http://www.ebook.edu.vn 59
Chương 3. Mạch dao động
Bài giảng số 1
Thời lượng: 4 tiết.
Tóm tắt nội dung :
¾ Mạch dao động tạo xung
¾ Mạch dao động tạo sin
3.1 Mạch dao động tạo xung
3.1.1 Đa hài tạo xung vuông.
3.1.2 Mạch tạo xung tuyến tính.
3.2 Mạch dao động tạo sin
3.2.1 Khái niệm chung
Các dao động hình sin (hay còn gọi là dao động điều hoà) có tần số từ vài hz đến hàng ngàn
Mhz được sử dụng rộng rãi trong các máy thông tin, máy đo lường, các thiết bị y tế vv...Đó là
các máy phát sóng được thiết kế ở các dải sóng khác nhau với mục đích sử dụng tương ứng.
Các dao động hình sin có thể được tạo ra theo ba phương pháp sau đây:
• Tạo dao động hình sin bằng một hệ tự dao động gần với một hệ bảo toàn tuyến tính.
• Biến đổi một tín hiệu tuần hoàn từ dạng không phải hình sin về dạng hình sin
• Dùng các bộ biến đổi tương tự - số (AD), số - tương tự (DA)
I
F
R
H×nh 3.2.1.1 S¬ ®å khèi t¹o xun
g
Trong chương này chỉ xét nguyên lý các mạch làm việc theo phương pháp thứ nhất là các mạch
thông dụng hơn cả. Tuy nhiên trước tiên tìm hiểu qua về nguyên lý xây dựng các mạch theo
phương pháp thứ hai và thứ ba.
Phương pháp thứ hai thường được sử dụng trong các máy phát sóng đa chức năng : tạo ra dao
động dạng xung vuông, xung tam giác, dao động hình sin, thậm chí cả tín hiệu điều chế.
http://www.ebook.edu.vn 60
Một sơ đồ khối dạng này trình bày ở hình 3.2.1.1 Ở đây mạch tích phân I và Rơle R tạo thành
một hệ tự dao động cho ra xung vuông và xung tam giác. Xung tam giác qua bộ biến đổi F
được biến thành dao động hình sin. Nhược điểm của dao động hình sin này là có độ méo phi
tuyến lớn hơn so với trường hợp 1.
Phương pháp thứ ba tạo ra dao động hình sin nhờ sử dụng kỹ thuật số (Hình 6.2a) .TX là bộ tạo
xung nhịp , C là bộ đếm thuận nghịch dùng để mở theo thời gian giá trị tức thời của đối số ,
DFC - bộ biến đổi số - hàm để tạo các giá trị của dao động hình sin ở dạng số , DAC - bộ biến
đổi số - tương tự biến đổi tín hiệu số
ở đầu ra của mạch DFC sang dạng
tương tự là dao động hình sin.
Độ méo của dao động hình sin ở đây
phụ thuộc vào số mẫu K được lấy
trong một chu kỳ. (hình 6.2b).Số
lượng lấy mẫu K càng lớn thì độ
méo càng nhỏ , độ chính xác càng
cao.
Bây giờ ta xét phương pháp thứ
nhất là phương pháp thông dụng
nhất.Một hệ dao động tự kích gần
với một hệ bảo toàn năng lượng có
phần tử khuếch đại đơn hướng K và mạch hồi tiếp dương β như ở hình 3.2.1.3.
K
β = β−1 .K
K (*)
Trong đó K là hệ số khuếch đại của phần tử
khuếch đại (đơn hướng), β hàm truyền đạt phức
của mạch hồi tiếp , Kβ là hệ số khuếch đại của
mạch khuếch đại có hồi tiếp.
Từ (*) dễ dàng nhận thấy khi :
Kβ =
)
k
(j
eK β
ϕ+ϕ
β = 1 (**)
thì Kβ = ∞, mạch ở trạng thái tự kích ,sẽ là một mạch tạo dao động.
Điều kiện (** )có thhể viết cụ thể hơn
1=βK (1)
ϕK + ϕβ = 2Kπ (2)
Điều kiện trên gọi tương ứng là điều kiện cân bằng biên độ và cân bằng pha.
Về mặt vật lý hệ hình (3.2.1.3) là một hệ tự dao động khi phần tử khuếch đại K bù đủ năng
lượng tổn hao trong vòng hồi tiếp (điều kiện cân bằng biên độ) và bù đúng lúc (điều kiện cân
bằng pha). Nếu điều kiện cân bằng pha chỉ đúng cho một tần số thì dao động tạo ra sẽ là dao
động hình sin của tần số đó.
t
x(t)
b)
Tx DFCCDAC
a)
H×nh 3.2.1.2
a)S¬ ®å khèi TDD h×nh
sin trong KT sè
b)§å thÞ xÊp xØ dao
®éng h×nh sin b»ng c¸c
gi¸ trÞ gi¸n ®o¹n
K
β
H×nh 3.2.1.3 S¬ ®å khèi hÖ dao ®éng tù kÝch
http://www.ebook.edu.vn 61
Quá trình tạo dao động hình sin gồm ba giai đoạn như sau:
• Khi ta đóng nguồn một chiều cho mạch thì ở đầu vào của mạch khuếch đại sẽ xuất hiện rất
nhiều các thành phần hài do đột biến nguồn. Chúng được khuếch đại và qua mạch hồi tiếp
dương để trở lại đầu vào. Lúc này các thành phần có biên độ rất nhỏ. Thành phần tần số
thoả mãn điều kiện (2) sẽ được tăng đần về biên độ . Giai đoạn này gọi là giai đoạn tự kích
hay phát sinh dao động .
• Giai đoạn thứ hai là giai đoạn thiết lập dao động : biên độ của dao động tăng dần. Trong giai
đoạn này biên độ và tần số của dao động dần tiến về giá trị ổn định . Đây là quá trình quá độ
diễn ra trong mạch.
• Giai đoạn thứ ba là giai đoạn xác lập dao động , biên độ và tần số của dao động có giá trị ổn
định.
Các mạch tạo dao động hình sin dạng này có thể là thuần kháng LC ghép biến áp, ghép phân áp
điện cảm (biến áp tự ngẫu) , hoặc phân áp điện dung , có thể là dao động RC. Lần lượt sẽ xét
nguyên lý làm việc của chúng.
3.2.2 Tạo dao động hình sin LC ghép hỗ cảm
Mạch tạo dao động loại này có một hệ thống chọn lọc (hệ thống các khung cộng hưởng LC)
mắc ở mạch ra hoặc mạch hồi tiếp. Phần tử khuếch đại K có thể là đèn điện tử, tranzsto, khuếch
đại thuật toán.
Xét sơ đồ hình 3.2.2.1 với phần tử khuếch đại là khuếch đại thuật toán mắc không đảo ; Mạch
hồi tiếp là hệ cộng hưởng LC , hồi tiếp thực hiện qua đại lượng hỗ cảm M (ghép biến áp ) .
21LLkM =, 0 ≤ k ≤1,
L1và L2 là điện cảm tương ứng của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp ).
Ở đây phần tử khuếch đại là khuếch
đại thuật toán mắc không đảo,hệ
thống cộng hưởng là khung cộng
hưởng song song LC,điện áp hồi tiếp
lấy trên cuôn thứ cấp,các dấu (*) chỉ
các cực cùng tên để đảm bảo hồi tiếp
dương.Hệ số khuếch đại của mạch
khuếch đại là:
*
** )()( K
R
R1K
1
R
RR1K
U
U
U
U
U
U
K
1
1
1
11
P
ra
N
ra
V
ra =
−
+=
+−
====
**
+
_
U1Uht
M
R
(K*-1)R1
R1
1
C
H×nh 3.2.1.1.M¹ch TD§ ghÐp hç c¶m
http://www.ebook.edu.vn 62
Vì trở kháng ra của KĐTT nhỏ nên mắc thêm điện trở R giảm ảnh hưởng trở kháng ra nhỏ của
KĐTT đến trở kháng sóng ρ của mạch cộng hưởng LC. Điện áp hồi tiếp :
uht = 11 uβu
L
M=
M - đại lượng hỗ cảm, L - Điện cảm của khung dao động
ura = K*uht
Tại nút 1 phương trình định luật kiếc khốp 1 là :
0dtu
L
1
dt
du
C
R
uu
1
1r =
∫
−−
−1
Thay vào ta được phương trình vi phân :
0uω
dt
du
α2
dt
ud
r
2
0
r
2
r
2
=++ (*)
Trong đó α = RC
K
2
β−1 ∗
là hệ số suy giảm ;
ω0 = LC
1 Tần số cộng hưởng riêng của khung dao động LC.
Dạng phương trình (*) là một phương trình vi phân đặc trưng cho một hệ dao động tự do nói
chung ..
Nghiệm của (*) có dạng :
ura =
(
)
teU 22
0
t
0ra α−ω
α− cos
Với ba giai đoạn diễn ra trong mạch tạo dao động thì :
- Giai đoạn tự kích dao động phải có biên độ t
0ra eU α− tăng dần, nghĩa là α < 0, βK > 1 .
Như vậy khi tự kích phần tử khuếch đại cần bù năng lượng lớn hơn phần năng lượng tổn
hao trong vòng hồi tiếp dương.
M
Cb Rb CE RE
L C
CE
RE
-Ucc +
C L Uht
M
a) b)
H×nh 3.2.2.2
a)T¹o dao ®éng ghÐp biÕn ¸p m¾c emit¬ chung
b) T¹o dao ®éng ghÐp biÕn ¸p m¾c baz¬ chung
http://www.ebook.edu.vn 63
- Giai đoạn hai là giai đoạn quá độ ,α giảm dần tiến tới giá trị = 0.
- Giai đoạn ba α = 0, biên độ và tần số cả dao động được xác lập .
Nếu α > 0 thì mạch không thể tự kích.
Tương tự như mạch hình 3.2.2.1 là các mạch hình 3.2.2.2a,b dụng tranzisto lưỡng cực mắc theo
sơ đồ emitơ chung và bazơ chung. Hình 3.2.2.2a mắc emitơ chung, tranzisto đảo pha tín hiệu từ
đầu vào đến đầu ra nên hệ số hồi tiếp β sẽ có giá trị âm, tức là M nhận giá trị âm. còn ở mạch
hình 3.2.2.3b thì tranzisto mắc bazơ chung nên tín hiệu không đảo pha từ đầu vào đến đầu ra,
hệ số hồi tiếp dương nên M cũng đương tương tự như hình 3.2.2.1.
3.2.3 Tạo dao động hình sin kiểu 3 điểm
Mạch tạo dao động LC có thể có ba điểm nối giữa hệ thống chọn lọc và phần tử khuếch đại.
Lúc này phần hồi tiếp dương được thực hiện qua bộ phân áp điện dung hoặc điện cảm. Đầu tiên
xét nguyên lý chung như sơ đồ hình 3.2.3.1 (sơ đồ rút gọn không biểu diễn mạch cấp
nguồn).Trong đó Z1, Z2, Z3 là các phần tử của hệ cộng hưởng nối tiếp theo mạch vòng với
Z
1 = r1 + jX1
Z
2 = r2 + jX2
Z
3 = r3 + jX3
ri - điện trở tổn hao của tổng trở Z
i, Xi có thể âm hoặcdương
tuỳ theo tính chất của Zi và luôn thoả mãn:
ri << Xi
Hệ số khuếch đại của mạch :
K = - S . Zt
Trong đó Zt là trở kháng mạch tải của mạch khuếch đại :
Zt ≈ Z3 // (Z1+ Z2) = Z3 =
()
ZZ Z
ZZZ
31 2
123
+
++
Hệ số truyền của mạch hồi tiếp:
21
2
ra
ht
ZZ
Z
U
U
+
≈=β
Điều kiện sẽ là
()
()
1
ZZZ
ZZ
ZZ
Z
ZZZ
ZZZ
K
321
32
21
2
321
213 =
++
−=
+++
+
−=β .
)(
Kết hợp điều kiện ta sẽ được
1
XXXjrrr
XX
SK
321321
32 =
+++++
≈β )(
Như vậy thì
X1+X2+X3 = 0 (1)
1
rrr
XSX
321
32 =
++ (2)
H×nh 3.2.3.1 S¬ ®å
ba
®iÓm tæn
g
q
u¸t
Z
1
Z
3
U
ht
Z
2
U
ra