Đang tải... (xem toàn văn)
báo cáo thí nghiệm lý thuyết mạch
BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH I. Lý thuyết: 1.1 Định luật Kirchhoff I (về dòng điện): Hình 1.1: Định luật Kirchhoff về dòng =0 Tổng đại số các dòng điện tại một nút bất kì bằng không: trong đó ik(t) dòng qua nhánh k. Hoặc phát biểu dưới dạng:Tổng các dòng điện đi vào 1 nút bằng tổng dòng đi ra nút đó. 1.2Định luật Kirchhoff II (về điện áp): Hình 1.2: Định luật Kirchhoff về áp Tổng đại số các điện áp trên các phần tử trong một vòng kín bằng không: =0 trong đó uk(t) là giá trị điện áp trên các phần tử của vòng kín k. 1.3 Phương pháp điện thế nút: Từ Lâm Thanh Page 1 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH Hình 1.3: Phương pháp điện thế nút Phương pháp này tìm điện thế tại từng nút trong mạch: Để phân tích mạch bằng phương pháp điện thế nút trong mạch có d nút ta làm như sau: 1. Chọn 1 nút làm gốc =>ϕgốc =0 2. Lập hệ phương trình điện thế nút cho d-1 nút còn lại: = Trong đó: Ykk : là tổng dẫn nạp từ các nhánh nối đến nút k. Ykl : tổng dẫn nạp của các nhánh nối giữa nút k và l. ϕk : Điện thế tại nút k. Jnk : tổng đại số nguồn dòng chảy vào nút k, mang dấu (+) nếu nguồn chảy vào nút k, mang dấu (-) nếu nguồn chảy ra từ nút k. 3. Giải hệ phương trình để tìm điện thế tại từng nút. Từ đó suy ra giá trị điện áp, dòng điện trên các nhánh, công suất v.v…. 1.4 Phương pháp dòng điện vòng (mắt lưới): Hình 1.4: Phương pháp dòng điện vòng Phương pháp này ta dùng để tìm dòng điện chạy trong các vòng kín trong mạch (dòng điện này do ta gán): Để phân tích mạch bằng phương pháp dòng mắt lưới có n nhánh d nút, ta làm như sau: Vẽ chiều dòng điện vòng Ivk cho (n-d+1) mắt lưới. Lập hệ phương trình dòng điện vòng cho (n-d+1) mắt lưới. = Với L=n-d+1 Zii là tổng trở kháng của các nhánh thuộc vòng i. Zij là tổng trở kháng của các nhánh chung giữa 2 vòng i và j. Ivi là dòng điện vòng i. Evi là nguồn (sức điện động) của vòng i. Từ Lâm Thanh Page 2 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH Giải hệ phương trình trên ta tìm được giá trị của dòng Ivi. Từ đó ta suy ra giá trị các đại lượng còn lại của mạch. 1.5Phương pháp xếp chồng: Hình 1.5: Phương pháp xếp chồng Đáp ứng tạo bởi nhiều nguồn kích thích tác động đồng thời bằng tổng các đáp ứng tạo bởi mỗi nguồn kích thích tác động riêng rẽ. Để phân tích mạch bằng phương pháp xếp chồng ta làm như sau: Cho mỗi nguồn kích thích làm việc riêng rẽ. Các nguồn không làm việc ta đối xử như sau: nguồn áp thì ngắn mạch, nguồn dòng thì hở mạch. Tìm đáp ứng của riêng nguồn kích thích đó. Tổng cộng các đáp ứng của mạch do các nguồn kích thích riêng rẽ gây ra. 1.6 Phương pháp phân tích mạch dùng định lý Thevenin và Norton: Hình 1.6: Mạch điện phân tích thành 2 thành phần Định lý Thevenin/ Norton cho phép thay thếmột phần mạch tương đương bằng một nguồn áp mắc nối tiếp với trở kháng hoặc một nguồn dòng mắc song song với trở kháng. Định lý Thevenin: Từ Lâm Thanh Page 3 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH Hình 1.7: Mô hình mạch Thevenin Có thể thay tương đương một mạng một cửa tuyến tính bởi một nguồn điện áp bằng điện áp trên cửa khi hở mạch mắc nối tiếp với trở kháng Thevenin của mạng một cửa. Định lý Norton: Hình 1.8: Mô hình mạch Norton Có thể thay tương đương một mạng một cửa tuyến tính bởi một nguồn dòng điện bằng dòng điện trên cửa khi ngắn mạch mắc song song với trở kháng Thevenin của mạng một cửa. Cách xác định trở kháng Zth: -Trường hợp 1:Phần mạch A không chứa nguồn phụ thuộc triệt tiêu các nguồn độc lập với quy tắc (ngắn mạch nguồn áp và hở mạch nguồn dòng) rồi dùng phép biến đổi tương đương tính ra Zth. -Trường hợp 2:Phần mạch A có chứa nguồn phụ thuộc ta có 2 cách tìm Zth như sau: a. Lần lượt hở mạch và ngắn mạch để tìm Uhm và Inm. Sau đó suy ra Zth theo công thức: Zth =Uhm/Inm. b. Triệt tiêu tất cả các nguồn độc lập trong A. Kích thích ở cửa ab một nguồn áp E có giá trị tùy ý, xác định dòng chảy vào I rồi suy ra giá trị Zth bằng công thức: Zth =E/I. Hoặc kích thích ở cửa ab một nguồn dòng J có giá trị tùy ý, xác định giá trị điện áp U trên cửa ab suy ra Zth = U/J. II.Mục đích: Giúp sinh viên nắm rõ các phương pháp phân tích mạch. III.Bài chuẩn bị: Sinh viên xem trước phần lý thuyết và cách thức vận hành các dụng cụ thí nghiệm. Mô phỏng mạch ứng với các dạng nguồn tác động khác nhau và trên các tần số khác nhau (bằng các phần mềm Orcad, Proteus, Workbench…). Từ Lâm Thanh Page 4 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH IV. Thực hành: 1/ Dụng cụ, thiết bị thực hành: -Bộ nguồn F.A.C.E.T. -Kit DC Network Theorems. -VOM. 2/ Thực hành: 2.1 Định luật Kirchhoff về dòng (KCL): Ráp mạch như hình 1.9 (Trên khối Kirchhoff’s Current Law): Hình 1.9 Mạch Kirchhoff I a. Dùng VOM đo và ghi lại giá trị điện áp của nguồn. b. Dựa vào vòng màu trên điên trở xác định giá trị của R1 và R2. c. Dựa vào công thức cho sẵn hãy hoàn tất bảng dưới: IR1= IR2= IT=IR1+IR2 IR1 MAX NOM MIN IR2 IT MAX MAX NOM NOM MIN MIN Bảng 1.1 d. Dùng VOM đo và ghi lại giá trị IR1, IR2, IT. e. So sánh kết quả đo được và kết quả tính toán.Nhận xét. f. Hãy giải thích mối quan hệ giữa các dòng trong KCL. g. Áp dụng công thức tính IT=VS.(R1//R2) h. So sánh kết quả tính toán với kết quả đo được.Nhận xét. 2.2 Định luật Kirchhoff về áp (KVL): Ráp mạch như hình 1.10(Trên khối Kirchhoff’s Voltage Law): Từ Lâm Thanh Page 5 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH a. b. c. d. Hình 1.10: Mạch Kirchhoff về áp Tính dòng tổng I của mạch từ đó suy ra áp của các điện trở R1,R2,R3. Dựa vào kết quả tính toán ở mục a. Nhận xét điện áp của nguồn có bằng tổng của các điện áp thành phần không. Dùng VOM đo điện áp trên R1, R2, R3 và so sánh với kết quả tính toán ở mục a.Nhận xét. Đo dòng trong mạch bằng cách đo trực tiếp và đo gián tiếp qua điện trở sau đó so sánh với kết quả tính toán ở trên. 2.3 Định luật Kirchhoff tổng hợp: Mắc mạch như hình 1.11 (Trên khối Kirchhoff’s Laws Combined) : Hình 1.11: Mạch Kirchhoff tổng hợp Đo giá trị điện áp nguồn và ghi lại. Dùng VOM đo và ghi lại giá trị dòng điện tổng của mạch. Dựa vào hình vẽ xác định điện trở nào mà dòng điện tổng đi qua. Dựa vào định luật Ohm tính điện áp qua các điện trở này. Từ các bước thực hiện ở trên suy ra giá trị điện áp trên R2. Kiểm tra lại bằng cách dùng VOM đo giá trị điện áp trên R1 và R3 sau đó áp dụng KVL để tính R2. g. Nếu áp VR3 tăng thì lúc đó giá trị điện áp trên R1 và R2 thay đổi như thế nào? h. Tính dòng điện tổng bằng định luật Kirchhoff. a. b. c. d. e. f. Từ Lâm Thanh Page 6 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH i. Áp dụng công thức chia dòng suy ra dòng điện chạy qua R2 và R6. j. Với dòng nhánh có được áp dụng định luật Ohm suy ra điện áp rơi trên các điện trở R4, R5, R6. k. Dùng KVL kiểm tra lại tổng điện áp trên R4, R5, R6 có bằng điện áp trên R2 không. Nhận xét. 2.4 Ứng dụng định luật Kirchhoff với 2 nguồn độc lập: Mắc mạch như hình 1.12 (Trên khối Kirchhoff Solution With 2 Sources): Hình 1.12: Mạch Kirchhoff với 2 nguồn độc lập a. b. c. d. e. f. g. h. i. Dùng VOM đo và chỉnh 2 nguồn độc lập về giá trị: 10V Viết phương trình mô tả mối quan hệ của VS1, R1 và R3. Tương tự tìm phương trình mô tả mối quan hệ của VS2, R2, R3. Dùng VOM đo giá trị điện áp trên các điện trở. Ghi lại giá trị đó lên hình 1.13 và chỉ rõ chiều dòng điện. Hình 1.13 Dựa vào vòng màu trên các điện trở suy ra giá trị của nó. Dùng các định luật Kirchhoff (phương pháp dòng nhánh) xác định dòng điện đi qua các điện trở. Với sơ đồ mạch như hình 1.13 thì thành phần nào khi ta xác định được sẽ giải quyết được cả mô hình mạch. Theo bạn điện áp tại nút 1trên hình 1.13 là (-) hay (+)so với đất. Với giá trị điện áp trên R3 ở câu trên suy ra điện áp và dòng điện trên các thành phần mạch còn lại. Từ Lâm Thanh Page 7 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH j. So sánh kết quả tính toán với kết qua đo được về dòng điện và điện áp.Nhận xét. k. Dùng VOM chỉnh lại giá trị điện áp của 2 nguồn độc lập là : 5V. l. Viết công thức 2 dòng điện vòng như hình 1.14. m. n. o. p. Hình 1.14 Tính giá trị của các dòng điện vòng => Chiều dòng điện, điện áp trên R3 => Giá trị IR3 và VR3. Đo điện áp trên R3 và so sánh với kết quả ở câu m.Nhận xét. Với các dữ liệu đã có ở trên ta đã có thể xác định được điện áp trên R1 và R2 chưa? So với phương pháp dòng nhánh thì phương pháp dòng vòng có ưu điểm gì hơn? 2.5 Phương pháp thế nút và phương pháp xếp chồng: 2.5.1 Phương pháp xếp chồng: Mắc mạch như hình 1.15 (Trên khối Supersition): Hình 1.15 Phương pháp xếp chồng a. b. c. d. Chỉnh giá trị nguồn về: 10V Dựa vào vòng màu xác định giá trị điện trở R1, R2, R3. Tính và ghi lại các giá trị điện trở R3//R1, R3//R2. Dùng phương pháp xếp chồng tính giá trị điện áp trên R1, R2, R3. Từ Lâm Thanh Page 8 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH e. Ngắn mạch nguồn VS2. Đo VA (với VA là đáp ứng của R3 tác động bởi nguồn VS1).Ghi lại giá trị vào hình 1.15 f. Bỏ ngắn mạch nguồn VS2 và ngắn mạch nguồn VS1. Đo VB (với VB là đáp ứng của R3 tác động bởi nguồn VS2).Ghi lại giá trị vào hình 1.15 g. Với kết quả của 2 bước trên => VR3. h. Đo trực tiếp điện áp trên R1, R2, R3. Nhận xét kết quả tính toán lý thuyết với kết quả đo trực tiếp và kết quả đo theo phương pháp xếp chồng. 2.5.2 Phương pháp thế nút: Mắc mạch như hình 1.16 (Trên khối Supersition): Hỉnh 1.16: Phương pháp thế nút a. Chỉnh nguồn về giá trị: 10V b. Dùng phương pháp thế nút tính giá trị điện áp và dòng điện trên các thành phần mạch. c. Tính độ dẫn điện của mỗi điện trở. d. Dùng VOM đo điện áp R3. Nhận xét giá trị đo được với giá trị tính toán. 2.6 Phương pháp Thevenin/Norton: 2.6.1 Phương pháp Thevenin: Mắc mạch như hình 1.17 (trên khối Thevenin Circuits): Hỉnh 1.17: Mạch Thevenin a. Hãy xác định thành phần nào trong mạch sẽ bị thay thế bởi mô hình Thevenin. b. Tính giá trị RTH c. Ngắn mạch nguồn VS và ráp mạch để đo giá trị RTH. So sánh với kết quả tính toán. Từ Lâm Thanh Page 9 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH d. Tính và ghi lại giá trị của VTH e. Ráp mạch và dùng VOM để đo áp VTH, xác định chiều của áp VTH.So sánh kết quả với câu d và nhận xét. f. Tính và ghi lại giá trị dòng qua tải và điện áp tải. g. Đo điện áp rơi trên tải R3. So sánh với kết quả tính toán dùng mô hình mạch Thevenin. h. Nhận xét giá trị đo được và giá trị tính toán khi áp dụng mô hình mạch Thevenin và khi không áp dụng phương pháp Thevenin có sự khác biệt không và tại sao? Ráp mạch như hình 1.18: Hình 1.18 *Ghi chú: R2 không phải là tải của mạch a. Chỉnh nguồn về giá trị: 10V b. Thành phần nào sẽ bị thay thế bởi mô hình mạch Thevenin. c. Tính giá trị RTH d. Ráp mạch đo giá trị RTH và so sánh với kết quả câu c. e. Tính và ghi lại giá trị VTH f. Ráp mạch đo nguồn VTH và so sánh với kết quả câu e. g. Lắp thêm tải R3 vào mạch. Tính dòng qua tải R3. h. Đo điện áp trên tải R3 =>dòng điện qua tải R3.So sánh với kết quả tính toán bằng phương pháp Thevenin. 2.6.2 Phương pháp Thevenin đối với mạch cầu: Lắp mạch như hình1.19 (Trên khối Thevenin a bridge circuit): Từ Lâm Thanh Page 10 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH Hình 1.19: Mạch cầu a. Xác định nhánh tải trong mô hình mạch cầu. b. Giá trị RTH này ở bên ngõ vào hay ngõ ra của mạch cầu. c. Tính và ghi lại giá trị RTH d. Ngắn mạch nguồn áp, dùng VOM đo giá trị RTH. So sánh kết quả đo với giá trị lý thuyết. Nhận xét. e. Nếu ta tính RTH tại 2 đầu A&C của mạch cầu thì kết quả có thay đổi không? f. So sánh giá trị RTH ta tính được ở trên và giải thích tại sao giá trị RTH bị thay đổi? Lắp mạch như hình 1.20: a. b. c. d. Hình 1.20: Mạch cầu với nguồn Thành phần nào của mạch sẽ bị thay bởi mô hình Thevenin. Để tính nguồn VTH thì ta phải gỡ điện trở nào ra? Áp dụng phương pháp xếp chồng để tính áp VTH. Dựa trên các số liệu có được hoàn tất hình 1.21: Từ Lâm Thanh Page 11 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH e. f. g. h. Hình 1.21 Đo áp 2 đầu A&B rồi so sánh với kết quả câu c. Gắn điện trở R5 vào mạch. Đo và ghi lại VR5. Áp dụng mô hình mạch Thevenin tính giá trị điện trở tải. Đo giá trị điện trở tải RL. So sánh với kết quả câu g. Nhận xét. 2.6.3 Chuyển đổi mô hình mạch Thevenin /Norton: Lắp mạch như hình 1.22 (Trên khối Thevenin/Norton Conversion): Hình 1.22 a. Chỉnh nguồn áp dương về giá trị 7.94V. b. Nhìn vào hình điện áp trên 2 đầu nào đại diện cho U hở mạch? Giá trị của điện áp này là bao nhiêu? c. Đo áp hở mạch và so sánh kết quả với câu b. d. Dựa vào hình trên xác định điện trở tải và tính giá trị điện áp, dòng điện đi qua nó. e. Dùng VOM đo áp trên tải RL =>IRL và so sánh với kết quả tính toán. f. Điều gì sẽ xảy ra khi ta ngắn mạch ngõ ra mô hình Thevenin. g. Ngắn mạch ngõ ra mạch Thevenin và đo giá trị điện áp hở mạch. Nhận xét. h. Dựa vào các bước đã làm ở trên hãy suy ra dòng IN (Dòng IN tương đương với dòng ngắn mạch của mạch Thevenin). i. Hãy nêu mối quan hệ giữa RTH trong mạch Thevenin và RN trong mạch Norton. j. Hoàn tất hình bên dưới: Hình 1.23 Ráp mạch bên mô hình mạch Norton: Từ Lâm Thanh Page 12 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH HÌnh 1.24 Gắn RN vào mạch. Dựa vào kết quả tính toán ở trên => IRN và IRL trên mô hình Norton. Suy ra điện áp VRL trên mô hình Norton. Đo dòng không tải trên mô hình mạch Norton và so sánh với dòng ngắn mạch ở hình Thevenin. e. So sánh điện áp không tải và có tải của mạch Thevenin và mạch Norton. Nhận xét. f. Sử dụng VOM quan sát dòng điện tổng mô hình mạch Norton.Gắn tải RL& RN vào mạch ghi lại giá trị đọc được trên VOM. Tháo tải ra. Dòng tổng có thay đổi không. Tại sao? g. Tháo RN ra khỏi mạch. Dòng tổng có thay đổi không. Tại sao? a. b. c. d. V. Ôn tập và mở rộng: Trong 3 phương pháp dòng nhánh, điện thế nút, mắt lưới thì phương pháp nào có số phương trình nhiều nhất? Mạch Thevenin có giải được bài toán nguồn phụ thuộc mà phần điều khiển không thuộc phần Thevenin không? Tại sao. Mạch cầu cân bằng thì có dòng điện qua nhánh ở giữa không? Từ Lâm Thanh Page 13 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH Phụ lục A: Màu Giá trị Sai số Đen 0 Nâu 1 Đỏ 2 Cam 3 Vàng 4 Lục 5 Lam 6 Tím 7 Xám 8 Trắng 9 Vàng kim 0.01 10% Bạch kim 0.1 5% Không màu __ 20% Bảng 2.2 Bảng vòng màu điện trở Từ Lâm Thanh Page 14 BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL I. Lý thuyết: Thời hằng τ của mạch là thời gian cần thiết cho dòng điện trong mạch điện cảm hoặc cho điện áp trong mạch điện dung để đạt đến xấp xỉ 63% giá trị lớn nhất của nó. Thời hằng (τ) của mạch RC phụ thuộc vào giá trị của R (điện trở) và C (điện dung). τ= RC Trong công thức trên, τ là thời gian tính theo giây, R là điện trở tính theo Ohm, C là tụ điện tính theo F. Thời hằng của mạch RL phụ thuộc vào giá trị R và L (tính theo H). τ=L/R Bởi vì điện trở thuần phản ánh tức thời sự thay đổi của điện áp và dòng điện nên thời hằng không ảnh hưởng đến mạch chỉ chứa điện trở thuần. Phương trình sau trình bày cách tính thời hằng của mạch RC. τ=RC =10kΩ * 5µF =50 ms Hình 2.1: Mạch RC điển hình Khi công tắc đóng (giả sử không có điện tích ban đầu trên tụ điện), điện áp trên C1 ( VC1) bằng 63% điện áp cung cấp (VA) sau một thời hằng hoặc sau 50 ms. VC1=VA * 63% =10 * 0.63 = 6.3 VDC . Sau 5 thời hằng, điện áp đạt đến xấp xỉ 99 % giá trị tối đa của nó. Tụ được xem là nạp đầy (hoặc được xả) sau 5 thời hằng. Trong ví dụ này, thời gian được yêu cầu để tụ điện nạp đầy (hoặc xả hết) là: 5 τ=5 * 50 ms =250 ms Từ Lâm Thanh Page 15 BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL Hình 2.2 trình bày một biểu đồ thời hằng phổ biến. Với sự hỗ trợ của biểu đồ này, ta có thể xác định lượng điện áp hoặc dòng điện qua một tụ điện hoặc một cuộn dây với thời gian cho trước nếu biết được thời hằng. Các đường cong nạp và xả là bằng nhau và đối nhau, điều này chỉ ra rằng một tụ điện hoặc một cuộn cảm nạp và xả với cùng một tốc độ. Hình 2.2:Biểu đồ thời hằng phổ biến Để giải thích cách sử dụng biểu đồ thời hằng phổ biến này, tham khảo mạch RC ở hình 2.3. Giả sử tụ điện C1 đã được nạp đầy đến 10 Vdc. Khi công tắc được đóng, tụ điện xả qua R1. Tụ điện xả ở tốc độ được điều khiển bởi thời hằng RC. τ=RC =50kΩ* 3µF =150 ms Từ Lâm Thanh Page 16 BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL Hình 2.3: Mạch RC với tụ điện ban đầu được nạp đến 10 Vdc Bây giờ ta muốn biết điện áp qua C1 sau 450 ms (3τ). Từ biểu đồ thời hằng phổ biến ta có thể thấy rằng điện áp qua tụ điện bằng 5 % giá trị ban đầu sau 3 thời hằng. VC1 = VA * 5% = 10 * 0.05 = 0.5 Vdc II.Mục đích: Tính toán,đo thời hằng mạch RC, RL. Khảo sát ảnh hưởng của thời hằng trong mạch RC, RL. III. Bài chuẩn bị: Mạch RC: Yêu cầu: • Vẽ mạch RC • Tính thời hằng τ • Mô phỏng mạch RC bằng phần mềm (Orcad,Proteus,Workbench ….) quan sát sóng trên tụ C. • Khảo sát ảnh hưởng của τ trong mạch RC. Mạch R : Yêu cầu: • Vẽ mạch RL • Tính thời hằng τ • Mô phỏng mạch RL bằng phần mềm (Orcad,Proteus,Workbench …..) quan sát sóng trên cuộn dây L. • Khảo sát ảnh hưởng của τ trong mạch RL. IV. Thực hành: 1/Dụng cụ,thiết bị thực hành: • Dao động ký • Máy phát sóng • Bộ nguồn F.A.C.E.T Từ Lâm Thanh Page 17 BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL • Kit thí nghiệm AC1 Fundamentals 2/ Thực hành: 2.1 Thời hằng RC: Mắc mạch như hình: Hình 2.4: Mạch RC Quan sát VR1 bằng dao động ký (mode DC) nhấn và giữ công tắc S1, điện áp VR1 tăng một cách tức thời hay có sự trì hoãn của thời hằng? Mắc mạch như hình 2.5: Hình 2.5 a. Dùng dao dộng ký quan sát tín hiệu trên tụ,nhấn S1 đến khi tụ nạp đầy sau đó thả S1 ra, nhấn S2. Nhận xét. b. Tính thời hằng trong mạch hình 2.5 c. Dùng biểu đồ thời hằng xác định điện áp nạp trên tụ sau 1τ. Từ Lâm Thanh Page 18 BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL Hình 2.6: Biểu đồ thời hằng d. Tính và ghi nhận tổng thời gian nạp của tụ bằng công thức lý thuyết. e. Xả hết điện tích trên C1 bằng cách nhấn S2 vài giây, dùng OSC quan sát tín hiệu trên C1, nhấn S1, đo thời gian tụ nạp đến 99% VA. Nhận xét. f. Dựa vào công thức lý thuyết tính và ghi nhận thời gian xả của tụ. g. Nhấn S1cho đến khi tụ nạp lại đầy. Nhả S1 lập tức nhấn S2, đo thời gian C1 xả đến giá trị 1% VA. So sánh với kết quả câu f. h. Mắc thêm tụ C2 =10uF vào mạch như hình 2.7. Tính và ghi nhận thời hằng mới của mạch. Nhận xét ảnh hưởng của điện dung đối với thời hằng của mạch. Hình 2.7: Mạch RC mắc thêm tụ C2 song song với C1 Từ Lâm Thanh Page 19 BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL i. Dùng biểu đồ thời hằng xác định điện áp của C1 và C2 sau khoảng thời gian 2τ tính từ lúc VA bắt đầu cấp điện. Ghi nhận kết quả. j. Nhấn S2 xả hết điện trên C1 và C2. Xác định điện áp trên C1 và C2 sau thời gian 2τ bằng cách nhấn S1, nhả nó sau 2τ, đo ngay lập tức giá trị điện áp này. So sánh với kết quả câu i. 2.2Dạng sóng của mạch RC và RL: Dùng mạch RC/RL WAVESHAPES mắc như hình 2.8: a. b. c. d. e. Hình 2.8: Mạch RC Tính và ghi nhận thời hằng RC của mạch. Dùng OSC quan sát dạng sóng trên tụ. Cần bao nhiêu thời gian và thời hằng để tụ nạp đầy. Dùng biểu đồ thời hằng, tính điện áp Vc sau khi nó nạp được 3τ . Đo và ghi nhận giá trị của tụ sau khi nó nạp được trong khoảng thời gian 3τ.So sánh với câu c. Điều chỉnh OSC để thu được dạng sóng như hình 2.9, cần bao nhiêu thời hằng để tụ xả hoàn toàn. Hình 2.9 f. Sử dụng biểu đồ thời hằng,tính điện áp VC sau khi nạp được 2τ. g. Đo và ghi nhận VC sau khi nạp được 2τ. So sánh với câu f. h. Mắc mạch như hình 2.10. VGEN sóng vuông có Vpp =8Vpp, f =5kHz. Quan sát điện áp trên R2, nhận xét về dạng sóng của dòng điện trong mạch. Từ Lâm Thanh Page 20 BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL Hình 2.10 Mạch RL: a. Tính và ghi nhận thời hằng của mạch trong hình 2.11. Với VGEN là sóng vuông có Vpp=8V, f =5kHz. Hình 2.11:Mạch RL b. Quan sát dạng sóng của VL1 bằng OSC cần bao nhiêu thời hằng để cuộn dây nạp đầy. c. Dùng biểu đồ thời hằng hình 2.6 tính điện áp trên cuộn dây khi đã nạp được 1τ . d. Đo và ghi nhận điện áp trên VL1 sau khi nó nạp được 1τ. So sánh kết quả câu c. e. Mắc mạch như hình 2.12 quan sát dạng sóng trên R cho biết dòng điện trong mạch lớn nhất ở đầu chu kì nạp hay cuối chu kì nạp. Từ Lâm Thanh Page 21 BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL Hình 2.12 V/ Ôn tập và mở rộng: Ghi công thức tính thời hằng τ trong mạch RC,RL. Trong mạch RC điển hình, ta mắc thêm R’ // R thì giá trị τ tăng hay giảm. Tại sao. Cho xung vuông ngõ vào với tần số 5kHz mạch RC điển hình. Giá trị thời hằng τ phải như thế nào để áp ra trên R có dạng vi phân, tích phân. Từ Lâm Thanh Page 22 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG BÀI 3:MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG I. Lý thuyết: 1.1/ Các bộ lọc thông thấp và thông cao: Các mạch lọc được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng và với nhiều tần số khác nhau. Mục đích cơ bản của các mạch lọc là chặn (hoặc làm yếu) các tần số không mong muốn và cho các tần số mong muốn đi qua với sự suy giảm ít nhất. Ta có nhiều loại mạch lọc như lọc thông thấp, thông cao, thông dải v.v…. Các mạch lọc thông thấp ngăn việc truyền các tần số cao, còn các mạch lọc thông cao loại bỏ các tín hiệu tần số thấp. Hình 3.1 minh họa các đường đặc tuyến truyền điển hình và lý tưởng của các bộ lọc thông cao và thông thấp. Như ta thấy trên hình vẽ, một bộ lọc lý tưởng không làm suy giảm các tần số trong băng thông và chỉ làm suy giảm các tần số ngoài băng với đáp ứng lý tưởng là có biên độ suy hao về mức 0. Thực tế ta không thể có mach lọc mà có đáp ứng lý tưởng này, mặc dù cũng có một vài kiểu bộ lọc có thể có đặc tính gần lý tưởng một cách hợp lý. Từ Lâm Thanh Page 23 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG Hình 3.1 Các đường đặc tuyến lý tưởng và thực tế của các bộ lọc thông thấp và thông cao Hoạt động của các bộ lọc RC và RL là dựa trên sự biến đổi điện kháng xuất hiện trong các tụ điện và trong các cuộn dây khi tần số biến đổi. Nhiều bộ lọc thông thấp, thông cao đơn giản chỉ gồm một tụ điện hoặc một cuộn cảm phối hợp với một điện trở. Tần số cắt (fc) của một bộ lọc thông thấp được định nghĩa là tần số mà tại đó biên độ tín hiệu ra bằng 70.7% (-3 dB) so với biên độ của các tín hiệu có tần số thấp hơn nó (lý tưởng là 1Hz). Nếu tần số càng tăng thì biên độ tín hiệu ra càng giảm. Tần số cắt (fc) của một bộ lọc thông cao cũng được định nghĩa tương tự như vậy, chỉ khác là nó xác dịnh giới hạn tần số thấp của bộ lọc, biên độ tín hiệu ra càng ngày càng giảm khi tần số giảm. Decibel (dB) thường được dùng để diễn tả tỷ số giữa điện áp hoặc dòng điện đầu vào và đầu ra. Công thức tổng quát để biểu diễn một tỷ số điện áp bằng dB là: dB =20log (Vout /Vin ) Đối với dòng điện công thức vẫn như trên chỉ khác là tỷ số dòng điện là Iout /Iin. Các bộ lọc thông thấp và thông cao hợp thành bởi các phần tử RC hoặc RL có độ suy giảm là 6 dB trên 1 octave (độ âm) khi tần số vượt trên điểm cắt. Có nghĩa là độ suy giảm của kiểu bộ lọc thông thấp này tăng lên 6dB mỗi khi tần số tăng lên gấp đôi. Ví dụ nếu tần số cắt (fc) của một bộ lọc thông thấp là 6 kHz thì biên độ tín hiệu ra sẽ thấp đi 9dB so với biên độ trong băng thông ở tần số 12kHz, giảm đi 15dB ở tần số 24kHz ….(tín hiệu ra của bộ lọc đã suy giảm 3dB ở tần số 6kHz ). Từ Lâm Thanh Page 24 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG Độ dốc 6 dB trên 1 octave của các bộ lọc RC và RL cũng có thể gọi là 20 dB trên 1 decade, nghĩa là mỗi lần tần số tăng lên 1 hệ số 10, độ suy giảm của bộ lọc thông thấp tăng lên 20 dB. Đối với bộ lọc ở hình vẽ 3.1 (tần số cắt là 6kHz) tín hiệu ra giảm đi 23 dB khi tần số là 60kHz (10 lần tần số cắt). Hình 3.2 mô tả các bộ lọc thông thấp hợp thành bởi các phần tử RC và RL. Tín hiệu ra của bộ lọc thông thấp RC được lấy qua tụ điện. Khi tần số tăng lên, điện kháng của tụ điện giảm đi và biên độ điện áp ra tụt xuống nhanh chóng. Đầu ra của một mạch thông thấp RL được lấy qua điện trở. Khi tần số tăng lên, điện kháng của cuộn cảm tăng lên dẫn đến điện áp ra trên điện trở giảm xuống. Để đơn giản ta có thể hình dung các mạch lọc này như là một “chiết áp điều chỉnh bằng tần số ” trong đó tổng trở ở trên con chạy tăng lên so với tổng trở ở dưới con chạy khi tần số tăng. Tần số cắt của 1 bộ lọc thông thấp RC được tính theo công thức sau: Fc = Tần số cắt của 1 bộ lọc thông thấp RL được tính theo công thức sau: Fc =R /(2π *L) Hình 3.2 Các bộ lọc RC và RL thông thấp Từ Lâm Thanh Page 25 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG Hình 3.3Các bộ lọc RC và RL thông cao Mặc dù đặc tính của 2 kiểu bộ lọc này là như nhau nhưng bộ lọc kiểu RC thường được dùng ở tần số thấp nhiều hơn so với bộ lọc RL bởi vì các cuộn cảm cồng kềnh, nặng và đắt hơn ở tần số này. Hình 3.3 trình bày các bộ lọc thông cao RC và RL. Tín hiệu ra của bộ lọc thông cao RC được lấy qua điện trở, còn tín hiệu ra của bộ lọc thông cao RL được lấy qua cuộn cảm. “Chiết áp điều chỉnh bằng tần số ” cũng được áp dụng tương tự cho mạch này, chỉ khác là tổng trở ở trên con chạy giảm đi so với tổng trở ở dưới con chạy khi tần số tăng lên. Các công thức tính tần số cắt của mạch lọc tần số cao và tần số thấp là như nhau bởi vì các mạch lọc này giống nhau chỉ khác ở các điểm mà tín hiệu đầu ra được lấy ra. 1.2/ Các bộ lọc thông dải và chắn dải: Các bộ lọc thông dải cho phép đi qua các tần số trong băng thông nhưng loại bỏ (hoặc làm suy giảm) các tần số cao hơn hoặc thấp hơn. Các bộ lọc chắn dải làm suy giảm các tần số trong một dãy nào đó của tần số trung tâm nhưng lại cho phép các tần số thấp hơn hoặc cao hơn đi qua mà không bị suy giảm. Các bộ lọc thông dải có các phần tử R, L, C với tần số cộng hưởng của cuộn cảm và tụ điện (fr) chính là tần số trung tâm. Phương pháp ghép nối các phần tử này trong mạch xác định dãy tần số được thông. Tần số cộng hưởng được xác định bằng công thức: Fr =1/ 2π Từ Lâm Thanh Page 26 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG Như hình 3.4 ta thấy các phần tử kháng có thể được ghép nối tiếp hoặc song song cho một bộ lọc thông dải. Đối với một bộ lọc thông dải, tín hiệu ra được lấy trên phần tử của mạch có tổng trở cao hơn khi cộng hưởng. Hình 3.4 Các bộ lọc thông dải nối tiếp và song song Các giới hạn băng thông được xác định là các điểm ở trên và dưới các điểm có độ suy hao-3dB hoặc là các tần số ở đó biên độ tín hiệu ra giảm xuống tới 70.7 % so với biên độ tại tần số trung tâm. Các tần số thấp hơn hoặc cao hơn này thường được gọi là f1 và f2. Độ rộng của băng thông (hoặc BW) được xác định bằng công thức: BW = f2-f1 Hình 3.5 Đáp ứng của bộ lọc thông dải Độ rộng băng thông được xác dịnh bằng Q của mạch. Nó là hẹp hay có độ chọn lọc cao khi Q cao. Nếu một mạch cộng hưởng nối tiếp được dùng như một phần của bộ lọc thông dải thì Q được xác định bằng công thức sau đây, trong đó điện trở R là điện trở tổng của mạch: Q = XL /R Từ Lâm Thanh Page 27 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG Nếu sử dụng một mạch cộng hưởng song song thì Q của mạch được xác định bằng công thức dưới đây, trong đó R là điện trở được ghép song song với mạch thùng chứa. Q = R / XL Băng thông BW còn có thể được biểu diễn theo Q và tần số cộng hưởng như sau: BW =fr / Q Các bộ lọc chắn dải được thiết kế để có độ suy giảm lớn nhất tại tần số cộng hưởng fr. Hình 3.6 trình bày cách sử dụng các mạch RLC nối tiếp và song song trong các bộ lọc chắn dải. Nhớ rằng tín hiệu ra của bộ lọc chắn dải được lấy qua phần tử (các phần tử) có tổng trở thấp hơn khi cộng hưởng. Hình 3.6 Các bộ lọc chắn dải nối tiếp và song song Băng thông của một bộ lọc chắn dải được tính theo cách tương tự như đối với bộ lọc thông dải, nghĩa là chắn dải được đo giữa các điểm -3dB như hình 3.7. Băng thông BW cũng được tính bằng công thức tương tự như trong thông dải. Hình 3.7:Đáp ứng của bộ lọc chắn dải Từ Lâm Thanh Page 28 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG Một bộ lọc chắn dải với Q cao sẽ có dãy suy hao hẹp như hình trên. Kiểu bộ lọc này thường được gọi là bộ lọc “rãnh ”. Q của một bộ lọc chắn dải được tính cùng các công thức dùng cho các bộ lọc thông dải cộng hưởng nối tiếp và song song. Số đo hiệu quả của một bộ lọc chắn dải là lượng suy giảm phát sinh tại tần số cộng hưởng fr so với các tần số trên và dưới cộng hưởng (bình thường là các giá trị 10*fr hoặc 1/10 của fr ). Khi biết độ lớn của các tín hiệu đầu ra tai tần số cộng hưởng fr và tại một trong những tần số ngoài dãy, độ suy giảm tính bằng dB sẽ là: dB = 20 *log (Vch /Vra) II. Mục đích: Bài thí nghiệm này giúp sinh viên xác định được tần số cắt của mạch lọc, sự thay đổi của tín hiệu khi qua mạch lọc thụ động. Khảo sát đặc tuyến tần số của các mạch lọc thụ động. III. Bài chuẩn bị: Mạch lọc thông thấp (mạch lọc tần số cao): Yêu cầu: • Vẽ mạch lọc thông thấp RC và RL. • Xác định hàm truyền. • Viết công thức tính tần số cắt, BW. • Vẽ đặc tuyến biên độ theo tần số. • Mô phỏng mạch bằng phần mềm (Orcad, Proteus, Workbench…). Mạch lọc thông cao (mạch lọc tần số thấp): Yêu cầu: • Vẽ mạch lọc thông cao RC và RL. • Xác định hàm truyền. • Viết công thức tính tần số cắt, BW. • Vẽ đặc tuyến biên độ theo tần số. • Mô phỏng mạch bằng phần mềm (Orcad, Proteus, Workbench…). Mạch lọc thông dải: Yêu cầu : • Vẽ mạch lọc thông dải mắc nối tiếp và song song. • Xác định hàm truyền. • Viết công thức tính tần số cắt, BW, hệ số phẩm chất Q. • Vẽ đặc tuyến biên độ theo tần số. • Mô phỏng mạch bằng phần mềm (Orcad, Proteus, Workbench…). Mạch lọc chắn dải: Từ Lâm Thanh Page 29 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG Yêu cầu : • Vẽ mạch lọc chắn dải mắc nối tiếp và song song. • Xác định hàm truyền. • Viết công thức tính tần số cắt, BW, hệ số phẩm chất Q. • Vẽ đặc tuyến biên độ theo tần số. • Mô phỏng mạch bằng phần mềm (Orcad,Proteus,Workbench…). IV. Thực hành: 1/ Dụng cụ thí nghiệm: • • • • Dao động kí Máy phát sóng Bộ nguồn F.A.C.E.T Kit mạch AC2 Fundamentals 2 / Thực hành: 2.1 Mạch lọc thông thấp: 2.1.1 Mạch lọc thông thấp RC Hình 3.8: Mạch lọc thông thấp thụ động RC Mắc mạch LOW PASS FILTER RC như hình 3.8 với nguồn VGEN 15Vpp f=100Hz. a. Tính tần số cắt của mạch với các giá trị hình 3.8 b. Thay đổi tần số VGEN từ 100Hz đến 50kHz. Dùng dao động kí quan sát tín hiệu ra trên tụ C1. Nhận xét. c. Thay đổi tần số VGEN ứng với các giá trị trong bảng 3.1 (lưu ý biên độ đỉnh-đỉnh của VGEN vẫn là 15Vpp). Đo các giá trị ngõ ra VC1 tương ứng, tính toán độ suy hao tín hiệu theo dB (áp dụng công thức dB=20lg(Vout/V100Hz)) ghi vào bảng 3.1. Tần số Từ Lâm Thanh Chu kì Vout (VC1) dB Page 30 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG 100Hz 10 ms 20kHz 50 us 40kHz 25 us Bảng 3.1: Dữ liệu ra của mạch lọc thông thấp RC d. Tính mức điện áp ngõ ra trên VC1 tại điểm -3dB. e. Thay đổi tần số VGEN để ngõ ra có giá trị bằng giá trị vừa tính ở câu d,xác định tần số cắt fc f. Vẽ đặc tuyến biên độ (dB) theo tần số (Hz) g. Xác định độ suy giảm dB /octave. h. Xác định dộ suy giảm dB /decade giữa 50kHz và 500 kHz. 2.1.2 Mạch lọc thông thấp RL: Hình 3.9 Mạch lọc thông thấp RL Mắc mạch LOW PASS FILTER RL như hình 3.9 a. Tính tần số cắt với các giá trị cho như hình 3.9 b. Đặt VGEN sóng sine với Vpp =15 V, f=1Khz. Dùng dao động kí quan sát VR2, thay đổi tần số máy phát từ 1kHz đến 50 kHz. Nhận xét. c. Thay đổi tần số máy phát (biên độ không đổi) ghi các giá trị vào bảng 3.2 (dB=20log(Vout/V1kHz)) Tần số Chu kì Vout (VR2) dB 1kHz 1 ms 40kHz 25 us 80kHz 12.5 us Bảng 3.2: Dữ liệu ra của mạch lọc thông thấp RL d. Tính giá trị VR2 tại điểm -3dB. e. Vẽ đặc tuyến biên độ (dB) theo tần số (Hz) Từ Lâm Thanh Page 31 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG f. Thay đổi tần số máy phát để VR2 có giá trị như câu d, xác định tần số cắt fc g. Điền trị số tìm được ở câu f vào đồ thị ở câu e. h. So sánh biên độ ngõ ra tại 2 tần số 40kHz và 80kHz. i. Tín hiệu có tần số 1kHz có được truyền qua với ít suy giảm hay bị chặn lại với suy giảm lớn. j. So sánh mạch lọc RC và RL. 2.2 Mạch lọc thông cao: 2.2.1 Mạch lọc thông cao RC: Hình 3.10 Mạch lọc thông cao RC Mắc mạch HIGH PASS FILTER RC như hình 3.10 a. Từ các trị số trên hình 3.10 tính tần số cắt. b. Đặt VGEN sóng sine có Vpp =15 V, f =100kHz. Thay đổi tần số máy phát từ 100kHz xuống 100Hz, quan sát VR2. Nhận xét. c. Đo VR2 tại mỗi tần số trong bảng 3.3 (biên độ của máy phát không thay đổi) (dB=20log(Vout/V500kHz)). Tần số Chu kì Vout (VR2 ) dB 100 Hz 10 ms 5 kHz 200 us 500 kHz 2 us Bảng 3.3: Dữ liệu ra của mạch lọc thông cao RC d. Tính điện áp ngõ ra tại điểm -3dB. e. Vẽ đặc tuyến biên độ ngõ ra (dB) theo tần số (Hz). Xác định biên độ ngõ ra (dB) tại điểm 500 Hz và 5 kHz . f. Thay đổi tần số máy phát để điện áp ngõ ra đạt giá trị như câu d. Tìm tần số cắt của mạch. g. Xác định độ suy giảm (dB/decade) từ 5kHz đến 500Hz. h. Nhận xét ảnh hưởng của tụ đến tần số cắt. Từ Lâm Thanh Page 32 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG 2.2.2 Mạch lọc thông cao RL: Hình 3.11 Mạch lọc thông cao RL Mắc mạch HIGH PASS FILTER RL như hình 3.11 a. Từ các trị số trên hình, tính tần số cắt của mạch lọc fc. b. Đặt máy phát: Vpp=15V, f =100kHz, sóng sine. Thay đổi tần số máy phát từ 100kHz đến 1kHz. Quan sát điện áp ngõ ra VL1, nhận xét. c. Xác định giá trị điện áp ngõ ra tại điểm -3dB. d. Thay đổi tần số máy phát để ngõ ra có giá trị như câu c, tìm tần số cắt fc. e. Xác định độ suy hao (dB/octave) tại tần số có giá trị bằng ½ fc. f. Xác định độ suy hao (dB/decade) tại tần số có giá trị bằng ( ) fc. g. Từ câu e và câu f vẽ gần đúng đặc tuyến biên độ (dB) theo tần số. h. Nhận xét ảnh hưởng của L đến fc. 2.3 Mạch lọc thông dải: 2.3.1 Mạch lọc thông dải nối tiếp: Hình 3.12: Mạch lọc thông dải mắc nối tiếp Mắc mạch SERIES BAND PASS FILTER như hình 3.12 Từ Lâm Thanh Page 33 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG a. Đặt VGEN =15Vpp sóng sine. Thay đổi tần số VGEN từ 5kHz đến 50kHz. Nhận xét điện áp ngõ ra Vout. b. Đo điện áp rơi trên R2. Thay đổi tần số VGEN để xảy ra hiện tượng cộng hưởng, đo và ghi lại giá trịđiện áp ngõ ra trên R2. c. Đo chu kì và tính tần số cộng hưởng fr ghi vào bảng 3.4 : R2 =1.5k fr f1 f2 BW Q d. e. f. g. h. i. Bảng 3.4 Xác định điện áp ngõ ra tại V-3dB. Giảm tần số máy phát, quan sát điện áp ngõ ra Vout, khi Vout đạt giá trị ở câu d, đo chu kì và tính tần số cắt dưới f1, ghi vào bảng 3.4. Tăng tần số máy phát qua fr quan sát Vout, khi Vout đạt V-3dB, đo chu kì và tính tần số cắt trên f2, ghi vào bảng 3.4. Tính BW, Q ghi vào bảng 3.4. Tính Q bằng công thức lý thuyết, so sánh kết quả câu trên. Nhận xét. Nhận xét ảnh hưởng của R2 đến Q và BW. 2.3.2 Mạch lọc thông dải song song: Hình 3.13 Mạch lọc thông dải mắc song song Mắc mạch PARALLEL BAND PASS FILTER như hình 3.13 a. Đặt VGEN = 15Vpp, f =5kHz, sóng sine. Thay đổi tần số VGEN để mạch đạt cộng hưởng. Đo chu kì của sóng ra, tính tần số cộng hưởng fr. Ghi vào hình 3.14. b. Đo và ghi Vout vào hình 3.14. Từ Lâm Thanh Page 34 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG Hình 3.14 c. Sử dụng giá trị Vout ở câu trên, xác định V-3dB ghi vào hình 3.14. d. Giảm tần số máy phát xuống dưới frđể Vout đạt giá trị V-3dB, đo chu kì và tần số cắt dưới f1 ghi vào hình 3.14. e. Tăng tần số máy phát qua fr quan sát Voutkhi Vout đạt V-3dB, đo chu kì và tính tần số cắt trên f2 ghi vào hình 3.14. f. Tính BW, Q. g. Tính Q bằng công thức, so sánh với kết quả câu f. Nhận xét. h. Thay đổi VGEN từ 5kHz đến 50kHz, quan sát điện áp ngõ ra, nhận xét. i. Thay đổi R1 ảnh hưởng thế nào đến Q. 2.4 Mạch lọc chắn dải: 2.4.1 Mạch lọc chắn dải nối tiếp: Hình 3.15 Mạch lọc chắn dải mắc nối tiếp Mắc mạch SERIES BAND STOP FILTER như hình 3.15 (Ngắn mạch R2): a. Chỉnh VGEN =15 Vpp, f =1 kHz, sóng sine. Đo và ghi lại Vout. Từ Lâm Thanh Page 35 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG b. Thay đổi tần số máy phát để mạch đạt cộng hưởng, ghi tần số cộng hưởng fr vào bảng 3.5. R1 =1.5K fr f1 f2 BW Q Bảng 3.5 c. Tính và ghi lại điện áp ngõ ra tại tần số cắt V-3dB. Điền vào hình 3.16. Hình 3.16 d. Giảm tần số máy phátquan sát Vout để đạt V-3dB ở câu c, xác định tần số cắt dưới f1 ghi vào bảng 3.5. e. Tăng tần số máy phátquan sát Vout để đạt V-3dB ở câu c, xác định tần số cắt trên f2 ghi vào bảng 3.5. f. Tính BW, Q ghi vào bảng 3.5. g. Tính Q bằng công thức lý thuyết, so sánh với Q ở trên. h. Nhận xét R1 ảnh hưởng thế nào đến BW và Q. 2.4.2 Mạch lọc chắn dải song song: Hình 3.17: Mạch lọc chắn dải song song Từ Lâm Thanh Page 36 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG Mắc mạch PARALLEL BAND STOP FILTER như hình 3.17. a. Chỉnh VGEN =15Vpp, f =1kHz, sóng sine. b. Lặp lại các bước từ câu b dến câu h, điền các thông số vào bảng 3.6 R1 =1.5k fr f1 f2 BW Q Bảng 3.6 V. Ôn tập và mở rộng: Nêu công thức tính tần số cắt mạch lọc RC, RL. Tính Q trong các mạch RLC thông dải nối tiếp và song song. Khi ta thay đổi giá trị tụ C thì Q có thay đổi không? Tại sao mạch lọc RLC lại được gọi là mạch lọc thụ động? Các mạch lọc thông cao RC và thông thấp RC khác nhau như thế nào. Tương tự cho mạch RL. Nếu mạch RC như hình dưới (R//C) có được gọi là mạch lọc không? Nếu được hãy tính tần số cắt của mạch? Mạch RLC thông dải nối tiếp và mạch RLC dải ngừng nối tiếp khác nhau như thế nào? Tại tần số cộng hưởng tổng trở của mạch RLC nối tiếp thông dải và ngăn dải có giá trị như thế nào? Hãy vẽ mạch lọc thông thấp, thông cao gồm 3 phần tử RLC. Từ Lâm Thanh Page 37 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG Từ Lâm Thanh Page 38 PHỤ LỤC: THAO TÁC VẬN HÀNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM PHỤ LỤC: THAO TÁC VẬN HÀNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM I.Mục đích: -Giúp sinh viên làm quen và cách thức vận hành thao tác các thiết bị thí nghiệm. -Trang bị cho sinh viên kiến thức để vận hành làm quen với dụng cụ thí nghiệm II.Giới thiệu: Thiết bị thí nghiệm trong môn Lý thuyết mạch bao gồm: Máy dao động kí KENWOOD CS-4125 Máy phát sóng KENWOOD AG-203D KENWOOD FG-273A VOM SANWA YX 360 TRF Bộ nguồn F.A.C.E.T:Lab-Volt Base Unit Kit thí nghiệm DC Network,AC2 Fundamentals 1/ Dao động kí (Oscilloscope)KENWOOD CS-4125: Hình1: Dao động kí 1.1/Tổng quan: Dao động kí là thiết bị dùng để hiển thị đo đạc các tín hiệu điện hoặc không điện (tín hiệu từ cảm biến về) như dạng sóng, xung vv….Một dao động kí thường gồm 2 kênh có thể biểu diễn dạng sóng theo thời gian hay theo một đại lượng được đưa vào. Dao động kí được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như:kĩ thuật, khoa học, viễn thông và y học v.v… 1.2/Hướng dẫn sử dụng: Ta chia Oscilloscope làm 5 phần: a. Màn hình: là một hình chữ nhật với 10 ô ngang x 8 ô dọc sử dụng công nghệ CRT (Cathode Ray Tube) Từ Lâm Thanh Page 39 PHỤ LỤC: THAO TÁC VẬN HÀNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM b. Khối nguồn: gồm các nút để điều chỉnh tắt mở máy, điều chỉnh độ sáng tối của màn hình, độ nét của tín hiệu v.v… • Nút Power: Tắt mở máy • Nút xoay Insensity: Chỉnh độ sáng của tín hiệu • Nút xoayFocus: Chỉnh độ sắc nét của tín hiệu • Nút vặn Trace Rota: Chỉnh tia sáng về nằm ngang khi tia sáng bị nghiêng c. Khối Vertical và Triggering: Khối quét dọc và khối kích. Khối Vertical: Khối quét dọc có chức năng chọn tín hiệu hiển thị trên màn hình như kênh 1, 2 hay cả 2 kênh v.v…. Cần gạt Mode: CH1, CH2, ALT, ADD, CHOP • CH1: Chọn kênh 1. • CH2: Chọn kênh 2. • ALT: Hiển thị luân phiên kênh 1 và kênh 2. • CHOP: Hiển thị theo kiểu đóng ngắt giữa 2 kênh 1 và 2. • ADD: Hiện thị cùng lúc 2 kênh 1 và 2. Nút nhấn CH2 INV: Nút này để đảo tín hiệu ở kênh 2.VD V2 thành –V2 Nút nhấn X-Y: Nút này dùng để hiển thị 2 tín hiệu input với nhau . Với kênh CH1 là trục Y (trục tung) và kênh CH2 là trục X (trục hoành) Khối Triggering: Khối này điều khiển mạch quét đồng bộ tín hiệu. Cần gạt MODE:AUTO,NORM,FIX,TV FRAME,TV LINE. • AUTO: Chế độ quét tự động • NORM: Chế độ quét bình thường, ở chế độ này khi không có tín hiệu kích khởi mạch quét ngang sẽ không hoạt động và sẽ không có tín hiệu trên màn hình. • TV FRAME: Chế độ quét theo Frame tivi • TV LINE: Chế độ quét theo đường kẻ ngang màn hình tivi Cần gạt SOURCE: Chọn nguồn tín hiệu kích khởi nếu chọn sai sẽ bị trôi hình: • VERT MODE: Chọn nguồn kích khởi từ khối quét dọc • CH1, CH2: Chọn kênh 1, 2 làm nguồn kích khởi • LINE: Chọn nguồn kích khởi là tần số điện lưới cung cấp (50Hz) • EXT : Tín hiệu được cung cấp từ jack EXT TRIGGER Nút xoay LEVEL: Cho phép hiển thị một ô chia tín hiệu đồng bộ với điểm bắt đầu của dạng sóng (chỉnh sai hình sẽ bị trôi). Nút này dùng để điều chỉnh hình không bị trôi ngang trên màn hình. Từ Lâm Thanh Page 40 PHỤ LỤC: THAO TÁC VẬN HÀNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Nút xoay SLOPE: Chỉnh độ dốc của mạch quét là cạnh lên hay cạnh xuống. d. Khối tín hiệu vào dọc CH1, CH2 hoặc X, Y : Khối này dùng để chỉnh tín hiệu vào. CH1 or Y: • Nút xoay Position: Điều chỉnh vị trí tín hiệu di chuyển theo chiều dọc. • Nút xoay Variable: Thay đổi giá trị của tín hiệu theo chiều dọc (Bình thường ta xoay núm này về bên phải tới hết chữ CAL để đảm bảo máy đo đúng chuẩn theo chiều dọc). • Knob Volts /Div: Điều chỉnh độ phân giải mức điện áp/ô. • AC-GND-DC: AC: Đo tín hiệu ở dạng AC mà không để ý tới DC. DC: Đo tín hiệu cả DC và AC. GND: Tín hiệu được nối với mass =>không có tín hiệu trên màn hình. CH2 or X: Tương tự như kênh CH1 e. Khối Horizontal: Khối này điều chỉnh tín hiệu quét ngang • Nút xoay Position: Chỉnh vị trí tín hiệu dịch chuyển theo chiều ngang. • Nút xoay Variable:Dùng phối hợp với nút Trigger Level để chống tín hiệu bị trôi theo chiều ngang. (Bình thường chỉnh nút này về bên phải tới chữ CAL để đảm bảo sự chính xác của máy dao động kí theo bề ngang). • Nút nhấn X10 MAG:Phóng to tín hiệu 1 ô theo chiều ngang ra 10 lần. • CAL 1Vpp: Tín hiệu sóng vuông chuẩn để chỉnh máy, có biên độ 1Vpp tần số 1kHz. Chúng ta đã nắm được chức năng cơ bản của máy dao động kí và bây giờ ta cần phải chỉnh máy về chuẩn để sự đo đạc và hiển thị được chính xác: Mặc định khi sử dụng ta để các giá trị như sau: • Triggering ta để chế độ AUTO. • Triggering SOURCE ta để chế độ VERT MODE. • Các nút Var ở kênh CH1, CH2 và Horizontal xoay hết theo chiều kim đồng hồ tới chữ CAL. 2/Máy phát sóng (Function Generator) KENWOOD AG-203D: Từ Lâm Thanh Page 41 PHỤ LỤC: THAO TÁC VẬN HÀNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Hình 2: Máy phát sóng 2.1/Tổng quan: Máy phát sóng là thiết bị như tên gọi của nó là tạo ra các dạng sóng khác nhau với các tần số khác nhau phục vụ cho công tác đo đạc, kiểm tra và nghiên cứu. Tùy theo cách thức tạo ra tín hiệu mà ta phân biệt máy phát sóng analog hay digital. 2.2/Hướng dẫn sử dụng: Máy phát sóng KENWOOD AG-203D gồm các nút sau: • Đĩa xoay tần số có giá trị từ 1-> 100 • Các nút nhấn chọn tầm: Chọn tần số ra x1, x10, x100, x1k, x10k ->Kết hợp giữa nút chọn tầm và dĩa xoay ta có kết quả tần số ra mong muốn. • Nút chọn Waveform: Chọn kiểu sóng ra là sóng vuông hay sóng sine. • Nút xoay Amplitude: Điều chỉnh biên độ tín hiệu ra với giá trị max là 24Vpp. • Nút xoay Attenuator (dB): Chỉnh độ suy hao biên độ từ 0>>50dB 3/Máy phát sóng (Function Generator) KENWOOD FG-273A: Từ Lâm Thanh Page 42 PHỤ LỤC: THAO TÁC VẬN HÀNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Hình 3: Máy phát sóng Các nút nhấn chỉnh tầm tần số: 10 Hz->> 1MHz Nút xoay chỉnh giá trị từ 0->>2 ->> Kết hợp giữa nút nhấn và núm xoay ta có kết quả tần số ra mong muốn. Các loại nút nhấn chọn loại tín hiệu ra: sóng vuông, sine hay sóng tam giác. Nút xoay Amplitude chỉnh biên độ tín hiệu ra:Max 23Vpp Nút Push TTL/Pull CMOS ADJ: Khi nút này ở trong sẽ cho ra tín hiệu sóng vuông TTL với biên độ 4 Vpp cố định ở ngõ ra TTL/CMOS. Khi ta kéo nút này lên thì ở ngõ ra TTL /CMOS là tín hiệu sóng vuông CMOS có biên độ thay đổi được từ 5V->15V. Offset /Pull ADJ: Nút điều chỉnh offset ngõ ra, muốn điều chỉnh phải kéo núm này ra và vặn, nếu ta vặn về bên trái tức dấu (-) thì tín hiệu có mức offset âm và ngược lại ta có mức offset dương khi vặn về bên phải tức dấu (+). Duty /Pull inv: Núm này dùng để chỉnh chu kì làm việc của sóng vuông sóng tam giác …. , kéo ra là ta thay đổi theo hướng ngược lại so với khi nút không kéo. -20dB, -40dB: Nút điều chỉnh suy hao ngõ ra ở mức -20dB và -40dB. Width /Pull on: Kéo nút này ra là cho phép mạch quét thay đổi độ rộngxung TTL /CMOS phải kết hợp với kéo nút Rate ra. Rate /Pull log: Kéo núm này ra là thực hiện quét theo kiểu logarit. 4/ VOM SANWA YX 360 TRF: 4.1/Tổng quan: Đồng hồ đo vạn năng là dụng cụ dùng để đo dòng, áp và giá trị điện trở, kiểm tra pin v.v…. Đồng hồ đo có nhiều loại khác nhau ví dụ như hiển thị kim, số …. 4.2/ Hướng dẫn sử dụng: Đồng hồ đo cơ bản gồm nút xoay chọn tầm và chỉnh chức năng, mặt kim hiển thị, và nút điều chỉnh 0 Ω và 2 probe đo. - Nút xoay chỉnh chức năng và chọn tầm: • Phần DCV trên nút xoay dùng để đo điện áp một chiều với tầm từ 0.1VDC -> 1000 VDC. Từ Lâm Thanh Page 43 PHỤ LỤC: THAO TÁC VẬN HÀNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM • Phần DCA trên nút xoay dùng để đo dòng điện 1 chiều với tầm đo từ 50μA -> 250 mA. • Phần ACV dùng để đo điện áp xoay chiều tầm từ 10VAC > 750 VAC. • Phần đo điện trở với tầm x1 -> x1k. • Phần đo tụ C tới 10μF. • Cuối cùng là vị trí OFF tắt máy. - Màn hình hiển thị gồm các vòng giá trị ứng với mỗi kiểu đo. - 2 Probe đo để kết nối với đối tượng đo với que đỏ nối với đầu âm của pin VOM và đầu đen nối với cực dương của pin VOM. - Nút chỉnh 0Ω dùng để chỉnh giá trị về 0Ω. 5/ Lab –Volts Base Unit: Đế thí nghiệm với bộ nguồn DC =15V và nguồn điều chỉnh được tầm ±10V có sẵn và khe dùng để kết hợp với kit thí nghiệm. 6/ Kit DC Network Theorems, AC2 Fundamental: Kit DC Network Theorems dùng để thí nghiệm các phương pháp phân tích mạch. Kit AC2 dùng để thí nghiệm các dạng mạch lọc thụ động thông thấp, thông cao, thông dải, ngưng dải. III. Ôn tập và mở rộng: Bài tập làm quen với thiết bị: 1-Từ máy tạo sóng AG203D tạo tín hiệu sóng vuông tần số 1 kHz biên độ 4Vpp rồi cho hiển thị lên kênh CH1 của Oscilloscope. Bước 1: Thao tác bật công tắc nguồn máy phát sóng và nhấn chọn tín hiệu xung vuông sau đó điều chỉnh tần số ra chọn tầm x100 rồi xoay đĩa về giá trị 10 để có tín hiệu ra là 1kHz. Bước 2: Nhấn nút power dao động kí sau đó ta kết nối probe đó kênh CH1 với máy phát sóng. Chú ý: Tín hiệu mass (dây đen ) của cả máy phát và Oscilloscope phải được nối chung nếu không tín hiệu sẽ bị nhiễu. Chỉnh giá trị Volts /div và Time /Div ở phần CH1 và Horizontal sao cho tín hiệu trên màn hình cao 4 ô và bề ngang cho một chu kì cũng là 4 ô. Đọc và ghi lại giá trị Volt /div và Time /Div đó sau đó suy ra chu kì của tín hiệu. 2-Sau đó ta xoay giá trị Var ở mục CH1 ngược chiều kim đồng hồ. Ta thấy có sự thay đổi vềbiên độ của tín hiệu ra. Ghi lại và nhận xét. 3-Ta kéo nút x10 MAG ở bên phần Horizontal và tính lại chu kì trong trường hợp này. Từ Lâm Thanh Page 44 PHỤ LỤC: THAO TÁC VẬN HÀNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 4-Trên máy phát sóng ta vặn nút Attenuator sang mức -20dB.Sau đó chỉnh lại giá trị Volt /div trên kênh CH1 sao cho dễ thấy và hãy đo giá trị mới này. 5-Biết công thức tính dB như sau: A (dB )=20log (Vmoi /Vcu ) Với A ở đây là -20 và Vcu = 4Vpp Tính Vmoi và so sánh với kết quả đo. Câu hỏi mở rộng: Nêu cách đo độ lệch pha dùng dao động kí. Tín hiệu CH1 và CH2 phải có pha như thế nào để khi chuyển sang xem ở chế độ X-Y thì là hình tròn. Từ Lâm Thanh Page 45 [...]... PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH Hình 1.19: Mạch cầu a Xác định nhánh tải trong mô hình mạch cầu b Giá trị RTH này ở bên ngõ vào hay ngõ ra của mạch cầu c Tính và ghi lại giá trị RTH d Ngắn mạch nguồn áp, dùng VOM đo giá trị RTH So sánh kết quả đo với giá trị lý thuyết Nhận xét e Nếu ta tính RTH tại 2 đầu A&C của mạch cầu thì kết quả có thay đổi không? f So sánh giá trị RTH ta tính được ở trên và giải thích tại sao... ngắn mạch của mạch Thevenin) i Hãy nêu mối quan hệ giữa RTH trong mạch Thevenin và RN trong mạch Norton j Hoàn tất hình bên dưới: Hình 1.23 Ráp mạch bên mô hình mạch Norton: Từ Lâm Thanh Page 12 BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH HÌnh 1.24 Gắn RN vào mạch Dựa vào kết quả tính toán ở trên => IRN và IRL trên mô hình Norton Suy ra điện áp VRL trên mô hình Norton Đo dòng không tải trên mô hình mạch. .. 0.5 Vdc II.Mục đích: Tính toán,đo thời hằng mạch RC, RL Khảo sát ảnh hưởng của thời hằng trong mạch RC, RL III Bài chuẩn bị: Mạch RC: Yêu cầu: • Vẽ mạch RC • Tính thời hằng τ • Mô phỏng mạch RC bằng phần mềm (Orcad,Proteus,Workbench ….) quan sát sóng trên tụ C • Khảo sát ảnh hưởng của τ trong mạch RC Mạch R : Yêu cầu: • Vẽ mạch RL • Tính thời hằng τ • Mô phỏng mạch RL bằng phần mềm (Orcad,Proteus,Workbench... đích: Bài thí nghiệm này giúp sinh viên xác định được tần số cắt của mạch lọc, sự thay đổi của tín hiệu khi qua mạch lọc thụ động Khảo sát đặc tuyến tần số của các mạch lọc thụ động III Bài chuẩn bị: Mạch lọc thông thấp (mạch lọc tần số cao): Yêu cầu: • Vẽ mạch lọc thông thấp RC và RL • Xác định hàm truyền • Viết công thức tính tần số cắt, BW • Vẽ đặc tuyến biên độ theo tần số • Mô phỏng mạch bằng... 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG BÀI 3:MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG I Lý thuyết: 1.1/ Các bộ lọc thông thấp và thông cao: Các mạch lọc được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng và với nhiều tần số khác nhau Mục đích cơ bản của các mạch lọc là chặn (hoặc làm yếu) các tần số không mong muốn và cho các tần số mong muốn đi qua với sự suy giảm ít nhất Ta có nhiều loại mạch lọc như lọc thông thấp, thông cao, thông dải v.v… Các mạch. .. Không màu 20% Bảng 2.2 Bảng vòng màu điện trở Từ Lâm Thanh Page 14 BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL I Lý thuyết: Thời hằng τ của mạch là thời gian cần thiết cho dòng điện trong mạch điện cảm hoặc cho điện áp trong mạch điện dung để đạt đến xấp xỉ 63% giá trị lớn nhất của nó Thời hằng (τ) của mạch RC phụ thuộc vào giá trị của R (điện trở) và C (điện dung) τ= RC Trong công thức... trong mạch RL IV Thực hành: 1/Dụng cụ,thiết bị thực hành: • Dao động ký • Máy phát sóng • Bộ nguồn F.A.C.E.T Từ Lâm Thanh Page 17 BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL • Kit thí nghiệm AC1 Fundamentals 2/ Thực hành: 2.1 Thời hằng RC: Mắc mạch như hình: Hình 2.4: Mạch RC Quan sát VR1 bằng dao động ký (mode DC) nhấn và giữ công tắc S1, điện áp VR1 tăng một cách tức thời hay có sự trì hoãn của thời hằng? Mắc mạch. .. số • Mô phỏng mạch bằng phần mềm (Orcad, Proteus, Workbench…) Mạch lọc chắn dải: Từ Lâm Thanh Page 29 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG Yêu cầu : • Vẽ mạch lọc chắn dải mắc nối tiếp và song song • Xác định hàm truyền • Viết công thức tính tần số cắt, BW, hệ số phẩm chất Q • Vẽ đặc tuyến biên độ theo tần số • Mô phỏng mạch bằng phần mềm (Orcad,Proteus,Workbench…) IV Thực hành: 1/ Dụng cụ thí nghiệm: • • •... ra, nhận xét i Thay đổi R1 ảnh hưởng thế nào đến Q 2.4 Mạch lọc chắn dải: 2.4.1 Mạch lọc chắn dải nối tiếp: Hình 3.15 Mạch lọc chắn dải mắc nối tiếp Mắc mạch SERIES BAND STOP FILTER như hình 3.15 (Ngắn mạch R2): a Chỉnh VGEN =15 Vpp, f =1 kHz, sóng sine Đo và ghi lại Vout Từ Lâm Thanh Page 35 BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG b Thay đổi tần số máy phát để mạch đạt cộng hưởng, ghi tần số cộng hưởng fr vào bảng... không tải trên mô hình mạch Norton và so sánh với dòng ngắn mạch ở hình Thevenin e So sánh điện áp không tải và có tải của mạch Thevenin và mạch Norton Nhận xét f Sử dụng VOM quan sát dòng điện tổng mô hình mạch Norton.Gắn tải RL& RN vào mạch ghi lại giá trị đọc được trên VOM Tháo tải ra Dòng tổng có thay đổi không Tại sao? g Tháo RN ra khỏi mạch Dòng tổng có thay đổi không Tại sao? a b c d V Ôn tập