BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài: MÔ PHỎNG BỘ TẠO DAO ĐỘNG TẦN SỐ FM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II Đề tài MÔ PHỎNG BỘ TẠO DAO ĐỘNG TẦN SỐ FM Nhóm sinh viên thực hiện NGÔ THẾ QUÂN 20172768 ĐTVT 05 K62 116. LỜI NÓI ĐẦU Trong thời kì hội nhập ngày nay, để có thể bắt kịp các nước phát triển và vươn lên, Việt Nam cần một đội ngũ kỹ sư lành nghề, có hiểu biết sâu rộng và có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp. Trong hoàn cảnh công nghệ hiện đại ngày càng được sử dụng rộng rãi trong đời sống, việc sử dụng nhuần nhuyễn công nghệ như là một công cụ để học tập và làm việc là ưu tiên hàng đầu. Tuy nhiên, là sinh viên thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội, khoa Điện tử viễn thông, chúng em không những cần học cách sử dụng các thành tựu công nghệ của thế giới như một công cụ sao cho hiệu quả mà còn cần phải hiểu rõ cách mà chúng hoạt động, tìm hiểu các thành phần từ những bộ phận nhỏ nhất, nhằm có thể tối ưu hóa, cải tiến chúng, tăng năng suất, góp phần đẩy mạnh cuộc cách mạng khoa học công nghệ. Trong các hệ thống viễn thông, bộ tạo dao động là thành phần cốt lõi không thể thiếu. Bộ tạo dao động thường được sử dụng để tạo sóng mang, một dạng sóng (thường là sóng hình sin) được điều biến với một tín hiệu nhập liệu (còn gọi là sóng điều biến) nhằm mục đích chuyển vận thông tin. Sóng tải thường có tần số cao hơn so với tần số của tín hiệu mà nó truyền tải. Chức năng của sóng tải thường là dùng để truyền các thông tin xuyên qua không gian như là một sóng điện từ (ví dụ như liên lạc bằng sóng vô tuyến) hay là cho phép vài sóng tải tần số khác nhau có thể chia sẻ chung một môi trường phát sóng vật lý bằng phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số. Ở bài tập này, chúng em quyết định chọn đề tài mô phỏng công nghệ điều chế tần số (Frequency Modulation FM). Qua quá trình học tập, nghiên cứu để thực hiện bài tập lớn này, chúng em không những nắm bắt được những kiến thức cơ bản về cách thức hoạt động mạch tạo dao động LC cơ bản, hoàn thiện và hiểu kĩ hơn về kiến thức đã được học ở trên lớp, nhất là 2 môn Điện tử tương tự I và Điện tử tương tự II, mà chúng em còn hiểu rõ hơn vai trò của bản thân mình đối với cuộc cách mạng công nghệ đang diễn ra và được đẩy mạnh hơn bao giờ hết. Đây chính là một trong những động lực để chúng em ra sức học tập và đóng góp vào cuộc cách mạng cộng nghệ của đất nước và thế giới. Qua đây nhóm chúng em xin phép bày tỏ lòng biết ơn đến sự dạy dỗ và chỉ bảo của thầy Nguyễn Anh Quang, người trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ chúng em họchỏi và tìm hiểu để có thể hoàn thành bài tập lớn này. Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II

Đề tài:

MÔ PHỎNG BỘ TẠO DAO ĐỘNG TẦN SỐ FM

Nhóm sinh viên thực hiện:

NGÔ THẾ QUÂN 20172768 ĐTVT.05-K62 116280

Email: thequan1510@gmail.com

Số điện thoại 0829216760

ĐỖ TRƯỜNG GIANG 20172524 ĐTVT.07-K62 116280 BÙI VÂN ANH 20172412 ĐTVT.06-K62 116280

VŨ THỊ MINH PHƯƠNG 20172757 ĐTVT.05-K62 116280 CHU MINH PHƯỢNG 20170032 ĐTVT.05-K62 116280

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN ANH QUANG

Hà Nội, 6-2020

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời kì hội nhập ngày nay, để có thể bắt kịp các nước phát triển và vươn lên, Việt Nam cần một đội ngũ kỹ sư lành nghề, có hiểu biết sâu rộng và có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp Trong hoàn cảnh công nghệ hiện đại ngày càng được sử dụng rộng rãi trong đời sống, việc sử dụng nhuần nhuyễn công nghệ như là một công

cụ để học tập và làm việc là ưu tiên hàng đầu Tuy nhiên, là sinh viên thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội, khoa Điện tử viễn thông, chúng em không những cần học cách sử dụng các thành tựu công nghệ của thế giới như một công cụ sao cho hiệu quả mà còn cần phải hiểu rõ cách mà chúng hoạt động, tìm hiểu các thành phần từ những bộ phận nhỏ nhất, nhằm có thể tối ưu hóa, cải tiến chúng, tăng năng suất, góp phần đẩy mạnh cuộc cách mạng khoa học công nghệ

Trong các hệ thống viễn thông, bộ tạo dao động là thành phần cốt lõi không thể thiếu Bộ tạo dao động thường được sử dụng để tạo sóng mang, một dạng sóng (thường là sóng hình sin) được điều biến với một tín hiệu nhập liệu (còn gọi là sóng điều biến) nhằm mục đích chuyển vận thông tin Sóng tải thường có tần số cao hơn so với tần số của tín hiệu mà nó truyền tải Chức năng của sóng tải thường là dùng để truyền các thông tin xuyên qua không gian như là một sóng điện từ (ví dụ như liên lạc bằng sóng vô tuyến) hay là cho phép vài sóng tải tần số khác nhau có thể chia sẻ chung một môi trường phát sóng vật lý bằng phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số

Ở bài tập này, chúng em quyết định chọn đề tài mô phỏng công nghệ điều chế tần số (Frequency Modulation - FM)

Qua quá trình học tập, nghiên cứu để thực hiện bài tập lớn này, chúng em không những nắm bắt được những kiến thức cơ bản về cách thức hoạt động mạch tạo dao động LC cơ bản, hoàn thiện và hiểu kĩ hơn về kiến thức đã được học ở trên lớp, nhất là

2 môn Điện tử tương tự I và Điện tử tương tự II, mà chúng em còn hiểu rõ hơn vai trò của bản thân mình đối với cuộc cách mạng công nghệ đang diễn ra và được đẩy mạnh hơn bao giờ hết Đây chính là một trong những động lực để chúng em ra sức học tập

và đóng góp vào cuộc cách mạng cộng nghệ của đất nước và thế giới

Qua đây nhóm chúng em xin phép bày tỏ lòng biết ơn đến sự dạy dỗ và chỉ bảo của thầy Nguyễn Anh Quang, người trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ chúng em học

hỏi và tìm hiểu để có thể hoàn thành bài tập lớn này Chúng em xin chân thành cảm ơn

sự hướng dẫn tận tình của thầy

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC HÌNH VẼ ii

CHƯƠNG 1 TÓM TẮT CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1

1.1 Dao động điều hoà 1

1.1.1 Nguyên lý mạch tự dao động 1

1.1.2 Điều kiện của dao động điều hoà 2

1.2 Mạch dao động LC 3

1.2.1 Mô hình mạch cộng hưởng LC 3 điểm 3

1.2.2 Mạch dao động Hartley 4

CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ADVANCED DESIGN SYSTEM 5

2.1 Sơ lược về phần mềm Advanced Design System 5

2.2 Các tính năng chính 6

2.3 Giao diện phần mềm 7

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG BỘ TẠO DAO ĐỘNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ADS 10

3.1 Thiết kế bộ tạo dao động 10

3.2 Ghép nối hồi tiếp và liên kết với thành phần mô phỏng 13

3.3 Kết quả mô phỏng 14

KẾT LUẬN 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

i

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hoá mạch tự dao động 1

Hình 1.2 Dao động hình sin 2

Hình 1.3 Mô hình mạch cộng hưởng LC 3 điểm 3

Hình 1.4 Mạch dao động Hartley 4

Hình 2.1 Giao diện khởi động 7

Hình 2.2 Giao diện thiết kế sơ đồ mạch điện 8

Hình 2.3 Giao diện kết quả mô phỏng 9

Hình 3.1 Sơ đồ chi tiết bộ tạo dao động 11

Hình 3.2 Các thông số của BJT sử dụng trong mô phỏng 12

Hình 3.3 Kí hiệu bộ tạo dao động 13

Hình 3.4 Ghép nối các khối và liên kết với thành phần mô phỏng 13

Hình 3.5 Tín hiệu tạo bởi mạch tạo dao động 14

1

CHƯƠNG 1 TÓM TẮT CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mạch tạo dao động là một mạch điện tử quan trọng trong kỹ thuật điện tử Các dao động có thể được tạo ra từ các mạch tự dao động đơn giản, từ các vi mạch chuyên dụng, từ các mạch tổng hợp, từ các mạch phát hàm hoặc kết hợp phần cứng và xử lý lập trình

Mạch tạo dao động dùng để tạo ra các dao động điện có hình dạng, biên độ và tần

số xác định Các dao động điện được tạo ra được dùng như nguồn tín hiệu thử nghiệm, tín hiệu tải tin, tín hiệu điều khiển, nguồn năng lượng cao tần,…

Các dao động cơ bản có dạng sóng sin, sóng vuông, sóng tam giác, sóng răng cưa Những sóng này khi qua các mạch biến đổi sẽ nhận được các dạng sóng đặc biệt khác

Ở bài tập lớn này, nhóm chúng em chỉ tập trung vào dao động hình sin

1.1 Dao động điều hoà

1.1.1 Nguyên lý mạch tự dao động

Một hệ thống mạch gồm có Khối khuếch đại và Khối hồi tiếp có thể phát sinh dao động, đó là nguyên lý cơ bản của mạch tự dao động Sơ đồ khối đơn giản hoá mạch tự dạo động:

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hoá mạch tự dao động

Hình 1.1 mô tả mạch tự dao động, gồm có:

− Khối khuếch đại với hệ số khuếch đại 𝐾, hệ số góc 𝜙𝐾

− Khối hồi tiếp với hệ số truyền đạt 𝐾𝑓𝑏, hệ số góc 𝜙𝑓𝑏

Điều kiện để có dao động điều hoà [1]:

− Điều kiện cân bằng biên:

2

− Điều kiện cân bằng pha:

Phương trình (1) thể hiện điều kiện về biên độ: Tích độ lớn hệ số khuếch đại trong

vòng kín phải bằng 1 Phương trình (2) thể hiện điều kiện về pha: Tổng dịch pha trong

vòng kín phải bằng 0 hoặc 360 độ

1.1.2 Điều kiện của dao động điều hoà

Dao động điều hoà là dao động hình sin, được sử dụng để làm sóng mang trong các

hệ thống thông tin

Hình 1.2 Dao động hình sin

Ngoài hai điều kiện của mạch tự dao động như phương trình (1) và (2), một dao

động được gọi là điều hoà khi nó dao động tại một tần số duy nhất

Mạch hồi tiếp có đặc tính chọn lọc tần số hay tần số dao động do mạch hồi tiếp

quyết định Trong lĩnh vực tần số thấp, mạch hồi tiếp là các mạch RC đặc biệt như

mạch cầu Wien, mạch dịch pha, mạch cầu T kép,… Trong lĩnh vực tần số cao, mạch

hồi tiếp là mạch cộng hưởng LC: mạch 3 điểm điện cảm, mạch 3 điểm điện dung và

mạch cộng hưởng Quartz Mạch hồi tiếp có hệ số phẩm chất Q càng lớn, đặc tính pha

càng dốc thì tần số dao động càng ổn định

Trong bài tập lớn này, nhóm chúng em quyết định sử dụng Mạch dao động Hartley

1.2.1 Mô hình mạch cộng hưởng LC 3 điểm

Hình 1.3 Mô hình mạch cộng hưởng LC 3 điểm

Hình 1.3 mô tả mạch cộng hưởng LC 3 điểm, trong đó 𝑍1, 𝑍2, 𝑍3 phải là L hoặc C

5

CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ADVANCED

DESIGN SYSTEM

Advanced Design System là một phần mềm mạnh mẽ, hỗ trợ đầy đủ cho nhu cầu

mô phỏng từ các mạch cơ bản được học trong môn học Điện tử tương tự II cho đến các

hệ thống tương tự, hệ thống viễn thông lớn Ở phần này, chúng em sẽ giới thiệu sơ lược về phần mềm Advanced Design System, các tính năng cũng như giao diện người dùng của phần mềm Việc sử dụng phần mềm để mô phỏng Bộ tạo dao động LO ở CHƯƠNG 1 sẽ được mô tả đầy đủ hơn ở CHƯƠNG 3

2.1 Sơ lược về phần mềm Advanced Design System

Advanced Design System (ADS) tên đầy đủ là Keysight Advanced Design System,

là một hệ thống phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử được thiết kế và phát triển bởi Keysight EEsof EDA, một bộ phận của công ty Keysight Technologies [2]

ADS hỗ trợ từng chút một cho quá trình thiết kế [2] - từ thiết kế sơ đồ mạch điện, cho đến thiết kế bố cục linh kiện, từ mô phỏng mạch trên miền tần số đến miền thời gian, mô phỏng trường điện từ, … nhằm hỗ trợ người kĩ sư mô tả và tối ưu hệ thống

RF mà không cần phải thay đổi phần mềm

Đó chính là lý do mà ADS được coi là phần mềm thiết kế điện tử hàng đầu thế giới, dành cho các ứng dụng RF, lò vi sóng và truyền thông tin tốc độ cao Ngoài ra ADS còn đi tiên phong trong công nghệ mô phỏng nhiệt - 3DEM, được sử dụng bởi các công ty hàng đầu trong ngành công nghiệp năng lượng, truyền thông không dây, mạng tốc độ cao, hàng không vũ trụ, ô tô và ngành năng lượng Đối với các thiết kế cung cấp năng lượng chuyển đổi tốc độ cao như 5G, hệ thống IoT nhiều Gigabit, radar, vệ tinh

và tốc độ cao Keysight ADS cung cấp một môi trường mô phỏng và xác minh tích hợp, phù hợp để thiết kế phần cứng hiệu suất cao, tuân thủ kỹ thuật số và quân sự không dây, tốc độ cao mới nhất tiêu chuẩn

Do độ phức tạp lớn, hỗ trợ nhiều tính năng, phần mềm yêu cầu hệ thống mạnh mẽ hơn nhiều so với các phần mềm mô phỏng mạch điện hay thiết kế mạch truyền thống khác Để có thể sử dụng được phần mềm cần tối thiểu có máy tính sử dụng Window 7

− Bố trí và hoàn thành sơ đồ mạch điện

− Mô phỏng hệ thống và mạch sáng tạo và công nghiệp hàng đầu

− Truy cập trực tiếp, tự nhiên vào máy bay 3D và bộ giải quyết trường EM 3D đầy đủ

− Số lượng lớn bộ dụng cụ thiết kế quy trình (Process Design Kit - PDK) được phát triển và duy trì bởi các đối tác công nghiệp và xưởng đúc hàng đầu

− Tối ưu hóa Buồng lái để phản hồi và kiểm soát thời gian thực

− Tạo mô hình tham số X từ sơ đồ mạch và NVNA của Keysight cho thiết kế tần

số cao phi tuyến

− Thư viện không dây cho phép thiết kế và xác minh các tiêu chuẩn không dây mới nhất

− Phân tích và mô phỏng một số mạch AC và DC

− Có khả năng tính toán tất cả các loại tiếng ồn nhiệt và tuyến tính

− Có khả năng phân tích các bộ khuếch đại lớn

− Mô phỏng cân bằng hài (Harmonic Balance - HB)

− Phân tích và mô phỏng các thông số S

− Điều chỉnh mạch điện tử

− Truyền các phần tử mạch đến cửa sổ sơ đồ

− Thiết kế và tối ưu hóa bộ lọc dừng băng tần

− Thiết kế bộ lọc analog và kỹ thuật số

− Tính toán các tham số tán xạ MOSFET

− Làm việc với biểu đồ Smith

Ngoài ra, ADS còn hỗ trợ rất nhiều tính năng khác phức tạp hơn Trong đó, do giới hạn về thời gian cũng như đề tài, chúng em chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu một số chức năng cơ bản mà có thể áp dụng trực tiếp vào đề tài này như: Bố trí và hoàn thành sơ đồ

cơ bản

Hình 2.1 Giao diện khởi động

Từ giao diện khởi động ở Hình 2.1, ta có thể truy cập vào các tập tin của Dự án (Project) hiện tại, bao gồm các sơ đồ mạch điện, tạo Kí hiệu (Symbol) linh kiện mới, biểu đồ sau mô phỏng

Từ giao diện này, ta cũng có thể tạo Dự án mới, hoặc tạo các tập tin thư mục mạch điện mới ở đây, mỗi sơ đồ mạch điện có thể đi kèm với một Kí hiệu mô tả chính mạch điện đó để sử dụng ở các sơ đồ khác Biểu đồ mô phỏng được tạo ra khi ta chạy mô phỏng trong giao diện ở Hình 2.2, có tên giống với tên tập tin sơ đồ mạch điện đó

8

Hình 2.2 Giao diện thiết kế sơ đồ mạch điện

Hình 2.2 mô tả giao diện làm việc chính của phần mềm ADS, giao diện sơ đồ mạch điện Đây là nơi ta thiết kế mạch điện sử dụng trong mô phỏng, hay thiết kế những sơ

đồ mạch điện con kèm với kí hiệu

Từ giao diện chính này, ta có thể mở thêm nhiều cửa sổ con nhằm tìm kiếm linh kiện điện tử cơ bản, các mô-đun thường dùng trong mạch tương tự, hệ thống viễn thông hay các mô-đun mô phỏng từ các thư viện có sẵn Ngoài ra ta có thể tự tạo một mô-đun riêng và thiết kế Kí hiệu mới để có thể sử dụng nó trong hệ thống lớn hơn Đối với sơ đồ mạch điện có thành phần mô phỏng, ta có thể sử dụng chức năng mô phỏng ở giao diện này (hình Bánh răng cưa trên thanh công cụ) để tiến hành mô phỏng

và chuyển đến giao diện kết quả mô phỏng như Hình 2.3

9

Hình 2.3 Giao diện kết quả mô phỏng

Ở giao diện này, ta có thể hiển thị đồ thị kết quả mô phỏng, biểu diễn các phương trình cần thiết thông qua chức năng Equation Đồ thị Hình 2.3 mô tả điện áp Output theo miền thời gian

Ngoài các giao diện này, có một số giao diện thiết kế khác nằm ngoài phạm vi của bài tập lớn này nên em sẽ không mô tả ở đây Thầy và bạn đọc có thể tìm hiểu ở trang chủ của Keysight EEsof EDA hoặc thông qua phần Trợ giúp (Help) trong phần mềm

3.1 Thiết kế bộ tạo dao động

Do bộ tạo dao động khá phức tạp, chúng em quyết định tách riêng bộ tạo dao động

và sau đó nối hồi tiếp, đồng thời ghép nối với bộ mô phỏng Cân bằng hài ở 3.2

Hình 3.1 mô tả chi tiết khối khuyếch đại, trong đó các giá trị của các linh kiện cơ bản như Điện trở R, Tụ điện C, Cuộn cảm L (cùng với nội trở) được ghi rõ ngay trên

sơ đồ và có thể dễ dàng thay đổi trước khi thực hiện mô phỏng

Các thông số của BJT NPN được đặt và có thể thay đổi thông qua mô hình BJT ở Hình 3.2 Trong đó các tham số được để trống là các tham số mang giá trị mặc định do phần mềm ADS quy định

11

Hình 3.1 Sơ đồ chi tiết bộ tạo dao động

12

Hình 3.2 Các thông số của BJT sử dụng trong mô phỏng

Khối khuếch đại: BJT phân cực phân áp, B chung ⟹ Khuếch đại thuận

13

Hình 3.3 Kí hiệu bộ tạo dao động

Trong Hình 3.1, các kí hiệu từ P1 đến P5 là những kí hiệu nhằm xác định các điểm vào ra của khối mạch con Sử dụng tính năng tạo Ký hiệu của phần mềm ADS, chúng

em tạo ra Ký hiệu bộ tạo dao động ở Hình 3.3

3.2 Ghép nối hồi tiếp và liên kết với thành phần mô phỏng

Hình 3.4 Ghép nối các khối và liên kết với thành phần mô phỏng

Trong Hình 3.4, khối osc chính là ký hiệu bộ tạo dao động mô tả ở Hình 3.3

Chúng em sử dụng tải 50Ω và đo 𝑉𝑜𝑢𝑡 thông qua bộ mô phỏng Cân bằng hài HB

Hình 3.5 Tín hiệu tạo bởi mạch tạo dao động

Hình 3.5 là kết quả mô phỏng bộ dao động điều hoà với tần số dao động xấp xỉ 97.33MHz, phù hợp với băng tần của FM trong khoảng từ 87.5 đến 108MHz [3]

15

KẾT LUẬN

Qua một thời gian tự tìm hiểu, nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Anh Quang, nhóm chúng em đã mô phỏng thành công bộ dao động điều hoà ở băng dài tần số FM

Mặc dù đã có nhiều cố gắng ôn lại các kiến thức đã được học từ trước, kết hợp tra cứu các tài liệu chuyên ngành, tìm hiểu cách sử dụng phần mềm nhưng do hạn chế về thời gian, khả năng và kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Tuy vậy, chúng em đã rất nổ lực và cố gắng hoàn thành tốt bài tập mô phỏng, chúng

em mong nhận được sự góp ý của thầy

Để hoàn thành bài tập lớn này, một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Anh Quang đã hướng dẫn chúng em Chúng em xin chân thành cảm ơn

16

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Trinh Đường, Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải, Nguyễn Quốc Cường, Điện

Tử Tương Tự, Nhà xuất bản Giáo dục, 2007

[2] "Advanced Design System - Wikipedia," 2018 [Online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Design_System

[3] "FM broadcasting - Wikipedia," Wikipedia, 05 2020 [Online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/FM_broadcasting [Accessed 06 2020]