Bài 4 Sơ đồ dao động tín hiệu dạng sin Mục đích: Để nắm vững nguyên lý hoạt động của các sơ đồ tạo dao động hình sin tần số cao, tần số thấp và mạch tạo dao động có độ ổn định tần số cao dùng thạch anh. phần lý thuyết Các mạch dao động điều hoà thờng đợc dùng trong các hệ thống thông tin, trong các máy đo, máy kiểm tra v.v. Các mạch tạo dao động có thể làm việc trong dải tần từ vài Hz đến vài nghìn MHz. Để tạo dao động có thể dùng các phần tử tích cực nh: đèn điện tử, transistor lỡng cực, FET và khuếch đại thuật toán v.v. Có thể tạo dao động điều hoà theo hai nguyên tắc cơ bản sau đây: - Tạo dao động bằng hồi tiếp dơng. - Tạo dao động bằng phơng pháp tổng hợp mạch. Trong bài thực nghiệm này chỉ nghiên cứu các mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp dơng. 1. Điều kiện dao động của mạch tạo dao động Mạch tạo dao động là mạch khuếch đại có hồi tiếp dơng. Hệ số khuếch đại và hệ số phản hồi nói chung là một đại lợng phức. Hệ số khuếch đại: K j eKK .= & K là modun của hệ số khuếch đại (độ lớn của hệ số khuếch đại). K là góc lệch pha giữa tín hiệu ở lối ra và tín hiệu lối vào của bộ khuếch đại. Hệ số hồi tiếp: j e.= & là môđun của hệ số hồi tiếp (độ lớn của hệ số hồi tiếp). là góc lệch pha giữa tín hiệu ở lối ra và tín hiệu lối vào của bộ hồi tiếp. Nếu tín hiệu hồi tiếp đa về lối vào của bộ khuếch đại bằng và đồng pha với tín hiệu lối vào thì có thể không cần đa tín hiệu tới lối vào của bộ khuếch đại vẫn có tín hiệu ở lối ra. 73 Đó chính là điều kiện dao động của mạch tạo dao động: 1 )( == + K j eKK & & Từ biểu thức trên có thể tách thành 2 biểu thức: - Biểu thức tính theo môđun: 1. = K : gọi là điều kiện cân bằng biên độ. Nó cho thấy mạch chỉ có thể tạo dao động khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có thể bù đợc sự tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra. - Biểu thức viết theo pha: n K 2=+= với n = 0, 1, 2 gọi là điều kiện cân bằng pha. Tổng dịch pha của bộ khuếch đại và mạch hồi tiếp gây ra sao cho tín hiệu hồi tiếp đồng pha với tín hiệu vào, gọi là hồi tiếp dơng. 2. Mạch điện các bộ tạo dao động LC 2.1. Mạch tạo dao động ghép biến áp Mạch tạo dao động ghép biến áp khung cộng hởng nối với collector đợc biểu diễn trên hình 4.1. T L1 R1 C C E R E o +E C L * * R2 C1 a): Dùng transistor lỡng cực * G D S o + U DD Z t I L M ht U o C R C R s o * b): Dùng transistor trờng Hình 4.1: Mạch tạo dao động ghép biến áp. Trớc hết ta xét điều kiện cân bằng pha của mạch. Giả sử điện áp tín hiệu đặt vào base tại thời điểm nào đó là , điện áp trên collector đợc xác định nh sau: B U C U BCC UZSU &&& = 74 Điện áp này tạo trên cuộn cảm collector dòng điện : L I & Lj USZ Lj U I BCC L && & == Dòng L I cảm ứng sang cuộn thứ cấp điện áp hồi tiếp: & MjIUU LBht &&& = , BCBCht USZ L M USZ Lj Mj U &&& = Trong đó M là hệ số hỗ cảm. Để thoả mãn điều kiện cân bằng pha phải đồng pha với điện áp ban đầu . Mà trong biểu thức các thì S, Z ht U & B U & ht U & C , L đều là dơng, (S là độ hỗ dẫn hay độ dốc đặc trng truyền của transistor, Z C là trở kháng collector, L là hệ số điện cảm của cuộn sơ cấp), vậy M phải âm để và đồng pha. ht U & B U & Tóm lại điều kiện cân bằng pha thoả mãn khi M < 0. Dấu (*) trong cuộn biến áp chứng tỏ điện áp hồi tiếp về ngợc pha với điện áp collector. Xét điều kiện cân bằng biên độ: C ZSK .= Trong đó: tetdc Zh n RZ 111 11 2 ++= e e h h S 11 21 = ở đây là hệ số trong hệ phơng trình hỗn hợp. ij h 0 11 = = CE b be e U i U h 0 12 = = b ce be e i U U h 0 21 = = CE c b e U i i h 0 22 = = b ce c e i U i h Hệ số hồi tiếp: 75 n L M U U C B === & & n là hệ số biến áp chính là tỉ số vòng của thứ cấp và sơ cấp. Điều kiện dao động của mạch tạo dao động là : 1 K & Do đó có thể suy ra: 0. 11 21 2 Z h hnn e e (*) Trong đó Z = R tđ // Z t . Nếu cho vế trái của phơng trình (*) bằng không, ta có: Z hhh n eee 11 2 2221 2,1 22 = Nh vậy ứng với mỗi tải, có thể xác định hệ số hồi tiếp từ đó suy ra hệ số biến áp để mạch dao động đợc. 2.2. Các loại mạch dao động ba điểm Các mạch tạo dao động LC kiểu ba điểm có thể đa về một kết cấu chung nh hình 4.2. o U ra E B U d C Z 1 Z 3 Z 2 - + A 1 Hình 4.2: Sơ đồ tổng quát mạch tạo dao động ba điểm. Trong đó A 1 là một bộ khuếch đại bất kỳ dùng transistor lỡng cực, transistor trờng, khuếch đại thuật toán. Trong đó U d là điện áp vào. Các ký hiệu C - tơng ứng với collector B - tơng ứng với base E - tơng ứng với emitter của transistor. Z 1 , Z 2 , Z 3 là các trở kháng. Ngời ta đã chứng minh đợc rằng có 2 loại mạch tạo dao động ba điểm. 76 - Mạch ba điểm điện cảm. Khi Z 1 , Z 2 là điện cảm Z 3 là điện dung. - Mạch ba điểm điện dung. Khi Z 1 , Z 2 là điện dung Z 3 là điện cảm. 2.2.1 Mạch dao động ba điểm điện cảm (Hartley). Sơ đồ đợc trình bày trên hình 4.3 thoả mãn điều kiện cân bằng pha. o R C C 2 B C E L 1 C L 2 U td +E C R E C 1 R 1 R 2 C E Hình 4.3: Mạch tạo dao động 3 điểm điện cảm. Vì Z 1 = X 1 = L 1 : Điện cảm Z 2 = X 2 = L 2 : Điện cảm C ZZ 1 43 == : Điện dung Do đó ta chỉ quan tâm đến điều kiện biên độ. ở đây hệ số hồi tiếp: n L L U U C B === 1 2 n là hệ số biến áp. Hệ số khuếch đại: == 2 11 2 11 21 // n h RP h h SZK e td e e C Trong đó P là hệ số ghép giữa transistor và mạch. Thay các giá trị trên vào biểu thức cân bằng biên độ 1 K ta đợc: 0)1( 21 2 11 2 ++ etdtde hnRRnhn Giải ta đợc 2 nghiệm: 77 td eee R hhh n 11 2 2121 2,1 22 = Ta xét dấu sẽ đợc: 12 nnn Trong mạch có dao động hình sin với tần số dao động: CLL ff chdd )(2 1 21 + = ở đây là tần số cộng hởng của mạch L ch f 1 , L 2 , C. 2.2.2. Mạch dao động 3 điểm điện dung (colpits) Sơ đồ đợc trình bày trên hình 4.4 là mạch tạo dao động 3 điểm điện dung. o + E C U tđ B C E C 1 L C E C 2 C t R E R 1 R 2 Hình 4.4: Mạch tạo dao động 3 điểm điện dung. Giả thiết R 1 // R 2 >> h 11e . Xét điều kiện cân bằng pha: Ta có: 2 1 1 C XX BE == : Điện dung. 1 2 1 C XX CE == : Điện dung. LXX CB == 3 : Điện cảm. Do đó mạch thoả mãn điều kiện cân bằng pha. Xét điều kiện cân bằng biên độ: 78 Ta có: Hệ số hồi tiếp: n C C U U CE BE === 2 1 Tơng tự nh phần máy phát 3 điểm điện cảm ta có: 2 11 2 21 )1( nhRn hR nK etd etd ++ = Tơng tự ta đợc: td eee R hhh n 11 2 2121 2,1 22 = và suy ra: mạch có dao động hình sin với tần số gần bằng tần số riêng của mạch cộng hởng song song gồm C 12 nnn 1 , C 2 , L: 21 21 2 1 CC CC L ff chdd + = 2.2.3. Mạch tạo dao động dùng thạch anh Khi yêu cầu mạch tạo dao động có tần số ổn định cao, ngời ta thờng dùng mạch tạo dao động dùng thạch anh. Hình 4.5 trình bày ký hiệu quy ớc và sơ đồ tơng đơng của thạch anh. A o o B (a) Ký hiệu quy ớc C P L q o A o B C q r q (b) Sơ đồ tơng đơng của thạch anh Hình 4.5 Vì điện trở tiêu hao r q nhỏ nên trong tính toán có thể bỏ qua. Trở kháng tơng đơng của thạch anh đợc xác định nh sau: 79 p q q pq q qq Cj Lj Cj CjCj Lj XZ 11 11 ++ + == )( 1 2 2 pqqqp qq qq CCLCC CL jXZ + == Từ công thức trên ta có thể suy ra thạch anh có 2 tần số cộng hởng: tần số cộng hởng nối tiếp ứng với q f 0 = q Z và tần số cộng hởng song song ứng với . p f = q Z Do đó suy ra: qq q CL f 2 1 = p q q tdq pqq qp p C C f CL CCL CC f +== + = 1 2 1 2 1 Trong đó pq pq td CC CC C + = Các tính chất về điện của thạch anh có thể tóm tắt nh sau: Phẩm chất cao : Q = 10 4 ữ 10 5 . Tỉ số qq CL rất lớn do đó trở kháng tơng đơng của thạch anh qq q td rC L R = rất lớn. C q << C p . Mạch dao động dùng thạch anh có thể đạt độ không ổn định tần số tơng đối : 106 1010 ữ o f f . a) Mạch điện của bộ tạo dao động dùng thạch anh có tần số cộng hởng song song. Hình 4.6 là mạch tạo dao động dùng thạch anh có tần số cộng hởng song song. 80 Đây chính là sơ đồ 3 điểm điện dung. Nhánh có thạch anh nối tiếp với tụ C S tơng đơng nh một điện cảm. Tần số dao động của mạch: pdq fff << tdd Sd L C < 1 +E C o C E R B C 1 C 2 C S q R E R C Hình 4.6: Mạch tạo dao động dùng thạch anh. Trong đó L tđ là điện cảm tơng đơng của thạch anh. Để giảm ảnh hởng của điện dung ra và điện dung vào đến tần số dao động của mạch, ngời ta chọn: C S << C 1 , C 2 Tần số dao động của mạch: . pd ff b) Mạch tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hởng nối tiếp. Sơ đồ đợc trình bày trên hình 4.7. T R 1 R E * C S o +E C R 2 * Hình 4.7: Mạch tạo dao động dùng thạch anh với tần số cộng hởng nối tiếp 81 Sơ đồ trên thạch anh đợc nối trong mạch hồi tiếp đóng vai trò nh một phần tử ghép có tính chất chọn lọc tần số. Khi tần số dao động f dđ f q thì trở kháng thạch anh Z q = 0 do đó sụt áp trên thạch anh nhỏ làm cho điện áp hồi tiếp về base tăng và mạch có dao động với tần số dao động f dđ f q . Góc di pha trong mạch hồi tiếp là 180 o do cách lấy điện áp hồi tiếp nh hình vẽ nên điều kiện cân bằng pha đợc thoả mãn. 3. Mạch điện các bộ tạo dao động RC 3.1. Đặc điểm chung của các bộ tạo dao động RC. - Các bộ tạo dao động RC thờng đợc dùng ở phạm vị tần số thấp thay cho các bộ tạo dao động LC, vì kích thớc của bộ tạo dao động LC ở tần số thấp quá lớn, vì sẽ làm mạch cồng kềnh và gây ra tiêu hao lớn, làm độ phẩm chất C L r Q 1 = nhỏ, độ ổn định tần số rất thấp. - Với cùng điện dung biến đổi, có thể điều chỉnh tần số dao động của bộ tạo dao động RC trong phạm vi rộng hơn bộ dao động LC vì bộ tạo dao động RC tần số tỉ lệ với C 1 . Còn bộ dao động LC tỉ lệ với C 1 . - Mạch hồi tiếp của bộ tạo dao động RC chỉ bao gồm các phàn tử RC, nghĩa là không có tính chất cộng hởng tại một tần số cơ bản nh trong các bộ tạo dao động LC, vì vậy để giảm méo phi tuyến, yêu cầu bộ khuếch đại làm việc ở chế độ A. 3.2. Mạch tạo dao động dùng mạch di pha trong mạch hồi tiếp. Nếu dùng một tầng khuếch đại trong mạch tạo dao động RC, vì đối với một tầng khuếch đại, độ lệch pha của tín hiệu lối ra và lối vào của tầng khuếch đại là 180 o , nên mạch hồi tiếp cũng phải có độ di pha là 180 o . Đối với một mắt RC lối ra trên R nh hình 4.8. Hệ số truyền K Cj R R K 1 + = và góc lệch pha: RC arctg 1 = U ra C R oo oo U vào Hình 4.8: Mạch RC lối ra trên R 82 [...]... nghiệm AE - 104N cho bài thực tập về bộ chuyển mạch tơng tự (Gắn lên khối đế nguồn) 3 Dao động ký 2 chùm tia 4 Dây nối cắm 2 đầu B Cấp nguồn và nối dây Panel thí nghiệm AE - 104N chứa 5 mảng sơ đồ A 4- 1 A 4- 5 , với các chốt cắm nguồn riêng Khi sử dụng mảng nào thì cắm dây nguồn cho mảng đó Đất (GND) của các mảng sơ đồ đất đợc nối sẵn với nhau Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối AE -1 04N 1 Bộ nguồn... nghiệm ở trên 90 4 sơ đồ dao động aRmstrong Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc làm việc và đặc trng của bộ dao động có phản hồi dơng qua biến thế kiểu Armstrong Các bớc thực hiện: 4. 1 Cấp nguồn +12V cho mảng sơ đồ A 4- 4 4. 2 Nối E-F để phân cực base cho transistor T1 Kiểm tra chế độ một chiều cho transistor T1 Đo độ sụt thế trên biến trở P1, tính dòng qua T1 Chỉnh biến trở P1 để dòng qua T1 ~ 3 ữ4mA cho transistor... điện thế đặt 3 Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của thiết bị chính tới cấp trực tiếp cho mảng sơ đồ cần khảo sát (Chú ý: Phân cực của nguồn và đồng hồ đo) C Các bài thực tập 1 sơ đồ dao động dịch pha zero Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc làm việc và đặc trng của bộ dao động trên cơ sở bộ khuếch đại không đảo có phản hồi dơng kiểu dịch pha zero từ lối ra tới lối vào Các bớc thực hiện: 1.1 Cấp... xung sin không méo dạng Đặt P2 ở 3 vị trí: Cực tiểu - giữa và cực đại Đo chu kỳ xung ra tơng ứng trên dao động ký, tính tần số dao động F ( Hz ) = 1 T (giây) Ghi kết quả vào bảng A 4- 1 So sánh kết quả đo với kết quả tính toán Lặp lại thí nghiệm khi nối J2 1.7 Nêu hai đặc điểm cụ thể về khuếch đại và phản hồi để sơ đồ làm việc ở chế độ phát xung 87 Bảng A 4- 1 f (tính toán) Nối J1 P2 min Nối J1 P2 giữa Nối... L1 C = (C 2.C3 C 2 + C3 ) hoặc C = (C 2 + C 4 ).C3 (C 2 + C 4 + C3 ) , tuỳ theo việc nối hay không nối J1 Liên kết phản hồi thực hiện bằng tụ C2 C3 hoặc C2 C4, C3 Để thay đổi giá trị tần số phát, có thể thay đổi giá trị L hoặc C Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc làm việc và đặc trng của bộ dao động Colpitts Các bớc thực hiện: 3.1 Cấp nguồn +12V cho mảng sơ đồ A 4- 3 3.2 Không nối J1 3.3 Kiểm tra chế độ một... CE Ura R E2 R4 T2 o o Hình 4. 11: Sơ đồ máy phát âm tần RC có độ dịch pha zerô 1 Vì hệ số hồi tiếp lớn nhất = , nên hệ số khuếch đại của 2 tầng: 3 K = K1 K2 3 ; K1, K2 là hệ số khuếch đại tầng1 và tầng 2 Mạch thoả mãn điều kiện cân bằng biên độ sẽ tạo ra dao động hình sin tần số: d = 1 RC (nếu R1 = R2 = R ; C1 = C2 = C) 85 Phần thực nghiệm A Thiết bị sử dụng: 1 Thiết bị chính cho thực tập tơng tự... sin (công tắc FUNCTION ở vị trí vẽ hình sin) - Tần số 1 KHz (công tắc khoảng RANGE ở vị trí 1K và chỉnh bổ sung biến trở tinh chỉnh FREQUENCY) Biên độ ra 100mV đỉnh-đỉnh (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE) 1 .4 Nối lối ra máy phát xung với lối vào A/IN của sơ đồ A 4- 1 Bật điện nguồn nuôi Điều chỉnh biến trở P1 để nhận xung ra không méo và có biên độ đợc khuếch đại Kiểm tra phân cực xung ra ở collector T1... Quan sát tín hiệu ra Nếu không có tín hiệu phát nối đảo chiều A- F và B - E Khi sơ đồ có tín hiệu ra, điều chỉnh biến trở P1 để tín hiệu ra không bị méo dạng 91 Vẽ lại dạng tín hiệu ra Đo chu kỳ xung, tính tần số phát: T= f = 1/ T(giây) = 4. 5 Giải thích vì sao khi đảo chiều nối A-B với E-F, sơ đồ đang phát tín hiệu lại không phát và ngợc lại 4. 6 Nối J1, J2 Quan sát sự thay đổi tín hiệu ra Chỉnh biến trở... Y về vị trí dễ quan sát Nối kênh 1 dao động ký với lối ra C/D 2 .4 Nối J1 Quan sát tín hiệu ra, điều chỉnh biến trở P1 để tín hiệu ra không bị méo dạng Vẽ lại dạng tín hiệu ra Đo chu kỳ xung, tính tần số phát: T= f = 1/ T(giây) = 3 sơ đồ dao động cao tần LC kiểu 3 điểm điện dung (colpitts) L-C GENERATOR: Máy phát L-C Trên sơ đồ hình A 4- 3 giới thiệu một bộ dao động cao tần Colpitts kiểu LC nối tiếp Tần... nguyên tắc làm việc và đặc trng của bộ dao động dùng thạch anh Các bớc thực hiện: 5.1 Cấp nguồn +12V cho mảng sơ đồ A 4- 5 QUARTZ GEN: máy phát thạch anh 5.2 Ngắt J1 Kiểm tra chế độ một chiều cho transistor T1 Đo độ sụt thế 92 trên điện trở R3, tính dòng qua T1 Chỉnh biến trở P1để dòng qua T1~3 ữ4mA cho transistor dẫn ở chế độ khuếch đại 5.3 Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 5 V/ cm, thời gian . C 1 = C 2 = C) 85 Phần thực nghiệm A. Thiết bị sử dụng: 1. Thiết bị chính cho thực tập tơng tự (Khối đế nguồn) 2. Panel thí nghiệm AE - 104N cho bài thực tập về bộ chuyển mạch tơng tự. khối đế nguồn). 3. Dao động ký 2 chùm tia. 4. Dây nối cắm 2 đầu. B. Cấp nguồn và nối dây Panel thí nghiệm AE - 104N chứa 5 mảng sơ đồ A 4- 1 A 4- 5 , với các chốt cắm nguồn riêng. Khi sử dụng. khuếch đại có hồi tiếp dơng. Hệ số khuếch đại và hệ số phản hồi nói chung là một đại lợng phức. Hệ số khuếch đại: K j eKK .= & K là modun của hệ số khuếch đại (độ lớn của hệ số khuếch đại) .