Kỹ thuật mạch tương tự - Chương 3

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

139
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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. ...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật mạch tương tự - Chương 3

Chương 3. Mạch dao động Bài giảng số 1 Thời lượng: 4 tiết. Tóm tắt nội dung : Mạch dao động tạo xung 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 R F H×nh 3.2.1 .1 S ¬ ®å k hè i t¹o xung 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 59
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 a) ở đầu ra của mạch DFC sang dạng tương tự là dao động hình sin. Tx C DFC DAC Độ méo của dao động hình sin ở đây phụ thuộc vào số mẫu K được lấy H×nh 3.2.1.2 trong một chu kỳ. (hình 6.2b).Số x(t) lượng lấy mẫu K càng lớn thì độ a)S¬ ®å khèi TDD h×nh méo càng nhỏ , độ chính xác càng t sin trong KT sè cao. b)§å thÞ xÊp xØ dao Bây giờ ta xét phương pháp thứ b) ®éng h×nh sin b»ng c¸c nhất là phương pháp thông dụng nhất.Một hệ dao động tự kích gần gi¸ trÞ gi¸n ®o¹n 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 K Kβ = (*) 1 − K.β Trong đó K là hệ số khuếch đại của phần tử β 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. H×nh 3.2.1.3 S¬ ®å khèi hÖ dao ®éng tù kÝch Từ (*) dễ dàng nhận thấy khi : j( ϕ +ϕ ) β k Kβ = K β e = 1 (**) thì Kβ = ∞, mạch ở trạng thái tự kích ,sẽ là một mạch tạo dao động. Điều kiện (** )có thhể viết cụ thể hơn K β =1 (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. http://www.ebook.edu.vn 60
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 ) . 0 ≤ k ≤ 1, M = k L1L 2 , 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 M R + thống cộng hưởng là khung cộng _ * * ht hưởng song song LC,điện áp hồi tiếp 1 lấy trên cuôn thứ cấp,các dấu (*) chỉ U1 U C (K*-1)R1 các cực cùng tên để đảm bảo hồi tiếp dương.Hệ số khuếch đại của mạch R1 khuếch đại là: H×nh 3.2.1.1.M¹ch TD§ ghÐp hç c¶m U ra U ra U ra (K * − 1)R1 + R1 (K * − 1)R1 = K* K= = = = =1+ UV UN UP R1 R1 http://www.ebook.edu.vn 61
M M C L U ht L C CE RE a) b) -U c c + Cb Rb CE RE 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 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 : M u1 = β u1 uht = L 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 : u r − u1 du 1 − C 1 − ∫ u 1dt = 0 R dt L Thay vào ta được phương trình vi phân : d 2u r du 2 + 2 α r + ω0 u r = 0 (*) 2 dt dt 1 − βK ∗ α= Trong đó là hệ số suy giảm ; 2RC 1 ω0 = Tần số cộng hưởng riêng của khung dao động LC. 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 = U ra 0 e −αt cos ω2 − α 2 t 0 Với ba giai đoạn diễn ra trong mạch tạo dao động thì : - Giai đoạn tự kích dao động phải có biên độ U ra 0 e − αt 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. http://www.ebook.edu.vn 62
- 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 Z1 = r1 + jX1 Z2 = r2 + jX2 Z1 Z3 = r3 + jX3 ri - điện trở tổn hao của tổng trở Zi, Xi có thể âm hoặcdương Z Ura 3 tuỳ theo tính chất của Zi và luôn thoả mãn: Z2 Uht ri
(1) và (2) tương ứng là điều kiện cân bằng pha và cân bằng biên độ. Từ (2) suy ra X2 và X3 phải cùng tính (cùng dấu) cảm hoặc cùng tính dung. Kết hợp với (1) thì X1 phải khác dấu với X2 và X3 . Như vậy có hai loại mạch ba điểm tổng quá hình 3.2.3.2 là: Mạch ba điểm điện cảm(hình 3.2.3.2.a)hay mạch Harley. X2, X3 > 0 ; X1 < 0 Mạch ba điểm điện dung(hình 3.2.3.2.b)hay mạch Collpid. + Ucc X2, X3 < 0 ; X1 > 0 L1 C Hình 3.2.3.3 là một mạch tạo dao động ba điểm Rc R1 E điện cảm (sơ đồ Hartley) mắc emitơ chung. ở đây L2 X3=XCE= ωL1 > 0 B X2 = XBE = ωL2 > 0 1 X1 = XCB = − 1 ); dấu " = " ứng với giai đoạn xác lập dao động. http://www.ebook.edu.vn 64
Thường n 0 ở đây 1 X2 = XBE = −
U CE C td = p= U td C1 1 1 11 = + + Trong đó C td C1 C 2 C C Thường chọn C
3.2.4 Tạo dao động RC Các mạch tạo dao động LC ở tần số thấp làm việc kém ổn định và có kích thước lớn do trị số điện cảm cần lớn.Vì vậy ở vùng tần số thấp thường sử dụng các mạch tạo dao động RC ; tuy nhiên cũng có thể sử dụng các mạch tạo dao động RC với tần số tới vài MHz. Ở các mạch tạo dao động RC khâu hồi tiếp sử dụng các phần tử điện trở và điện dung.Có hai loại mạch mạch tạo dao động RC thông dụng là mạch kiểu 3 khâu RC (Cầu Xiphorop) và kiẻu cầu cân bằng pha (cầu Vien) 3.2.4.1 Mạch tạo dao động kiểu cầu Xiphorop . Mạch tạo dao động loại này khi sử dụng phần tử khuếch đại K là mạch Emitơ chung hoặc khuếch đại thuật toán mắc đảo thì điện áp ra sẽ ngược pha với điện áp vào, tức là ϕK = π . Như vậy mạch hồi tiếp cũng phải quay pha ( di pha ) tín hiệu một góc ϕβ =π để thoả mãn điều kiện .Mạch RC quay pha(mạch hồi tiếp)thường dùng là mạch lọc thông cao hình 3.2.4.1.1a hoặc thông thấp 3.2.4.1.1b . Với lọc thông cao, mạch tạo dao động dùng Tranzisto mắc emitơ chung có dạng hình 3.2.1.3.1 . Lập phương trình dòng điện mạch vòng hoặc điện thế điểm nút cho mạch hình 3.2.4.1.1a , giải tìm quan hệ giữa UB = Uht và UC = Ura sẽ tìm được: U ht β= = Ur 1 (*) 1⎛ ⎞ 1 1 ⎜6 − ⎟ 1− 5 −j ⎜ ⎟ (ωRC )2 (ωRC )2 ωRC ⎝ ⎠ β Để có ϕβ =π tức β là một số thực âm thì : 1 6− =0 (ωRC)2 Từ đó xác định tần số của dao động : 1 1 ωdd = ; fdd = 2π 6RC 6RC 1 Thay ωd đ vào biểu thức(*) tìm được: β = − như vậy thì K = -29 29 Với mạch quay pha là bộ lọc thông thấp hình 3.2.4.1.1b sẽ tìm được http://www.ebook.edu.vn 67
1 1 ω dd = ;β = − 18,4 10 RC 7 Sơ đồ TDĐ trên hình 3.2.4.1.3.là mạch cầu Xiphorop xây dựng trên khuếch đại thuật toán tương tự như mạch hình 3.2.4.1.2. ở đây có hai mạch hồi tiếp: mạch β là mạch hồi tiếp dương bảo đảm cân bằng pha,mach hồi tiếp β âm R1RN đảm bảo hệ số khuếch đại : k= − R N = −29 . R1 3.2.4.2 Mạch tạo dao động kiểu cầu Viên. Nếu phần tử khuếch đại K có tín hiệu vào và ra đồng pha, tức ϕK = 0 thì mạch hồi tiếp sẽ là một mạch cầu Viên không quay pha dạng hình 3.2.4.2.1 . Đó là một mạch lọc thông dải . Dễ dàng xác định được hàm truyền của nó ,coi Z1 là R1 mắc nối tiếp C1, coi Z2 là R2 mắc song song C2: Uv Z2 R1 C1 β= = = U r Z1 + Z 2 1 Ura C2 Uht R2 β ⎛ 1⎞ RC 1 + 1 + 2 + j ⎜ ωR1C 2 − ⎟ ⎜ ωR2 C1 ⎟ 2 C1 ⎝ ⎠ H×nh 3.2.4.2.1 Để ϕβ = 0 thì β là một số thực dương nên M¹ch håi tiÕp cÇu Viªn 1 ωR1C2 - = 0 từ đó sẽ có tần số của dao động ωR 2 C1 1 1 ω dd = f dd = ; 2π R1 R 2 C 1C 2 R1 R 2 C 1C 2 Nếu chọn R1 = R2 = R , C1 = C2 = C thì 1 1 ; β = và K = 3 fd đ = 2πRC 3 Hình 3.2.4.2.2a là mạch tạo dao động RC cầu Viên với mạch khuếch đại là gồm 2 tầng trên 2 tranzisto mắc emitơ chung để ghép qua Cn có ϕK=0.Hai tầng T1 và T2 được định thiên tương ứng bằng Rb1-Rb2 và R'b1-R'b2. Mạch hình 3.2.4.2.2b sử dụng khuếch đại thuật toán g với mạch hồi tiếp âm R0RN và hồi tiếp dương R1C1R2C2 tạo thành mạch cầu Viên có 4 đỉnh là đầu vào đảo N, đầu ra ; đầu vào không đảo P và mat. Nhánh hồi tiếp âm R0RNxác định hệ số khuếch đại http://www.ebook.edu.vn 68
RN K=1+ =3 R0 β do vậy RN = 2R0 Thực RN = 2R0 ra cũng là điều kiện cân bằng của cầu. Khi cầu cân bằng thì mạch không thể dao động nên cần chọn RN lớn hơn 2R0 một chút . http://www.ebook.edu.vn 69