bài 2 các dạng mạch lọc

Cơ sở lý thuyết Mạch lọc thông thấp được thiết kế để cho qua tất cả các tần số có giá trị nhỏ hơn tần số cắt fc, ngược lại với các tần số lớn hơn tần số cắt fc sẽ bị triệt tiêu.. Hình vẽ

Trang 1

Bộ môn VLKT Trường ĐHBK Tp.HCM

BÀI 2: CÁC DẠNG MẠCH LỌC

I MẠCH LỌC THÔNG THẤP

1 Mục đích

• Tìm hiểu nguyên lý làm việc, khảo sát đặc tuyến tần số của mạch lọc thông thấp bậc 2 (2 cực) sử dụng IC thuật toán – IC 741

2 Các thiết bị cần dùng trong bài thí nghiệm, gồm:

• Máy phát tín hiệu (dạng hình sin) tần số thấp có dải tần từ 20Hz đến 20KHz

• Oscilloscope 2 kênh

• Bộ thí nghiệm Biosignal Processing Circuits

3 Cơ sở lý thuyết

Mạch lọc thông thấp được thiết kế để cho qua tất cả các tần số có giá trị nhỏ hơn tần số cắt (fc), ngược lại với các tần số lớn hơn tần số cắt fc sẽ bị triệt tiêu Hình vẽ dưới đây mô tả đặc tuyến tần số lý tưởng và đặc tuyến tần số thực tế của một bộ lọc thông thấp

Hình 1: Đặc tuyến lý tưởng và thực tế của bộ lọc thông thấp

Trong bộ thí nghiệm, chúng ta khảo sát mạch lọc thông thấp ButterWorth 2 cực (bậc 2) Ở đây ta bắt gặp thuật ngữ “cực”, số cực ở trong các bộ lọc được xác định bằng số lượng mạch RC ở trong mạch lọc Đối với bộ lọc ButterWorth, mỗi cực ứng với độ dốc của đặc tuyến là 20dB/decade

Yêu cầu về hệ số truyền đạt của mạch lọc thông thấp bậc 2 – ButterWorth là K<1.586, tần số cắt fc được định nghĩa là tần số mà tại đó hệ số truyền đạt của mạch lọc giảm giảm đi 2 lần (hay -3dB)

∆fB

fC

K(dB)

f

-3dB

fC

f

∆fB K

Trang 2

4 Nội dung bài thí nghiệm

Dưới đây là sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp bậc 2 (2 cực) với hai mắt lọc RC, đó là R25-C5, R26-C4 và tần số cắt của mạch là:

5 4 26 25

2

1

C C R R

fc

π

=

Và hệ số truyền đạt của mạch được tính như sau: K = 1 + R28/R27

R 2 7

1 0 K

R 2 5

1 0 K

- 1 2 V

-+ 3

R 2 6

1 0 K

C 4

0 0 1

R 2 8 2 7 K

C 5

0 0 2

+ 1 2 V

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp bậc hai

 Bật công tắc xoay chiều về vị trí ON

 Bật công tắc nguồn một chiều về vị trí ON

 Nối máy phát tín hiệu và kênh CH1 của Oscilloscope vào đầu vào IN của mạch (thiết lập tín hiệu vào có biên độ 1

VPP)

 Mắc kênh CH2 của Oscilloscope vào đầu OUT của mạch điện

 Thay đổi tần số tín hiệu vào (fv) từ 50Hz đến 2KHz và quan sát tín hiệu ra (Ur) trên màn hình Oscilloscope trong dải tần từ 50Hz đến 2KHz

Lưu ý: khảo sát kỹ vùng tần số mà biên độ tín hiệu ra thay đổi.

Trang 3

5 Báo cáo thí nghiệm

5.1 Tính hệ số truyền đạt K và tần số cắt fc của mạch lọc theo công thức lý thuyết với các giá trị linh kiện cho trong mạch.

Klt = 1 + R28/R27 = 1,27

5 4 26 25

2

1

C C R R

fc

π

Hz

trị tần số và biên độ đã đo được theo hai dạng sau:

5.3 Tính hệ số truyền đạt K và tần số cắt fc theo đồ thị thực nghiệm.

Ktn = Ur /Uv = 0,7/0,5 =1,4 fctn = 1428,57 Hz

tuyến tần số trong lý thuyết Giải thích sự sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm.

• Nhận xét: Có sự sai khác giữa đặc tuyến tần sớ lý thuyết và đặ tuyến tần sớ thực nghiệm Ơ lý thuyết Ur bị cắt ngay lập tức tại 1 tần sớ xác định, còn ở thực nghiệm thì Ur giảm dần tư

tư trong 1 dải tần sớ

• Nguyên nhân: Do OPAMP trong thực tế khơng phải là OPAMP lý tưởng và tụ trong thực tế

cũng cần 1 khoảng thời gian để nạp và xả

Trang 4

II MẠCH LỌC THÔNG CAO

1 Mục đích

• Tìm hiểu nguyên lý làm việc, khảo sát đặc tuyến tần số của mạch lọc thông cao bậc 2 (2 cực) sử dụng IC thuật toán –

IC 741

2 Các thiết bị cần dùng trong bài thí nghiệm, gồm:

Mạch lọc thông cao được thiết kế để cho qua tất cả các tần số có giá trị lớn hơn tần số cắt (fc), ngược lại với các tần số nhỏ hơn tần số cắt fc sẽ bị triệt tiêu Hình vẽ dưới đây mô tả đặc tuyến tần số lý tưởng và đặc tuyến tần số thực tế của một bộ lọc thông cao

Hình 3: Đặc tuyến lý tưởng và thực tế của bộ lọc thông cao

Trong bộ thí nghiệm, chúng ta khảo sát mạch lọc thông cao ButterWorth bậc 2, với hệ số truyền đạt của mạch lọc K<1.586, fc là tần số cắt của mạch

fC

K(dB)

f

-3dB

K

Trang 5

4 Nội dung bài thí nghiệm

Sơ đồ mạch nguyên lý

R 3 2

1 0 K

R 3 0

1 5 K

- 1 2 V

-+ 3

R 2 9

3 3 K

C 8

0 0 1

I N

O U T

R 3 1

2 7 K

C 7

0 0 1

+ 1 2 V

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông cao bậc hai

Trên đây là sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông cao bậc 2 với hai mắt lọc RC, đó là R29-C8, R30-C7 và tần số cắt của mạch là:

8 7 30 29

2

1

C C R R

fc

π

=

Và hệ số truyền đạt của mạch được tính như sau: K = 1 + R31/R32

Các bước tiến hành thí nghiệm

VPP)

 Thay đổi tần số tín hiệu vào (fv) từ 50Hz đến 2KHz và quan sát tín hiệu ra (Ur) trên màn hình Oscilloscope Hãy ghi lại giá trị tần số và biên độ tín hiệu ra (Ur) trên màn hình Oscilloscope trong dải tần từ 50Hz đến 2KHz

Trang 6

Tính hệ số truyền đạt K và tần số cắt fc của mạch lọc theo công thức lý thuyết với các giá trị linh kiện cho trong mạch.

Klt = 1 + R31/R32 = 1,27

8 7 30 29

2

1

C C R R

fc

π

Vẽ đặc tuyến tần số của mạch lọc theo các giá trị tần số và biên độ đã đo được theo hai dạng sau:

Trong đó:

v

r U

U

K = ; K dB = 20logK

Tính hệ số truyền đạt K và tần số cắt fc theo đồ thị thực nghiệm.

Ktn = Ur/Uv = 0,7/0,5 = 1,4 fctn = 625 Hz

So sánh đặc tuyến tần số vừa vẽ được với đặc tuyến tần số trong lý thuyết Giải thích sự sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm.

Trang 7

I MẠCH LỌC THÔNG DẢI

• Mục đích

• Tìm hiểu nguyên lý làm việc, khảo sát đặc tuyến tần số của mạch lọc thông dải nhiều vòng hồi tiếp sử dụng IC thuật toán - IC741

• Các thiết bị cần dùng trong bài thí nghiệm

• Cơ sở lý thuyết

Mạch lọc thông dải là mạch được tạo ra bằng cách ghép mạch lọc thông thấp với mạch lọc thông cao Đặc tuyến tần số của mạch được đặc trưng bởi tần số trung tâm f0 và dải thông ∆fB Khi tần số đưa vào mạch mà nhỏ hơn tần số cắt fC1 và lớn hơn tần số cắt fC2 thì bị triệt tiêu Ngược lại, trong dải tần từ fC1 đến fC2 thì tần số được cho qua Hình vẽ dưới đây mô tả đặc tuyến tần số lý tưởng và đặc tuyến tần số thực tế của một bộ lọc thông dải

Hình 5: Đặc tuyến lý tưởng và thực tế của một bộ lọc thông

dải

Mạch lọc thông dải bậc hai dùng nhiều vòng hồi tiếp, sử dụng trong thí nghiệm là loại mạch lọc ButterWorth bậc 2 nhiều vòng hồi tiếp, dải thông ∆fB = fC2 – fC1, fC1 : tần số cắt ở phía tần thấp (khi K giảm đi 2 lần), fC2 : tần số cắt ở phía tần cao (khi K giảm đi 2 lần)

• Nội dung thực hành

Sơ đồ mạch nguyên lý

f0 fC2

∆fB

fC1

f

K

f

∆fB

f0 fC2

fC1

K(dB)

-3dB

Trang 8

R 3 3

1 0 K

- 1 2 V

-+ 3

2

6

R 3 4

1 0 K

C 9

0 0 6 8 m

I N

O U T

R 3 5

2 7 K

C 1 0

2 0 3

+ 1 2 V

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông dải

Trên đây là sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông dải nhiều vòng hồi tiếp

Hệ số truyền đạt của mạch được tính bởi công thức:

33

35

2 R

R

K =

Tần số trung tâm của mạch f0 là:

10 9 35 34 33 0

)

//

( 2

1

C C R R R

f

π

=

Lưu ý: Trị số của C9 phải lớn hơn C10

Dải thông ∆fB = f0 /Q; trong đó Q = π.f0.Rf.C ; mà C = C9.C10

Việc tính tần số cắt fC1 và fC2 có thể căn cứ theo giá trị của

Q để tính một cách gần đúng

 Nếu Q ≥ 2, ta có:

2

0

C

f f

2

0

C

f f

 Nếu Q < 2:

2 2

1 1

2

0

C

f Q

f







 +

2 2

1 1

2

0

C

f Q

f







 +

≈

Các bước tiến hành thí nghiệm

VPP)

Trang 9

• Báo cáo tí nghiệm

Tính hệ số truyền đạt K, tần số trung tâm, dải thông và tần số cắt của mạch lọc theo công thức lý thuyết với các giá trị linh kiện cho trong mạch.

Klt = R35/(R33.2) = 1.35

10 9 35 34 33 0

)

//

( 2

1

C C R R R

f

π

Q = π.f0.Rf.C = 1,16 ∆fB = f0 /Q =319,68 Hz

2 2

1 1

2

0

C

f Q

f







 +

≈ = 244,63 Hz ;

2 2

1 1

2

0

C

f Q

f







 +

Hz

Vẽ đặc tuyến tần số của mạch lọc theo các giá trị tần số và biên độ đã đo được theo hai dạng sau:

Trong đó:

v

r U

U

K = ; K dB = 20logK Tính hệ số truyền đạt K và tần số cắt f C1 và f C2 theo đồ thị thực nghiệm

Ktn = Ur/Uv = 1/0,5 = 2 fC1 = 225,23 Hz fC2 = 625 Hz

So sánh đặc tuyến tần số vừa vẽ được với đặc tuyến tần số trong lý thuyết Giải thích sự sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm.

• Nhận xét: Có sự sai khác giữa đặc tuyến tần sớ lý thuyết và đặ tuyến tần sớ thực nghiệm Ơ lý thuyết Ur bị cắt ngay lập tức tại 1 tần sớ xác định, còn ở thực nghiệm thì Ur giảm dần tư tư trong 1 dải tần sớ

• Nguyên nhân: Do OPAMP trong thực tế khơng phải là OPAMP lý tưởng và tụ trong

thực tế cũng cần 1 khoảng thời gian để nạp và xả

Trang 10

II MẠCH LỌC TRIỆT DẢI

1 Mục đích

• Tìm hiểu nguyên lý làm việc, khảo sát đặc tuyến tần số của mạch lọc triệt dải nhiều vòng hồi tiếp sử dụng IC thuật toán - IC741

2 Các thiết bị cần dùng trong bài thí nghiệm

Mạch lọc triệt dải là mạch được tạo ra bằng cách ghép mạch lọc thông thấp với mạch lọc thông cao, sau đó cộng tín hiệu ra của hai mạch này Đặc tuyến tần số của mạch được đặc trưng bởi tần số trung tâm f0 và dải thông ∆fB Khi tín hiệu đưa vào mạch có tần số lớn hơn tần số cắt fC1 và nhỏ hơn tần số cắt

fC2 thì bị triệt tiêu Ngược lại, tín hiệu đưa vào mạch có tần số nhỏ hơn fC1 và lớn hơn fC2 thì tần số được cho qua Hình vẽ dưới đây mô tả đặc tuyến tần số lý tưởng và đặc tuyến tần số thực tế của một bộ lọc triệt dải

Hình 7: Đặc tuyến lý tưởng và thực tế của một bộ lọc triệt

dải

Mạch lọc triệt dải bậc 2 dùng nhiều vòng hồi tiếp, sử dụng trong thí nghiệm là loại mạch lọc ButterWorth bậc 2 nhiều vòng hồi tiếp, dải thông ∆fB = fC2 – fC1, fC1 là tần số cắt ở phía tần thấp (khi

K giảm đi 2 lần), fC2 là tầnsố cắt ở phía tần cao (khi K giảm đi

2 lần)

4 Nội dung thí nghiệm

f0 fC2

fC1

K(dB)

f0 fC2

∆fB

fC1

f K

Trang 11

R 3 6 2 7 K

- 1 2 V

R 3 7 5 6 K

-+ 3

2

6

R 3 8

1 0 0 K

C 1 1 0 0 1

R 3 9 1 0 0 K

C 1 2 0 0 1

+ 1 2 V

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc triệt dải

Trên đây là sơ đồ nguyên lý mạch lọc triệt dải nhiều vòng hồi tiếp

 Xác định hệ số truyền đạt

Do ở tần số f >fC1, tụ C12 gần như ngắn mạch với đầu ra nên khi đó mạch có hệ số truyền đạt ≈ 1 Vì vậy nên chọn cả ở phía tần số thấp (f < fC1) cũng có hệ số truyền đạt ≈ 1, để đặc tuyến tần số của mạch được đều nhau torng các dải tần số mà mạch lọc cho qua Do vậy, với mạch lọc triệt dải dùng nhiều vòng hồi tiếp thường có hệ số truyền đạt ≈ 1

Tần số trung tâm của mạch f0:

12 11 39 36

0

2

1

C C R R

f

π

=

Dải thông ∆fB = f0 /Q ; trong đó Q = π.f0.Rf.C ; mà C = C11.C12

Việc tính tần số cắt fC1 và fC2 có thể căn cứ theo giá trị của

Q để tính một cách gần đúng

 Nếu Q ≥ 2, ta có:

2

0

C

f f

2

0

C

f f

 Nếu Q < 2, ta có:

2 2

1 1

2

0

C

f Q

f







 +

2 2

1 1

2

0

C

f Q

f







 +

≈

VPP)

Trang 12

5.1 Tính tần số trung tâm f 0 , tần số cắt f C1 và f C2 của mạch lọc theo công thức lý thuyết với các giá trị linh kiện cho trong mạch.

12 11 39 36

0

2

1

C C R R

f

π

= = 968,59 Hz Q = π.f0.Rf.C = 3,04 ∆fB = f0 /Q =

318,31 Hz

2 2

1 1

2

0

C

f Q

f







 +

2 2

1 1

2

0

C

f Q

f







 +

trị tần số và biên độ đã đo được theo hai dạng sau:

Trong đó:

v

r U

U

K = ; K dB = 20logK

5.3 Tính hệ số truyền đạt K và tần số cắt f C1 và f C2

theo đồ thị thực nghiệm.

Ktn = Ur/Uv = 1 fC1= 833,33 Hz fC2 = 1250 Hz

tuyến tần số trong lý thuyết Giải thích sự sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm.

Định dạng
Số trang	12
Dung lượng	150,5 KB