thí nghiệm tách sóng trong chương trình điện tử đại cương của khoa vật lý

- Căn cứ theo hình dạng của bộ lọc chia thành bộ lọc chữ L ngược, bộ lọc chữ U1: Điện áp vào của bộ lọc U2: Điện áp ra của bộ lọc Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của k hay β theo tần số gọ

Trang 1

Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Thúy

sẽ góp phần rất lớn thúc đẩy sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật khác

Để thực hiện thành công công cuộc công nghiệp húa hiện đại húa đất nước đòi hỏinước ta phải đầu tư phát triển nghành điện tử để nú có được bước tiến nhanh hơnnữa

Một lĩnh vực quan trọng hàng đầu của kỹ thuật điện tử là kỹ thuật truyền tínhiệu đi xa (truyền thanh, truyền hình) Ngày nay kỹ thuật truyền tín hiệu đi xa đãđạt đến trình độ rất cao (truyền hình số), để đạt được đến trình độ đó thì các nhà kỹthuật hiện nay cũng phải bắt đầu nghiên cứu từ những nguyên lý cơ bản của kỹthuật truyền tín hiệu đi xa (kỹ thuật truyền tín hiệu tương tự)

Để sinh viên khoa Vật Lý dễ dàng hiểu được nguyên lý tách sóng, là mộtnguyên lý cơ bản của kỹ thuật truyền tín hiệu đi xa đề tài đã tập trung xây dựngbài thí nghiệm tách sóng trong chương trình điện tử đại cương của khoa Vật Lý

II. MỤC TIấU, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

1. Mục tiêu

Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng bài thí nghiệm tách sóng, viết tài liệu hướngdẫn thực hành nội dung này để phục vụ cho học phần thực hành điện tử đại cương

2. Nhiệm vụ

• Nghiên cứu lý thuyết về tách sóng

• Thiết kế bài thí nghiệm tách sóng

Lớp: CLC - K55 - Khoa Vật lý Trường

ĐHSP Hà Nội

Trang 2

• Viết tài liệu hướng dẫn thực hành bài tách sóng

I. PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU

Nghiên cứu các tài liệu liên quan về tách sóng, điều chế, mạch lọc, khung cộnghưởng, các tài liệu hướng dẫn thực hành điện tử đại cương…

Tiến hành thực nghiệm

II. CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI

Ngoài phần mở đầu và kết luận, đề tài gồm hai phần:

Mạch lọc thụ động là mạch lọc chứa các phần tử thụ động R, L, C mà không cócác phần tử tích cực như BJT hay KĐTT

Có nhiều loại mạch lọc khác nhau căn cứ theo các cách khác nhau:

Trang 3

ĐHSP Hà Nội

- Căn cứ theo công dụng của bộ lọc chia thành bộ lọc tần số thấp, bộ lọc tần sốcao, bộ lọc tần số cao, bộ lọc dải tần, bộ lọc bỏ dải tần

- Căn cứ theo hình dạng của bộ lọc chia thành bộ lọc chữ L ngược, bộ lọc chữ

U1: Điện áp vào của bộ lọc

U2: Điện áp ra của bộ lọc

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của k hay β theo tần số gọi là đặc tuyến tần sốcủa bộ lọc

Các mạch lọc thụ động có hệ số truyền đạt k < 1, mạch lọc lí tưởng có hệ sốtruyền đạt k = 1

Ở vùng tần số thấp tụ C có trở kháng rất lớn nên nú không thoát qua tụ được,khi đó U2 ≈ U1 Ở vùng tần số cao, trở kháng của tụ C đủ nhỏ nên nú thoát qua tụ,khi đó U2 ≈ 0 Do đó ở đầu ra ta chỉ thu được thành phần tần số thấp

2.2 Mạch lọc tần số cao

Trang 4

Là bộ lọc cho qua các dòng điện tần số cao và không cho qua các dòng mộtchiều và tần số thấp.

Điều chế là quá trình điều khiển dao động cao tần không tắt theo một qui luật nào đó của dao động tín hiệu cần truyền đi.

Dao động cao tần được gọi là sóng mang, dao động tín hiệu cần truyền đi gọi làsóng làm điều chế, dao động cao tần đã bị điều chế gọi là sóng điều chế

1.2 Phân loại điều chế

Trang 5

Do một dao động điện được đặc trưng bởi biên độ, tần số và pha xác định u =

Um cos(ωt+φ)

Nên theo định nghĩa trên có thể làm dao động cao tần điều chế bằng cách tácdụng lên một trong ba đại lượng trên, để đại lượng đó biến đổi theo một qui luậtnào đó của tín hiệu cần truyền đi F(t)

Vậy có ba loại điều chế cơ bản:

• Điều chế biên độ (gọi tắt là điều biên) là loại điều chế mà biên độ của sóngmang biến đổi theo qui luật F(t) của tín hiệu cần truyền đi Tức là Um biến đổi theoF(t): Um ~ F(t), còn ω = const, φ = const (hình 2.1)

• Điều chế tần số (gọi tắt là điều tần) là loại điều chế mà tần số của sóngmang biến đổi theo qui luật F(t) của tín hiệu cần truyền đi: ω ~ F(t), còn Um =const, φ = const (hình 2.2)

ĐHSP Hà Nội

Hình 2 1:a) Dao động cao tần ; b) Dao động âm tần ; c) Dao động điều biên

Trang 6

Hình 2.2: a) Dao động cao tần ; b) Dao động âm tần ; c) Dao động điều tần

(2 5)

Trang 7

Theo quan điểm kỹ thuật, sau khi điều chế không nhất thiết phải truyền cả daođộng mang đi, mà có thể chỉ truyền đi một dải sóng biên nào đó có chứa tín hiệucần truyền đi là được Vì vậy người ta dùng khung cộng hưởng LC điều chỉnh vềtần số cộng hưởng với ω để tách riêng thành phần được điều chế ra khỏi các daođộng phức tạp khác Trên mạch cộng hưởng ta có điện áp điều chế:

(2 6)

ở đó U0 = aUM Zch là biên độ cức đại của sóng điều chế Điện áp này cho cảmứng sang ăng ten phát, ta có thể truyền dao động điều chế biên độ vào không gian

có dạng (3 6) trong đó có chứa tín hiệu âm tần Ω

Vậy ở nơi phát người ta chỉ truyền đi thành phần điện áp có biên độ biến đổitheo qui luật của tín hiệu gọi là sóng điều biên (AM)

Ta đặt và viết biểu thức 5 dưới dạng:

(2 7)

M - gọi là hệ số điều chế (hay độ sâu điều chế) Như thế M phụ thuộc vào biên

độ của sóng làm điều chế Um Còn biên độ của sóng điều chế thay đổi theo cosΩt

Vì cosΩt có giá trị cực tiểu là - 1 và cực đại là +1, nên biên độ của sóng điều chế

có giá trị cực tiểu và cực đại là:

Umin = U0(1 - M) ; Umax = U0(1 + M)

ĐHSP Hà Nội

Hình 2.6: Phổ của tín hiệu điều chế

Trang 8

Như vậy muốn để khung cộng hưởng có thể chọn hết cả ba thành phần của phổ,

để cho dao động điều chế lấy ra không bị méo thì dải thông của khung không thể

bé hơn 2Ω Khoảng tần số 2Ω gọi là độ rộng của dải sóng

Độ rộng của dải sóng sẽ hạn chế số đài phát có thể hoạt động đồng thời màkhông làm nhiễu loạn lên nhau Vì thế việc mở rộng mạng lưới các đài truyềnthanh truyền hình đòi hỏi phải dùng những dải tần ngày càng cao

2.1.2 Nguyên lí điều biên cân bằng

Hình 2.7: Sơ đồ điều biên cân bằng: A) dùng điốt; B) dùng Tranzito

Hình 2 7 là sơ đồ điều biên cân bằng dùng hai điốt (hoặc hai BJT) Có thể coi đây

là hai sơ đồ điều biên một điốt (một Tranzito) ghép chung trên một tải Điện ápsóng mang đặt lên hai điốt là đồng pha, điện áp tín hiệu sơ cấp dặt lên chúng làngược pha, nên ta có:

Chú ý: Trong điều tần có xảy ra điều biên kèm theo, nhưng người ta tìm cáchkhử nú đi chỉ để lại điều tần Mạch khử được điều biên đó được gọi là bộ hạn biên

3.4.2 Điều tần dùng Tranzito điện kháng

Trang 9

Phần tử điện kháng (dung tính hoặc cảm tính) có trị số biến thiên theo điện áp điềuchế đặt trên nú được mắc song song với hệ dao động cảu bộ dao động, làm cho tần

số dao động thay đổi theo tín hiệu làm điều chế Phần tử điện kháng được thựchiện nhờ một mạch di pha trong mạch hồi tiếp của BJT Có bốn cách mắc phần tửđiện kháng như hình vẽ:

Với mạch phân áp RC ta tính được:

ĐHSP Hà Nội

Trong khai triển của công thức (3.12) có thành phần âm tần tần số Ω

mà không còn thành phần 2Ω nữa Kết quả này làm cho tín hiệu không

còn bị méo phi tuyến Đây là ưu điểm của phép tách sóng bậc nhất

1.1.3 Tách sóng kép (tách sóng bội áp)

Trang 10

Tương tự chỉnh lưu hai nửa chu kỳ ta có thể có sự tách sóng kép

Trong biểu thức (14) xuất hiện số hạng hữu ích là

thành phần hữu íchcó biên độ gấp hai lần tách sóng thường và không

xuất hiện thành phần 2Ω Vậy mục đích tách sóng đã đạt được

ĐHSP Hà Nội

Có thể hiểu bộ lọc theo nhiều cách:

• Bộ lọc tạo thành mạch rẽ: Ta phải chọn R và C sao cho dung kháng của tụ điện

C đối với thành phần cao tần rất nhỏ so với R ( ) thì thành phần cao tần chỉ

đi qua tụ điện mà không đi qua R Mặt khác dung kháng của tụ C đối với thành

Trang 11

phần tần thấp rất lớn so với R , thì thành phần chỉ đi qua R mà không

đi qua C Do đó trên diện trở R ta thu được thành phần hữu ích

Vậy ta cần chọn RC thỏa mãn điều kiện:

số 2Δω nằm trọn trên phần thẳng của đường cong cộng hưởng thì ta có thểchuyển tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều biên

Trang 12

từ tín hiệu điều tần sang tín hiệu điều biên và dao động điều tần chuyển thành daođộng điều biên.

Tín hiệu này được bộ tách sóng điều biên tách lấy thành phần âm tần ra và mụcđích tách sóng đạt được

ĐHSP Hà Nội

Trang 13

Hai điot D1, D2 mắc ngược đầu nhau (thực ra là mắc nối tiếp) và chỉ làm việc trongnửa chu kỳ của tín hiệu bên sơ cấp L1C1 Bộ R1C3 là tải tách sóng của điot D1,R2C4 làtải tách sóng của D2 Tụ Co có trị số khá lớn ( cỡ 10 ) nên có tác dụng là tụ thoát chocác điện trở gánh của hai Điot Vì vậy trên hai điện trở R1, R2 chỉ có điện áp mộtchiều, điện áp một chiều này biến đổi chậm vì hang số thời gian của mạch gánh điotkhá lớn (tới 0,2s) Nhờ đó bộ tách sóng tỷ lệ này có ưu điểm là nú làm triệt tiêu được

sự điều biên (hạn biên) Đồng thời cũng do C’o có trị số lớn nên điểm ở giữa R1, R

không có điện áp âm tần (nối mát được) Còn điện áp trên hai đầu R1, R2bằng tổngđiện áp trên R1 và R2 vì hai điot mắc nối tiếp dòng điện chạy qua R1 và R2 là cùngchiều mà không triệt tiêu nhau như ở các sơ đồ trước Điện áp trên hai đầu R1, R2 luônđược giữ ổn định mặc dù điện áp vào trên L1C1 có sự thay đổi

Nguyên lý tách sóng tỷ số cũng tương tự như mạch cộng hưởng kép Thật vậy:Điện áp nắn ra bởi mỗi điot thay đổi theo quy luật âm tần xuất hiện trên hai tụ

C3 và C4 Điện áp trên C3 tăng bao nhiêu thì điện áp trên C4 lại giảm bấy nhiêu vàngược lại, vì tổng điện áp trên C3 và C4 không đổi cho nên ở điểm E (ở giữa C3 và

C4) có điện áp âm tần

Mặt khác xét dòng điện nạp qua các tụ C3 và C4 ta thấy: dòng nắn ra của điot

D1 nạp tụ C3 dòng nắn ra của D2 nạp tụ C4 Hai dòng đó ngược chiều nhau - Khi tần

số của tín hiệu điều chế bằng tần số cộng hưởng thì hai điện áp trên D1 và

D2 bằng nhau I1 = I2 và ở điểm E không có điện áp âm tần, điện áp ra Urbằng không

- Khi thì I1 > I2 ở điểm E có điện áp dương, nếu càng lớn hơn thìđiện áp dương có biên độ càng lớn

- Khi thì điện áp trên D1 nhỏ hơn điện áp trên D2 và I1 < I2 ở điểm E cóđiện áp âm, nếu càng nhỏ hơn thì điện áp âm có biên độ càng lớn

ĐHSP Hà Nội

Trang 14

1.5.2 Các kết quả đã khảo sát ở tần số âm tần 1kHz

• Khảo sát dạng tín hiệu điều biên sau khi qua điốt tách sóng

- Thang đo thế 0 5V và đo thời gian 1ms

• Đưa tín hiệu điều biên vào dao động kí để qua sát dạng tínhiệu

4.1.1 Thí nghiệm tách sóng điốt thông thường

a Khảo sát dạng tín hiệu điều biên sau khi cho qua bộ táchsóng điốt theo tần số cao tần, với giá trị bộ lọc không đổi C1

= C2 = 56pF, R = 10kΩ, biên độ vào 1V

Trang 15

Hình 6.8: Sơ đồ mạch tách sóng điốtNối mạch theo sơ đồ (hình vẽ)

+ Nối J1 và J3-Đưa tín hiệu điều biên từ máy phát tín hiệu điều chế vào đầuvào của sơ đồ TS - 1

- Thay đổi tần số cao tần lần lượt với các giá trị 100kHz,1MHz, 10MHz, 100MHz

- Dùng dao động kí quan sát và ghi lại dạng tín hiệu tại đầura

- Đo biên độ tín hiệu ra

- Ghi lại kết quả vào bảng 1 và nhận xétBảng 1:

Trạng thái nối Tần số

cao tần

Tín hiệu vào Tín hiệu ra

Biên độ tín hiệu ra J1, J3 100kHz

Trang 16

b Khảo sát dạng tín hiệu điều biên sau khi cho qua bộ táchsóng điốt theo giá trị điện dung của tụ lọc, với điện trở của

bộ lọc không đổi R = 97kΩ, tần số cao tần không đổi ω =1MHz, biên độ vào 1V

cao tần

Tín hiệu vào

Tín hiệu ra Biên độ tín

hiệu ra J1, J3 1MHz

J2, J4 1MHz

+ Nối J2 và J4(theo hình 6.8)Làm lại các bước như trên

Trang 17

ĐHSP Hà Nội

- Đo biên độ tín hiệu ra và so sánh nú với biên độ tín hiệu ra

đo được ở bước 4 1 1-a khi cùng các giá trị đầu vào

Sơ đồ mạch Tần số

cao tần

Tín hiệu vào

Trang 18

độ di tần không đổi Δω = 100kHz, biên độ vào 1V, âm tần400Hz:

- Nối J5 trên sơ đồ TS-3

- Đưa tín hiệu điều tần từ máy phát tín hiệu điều chế vào đầuvào của sơ đồTS-3

ĐHSP Hà Nội

- Thay đổi tần số cao tần lần lượt với các giá trị 200kHz,500kHz, 800kHz

Trạng thái

nối

Tần số cao tần

Tín hiệu vào

Tín hiệu ra trên khung LC

Dạng tín hiệu ra

Biên độ tín hiệu ra

Trang 19

b Khảo sát dạng tín hiệu âm tần nhận được sau khi qua bộtách sóng điều tần theo tần số cộng hưởng của khung LC(bằng cách thay đổi điện dung của tụ) với các đại lượng đầuvào không đổi (độ di tần Δω = 100kHz, cao tần ω = 500kHz)+ Nối J5 trên sơ đồ TS-3.

- Đưa tín hiệu điều tần từ máy phát tín hiệu điều chế vào đầuvào của sơ đồTS-3

+ Nối J6 trên sơ đồ TS - 3

- Làm lại các bước như trên

cao tần

Tín hiệu vào Tín hiệu ra

Biên độ tín hiệu ra

V CÂU HỎI

1 Giải thích các kết quả thí nghiệm thu được trong bài thực hành?

2 Tại sao khi đo tín hiệu âm tần sau khi tách sóng ta phải đặt dao động kí ở chế độDC?

3 Tại sao trong bài thực hành ta lại sử dụng bộ lọc RC hình chữ Π?

Trang 20

4 Tại sao trong tách sóng điều tần ta phải chuyển từ tách tín hiệu điều tần sang tínhiệu điều biên rồi tách sóng điều biên bình thường, nhưng trong truyền thanh,truyền hình người ta vẫn thường truyền sóng FM?

3 Ứng dụng

Bộ thí nghiệm có thể bổ sung vào các bài thí nghiệm trong học phần điện tử đạicương

Trang 21

CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI 2

A TỔNG QUAN VỀ MẶT Lí THUYẾT 2

Chương 1: MẠCH LỌC 2

I KHÁI NIỆM VỀ MẠCH LỌC 2

II CÁC MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG 3

2.1 Mạch lọc tần số thấp 3

2.2 Mạch lọc tần số cao 4

2.3 Mạch lọc dải tần 4

2.4 Mạch lọc bỏ dải tần (mạch lọc chặn dải tần) 5

Chương 2: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU CHẾ 6

I. KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU CHẾ 6

1.1 Khái niệm điều chế 6

1.2 Phân loại điều chế 7

II ĐIỀU CHẾ BIấN ĐỘ 8

2.1.Nguyên tắc tạo nên dao động điều biên 8

2.1.1 Nguyên lý điều biên thường một điốt hay Trandito 8

2.1.2 Nguyên lí điều biên cân bằng 12

2.1.3 Nguyên lí điều biên vòng 13

2.2.Các sơ đồ thực hiện điều biên dùng Tranzito 14

2.2.1 Điều chế cực gốc 14

2.2.2 Điều chế cực phát 14

2.2.3 Điều chế cực góp 15

III ĐIỀU CHẾ TẦN SỐ VÀ ĐIỀU CHẾ PHA 15

3.1 Nguyên tắc điều chế tần số 16

3.2 Quan hệ giữa điều tần và điều pha 16

3.3 Phổ của dao động đã điều tần và điều pha 18

3.4 Mạch điều tần và điều pha 19

3.4.1 Sơ đồ điều tần dùng VARICAP. 19

3.4.2 Điều tần dùng Tranzito điện kháng 20

3.4.3 Mạch điều pha theo Amstrong 21

3.5 Bộ hạn biên 22

CHƯƠNG 4: Lí THUYẾT TÁCH SểNG 23

I TÁCH SểNG ĐIỀU BIấN 23

1.1 Lý thuyết tách sóng điều biên 23

1.1.1 Tách sóng phi tuyến 23

1.1.2 Tách sóng tuyến tính 25

1.1.3 Tách sóng kép (tách sóng bội áp) 27

1.1.4 Bộ lọc 28

1.2 Các sơ đồ tách sóng điều biên 31

1.2.1 Tách sóng điốt 31

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	426,06 KB