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

Phân loại điều chế Do một dao động điện được đặc trưng bởi biên độ, tần số và pha xác định u = Um cosωt+φ Nên theo định nghĩa trên có thể làm dao động cao tần điều chế bằng cách tác dụng

thí nghiệm tách sóng trong chương trình điện tử đại cương của khoa Vật Lý

PHẦN MỞ ĐẦU

I LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, điện tử là một trong những ngành khoa học mũi nhọn của tất

cả các nước trên thế giới Điện tử có ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, khoa học kỹ thuật và trong đời sống của con người Các thiết bị điện

tử dần dần đã thay thế các thiết bị cơ học như trước đây với độ chính xác rất cao Sự phát triển của điện tử 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 hóa hiện đại hóa đất nước đòi hỏi nước ta phải đầu tư phát triển nghành điện tử để nó có được bước tiến nhanh hơn nữa

Một lĩnh vực quan trọng hàng đầu của kỹ thuật điện tử là kỹ thuật truyền tín hiệu đi xa (truyền thanh, truyền hình) Ngày nay kỹ thuật truyền tín hiệu

đi xa đã đạt đến trình độ rất cao (truyền hình số), để đạt được đến trình độ

đú thì các nhà kỹ thuật hiện nay cũng phải bắt đầu nghiên cứu từ những nguyên lý cơ bản của kỹ thuật truyền tín hiệu đi xa (kỹ thuật truyền tín hiệu tương tự)

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

II MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

1 Mục tiêu

Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng bài thí nghiệm tách sóng, viết tài liệu hướng dẫn 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

• Viết tài liệu hướng dẫn thực hành bài tỏch sóng

III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu các tài liệu liên quan về tỏch sóng, điều chế, mạch lọc, khung cộng hưởng, các tài liệu hướng dẫn thực hành điện tử đại cương…Tiến hành thực nghiệm

IV 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 cú cỏc phần tử tích cực như BJT hay KĐTT

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

- Căn cứ theo công dụng của bộ lọc chia thành bộ lọc tần số thấp, bộ lọc tần số cao, 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 T, bộ lọc chữ Π

- Căn cứ theo các linh kiện tham gia lọc chia thành bộ lọc RC, bộ lọc LC,

bộ lọc RL

Để đánh giá tính năng của bộ lọc người ta dùng khái niệm hệ số truyền đạt k hay hệ số suy giảm β:

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

Mạch lọc tần số thấp là mạch lọc chỉ cho qua các tần số thấp và dòng một chiều, cũn cỏc tần số cao thì không cho qua

Hình 1.1: a) Mạch lọc tần số thấp RC và LCb) Đặc tuyến tần số của mạch lọc tần số thấp

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

Ở tần số thấp, trở kháng của C lớn, còn cảm kháng của L nhỏ nên nó khụng

đi qua được tụ, do đó U2 ≈ 0 Ở tần số cao, trở kháng của C nhỏ, còn cảm

kháng của L lớn nên thành phần này qua được tụ, do đó U2 ≈ U1 Do đó ở đầu ra ta chỉ thu được thành phần cao tần.

2.3 Mạch lọc dải tần

Là mạch lọc cho các dòng điện trong một dải tần từ f1 đến f2 qua, còn các tần

số ngoài khoảng đú thỡ không cho qua

Hình 1.6: a) Đặc tuyến tần số của mạch lọc dải tần

f0 thì càng khó qua mạch nối tiếp và dễ dàng qua mạch song song Kết quả

là mạch này cho qua dải tần từ f1 đến f2

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

Là mạch lọc bỏ qua các dòng điện trong dải tần từ f1 đến f2, còn các tần số ngoài khoảng đú thỡ đi qua

Hỡnh 1.5: a) Đặc tuyến tần số của mạch lọc bỏ dải tần

b) Các mạch lọc bỏ dải tần RC và LC

- Trong mạch LC: Những dòng điện có tần số gần bằng tần số riêng của mạch f0 (từ f1 đến f2) dao động LC thì dễ dàng đi qua mạch nối tiếp và khó đi qua mạch song song Trái lại, với các dòng điện có tần số khác xa với tần số

f0 thì càng khó qua mạch nối tiếp và dễ dàng qua mạch song song Kết quả

là mạch này lọc bỏ dải tần từ f1 đến f2

Chương 2: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU CHẾ

Trong thực tế tin tức thường là các dao động có tần số thấp (như tần số của sóng âm thanh từ 16 Hz đến 2000 kHz), dao động tần số thấp có năng lượng nhỏ nên khó có thể truyền đi xa được Còn tín hiệu cao tần lại có năng lượng lớn và ít bị hấp thụ trong khí quyển nờn nó có khả năng truyền đi xa

Do đó người ta phải gửi tin tức có tần số thấp vào dao động có tần số cao để truyền đi xa Quá trình đó gọi là quá trình điều chế Khi đến nơi thu, muốn thu được tín hiệu thì người ta phải tách tín hiệu ra khỏi dao động cao tần, quá trình đó gọi là quá trình tỏch súng

Vậy để nghiên cứu về tỏch súng ta phải hiểu được ở nơi phát người ta đã điều chế tín hiệu như thế nào?

I KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU CHẾ

1.1 Khái niệm điều chế

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 là sóng làm điều chế, dao động cao tần đã bị điều chế gọi là sóng điều chế

1.2 Phân loại điều chế

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 tác dụng lên một trong ba đại lượng trên, để đại lượng đó biến đổi theo một qui luật nào 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 sóng mang biến đổi theo qui luật F(t) của tín hiệu cần truyền đi Tức là Um

biến đổi theo F(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 sóng mang biến đổi theo qui luật F(t) của tín hiệu cần truyền đi: ω ~ F(t), còn Um = const, φ = const (hình 2.2).

Hình 2.1:a) Dao động cao tần ; b)

Dao động âm tần ; c) Dao động điều

biên

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

tần

• Điều chế pha (điều pha) là loại điều chế mà pha của sóng mang biến đổi theo qui luật của tín hiệu cần truyền đi: φ ~ F(t), còn Um = const, ω = const.Trong vô tuyến truyền thanh người ta thường dùng điều chế biên độ và tần số, trong vô tuyến truyền hình người ta dùng điều tần nên ta xem xét đến hai quá trình điều biên và điều tần

II ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ

2.1 Nguyên tắc tạo nên dao động điều biên

2.1.1 Nguyên lý điều biên thường một điốt hay Trandito

Giả sử máy phát cho dao động sóng mang cao tần có dạng:

u1 = UMcosωt (2.1)Còn dao động tín hiệu cần truyền đi có tần số thấp Ω coi là điều hoà có

dạng:

u2 = Um cosΩt (trong đó Ω ô ω) (2.2)

Ta đặt hai tín hiệu này lên một yếu tố phi tuyến tính như điốt (hình 2.4a) hay

tranzito ( hình 2.4b), với tranzito hoạt động ở phần cong của đặc tuyến

Hình 2.4: Mạch nguyên lý điều biên: A)1 điốt; B) Tranzito

Lúc này dòng điện cực góp biến thiên là một hàm phi tuyến của điện áp gốc

phụ thuộc cả vào u1 và u2:

uB = u1 + u2

và i = ik = f(u1,u2) = I0 + auB + buB2 + …

ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ

Hình 2.3 : Nguyên lý điều chế biên độ

Tín hiệu

u2Sóng mang

u1Dao động điều

chế

Để đơn giản ta chỉ giới hạn ở số hạng bậc hai của uB đủ cho mục đích ta dặt ra là dòng cực góp là dòng phi tuyến.

Do đó: i = ik = f(u1,u2) = I0 + auB + buB2 (2.3)

Thay (1),(2) v ào (3), sau các biến đổi phức tạp ta sẽ được dòng điện cực góp là một dòng điện phức tạp có nhiều thành phần có tần số và biên độ khác nhau:

(2.5)Theo quan điểm kỹ thuật, sau khi điều chế không nhất thiết phải truyền

cả dao động mang đi, mà có thể chỉ truyền đi một dải súng biờn nào đó có chứa tín hiệu cần truyền đi là được Vì vậy người ta dùng khung cộng hưởng

LC điều chỉnh về tần số cộng hưởng với ω để tách riêng thành phần được điều chế ra khỏi các dao động phức tạp khỏc Trờn 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 cảm ứng 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 đổi theo 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)

Để thấy rõ hơn ý nghĩa của M ta xét:

Umax – Umin = 2MU0 ; Umax + Umin = 2U0

(2.8)

Nếu M = 0 tức là Umax = Umin,

khi này không có điều chế (hình

3.5a)

Nếu M = 1 tức là Umax = 2U0,

Umin = 0, trường hợp này gọi là

điều chế tối đa (hinh 3.5b)

Nếu M > 1 thì dao động mang cao

Hình 2.5 Tín hiệu điều biêna) M = 0; b) M = 1c) M > 1; 0 < M < 1

Vậy ý nghĩa của M là cho biết khả năng (hay mức độ) biên độ của sóng mang bị biến đổi theo dạng của tín hiệu làm điều chế

Từ biểu thức 3.6 ta có thể viết dưới dạng:

(2.9)

Từ biểu thức 3.9 ta thấy dao động điều chế gồm ba thành phần có tần số

là ω và ω ± Ω Các tần số này có thể biểu diễn dưới dạng phổ tần số (như hình 2.6)

Hình 2.6: Phổ của tín hiệu điều chếNhư 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 mộo thỡ dải thông của

Độ rộng của dải sóng sẽ hạn chế số đài phát có thể hoạt động đồng thời

mà không làm nhiễu loạn lên nhau Vì thế việc mở rộng mạng lưới các đài truyền thanh truyền hình đòi hỏi phải dùng những dải tần ngày càng cao

2.1.2 Nguyờn lớ điều biên cân bằng

Hình 2.7: Sơ đồ điều biên cân bằng: A) dùng điốt; B) dùng TranzitoHình 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 áp sóng mang đặt lên hai điốt là đồng pha, điện áp tín hiệu sơ cấp dặt lờn chỳng là ngược pha, nên ta có:

uD1(t) = u1ω(t) + u2Ω(t) = U1mcosωt + U2mcosΩt

uD2(t) = u1ω(t) - u2Ω(t) = U1mcosωt - U2mcosΩtThay giá trị của hai điện áp trên vào công thức 2.3 rồi biến đổi ta được dòng điện qua cuộn thứ cấp của biến áp là:

i = iD1 – iD2 = I1cosΩt + I2cos3Ωt + I3[cos(ω+Ω)t + cos(ω-Ω)t] +

+ I4[cos(2ω+Ω)t + cos(2ω-Ω)t] ( 2.10)Tín hiệu điều biên cân bằng chính là thành phần thứ ba trong công thức 2.10 Trong đó biên độ I3 = 2bU1mU2m tăng gấp hai lần so với biên độ tín hiệu điều chế trong sơ đồ một điốt

2.1.3 Nguyờn lớ điều biờn vũng

Sơ đồ điều biờn vũng với bốn điốt trình bày trờn hỡnh 2.8 Sơ đồ này gồm hai sơ đồ điều biên cần bằng

Hình 2.8: Sơ đồ điều biờn vũngĐiện áp tín hiệu sơ cấp U2 đặt lên các điốt D1 và D3, D2 và D4 là đồng pha từng cặp một, còn dao động cao tần U1 thì là các cặp D1 và D2, D3 và D4 nên

i = (iD1 – iD2) + (iD4 – iD3)

i = I[cos(ω+Ω)t + cos(ω-Ω)t] ( 2.11)Tín hiệu điều biên cân bằng chính là thành phần thứ ba trong công thức (2.11) Trong đó I = 4bU1mU2m tăng gấp bốn lần so với biên độ tín hiệu điều chế trong sơ đồ điều biên cân bằng, khử được các hài bậc lẻ của Ω và cỏc biờn tần của ω Trong thực tế đầu ra của mạch điều biên vồng có thể không cần dùng mạch lọc

2.2.Các sơ đồ thực hiện điều biên dùng Tranzito

2.2.1 Điều chế cực gốc

Hình 2.9: Sơ đồ điều chế cực gốc

Cả dao động cao tần U1(ω) và dao động âm tần U2(Ω) đều được đặt vào cực gốc của tranzito Dòng cực góp của tranzito là dòng biến thiên phức tạp, trong đó thành phần điều chế biểu diễn bằng biểu thức 4.6 được khung cộng hưởng L3C5 lọc ra Các tụ C2 và C3 phải chọn sao cho để hai tín hiệu đều được đặt trực tiếp vào giữa cực gốc và phát Đối với cao tần, tụ C2 và C3 có dung kháng nhỏ nờn cỏc tụ này coi như nối tắt cao tần với cực phát Đối với

âm tần tụ C3 phải có trị số để nối tắt tín hiệu với cực phỏt, cũn tụ C2 có trị số

đủ nhỏ để tín hiệu không bị ngắn mạch trờn nó

2.2.2 Điều chế cực phát

Hình 2.10: Sơ đồ điều chế cực phát

Hai tín hiệu U1 và U2 qua hai biến áp cùng đặt vào cực phát và thông qua

tụ C2 đặt vào cực gốc Khung cộng hưởng LC chọn tín hiệu đã được điều chế Các điện trở R1, R2 định thiờn phõn ỏp cho tranzito

2.2.3 Điều chế cực góp

Hình 2.11: Sơ đồ điều chế cực gópĐặc điểm của sơ đồ này là dùng sơ đồ một máy phát ba điểm Tín hiệu cao tần U1(ω) do máy phát tạo ra xuất hiện trên khung LC Tần số dao động cao tần do khung LC quyết định, đồng thời khung LC cũng là khung cộng hưởng để láy tín hiệu cao tần điều chế Tín hiệu âm tần U2(Ω) làm điều chế qua biến áp đặt trực tiếp vào cực góp của tranzito Tín hiệu âm tần làm điều chế trong sơ đồ này phải khá lớn thì mới điều khiển được biên độ cao tần ở cực góp của tranzito

III ĐIỀU CHẾ TẦN SỐ VÀ ĐIỀU CHẾ PHA

3.1 Nguyên tắc điều chế tần số

Biến điệu tần số là tần số của sóng mang biến thiên theo qui luật của tín hiệu cần truyền đi

Hình 2.12: Dạng tín hiệu điều chế tần sốTrong nửa chu kỳ đầu của dao động làm điều chế, tần số sóng mang cực đại khi biên độ âm tần cực đại, sau đó giảm dần đến giá trị ω0 Trong nửa chu kỳ sau tần số sóng mang giảm dần đến cực tiểu rồi tăng lên đến ω0.

Nguyên tắc chung để thực hiện điều chế tần số là cần tác dụng tín hiệu

âm tần cần truyền đi lên một yếu tố nào đó của máy phát cao tần, làm cho tần số của dao động cao tần biến đổi theo qui luật của tín hiệu âm tần

Hình 2.13: Mạch nguyên lý biến điệuHình 2.13 nêu nguyên tắc biến điệu tần số Tụ CX có điện dung biến đổi theo qui luật của tín hiệu, làm cho tần số của mạch dao động LC biến đổi theo qui luật của tín hiệu

3.2 Quan hệ giữa điều tần và điều pha

Điều tần và điều pha là quá trình ghi tin tức vào tải tin, làm cho tần số hoặc pha tức thời của tải tin biến thiên theo qui luật của tín hiệu làm điều chế.Tần số và góc pha có mối qua hệ:

dt

dψ

ω = (2.12)Với tải tin là dao động điều hòa:

u1(t) = U1mcosψt = U1mcos(ωt+φ0) (2.13)

Từ (2.12) rút ra:

) ( )

( )

(

0

t dt t t

t

ϕ ω

ψ =∫ + (2.14)Thay (2.14) vào (2.13), ta được:

)]

( )

( cos[

U

= (t) u

0 1m

u2 = U2mcosΩt (2.16)Khi điều tần hoặc điều pha thì tần số hoặc pha của dao động cao tần biến thiên tỉ lệ với tín hiệu điều chế và được xác định:

ω(t) = ω0 + KđtU2mcosΩt = ω0 + ΔωmcosΩt (2.17)φ(t) = φ0 + KđpU2mcosΩt = φ0 + ΔφmcosΩt (2.18)Trong đó Δωm , Δφm là lượng di tần và pha cực đại

Khi điều tần thỡ thỡ gúc pha ban đầu không đổi, do đó φ(t) = φ0

Thay 2.17 và 2.18 vào 2.15 và lấy tích phân lên ta được biểu thức của tín hiệu đã điều tần và điều pha:

) sin

cos(

) ( 1 ω0 ω Ω + ϕ0

Ω

∆ +

cos(

) (t =U1 ω0t+ ∆ ϕ Ωt+ ϕ0

u đp m m (2.12)Lượng di pha đạt được khi điều pha là:

Δφ = ΔφmcosΩt

Tương ứng có lượng di tần:

Δω = dΔφ/Δt = ΔφmΩsinΩt (2.21)Lượng di tần cực đại khi điều pha:

Δωm = ΔφmΩ = ΩKđpU2m (2.22)

Từ (2.21) và (2.22) ta thấy rằng sự khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là luộng di tần khi điều pha tỉ lệ với biên độ điện áp và tần số tín hiệu làm điều chế, còn lượng di tần điều tần tỉ lệ với biên độ điện áp làm điều chế

Vì vậy từ một mạch điều chế pha có thể lấy ra tín hiệu điều chế tần số nếu trước khi đưa vào điều chế pha đưa qua mạch tích phân Và ngược lại, có thể lấy tín hiệu điều pha tuef một mạch điều tần nếu tín hiệu điều chế được đưa qua mạch vi phân trước khi đưa vào điều chế tần số:

3.3 Phổ của dao động đã điều tần và điều pha

Trong biểu thức 92.17), cho φ0 = 0, đặt Δφm/Ω = Mf gọi là hệ số điều tần, ta

sẽ có biểu thức điều tần:

uđt(t) = U1mcos(ω0t + MfsinΩt)Tương tự ta có biểu thức của dao động điều pha:

uđp(t) = U1mcos(ω0t + McosΩt)Trong đó M = Δφm

Thông thường tín hiệu làm điều chế là tín hiệu bất kỳ gồm nhiều thành phần tần số Lúc đó tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha có thể biểu diễn tổng quát theo biểu thức:

)]

cos(

cos[

1 0

3.4 Mạch điều tần và điều pha

3.4.1 Sơ đồ điều tần dùng VARICAP.

Hình 2.14: a) Sơ đồ mạch điều chế tần số b) Đặc trưng Vụn-Ampe của điốt biến dungTrờn hình là sơ đồ mạch thực hiện điều tần dùng điốt biến dung (Điốt biến dung có điện dung thay đổi phụ thuộc vào điện áp ngược biểu diễn bằng đường đặc trưng Vụn-Ampe như hình vẽ b) Tranzito cùng với tụ điện

C1, R1, khung dao động L2C2 tạo thành máy phát cao tần ω Người ta mắc điốt biến dung vào mạch khung dao động L2C2 của máy phát cao tần Các tụ

C3,C4 có điện dung khá lớn nờn cỏc tụ này coi như ngắn mạch đối với cao tần, nhưng đối với âm tần tác dụng vào mạch làm điện dung của điốt biến dung thay đổi, do đó làm điện dung của mạch L2C2 thay đổi kết quả là tần

số của máy phát cao tần thay đổi theo qui luật của tín hiệu âm tần Vậy mục đích điều tần đạt được

Chú ý: Trong điều tần có xảy ra điều biên kèm theo, nhưng người ta tìm cách khử nó đi chỉ để lại điều tần Mạch khử được điều biờn đú được gọi là

bộ hạn biên

3.4.2 Điều tần dùng Tranzito điện kháng

Phần tử điện kháng (dung tính hoặc cảm tính) có trị số biến thiên theo điện

áp điều chế đặt trờn nó 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 thực hiện nhờ một mạch di pha trong mạch hồi tiếp của BJT Có bốn cách mắc phần tử điện kháng như hình vẽ:

Với mạch phõn ỏp RC ta tính được:

Rõ rang khi điện áp điều chế đặt vào Bazo của phần tử điện kháng thay đổi thì S thay đổi và do đó các tham số Ltđ, Ctđ thay đổi làm cho tần số dao động thay đổi.

Điều tần dùng phần tử điện kháng có thể đạt được lượng di tần tương đối (Δf/ft) khoảng 2%

Hình 2.15: Sơ đồ mạch tạo dao động điều tần phần tử điện khỏng phõn ỏp

RC

3.4.3 Mạch điều pha theo Amstrong

Tải tin thừ thạch anh đưa đến bộ điều biên 1 (ĐB1) và điều biên 2 (ĐB2) lệch pha 900, còn tín hiệu điều chế u2 đưa đến hai mạch điều biên ngược pha Điện áp ra trên hai bộ điều pha:

Đồ thị véc tơ của tín hiệu và cỏc véc tơ tổng của chúng

là một dao động được điều chế pha và biên độ, Điều biên ở đây là điều biên ký sinh

Để hạn chế điều biờn kớ sinh ta chọn Δφ nhỏ (Δφ<0.35)

3.5 Bộ hạn biên

Bộ hạn biờn dựng để khử điều biên và do đó có thể khư nhiễu vì nhiễu trên đường truyền chủ yếu tác động vào biên độ, nên sau khi xộn biờn tín hiệu điều tần coi như không ảnh hưởng

Nguyên lý của bộ hạn biên dựa trên tính chất của yếu tố phi tuyến (điốt)

Hình 2.15: a) Đặc tuyến bộ hạn biên

b) Sơ đồ nguyên lý bộ hạn biên

Trên sơ đồ, bộ R1, E1 có tác dụng dịch đặc tuyến của D1 về phía õm, cũn

bộ R2, E2 có tác dụng dịch đặc tuyến của D1 về phía dương

D = 2ΩΔωm

CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT TÁCH SểNG

Để nghiên cứu thực nghiệm về tỏch súng, ta cần phải tìm hiểu về lý thuyết tỏch sóng

Tỏch sóng là quá trình tách tín hiệu âm tần ra khỏi sóng mang cao tần

Ở nơi phát người ta thường dùng hai cách điều chế là điều chế biên độ và điều chế tần số, nên ta tìm hiểu hai loại tỏch súng là tỏch súng điều biên và tỏch súng điều tần

I TÁCH SểNG ĐIỀU BIấN

1.1 Lý thuyết tỏch súng điều biên

1.1.1 Tỏch súng phi tuyến

Ở nơi thu ta thu được dao động

cao tần điều biờn cú dạng:

u = U0 ( 1 + McosΩt)cosωt (3.1)

Tín hiệu điều biờn cú đặc điểm là

biên độ của dao động cao tần biến

đổi theo qui luật của tín hiệu âm tần Hình 3.1: Tín hiệu điều biên

Nhiệm vụ của ta là tách tín hiệu âm tần làm điều chế: u2 = UmcosΩt ra khỏi dao động cao tần

Đặt dao động cao tần điều biên u lên yếu tố phi tuyến là điốt có đặc tuyến Vụn–Ampe:

i = f(u) = C + au + bu2 + … (3.2)

Và được biểu diễn trên hình vẽ:

Hình 3.2: a) Đặc trưng Vụn-Ampe của điốt bán dẫn

Thay (1) vào (2) và lấy gần đúng đến số hạng bậc hai ta được:

M bU t t

M

bU

t bU

t t aMU

t aU

C

i

ω ω

ω ω

ω

2 2

2 2 0 2

2

0

2 2 0 0

0

cos cos

cos cos 2

cos cos

cos cos

Ω +

Ω +

+ +

Ω +

+

=

⇒

) 2 cos 1 )(

2 cos 1 ( 4

1 cos ) 2 cos 1 (

) 2 cos 1 ( 2

1 ] ) cos(

) [cos(

2

1 cos

2 2 0 2

0

2 0 0

0

t t

M bU t

t M

bU

t bU

t t

aMU t

aU C

i

ω ω

ω ω

ω ω

+ Ω +

+ Ω +

+

+ +

+ Ω + +

Ω

− +

+

=

⇒

) 2 cos 4 (cos

2 0

0 i bU M t M t

I

⇒ (3.4)Trong đó I0 là thành phần dòng điện không đổi, ict là tập hợp các dòng điện cao tần cú cỏc tần số ω, 2ω, ω±Ω, 2ω±Ω, 2(ω±Ω)

Mục đích của ta là thu được thành

phần âm tần có tần số Ω có dạng

(hình 3.3)

Hình 3.3: Tín hiệu âm tần

Nhưng thành phần tần số 2Ω rất gần với tín hiệu ta cần thu, do đó rất khó

để tách được nó ra Thành phần này gây ra méo tín hiệu

Vậy có hai thành phần âm tần có tần số Ω và 2Ω được tách ra khỏi thành phần cao tần nhưng chỉ có thành phần tần số Ω là có ích còn thành phần tần số 2Ω gõy mộo phi tuyến Thành phần tần số 2Ω càng yếu nếu M càng bé tức độ sâu điều chế càng nhỏ Do đó để hạn chế sự méo tín hiệu thì phải làm giảm thành phần có tần số 2Ω càng nhiều càng tốt, bằng cách ở nơi phát ta điều chế tín hiệu với độ sâu điều chế nhỏ (M nhỏ) Việc xuất hiện thành phần 2Ω là nhược điểm của tỏch súng phi tuyến Để khắc phục nhược điểm này ta dựng tỏch súng tuyến tính

1.1.2 Tỏch súng tuyến tính

Để cú tỏch súng tuyến tính trong biểu thức 2 ta chỉ cần hạn chế ở số hạng bậc nhất, tức là sự phụ thuộc của dòng i và điện áp u coi là tuyến tính Muốn đạt được điều này tín hiệu đưa vào tỏch súng phải lớn để ta có thể bỏ qua đoạn cong ở gốc của đặc tuyến Vụn-Ampe và coi nó như là thẳng Vì thế trước khi tỏch súng tín hiệu thường phải được khuếch đại Tín hiệu tỏch súng tuyến tính sau khi qua yếu tố phi tuyến là các xung nửa chu kỳ (hình 3.4)

Hình 3.4: Nguyên lý tỏch súng tuyến tínhNếu ta đặt tín hiệu cao tần điều chế lên yếu tố phi tuyến là điốt Đ ta sẽ được dòng điện chạy trên tải R có dạng:

i = C + aU0(1+McosΩt)cosωt (3.5) = C + Im cosωt

Từ biểu thức trên ta có thể khai triển thành chuỗi Fourier như sau:

(3.6)

(Số hạng bnsinωt = 0 vì bn là hàm chẵn)

Trong đó:

(3.7)

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 phộp tỏch súng bậc nhất.

Hình 4.5: Nguyên lý tỏch súng bội áp

1.1.4 Bộ lọc

Sau khi qua điốt tỏch súng ngoài dao động cao tần có ích Ω còn có nhiều dao động cao tần khác Vì vậy ta cần một bộ lọc tần thấp để lọc cao tần đi và tỏch õm tần ra Người ta hay dùng bộ lọc RC mà không sử dụng bộ lọc LC

vì hai lí do: Một là ta cần lọc lấy thành phần âm tần (tần số thấp), mà

, do đó ta cần phải dùng cuộn dây có độ tự cảm lớn, tụ điện có điện dung lớn, như vậy ta khó chế tạo và dụng cụ lại cồng kềnh Hai là nếu dùng mạch cộng hưởng LC, do cộng hưởng của khung LC mà nó cú sự ưu tiên về một khoảng tần số nào đó, mà mục đích của ta lại không cần sự ưu tiên đó

Hình 4.6: Sơ đồ bộ lọc trong tỏch súng

Yêu cầu của bộ lọc là phải khử thành phần cao tần và giữ lại thành phần hữu ích

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 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:

• Cả hai nhánh R và C tương đương với một mạch rẽ có tổng trở Z, có thể tìm theo công thức:

Từ đó ta tính được:

Nếu chọn RC sao cho >> 1 tức là:

thì sẽ rất bé và thành phần cao tần đi qua tải không gây nên độ sụt áp đáng kể, tức là thành phần cao tần bị khử đi

Còn đối với thành phần hữu ích tần số Ω:

Nếu chọn R và C sao cho << 1, tức là:

Thì và dòng điện hữu ích tần số đi qua sẽ cho sụt áp đáng kể, tức là ta tách được thành phần hữu ích

• Hiểu theo bản chất vật lý

Thực chất của quá trình lọc là quá trình tích điện và phóng điện của tụ C

Tụ C được tích điện bằng những xung điện, khoảng cách giữa các xung tụ phóng điện qua R (nó khụng phúng qua bộ tỏch súng D vì điện trở ngược của nó lớn) Thực chất của quá trình tích và phóng điện là qui luật biến đổi của điện áp trên tụ C do quan hệ giữa hằng số thời gian τ = RC với các chu

kỳ TωTΩ

Ta xét bản chất của quá trình này:

Quá trình phóng điện trên tụ là quá trình biến đổi điện áp trên tuân theo định luật hàm số mũ:

Ở đây τ = RC là hằng số thời gian (là thời gian phóng điện của tụ) Ta xột cỏc trường hợp

+ Khi τ = τ1 = RC << Tω << TΩ

Khi này mạch phóng điện nhanh đối với cả Ω và ω, tức là ở nửa dương của các chu kỳ tín hiệu liên tiếp được tích vào tụ và phóng nhanh Nờn trờn

tụ luôn có điện áp của tín hiệu vào (có cả cao tần và âm tần) và điện áp trên

tụ biến đổi theo đúng các xung dòng điện Do đó mục đích tỏch súng không thực hiện được

Dạng tín hiệu