Bài giảng Đo điện tử - Chương 10: Máy phát tín hiệu

Chương.10:Máy phát tín hiệu

10.1.Tổng quát

10.2.Máy phát tín hiệu tần số thấp dạng sin và

dạng vuông.

10.3.Máy phát tín hiệu dạng hàm số.

10.4.Máy phát tín hiệu xung

10.5.Máy phát tín hiệu cao tần (RF).

10.6.Máy phát tín hiệu quét.

10.1.Tổng quát

Trong phần này chỉ đề cập một số máy phát thường sử dụng

trong phòng thí nghiệm.

-Máy phát dạng sóng sin tần số thấp (LF) ,tần số tối đa là 100KHz

biên độ thay đổi được thường từ 0 đến 10V.

-Máy tạo hàm: Thường cho tín hiệu tần số thấp, biên độ ra thay

đổi được và các dạng sóng thường là sin, vuông ,tam giác.

Máy tạo sóng sin tần số cao: Tạo nên sóng cao tần vô tuyến để

bức xạ ra ngoài dây dẩn nên kỷ thuật chế tạo cơ bản khác với

máy tạo sóng sin tần số thấp. Máy có mạch chắn cao tần, có

phần đo biên độ ra và bộ giảm đã được lấy mẫu trước. Tần số ra

ổn định bằng tinh thể áp điện và điều chỉnh được.

-Máy tạo xung có phần điều chỉnh tần số,độ rộng,biên độ xung.

-Máy quét tần số:Tín hiệu ra dạng sin có tần số tăng dần từ cực

tiểu đến cực đại trong khoảng thời gian cho trước. Máy còn tạo ra

sóng răng cưa có biên độ tỉ lệ với tần số tức thời. Mục đích của

máy là để khảo sát đáp ứng tần số của mạch.

10.2.Máy phát tín hiệu LF dạng sin và dạng vuông

• 1.Mạch dao động cầu Wien tạo tín hiệu sin tần số thấp:Mạch

này tạo được tần số ổn định, biên độ ra ổn định và độ méo

dạng thấp. Cầu Wien cân bằng tại tần số được xác định bởi

các thành phần của cầu, khi dùng làm mạch dao động cầu

Wien tạo thành mạch hồi tiếp giữa đầu ra và đầu vào của mạch

khuếch đại. Trong mạch dao động cầu Wien, cầu có các thành

phần là R₁, R₂, R₃, R₄, C₁và C₂.Mạch khuếch đại sử dụng R₃,

R₄hình thành mạch khuếch đại không đảo pha và dùng R₁, R₂,

C₁, C₂hình thành mạch hồi tiếp. Điều kiện cầu cân bằng:

1

R₃R C₁

1

f =

= +

Khi đó:

2 R C R C

1 1 2 2

R₄R₂C₂

Nếu: R₁= R₂= R ; và C₁= C₂= C thì :

1

f =

R₃= 2R₄và

2 R C

Khi cầu cân bằng, điện áp ở ngõ vào mạch khuếch đại thì cùng

pha với điện áp ngõ ra thỏa điều kiện dao động, còn các tần số

khác thì cầu không cân bằng nên không thỏa điều kiện dao động.

Độ lợi của mạch khuếch đại không đảo pha khi đó:

A_V= (R₃+ R₄)/R₄= 3R₄/R₄= 3

Thường chọn độ lợi lớn hơn trị giá này để duy trì dao động.

• Để tránh méo dạng tín hiệu do biên

độ dao động có thể đến gần bằng

điện áp nguồn (+V_ccvà –V_EE), và

sự giới hạn các điện áp nguồn có

thể dẫn đến méo dạng, mạch được

cải tiến để ổn định biên độ như sau:

• R₃tách làm 2 thành phần R₅và R₆

, cá c diod D₁,D₂mắc song song

R₆.Khi biên độ ra nhỏ thì sụt áp

trên R₆không đủ lớn để phân cực

thuận các diod. Nên:

R₄+ R₅+ R₆

A =

v

R₄

• Khi biên độ ra đủ lớn thì các diod

phân cực thuận nên R₆bị nối tắt,

độ lợi giảm xuống:

R₄+ R₅

A =

v

R₄

Để thay đổi tần số dao động ta

phải thay đổi trị giá C hoặc R.

Để tiện lợi cho việc thay đổi tần

số dao động ta lắp mạch thay

đổi R, C như hình bên.

Ta biết cần phải thay đổi cùng

lúc R₁và R₂để thay đổi R hoặc

thay đổi đồng thời C₁, C₂để

thay đổi C. Trên hình ta dùng

chuyển mạch để có những giá trị

chuẩn khác nhau của C₁và C₂;

sử dụng biến trở để thay đổi liên

tục trị giá R₁và R₂.

Thay đổi C₁, C₂để thay đổi dãy

tần số, thay đổi R₁và R₂để thay

đổi liên tục tần số trên mỗi dãy.

Để tín hiệu đi ra từ máy phát sóng có biên độ thay đổi

được, ta lắp thêm mạch thay đổi biên độ như hình dưới.

Trong hì nh R₁, R₂, R₃dùng thay đổi biên độ tín hiệu đi ra

từ mạch dao động và đưa vào op amp có cách mắc kiểu

điện áp để điều hợp tổng trở nhằm cung cấp tổng trở ngõ

ra nhỏ đối với tín hiệu của máy phát sóng. S₁chuyển tầm

biên độ, R₃thay đổi biên độ liên tục.

2.Máy phát tín hiệu sin-vuô ng

Mạch

giảm

• Sơ đồ khối của máy như hình trên. Máy gồm 1 bộ dao động

tạo sóng sin, một bộ biến đổi tín hiệu sin ra tín hiệu dạng

vuông và mạch giảm (attenuator) ở ngõ ra.

Mạch biến đổi tín hiệu sin-vuô ng

• Mạch dùng mạch khuếch đại không đảo pha có độ lợi lớn, tín

hiệu ở ngõ ra có biên độ lớn. Các diod D₁, D₂, hợp với các

Zener D₃, D₄cùng các điện trở liên quan hợp thành mạch xén

đầu. Mạch có nhiệm vụ xén đầu âm và dương của tín hiệu sin

để cho ra tín hiệu dạng vuông.

Ví dụ V_z3= V_z4= 6,3V; D₁và D₂là 2 diod có điện

áp thuận V_Dlà 0,7V.

Nếu tín hiệu ra của mạch khuếch đại ở bán kỳ

dương thì D₁được phân cực thuận và điện áp ra

bị khống chế ở mức (V_z3+ V_D1).

Tương tự, nếu tín hiệu ra của mạch khuếch đại ở

bán kỳ âm thì D₂được phân cực thuận và điện áp

ra bị khống chế ở mức -(V_z4+ V_D2).

Như vậy biên độ của tín hiệu sóng vuông là:

( )

(

)

V₀=  V_z+V_D=  6,3V +0,7V = 7V

3.Ứng dụng của máy phát tín hiệu LF

• Mắc mạch như hình trên để khảo sát đáp ứng tần số và độ lệch

pha của mạch khuếch đại. Dao động ký 2 kênh để khảo sát

dạng tín hiệu vào và ra mạch khuếch đại. Máy đo tần số để đo

tần số tín hiệu vào. Độ lệch pha biết được bằng cách so sánh

dạng sóng 2 tín hiệu. Độ lợi tính được bằng cách đo biên độ 2

tín hiệu vào và ra.

10.3.Máy phát tín hiệu dạng hàm số.

V₃

V₂

V₁

t

T

• Mạch tạo sóng tam giác và sóng vuông: kết hợp mạch tích

phân và mạch kích Schmitt, tín hiệu vào mạch tích phân lấy từ

ngõ ra mạch kích Schmitt. Tín hiệu V₂ở ngõ ra mạch tích phân

có dạng sóng tam giác có biên độ là mức trên (UTP) và mức

dưới (LTP) đưa vào ngõ nhập không đảo pha op amp của

mạch kích Schmitt. Ngõ ra Schmitt cho ra dạng sóng vuông V₃.

Mạch Schmitt có độ lợi rất lớn , khi điện áp ngõ vào tăng lên đến

UTP điện áp ngõ ra nhảy vọt từ mức âm nhất lên mức dương

nhất. Tương tự khi điện áp ngõ vào giảm xuống mức LTP, điện

áp ngõ ra rớt đột ngột xuống mức âm nhất . Chỉ cần 1 sự sai biệt

nhỏ điện áp giữa 2 ngõ vào của op amp, điện áp ngõ ra mạch

Schmitt sẽ đạt đến trị giá bảo hòa V_sat+theo chiều dương và V_sat-

theo chiều âm của tín hiệu. Thông thường ta có:

R₃

R₄

Nên:

(

)

V_sat+ V_cc−1V

UTP = BV_sat+;B =

(

)

V_sat− − V_EE−1V

LTP = BV_sat−

V_satchính là biên độ của sóng vuông

Ví dụ: Mạch kích Schmitt như hình có V_cc= V_EE=15V; R₃=3,9kΩ;

R₄= 18kΩ. Tí nh UTP và LTP? . Giải:

Điện áp ngõ ra:

V₃=V_sat 

(

V_cc−1

)

V = (15−1)V = 14V

R₃V_sat+3,9k14V

UTP = −LTP =

=

= 3V

R₄

18k

• Tính tần số tín hiệu:

• Để hiểu sự hoạt động của mạch ta giả

sử điện áp ra của mạch Schmitt V₃=

+14V và điện áp ra mạch tích phân V₂

=0, lúc đó V₁>0 vì V₃= +14V hệ quả tụ

C₁nạp dòng I₂chạy từ trái qua phải

nên V₂giảm dần từ 0 xuống LTP và

khi V₂= LTP thì V₃= -14V, và V₁< 0 tụ

C₁nạp dòng I₂theo chiều ngược lại

hệ quả V₂tăng dần từ LTP lên UTP.

Khi V₂= UTP thì V₃có dấu ngược lại

V₃= +14V lúc đó V₁trở lại >0 và hiện

tượng lập lại như trên. Tần số của tín

hiệu được xác định bởi thời gian tụ c₁

nạp điện từ UTP đến LTP và thời gian

nạp theo chiều ngược lại: Đối với tụ:

•

I t

C = → t =

V

C V

I

Trong trường hợp này C = C₁; ∆V = UTP-LTP; I = I₂, t là thời

gian để V₂thay đổi từ trị giá UTP đến LTP, t cũng bằng phân

nữa chu kỳ của tín hiệu.

V₁được thay đổi bởi biến trở R₁và do I₂= V₁/R₂nên I₂cũng

được kiểm soát bởi R₁.Hệ quả thay đổi C₁để thay đổi tầm tần

số (coarse) và thay đổi R₁để thay đổi tần số liên tục trong mỗi

tầm.

Ví dụ: mạch tích phân có C₁= 0,1µF; R₁= 1KΩ; R₂=10KΩ;

mạch Schmitt có UTP = -LTP = 3V; V_cc= V_EE= 15V. Tính tần

số tín hiệu khi biến trở R₁ở vị trí tối đa ? Giải:

(

) (

)

V₃=  V_cc−1V =  15V −1V = 14V

R₁ở vị trí tối đa nên V₁= V₃=14V; I₂= V₁/R₂=14V/10kΩ =

1,4mA; ∆V = 3V –(-3V) = 6V; t = C∆V/I₂= 0,1µFx6V/1,4mA =

0,43ms; f = 1/2t = 1/(2x0,43ms) = 1,17kHz

Tạo tín hiệu có dạng tam giác thành dạng sin

• Hình trên là ph. ph. biến đổi tín hiệu dạng sóng tam giác thành

tín hiệu sin. Khi chưa mắc các diod D₁, D₂và R₃,R₄thì R₁,R₂

chỉ là mạch phân áp, tín hiệu ra dạng sóng tam giác chỉ giảm

biên độ: V₀= V_ixR₂/(R₁+ R₂). Khi có D₁,D₂lắp vào mạch phân

áp vẫn hoạt động bình thường cho đến khi V_R2>V₁diod D₁

phân cực thuận, điện áp ra V₀sẽ được giảm bớt:

R₂// R₃

V₀=V

•

i

R + (R₂// R₃)

1

, V₀nhỏ hơn so với trường hợp không có

diod nên độ dốc của sóng tam giác nhỏ hơn so với không có

diod. Tương tự, ở bán kỳ âm của V_i,V₀= V_ixR₂/(R₁+ R₂) cho

đến khi V₀<-V₁thì

.

Khi R₃= R₄thì

R₂// R₄

V₀=V

i

R + (R₂// R₄)

1

• dạng sóng ở bán kỳ âm sẽ giống với dạng sóng ở bán kỳ

dương. Thường người ta tăng số mạch phân cực diod lên gồm

nhiều mức điện áp khác nhau sẽ giúp tín hiệu ra gần đúng

dạng sin.

Sơ đồ khối máy phát tín hiệu dạng sóng vuông,

sin, tam giá c

Mạch

• Đây là sơ đồ khối của máy phát tín hiệu tạo hàm. Đầu ra của

mạch tích phân chia làm 2 nhánh, một đưa vào mạch kích

Schmitt để cho ra tín hiệu dạng sóng vuông, một đưa vào mạch

biến đổi để cho ra sóng sin. Mạch giảm nhằm mục đích để điều

chỉnh biên độ sóng ra và cung cấp tổng trở ra nhỏ.

10.4.Máy phát tín hiệu xung

• Máy phát tín hiệu xung gồm có 1 mạch tạo sóng vuông, 1 mạch

dao động đa hài 1 trạng thái bền , 1 mạch giảm ở ngõ ra và 1

mạch dời mức DC (DC level shifting). Mạch tạo sóng vuông có

thể sử dụng như mạch ở 10.2 và 10.3. Ở đây ta sử dụng mạch

dao động đa hài không trạng thái bền (astable) để tạo sóng

vuông như hình.

• Giống như mạch Schmitt trong 10.2 , ở mạch này ta có UTP>0,

LTP<0, tín hiệu ra V₀dạng sóng vuông. UTP = -LTP=V₀xR₃

/(R₂+R₃). Khi V₀>0 điện áp tại V_in+>0 dòng điện theo chiều

dương từ ngõ ra chạy qua R₁được C₁nạp. Khi tụ nạp đạt mức

UTP thì điện áp V_in->V_in+nên V₀giảm kéo theo V_R3giảm dẩn

đến V_in+càng nhỏ hơn V_in-hệ quả V₀từ mức (V_cc-1V)>0 giảm

đột ngột xuống mức -(V_EE-1V)<0 . Lúc này C₁nạp điện có

chiều dòng điện ngược lại cho đến khi điện áp tụ đạt LTP thì V₀

sẽ tăng vọt lên lại mức (V_cc-1V). Tụ C₁lại nạp điện theo chiều

dương và hiện tương lặp lại như trên.