Nghiên cứu thiết kế các mạch lọc tương tự

Nghiên cứu thiết kế các mạch lọc tương tự

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

 -

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC MẠCH LỌC TƯƠNG TỰ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Huế - 2016

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: THS NGUYỄN VĂN ÂN

Huế - 2016

LỜI CẢM ƠN

Với sự phân công của Khoa Điện Tử - Viễn Thông và sự đồng ý của thầy hướng dẫn

Th.S Nguyễn Văn Ân đã cho phép em thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế các mạch

lọc tương tự “

Để thực hiện đề tài này, em xin chân thành cám ơn các thầy cô đã tận tình hướng dẫn,

giảng dạy em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện tại trường Đại học

Khoa học Huế

Xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn Th.S Nguyễn Văn Ân đã tận tình, chú đáo giúp

em hoàn thành đồ án này tốt nghiệp này

Mặc dù có nhiều cố gắng đề thực hiện đồ án hoàn chỉnh nhất Song do ban đầu làm

quen với nghiên cứu khoa học, bên cạnh đó sự hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm

không tránh khỏi những thiếu sót mà bản thân chưa nhìn ra được Kính mong sự góp ý

của quý thầy, cô và các bạn để đồ án được hoạn thiện hơn

Em xin chân thành cám ơn

Huế, tháng 5 năm 2016

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ iv

DANH SÁCH CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 MẠCH LỌC TÍCH CỰC 2

1.1 Khái niệm mạch lọc tần số 2

Khái niệm 2

1.1.1 Phân loại 2

1.1.2 1.2 Mạch lọc tích cực 2

Khái niệm 2

1.2.1 Mạch lọc thông cao 2

1.2.2 Mạch lọc thông thấp (Low Pass Filter) 6

1.2.3 Mạch lọc thông dải (Bandwith Filter) 10

1.2.4 Mạch lọc thông cắt 14

1.2.5 CHƯƠNG 2 MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG 17

2.1 Khái niệm 17

Khái niệm 17

2.1.1 Phân loại mạch lọc thu động 17

2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm 17

2.1.3 2.2 Mạch lọc RC 17

Mạch lọc thông cao 17 2.2.1

Mạch lọc thông thấp 192.2.2.

Mạch lọc thông dải 202.2.3

2.3 Mạch lọc LC 21

Mạch lọc thông cao 212.3.1

Mạch lọc thông thấp 222.3.2

2.4 Mạch lọc LRC 23

Mạch lọc thông cao 232.4.1

Mạch lọc thông thấp 242.4.2

Mạch lọc thông dải 252.4.3

Mạch lọc thông cắt 252.4.4

3.1 Thiết kế 27

Mạch lọc RC thông cao 273.1.1

Mạch lọc RC thông thấp 303.1.2

3.2 Sơ đồ nguyên lý 34

Sơ đồ nguyên lý 343.2.1

Nguyên lý hoạt động 343.2.2

3.3 Sơ đồ mạch in: 36KẾT LUẬN 38TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 HPF không đảo bậc 1 3

Hình 1-2 HPF đảo bậc 1 3

Hình 1-3 Mạch lọc thông cao bậc 2 5

Hình 1-4 Mạch lọc thông cao bậc 2 khi C1=C2=C 5

Hình 1-5 LPF bậc 1 không đảo 7

Hình 1-6 LPF bậc 1 đảo 7

Hình 1-7 Sơ đồ tổng quát mạch lọc thông thấp bậc 2 8

Hình 1-8 Mạch lọc thông thấp bậc 2 đa hồi tiếp 9

Hình 1-9 Mạch Sallen-Key BPF 11

Hình 1-10 Mạch lọc thông dãi đa hồi tiếp 12

Hình 1-11 Mạch lọc Twin-T 14

Hình 1-12 Mạch lọc Wien-Robinson 15

Hình 2-2-1 Mạch lọc RC thông cao cơ bản 18

Hình 2-2-2 Dạng sóng vào ra mạch lọc RC thông cao 18

Hình 2-2-3 Quan hệ giữa điện áp vào ra mạch lọc RC thông cao 18

Hình 2-2-4 Mạch lọc RC thông thấp cơ bản 19

Hình 2-2-5 Dạng sóng vào ra của mạch lọc RC thông thấp 20

Hình 2-2-6 Quan hệ giữa điện áp vào ra mạch lọc RC thông thấp 20

Hình 2-2-7 Mạch lọc RC thông dãi 20

Hình 2-8 Đặc tuyến truyền đạt của mạch RC lọc thông dãi 21

Hình 2-9 Mạch lọc LC thông cao 21

Hình 2-10 Quan hệ giữa điện áp vào ra mạch lọc LC thông cao 22

Hình 2-11 Mạch lọc LC thông thấp 22

Hình 2-12 Quan hệ điện áp vào ra mạch lọc LC thông thấp 23

Hình 2-13 Mạch lọc thông cao RLC 24

Hình 2-14 Mạch lọc thông thấp RLC 24

Hình 2-15 Mạch lọc thông dãi RLC 25

Hình 2-16 Mạch lọc thông cắt RLC 25

Hình 3-1: Mạch lọc RC thông cao bậc 1 27

Hình 3-2: Mạch lọc RC thông cao bậc 2 27

Hình 3-3: Mạch lọc RC thông cao bậc 3 28

Hình 3-4 Đồ thị quan hệ giữa điện áp vào và ra mạch lọc thông cao 29

Hình 3-5: Mạch lọc RC thông thấp bậc 1 30

Hình 3-6: Mạch lọc RC thông thấp bậc 2 30

Hình 3-7: Mạch lọc RC thông thấp bậc 3 31

Hình 3-8 Đồ thị quan hệ giữa điệp áp vào và điện áp ra mạch lọc RC thông thấp 32

Hình 3-9 Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp và thông cao sử dụng RC 34

Hình 3-10: Sơ đồ mạch in 37

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1-1 Hàm truyền của mạch LPF đảo và không đảo bậc 1 7Bảng 3-1 Kết quả đo điện áp các mạch lọc thông cao 28Bảng 3-2 Kết quả đo điện áp ra các mạch lọc thông thấp 31

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

Với sự phát triển của nền kinh tế thế giới với nhiều ngành kinh tế, và không thể thiếu

sự phát triên của nền kinh tế nước ta Trong ngành công nghiệp điện tử là ngành phát

triển nhanh với nhiều loại hình Do đó nhu cầu đời sống của con người sẽ tăng lên, đây

cũng là cơ hội nhưng cũng là thách thức cho ngành điện tử Yêu cầu đặt ra càng khắc

khe và đòi hỏi tính thẩm mỹ, gọn nhẹ và phù hợp với nhu cầu của con người hiện nay

Thật vậy, hiện nay đồ dùng điện tử đã trở thành một thứ không thể thiếu trong cuộc

sống của chúng ta Ví dụ như cái điện thoại di động, ti vi… Các đồ dùng điện tử thông

minh ngày càng nhanh chóng phát triển thay thế các đồ dùng đã quá lạc hậu

Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn tận tình của các thầy cô

giáo trong Khoa Điện Tử - Viễn Thông trường Đại học Khoa học Huế, em đã có được

vốn kiến thức nhất định Được sự đống ý của Khoa em được giao để tài “Nghiên cứu

thiết kế các mạch lọc tương tự”

Đồ án tốt nghiệp của em gồm 3 chương:

Chương 1: Mạch lọc tích cực

Chương 2: Mạch lọc thụ động

Chương 3: Thiết kế mạch lọc RC thông thấp và thông cao

Bằng sự nổ lực của bản thân và sự tận tình hướng dẫn của thầy hướng dẫn Th.S

Nguyễn Văn Ân em đã hoàn thành đồ án đúng thời gian Do sự hạn chế với thời gian

và kiến thức nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót Rất mọng sự góp ý của quý thầy, cô

trong Khoa để đồ án của em được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cám ơn Th.S

Nguyễn Văn Ân, quý thầy, cô trong Khoa và các bạn đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn

thành đề tài này

Huế, tháng 5 năm 2016

1 i

A

A s

a s

HPF không đảo:

2 3

1 1

1( )

c

R R

c

a R



Trong đó ai và bilà các hệ số của mạch lọc

Q là hệ số phẩm chất

Độ dốc đặc tuyến tần số -n*20dB/decade (n là bậc của bộ lọc)

- Hàm truyền cho 1 giai đoạn đơn:

- Sơ đồ mạch

Hình 1-5 LPF bậc 1 không đảo

Hình 1-6 LPF bậc 1 đảo

- Hàm truyền

Bảng 1-1 Hàm truyền của mạch LPF đảo và không đảo bậc 1

2 3 1

1 ( )

1 c

R R

( )

1 c

R R

f C



 và R2  R A3( 0  1)

+ LPF đảo: 2 1

2 c

a R

1 2

4

4 c

a C a C b C C R

R A

R R

f C C R



e) Mạch lọc thông thấp bậc cao

Để thiết kế những mạch lọc cao hợn bậc 2, ta có thể thiết kế bằng cách nối tiếp mạch lọc bâc 1 với mạch lọc bậc 2 một cách thích hợp Ví dụ nhƣ muốn tạo ra mạch lọc bậc 5 ta có thể dùng 2 mạch lọc bậc 2 và 2 mạch lọc bậc 1 nối tiếp nhau

Mạch lọc thông dải (Bandwith Filter)

Hình 1-9 Mạch Sallen-Key BPF

- Hàm truyền

2 2

.( )

 Mạch lọc thông dải đa hồi tiếp

m

R A

R

 + Hệ số phẩm chất: Q   f R Cm 2

có R3, tuy nhiên khi đó Q sẽ phụ thuộc vào Am thông qua biểu thức:

- Hàm truyền cụ thể

0 1 2

( )

s A b

2 1 1

2

(1 ) ( )

(1 )( )

Hình 2-2-1 Mạch lọc RC thông cao cơ bản

Hình 2-2-2 Dạng sóng vào ra mạch lọc RC thông cao

Hình 2-2-3 Quan hệ giữa điện áp vào ra mạch lọc RC thông cao

- Dạng sóng vào ra

Hình 2-2-5 Dạng sóng vào ra của mạch lọc RC thông thấp (5)

Hình 2-2-6 Quan hệ giữa điện áp vào ra mạch lọc RC thông thấp (5)

Vậy ta có hàm truyền điện áp:

⃗ ⃗ ⃗

b) Hàm truyền của mạch

2

2

1( )

1

s LC

Sơ đồ mạch

Hình 3-3: Mạch lọc RC thông cao bậc 3

Trong đó C1 = C2 = C3 = C = 15 (nF) và R1 = R2 = R3 = R = 10 (kΩ) Tần số cắt

= 47.157 (GHz)

d) Kết quả thực nghiệm

Bảng 3-1 Kết quả đo điện áp các mạch lọc thông cao

f(Hz) Ur1(V) Ur2(V) Ur3(V) Uv(V)

Hình 3-4 Đồ thị quan hệ giữa điện áp vào và ra mạch lọc thông cao

Trong đó:

Uv: Điện áp vào

Ur1: Điện áp ra mạch lọc thông cao bậc 1

Ur2: Điệp áp ra mạch lọc thông cao bậc 2

Ur3: Điệp áp ra mạch lọc thông cao bậc 3

Hình 3-5 Đồ thị biễu diễn hàm truyền của các mạch lọc thông cao

Trong đó:

K1: Hàm truyền của mạch lọc thông cao bậc 1

K2: Hàm truyền của mạch lọc thông cao bậc 2

K3: Hàm truyền của mạch lọc thông cao bậc 3

Sơ đồ mạch:

Hình 3-8: Mạch lọc RC thông thấp bậc 3

Trong đó C1 = C2 = C3 = C = 22 (nF) và R1 = R2 = R3 = R = 10 (kΩ) Tần số cắt

= 14.946 (GHz)

d) Kết quả thực nghiệm

Bảng 3-2 Kết quả đo điện áp ra các mạch lọc thông thấp

f(Hz) Ur1(V) Ur2(V) Ur3(V) Uv(V)

Hình 3-9 Đồ thị quan hệ giữa điệp áp vào và điện áp ra mạch lọc RC thông thấp

Hình 3-10 Đồ thị biễu diễn hàm truyền của các mạch lọc thông thấp

Trong đó:

K1: Hàm truyền của mạch lọc thông cao bậc 1

K2: Hàm truyền của mạch lọc thông cao bậc 2

K3: Hàm truyền của mạch lọc thông cao bậc 3

( ) ( ) ( )

11





Vậy nên nếu f < fc thì điện áp đầu

ra sẽ nhỏ hơn nhiều (lớn hơn 2 lần) so với điện áp đầu vào

b) Nguyên lý hoạt động của mạch lọc thông thấp

- Mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra:



Vậy nên nếu f > fc thì điện áp đầu

ra sẽ nhỏ hơn nhiều (lớn hơn 2 lần) so với điện áp đầu vào

3.3 Sơ đồ mạch in:

Hình 3-12: Sơ đồ mạch in

KẾT LUẬN

Sau thời gian nghiên cứu, đồ án đã được hoàn thành Đồ án đã hoàn thành hai vấn đề đặt ra là nghiên cứu và thiết kế các mạch lọc tương tự Ngoài ra mạch thiết kế còn có thể lọc âm thanh phát ra loa theo hai mức là: bass và treble thông qua mạch bộ khuếch đại

Các thông số đo được từ mạch gần đúng với lý thuyết: mối quan hệ giữa điệp áp ra và điện áp vào Đồ thị điện áp ra thực tế cho có dạng giống với đồ thị điện áp ra trên lý thuyết Mạch thiết kế hoạt động ổn định, đảm bao chức năng lọc tần số, và có tính áp dụng cho thực tiễn cao trong công nghệ điện tử và đời sống

Ngoài sử dụng R và C để thiết kế mạch chúng ta có thể sử dụng L, và các mạch khuếch đại thuật toán để thiết kế các mạch lọc

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt

1 Phạm Minh Hà Kỷ thuật mạch điện tử Hà Nội : Nhà xuất bản Khoa học - Kỷ

thuật, 1997

2 KS Bùi Văn Thơm Bài giảng lọc thông tích cực 2008

3 ThS Phan Trọng Hanh, ThS Nguyễn Hoài Anh and ThS Đoàn Minh Định Lý