Giáo trình Vô tuyến điện tử: Phần 2

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:46

Thêm vào BST

Báo xấu

156
lượt xem 31
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Dưới đây là Giáo trình Vô tuyến điện tử: Phần 2, giáo trình giúp cho các bạn nắm bắt được những kiến thức về máy phát dao động, biến điệu và tách sóng, hệ dao động, máy thu, máy đo điện dao động ký điện tử. Với các bạn chuyên ngành Điện tử thì đây là tài liệu hữu ích.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vô tuyến điện tử: Phần 2

Chương III MÁY PHÁT DAO ĐỘNG Trong chương này, ta đề cập đến máy phát dao động điều hoà và máy phát xung (xung chữ nhật, xung răng cưa ...). I- MÁY PHÁT DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA. Mạch dao động là một mạch khuếch đại có hồi tiếp dương, với điều kiệnĠ. 1. Máy phát dao động điều hòa cao tần: Khung dao động LC có độ phẩm chất lớn, được mắc ở mạch ra C, cuộn dây hồi tiếp dương mắc ở mạch vào E hay B của transistor. Muốn tạo dao động điều hoà phãi bảo đảm các yêu cầu về pha cũng như biên độ hồi tiếp. Tuỳ cách mắc của transistor mà tín hiệu ra và tín hiệu cùng pha hay ngược pha mà ta có các cách nối khác nhau. Ví dụ transistor mắc theo kiểu Phát chung thì điện áp hồi tiếp vào B (mạch vào) ngược pha với điện áp chân C (mạch ra). Còn mắc theo kiểu gốc chung thì điện áp hồi tiếp về E (mạch vào) cùng pha với điện áp chân C (mạch ra). Có nhiều cách mắc mạch điện, chúng dựa trên nguyên tắc sau đây: Giả sử một lý do ngẫu nhiên nào đó (ví dụ như đóng mạch điện) trong khung LC xuất hiện dao động, dao động này sẽ tắt dần khi mạch cô lập. Nhưng trong sơ đồ máy phát dao động điều hoà, dòng điện iL trong cuôn dây L biến đổi, làm xuất hiện sức điện động cảm ứngĠ trong cuộn dây L’, sức điện độngĠ này hồi tiếp dương về mạch vào của transistor. Nếu chiều quấn của 2 cuộn dây thích hợp (dấu của hệ số hổ cảm M đúng) thì e sẽ điều khiển dòng IC sao cho dòng này qua cuộn L cùng nhịp (đồng pha) với dòng điện trong khung dao động. Khi đó dòng điện trong khung dao động được duy trì (nếu hệ số hổ cảm M đủ lớn). Ta có các mạch điện thực tế như sau: L L’ L C C R1 L’ R2 CB RE +Vcc Hình (a) +Vcc Hình (b) Mạch điện hình (a): transistor được mắc theo kiểu Gốc chung, nhờ tụ điện CB có trị số lớn nối tắt dòng xoay chiêu từ chân B xuống masse, R1 và R2 là các điện trở phân cực cho transistor. LC là khung dao động và L’ là cuộn hồi tiếp đưa tín hiệu hồi tiếp về chân E của transistor qua tụ điện liên lạc (chỉ cho tín hiệu qua, ngăn dòng một chiều). Để đảm bảo có hồi tiếp dương, tức điện áp tín hiệu đưa về E cùng pha với tín hiệu chân C, ta phải chọn dấu của M thích hợp. Trong thực tế nếu mạch không dao động do chọn sai dấu của, ta đổi chiều một trong 2 cuộn dây L hoặc L’, hoặc quay chúng một góc 1800. Mạch điện hình (b): transistor mắc theo kiểu Phát chung, RB dùng để phân cực cho transistor. Mạch hồi tiếp đưa tín hiệu hồi tiếp về chân B qua tụ điện liên lạc. Cũng như trường hợp trên, nếu mạch không dao động, ta chỉ cần xoay ngược một trong 2 cuộn dây L hoặc L’.
C1 L C2 L1 C L2 RB +VCC +VCC (c) (d) Mạch điện hình (c) là mạch dao động 3 điểm điện dung, transistor mắc theo kiểu Phát chung, điện áp hồi tiếp từ mạch ra (chân C) được đưa về mạch vào (chân E) nên đồng pha. Hệ số hồi tiếp xác định bởi hệ số hồi tiếp Ġ: C β = 2 C1 Mạch điện hình (d) là mạch dao động 3 điểm điện cảm, transistor cũng mắc theo kiểu phát chung, điện áp hồi tiếp từ mạch ra (chân C) được đưa về mạch vào (chân E) nên đồng pha. Hệ số hồi tiếp xác định bởi hệ số hồi tiếp Ġ: L β = 2 L1 2. Máy phát dao động điều hoà âm tần (mạch dao động RC): Như trên ta đã xét các dao động cao tần kiểu LC, thực chất là mạch khuếch đại cộng hưởng cao tần có hồi tiếp dương với điều kiệnĠ. Với kiểu này máy phát không thể tạo ra được dao động điện từ có tần số thấp (âm tần) vì L và C phải có trị số rất lớn. Trong thực tế, ở giải tần số thấp người ta dùng những mạch dao động RC: Nếu ta sử dụng một bộ RC để dịch pha 1800 kết hợp với mạch khuếch đại có tín hiệu ra ngược pha Ĩ1800) với tín hiệu vào, thì ta có điện áp ra đồng pha (3600) với điện áp vào. +VCC R1 RC Ura C C C R R R RE CE Ta đã biết, một bộ RC làm xoay pha một góc nhỏ hơn 900, nên muốn làm xoay pha 1800 ta phải cần ít nhất 3 bộ RC. Trong hình dưới đây, S và P có thể là R hay C. Ví dụ: C = 0.005ĠF và R = 10ŋ R1 = 180K Ω ; RE = 1K Ω ; CE = 20 µ F VCC = 15V Ta hãy tính tần số dao động của mạch: xét mạch xoay pha dưới đây. S S S I1 I2 I3 U0 U1 I‘1 U2 I’2 I’3 U3 P P P
Đặt Ġ với K là số phức khi một trong hai phần tử S hoặc P là tụ điện, phần tử còn lại là điện trở thuần R. Ta tính tỉ số: Ġ Ta có: U3 = PI3 U S U2 = SI3 + PI3 = (S+P)I3 = (S+P) 3 = U 3 (1 + ) = U 3 (1 + K ) (1) P P U1 = SI2 + U2 Trong đó: U U U U I 2 = I 3 + I 2' = I 3 + 2 = 3 + 3 (1 + K ) = 3 (2 + K ) P P P P U3 U1 = S (2 + K ) + U 3 (1 + K ) = U 3 K (2 + K ) + U 3 (1 + K ) P U1 = U 3 ( K 2 + 4 K + 3) Ta tính U0 : U0 = SI1 + U1 Trong đó : U U U U I1 = I 2 + I1' = I 2 + 1 = 3 (2 + K ) + 3 ( K 2 + 3K + 1) = 3 ( K 2 + 4K + 3) P P P P U3 2 U0 = S ( K + 4 K + 3) + U 3 ( K 2 + 3K + 1) P U 0 = U 3 K ( K 2 + 4 K + 3) + U 3 ( K 2 + 3K + 1) U 0 = U 3 ( K 3 + 5K 2 + 6 K + 1) Cuối cùng ta được :Ġ Để U0 và U3 đồng pha hay ngược pha,vế bên phải của biểu thức phải là một số thực: (K là số thuần phức ) vậy : K3 + 6K = 0 hay K2 + 6 = 0 hay K2 = - 6 Trường hợp này ta có:Ġ. Như vậy, để 2 điện áp trước và sau ngược pha nhau, tỉ số hai điện áp phải bằng 29. U0 = − 29 U3 Nghĩa là hệ số hồi tiếpĠ hay hệ số khuếch đại điện áp KĠ 29. Trường hợp S = R và P làĠ: Ta có:Ġ R R R U0 C C C U3 Khi K2 = - 6, ta có: Ĩ Hay j 2 R 2C 2ω 2 = − 6 Vậy ta thu được :Ġ Hay tần số dao động của mạch : 6 f = 2π RC
Trường hợp S =Ġ và P = R : Ta có: Ġ Khi : K2 = - 6 6R2 C2 ω 2 = 1 Và ta thu được:Ġ C C C U0 R R R U3 Hay tần số dao động của mạch : f = 1 2π RC 6 3. Máy phát dao động âm tần (RC) có mạch hồi tiếp không xoay pha (cầu WIEN). Mạch điện sau đây gồm một mạch khuếch đại 2 tầng ghép RC, có hồi tiếp dương nhưng không dùng mạch xoay pha (ta gọi là cầu Wien). Các tụ điện C1, R1 (mắc nối tiếp) và C2, R2 (mắc song song) không làm nhiệm vụ xoay pha mà chỉ làm nhiệm vụ cân bằng pha ứng với tần số mà mạch dao động phát ra. Hệ số hồi tiếp của sơ đồ là ĺ Trong đó :Ġ là tổng trở phức của mạch nối tiếp R1, C1. VàĠ là tổng trở phức của mạch song song R2, C2. R1 +VCC RC1 RC2 C1 Ura C2 R2 RE - Cầu Wien Sau khi thayĠ vàĠ vào biểu thức củaĠ, ta có : 1 β = R C 1 1 + 1 + 2 + j (ω R1C2 − ) R2 C1 ω C1 R2 β phaûi laø moät soá thöïc döông môùi baûo ñaûm ñieàu kieän hoài tieáp döông, neân ta suy ra : 1 1 ω R1C2 − = 0 ⇒ Taàn soá goùc cuûa maïch dao ñoäng ω = ω C1 R2 R1 R2C1C2 Nếu chọn R1 = R2 và C1 = C2, tần số do mạch dao động phát ra : 1 ω= Và hệ số hồi tiếp là Ġ RC Như vậy hệ số khuếch đại của mạch điện K > 3. II- MÁY PHÁT DAO ĐỘNG KHÔNG ĐIỀU HOÀ.
Trong kỹ thuật vô tuyến điện cần có những máy phát dao động không điều hoà như các xung điện có dạng sóng vuông, chữ nhật hay răng cưa… 1. Mạïch dao động đa hài. Mạch dao động đa hài dùng để tạo ra các xung điện có dạng gần chử nhật. Nếu ta khai triễn theo chuỗi Fourier của dòng điện này theo thời gian, sẽ được rất nhiều sóng hài nên còn gọi là mach dao động đa hài. a- Mạch dao động đa hài tự dao động: +10V RL R2 R1 RL C2 C1 Ura T1 T2 RL = 10K Ω R1 = R2 = 120K Ω C1 = C2 = 0,01 µ F T1 = T2 : 2SC1015. Ta thấy mạch điện gồm 2 tầng khuếch đại T1 và T2 có hồi tiếp dương, nên trở thành mạch dao động. Mạch điện hoạt động như sau: Hai transistor T1, T2 tuy cùng số hiệu nhưng không thể giống nhau 100% được, giả sử khi mới mở điện, T2 dẫn trước T1 : Dòng điện qua RL của T2 làm điện áp VC2 giảm tới không (bằng điện áp E2). C1 được nạp điện qua R1. Khi điện áp 2 đầu tụ điện đủ để phân cực cho T1 thì T1 dẫn, VC1 sụt làm VB2 sụt theo cho đến lúc T2 ngưng dẫn. Lúc bấy giờ C2 được nạp qua R2, khi điện áp đủ lớn thì T2 dẫn trở lại và VC2 giảm làm T1 tiến tới trạng thái ngưng dẫn … quá trình lập đi lập lại rất nhanh và trên các cực Collector ta có các xung điện hình chữ nhật. VC1 t VC2 t +10V +VCC RL R2 RL C2 C2 V1 T1 T2 r Chu kỳ của dao động gồm 2 giai đoạn: thời gian T1 dẫn và thời gian T1 ngưng (hoặc thời gian T2 dẫn và thời gian T2 ngưng). Bề rộng xung tạo ra phụ thuộc vào thời hằng của C1 hay C2 nạp điện qua R1 (hay R2). Nếu ta chọn R2 = R2 = R và C1 = C2 = C, tần số của xung được xác định bởi : 1 f = 2 RC ln 2
b- Mạch dao động đa hài ở chế độ đợi: (mạch dao động đa hài 1 trạng thái bền) Đây là một mạch dao động đa hài có 2 trạng thái cân bằng, trong đó một trạng thái cân bằng ổn định và một trạng thái cân bằng không ổn định. Bình thường mạch nằm ở trạng thái cân bằng ổn định, khi kích thích mạch sẽ nhảy sang trạng thái cân bằng không ổ định. Thời gian mạch nằm ở trạng thái cân bằng không ổn định lâu hay mau là do các thông số trong mạch quyết định. Ở trạng thái ban đầu, T1 tắt, còn T2 thông. Quá trình đột biến lần thứ nhất xảy ra khi có xung âm kích thích vào cực Gốc của T1 (hoặc xung dương kích thích vào cực Gốc của transistor T2) làm cho mạch chuyển sang trạng thái T1 thông, T2 tắt. Quá trình đột biến lần thứ hai và hồi phục chuyển mạch sang trạng thái ban đầu : T1 tắt và T2 thông. Mạch dao động đa hài đợi thường dùng để tạo ra các xung vuông từ các xung kích thích hẹp. -Vcc Ura RE 2. Mạïch dao động tạo điện áp răng cưa. Điện áp hình răng cưa được sử dụng để điều khiển chùm tia electron trong ống tia điện tử (máy thu hình hay dao động ký điện tử). Nguyên tắc chung nhờ vào sự nạp điện và phóng điện của một tụ điện: +E R UC Ura C Ñeøn neùon t Tụ điện C được nạp qua điện trở R, điện áp 2 đầu tụ điện tăng chậm theo hàm số mũ : t t − − U C = E (1 − e ) = E (1 − e τ RC ) Khi điện áp này vừa bằng áp mồi của đèn néon, đèn néon dẫn điện và tụ điện phóng rất nhanh qua đèn néon. Vậy điện áp 2 đầu đèn néon có dạng hình răng cưa. Hoặc có thể tạo xung răng cưa từ một xung chữ nhật theo mạch điện dưới đây: Khi cực B của transistor chua có xung tới, transistor ngưng dẫn VC = VCC, tụ điện C nạp điện từ nguồn VCC qua điện trở R. Điện áp 2 đầu tụ điện tăng từ từ theo sườn xung bên trái. Khi cực B của transistor nhận xung dương, transistor dẫn điện VC = VE = 0, tụ điện C phóng điện nhanh qua hai cực C và E của transistor, ta được sườn xung bên phải. +10V R1 R C1 Ura T C
Chương IV BIẾN ĐIỆU VÀ TÁCH SÓNG BÀI 1: BIẾN ĐIỆU SÓNG CAO TẦN Uvaøo t Ura t Biến điệu (Modulation) còn gọi là điều chế và Tách sóng còn gọi là giải điều chế (Démodulation) là hai quá trình ngược nhau được dùng trong hệ thống máy thu – phát sóng điện từ. I- BIẾN ĐIỆU DAO ĐỘNG. Ta đã biết tín hiệu âm tần (audio) hoặc thị tần (vidéo) có tần số tương đối thấp, không truyền đi xa trong không gian được, nhưng những tần số cho qua những thiết bị chuyển đổi (ví dụ cái loa chuyển đổi từ tín hiệu điện sang âm thanh, đèn hình chuyển đổi tín hiệu thị tần thành hình ảnh) tai ta có thể nghe và mắt có thể thấy được. Trong khi sóng cao tần (được chia thành nhiều băng tần) có tần số rất cao, truyền đi rất xa trong không gian nhưng tai ta không thể nghe và mắt không thể thấy được. Vì thế người ta dùng sóng cao tần (tải tần) làm phương tiện như một sóng mang để mang tín hiệu âm tần hoặc thị tần đi xa. Quá trình đưa sóng âm tần (hoặc thị tần) vào sóng cao tần để sóng cao tần chở đi xa, ta gọi là sự điều chế. Sóng cao tần có dạng của một dao động điều hòa có tần số Ġ u1 (t ) = U1 sin(ω t + ϕ1 ) Trong đó V0 là biên độ,Ġ là pha ban đầu vàĠ là tần số góc của dao động cao tần. Sóng tín hiệu cần truyền đi như tín hiệu âm thanh, hình ảnh có tần sốĠ u2 (t ) = U 2 sin(Ωt + ϕ 2 ) Dao động cần truyền đi u2(t) có thể làm thay đổi một trong các đặc trưng của dao động cao tần, buộc chúng biến đổi theo qui luật của u2(t). Ta có thế đưa dao động u2(t) vào biên độ của sóng cao tần, ta có biến điệu biên độ hay điều biên AM (Amplitude Modulation) hoặc đưa u2(t) vào tần số của sóng cao tần, ta có biến điệu tần số hay điều tần FM (Frequency Modulation), còn đưa u2(t) vào pha của dao động cao tần, ta có biến điệu pha hay điều chế pha. II- BIẾN ĐIỆU BIÊN ĐỘ (AMPLITUDE MODULATION): AM 1. Nguyên tắc. Giả sử dao động cao tần có dạng: ĉ với Ġ = Ĳf. Và dao động của tín hiệu cần truyền đi: Ġ với Ġ = ĲF. Ví dụĠ ứng với tần số âm thanh, u(t) là dao động âm tần lấy từ một micro. Đưa hai điện áp này đến đầu vào một transistor (yếu tố phi tuyến tính), ngõ ra của transistor ta được sóng cao tần đã điều chế biên độ. Transistor là một yếu tố phi tuyến tính nên ta có
i = f(u) = a0 + a1u + a2u2 + .... Để đơn giản, ta giới hạn ở số hạng bậc hai cũng đủ cho mục đích đặt ra. IC = a0 + a1(u1 + u2) + a2(u1 + u2)2 +.... = a0 + a1U1 sin ω t + a1U1sin Ω t + a2(U1 sin ω t + U2sin Ω t)2 +… IC = I0 + a1U1 sin ωt + a1U 2 sin Ωt + a 2 U12 sin 2 ωt + a 2 U 22 sin 2 Ωt + 1 − cos 2 x Chuù yù : sin 2 x = + 2a 2 U1U 2 sin ωt.sin Ωt 2 Sau vài biến đổi, ta thu được biểu thức sau : 2a U iC = a1U1 (1 + 2 2 sin Ωt ) sin ω t a1 Ta thấy biên độ của dao động cao tần biến điệu đã bị thay đổi theo qui luật của dao động cần truyền đi. 2a2U 2 I0 = a1U1(1+ cos Ω ) a1 Ta cho dòng điện này qua một ăng-ten phát, ta có thể truyền dao động biến điệu trong không gian : 2a2 u = U 0 (1 + sin Ωt ) sin ω t a1 Vậy, 2 dao động có tần sốĠ vàĠ qua một yếu tố phi tuyến cho một dao động phức tạp hơn,trong đó biên độ của nó thay đổi theo qui luật của tần số cần truyền đi. u2 t u1 t u tt Bieán ñieäu bieân ñoä 2. Hệ số biến điệu (độ sâu điều chế): ĐặtĠ Ta có thể viết lại Ġ M được gọi là hệ số biến điệu, có độ lớn phụ thuộc vào biên độ của dao động làm biến điệu. Chú ý rằng biên độ UM của dao động biến điệu có giá trị cực đại và cực tiểu là : U max = U 0 (1 + M ) U min = U 0 (1 + M ) U max − U min Suy ra: M = U max + U min Ta nhận thấy có các trường hợp sau đây : M=0: Umin = Umax : Không có biến điệu biên độ. M=1: Umin = 0 : Biến điệu biên độ tối đa. M>1: Dao động cao tần bị cắt. 0 < MĠ 1 : Có biến điệu biên độ. 3. Phổ của dao động biến điệu.
Biểu thức của biến điệu biên độ u = U0 (1 + MsiŮt)siŮt. có thể khai triển như sau : u = U0 sin ω t + U0 M .sin Ω t. sin ω t U M = U0 sin ω t + 0 [cos(ω − Ω)t − cos(ω + Ω)t ] 2 U0M U M u = U 0 sin ω t + cos(ω − Ω)t − 0 cos(ω + Ω)t ] 2 2 Sau khi biến điệu biên độ sóng mang cao tần xuất hiện 2 giải tần sốĠī vàĠĭ. Như vậy dao động biến điệu gồm 3 thành phần có tần sốĠ,Ġī vàĠ -Ġ được biểu diễn theo giản đồ phổ dưới đây : Bieân ñoä taàn soá ω -Ω ω + Ωcủa biến điệu biên độ ωPhổ Đối với tín hiệu cần truyền đi như âm thanh trong điện thoại, để yêu cầu nghe rõ tiếng, chỉ cần truyền đi các tần số từ 300 –2500Hz. Nghĩa là bề rộng giải sóng là 2Ġ 2.500Hz = 5.000 Hz. Trong liên lạc điện báo, chỉ cần bề rộng giải sóng khoảng 300 - 600Hz. Đối với tín hiệu cần truyền đi như âm nhạc, tần số làm biến điệuĠ có thể biến thiên từ 50 – 10.000Hz nghĩa là bề rộng dải sóng sau khi điều chế khá rộng 2Ġ 10.000Hz = 20.000Hz . Đối với vô tuyến truyền hình, bề rộng giải sóng đến hàng triệu Hz. vì tần số làm biến điệuĠ phải nhỏ hơn tần số sóng mang nhiều, nên không thể thực hiện biến điệu biên độ với các sóng mang có tần số thấp được mà phải dùng sóng cao tần có tần số hàng chục MHz. 4. Công suất của dao động biến điệu. Ta biết công suất của dao động tỉ lệ với bình phương biên độ. Vì vậy công suất trung bình khi biến điệu biên độ : M2 P U 02 (1 + ) 2 Công suất trung bình của sóng manŧ, như vậy sau khi biến điệu biên độ, công suất trung bình tăng lên. Muốn tăng công suất dao động, ta có thể tăng hệ số biến điệu. Tuy nhiên khi tăng M độ méo phi tuyến cũng tăng (xem phần tách sóng), nên chỉ tăng M đến một giới hạn nào đó thôi. Ta nhận thấy hai giải biên của điều chế biên độĠī vàĠĭ đều chứa cùng một lượng thông tin Ω neân ñeå tieát kieäm giaûi taàn vaø naâng cao coâng suaát phaùt, trong kyõ thuïaât phaùt ñôn bieân (single side band) người ta chỉ truyền đi một giải bên mà thôi. 5. Các sơ đồ thực hiện biến điệu biên độ. Sơ đồ dùng transistor dưới đây là một trong những mạch điện dùng để điều chế biên độ : +VCC ubñ ω1 ω2 Mạch điện điều chế biên độ
6. Ưu và khuyết điểm của điều chế biên độ. * Ưu điểm : - Mạch đơn giản, rất dễ dàng tạo ra điều chế biên độ. - Các sóng cao tần có băng tần từ sóng rất dài (VLW), sóng dài (LW), sóng trung (MW), sóng ngắn (SW), sóng cực ngắn (VHF), sóng cực tần số (UHF), sóng siêu cao (SHF) đều có thể dùng để điều chế biên độ được. * Khuyết điểm : - Nhiểu xâm nhập vào biên độ dễ dàng, không thể loại bỏ ra được. - Các biên độ quá cao của tín hiệu sẽ bị các tầng khuếch đại cắt xén mất. Biến điệu biên độ thường dùng để phát thanh trên các băng tần MW, SW … và phát hình ảnh trong vô tuyến truyền hình. III- BIẾN ĐIỆU TẦN SỐ (FM : Frequency Modulation). 1. Nguyên tắc. Dưới tác dụng của dao động cần truyền đi, tần số của sóng mang cao tần bị biến đổi. Trong nửa chu kỳ dương của dao động làm biến điệu, tần số sóng cao tần bị biến điệu tăng dần cho đến cực đại (ứng với cực đại của dao động làm biến điệu), sau đó tần số giảm dần. Khi biên độ tín hiệu làm biến điệu bằng không, tần số sóng cao tần bị biến điệu bằng với tần số sóng cao tần chưa bị biến điệu. Trong nửa chu kỳ âm của dao động làm biến điệu, tần số sóng cao tần bị biến điệu giảm dần cho đến cực tiểu (ứng với cực tiểu của dao động làm biến điệu), sau đó tần số tăng dần. Khi biên độ tín hiệu làm biến điệu bằng không, tần số sóng cao tần bị biến điệu lại bằng với tần số sóng cao tần chưa bị biến điệu. u2 t u1 t u Điều chế tần số t Giả sử dao động cao tần có dạng: u1 (t ) = U1 sin (ω t + θ ) vôùi ω = 2 π f. Dao động của tín hiệu cần truyền đi: ĉ với Ġ = ĲF. Đặt pha: Ġ Trong đó tần số gốc: Ġ Khi có biến điệu tần số ta có: dϕ = ω + kU 2 sin Ωt dt Hay ϕ = ∫ (ω t + kU 2 sin Ωt )dt kU 2 Suy ra ϕ = (ω t − cos Ωt ) = (ω t − K cos Ωt ) Ω
với Ġ không thay đổi theo thời gian. Vậy sóng cao tần bị biến điệu được biểu diễn bằng biểu thức: u = U1 sin(ω t − K cos Ωt ) 2. Phổ của dao động biến điệu : Ta khai triển biểu thức trên: u = U1 {sin ω t.cos( K cos Ωt ) − cos ω t.sin( K cos Ωt ) } Tính cos(Kcoųt) và sin(Kcoųt) : Ta đặt : Kcoųt = X Nhớ lại rằng : Ġ Ta có :Ġ 1 + cos 2Ωt 2 K 4 X 4 = K 4[ ] = [1 + cos 2 2Ωt + 2 cos 2Ωt ] 2 4 K4 1 + cos 4Ωt = [1 + 2 cos 2Ωt + ( )] 4 2 K4 = [3 + 4 cos 2Ωt + cos 4Ωt ] 8 Suy ra: 1 K2 K2 cos X = 1 − [ (1 + cos 2Ωt )] + [3 + 4 cos 2Ωt + cos 4Ωt ] − ... 2! 2 8.4! Một cách tổng quát, ta có thể viết lại: cos X = [a0 + a2 cos 2Ωt + a4 cos 4Ωt + a6 cos 6Ωt + ...] Tương tự ta tính tiếp : 1 X 3 = K 3 cos3 Ωt = K 3 [ (3cos Ωt + cos 3Ωt )] 4 Suy ra: sin X = [b1 cos Ωt + b3 cos 3Ωt + b5 cos 5Ωt + ...] Thế sinX và cosX vào biểu thức của u, ta được : u = U1 sin(ω t − K cos Ωt ) = U1[sin ω t.cos X − cos ω t.sin X ] trong đó :Ġ = f (ω , ω ± 2Ω, ω ± 4Ω,...) cos ωt.sin X = cos ωt[b1 cos Ωt + b3 cos3Ωt + ...] = f (ω ,ω ± Ω,ω ± 3Ω,...) Nhö vaäy ñieän aùp cuûa dao ñoäng ñaõ điều chế tần số là tổng các hàm số hình sin có tần số:Ġ u = f (ω , ω ± Ω, ω ± 2Ω, ω ± 3Ω,...) u ω-nω ω ω+nω Phoå cuûa bieán ñieän taàn soá
3. Ưu và khuyết điểm của điều chế tần số : * Ưu điểm: Khắc phục được các nhược điểm của điều chế biên độ : - Nhiểu xâm nhập vào biên độ, sẽ loại bỏ dẽ dàng ở tầng hạn biên (Limiter) ở máy thu. - Các biên độ quá cao của tín hiệu khi điều chế tần số sẽ biến thành tần số cao nên không bị các tầng khuếch đại cắt xén mất. - Vì vậy thu phát sóng FM rất trung thực, thường được dùng để phát ca nhạc. * Khuyết điểm : - Mạch điện phức tạp hơn điều chế biên độ. - Vì phổ tần số của biến điệu tần số quá rộng, nên chỉ có các băng tần cao mới dùng cho điều chế tần số được : sóng cực ngắn (VHF), sóng cực tần số (UHF), sóng siêu cao (SHF). Biến điệu tần số thường dùng để phát thanh ca nhạc hoặc phát âm thanh trong vô tuyến truyền hình.
BÀI 2: TÁCH SÓNG Tách sóng hay còn gọi là giải biến điệu (Démodulation). Nó là một quá trình ngược lại điều chế: tách dao động làm biến điệu ra khỏi dao động biến điệu. I- TÁCH SÓNG BIÊN ĐỘ. 1. Nguyên tắc: Điện áp thu được trên ăng-ten máy thu có dạng: u = UM sin ω t = U0 (1+Msin Ω t)sin ω t U M U M u = U 0 sin ω t + 0 cos(ω − Ω)t − 0 cos(ω + Ω)t ] 2 2 Trong đó M là hệ số biến điệu, tỉ lệ với biên độ U2 của dao động làm biến điệu. Vấn đề ta phải tách tín hiệu làm biến điệu ra u2 = U2siŮ t mà không làm méo dạng nó. Dùng linh kiện tuyến tính: Sóng cao tần đã bị điều chế biên độ có dạng : u = UMsiŮt = U0(1+MsiŮt)siŮt, nếu ta dùng một yếu tố tuyến tính như điện trở để tách sóng: Dòng qua điện trở khi có điện áp u đặt vào: 1 1 i = f (u) = u = U 0 (1 + M sin Ωt ) sin ω t R R Như vậy ta không tách thành phần chứaĠ ra được. Dùng linh kiện phi tuyến tính: Ta dùng một yếu tố phi tuyến như một điốt để tách sóng: Dòng điện qua điốt khi có điện áp u đặt vào: i = f (u). i 0 u Ta nhớ lại rằng Ñ ë một hàm á sốV f(z) A liênû tụcñi tại á a, ta có thể khai triển f(z) thành chuổi luỹ thừa theo (z-a): f(z) = a0 + a1(z-a) + a2(z-a)2 + a3(z-a)3 + ... an(z-a)n. Như vậy ta có thể khai triển dòng điện i qua điốt theo hàm số u tại trị số a = 0. i = f(u) = a0 + a1u + a2u2 + a3u3 + ... anun. i = f (u) = a0 + aU1 0 (1 + M sin Ωt )sin ωt + a2U0 (1 + M sin Ωt ) sin ωt + ... 2 2 2 = a 0 + a1U 0 (sin ωt + M sin Ωt.sin ωt) + 1 − cos 2ωt + a 0 U 02 (1 + M 2 sin 2 Ωt + 2M sin Ωt)( ) + ... 2 = a 0 + a1U 0 (sin ωt + M sin Ωt.sin ωt) + 1 − cos 2Ωt 1 − cos 2ωt + a 2 U 02 [1 + 2M sin Ωt + M 2 ( )]( ) + ... 2 2 a2U 02 M 2 i = I 0 + a2U 02 M sin Ωt − cos 2Ωt + { 14 4244 3 4 1 chieu huu ich 1442443 nhieu + f (ω , ω ± Ω, ω + 2Ω, 2ω ± Ω,...) 1444442444443 cao tan
Như vậy, sau tách sóng dòng điện có các thành phần như sau: - I0 là thành phần một chiều (dùng làm mạch AVC hoặc AGC trong máy thu). - Thành phần hữu ích chứaĠ. - Thành phần chứa Ĳ là nhiểu, loại bỏ bằng cách giảm hệ số điều chể M ở máy phát. - Thành phần cao tần chứaĠ,Ġā, Ġ Ĳ, Ĳā,Ĳ Ĳ,... 2.- Mạch điện tách sóng biên độ: Để lấy lại thành phần hữu ích đã phát đi ở máy phát, ta dùng mạch điện đơn giản như sau: D Uvaøo C R Ura h h Nếu phân tích dạng sóng tín hiệu trước và sau mạch tách sóng ta thấy rằng, trước mạch tách sóng, dạng sóng của tín hiệu là điều chế biên độ như hình (a). Sau mạch tách sóng, dạng tín hiệu thu được có dạng như hình (b) vì điốt tách sóng chỉ cho phần dương của tín hiệu qua, phần âm bị chặn lại. tt t (a) (b) Như vậy ở hai đầu tải R của mạch tách sóng ta thu được một dòng điện tổng hợp (b), có thể phân tích thành 3 thành phần như sau: - Thành phần hữu íchĠ: (hình d) có tần số thấp, qua tụ điện liên lạc đến tầng khuếch đại điện áp phía sau. - Thành phần cao tần : (hình e) có tần số cao, bị triệt bỏ bởi tụ điện C. Ta chọn tụ điện có điện dung C để:Ġ vì vậy thành phần cao tần bị dẫn xuống masse. - Còn lại thành phần một chiều I0 : (hình f) được dùng trong mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại của máy thu thanh AVC (Automatic Volume Control) hoặc AGC (Automatic Gain Control) ở máy thu hình. t t (e) t 0 t (b) (f) 0 t (d)
II- TÁCH SÓNG TẦN SỐ. Khi thu dao động biến điệu tần số, trước hết ta chuyển nó thành dao động biến điệu biên độ, sau đó tách sóng biên độ như đã xét ở phần trên. Mạch tách sóng biến điệu tần số gồm một khung dao động LC, đầu ra nối với mạch tách sóng biên độ bình thường. u u 2 ∆ω ω t ω ω t ω Giả sử tín hiệu biến điệu tần số có biên độ không đổi: u = U1 sin(ω 0t + K cos Ωt ) = U1 sin θ (t ) được đặt vào mạch dao động LC có hệ số phẩm chất không lớn lắm (đường cong cộng hưởng có dạng tùø). Mạch này được điều chỉnh cộng hưởng về tần sốĠ. Ngoài ra còn chọn sao cho độ biến đổi tần sốĠ nằm trọn trên phần thẳng của đường cong cộng hưởng. Như vậy khi tần số biến đổi,biên độ điện áp trên mạch cộng hưởng LC cũng biến đổi đúng như qui luật biến đổi tần số. Vì vậy dao động biến điệu tần số được chuyển thành dao động biến điệu biên độ. Sau đó là mạch tách sóng biên độ bình thường nhờ điốt D và mạch lọc RC’. L C D Uñt C’ R Độ biến đổi biên độ phải lặp lại đúng qui luật của độ biến đổi tần số, muốn vậy đoạn hoạt động trên đường cong cộng hưởng phải thẳng và đủ dài. Để đảm bảo điều này, người ta kết hợp 2 mạch dao động: hai khung dao động L1C1 và L2C2 chỉnh cộng hưởng lệch nhau ở 2 tần số nằm hai bên f0 f1 = f 0 − ∆f f 2 = f 0 + ∆f trong đóĠ là độ lệch tần số cực đại. Các điốt D1 và D2 được mắc sao cho khi tần số lệch sang hai bên f0 thì ta nhận được các biên độ điện áp có cực tính khác nhau trên tải.
L1 C 1 D1 U ra 2 u Ura u1 f0 f1 C R Ura1 u2 f1 f0 f2 f f0 f1 C R Ura2 L2 C2 D2 U ra1 ∆f ∆f Đường chầm chấm ở hình trên đây là tổng hợp của 2 đặc tuyến cộng hưởng Ura1 và Ura2, ta thấy đường này có đoạn thẳng khá dài, tức là đã đạt được yêu cầu đặt ra. Nhược điểm của mạch tách sóng này là hoạt động không ổn định do tần số cộng hưởng của các khung dao động có thể bị biến đổi, làm thay đổi đặc tuyến tách sóng. Dưới đây là một mạch tách sóng tần số khác, có tên mạch tách sóng phân biệt, chỉ dùng một khung dao động không chỉnh lệch. Trong sơ đồ này L1C1 và L2C2 cùng được điều chỉnh về tần số f0. Các khung này liên kết cảm ứng với nhau đồng thời liên kết điện dung qua tụ điện C0. Từ khung L2C2 điện áp biến điệu tần số đặt vào anot của 2 diot. Tải của các diot là các bộ lọc R1C3, R2C4. Điện áp trên cuộn dây L0 gần bằng điện áp hai đầu khung dao động L1C1, nên có thể xem mỗi diot chịu tác dụng của tổng hai điện áp cao tần: điện áp trên khung L1C1 và điện áp trên nửa cuộn L2. Nếu đưa điện áp chưa điều tần (có tần số f0) vào mạch tách sóng thì điện áp trên 2 diot sẽ bằng nhau và tổng độ giảm thế trên các tải R1,R2 bằng không. Nếu đưa điện áp đã điều tần vào mạch tách sóng thì: - Khi tần số giảm, dòng điện trong mạch L2C2 sẽ nhanh pha hơn sức điện động cảm ứng xuất hiện trong nó và do đó điện áp trên diot D1 sẽ lớn hơn trên diot D2 và ở mạch ra ta thu được một hiệu điện thế. - Khi tần số tăng, dòng điện trong mạch L2C2 sẽ chậm pha hơn sức điện động cảm ứng xuất hiện trong nó và do đó điện áp trên diot D1 sẽ nhỏ hơn trên diot D2 và ở mạch ra ta thu được một hiệu điện thế ngược dấu với trường hợp trên. Hiệu điện thế thu được ở mạch ra sẽ tỉ lệ với độ lệch tần số (so với f0) của dao động biến điệu tần số. Như vậy ta thấy rằng tín hiệu có tần số biến thiên đưa đến đầu vào của mạch tách sóng đã được biến đổi thành tín hiệu có biên độ biến thiên ở đầu ra. C0 L0 D1 C3 R1 U1 C1 L1 L2 C2 Mạch tách sóng FM
Chương V HỆ DAO ĐỘNG I- MẠCH DAO ĐỘNG CÓ THÔNG SỐ TẬP TRUNG. Gồm có các linh kiện R, L, C trong đó năng lượng từ được tập trung trong cuộn dây L, năng lượng điện được tập trung trong tụ điện C. điện trở R đặc trưng cho sự mất mát năng lượng điện từ. Hệ còn được xem có thông số tập trung khi giá trị các thông số của linh kiện lớn hơn nhiều so với giá trị các thông số của dây nối, thông số ký sinh ... Hệ có thông số tập trung bức xạ năng lượng điện từ rất ít, nên còn gọi là hệ kín. 1. Dao động riêng: Ta xét một mạch dao động LC sau đây: 1 2 Khi chuyển mạch K ở vị K trí (1), tụ điện được tích điện, giữa hai bản tụ điện có + một điện trường và có năng lượng xác định. Khi K chuyển sang vị trí (2), tụ điện - E C L bắt đầu phóng điện qua cuộn dây, điện trường của nó giảm dần, trong mạch R xuất hiện một dòng điện, nên trong cuộn dây xuất hiện một từ trường. Sau một khoảng thời gian (bằng 1/4 chu kỳ dao động), tụ điện phóng hết điện và điện trường biến mất hoàn toàn. Nhưng khi đó dòng điện đạt giá trị cực đại (vì có hiện tượng tự cảm lúc đóng mạch nên dòng điện tăng chậm) và từ trường cũng đạt giá trị cực đại. Như vậy năng lượng điện trường đã hoàn toàn biến thành năng lượng từ trường. Sau đó từ trường biến mất vì dòng điện gây ra từ trường mất đi. Nhưng khi từ trường mất đi làm xuất hiện dòng điện tự cảm lúc ngắt mạch tích điện cho tụ điện theo chiều ngược lại lúc ban đầu. Sau một nửa chu kỳ (kể từ lúc bắt đầu quá trình), từ trường mất hoàn toàn, điện trường đạt cực đại. Năng lượng từ trường biến lại thành năng lượng điện trường. Tiếp sau đó, tụ điện lại phóng điện, nhưng dòng điện ngược chiều với dòng điện trong giai đoạn trứơc. Trong mạch đã có dao động điện từ. Khi điện trở trong mạch R bằng không, ta có được mạch dao động duy trì. Dao động này xảy ra không có sự tham gia của tác dụng bên ngoài, nên được gọi là dao động riêng hay dao động tự do. Định luật Kirchoff “Tổng các độ giảm thế trên các phần của mạch điện bằng tổng các suất điện động tác dụng trong mạch”, nên ta có: dI RI + u = − L (1) dt Trong đó hiệu điện thế trên hai bản tụ điện là Ġ và dòng điện trong mạchĠ Thay các biểu thức này vào phương trình trên, ta được: d 2Q dQ Q L 2 +R + =0 dt dt C d 2u du LC 2 + RC +u = 0 (2) dt dt d 2u R du u Hay: + + =0 dt 2 L dt LC Để thuận tiện, ta đặtĠ hayĠ vàĠ . Trên thực tế, R nhỏ nênĠ (3) Phương trình trên trở thành: Ġ (4) và có nghiệm số là:Ġ vớiĠ (5) các hằng số A vàĠ được xác định bằng các điều kiện ban đầu:
Lúc t = 0 thìĠ ta thu được kết quả: u = U 0 e−αt c os ω1t (6) và Ġ (7) Với điều kiện (3), cho phép ta xemĠ (8) Kết quả (7) cho ta thấy dao động điện từ trong mạch LC là dao động tắt dần. Độ tắt dần xác định bởiĠ. Trường hợp lý tưởng R = 0Ġ, dao động trong mạch là một dao động điều hòa: π i = I 0 cos(ω 0t + ) . (9) 2 Chu kỳ của dao động riêng:Ġ (Đây là công thức Thomson) (10) Bước sóng điện từ tương ứng là:Ġ với c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Để đặc trưng cho độ tắt dần của dao động, người ta đưa vào khái niệm hệ số phẩm chất Q của mạch, được định nghĩa như sau: Naêng löôïng dao ñoäng cöïc ñaïi Q = 2π Naêng löôïng maát maùt trong moät (Hệ số Ĳ để tiện tính toán) I2 L m Q = 2π 2 = Lω 0 (11) 2 I R R m T0 2 Thông thường hệ số Q càng lớn thì phẩm chất của mạch càng tốt. Nghịch đảo của Q được gọi là hệ số tắt dần của mạch: 1 R d= = Q Lω 0 2. Dao động cưỡng bức – sự cộng hưởng: Trong các mạch vô tuyến điện, các mạch thường dao động dưới tác dụng của sức điện động bên ngoài, được mác nối tiếp hoặc song song vào mạch điện. a- Mạch nối tiếp – Cộng hưởng điện áp: Giả sử nguồn sức điện động ngoài C là điều hòa và có điện trở nội Ri rất nhỏ có thể bỏ qua được: L e = Emcoųt và Ri = 0. Lúc này trong mạch có dao động u cưỡng bức được mô tả bởi phương trình: d 2u du R 2 + 2α + ω 02u = Em cos ω t . dt dt Nghiệm của phương trình vi phân này bằng nghiệm tổng quát của phương trình vi phân không có vế phải cộng với nghiệm riêng của phương trình có vế phải: Maïch lieân keát tieáp π i = I m' e −αt cos(ω 0t + ) + I m cos(ω t − ϕ ) 2 Số hạng thứ nhất biểu diễn dao động riêng tắt dần, số hạng thứ hai biểu diễn dao động cưỡng bức với tần sốĠ của sức điện động ngoài. Sau giai đoạn quá độ, số hạng thứ nhất mất đi và chỉ còn lại số hạng thứ hai: i = Imcos ( ω t - ϕ ) trong đó biên độ Ġ và độ lệch pha Ġ
với Ġ là tổng trở vàĠ là điện kháng của mạch. Ta thấy khi dòng điện cưỡng bức đạt giá trị cực đại khi X = 0 hayĠ, tức làĠ, ta nói rằng trong mạch xuất hiện cộng hưởng. Khi có cộng hưởng thì: • Độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp bằng không:Ġ = 0. • Trở kháng của mạch cực tiểu và bằng điện trở thuần R: Z=R. Nếu xét biên độ hiệu điện thế trên tụ điện và trên cuộn dây, khi cộng hưởng ta có: ⎧ Em ⎪⎪U L = I m Lω = R Lω 0 = QE m ⎨ ⎪U C = I m = E m = QE m ⎪⎩ Cω RCω 0 Ta thấy chúng bằng nhau và lớn hơn biên độ sức điện động ngoài Q lần. Ta gọi trường hợp này là cộng hưởng điện áp. b- Mạch song song – Cộng hưởng dòng điện: Giả sử điện trở nội của nguồn Ri rất lớn. Ở đây ta cũng có dao động cưỡng bức và xuất hiện cộng hưởng. Ta tìm tần số và trở kháng của mạch khi có cộng hưởng. Ta đặt:Ġ là trở kháng phức của nhánh có cuộn dây L và điện trở R. L j e C Z2 = − = jX C ωC là trở kháng phức của nhánh có tụ điện R C. Trở kháng tương đương của mạch: Z .Z ( R + jX L ) jX C Z td = 1 2 = Z1 + Z 2 R + j ( X L + X C ) Maïch song song RX C2 X C ( R 2 + X L2 + X L X C ) = 2 +j (12) R + ( X L + X C )2 R 2 + ( X L + X C )2 Khi có cộng hưởng, độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp bằng không, trở kháng tương đương của mạch phải là số thực: X C ( R 2 + X C2 + X L X C ) = 0 Phương trình này cho ta kết quả: Ġ (nghiệm thường) hoặc: Ġ R2 hay: X L + XC = − (13) XL Ở tần số cộng hưởng:Ġ ta đã đặtĠ vàĠ vớiĠ là điện trở sóng, nên: 1 R2 1 C ω ch2 = − 2 = (1 − R 2 ) LC L LC L R2 ω ch2 = ω 02 (1 − 2 ) < ω 02 (14) ρ Trường hợp điện trở R trong mạch nhỏ:Ġ (15) Khi có cộng hưởng trở kháng tương đương của mạch là: RX C2 Z ch = Z td = 2 R + ( X L + X C )2
Nếu R nhỏ và thay XL = XC (theo 13), ta có: X 2 X 2 ω 2 L2 1 ρ2 Z ch ≈ C = L = 0 = 2 2 = R R R ωC R R ρ2 Z ch = = Qρ = Q2 R (16) R Vậy, khi có cộng hưởng tần số cộng hưởng gần bằng tần số dao động riêng của mạch, trở kháng cộng hưởng cực đại (xét 12) và lớn hơn điện trở sóng Q lần. Dòng điện chính trong mạch cực tiểu. Để tính dòng điện trong các nhánh, chúng ta để ý rằng công suất toả ra từ nguồn bằng công suất tiêu hao trong mạch: 1 1 Z ch I C2 = RI n2 2 2 trong đó, IC là dòng điện trong mạch chính, In là dòng điện trong các nhánh. Từ đó: Z ρ2 I n2 = ch I C2 = 2 I C2 R R Hay: I n = QI C (17) Vậy dòng điện trong các nhánh lớn hơn dòng điện chính Q lần nên cộng hưởng song song còn gọi là cộng hưởng dòng điện. II- HỆ DAO ĐỘNG CÓ THÔNG SỐ PHÂN BỐ: 1. Mạch dao động có thông số phân bố: a- Khái niệm về hệ có thông số phân bố – Hệ kín và hệ hở: Trong mạch dao động LC có thông số tập trung (hệ kín), mạch không bức xạ năng lượng ra ngoài vì năng lượng điện chỉ tập trung trong tụ điện C và năng lượng từ chỉ tập trung trong cuộn cảm L. Sau đây ta xét một mạch dao động hở: Để có một mạch dao động hở, ta có thể dùng một tụ điện có các bản cực xa nhau và một cuộn cảm có các vòng dây xa nhau. Như thế một phần đường sức từ trường và điện trường đi ra ngoài mạch. Một phần năng lượng của mạch được bức xạ ra ngoài không gian chung quanh. Mạch dao động bức xạ càng tốt nếu nó càng hở. Trong trường hợp giới hạn, mạch có dạng một dây dẫn thẳng. Nó được gọi là ăng-ten, khác với mạch dao động kín có thông số tập trung, ăng-ten là một mạch dao động hở có thông số phân bố: độ tự cảm của ăng-ten được xác định bởi độ tự cảm của từng đoạn dây, điện dung của ăng-ten cũng được xác định giữa các phần của nó. Vì thế ăng-ten cũng là mạch dao động có tần số riêng hoàn toàn xác định. Quá trình dao động trong ăng-ten xảy ra do sự tích điện và phóng điện của các điện cảm và điện dung phân bố. Khi trong ăng- ten có dao động điện từ thì các điện tích tự do dịch chuyển dọc theo nó. Chúng gây ra không gian chung quanh một điện trường biến thiên và từ truờng biến thiên. Điện từ trường này lan truyền ra xa ăng-ten với vận tốc xác định dưới dạng sóng điện từ.