Các mạch tạo dao động RC thường dùng ở phạm vi tần số thấp, vì nếu dùng mạch LC kích thước quá lởn, do điện cảm L phải lớn. Trong mạch tạo dao động sin ghép RC, mạch hồi tiếp chứa các phần tử RC.
1. Mạch tạo dao động dùng mạch di pha RC trong mạch hồi tiếp
Hình 4.3
Mạch điện dùng tranzito và IC khuếch đại thuật tốn như ở hình 4.3.
Ở đây phần tử khuếch đại đảo pha 180°, nên mạch hồi tiếp cũng phải cĩ gĩc pha 180°. Hàm truyền đạt và gĩc di pha mỗi khâu RC trên hình 4.2 xác định theo:
R K = r + _ L j.co.C cp = - arctg (Ú.C.R (4.5a) (4.5b)
Theo (4.5a) mỗi khâu RC chỉ tạo ra một gĩc di pha < 90° khi trị sổ R, C phù hợp. Như vậy để đảm bảo về pha mạch hồi tiếp ít nhất phải cĩ ba mẳt RC, mỗi khâu thực hiện di pha 60°. Với trường hợp dùng 3 khâu RC như nhau ở hình 4.2 cần:
Ri//R2//rBE = R. mạch dùng tranzito R|//R2 = R mạch dùng IC.
Từ mạch điện ta cĩ hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp:
-j.(03.R3.C3
p = ^ = _____ -____ __ ___________-____ _
u ra 1 - 6.co2.R2.C2 + j.(5.co.R.C - cù3.R3.C3)
Với K là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại thì:
(4.7) K.p = -j.K .0)3.R.3C3 1 - 6.(0.2 R2 .c2 + j.(5 .co.R.C - 0)3 .R3 .c3) Cho K.p = 1 ta được: © 1 - 6.codd.R.2C2 = 0 Tần số dao động: (0^ = Vĩ.R.C
© Thay codd vào (4.6) tính được p = - —- và 29 5.codd.R.C-co3dd.R3.C3 = -K.coJdd.R-\C\ nên K = -29 (4.8) (4.9) (4.10) (4.11)
Mạch cĩ hệ sơ hồi tiêp B = ——, nên cần mắc điện trở R2, R3 sao cho —- = 29. Với
29 R,
mạch dùng tranzito cần chọn điện trở Rc và hệ sổ khuếch đại của tranzito p sao cho:
K = £ 5 ^ > 2 9 (4.12)
rvt
2. Mạch tạo dao động dùng mạch cầu Viên
Hình 4.4. Mạch dao động cầu Viên
Mạch diện ở hình 4.4. ở mạch này Ưht đưa vào cửa thuận, cịn các phần tử ở cửa dào dể xác định độ khuếch đại của mạch.
Từ mạch điện ta cĩ:
1 j-œ.c, _ R| R + __L_ l + j.co.Cj.R, j.co.C I Z = R + 1 _ 1 + j.cû.R2.C2 2 j-iû.c2 j.co.C2 Hệ số hồi tiếp ß = = ——— Ufa Zl+ Z 2 Thay vào: ß _________________ J.CO.R, .C2________________ 1 - co2.R1.R2.C,.C2 +j.G).(R,CI + R 2.C2 +R ,.C 2) Khi R, = R2 = R , Cj =C2 = c thì : ß = j.co.R.C______ 1-(02.R2.C2 + j3.co.R.C Để mạch dao động được: Kp = Ị = j.K.o.R.C 1-Û)2.R2.C2 +j3.R.C.û) (4.13) (4.14) (4.15) (4.16) (4.17) Hay: l-coỉd.R2.C2 =0 (418) và 3codd.R.C = K.codd.R.C (4.19) nên K = 3 Thay G)dd vào (4.16) được:
p = \ (4.20)
Để mạch tạo dao động được cần chọn các điện trở R3, R4 sao cho — = 2. 1^3
III. MẠCH DAO ĐỘNG BA ĐIẺM
Mạch dao động ba điểm cĩ thể dùng tranzito hay IC dể khuếch đại. Với mạch dùng tranzito mắc phát chung cịn IC khuếch đại thuật tốn cĩ cửa thuận nổi đất.
Khung dao động chứa ba phần tử điện kháng thứ tự là XI, X2, X3. Sơ đồ đối với thành phần xoay chiều như hình 4.5.
* *
Hình 4.5. Sơ đồ mạch dao động ba điểm với thành phần xoay chiều
_ y Từ mạch điện ta cĩ: ß = ----- -—
X , + X2
Để mạch dao động được cần Kß > 1 mà K < 0 nên cần ß < 0 mặt khác tại tần số dao động cĩ:
Xj +x2 + x3 = 0
Kết họp lại ta thấy X], x2 phải khác dấu và x2, x3 phải cùng dấu, tức là: - Neu X| là điện cảm thì x2, x3 là tụ điện, ta cĩ mạch ba điểm điện dung.
- Neu X, là tụ điện thì x2, x3 là điện cảm, ta cĩ mạch ba điểm điện cảm. Mạch điện dùng tranzito như hình 4.6.
Hình 4.6. Mạch tạo dao dộng ba điểm a. Ba điểm điện cảm
Tần số dao động của mạch 4.6a là:
2.jlV C .(L,+ L2) Tần số dao động cùa mạch 4.6b là:
(4.21 a)
(4.2 lb)
IV. MẠCH DAO ĐỘNG GHÉP BIẾN ÁP
Mạch tạo dao động sin ghép biến áp cĩ mạch hồi tiếp ghép qua biến áp ở hình
Trong mạch Rị, R2 là bộ phân áp cấp điện áp một chiều cho cực gốc. R3,C3 là mạch ổn định nhiệt. L i, Cl là khung dao động, L 2 là cuộn ghép lấy điện áp ưht, c2 tụ thốt, c4 là tụ lấy tín hiệu ra. Do tranzito mẩc phát chung, tại tần số dao động cĩ tải là điện trở thuần,nên ura ngược pha uvà0. Như vậy để đảm bảo điều kiện cân bằng pha cần đấu cuộn L ị L 2 cĩ cực cùng tên chéo nhau.
Tần số dao động của mạch do mạch cộng hưởng ở cực gĩp quyết dịnh.
V. MẠCH DAO ĐỘNG BẰNG THẠCH ANH 1. Tính chất và mạch tuơng đưong của thạch anh 1. Tính chất và mạch tuơng đưong của thạch anh
Khi cần mạch tạo dao động cĩ tần số ổn định cao mà dùng các biện pháp thịng thường như ổn định nguồn cung cấp, ổn định tải... vẫn khơng dảm bảo độ ổn định tần 4.7.
+ E(
Hình 4.7. Mạch tạo sin ghép biến áp
số theo yêu cầu thì phải dùng thạch anh để ổn định tần số. Thạch anh cĩ những đặc tính vật lý rất đáng quý như độ bền cơ học cao, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và các tác dụng hố học.
Thạch anh cĩ tính chất áp điện, nghĩa là dưới tác dụng của điện trường thường sinh ra dao động. Do đĩ cĩ thể dùng thạch anh như một khung cộng hưởng. Tính chất dao động của thạch anh được biểu diễn bởi sơ đồ tương đương hình 4-8b. trong đĩ Lq,
cq và rq phụ thuộc vào kích thước khối thạch anh và cách cắt khối thạch anh. Thạch anh cĩ kích thước càng nhỏ thì Lq, Cq và rq càng nhỏ, nghĩa là tần số cộng hưởng riêng của nĩ càng cao. Lq, cq, rq cĩ tính ổn định cao. Cp là điện dung giá đỡ, tính ổn định của Cp kém hơn.
Thường rq rất nhỏ, nên khi tính tốn bỏ qua. Với giả thiết rq = 0 thì trở kháng tương đương của thạch anh xác định theo cơng thức:
a) b)
Hình 4.8. Hình 4.9a.
a. Sơ đồ quy ước của thạch anh Đặc tính điện kháng của thạch anh b. Sơ đồ tương đương về điện của
thạch anh
Từ (4.23) suy ra thạch anh cĩ hai tần số cộng hường: một tần số cộng hưởng nối tiếp fq ứng với Zq= 0 và một tần số cộng hưởng song song / ứng với Zp= 00.
Ta cĩ : Cịn 1 t, = 2rt.1/ ĩ ^ c ; f = — p 2n]ị CD +CQp q _ ^ L .c„.c„ ■ q' I + Sc„l (4.24) (4.25)
Cp càng lớn so với Cq thì fp càng gần với fq. Đặc tính trở kháng của thạch anh theo tần số biểu diễn ở hình 4.9a. Thường sản xuất thạch anh với tần số fq = lKHz đến 100MHz. Các thạch anh tần số thấp hom ít được sản xuất, và loại này kích thước lớn và đắt tiền.
Các tính chất về điện của thạch anh cĩ thể tĩm tắt như sau: + Phẩm chất cao Q =104 -5-1 o5
, L L
+ Tỷ sơ — rât lớn, do đĩ trở kháng tưomg đương của thạch anh R td = — — rât lớn. <Vq
+ c , « C p .
+ Tính tiêu chuẩn của thạch anh rất cao, với khung dao động thạch anh cĩ thể đạt được độ ổn định tần số.
— «10-‘ +10-'°
Đe thay dổi tần số cộng hưởng của thạch anh trong phạm vi hẹp ta mắc nối tiếp với thạch anh một tụ biến đổi c s như trên hình
4.9b. Khi đĩ tần số dao động được xác định theo biểu thức:
Cs q
Á D Y
fq fqT c „+C, (4.26)
Hình 4.9h. Một biện pháp đê
thay đổi tần số cộng hưỏng
2. Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh
Mạch điện bộ tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng song song cho ở hình 4.10. Hình 4.1 Oa là mạch ba điểm điện dung. Nhánh cĩ thạch anh mắc nối tiếp với tụ điện Cs tương đương một điện cảm, nghĩa là tần số dao động cùa mạch phải thỏa măn điều kiện (4.27) và tụ Cs chọn theo điều kiện (4.28).
1
(4.28)
Qx
9
^dd-^s < ^dd-^td
Trong đĩ L,d là điện cảm tương đương của thạch anh. Ngồi ra c s cịn phải thỏa mãn: c s « C „ C 2.
Tần số dao động của mạch xác định gần đúng: fdd » f (4.29)
ở mạch 4. lOb điều kiện pha chỉ thỏa mãn khi thạch anh tương đương một điện cảm tại tần số dao động nghĩa là:
fp>fdd>fq
Lúc đĩ ta cĩ mạch ba điểm điện cảm, khi dĩ:
-f Ec
(4.30)
Hình 4.10. M ạch tạo dao động thạch anh với tần số cộng hưởng song song
Ở hình 4.11 là mạch tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nơi tiếp. Ở đây thạch anh dược mắc trong mạch hồi tiếp và đĩng vai trị như một phần tử ghép cĩ tính chất chọn lọc đổi với tần sổ.
Hình 4.11. Mach tạo dao động sin cĩ thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp
Khi tần số dao động fdd » fq thì trở kháng thạch anh Zq = 0 do đĩ hạ áp trên thạch anh nhỏ làm cho điện áp về cực gốc tăng, mạch cĩ dao động với tần số dao động
f = f1 dd q *
VI. TẠO DAO ĐỘNG HÌNH SIN KIẺU XÁP x ỉ TUYÉN TÍNH
Trong máy tạo sĩng đa chức năng (máy tạo hàm) nĩ đồng thời tạo ra tín hiệu xung vuơng, xung tam giác và tín hiệu sin. Để nhận được tín hiệu hình sin từ xung tam giác, cĩ bộ biến đổi "xung tam giác
Hình 4.12: xấp xỉ dạng hình sin bằng 4n những đoạn thang cĩ gĩc nghiêng thay đổi
- hình sin” dựng phưorng pháp
xấp xỉ tùng đoạn tuyến tính hoặc khơng tuyến tính. Phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính chia hình sin thành 4n phần nhỏ và thay thế mỗi phần bằng một đoạn thẳng cĩ độ nghiêng khác nhau như ở hình 4.12.
Sổ n càng lớn thì độ chính xác càng cao và hệ số méo hình sin nhận được càng nhỏ. Một trong những sơ đồ thực hiện phương pháp này được mơ tả trên hình 4.13. ở đây n = 6. Các điơt Dị -ị-Dio ở trạng thái ban đầu là tắt bàng các mức điện áp cho trước
I ± U|l <....<1 ± Ujl < ủ v Trong đ ĩ ủ v là biên độ xung tam giác ở lối vào.
*
4
/
Hình 4.13. Mạch biến đổi xung tam giác - hình sin bằng phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính
Khi Ưv tăng dần thì lần lượt các điơt thơng và sau đĩ tắt (nhĩm điơt lẻ làm việc ở nửa dương và điơt chẵn làm việc ở nửa âm của điện áp xung tam giác) tạo thành từng đoạn tín hiệu tuyến tính cĩ độ dốc khác nhau. Độ dổc của từng đoạn này được xác định bởi hệ số phân áp tác động lên từng khoảng thời gian tương ứng. Khi điện áp vào Ưv nhỏ, các điốt ngắt vì chúng được phân cực ngược. Lúc này hệ số khuếch đại của mạch K = 1 do đĩ Ur = Ưv. Khi ư v tăng lên sao cho Uv > +Ui thì D] thơng, Ro và R| tạo thành mạch phân áp nên hệ số khuếch đại của tồn mạch giảm, làm cho u r tăng chậm hơn ư v. Khi Uv > +Ư2 thì D3 thơng, R1//R2 cùng Ro tạo thành mạch phân áp cĩ hệ sơ phân áp nhỏ hơn nữa, do đĩ tốc độ tăng của điện áp ra càng giảm...Cuối cùng khi Dọ thơng thì mạch cĩ hệ số phân áp nhỏ nhất tương ứng với điểm cực đại của hàm hình sin. Tiếp theo Ly giảm các điốt lẻ tắt dần làm cho hệ sổ phân áp của mạch lại tăng lên cho đến khi K = 1. Các điốt D2, D4..D10 cũng cỏ tác dụng như vậy khi Ưy < 0. Như vậy qua mạch này từ tín hiệu vào xung tam giác ta nhận được tín hiệu hình sin đầu ra.
BÀI TẬP
1. Định nghĩa mạch tạo dao động ?
2. Yêu cầu của một mạch tạo dao động sin ?
2. Điều kiện dao đơng của một mạch tạo dao động ? 3. Trình bày mạch tạo dao động sin ghép biến áp ? 4. Trình bày mạch tạo dao động sin ba điểm điện dung ? 5. Trình bày mạch tạo dao động sin ba điểm điện cảm ?
6. Trình bày mạch tạo dao động sin ghép ba mắt RC?
7. Trình bày mạch tạo dao động sin cầu Viên ?
8. Cho mạch điện như hình 1. Nguồn E = ±15V.
R3
a. Giải thích nguyên lý làm việc của mạch ?
b. Điều kiện để mạch dao động cho ra điện áp sin ?
c. Cho R| = R2 = R-3 = lkQ. Phẩm chất của mạch cộng hưởng Q = 100. Tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng fCM = 100kHz. Tính giá trị L và c ?
9. Cho mạch điện như hình 2 là mạch dao động sin cĩ mạch hồi tiếp dùng ba mắt RC. Nguồn E = ±15V.
J
\v
a. Vẽ dạng tín hiệu ra theo thời gian ?
b. Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch ?
c. Cho tân sơ dao đơng fdd = 1 kHz, điện trở R = lkQ. Tính giá trị các linh kiện cịn lại ? 10. Cho mạch dao động cầu Viên hình 3 cĩ Rị = lOkQ, R = 15kQ, c = 0.02gF. Nguồn
E = ±15V. Rht a. Vẽ dạng tín hiệu ra b. Xác định tần số dao động của mạch? ^ c. Xác định trị số Rht cần thiết? K Hình 3
11. Cho mạch dao động cầu Viên tạo sĩng sin cĩ tần số điều chỉnh được từ 100Hz đến 1kHz ở hình 4. Biết R| = 22kQ, c = 0,01 juF. Nguồn E = ±15V.
Hình 4
a. Xác định trị số Rht?
b. Xác định khoảng biến đồi cần thiết của điện trở R ?
ầ.- *
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Phạm Minh Hà. 1997. Kỹ thuật mạch điện từ. NXB Khoa học kỹ thuật. 2. Đỗ Xuân Thụ. 1997. Kỹ thuật điện tử. NXB Giáo dục.
3. Lê Phi Yến. 1996. Kỹ thuật mạch điện tử. NXB Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí
Minh. *
, t
4. Phạm Minh Việt, Trân Cơng Nhượng. 2000. Kỹ thuật mạch điện tử phi tuyến. NXB
M Giáo dục. ầ ế •Ấ *