MẠCH PHÁT FM dùng IC số

có sơ đồ nguyên lý và mạch in và là một báo cáo chi tiết hướng dẫn chi tiết về mạch MẠCH PHÁT FM .......................................................................................................................................

Mạch phát FM

MẠCH PHÁT FM

MỤC LỤC

Lời nói đầu

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 3

1.1 Mục đích 3

1.2 Nội dung và nhiệm vụ 3

1.3 Phương pháp 3

Chương 2 LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ FM 5

2.1 Điều chế tần số FM 5

2.1.1 Dạng sóng của điều chế FM 6

2.1.2 Dạng phổ của điều chế FM 8

2.2 Chỉ số điều biến FM 8

Chương 3 THIẾT KẾ MÁY PHÁT FM 10

3.1 Giới thiệu linh kiện trong mạch phát FM 10

3.2 Sơ đồ nguyên lý 11

3.3 Chức năng từng khối theo sơ đồ nguyên lý 11

3.3.1 Khối mạch vào 11

3.3.2 Khối mạch lọc 11

3.3.3 Khối khuếch đại âm tần 13

3.3.4 Khối dao động 14

3.3.5 Antena 16

3.4 Nguyên lý hoạt động chung 16

Chương 4 KẾT QUẢ THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM 18

4.1 Sơ đồ mạch in 18

4.2 Sản phẩm 19

4.3 Kết quả thử nghiệm 19

4.4 Ưu điểm và nhược điểm 19

4.5 Cách khắc phục 20

Chương 5 KẾT LUẬN 21

Tài liệu tham khảo 22

Dao động Điều chế

vì thế em xin giới thiệu về mạch phát FM (frequency modulation) Hầu hết các ứng

dụng kể trên đều được phát triển từ một nguyên lý chung của mạch phát FM, tức lànhận tín hiệu tương tự sau đó đưa vào mạch điều chế FM và cuối cùng phát tín hiệu đó

ra ở một tần số trong dãy FM (64 – 108 MHz) Ở đây, mạch phát FM này sẽ nhận tínhiệu tương tự là âm thanh ( tiếng nói, nhạc, ), phát ra tín hiệu ở tần số trong dải FM

và sử dụng bộ phận thu là máy radio thường dùng trong cuộc sống

1.2 Nội dung và nhiệm vụ:

-Tìm hiểu kỹ thuật điều chế tần số tương tự FM (frequency modulation)

-Thiết kế mạch phát tín hiệu FM với tín hiệu tin tức là âm thanh ( dải tần 20Hz –20KHz), tần số sóng mang nằm trong dải tần FM (64MHz – 108MHz)

-Thi công phần cứng : mạch nhỏ gọn, tiện dụng, phát tín hiệu tốt

1.3 Phương pháp:

- Khối mạch vào: nhận tín hiệu âm thanh từ micro để đưa vào mạch điều chế.

- Khối mạch lọc: ngăn dòng một chiều từ micro vào mạch và cho tín hiệu xoay chiều

đi qua

- Khối khuếch đại âm tần: khuếch đại tín hiệu đã đưa vào từ micro.

- Khối dao động: tạo ra tần số dao động riêng chính là tần số sóng mang.

- Antena: phát tín hiệu, tăng khả năng bức xạ sóng điện từ ra môi trường xung quanh.

Hình 1.1 Sơ đồ khối mạch phát FM

độ rộng xung, … ) của dao động cao tần theo tin tức.

Trong trường hợp này, tin tức được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần đượcgọi là tải tin, còn dao động cao tần mang tin tức được gọi là dao động cao tần đã điềuchế

Nói chung các phương pháp điều chế rất đa dạng, bao gồm cả điều chế cho tín hiệutương tự và cho tín hiệu số , trong đó , một trong những phương pháp đơn giản cho tínhiệu tương tự là phương pháp điều tần – frequency modulation (FM)

Điều tần là quá trình ghi tín hiệu tin tức ở tần số thấp vào một dao động ở tần số

cao làm biến đổi tần số theo tín hiệu tin tức Trong điều tần, tín hiệu điều tần thay đổiquanh tín hiệu tải tin Phương pháp này khác với phương pháp thay đổi biên độ củasóng mang hay còn gọi là điều chế biên độ - amplitude modulation (AM) Trong kỹthuật truyền thông tương tự , giá trị của tín hiệu mang tin sẽ ảnh hưởng trực tiếp lên tần

số của sóng mang

Mục đích của điều chế là chọn một phổ tần thích hợp cho việc truyền thông tin, vớicác tần số sóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tầntrên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyền Xét tín hiệu tải tin : Ut(t)

= Umt cos ωt t

Nếu ωt thay đổi tương ứng với nguồn thông tin, ta có tín hiệu điều chế tần số (FM).Một kỹ thuật điều chế tương tự là điều chế pha PM (Φ(t) thay đổi) Trong phạm vi bàitập này, ta chỉ xét kỹ thuật điều tần.

Xét 2 tín hiệu:

Tin tức Us(t) = Ums cos ωs t

Tải tin Ut(t) = Umt cos ωt t

Khi điều chế tần số, tần số của dao động cao tần biến thiên tỉ lệ với tín hiệu điều chế

và được xác định

ωdt = ωt + Kdt .Ums cos ωs t

Trong đó : ωt là tần số trung tâm của tín hiệu điều tần

∆fmax = Kdt .Ums gọi lượng di tần cực đại

Biểu thức của điều tần :

Udt = Umt cos (ωt.t + (∆fmax / ωs) Sin ωs t)

= Umt cos (ωt.t + mf Sin ωs t)

tăng giảm theo tín hiệu âm tần

Hình 2.1 Sơ đồ điều chế FM

Mạch phát FM

2.2 Chỉ số điều biến FM:

Giống như các ở phương pháp điều chế khác , đối với FM chỉ số điều chế cũng chỉ

ra mức độ thay đổi của tín hiệu đã điều chế so với tín hiệu chưa qua điều chế Ở trườnghợp này ,đó là mức độ biến thiên của tần số sóng mang :

Trong đó f m là tần số điều biên cao nhất Nếu h<<1, đây là phương pháp điều chế giải hẹp với băng thông xấp xỉ 2f m, nếu h>>1 thì đó là phương pháp điều chế FM băng

rộng với băng thông xấp xỉ Mặc dù FM băng rộng chiếm nhiều băng thông hơnnhưng nó cũng có thể nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) một cách đáng kể

Chương 3 THIẾT KẾ MÁY PHÁT FM 3.1 Giới thiệu linh kiện trong mạch phát FM:

Bảng 3.1: Các linh kiện trong mạch

Nguồn Pin vuông 9V kèm theo đế nguồn pin

Transistor

2N3904 Vị trí chân của transistor 2N3904:

Tụ điện, điện trở, led Tụ 22nF là tụ 223; Tụ 100nF là tụ 104; Tụ 1nF là tụ 102Cuộn cảm Dây đồng đường kính 0.4mm

Antena Là sợi dây dẫn hoặc dây đồng

Mạch phát FM

3.2 Sơ đồ nguyên lý:

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch phát FM

3.3 Chức năng từng khối theo sơ đồ nguyên lý:

3.3.1 Khối mạch vào:

Khối mạch vào bao gồm nguồn và micro:

-Nguồn: có thể chế tạo từ nguồn tuyến tính có đầu ra cỡ 9-10V Ở đây, mạch phát

FM này sử dụng nguồn pin vuông 9V, đảm bảo được sự nhỏ gọn và tiện dụng

-Micro: dùng để đưa tín hiệu âm thanh từ môi trường bên ngoài vào mạch điều biên

FM Có thể thay thế micro bằng audio để lấy tín hiệu âm thanh từ các thiết bị âm thanhnhư điện thoại, máy tính, đài… để đưa vào mạch điều biên FM

3.3.2 Khối mạch lọc:

- Mạch lọc ở đây là tụ C1, C1 vừa là tụ liên lạc vừa có tác dụng ngăn dòng một chiều

từ micro vào Q1 và cho tín hiệu xoay chiều đi qua

- Do trở kháng vào của Transistor nhỏ nên để tín hiệu âm tần ít bị sụt áp trên tụ C1 thìdung kháng của tụ C1 phải nhỏ hơn nhiều so với trở kháng vào của Transistor Trongmạch chọn tụ C1=22nF, khi đó dung kháng của tụ là:

Zc= 1/(2πfC) = 1/(2π.50.22.10-9) ≈ 144686Ω

Giá trị trở kháng vào của Transistor: điện trở R3 cần phải có giá trị lớn để dòng phâncực cho Q1 nhỏ ( phân cực hồi tiếp âm điện thế ) Chọn R3= 1MΩ, khi đó dòng phâncực:

Xét mạch tín hiệu nhỏ (kiểu mẫu re):

I Ib

Ic

Ie

13

Mạch phát FM

3.3.3 Khối khuếch đại âm tần:

Transistor Q1 loại NPN được mắc EC Đây là mạch khuếch đại cực phát chungphân cực bằng hồi tiếp điện thế Cách phân cực này giúp ổn định hoạt động của mạchFM

Chức năng của khối này là làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ micro và đưa qua tụliên lạc C2 để đưa ra tầng sau Chọn giá trị tụ C2=100nF ( tụ 104) nhằm góp phần giúp

tín hiệu hạn chế nhiễu XC2 = 31830 Ω ( giá trị dung kháng đủ lớn để không ảnh hưởngđến mạch).

R4 là điện trở tải, trị số thường dùng trong khoảng 1KΩ đến 10KΩ, trong mạchchọn 10KΩ Nếu điện trở tải quá nhỏ, hệ số khuếch đại sẽ nhỏ, nếu điện trở tải quá lớn,điện áp một chiều sụt trên tải sẽ lớn làm điện áp đưa vào colector sẽ quá nhỏ làm hiệusuất thấp và tín hiệu ra méo

R3 là điện trở hồi tiếp, nó dẫn một phần điện áp từ mạch ra về mạch vào để phâncực cho tiếp xúc phát R3 phải có giá trị rất lớn để dòng phân cực cho Q1 nhỏ

3.3.4 Khối dao động:

- Khung daođộng L1C5 tạo ra

tần số dao động riêng chính là tần số sóng mang Khi tín hiệu vào thay đổi, tần số riêngcủa mạch cộng hưởng này thay đổi trong một dải tần theo sự biến thiên của tín hiệu Giátrị trung tâm của dải này chính là tần số phát của mạch

Hệ số khuếch đại âm tần:

Mạch phát FM

- Cuộn cảm L1 dùng chặn cao tần ( chặn xoay chiều) Ở đây, cuộn cảm được quấnbằng dây đồng đường kính d= 0,4mm theo thông số: lõi không khí, bán kính lõi r=3mm.chiều dài lõi l=1cm, số vòng dây N=5 Công thức tính cuộn cảm cho hình trụ tròn dài:

L = từ dung đo bằng Henry (H)

μ0 = độ từ thẩm của chân không = 4π × 10-7H/m

K = hệ số Nagaoka (phụ thuộc độ co giãn cuộn dây cỡ =1)

N = số vòng

A = thiết diện cuộn dây đo bằng mét vuông (m2)

l = chiều dài cuộn dây (m)

Từ các thông số trên, giá trị L= = 8.88 ×10 -8 H

Tần số của mạch phát ra ở 84MHz (giá trị thực tế đã đạt được): f

C5= 41pF ≈ C5= 47pF (giá trị đã chọn)

- R5 và R6 tạo điểm làm việc cho Q2 Trong mạch, Q2 được mắc kiểu EC, chọn giátrị R5= 47KΩ, R6= 100Ω Khi đó:

- Tụ C4 = 10pF có chức năng hồi tiếp điện áp C-E

- Công suất phát của mạch:

3.4 Nguyên lý hoạt động chung:

Tín hiệu được đưa vào mạch thông qua một rắc micro Điện trở R2 nối tiếp với microvào nguồn để phân cực cho tín hiệu vào Âm thanh thay đổi khi qua dây này sẽ đượcchuyển thành tín hiệu điện đưa qua tụ C1 vào cực B (bazơ) của transistor Q1 mắcEmiter chung (EC) và hồi tiếp điện thế, giúp ổn định cực phát Tín hiệu sau đó đượckhuếch đại và đưa vào cực Bazơ của transistor Q2 thông qua tụ C2( nhiệm vụ ngăn 1chiều và cho xoay chiều đi qua)

c f2π

Mạch phát FM

Transistor Q2 được mắc Emiter chung (EC), hồi tiếp C-E bằng tụ C4 Khi tín hiệuđưa ra từ chân C của transistor Q1 biến thiên xoay quanh một trị số tĩnh (do điểm làmviệc tĩnh Q của Q1 quyết định) từ đó tần số riêng của mạch dao động biến đổi tạo nên

sự điều biến tần số (FM – Frequence Modulation) cho mạch này Anten nối với cựcColector của transistor Q2 giúp tăng khả năng phát xạ của mạch

Chương 4 KẾT QUẢ THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM 4.1 Sơ đồ mạch in:

Hình 4.1 Sơ đồ mạch in được vẽ trên phần mềm protues

Hình 4.2 Sơ đồ mạch in được chuyển sang file pdf

Mạch phát FM được thiết kế có các thông số: tần số phát ở 84MHz, nguồn cung cấp

sử dụng là 9V, tầm phát xa gần 20m hoàn toàn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật

Chất lượng tín hiệu thu được sử dụng đài thu FM thông thường cho tín hiệu tốt,không có tiếng ồn trong phạm vi phát cho phép của thiết bị

4.4 Ưu điểm và nhược điểm:

- Ưu điểm: Mạch được thiết kế có kích thước 4cm x 7cm, hàn gọn và chi phí thànhphẩm thấp, sử dụng linh kiện truyền thống Sóng FM có nhiều ưu điểm về mặt tần số,dải tần âm thanh sau khi tách sóng điều tần có chất lượng rất tốt, cho âm thanh trungthực, sóng FM ít bị nhiễu

- Nhược điểm của sóng FM là cự ly truyền sóng ngắn, dễ bị nhiễu do các tác độngbên ngoài, chỉ truyền được cự ly từ vài chục đến vài trăm Km, do đó sóng FM thườngđược sử dụng làm sóng phát thanh trên các địa phương

- Tín hiệu phát đi có chất lượng tốt, tầm phát xa khoảng 20m

- Mạch nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí tới mức tối đa

- Nguồn cung cấp đơn giản và nhỏ gọn

- Tần số phát là 84MHz

- Sóng FM có nhiều ưu điểm về mặt tần số, dải tần âm thanh sau khi tách sóng điều tần

có chất lượng rất tốt, cho âm thanh trung thực, sóng FM ít bị nhiễu

Hướng phát triển:

- Thiết kế thêm mạch thu FM

- Kỹ thuật điều chế FM được sử dụng phổ biến trong khoảng tần số vô tuyến VHF dànhcho truyền phát âm nhạc và giọng nói độ trung thực cao Hệ quả là FM gần như trởthành một loại chuẩn điều chế truyền phát tương tự ở tần số cao và độ trung thực cao –

FM radio Điều chế FM sử dụng trong truyền phát tín hiệu thông thường được gọi làđiều chế FM giải rộng (W-FM) Trong chuyền phát Radio 2 chiều FM giải hẹp (N-FM)được sử dụng để tiết kiệm băng thông

- Trên thực tế, nếu sử dụng các linh kiện dán kích thước nhỏ, ta có thể thu hẹp kíchthước mạch xuống mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật với giá thành cao hơn từ 15%đến 20% Linh kiện sử dụng phổ biến, quy trình lắp mạch đơn giản và hiệu chỉnh dễdàng Có thể sử dụng các linh kiện thay đổi tần số như tụ xoay

- Như vậy, các yêu cầu này đảm bảo cho việc đưa vào thiết bị tai nghe không dây màkhông làm thay đổi nhiều kích thước cũng như khối lượng của tai nghe, có tính khả thicao khi áp dụng trong thực tế

Tài liệu tham khảo:

1. www.hocdientu.info

2. www.dientuvietnam.net

3. Phạm Thị Cư, Lý thuyết tín hiệu, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP Hồ Chí

Minh - 2009