nhóm sinh viên thực : Nguyễn Quang Sao Nguyễn Hữu Phúc Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thị Hồng Yến Lớp : 18DT1 - Đà Nẵng, 5/2021 - PHÂN BỔ CÔNG VIỆC TRONG NHĨM - Vì nhóm có người nên công viêc chia cho hai người Việc thực hành lớp người phải làm thực hành sau đối chiếu kết với Việc viết báo cáo phân công sau: + Nguyễn Quang Sao : Báo cáo lab1, trả lời câu hỏi tính tốn lab3 + Nguyễn Hữu Phúc : Báo cáo lab2, vẽ bounce diagram giải thích dựa tính tốn Vì mức độ tham gia thành viên nhóm tích cực nên thang điểm mức độ tham gia thành viên nhóm sau: Nguyễn Quang Sao : 100 Nguyễn Hữu Phúc : 100 LAB PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN Sử dùng phần mềm PSPICE để mơ mạch phân tích tín hiệu miền tần số thời gian Sơ đồ mạch sau: Thực mô mạch theo yêu cầu thí nghiệm: Vẽ đồ thị biểu diễn: Khảo sát từ tần số 100MEGHz đến 5GHz.Điện áp nguồn biểu diễn đường màu xanh, điện áp tải biểu diễn đường màu đỏ: ĐỒ THỊ ĐIỆN ÁP TẢI VÀ ĐIỆN ÁP NGUỒN ĐỒ THỊ DÒNG ĐIỆN NGUỒN VÀ DÒNG ĐIỆN TẢI 3.ĐỒ THỊ DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP TRÊN ĐỒ THỊ VỚI TRỤC TUNG Vsource Isource: Vload Iload: Giải thích hình dạng đồ thị: - Vì điện áp vào điện áp xoay chiều, nên tần số thay đổi làm cho cường độ dòng điện điện áp thay đổi theo nên ta thấy đồ thị Vsource Isource có dạng sóng Do ghép tải khơng phù hợp nên có mặt sóng phản xạ làm cho biên độ sóng đường truyền thay đổi Và tần số cao dòng điện điện áp nguồn thay đổi coi khơng đồi - Tương tự ta thấy điện áp dịng điện tải khơng đổi tần số cao nguyên nhân ta có Zc= 1/jωC= 1/j2πfC Khi tăng tần số dung kháng giảm xuống đồng thời kéo theo trở kháng tải giảm dần đến thay đổi hệ số phản xạ Ở tần số cao ZC=0, hệ số phản xạ = nên điện áp tải nguồn gần không đổi mà dòng điện tải nguồn gần khơng đổi.Tải khơng tiêu thụ tồn cơng suất từ nguồn mà phần phàn hồi đường truyền Vì ta thấy Vload giảm dần Iload tăng dần ĐỔ THỊ PHẦN THỰC, PHẦN ẢO, PHA VÀ ĐỘ LỚN CỦA CÁC THÔNG SỐ Xét điện áp nguồn điện áp tải ta có: - Phần thực điện áp nguồn điện áp tải - Phần ảo điện áp nguồn điện áp tải - Pha điện áp nguồn điện áp tải: - Độ lớn điện áp nguồn điện áp tải: Đánh dấu đồ thị - Trên đồ thị đo điện áp nguồn tải, đánh dấu hai điểm đồ thị dùng chức Toggle Cursor PSPICE sau: Vẽ đồ thị Bode: VẼ ĐỒ THỊ BODE CỦA ĐIỆN ÁP NGUỒN VSOURCE VẼ ĐỒ THỊ BODE CỦA ĐIỆN ÁP RA VLOAD Phân tích mạng thụ động: Khảo sát tần số từ 100kHZ đến 100MHz Điện áp nguồn điện áp tải thể qua đồ thị Bode sau: Từ đồ thị bode ta thấy điện áp tải cao điện áp nguồn số điểm có tần số cao có xét tới tác động đường truyền Ở tần số thấp tác động đường truyền không kể nên điện áp tải điện áp nguồn Ở tần số cao ta xét tới tác động đường truyền ( phản xạ tín hiệu trở nguồn) Vậy tín hiệu phản xạ nguyên nhân làm cho điện áp tải cao điện áp nguồn Khảo sát trễ pha: - Thay nguồn VAC nguồn sin VSIN (Chọn giá trị thích hợp cho biên độ tần số, cài đặt Offset 0) Sơ đồ mạch điện: Đồ thị dạng sóng điện áp nguồn tải chu kỳ sóng tần số 1GHz: Ta có f= 1GHZ -> T= 1/f = 1ns Vẽ đồ thị điện áp nguồn tải chu kỳ sóng nên thời gian quét từ đến 5ns Câu hỏi 14: Vẽ cường độ điện áp “Input” Từ đồ thị, xác định VSWR Từ phương trình (2.6) (2.7) tính giá trị VSWR So sánh kết với (Thay tải tải 0.001 Ω) Ta thấy đồ thị Vmax = 1V, Vmin = 0V VSWR = =∞ Ta đối chiếu công thức (2.6) (2.7) ZL−Z 0.001−50 = ZL+ Z = 0.001+50 =-1 ¿ 1+1 VSWR = 1+¿∨ 1−¿∨¿ ¿ ¿= 1−1 =∞ Sau đối chiếu ta thấy đáp án Câu hỏi 15: Vẽ cường độ điện áp “Input” Từ đồ thị, xác định VSWR Tính giá trị VSWR tử phương trình (2.6) (2.7) So sánh kết với nhau.( Thay tải MΩ, giống hở mạch tải) Ta thấy đồ thị Vmax = 1V, Vmin = 0V VSWR = =∞ Ta đối chiếu công thức (2.6) (2.7) ZL−Z M −50 = ZL+ Z = M +50 =1 ¿ 1+1 VSWR = 1+¿∨ 1−¿∨¿ ¿ ¿= 1−1 =∞ Sau đối chiếu ta thấy đáp án LAB QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN 3.1 Tải trở 3.1.1 Hàm bước nhảy, phối hợp trở kháng - Tạo đường truyền 50 Ω với chiều dài (thời gian trễ) 25ns, nguồn Thevenin 10u(t), với trở kháng nguồn RG = 50 Ω, trở kháng tải RL= 50Ω Sơ đồ mạch Câu hỏi 1: Vẽ điện áp điểm đầu cuối đường truyền khoảng thời gian t = 0…50 ns Sử dụng hiểu biết “bounce diagrams”, giải thích đồ thị Đồ thị điện áp hai điểm đầu cuối đường truyền: Ta có hệ số phản xạ nguồn tính sau: Zg−Z g = Zg+ Z =0 Hệ số phản xạ tải: ZL−Z L = ZL+ Z =0  Không có sóng phản xạ nguồn tải: Điện áp đầu ống dẫn sóng là: Vg Z Vg = ZG + Z = 10.50 50+50 = (V) Điện áp tải( đầu ống dẫn sóng) Vg ZL 10.50 VL = ZG + ZL = 50+50 = (V)  Dựa vào tính tốn hình dạng đồ thị ta thấy sóng nguồn sóng tới có biên độ 5V, sóng tới hình thành sau sóng nguồn 25ns ống dẫn sóng có độ trễ 25ns Q trình phản xạ minh họa giản đồ Bounce: ΓL=0, Γs=0: 3.2.2 Hàm bước nhảy, không phối hợp trở kháng Thay trở kháng tải trường hợp thành 20 Ω Câu hỏi 2: Vẽ điện áp điểm đầu cuối đường truyền khoảng thời gian t = 0…100 ns Sử dụng hiểu biết “bounce diagrams”, giải thích đồ thị Sơ đồ mạch: ΓΓΓĐiện áp đầu cuối đường truyền: Ta có hệ số phản xạ nguồn tính sau: Zg−Z g = Zg+ Z = Hệ số phản xạ tải: ZL−Z −3 L = ZL+ Z = Điện áp đầu ống dẫn sóng là: Vg Z 10.50 Vg = ZG + Z = 50+50 = (V) Điện áp tải( đầu ống dẫn sóng) −3 −15 VPX = L Vg = = (V)  Điện áp đồ thị tổng điện áp sóng tới sóng phản xạ: V= Vg + Vpx = 5- 15 ≈ 2,86 (V)  Phù hợp với đồ thị sau mơ Q trình phản xạ minh họa giản đồ Bounce: ΓL=-3/7, Γs=0: 3.2.3 Hàm bước nhảy, không phố hợp trở kháng tải nguồn Thay đổi trở kháng tải trường hợp thành RL = 20 Ω, thay trở kháng nguồn thành Rg = 200 Ω Câu hỏi 3: Vẽ điện áp điểm đầu cuối đường truyền khoảng thời gian t = 0…300 ns Sử dụng hiểu biết “bounce diagrams”, giải thích đồ thị Sơ đồ mạch: Điện áp điểm đầu cuối đường truyền: Ta có điện áp nguồn lúc ban đầu vào đường truyền là: Vg Z Vg = ZG + Z = 10.50 200+50 = (V) Hệ số phản xạ nguồn: Zg−Z g = Zg+ Z = = 0,6 Hệ số phản xạ tải: ZL−Z = L = ZL+ Z −3 -Xét thời gian t=25ns, sóng truyền đến tải, hệ số phản xạ tải: −3 L= nên sóng tới tải bị phản xạ, biên độ sóng phản xạ: ¿ +¿=¿¿ V −¿ = L V l l −6 ≈ (V) - 0,86 (V)  Điện áp tải lúc tổng điện áp sóng tới sóng phản xạ: −¿ ¿ VL = V l +¿¿ −6 + Vl = - = ≈ 1,14 (V) -Xét thời gian t= 50ns, sóng phản xạ đẫ lan truyền ngược trở lại nguồn, mà hệ +¿¿ −¿ ¿ số phản xạ sóng nguồn g = 0,6, có sóng phản xạ V = g.V l Điện áp truyền đường truyền phía nguồn t = 50ns là: −¿ ¿ Vs= V l + V l + V = (1+ L +L.g).V l +¿¿ +¿¿ +¿=¿¿ 0,63 (V) −3 -Xét thời điểm t = 75ns, hệ số phản xạ tải Biên độ sóng phản xạ: V = g.V = g.L.V l −¿ ¿ +¿¿ −¿ ¿ : = 0,22 (V)  Sóng tải t = 75ns là: −¿ ¿ VL2 = VL + V = 1,14 + 0,22 = 0,92 (V) Quá trình phản xạ minh họa giản đồ Bounce: Cứ tiếp tục tính tốn với thời gian bội 25ns, sóng phản xạ qua lại tới khoảng thời gian ngắn đạt giá trị xác lập Dựa vào đồ thị ta thấy khoảng tầm 150 ns giá trị dần xác lập giá trị xác lập là: Vg ZL V = ZG + Z = 10.20 200+20 = 0,909 (V) 3.2.4 Xung ngắn Thay đường truyền thành đường truyền nhau, có tổng chiều dài 25 ns (nghĩa có đường truyền khác nhau, đường truyền có trở kháng đặc tính 50 Ω, đường truyền có thời gian trễ 12.5 ns) Điều cho phép lấy mẫu “bên trong” đường truyền Với đường truyền Rg = 200 Ω, RL=20 Ω, thời gian tồn xung đường truyền 10 ns, tức vg(t) = 10(u(t) – u(t-10ns)) Câu hỏi 4: Vẽ điện áp nguồn, điểm tải đường truyền khoảng thời gian t = 0…100 ns Sử dụng hiểu biết “bounce diagrams”, giải thích đồ thị Mất để xung “ghost” (là xung mà ta thấy điểm đường truyền) đến tải? Độ lớn xung “ghost” bao nhiêu? Sơ đồ mạch : Điện áp nguồn, điểm tải đường truyền: Hệ số phản xạ nguồn: Zg−Z g = Zg+ Z = = 0,6 Hệ số phản xạ tải: ZL−Z −3 L = ZL+ Z = Điện áp sóng tới: V +¿=¿¿ l Vg Z ZG + Z = 10.50 200+50 = (V) Quá trình phản xạ minh họa giản đồ Bounce: t=0ns Vs=V1+ =2V t=T/2 =12.5ns Vm=V1+=2V t=T=25ns VL = V1++L V1+ =(1-3/7).2 =1.143V t=3T/2=37.5ns Vm=V1- = -3/7.2= -0.857V t=2T=50ns Vi=V1- +V2+ =(L+g.L).V1+ = -1.371V t=5T/2=62.5ns Vm =V2+ = -0.514V t=3T= 75ns VL= V2+ + V2=(L.g+L2.g)V1+ = -0.294V t=7T/2=87.5ns Vm= V2- = L2.g.V1+= 0.2204V Mất môt thời gian TD/2 = 12,5 ns để xung “ghost” từ phần trung gian đường truyền đến tải (đó trễ lan truyền đường truyền thứ 2) Độ rộng xung 12,5ns  Kết tính phù hợp với vẽ đồ thị 3.2.5 Xung dài Câu hỏi 5: Sử dụng đường truyền trở kháng nguồn, trở kháng tải nguồn khác, nguồn có vg = +10 V khoảng thời gian t = 0…20 ns, vg = -10 V khoảng thời gian t = 20…40 ns Vẽ điện áp nguồn, điểm tải đường truyền khoảng thời gian t = 0…100 ns Sự chuyển đổi từ “high” xuống “low” tải có rõ ràng không? Sơ đồ mạch: Điện áp nguồn, điểm tải đường truyền là: Tính tốn tương tự xung ngắn Từ đồ thị ta thấy chuyển đổi mức High xuống Low rõ ràng điện áp tải nguồn 3.3 Tải phần tử tích cực Sơ đồ mạch gồ nguồn điện vg(t) = 10u(t), trở kháng nguồn Rg = 25Ω, đường truyền có trở kháng đặc tính 50Ω chiều dài 25ns Câu hỏi 6: Đầu cuối đường truyền có tụ điện 1nF Vẽ điện áp đầu đường truyền khoảng thời gian t = 0…600 ns Nếu thấy trình nạp hay xả, xác định thời τ R Có thể áp dụng công thức sau: Đồ thị điện áp nguồn tải: Vinitial =0V Vfinal=12.132V −50 t=(75-25) =50ns V (t )=8.5 V τ = ln ⁡( 8.5−12.1 ) 0−12.1 =41.24ns τ 41.24 R= C = =41.24 Câu hỏi 7: Lặp lại thí nghiệm trên, với điện cảm tải bẳng 0.25 µH Sơ đồ mạch: Đồ thị điện áp nguồn điện áp tải: 11 Vinitial =13.3V Vfinal=0V V ( t ) =1.5V t=(36−25)=11 ns τ = ln ⁡( 1.5−0 ) =5.06ns 13.3−0 L τ R= = 250 =49.41 5.06 Câu hỏi 8: Lặp lại thí nghiệm trên, tải bao gồm RL = 100 Ω, L = µH C = 100 pF mắc song song với Sơ đồ mạch: Đồ thị điện áp nguồn tải: ... Nguyễn Hữu Phúc : 100 LAB PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG MIỀN TẦN SỐ VÀ THỜI GIAN Sử dùng phần mềm PSPICE để mô mạch phân tích tín hiệu miền tần số thời gian Sơ đồ mạch sau: Thực mơ mạch theo u cầu... thấy điện áp tải cao điện áp nguồn số điểm có tần số cao có xét tới tác động đường truyền Ở tần số thấp tác động đường truyền không kể nên điện áp tải điện áp nguồn Ở tần số cao ta xét tới tác... kháng đặc tính 50 Ω, đường truyền có thời gian trễ 12.5 ns) Điều cho phép lấy mẫu “bên trong? ?? đường truyền Với đường truyền Rg = 200 Ω, RL=20 Ω, thời gian tồn xung đường truyền 10 ns, tức vg(t)