Đồ án của môn kỹ thuật mạch điện tử : Mạch nhân Analog

Chia sẻ: Trần Đức Công | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:53

Thêm vào BST

Báo xấu

1.139
lượt xem 339
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án của môn kỹ thuật mạch điện tử Mạch nhân Analog là một loại mạch thông dụng được sử dụng rộng rãi trong việc điều chế tín hiệu. Vì vậy có rất nhiều loại mạch nhân được sử dụng trong thực tế. Tuy nhiên do kiến thức của sinh viên còn hạn hẹp cho nên đề tài này chỉ đề cập đến một số mạch nhân cơ bản và đơn giản.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án của môn kỹ thuật mạch điện tử : Mạch nhân Analog

Trường………………………….. Khoa………………………….. THIẾT KẾ MÔN HỌC Mạch nhân Analog l 1
MỤC LỤC Lời nói đầu..........................................................................................................................2 Chương 1: Tìm hiểu chung về điều chế........................................................................... 4 1.Khái niêm về điều chế:................................................................................................... 4 Chương2: các phương án thực hiện mạch nhân............................................................... 8 Chương3: Tìm hiểu về IC AD534................................................................................... 18 ..................................................................................................................................... 18 1. Mô tả kỹ thuật IC AD534............................................................................................ 18 Chương 1: Tìm hiểu chung về điều chế......................................................................... 30 1.Khái niêm về điều chế:................................................................................................. 30 Chương3: Tìm hiểu về IC AD534................................................................................... 44 ..................................................................................................................................... 44 1. Mô tả kỹ thuật IC AD534............................................................................................ 44 Lời nói đầu Mạch nhân Analog là một loại mạch thông dụng được sử dụng rộng rãi trong việc điều chế tín hiệu. Vì vậy có rất nhiều loại mạch nhân được sử dụng trong thực tế. Tuy nhiên do kiến thức của sinh viên còn hạn hẹp cho nên đề tài này chỉ đề cập đến một số mạch nhân cơ bản và đơn giản. 2
Đây là bộ môn thiết kế môn học được thực hiện trong một th ời gian ngắn với sự giúp đỡ tận tình của qúy thầy cô khoa điện t ử-vi ễn thông đại học bách khoa Hà Nội và các thầy cô trong khoa kỹ thuật và công ngh ệ đại học Quy Nhơn . Do những điều kiện còn hạn chế bài thiết k ế hoàn thành nhưng còn nhiều sai sót. Kính mong các thầy cô bỏ qua và chỉ bảo để chúng em rút kinh nghiệm cho những lần sau . Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Viết Nguyê các b ạn sinh viên trong lớp đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này. Đề tài được chia làm 3 chương Chương1: Tìm hiểu chung về điều chế tín hiệu Chương2: Các phương án thực hiện mạch nhân Chương3: Tìm hiểu về IC AD534 và ứng dụng trong mạch nhân. Quy Nhơn tháng 03/2009 Nhóm sinh viên thực hiện 3
Chương 1: Tìm hiểu chung về điều chế 1.Khái niêm về điều chế: Thơng qua qu trình điều chế, tin tức ở miền tần số thấp được chuyển sang miền tần số cao để truyền đi xa. Điều chế là quá trình ghi tin tức vo một dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó( ví dụ: biên độ, tần số, pha, độ rộng xung,…) của dao đông cao tần theo tin tức. Trong trường hợp này tin tức gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần được gọi là tải tin, cịn dao động cao tần mang tin tức được gọi là dao động cao tần đ điều chế. Đối với tải tin điều hịa, người ta phân biệt hai loại điều chế: điều biên và điều chế góc, trong đó điều chế góc bao gồm điều tần và điều pha. Tham gia vo qu trình điều chế gồm có: Hm tin tức: m(t) Hm tải tin : f(t) + Khi m(t) la tín hiệu tương tự thì ta cĩ loại điều chế tương tự (Analog ) + Khi m(t) l tín hiệu số thì ta cĩ loại điều chế số. Ví dụ: Điều chế tương tự: m(t) = cos Ωt f(t) = U0cos ( Ω 0t + ϕ0 ) (Ω 0 >> Ω ) 2. Điều chế tương tự (Analog ): - Khi m(t) tác động vào biên độ của tải tin U0, ta cĩ: U(t) = U0 + ∆U.m(t) ∆U = U0 [ 1+ ( U ).m(t) ] 0 f(t) = U0 [ 1 + δu.m(t) ] cos(ω0t + ϕ0 ) Có sự tác động của tín hiệu điều biên ∆U δu = U : độ sâu điều biến 0 ∆U : độ lệch max - Khi m(t) tác động vào ω0 (tần số của tải tin ): ω(t) = ω0 + ∆ω.m(t) = ω0 [ 1 + δω.m(t) ] 4
f(t) = U0 cos{ω0 [1 + δω.m(t)] t + ϕ0 } Có sự tác động của tín hiệu điều tần ∆ω δϕ = ω (%) : hệ số điều tần 0 - Khi m(t) tác động tới ϕ0 : ϕ(t) = ϕ0 [ 1 + δϕ.m(t) ] f(t) = U0 cos{ω0t + ϕ0[ 1 + δϕ.m(t) ]} Có sự tác động của tín hiệu điều pha ∆ϕ δϕ = ϕ (%) : hệ số điều pha 0 3. Tín hiệu điều biên : UAM(t) = U0 [1 + δu cos Ωt ] cosω0t (ϕ0 = 0 ) - Tính chất thời gian : U0 t 0 m(t) t 0 UAM(t ) t 0 Hình 1: tính chất thời gian của tín hiệu điều biên Hình 1.a: tin hiệu tin tức m(t), cĩ tần số Ω Hình 1.b: tín hiệu tải tin U0, cĩ tần số ω0 Hinh 1.c: tín hiệu điều biên UAM(t) cĩ tần số Ω 5
Tín hiệu điều biên biến đổi theo quy luật của tin tức. - Tính chất tần số UAM(t) = U0 [1 + δu cos Ωt ] cosω0t (ϕ0 = 0 ) = U0 cosω0t + δu U0 cosω0t cos Ωt 1 UAM(t) = U0 cosω0t + δ U [ cos(ω0 + Ω)t + cos(ω0 - Ω)t] 2 u 0 Trước điều ω chế Ω ω0 Tín hiệu sau ω điều t biên ω0 - Ω ω0 ω0 + Ω Phổ tần số của tin tức được dịch chuyển lên vùng cao tần và phân bố đối xứng quanh tần số tải tin. 4. Thực hiện. UAM = u1.u2 Với: Tải tin : u1 = U0 cos ω0t Tin tức : u2 = 1 + δu cos Ωt Ta có những cách để thực hiện yêu cầu trên như sau: a.Dng bộ nhn analog : Tải tin u1 UAM nhn u2 Tin tức 6
Dng bơ nhn ny thì việc thực hiện sẽ đơn giản. Cĩ thể thực hiện bằng IC nhn ( IC 5042 ): +12V UAM C 3 2 1 4 C IC nhn 6 u1 5042 8 5 7 10 9 Tải tin Tin tức u2 b. Dùng phần tử có đặc tuyến i = f( u ). Ta có thể dùng phương pháp điều biên ,thực hiện lọc lấy thành phần ku1u2 (với k l hệ số). 7
T1 U2’ u2 C ku1u2 Tin tức T2 u1 C C Trên đây là môt vài dạng áp dụng của tín hiệu điều biên thực hiện việc nhân tín hiệu tương tự. Tuy nhiên cách đơn giản và mang lại hiệu quả tốt nhất là sử dụng IC nhân. Chương2: các phương án thực hiện mạch nhân Mạch nhân analog là mạch điện có đáp ứng ở ngõ ra tỉ lệ với kích thích ở hai ngõ vào Khi k là một hằng số có thứ nguyên là nghịch đảo của điện áp . Ta thường mong muốn hai ngõ vào có điện áp cùng âm hoặc cùng dương khi đó điện áp ra sẽ cùng dấu với lối vào. Tuy nhiên hầu như toàn bộ các công việcchỉ được thực hiện khi cả hai ngõ vào đều dương. Đó không phải là một điều hạn chế của mạch nhân Analog vì ta có thể thay đổi các tín hiệu vào để có được hai ngõ vào cùng dương cho mạch Analog hoạt động mà tín hiệu giao tiếp với bên ngoài vẫn có thể làm việc với bất kỳ loại điện áp nào.(Với điều kiện điện áp đó nằm trong khoảng giới hạn của mạch điện). 8
Ta sẽ có hai khả năng làm việc của mạch điện. Trong cả hai trường hợp ta đều sử dụng bộ khuếch đại thuật toán. Nhưng ở mạch thứ nhất ta sử dụng diode để có được các mối liên hệ cần thiết, còn ở mạch thứ hai ta sẽ sử dụng MOSFET để thiết lập các mối liên hệ cần thiết. 1, Hoạt động của mạch sử dụng diode Như chúng ta đã biết, khi sử dụng khuếch đại thuật toán và diode ta có thể dễ dàng thực hiện được các hàm logarit và hàm Exp từ những ngõ vào xác định. Công thức của hàm logarit Ta có thể nhân hai tín hiệu lại với nhau bằng cách tính logarit của từng tín hiệu, sau đó cộng chúng lại với nhau và cuối cùng ta dùng hàm Exp để có được tín hiệu ra là tích của hai tín hiệu vào. Từ quan điểm của toán học, công việc này chỉ có thể được thực hiện khi cả hai tín hiệu là dương. Bởi vì không tồn tại logarit của một số âm (trong lĩnh vực thực tế). Chúng ta sẽ thấy rằng sự giới hạn này trong mạch điện thực tế, thậm chí là nguyên nhân của còn có tính chất vật lý hơn. Ta có sơ đồ khối thực hiện của mạch Nếu ta chỉ chắp nối đơn thuần để tạo ra hàm logarit, cộng và hàm Exp thì ta sẽ có sơ đồ sau: 9
Để tính toán mạch điện một cách đơn giản ta sẽ giả sử tất cả các điện trở R có cùng một giá trị độ lớn. Chắc chắn là khi ta sử dụng những giá trị khác nhau của điện trở R sẽ thu được những kết qủa khác nhau , nhưng tạm thời ta sẽ không quan tâm đến điều đó. Chúng ta sẽ sử dụng công thức sau cho sự liên hệ giữa dòng điện và điện áp trên một diode : Với là điện áp ngưỡng và là dòng điện ngược qua diode. Nếu ta phân tích mạch điện mà không đưa thêm vào phép toán xấp xỉ ta có công thức sau: Vì vậy ở ngõ ra ta thu được kết qủa sau : Công thức đã được chứng minh, ở ngõ ra ta có được sự khuếch đại mà ta tìm kiếm , Nhưng trong công thức trên còn có những thông số mà ta không mong muốn . Nó không chỉ đơn giản được xem như một lỗi sai bởi vì nó cũng tương đương với thành phần nhân lên, vì vậy nó cần phải được làm mất đi. Đây là một công việc dễ dàng, ta chỉ cần thêm vào lối ra một tầng khuếch đại nữa để cộng một cách chính xác v1 + v2 , như vậy chúng ta đã làm mất đi được 10
lỗi sai trong công thức của điện áp đầu ra . Mach điện hoàn chỉnh của mạch nhân như sau: Với điện áp ra được xácđịnh bởi công thức sau; Đây là công thức mà chúng ta thực sự mong muốn. Mạch điện hoạt động khi mà quan hệ sau đây được xác định : v1,v2 > − RIs Vì thế điện áp vào có thể bằng 0 vôn hoặc hơi âm một chút. Từ RIs sẽ là giá trị điện áp nhỏ nhất. Chúng ta được phép viết lại mối quan hệ một cách đơn giản . Xuất phát từ quan điểm toán học bởi vì ta không thể tính toán được logarit của một số âm, về mặt vật lý thì sự giới hạn này là do chúng ta chỉ có thể đạt được dòng điện ngược rất nhỏ xung quanh 0 vôn khi diode phân cực ngược 2. Thực hiện mạch điện sử dụng MOSFET Vì MOSFET là linh kiện có thể được sử dụng để điều khiển điện trở bằng điện áp nên ta dùng đặc điểm này để chế tạo một mạch nhân Analog . Ta có sơ đồ nhuên lý của MÒET như sau 11
Với G : cực cửa , D : cực máng S : cực nguồn MOS la một linh kiện đối xứng , vì vậy ta có thể đổi chỗ cực máng và cực nguồn với nhau mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của linh kiện. Tuy nhiên ta coi cực nguồn là cực có điện áp thấp nhất và cực máng là cực có điện áp cao nhất . Khi điện áp giữa cực cửa và cực nguồn nhỏ hơn điện áp giữa cực máng và cực nguồn VGS < VDS quan hệ giữa dòng điện và điện áp như sau: Giả sử ta luôn luôn có thể sử dụng được công thức này, sơ đồ của mạch nhân Analog được thực hiện như sau : Khi cực nguồn và cực máng của cả hai MOS được chỉ ra nếu V2 và Vref là dương. Khi đó cực nguồn sẽ được giữ lại ở đó bởi vì điểm đó được nối tới đất ảo qua bộ khuếch đại thuật toán. Dòng điện qua R1 được xác định: một đầu của điện trở có điện thế là V1 , đầu kia được nối đất. Dòng điện tương tự sẽ đi qua MOS M1 . Vì vậy xác định được điện thế VG . Dòng điện đó được cho bởi công thức: Mặt khác ta có VGS1 = VG và VDS1 = Vref thay vào ta có: 12
Tương tự với MOS M2 ta có: Với VGS2 = VG và VDS2 = v2 thay vào ta có 3, So sánh ưu nhược điểm giữa hai phương pháp Mach dùng MOS đơn giản và dùng ít linh kiện hơn. Nhưng khi tính toán ta cần phải lấy xấp xỉ vì vậy sẽ cho kết qủa không chính xác Mạch dùng diode ta cần dùng nhiều linh kiện hơn > NHưng nó có ưu điểm hơn so với mạch dùng MOS vì khi tính toán ta không cần lấy xấp xỉ do đố nó sẽ cho kết qủa chính xác hơn. Mặt khác mạch nhân dùng diode có thể hoạt động tốt trong một dải rộng của tín hiệu vào. Hai mạch trên vẫn chưa đáp ứng được các chỉ tiêu đề ra vì vậy ta cần một mạch cải tiện hơn để có thể đạt được những thông số mong muốn Ta có mạch nhân Analog cải tiến sử dụng khuếch đại vi sai 4. Mạch nhân cải tiến sử dụng hỗ dẫn Transitor 13
T2 T1 R1 - - Uy R2 + + Ura T’1 T’2 Uref - - Ux R’1 + A + R’2 Sơ đồ nguyên lý mạch nhân cải tiến sử dụng hỗ dẫn transitor UX .UY URA = Để thuận cho việc phân tích mạch ta sẽ phân chia mạch thành 2 UREF phần để tính toán. Ta có sơ đồ của mạch phía dưới như sau: 14
T’1 T’2 Uref - - R’1 R’2 Ux + A + Ta có các công thức sau: Ux UBE 1 I’c1 = = Ics1 R '1 e UT Uref UBE 2 I’c2 = = I’cs2 R '2 e UT Chọn R’1=R’2 U ' BE 1−U ' BE 2 UBE 1−UBE 2 I ' C1 Ux.R ' 2 Ux = = e UT � = e UT I ' C 2 Uref .R ' 1 Uref Ux � U ' BE1 − U ' BE 2 = UT ln Uref Ux Vậy điện áp tại điểm A là : UT ln Uref Điện áp này được đưa đến cực B của Transitor T1. Nó cũng chính bằng UBE1-UBE2 . Ta tiếp tục phân tích phần mạch phía trên. Ta có sơ đồ mạch như sau: 15
T2 T1 R1 - R2 - R4 Uy + + Ura R3 Ta có các công thức sau : UY UBE 2 I C2 = R2 = ICS 2e UT IC1 = URa UBE 1 R1 = ICS 1e UT UBE 1−UBE 2 IC1 URA.R 2 � = = e UT IC 2 UY .R1 Chọn sao cho R1=R2 ta có được công thức sau : UBE 1−UBE 2 URA UBE 1−UBE 2 = e UT � URA = UYe UT UY UX Ta đã tìm được ở trên công thức: UBE1 − UBE 2 = UT ln UREF Vậy ta có được công thức tính URA như sau : UX .UY URA = UREF 16
Nhận xét: ta thấy với mạch nhân Analog sử dụng hỗ dẫn Transitor ta không mắc phải những những sai số như những cách thực hiện mạch trước. Khi ta chọn UREF=1V. thì ở đầu ra URA= UX.UY . Đây là công thức mà ta mong muốn Ngoài ra khi muốn thay đổi biên độ của điện áp nhân ở lối ra có thể thay đổi thông qua việc thay đổi UREF . 5. hực hiện với 2 thừa số : hàm tin tức Ux(t)= 2Vsin2 .103t và hàm tải tin UY(t)=5Vsin5 .105t. Ta có Ux(t). UY(t)=10V sin2 .103tsin2 .105t =5Vcos198 .103t – 5Vcó202 .105t Phổ thời gian của tín hiệu điều biên t 0 m(t) t 0 UAM(t ) t Hệ số điều chế tín hiệu : 2V M(%)= .100% = 40 % 5V Phổ tần số của tín hiệu điều biên 17
2V X(t) w 103Hz 5V Y(t) w 105Hz 5V 5V X(t).Y(t) w 98.103Hz 105Hz 101.103Hz Nhận xét: phổ của tín hiệu điều biên gồm có 3 vạch : Một vạch trung tâm có tần số là 105 Hz. Là vạch của tần số sóng mang Xung quanh tần số mang là 2 vạch bên có tần số là 99. 103Hz và 101.103Hz. cả 3 tần số này đều ở miền tần số cao nên dễ dàng bức xạ trong không gian. Phổ năng lượng mà tín hiệu sau điều biên có được đều nằm ở miền tần số cao. Chương3: Tìm hiểu về IC AD534 1. Mô tả kỹ thuật IC AD534 IC AD534 là một linh kiện nguyên khối . Có chức năng nhân và chia một cách chích xác mà trước đó chỉ có thể thực hiện được bằng các mạch lai hoặc modul. Sai số nhân lớn nhất của AD534 là ±0.25% được đảm bảo mà không cần sử dụng thêm bất kỳ linh kiện nào bên ngoài. Cung cấp khẳ năng loại bỏ nhiễu tuyệt vời, hệ số nhiệt độ thấp. AD534 có thời gian sử dụng lâu dài do có các điện trở và rào chắn Zenner bảo vệ cho IC 18
thậm chí là trong những điều kiện sử dụng bất lợi. Đây là bộ nhân đầu tiên đưa ra đầy đủ tín hiệu vào vi sai với trở kháng cao lúc hoạt động ở tất cả các ngõ vào bao gồm cả ngõ vào Z, đây là chỉ số giúp cho nó tăng khẳ năng linh hoạt và dễ dàng để sử dụng. Giá trị của thang đo chuẩn của AD534 là 10V, bằng cách sử dụng các điện trở ngoài ta có thể hạ xuống mức thấp là 3V. Do khẳ năng ứng dụng rộng rãi và được đóng vỏ với nhiều dạng khác nhau nên bộ nhân này là sự lựa chọn đầu tiên của tất cả các thiết kế mới. AD534J(có sai số tối đa là: ±1% ), AD534K(có sai số tối đa là: ±0.5% ),AD534L(có sai số tối đa là: ±0.25% ) là các loại IC được thiết kế đặc dụng ở dải nhiệt độ 0°C -70°C. AD534S(có sai số tối đa là: ±1% ) AD534T(có sai số tối đa là: ±0.5% ) được thiết kế để sử dụng trong dải nhiệt độ rộng hơn từ –55°C to +125°C . Tất cả các thiết kế đều được đóng vỏ kim loại hoặc vỏ sứ hai hàng chân. Mô hình một số loại IC AD534 2. Ưu điểm của IC AD534 19
Hệ số khuếch đại điện áp đạt được với nhiễu thấp: AD534 là IC đa chức năng đầu tiên đạt được độ khuếch đại lên tới 100. Sự loại bỏ nhiễu tần thấp giúp cho nó mở rộng dải khuếch đại vi sai của tín hiệu vào. AD534 rất hiệu qủa trong việc làm thay đổi hệ số khuếch đại vi sai với khẳ năng chống nhiễn đồng pha cao. Tất cả các loại AD534 đều có thuộc tính khuếch đại và dễ dàng để thực hiện các thuật toán. Như là tạo ra các hàm Sin và Tang . những thuộc tính trên được tăng cường là do nhiễu thấp bên trong của AD534. Chỉ số 10 là thấp hơn so với các bộ khuếch đại nguyên khối trước đó. Độ trôi và sự tiếp xuyên cũng được làm giảm đi so với các thiết kế trước nó. Sự linh hoạt chưa từng có : Sự chính xác về kích thước và điện áp vi sai ở ngõ vào Z cung cấp một khẳ năng linh động cao trong mục đích sử dụng mà không có một bộ nhân nào khác đạt được. Các chức năng cơ bản MDSSR ( nhân,chia,bình phương,căn bậchai ) dễ dàng được thực hiện trong khi những hạn chế bởi việc phân cực cho các ngõ vào và ngõ ra của các thiết kế trước đó đã được loại bỏ. Tín hiệu có thể được cộng lại ở ngõ ra, có thể được khuếch đại hoặc không được khuếch đại. Với hoặc là chiều âm hoặc là chiều dương. Nhiều mode dựa trên chức năng tổng hợp đã được thực hiện có hiệu qủa. Thường chỉ cần sử dụng các linh kiện bên ngoài thụ động. Tín hiệu ngõ ra có thể là một loại dòng điện nếu được thiết kế và tạo điều kiện thuận lợi giống như là một mạch tích hợp. Kích thước của chip và sơ đồ liên kết 20