Đang tải... (xem toàn văn)
Báo cáo mạch phát FM Bài tập lớn môn điện tử tương tự II Thiết kế mạch phát FM thu được bằng đài radio
Mạch phát FM Điện tử 8-K53 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, việc phát triển các thiết bị không dây đã là hướng phát triển mới và đang được chú trọng đầu tư với nhiều thành tựu đạt được không nhỏ. Xu hướng này không chỉ ở các nước phát triển mà ở các nước đang phát triển cũng đã hình thành rất rõ nét. Cùng với sự phát triển của các mạch tích hợp, ưu điểm của các thiết bị này là nhỏ gọn và dễ dàng trong lắp đặt, sử dụng do không phải tính toán việc đi dây, bố trí các thiết bị. Có thể kể ra đây một số ứng dụng tiện ích trong gia đình mà sự thay đổi này đã đem lại sự tiện nghi, thoải mái cho con người như: điện thoại kéo dài ,chuông cửa từ xa, quạt tường có điều khiển từ xa… Mục Lục Mục Lục 1 PHẦN I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐIỀU TẦN 2 1. Điều chế tần số (FM) : 3 1 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 a. Dạng sóng Udt(t) 4 b. Dạng phổ của điều tần. 5 2.Chỉ số điều biến FM: 6 PHẦN II. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 6 2. Sơ đồ khối: 7 3. Chức năng các khối: 7 d. Khối dao động : 8 4. Sơ đồ nguyên lý: 10 5. Nguyên tắc hoạt động 10 PHẦN III. TÍNH TOÁN 11 3. Công suất phát của mạch 12 4. Cự li phát tối đa 13 5. Sơ đồ mạch in: 13 PHẦN IV. Kết quả mô phỏng trên phần mềm workben 14 PHẦN V. Kết luận 15 1. Về các thông số kỹ thuật : 15 2. Về các yêu cầu khác : 15 3. Ưu và nhược điểm của sóng FM: 16 4. Ứng dụng của điều chế FM: 16 NỘI DUNG PHẦN I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐIỀU TẦN Thông tin mà chúng ta truyền đạt (âm thanh ) phần lớn nằm ở khoảng tín hiệu thấp, nếu không thông qua điều chế trước khi phát bằng sóng vô tuyến , sẽ 2 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 gặp phải nhiều vấn đề khó khăn như khoảng cách truyền, tổn hao, nhiễu, giới hạn băng thông, khó khăn phía thu. để khắc phục những vấn đề này , người ta sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để đưa tần số của tín hiệu mang tin lên khoảng tần số cao ,phù hợp với hoàn cảnh và thiết bị . Người ta gọi đó là các kỹ thuật điều chế. Điều chế là quá trình ghi tin tức vào một dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó ( ví dụ: biên độ, tần số, góc pha, độ rộng xung, … ) của dao động cao tần theo tin tức. Trong trường hợp này, tin tức được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần được gọi là tải tin, còn dao động cao tần mang tin tức được gọi là dao động cao tần đã điều chế. Nói chung các phương pháp điều chế rất đa dạng , bao gồm cả điều chế cho tín hiệu tương tự và cho tín hiệu số , trong đó , một trong những phương pháp đơn giản cho tín hiệu tương tự là phương pháp điều tần – frequency modulation (FM). Điều tần là quá trình ghi tín hiệu tin tức ở tần số thấp vào một dao động ở tần số cao làm biến đổi tần số theo tín hiệu tin tức. Trong điều tần, tín hiệu điều tần thay đổi quanh tín hiệu tải tin. Phương pháp này khác với phương pháp thay đổi biên độ của sóng mang hay còn gọi là điều chế biên độ - amplitude modulation (AM) . Trong kỹ thuật truyền thông tương tự , giá trị của tín hiệu mang tin sẽ ảnh hưởng trực tiếp lên tần số của sóng mang . Mục đích của điều chế là chọn một phổ tần thích hợp cho việc truyền thông tin, với các tần số sóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tần trên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyền. Xét tín hiệu tải tin : U t (t) = U mt cos ω t t Nếu ω t thay đổi tương ứng với nguồn thông tin, ta có tín hiệu điều chế tần số (FM). Một kỹ thuật điều chế tương tự là điều chế pha PM (Φ(t) thay đổi). Trong phạm vi bài tập này, ta chỉ xét kỹ thuật điều tần. 1. Điều chế tần số (FM) : Xét 2 tín hiệu: Tin tức U s (t) = U ms cos ω s t Tải tin U t (t) = U mt cos ω t t 3 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 Khi điều chế tần số, tần số của dao động cao tần biến thiên tỉ lệ với tín hiệu điều chế và được xác định ω dt = ω t + K dt .U ms cos ω s t Trong đó : ω t là tần số trung tâm của tín hiệu điều tần. ∆f max = K dt .U ms gọi lượng di tần cực đại a. Dạng sóng U dt (t). ω dt = ω t + K dt .U ms cos ω s t Có ω dt = dφ dt (t)/ dt dφ dt (t) = ∫ ω dt (t).dt = ∫ (ω t + K dt .U ms cos ω s t).dt = ∫ ω t (t).dt + ∆f max ∫ cos ω s t .dt = ω t .t + (∆f max / ω s ). Sin ω s t Biểu thức của điều tần : U dt = U mt cos (ω t .t + (∆f max / ω s ). Sin ω s t) = U mt cos (ω t .t + m f Sin ω s t) Hình 1. Sơ đồ mô tả điều chế FM Với mạch điều chế tần số thì sóng mang có biên độ không đổi, nhưng tần số thay đổi theo biên độ của tín hiệu âm tần, khi biên độ tín hiệu âm tần tăng thì tần số cao tần tăng, khi biên độ âm tần giảm thì tần số cao tần giảm. Như vậy sóng mang FM có tần số tăng giảm theo tín hiệu 4 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 Hình 2: Tín hiệu trước và sau điều tần b. Dạng phổ của điều tần. U dt = U mt cos (ω t .t + m f Sin ω s t) có thể biểu diễn dạng chuỗi mà hệ số là các hàm Bessel loại 1 bậc K. U dt = U mt cos (ωt.t + m f Sin ω s t) =U mt + J 0 (m f ) cos ω t t + U mt ∑J 2k (m f )[sin(ω t + 2kω s )t + sin (ω t - 2k ω s )t] + U mt ∑ J 2k+1 (m f )[cos(ω t + (2k+1)ω s )t - cos (ω t - (2k+1) ω s )t] + Tín hiệu điều tần có vô số thành phần tấn số, trong diều tần dải hẹp ∆f max << ω s do đó m f << 1. Nên các thành phần tần số cao bằng 0, còn 3 thành phần tần số ω t ,ω t +ω s ,ω t - ω s Hình 3: Phổ tín hiệu điều tần 5 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 2.Chỉ số điều biến FM: Giống như các ở phương pháp điều chế khác , đối với FM chỉ số điều chế cũng chỉ ra mức độ thay đổi của tín hiệu đã điều chế so với tín hiệu chưa qua điều chế . Ở trường hợp này ,đó là mức độ biến thiên của tần số sóng mang : ( ) m m m f x t f h f f ∆ ∆ = = Trong đó m f là tần số điều biên cao nhất .Nếu h<<1 , đây là phương pháp điều chế giải hẹp với băng thông xấp xỉ 2f m , nếu h>>1 thì đó là phương pháp điều chế FM băng rộng với băng thông xấp xỉ 2 f ∆ . Mặc dù FM băng rộng chiếm nhiều băng thông hơn nhưng nó cũng có thể nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) một cách đáng kể. PHẦN II. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 1. Chỉ tiêu kỹ thuật Mạch phát tín hiệu trên băng tần FM được thiết kế với mục đích có tính ứng dụng cao nên cần ưu tiên một số đặc điểm sau 1 - Tín hiệu phát đi có chất lượng tốt, tầm phát xa khoảng 20m. 2 - Mạch nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí tới mức tối đa. 3 - Nguồn cung cấp phải đơn giản và nhỏ gọn. Mạch có các thông số kỹ thuật như sau 1 - Nguồn cung cấp 9V 2 - Tần số phát nằm trong dải FM từ 64 – 108 Mhz. 3 - Tầm phát xa 20m. 6 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 2. Sơ đồ khối: 3. Chức năng các khối: a. Mạch vào: bao gồm khối nguồn và micro-audio: Khối nguồn Micro 7 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 Khối nguồn: chế tạo từ nguồn tuyến tính đầu ra cỡ 9-10v Micro: gồm dây adio đưa tín hiệu âm thanh từ máy tính hoặc thiết bị âm thanh (máy tính,Đài… )vào mạch điều biên Fm b. Mạch lọc: Mạch lọc ở đây chỉ đơn giản là tụ C 1 , ngăn 1 chiều từ mic vào Q 1 .Vì trở kháng vào của Transistor nhỏ lên để tín hiệu âm tần ít bị sụp áp trên C1 thì dung kháng của chúng phải nhỏ hơn nhiều so với trở kháng vào của transistor,do đó C1 thường chọn 3-10uF. Trong mạch sử dụng tụ C1 là 10uF. c. Khối khuếch đại âm tần: Gồm Q 1 , R 2, R 3, R 4 , R 5 // C 3 . Q 1 được mắc theo kiểu EC, R 2 , R 3 làm nhiệm vụ phân áp cho cực Base. Tạo điểm làm việc tĩnh cho Q1.Chức năng của khối làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ mic đưa qua tụ C2 để đưa ra tầng sau: Khối khuếch đại âm tần d. Khối dao động : Khung dao động L 1 C 5 tạo ra tần số dao động riêng chính là tần số sóng mang .Khi tín hiệu vào thay đổi, tần số riêng của mạch cộng hưởng này thay đổi trong một dải tần theo sự biến thiên của tín hiệu. Giá trị trung tâm của dải này chính là tần số phát của mạch. Cuộn cảm L 1 dùng chặn cao tần ( chặn xoay chiều). R 7 ,R 8 làm nhiệm vụ phân áp tạo điểm làm việc cho Q2 8 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 e. Anten: Làm nhiệm vụ phát tín hiệu có tác dụng tăng khả năng bức xạ sóng điện từ ra môi trường xung quanh. Cơ cấu và tính chất của antena là một trong những yếu tố quan trọng quyết định cự ly phát của mạch. Ở đây em dùng ăngten là sợi dây dẫn nhiều sợi dài khoảng 30cm Tụ C 5 =5pf f.cuộn cảm công thức tính cuộn cảm cho hình trụ tròn dài L = từ dung đo bằng Henry (H) μ 0 = độ từ thẩm của chân không = 4π × 10 -7 H/m K = hệ số Nagaoka (phụ thuộc độ co giãn cuộn dây cỡ =1) N = số vòng A = thiết diện cuộn dây đo bằng mét vuông(m 2 ) l = chiều dài cuộn dây (m) 9 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 ở đây em cuốn cuộn cảm cỡ dây 0.4mm,cuốn 20 vòng lõi không khí 4. Sơ đồ nguyên lý: 5. Nguyên tắc hoạt động Tín hiệu được đưa vào mạch thông qua một rắc micro. Điện trở R1 nối tiếp với micro vào nguồn để phân cực cho tín hiệu vào. Âm thanh thay đổi khi qua dây này sẽ được chuyển thành tín hiệu điện đưa qua tụ C1 vào cực B (bazơ) của transistor Q1 mắc Emiter chung (EC). Điện trở R2 và R3 phối hợp tạo điểm làm việc tĩnh Q cho transistor Q1. Ở chế độ xoay chiều, transistor làm việc xung quanh điểm làm việc tĩnh Q này. Tín hiệu sau đó được khuếch đại và đưa vào cực Bazơ của transistor Q2 thông qua tụ C2( nhiệm vụ ngăn 1 chiều và cho xoay chiều đi qua). Transistor Q2 được mắc Emiter chung (EC), hồi tiếp C-E bằng tụ C6. Khi tín hiệu đưa ra từ chân C của transistor Q1 biến thiên xoay quanh một trị số tĩnh (do điểm làm việc tĩnh Q của Q1 quyết định) từ đó tần số riêng của mạch dao động biến đổi tạo nên sự điều biến tần số (FM – Frequence Modulation) cho mạch này. Anten nối với cực Colector của transistor Q2 giúp tăng khả năng phát xạ của mạch. 10 [...]... thường trong khoảng 0.1mW Vậy khoảng cách lớn nhất mà mạch phát được là Coi anten là lí tưởng thì khoảng cách phát thực tế của mạch là d ≤ 24,6m 5 Sơ đồ mạch in: Do việc đặt mạch in còn khá đắt với mạch cỡ nhỏ nên bọn em đã làm mạch in bằng phương pháp thủ công 13 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 PHẦN IV Kết quả mô phỏng trên phần mềm workben Do tính chất mạch tương tự nên nhiều phần mềm không hỗ trợ mô phỏng... dụng và có thể mô phỏng được các mạch tương tự tương đối tốt -Trong bài báo cáo này em xin phép không trình bày cách sử dụng phần mềm này Dưới đây là kết quả mô phỏng cho mạch trên 14 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 PHẦN V Kết luận 1 Về các thông số kỹ thuật : Mạch phát FM được thiết kế có các thông số: tần số phát trong khoảng 64108MHz, nguồn cung cấp sử dụng là 9V, tầm phát xa gần 20m hoàn toàn đảm bảo... = 9-Ve = 7V Công suất phát của mạch là : Pt= Uce Ic = 7 8,67mA=60,7mW 4 Cự li phát tối đa Cự li phát của mạch là khoảng cách lớn nhất tính từ mạch mà tại đó tín hiệu thu được có chất lượng như khi phát đi Cự li phát được tính bằng căn bậc hai của tỉ số công suất phát P t với công suất máy thu Pr Đặc trưng của sóng radio là truyền và nhận trong một dải, công suất thu của máy thu FM thường trong khoảng... sóng FM ít bị can nhiễu hơn so với sóng AM Nhược điểm của sóng FM là cự ly truyền sóng ngắn, chỉ truyền được cự ly từ vài chục đến vài trăm Km , do đó sóng FM thường được sử dụng làm sóng phát thanh trên các địa phương 4 Ứng dụng của điều chế FM: Kỹ thuật điều chế FM được sử dụng phổ biến trong khoảng tần sô vô tuyến VHF dành cho truyền phát âm nhạc và giọng nói độ trung thực cao Hệ quả là FM gần... trở thành một loại chuẩn điều chế truyền phát tương tự ở tần số cao và độ trung thực cao – FM radio Điều chế FM sử dụng trong truyền phát tín hiệu thông thường được gọi là điều chế FM giải rộng (W -FM) Trong chuyền phát Radio 2 chiều m FM giải hẹp (N -FM) được sử dụng để tiết kiệm băng thông Nhóm hiện Tài liệu tham khảo: 1, Kỹ thuật mạch điện tử- Phạm Minh Hà 2, Nguồn internet:... đến 20% Linh kiện sử dụng phổ biến, quy trình lắp mạch đơn giản và hiệu chỉnh dễ dàng Như vậy, các yêu cầu này 15 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 đảm bảo cho việc đưa vào thiết bị tai nghe không dây mà không làm thay đổi nhiều kích thước cũng như khối lượng của tai nghe, có tính khả thi cao khi áp dụng trong thực tế 3 Ưu và nhược điểm của sóng FM: Sóng FM có nhiều ưu điểm về mặt tần số, dải tần âm thanh.. .Mạch phát FM Điện tử 8-K53 PHẦN III TÍNH TOÁN 1 Khối khuếch đại âm tần Q1 là transistor loại bình thường (2N2222A), R2 và R3 là các điện trở định thiên để xác định điểm làm việc cho transistor được chọn trong mạch với giá trị 15KΩ, 6,8KΩ R4 là điện trở tải, trị số thường dùng trong khoảng 1KΩ đến 10KΩ, trong mạch ta chọn 10KΩ.Nếu điện trở tải quá nhỏ, hệ... số : lõi không khí, bán kính lõi r = 4mm chiều dài l=20cm số vòng dây N=20 dây đồng đường kính d=0.4mm C6=33pF Chọn các giá trị R7= 4,7KΩ, R8=2,2KΩ, R9=220Ω 3 Công suất phát của mạch Công suất của Transistor: P=Uce.Ic 12 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 Uce = Vc – Ve = 9 - Ve Ub = R8Vc/R7+R8 = 2,2K.9 / 2,2K+4,7K = 2,86V Rb = R7R8/R7+R8 = 1,5K Ub = Ib Rb + Ube + Ie R9 = Ib (Rb+ (1+β) R9) + Ube Vậy Ib= Ub-Ube/... Chất lượng tín hiệu thu được sử dụng đài thu FM thông thường cho tín hiệu tốt, không có tiếng ồn trong phạm vi phát cho phép của thiết bị 2 Về các yêu cầu khác : Mạch được thiết kế có kích thước 4cm x 7cm, hàn gọn và chi phí thành phẩm thấp, sử dụng linh kiện truyền thống Trên thực tế, nếu sử dụng các linh kiện dán kích thước nhỏ, ta có thể thu hẹp kích thước mạch xuống mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật... 11 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 transistor,tụ thoát thành phần xoay chiều xuống mát Chọn R5 4,7kΩ, C6 47nF (2A473) 2 Khối dao động (khối tạo sóng) Khung dao động tạo ra tần số dao động riêng chính là tần số sóng mang , ban đầu khi chưa đưa tín hiệu vào, tần số trung tâm Tín hiệu sau khi qua transistor Q1 biến thiên xoay quanh 1 giá trị cố định, làm thay đổi cảm kháng Ltđ làm cho tần số dao động của mạch . Mhz. 3 - Tầm phát xa 20m. 6 Mạch phát FM Điện tử 8-K53 2. Sơ đồ khối: 3. Chức năng các khối: a. Mạch vào: bao gồm khối nguồn và micro-audio: Khối nguồn Micro 7 Mạch phát FM Điện tử. nhất mà mạch phát được là Coi anten là lí tưởng thì khoảng cách phát thực tế của mạch là d ≤ 24,6m 5. Sơ đồ mạch in: Do việc đặt mạch in còn khá đắt với mạch cỡ nhỏ nên bọn em đã làm mạch in. suất phát của mạch là : P t = U ce . I c = 7. 8,67mA=60,7mW 4. Cự li phát tối đa. Cự li phát của mạch là khoảng cách lớn nhất tính từ mạch mà tại đó tín hiệu thu được có chất lượng như khi phát