LUẬN văn sư PHẠM vật lý THIẾT kế máy PHÁT tín HIỆU HÌNH SIN, VUÔNG và TAM GIÁC

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (14.92 MB, 104 trang )

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ - TIN HỌC
Tên đề tài:

THIẾT KẾ MÁY PHÁT TÍN HIỆU HÌNH
SIN, VUÔNG VÀ TAM GIÁC

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Thầy Vương Tấn Sĩ

Hồ Quốc Khánh
MSSV: 1080276
Lớp: SP Vật lý–Tin học K34

Cần Thơ, 4/ 2012

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

LỜI CẢM ƠN
Người xưa có câu “uống nước nhớ nguồn”, lời dạy này mãi ghi sâu trong lòng em.
Những tri thức mà bốn năm qua em nhận được, đúc kết được là nhờ vào lòng nhiệt thành,

tận tình chỉ dạy của quý thầy cô. Công lao ấy có thể ví như biển cả, không có gì đền đáp
được. Em xin chân thành cảm ơn công ơn của quý thầy cô. Kiến thức mà quý thầy cô cho
em là nền tảng vững chắc giúp em thực hiện đề tài này, cũng như hành trang vô cùng quý
báu vào đời.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Vương Tấn Sĩ, thầy luôn gần gũi, thân
thiện và tận tình chỉ bảo em hoàn thành đề tài này. Thầy đã giúp em định hướng được
mục tiêu của đề tài, chỉ dạy cho em biết phương pháp nghiên cứu khoa học và cách thức
trình bày bài luận. Ngoài ra, thầy đã dành nhiều thời gian sửa chữa từng câu từng chữ
trong bài viết, giải đáp kịp thời các vướng mắc trong quá trình em thực hiện đề tài sao cho
luận văn của em hoàn thành kịp tiến độ và hoàn thiện nhất. Em không những học được ở
thầy tri thức khoa học mà còn học được nhiều đức tính tốt đẹp của thầy.
Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, bạn bè đã luôn đồng hành
trong suốt những năm vừa qua. Em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công đến tất cả
mọi người.

Sinh viên thực hiện
Hồ Quốc Khánh

GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 1

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 3

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

MỤC LỤC
Lời cảm ơn.......................................................................................................................1
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ..................................................................................2
Nhận xét của giáo viên phản biện....................................................................................3
Mục lục ............................................................................................................................4

PHẦN MỞ ĐẦU
I. Lí do chọn đề tài...........................................................................................................8
II. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................................8
III. Đối tượng nghiên cứu................................................................................................8
IV. Phạm vi nghiên cứu...................................................................................................8
V. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................9
VI. Giới hạn đề tài ...........................................................................................................9

PHẦN I: NỘI DUNG
CHƯƠNG I: CÁC NGUYÊN TẮC TẠO SÓNG
I. Các dạng sóng tự do ....................................................................................... 10
II. Các dạng sóng được kích khởi...................................................................... 11
III. Các dạng sóng đặc biệt ................................................................................ 12
VI. Điều chế dạng sóng ..................................................................................... 12
V. Các IC tạo sóng
CHƯƠNG II: MẠCH TẠO SÓNG SIN
I. Mạch dao động RC
1. Mạch dao động cầu Wien
1.1. Cấu trúc mạch .................................................................................... 14
1.2. Phạm vi điều chỉnh tần số của mạch.................................................. 14
1.3. Mạch dao động cầu Wien .................................................................. 15

II. Mạch dao động LC
1. Các mạch dao động ba điểm .................................................................... 17
1.1. Mạch dao động ba điểm điện cảm (mạch Hartley) ............................ 18
1.2. Mạch dao động ba điểm điện dung (mạch Colpits) ........................... 20
GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 4

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

1.3. Mạch dao động Meissner ................................................................... 22
III. Mạch tạo dao động điều hòa dùng thạch anh
1. Cấu tạo của thạch anh.............................................................................. 24
2. Tính chất và mạch tương đương của thạch anh ....................................... 25
3. Bộ dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng nối tiếp.................. 27
4. Bộ dao động dùng thạch anh với tần số cộng hưởng song song.............. 28
CHƯƠNG III: MẠCH TẠO SÓNG VUÔNG
I. Mạch dao động đa hài dùng BJT
1. Cơ bản về mạch dao động đa hài ............................................................. 29
2. Mạch dao động đa hài lưỡng ổn dùng BJT.............................................. 31
3. Dao động đa hài đơn ổn ........................................................................... 33
4. Dao động đa hài phi ổn ............................................................................ 35
II. Mạch dao động đa hài dùng Opamp
1. Mạch lưỡng ổn (Flip-Flop) dùng Opamp ................................................ 37
2. Mạch Flip-Flop hồi tiếp bằng diode .................................................................. 38

3. Mạch dao động tích thoát........................................................................ 39

CHƯƠNG IV: MẠCH TẠO SÓNG TAM GIÁC VÀ RĂNG CƯA
I. Mạch tạo sóng tam giác dùng transistor

1. Mạch tạo sóng tam giác đơn giản ............................................................ 41
2. Mạch dùng phần tử ổn dòng .................................................................... 42
3. Mạch bù có khuếch đại bám .................................................................... 43
II. Mạch tạo xung tam giác dùng vi mạch thuật toán
1. Dạng mạch tích phân đơn giản ................................................................ 44
2. Mạch có điều chỉnh hướng quét và cực tính...................................................... 45

III. Mạch tạo sóng răng cưa dùng UJT
1. Mạch tạo sóng răng cưa không tuyến tính ............................................... 46
2. Mạch tạo sóng răng cưa tuyến tính .......................................................... 47
CHƯƠNG V: MẠCH TẠO SÓNG DÙNG ICL 8038

I. Cơ bản về ICL 8038
1. Đại cương................................................................................................. 54
GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 5

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

2. Hình dạng và sơ đồ chân.......................................................................... 54
3. Chức năng của các chân.......................................................................... 55
4. Sơ đồ cấu trúc bên trong của ICL8038 .................................................... 56
II. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động .................................................................. 57

III. Mạch ứng dụng cơ bản của vi mạch ICL8038
1. Mạch cơ bản dùng ICL8038 .................................................................... 58
2. Mạch điều chế tần số (FM) dùng ICL8038 ............................................. 59
3. Mạch điều chế tần số từ 20Hz đến 200kHz....................................................... 60

PHẦN II: THIẾT KẾ MÁY PHÁT TÍN HIỆU HÌNH SIN, VUÔNG,
TAM GIÁC
Chương I: GIỚI THIỆU PHẦN MỀN THIẾT KẾ MẠCH _ORCAD
I. Vẽ mạch nguyên lý (SCHEMATICS)
1. Cách vẽ và đặt tên một bản vẽ mới............................................................. 62
1.1. Thiết lập kích thước cho bản vẽ............................................................ 63
1.2. Một số chức năng và các biểu tượng trên thanh công cụ...................... 64
2. Các bước vẽ một Schematic ....................................................................... 65
2.1. Lấy linh kiện ......................................................................................... 65
2.2. Sắp xếp linh kiện................................................................................... 70
2.3. Chạy dây và hiệu chỉnh linh kiện.......................................................... 70
2.4. Kiểm tra lỗi sơ đồ nguyên lý................................................................. 72
3. Tạo FILE *.MNL (TẠO NETLIST) để chuyển sang mạch in ................... 73
II. Vẽ mạch in bằng Orcad Layout Plus
1. Cách mở trình Layout Plus để vẽ mạch in…….. ........................................ 74
2. Liên kết Footprint ....................................................................................... 76
3. Thiết lập môi trường thiết kế ...................................................................... 78
3.1. Thiết lập đơn vị đo và hiển thị .............................................................. 78
3.2. Định nghĩa Layer Stack ........................................................................ 79
GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 6

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

3.3. Thiết lập khoảng cách giữa các đường mạch........................................ 80
3.4. Thiết lập độ rộng đường mạch in.......................................................... 81
4. Vẽ Board Outline ................................................................................................... 82
5. Vẽ mạch ................................................................................................................. 84

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MÁY PHÁT TÍN HIỆU HÌNH SIN, VUÔNG,
TAM GIÁC
I. Thiết kế mạch
1. Sơ đồ nguyên lý máy phát tín hiệu hình sin, vuông, tam giác.................... 85
2. Chức năng của các linh kiện trong mạch.................................................... 85
3. Sơ đồ mạch in máy phát tín hiệu hình sin, vuông, tam giác....................... 86
II. Lắp ráp mạch thực tế
1. Dụng cụ chính sử dụng trong mạch............................................................ 86
2. Kết quả thực nghiệm................................................................................... 89

PHẦN KẾT LUẬN........................................................................... 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 103

GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 7

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

PHẦN MỞ ĐẦU
I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử, đã ứng
dụng rất nhiều trong công nghiệp. Ngày nay với những ứng dụng của khoa học kĩ thuật
tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn.
Sự phát triển của kĩ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi
bật như sự chính xác cao, gọn nhẹ, tốc độ nhanh là những yếu tố rất cần thiết để góp phần
cho hoạt động của con người đạt hiệu quả.
Điện tử đang trở thành một nghành khoa học đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp ứng được
những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công – nông – ngư nghiệp cho đến các nhu
cầu cần thiết cho hoạt động đời sống hằng ngày.
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất trong công nghệ điện tử là mạch tạo xung
dạng sin, vuông, tam giác và răng cưa. Nó đã góp phần rất lớn trong kĩ thuật điện tử cũng
như trong sản xuất công nghiệp, là một mạch điện không thể thiếu trong các monitor, máy
tạo sóng, máy thu hình, đài FM, AM ...
Xuất phát từ những ứng dụng trên tôi đã “thiết kế máy phát tín hiệu hình sin, vuông,
tam giác” để làm luận văn tốt nghiệp.

II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Trong suốt quá trình học tại trường, tôi đã được làm quen với các máy móc về vô
tuyến điện tử - điện tử thông qua các buổi thực hành, tôi nhận thấy rằng với số lượng sinh
viên đông – số máy móc còn hạn chế. Trong điều kiện khó khăn đó, không cho phép sinh
viên hoàn thành tốt các kiến thức đã học.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, tôi quyết định thực hiện đề tài ”thiết kế máy phát tín
hiệu hình sin, vuông, tam giác” sử dụng với linh kiện chính là ICL8038.
III. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Mạch phát tín hiệu hình sin, vuông, tam giác dùng ICL 8038
IV. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tổng quát về lý thuyết máy phát tín hiệu hình sin, vuông, tam giác dùng
IC8038.

GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 8

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
VI. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Trong đề tài luận văn này, tôi chỉ thiết kế máy phát tín hiệu hình sin, vuông, tam giác
sử dụng với linh kiện chính ICL8038.

GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 9

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

PHẦN I: NỘI DUNG
CHƯƠNG I: CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN TẠO SÓNG
I. Các dạng sóng tự do
Các dạng sóng có thể được tạo ra hoặc ở dạng tự do hoặc ở dạng được kích khởi. Mạch
tạo sóng tự do cho ta các dạng sóng hoàn tất mỗi một chu kì trong một khoảng thời gian

và tự động lặp lại quá trình tạo sóng. Ngược lại chỉ cho ta một chu kỳ của dạng sóng mỗi
khi có một tín hiệu kích khởi đưa đến ngõ vào của mạch.

Hình 1.1: Bốn dạng sóng tự do .
Bốn dạng sóng tự do được sử dụng rộng rãi nhất là sin, vuông, tam giác và răng cưa,
mỗi một dạng sóng đặc trưng hóa bởi một tín hiệu đơn cho ở hình 1.1. Sóng sin thuần túy
(sóng thuần sin) là tín hiệu chỉ có một tần số cơ bản và không có tín hiệu nào được tạo ra.
Các sóng sin trên thực tế đều không thuần túy có dạng sin.
Một sóng vuông thuần túy (sóng thuần vuông) có dạng hoàn toàn đối xứng, giao hoán
giữa trạng thái cao và thấp ở thời điểm mức 0V. Dạng sóng này có vô số hài bậc lẻ và các
GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 10

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

hài có biên độ liên quan trực tiếp với bậc của hài, nghĩa là hài bậc 7 thì có biên độ là 1/7
biên độ của tín hiệu tần số cơ bản.
Một sóng tam giác thuần túy (sóng thuần tam giác) có dạng hoàn toàn đối xứng và
tuyến tính, khi phân tích ta xem như là một sóng thuần vuông được lấy tích phân. Sóng
thuần tam giác chỉ có các hài bậc lẻ, chúng có biên độ thấp và suy giảm rất nhanh theo
bậc của hài.
Một sóng răng cưa thuần túy (sóng thuần răng cưa) có dạng tăng hoàn toàn tuyến tính,
giao hoán giữa hai trạng thái cao và thấp lúc đi ngang mức 0V. Sóng này có vô số hài bậc
chẵn và bậc lẻ, mỗi hài có biên độ tỉ lệ với bậc của hài.

II. Các dạng sóng được kích khởi

Dạng của một chu kì sóng tự do hoàn toàn độc lập với sự biến thiên của tần số. Khi
tần số tăng gấp đôi, mọi kích thích của dạng sóng theo chiều ngang chỉ đơn thuần được
chia cho 2 và dạng của mỗi chu kỳ thay đổi.
Dạng của toàn bộ một chu kỳ của sóng thay đổi theo tần số lặp lại như được minh họa
ở hình 1.2. Hình này cho thấy hai loại dạng sóng được kích khởi thông dụng nhất: xung
và răng cưa.

Hình 1.2: Các dạng sóng răng cưa và xung được kích khởi
Mỗi một dạng sóng xung được kích khởi và răng cưa được kích khởi được đặc trưng
hóa bởi độ rộng xung hoặc độ rộng răng cưa hoàn toàn là hằng số, hầu như không bị ảnh
GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 11

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

hưởng bởi sự thay đổi của chu kỳ lặp lại, dạng sóng trong một chu kì thay đổi theo tần số
lặp lại.
III. Các dạng sóng đặc biệt
Cùng với các mạch tạo sóng tạo ra các dạng sóng sin, vuông, tam giác và răng cưa,
nhiều mạch tạo sóng khác cũng tạo ra các dạng sóng đặc biệt cũng được sử dụng trong
các sơ đồ mạch điện tử như: mạch tạo dạng sóng nấc thang, mạch tạo nhiễu trắng, mạch
dao động điều khiển bằng thạch anh, mạch tổng hợp dạng sóng và mạch tạo hiệu ứng các
âm thanh đặc biệt.
Dạng sóng nấc thang tăng giữa 0V và một trị số điện áp cụ thể nào đó theo một
chuỗi các bước điện áp theo thời gian rời rạc và rồi lại chuyển về 0V. Dạng sóng này
thường được dùng trong các máy vẽ tuyến tính.

Các dạng sóng được tạo ra từ các thạch anh có độ chính xác và độ ổn định tần số đặc
biệt cao.
Các dạng sóng nhiễu trắng chứa toàn bộ phổ của các tần số được tạo ra một cách
ngẫu nhiên, với các biên độ cũng được xác định một cách ngẫu nhiên nhưng chúng bằng
với công suất trên một đơn vị băng thông tính trung bình trong một đơn vị thời gian.
Nhiễu trắng được lọc sao cho các biên độ của chúng bằng với điện áp trên một đơn
vị băng thông tính trung bình trong một đơn vị thời gian. Các loại nhiễu này thường được
dùng trong việc kiểm tra các mạch khuếch đại AF và RF cũng như trong việc tạo ra các
hiệu ứng âm thanh đặc biệt.

IV. Điều chế dạng sóng
Điều chế biên
độ AM
Điều chế tần số
FM
Điều chế dịch
khóa tần số
FSK
Điều chế độ
rộng xung
Hình 1.3: Bốn loại điều chế dạng sóng được sử dụng rộng rãi
GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 12

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

* Chú thích:
Low: tần số thấp

High: tần số cao

Các dạng sóng cơ bản còn có thể được sử dụng để phát hoặc mang các dữ liệu số
và tương tự bằng cách dùng các dữ liệu này để điều chế một hoặc nhiều đặc tính của các
dạng sóng cơ bản.
Các sóng sin tự do có thể được điều chế tương tự bằng cách dùng tín hiệu tương tự
để điều chế hoặc biên độ hoặc tần số của sóng sin như trong các hệ thống điều chế AM và
FM. Các loại điều chế này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông thoại.
Các sóng sin còn được dùng để mang dữ liệu hai trạng thái (nhị phân) và các mã
bằng cách sử dụng điều chế dịch khóa tần số (FSK), trong đó tín hiệu nhị phân chọn hoặc
tần số cao hoặc tần số thấp. Điều chế dịch khóa tần số được sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống kết nối dữ liệu truyền thông thoại.
Một cách khác để truyền tín hiệu tương tự là sử dụng chúng để điều chế các độ rộng
xung của các mạch tạo xung được kích khởi nhờ các hệ thống điều chế độ rộng xung
(PWM), chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều chế đa kênh từ xa.

V. Các IC tạo sóng
Đa số các dạng sóng cơ bản đều có thể được tạo ra nhờ các mạch transistor đơn giản,
các mạch Opamp hoặc các IC số, hoặc được tạo ra nhờ các IC đa năng thông dụng như IC
định thời 555, ICL8038... Các dạng sóng này được tạo ra nhờ vào các IC tổng hợp hoặc
tạo sóng. Cách đơn giản nhất là sử dụng các mạch dao động điều khiển bằng điện áp
VCO, chúng tạo ra đồng thời các tín hiệu ngõ ra dạng vuông và tam giác có đường truyền
đạt điện áp hoặc tần số và có thể cung cấp các ngõ ra được điều chế tần số FM bằng cách
đơn giản là điều chế điện áp điều khiển ở ngõ ra.
Các IC tạo sóng tiên tiến hơn dựa trên nền tảng của mạch VCO cũng cung cấp một
ngõ ra một sóng sin. Sóng này được tổng hợp bằng cách làm tròn các góc của sóng tam
giác nhờ vào các mạch sửa dạng hoặc giới hạn biên độ.

GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 13

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

CHƯƠNG II: MẠCH TẠO SÓNG SIN
I. Mạch dao động RC
1. Mạch dao động cầu Wien
1.1. Cấu trúc mạch
Mạch dao động cầu Wien dùng mạch hồi tiếp là một bộ lọc bằng R1C1R2C2.
Mạch sử dụng theo kiểu khuếch đại thuật toán (OPA) mắc không đảo do khâu hồi tiếp
có độ lệch pha 00 ở tần số trung tâm:
f =

2π

1
R 1C 1 R 2 C 2

Uvào
Ura

Hình 2.1: Mạch dao động cầu Wien

1.2. Phạm vi điều chỉnh tần số của mạch

Điều kiện dao động và tần số của mạch:
Ta có hàm truyền đạt của mạch hồi tiếp:
R1
U
1 + jω R1 C1
β= 2 =
R1
1
U1
R2+
+
jω C 2 1 + jω R1 C1

Sau khi biến đổi ta có:
β=

GVHD:Vương Tấn Sĩ

ωR1C1
ω(R1C1 + R 2C2 + R1C2 ) + j(ω2R1R 2C1C2 −1)
Trang 14

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

Tại tần số dao động ω 0 có:

ω2 R1R 2 C1C2 −1 = 0 suy ra ω 0 =

f0 =

Hay

1
R 1R 2 C1C 2

1
2 π R 1R 2 C1C 2

Tại tần số dao động f0 ta có: β =

1
R 2 C2
1+
+
R1
C1

Trong trường hợp đặc biệt R 1 = R 2 = R và C1 = C 2 = C . Tần số dao động sẽ là:

f0 =

1
1
và β =
2 π RC
3

Khi đó điều kiện về biên độ: K .β ≥ 1

Tương đương với K ≥ 3 với suy ra

R
R

4

≥ 2

3

Nếu K < 3 mạch sẽ không dao động, nếu K >> 3 mạch sẽ dao động nhưng tín
hiệu ra sẽ bị méo dạng, muốn tín hiệu ra không bị méo dạng ta chọn K > 3 sau đó tự động
điều chỉnh xuống gần bằng 3 để giảm méo.

1.3. Mạch dao động cầu Wien
Sơ đồ bộ lọc bằng RC theo hình sau:

Hình 2.2: Sơ đồ bộ lọc băng RC
Đặc điểm mạch lọc như sau:
- Tại tần số f0 được tính bằng công thức:
f0 =
GVHD:Vương Tấn Sĩ

1
2 π R 1 R 2 C1C 2

(Hz)
Trang 15

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

- Đặt tuyến truyền đạt có dạng như mạch cộng hưởng song song, tần số cộng
hưởng điện áp ra và vào cùng pha nhau.
Trong mạch điện trên khi kết hợp bộ lọc băng R1C1R2C2 với khâu mạch RhtR0 sẽ
được mạch lọc cầu Wien.
Do vậy để tạo dao động cầu Wien ta chỉ cần mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại
K ≥ 3 và điện áp ra và vào không đảo pha.

Hình 2.3: Mạch dao động cầu Wien
Sơ đồ mạch dao động cầu Wien sử dụng khuếch đại thuật toán. Điện áp đưa vào
đầu vào không đảo pha để điện áp hồi tiếp trùng pha với điện áp vào. Hồi tiếp âm qua Rht
để xác định hệ số khuếch đại đảm bảo điều kiện về dao động. Trong thực tế thường chọn:
Rht = 2R0 + ε
Trong đó ε là một đại lượng rất nhỏ ( ε ≈ 0,01 ) để mạch dễ dao động.
Nếu chọn: R 1 = R 2 = R và C1 = C 2 = C .
Ta có: f =

1
2 π RC

Bằng cách thay đổi đồng thời cặp giá trị R 1 = R 2 = R và C1 = C 2 = C . Có thể thay
đổi được f trong một dãy rộng (từ 20Hz đến 20KHz).
GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 16

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

II. Mạch dao động LC
Mạch dao động LC gồm có khuếch đại và mạch cộng hưởng LC đóng vai trò mạch
phản hồi dương và xác định tần số dao động.
Mạch dao động LC được sử dụng trong lĩnh vực tần số cao vì có kích thước nhỏ và độ
dốc pha tần trong vùng cộng hưởng rất lớn. Các mạch dao động LC tạo sóng hình sin
thông dụng là: mạch dao động Meissner, các mạch dao động ba điểm (mạch dao động ba
điểm điện cảm – Hartley, mạch dao động ba điểm điện dung - Colpits).

1. Các mạch dao động ba điểm
Các mạch dao động LC nói chung có thể đưa về cấu tạo chung như hình vẽ:
Vi

V0

Hình 2.4: Sơ đồ khối mạch dao động ba điểm
Trong đó Av là bộ khuếch đại bất kì (Transistor, Fet, khuếch đại thuật toán).
Ta có hệ số hồi tiếp là:
vi = vf =

=> β =

Z1
.v0
Z1 + Z 3

Z1
Z2 + Z3

Hệ số khuếch đại khi có tải:

Av =

vo
=
vi

A1vi

Zt
R 0 + Zt
Zt
= A1
vi
Ro + Zt

Ta có:
AV β = A1

GVHD:Vương Tấn Sĩ

Zt
Z
. 1
Ro + Zt Z1 + Z3
Trang 17

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

Thế Zt=(Z1+Z3)//Z2, ta được:
A V β = A1

Z1Z2
.
R o (Z1 + Z2 + Z3 ) + (Z1 + Z3 ) Z2

Giả thuyết các trở kháng Z1, Z2, Z3 là thuần kháng:
Z1=jX1 , Z2=jX2 , Z3=jX3
A V β = A1

X 1X 2 j2
.
jR o (X 1 + X 2 + X 3 ) + j2 (X 1 + X 3 ) X 2

A V β = − A1

X 1X 2
.
jR o (X 1 + X 2 + X 3 ) − (X 1 + X 3 ) X 2

Khung dao động gồm các phần tử X1, X2, X3. Thường tần số dao động gần bằng tần số
cộng hưởng riêng của khung.
Theo điều kiện cân bằng pha, để có hồi tiếp dương (dao động), tổng di pha do mạch

khuếch đại và hồi tiếp phải bằng 2 nπ tức là Av.β > 0. Muốn vậy:
X1 + X2+ X3 = 0 hay là X1+ X3 = -X2
Nên: A V β = − A 1 .

X1
= A vβ
X2

Với mạch khuếch đại (Transistor, Fet), thường A1 âm, nên A V β > 0 khi

X1
>0.
X2

Do đó X1, X2 giống nhau nghĩa là cùng L hoặc cùng C và với
X3 = - ( X1 + X2); ta suy ra 2 loại mạch 3 điểm:
+ Ba điểm điện cảm: X1, X2 >0 và X3 <0; ta có mạch Hartley.
+ Ba điểm điện dung: X1, X2<0 và X3 >0; ta có mạch Colpits.

1.1. Mạch dao động ba điểm điện cảm (mạch Hartley)
Mạch dao động Hartley còn được gọi là mạch dao động 3 điểm điện cảm, mạch
này chỉ khác mạch dao động 3 điểm điện dung ở chỗ mạch phân áp để tạo điện áp hồi tiếp
dùng hai điện cảm L1 và L2; điện áp trên cuộn L2 được đưa về hồi tiếp.
Điều kiện pha:

X BE = ω L 2 > 0
X CE = ω L1 > 0
X CB = −

GVHD:Vương Tấn Sĩ

1
<0
ωC

Trang 18

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

Tần số dao động: f dđ =

2π

1
(Hz)
(L 1 + L 2 ) C

Trong đó: C tính bằng Fara (F)
L tính bằng Henri (H)

1.1.1. Sơ đồ mạch và sơ đồ tương đương

C

L2

T

L1

a) Mạch tương đương

b) Mạch dao động ba điểm điện cảm

Hình 2.5: Mạch dao động ba điểm điện cảm

1.1.2. Tác dụng linh kiện
Điện trở R1, R2: tạo điện áp cho cực B transistor kiểu phân áp.
RE, CE: bộ điện trở, tụ điện mắc ở cực phát của transistor có tác dụng ổn định
chế độ làm việc cho transistor.
(L1+L2)//C: khung dao động
Tụ C1: tụ dẫn hồi tiếp dương.
Transistor T: phần tử khuếch đại.

1.1.3. Nguyên lý hoạt động của mạch
Khi cấp nguồn cho mạch xuất hiện dòng IC biến đổi từ 0 ÷ ICO chạy theo
chiều:

+ ECC ⇒ RE ⇒ T ⇒ L2 ⇒ L1 ⇒ − EC

Dòng IC chạy qua cuộn dây (L1+L2), như vậy khung dao động được cấp năng lượng;
quá trình trao đổi năng lượng dưới dạng từ trường WH (trên cuộn dây L) và điện trường
WE (trên hai bản cực của tụ C) diễn ra quá trình trao đổi năng lượng:
WH ⇔ WE

GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 19

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

Do đó, tạo ra dao động hình sin. Một phần năng lượng trên cuộn dây L1 thông qua tụ
C1 hồi tiếp dương được đưa về cực B của transistor. Điện áp này phải có chiều cùng pha
với điện áp vào (ngược pha với điện áp ra) vì T mắc E chung.
Hồi tiếp dương trở về đầu vào qua C1 có tác dụng bù năng lượng cho khung dao động
đúng lúc, đúng lượng tổn hao trong khung. Vì vậy, dao động ra là dao động duy trì có
biên độ dao động không đổi.
1.2. Mạch dao động ba điểm điện dung (mạch Colpits)
Mạch dao động Colpits còn được gọi là mạch dao động ba điểm điện dung vì
mạch dùng tụ C1 và C2 để phân áp và lấy một phần điện áp trên C2 hồi tiếp về đầu vào.
Điều kiện pha:
X BE = −

1
<0
ωC 2

X CE = −

1
<0
ωC 1

X CB = ω L > 0
X1

X2

Hệ số hồi tiếp:

β =

Tần số dao động:

f dđ =

1
2 πf 0 C 1
C2
=
=
1
C1
2 πf 0 C 2

1
(Hz)
C1 . C 2
2π L
C1 + C 2

Trong đó: C tính bằng Fara (F)
L tính bằng Henri (H)
Để thay đổi tần số dao động có thể thay đổi điện cảm L hay điện dụng C1, C2 nhưng
trong trường hợp này tiện lợi hơn là thay đổi trị số L.

GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 20

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

1.2.1. Sơ đồ của mạch và sơ đồ tương đương

a) Mạch tương đương

b) Mạch dao động ba điểm điện dung mắc EC

Hình 2.6: Mạch dao động ba điểm điện dung
1.2.2. Tác dụng linh kiện
Khung dao động: gồm có tụ C1, C2 và cuộn cảm L.
R1, R2: bộ phân áp làm nhiệm vụ cung cấp điện áp cho cực B của T.
RC: điện trở cung cấp điện áp một chiều cho cực C của T.
RE, CE: bộ ổn định điểm công tác cho T, mắc ở cực E của T.
CB: tụ dẫn hồi tiếp dương.
Điện áp hồi tiếp lấy trên C2 qua tụ CB về đầu vào của transistor. Điểm giữa
hai tụ nối đất nên tín hiệu hồi tiếp luôn ngược pha với tín hiệu ra (cùng pha với tín hiệu
vào) nên mạch luôn đảm bảo có hồi tiếp dương. Để đảm bảo về biên độ người ta thường
chọn:
C1 U BE
=
C 2 U CE

1.2.3. Nguyên lý hoạt động của mạch
Khi cấp nguồn một chiều, trong mạch xuất hiện dòng điện IC biến đổi từ 0 ÷
ICO chạy theo chiều:

+ EC ⇒ R E ⇒ T ⇒ R E ⇒ − E C

Dòng IC biến đổi chạy qua RC làm cho điện áp tại cực C của T thay đổi, tức là điện
trường trên hai tụ C1, C2 biến đổi, nghĩa là khung dao động được cung cấp năng lượng;
quá trình trao đổi năng lượng dưới dạng từ trường WH (trên tụ điện C) và điện trường WE
(trên hai đầu cuộn dây L) diễn ra quá trình trao đổi năng lượng.
GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 21

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

WH ⇔ WE
Do đó, tạo ra tín hiệu hình sin. Phần năng lượng trên tụ C2 thông qua tụ CB hồi tiếp
dương được đưa về cực B của T. Điện áp này phải có chiều cùng pha với điện áp vào
(ngược pha với điện áp ra) vì T mắc E chung. Vì vậy dao động tạo ra là dao động duy trì
có biên độ không đổi.
Mạch dao động ba điểm điện dung thường hay dùng ở tần số cao hàng trăm MHz.
Trong trường hợp đó, các tụ C1, C2 có thể thay bằng điện dung kí sinh giữa các cực của
transistor.
1.3. Mạch dao động Meissner
1.3.1. Sơ đồ của mạch và sơ đồ tương đương

a) Sơ đồ nguyên lý

b) Sơ đồ tương đương

Hình 2.7: Mạch dao động RC
1.3.2. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý cơ bản của mạch cộng hưởng song song LC hay mạch dao
động Meissner gồm transistor khuếch đại E chung, tải góp chung là mạch cộng hưởng
LC, phản hồi dương được thực hiện theo kiểu ghép biến áp.
Nguyên lý làm việc của mạch được giải thích bằng cách vẽ mạch tương đương . Trong
đó mạch vòng LC với điện trở tổn hao RP là tải Z của mạch khuyếch đại:
Z =

GVHD:Vương Tấn Sĩ

1
1
1
+ j( ω C −
)
RP
ωL

Trang 22

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

Hệ số phản hồi của mạch do tỷ số ghép biến áp giữa cuộn L và LB quyết định được ký
hiệu là γ . Điện áp vào của mạch là điện áp trên cuộn LB, nó bằng γ .Ura, do đó có quan
hệ:
γ .Ura = iBrBE

Vì thế trong sơ đồ khối tỷ số giữa dòng điện iC và điện áp vào (điện áp giữa B và E) là
β
r BE

.

Hàm truyền đạt vòng của mạch là:
Ku =

1
1
1
+ j(ω C −
)
RP
ωL

.γ

β
rBE

Điều kiện cân bằng pha của mạch dao động được thực hiện tại tần số cộng hưởng
ω r của mạch vòng LC:

fr =

ωr
1
=
2 π 2 π LC

Khi đó điều kiện cân bằng biên độ sẽ được thực hiện nếu mạch thỏa mãn hệ số ghép
biến áp sau:

γ ≥

r BE
β .R

P

Độ chọn lọc của mạch càng cao khi thành phần điện trở tổn hao của L và C càng nhỏ,
tức điện trở RP càng lớn.
Có thể sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán thay cho transistor. Khuếch đại thuật
toán làm việc ở chế độ đầu vào không đảo với điện áp phản hồi từ cuộn LB.
Tải của Opamp là mạch cộng hưởng LC nối đất nên phải có điện trở đệm R3 để hạn
chế biên độ điện áp dao động tránh gây méo dạng tín hiệu ra. Điện áp ra được lấy qua tụ
phân cách CK.

GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 23

Luận Văn Tốt Nghiệp

SVTH: Hồ Quốc Khánh

Hình 2.8: Mạch dao động LC với khuếch đại thuật toán
III. Mạch tạo dao động điều hòa dùng thạch anh
1. Cấu tạo của thạch anh

Tinh thể thạch anh là loại đá trong mờ trong thiên nhiên có cấu tạo sáu mặt và hai
tháp ở hai đầu. Thạch anh chính là dioxid silicium (SiO2) cùng chất làm lớp cách điện ở
transistor . Ở tinh thể thạch anh có các trục mang tên Z, X, Y. Trục Z xuyên qua hai đỉnh
tháp, trục X qua hai cạnh đối và thẳng góc với trục Z (có 3 trục X), trục Y thẳng góc với
hai mặt đối (có 3 trục Y).
Tinh thể thạch anh dùng trong mạch dao động là một lát mỏng được cắt ra từ tinh
thể. Tùy theo mặt cắt mà lát thạch anh có đặc tính khác nhau. Lát thạch anh có diện tích
từ nhỏ hơn 1cm2 đến vài cm2 được mài rất mỏng, phẳng và hai mặt thật song song với
nhau. Hai mặt này được mạ kim loại và nối chân ra ngoài để dễ sử dụng.

GVHD:Vương Tấn Sĩ

Trang 24

LUẬN văn sư PHẠM vật lý THIẾT kế máy PHÁT tín HIỆU HÌNH SIN, VUÔNG và TAM GIÁC

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về