Thiết kế mạch tạo dao động cầu viên

Thiết kế mạch tạo dao động cầu viên

BÁO CÁO

ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – HẬU CẦN CAND

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Bắc Ninh, ngày 19 tháng 09 năm 2016.

ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II

“THIẾT KẾ MẠCH TẠO DAO ĐỘNG CẦU VIÊN”

NHẬN XÉT BÁO CÁO CỦA GIẢNG VIÊN

- Nhóm sinh viên thực

hiện:

2

- Lớp: B7/D4.

- Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử truyền thông.

- Khoa: Điện tử viễn thông.

- Nhận xét của giảng viên:

LỜI NÓI ĐẦU

Nhằm kiểm chứng lại lý thuyết về mạch tạo dao động, củng cố kiến thức

lý thuyết trên lớp và áp dụng vào thực tế thông qua việc thực hành lắp ráp và tính toán các số liệu trên mạch tạo dao động cầu Wien Cùng với sự quan trọng của các mạch dao động nói chung và mạch tạo dao động hình sin nói riêng, là một thành phần không thể thiếu trong các mạch thông dụng hiện nay Do đó chúng em lựa chọn đề tài thiết kế mạch tạo dao động cầu Wien để làm đề tài báo cáo bài tập lớn

Sau một thời gian, bản báo cáo cùng sản phẩm đã được hoàn thành, đây là thành quả từ quá trình tự nghiên cứu các nguồn tài liệu, quá trình tìm tòi, vận dụng hiểu biết và đọc thêm kiến thức

Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức và nguồn tài liệu còn hạn chế nên mặc dù đã rất cố gắng nhưng bài báo cáo của chúng em cũng không tránh khỏi những thiếu sót, cần được bổ sung

MỤC LỤC

Lời nói đầu 3

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU

1 Mục đích

Với mục đích khảo sát lại lý thuyết về mạch dao động tạo sóng sin tần số thấp và thực hành lắp ráp mạch điện tử căn bản Qua đó giúp củng cố kiến thức

lý thuyết cũng như nâng cao kỹ năng thực hành

Trên thực tế đây là một dạng mạch dao động sử dụng OP-AMP( Operational Amplifer) mắc theo kiểu khuếch đại thuật toán thuận

Mục tiêu thiết kế của đề tài là thiết kế một mạch tạo dao động cầu Viên dao động với biên độ 6.5V và tần số dao động trong khoảng 500Hz đến 1KHz

2 Yêu cầu

Củng cố chắc hơn kiến thức đã học trên lớp về mạch tạo dao động cầu Viên,

và vận dụng được các kiến thức đã học vào thực hiện thiết kế được mạch tạo dao động cầu Viên theo các thông số yêu cầu

Thiết kế được mạch thực tế (hoặc mô phỏng) dựa trên các số liệu đã cho trước đáp ứng đúng yêu cầu mạch thực hiện đúng chức năng

3 Phương pháp thiết kế đề tài

Thực hành là cách tốt nhất để kiểm chứng lại lý thuyết, đối với mỗi bài toán cần thiêt phải thực hiện theo đúng trình tự thiết kế Bắt đầu từ việc phân tích sơ

đồ nguyên lý, tính toán thông số của các linh kiện, mô phỏng kiểm chứng (sử dụng phần mềm proteus để mô phỏng) và cuối cùng là thiết kế và lắp ráp mạch

in Mỗi công đoạn đề phải được thực hiện một cách đồng bộ, chính xác, sản phẩm tạo ra phải đảm bảo những yêu cầu về kỹ thuật và hoạt động ổn định

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Tổng quan mạch tạo dao động cầu viên

a. Mạch khuếch đại hồi tiếp.

r

ht ht

v r

U

U K

U

U K

=

=

Mặt khác, ta có:

.

;

ht

k

j ht ht

j

e K K

e K K

ϕ

ϕ

=

=

Trong đó: φk : Góc lệch pha giữa Ur và Uv của bộ khuếch đại;

Φht: Góc lệch pha giữa Uht và Ur của bộ hồi tiếp

Điều kiện để mạch dao động với biên độ không đổi:

- Điều kiện φk+φht=2kπ với k=1,2,3… là điều kiện về hồi tiếp dương: Đây chính là điều kiện cần để cho mạch dao động hay còn gọi là điều kiện cân bằng pha

- Điều kiện |K|.|Kht| = 1 điều kiện để mạch dao động với biên độ không đổi: Đây là điều kiện đủ để mạch dao động hay còn gọi là điều kiện cân bằng biên độ

b. Op-Amp (Operational Amplifer):

Là linh kiện điện tử phổ biến,cấu tạo căn bản gồm một đầu vào vi sai, ngõ

ra là một nguồn áp phụ thuộc Op-Amp thường được dùng để thiết kế các mạch khuếch đại,vi phân,tích phân,…Op-Amp hoạt động bằng nguồn đôi được nối tương ứng với hai ngã vào Vcc+ và Vcc- Op-Amp 741 là một trong những loại thường được sử dụng hình 1

c. Giới thiệu về mạch tạo dao động cầu viên:

Mạch dao động cầu Wien là: một dạng dao động dịch pha , thường dùng Op-Amp ráp theo kiểu khuếch đại không đảo

Hình 2 Mạch lọc thông dải

Ta có hệ số truyền đạt của mạch là:

)

1 (

1

1

1 2 2

1 1

2

2

1 1

2

C R C

R j C

C R

R U

U

ω

+ +

+

=

=

Khi đó ta xác định được:

1

2 2

1

1 2 2

1

1

1

C

C R

R

C R C

R arctg

ht

+ +

−

−

ϕ

2

1 2 2

1 2

1

2 2

1

1







+







 + +

=

C R C

R C

C R R

K ht

ω ω

Xét trong trường hợp C1 =C2 =C

và R1 =R2 =R

ta có:

2 2

1 9

1 1

9

1











 − +

=











+

=

α α ω

ω

RC RC

K ht

1

α α

ϕht = arctg − +

Trong đó α ωRC

1

=

Như vậy, ta có

0

=

ht

ϕ

tại tần số dao động của

f

π

2

1

0 =

1

=

ht

K

Để mạch có thể tạo dao động thì phải thỏa mãn điều kiện cân bằng pha và cân bằng biên độ nên phần mạch khuếch đại trong mạch dao động phải có 0

=

K

ϕ

Đối với mạch khuếch đại thuật toán sử dụng là mạch khuếch đại thuận, tín hiệu hồi tiếp sẽ đưa về cửa thuận và mạch dao động tại chế độ xác lập khi 3

=

K

Ta có sơ đồ mạch tạo dao động cầu viên như sau:

Hình 3 Mạch tạo dao động cầu viên

Mạch khuếch đại thuật toán thuận nên ta có:

1 2

1

R

R

K = + = ⇒ =

2 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo dao động cầu viên.

Hình 4 Mạch tạo dao động cầu viên

Nguyên lý:

→ Các tín hiệu phản hồi trong mạch dao động này được kết nối với các thiết

bị đầu cuối đầu vào không đảo ngược để các op-amp hoạt động như một

bộ khuếch đại không nghịch đảo

→ Các điều kiện không chuyển giai đoạn xung quanh các mạch được thực hiện bằng cách cân bằng cầu, không giai đoạn chuyển đổi là điều cần thiết cho các dao động bền vững

→ Tần số của dao động là tần số cộng hưởng của cầu cân bằng và được cho

bởi biểu thức RC

f

π

2

1

0 =

→ Tại tần số cộng hưởng ( 0

f

), các nghịch đảo và không đảo ngược điện áp đầu vào sẽ được bình đẳng và "trong giai đoạn" để các tín hiệu phản hồi tiêu cực sẽ bị hủy bỏ do sự phản hồi tích cực làm cho mạch dao động

→ Từ việc phân tích các mạch, có thể thấy rằng các yếu tố phản hồi

đại phải được độ lợi vòng hở là 3 để có thể giảm thiểu tối đa việc biến dạng

→ Tần số của mạch trên có thể được thay đổi bằng cách chỉ đơn giản là thay đổi chiết áp R1 và biên độ của dạng sóng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi chiết áp R Tần số của sóng sin được tạo ra trong mạch trên phụ thuộc vào các thành phần R1, R2, C1 và C2

→ Đối với việc điều chỉnh biên độ của sóng sin được thực hiện bằng cách sử dụng chiết áp Một chiết áp giá trị thấp (1K) được kết nối với giá trị cao (100K) để điều chỉnh thô có thể được thực hiện với các điện trở có giá trị cao và điều chỉnh tốt với các điện trở có giá trị thấp

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH

1 Lý thuyết chung.

Trong bài toán yêu cầu thiết kế mạch tạo dao động cầu viên với tần số dao động trong khoảng 500Hz đến 1KHz ta có 3 phương án thực hiện:

→ điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi điện trở R1, R2

→ điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi tụ điện C1, C2

→ điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi đồng thời tụ điện và điện trở

 Ở đây để đơn giản chúng ta điều chỉnh tần số bằng cách thay đổi điện trở R2 ( dùng biến trở).

 Với tần số 500Hz:

) (

1000 π rad s

ω =

⇒

Chọn C1 =C2 = 10 µF

; R1 =20Ω

Ta có:

6 6

2 2

1 2

1 20 10 10 10 10

1 1

−

−

=

=

R C

C R R

ω

Ω

=

⇒R2 50 , 66

 Tương tự với tần số 1KHz ta cũng tính được R2 =12,67Ω

→ Như vậy trên lý thuyết để tạo được mạch dao động cầu viên có tần số dao động biến đổi từ 500Hz đến 1KHz, với mạch dung Op-Amp 741 ta thay R2 bằng biến trở có điện trở biến đổi từ 12,67Ω đến 50,66Ω

→ Nhưng do sai số nên ta có thể dùng biến trở có điện trở thay đổi từ 12(Ω ) →50(Ω

)

Tuy nhiên nếu chỉ thay đổi giá trị R2 (hoặc R1 ) không thôi, thì tần số f cũng như biên độ dao động của mạch cũng sẽ thay đổi cùng lúc

Như vậy, theo như trên, nếu ta tính với R1=const sẽ xảy ra hiện tượng trên

→ Với tần số 500Hz thì R1= R2 =32Ω.

→ Với tần số 1000Hz thì R1= R2= 16Ω.

Khi ta đã có R1 = R2 thì ta có Kht =3

1

Khi đó để mạch dao động với biên độ

không đổi thì phải thỏa mãn

1 K =

K ht

Suy ra K =3 Mặt khác ta lại có K =1+ 3

4

R R

Vì vậy ta phải điều chỉnh giá trị điện trở của R3 và R4 thoả mãn R4 = 2R3

2 Sơ đồ mô phỏng

Ta vẽ mạch thực tế mô phỏng sử dụng phần mềm proteus sao cho mạch dao động với tần số nằm trong khoảng 500Hz →1000Hz .với giá trị R1=R2= 20Ω; R3 =100 KΩ; R4 = 40 KΩ; C1=C2= 10

F

µ

Tuy nhiên mạch tạo dao động cầu viên có biên độ dao động ra quá nhỏ nên

ta sử dụng thêm máy biến áp với tỉ lệ số vòng các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp thích hợp (hình vẽ) để khuếch đại điện áp ra đến giá trị 6,5V cho thỏa mãn yêu cầu bài toán

Hình 5 Sơ đồ mô phỏng mạch tạo dao động cầu Viên

Hình 6: Dạng sóng đầu ra

3 Mô phỏng mạch in 3D

Sơ đồ sau khi đi dây

Danh sách linh kiện sử dụng trong mạch:

TT Tên linh kiện Giá trị Số lượng

4 Ưu, nhược điểm của mạch

a) Ưu điểm

→ Mạch điện đơn giản dễ làm với những linh kiện phổ biến, dễ tìm, chi phí thấp

→ Nguyên lý đơn giản, dễ hiểu

b) Nhược điểm

→ Tạo điện áp ra quá nhỏ nên phải sử dụng máy biến áp để kích điện áp ra

Kết luận

Báo cáo trình bày quy trình thiết kế và mô phỏng mạch tạo dao động cầu Wien sử dụng bộ khuếch đại thuật toán không đảo Các kết quả đã đạt được cụ thể là :

- Tìm hiểu tổng quan về mạch dao động cầu Wien, tập trung phân tích về nguyên lý của mạch cầu Wien

- Lựa chọn phương án xây dựng mạch theo nguyên lý, tính toán giá trị cụ thể các linh kiện để thiết kế mạch sao cho phù hợp với yêu cầu bài toán

- Khảo sát mạch trên công cụ Proteus

Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện thời gian, kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không thể tránh các sai sót Vì vậy, nhóm chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô cũng như bạn bè quan tâm

Chúng em xin trân thành cảm ơn !

Tài liệu tham khảo

- Đề cương bài giảng Kỹ thuật Điện tử tương tự II – Hoàng Thị Tuyên.

- Điện tử tương tự - PTIT – Ngô Đức Thiện, Lê Đức Toàn.

- Các video về hướng dẫn sử dụng proteus để mô phỏng mạch điện trên

https://www.youtube.com/

- Tìm tài liệu trên internet (tailieu.vn, 123.doc.org, vn-zoom.vn,

http://www.dientuvietnam.net/forums/ ).