Tải bản đầy đủ

thiết kế bảy bài thí nghiệm vô tuyến điện dùng cho sinh viên đại học An Giang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN VẬT LÝ
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG
Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN VĂN MỆN
Long xuyên, tháng 04 năm 2007
TÓM TẮT
Các mạch điện tử rất quan trọng đối với cuộc sống hiện đại. Chúng có mặt
trong hầu hết các thiết bị điện tử sử dụng hằng ngày vì thế việc nghiên cứu, chọn lọc
chúng đưa vào giảng dạy cho sinh viên ở trường đại học là rất cần thiết. Đáp ứng yêu
cầu đó, đề tài nghiên cứu các lý thuyết về kỹ thuật điện tử, vô tuyến điện để chọn lọc,
đưa ra nội dung môn thực hành vô tuyến điện gồm 7 bài thí nghiệm với các board
mạch tự chế và các dụng cụ đo được trang bị sẵn của Phòng thí nghiệm. Bộ thí
nghiệm này được dùng cho sinh viên hệ đại học có tài liệu hướng dẫn đi kèm. Thêm
vào đó, đề tài cũng hướng dẫn sử dụng một số dụng cụ đo phổ biến hiện nay đặc biệt
là dao động ký điện tử hai chùm tia, một thiết bị đo điện đang hết sức phổ dụng.
Thí nghiệm vô tuyến điện
MỤC LỤC
Trang
TÓM T TẮ ............................................................................................................1
Các m ch i n t r t quan tr ng i v i cu c s ng hi n i. Chúng có m tạ đ ệ ử ấ ọ đố ớ ộ ố ệ đạ ặ

trong h u h t các thi t b i n t s d ng h ng ngày vì th vi c nghiên c u,ầ ế ế ị đ ệ ử ử ụ ằ ế ệ ứ
ch n l c chúng a vào gi ng d y cho sinh viên tr ng i h c là r t c nọ ọ đư ả ạ ở ườ đạ ọ ấ ầ
thi t. áp ng yêu c u ó, tài nghiên c u các lý thuy t v k thu t i nế Đ ứ ầ đ đề ứ ế ề ỹ ậ đ ệ
t , vô tuy n i n ch n l c, a ra n i dung môn th c hành vô tuy n i nử ế đ ệ để ọ ọ đư ộ ự ế đ ệ
g m 7 bài thí nghi m v i các board m ch t ch và các d ng c o cồ ệ ớ ạ ự ế ụ ụ đ đượ
trang b s n c a Phòng thí nghi m. B thí nghi m này c dùng cho sinhị ẵ ủ ệ ộ ệ đượ
viên h i h c có tài li u h ng d n i kèm. Thêm vào ó, tài c ngệ đạ ọ ệ ướ ẫ đ đ đề ũ
h ng d n s d ng m t s d ng c o ph bi n hi n nay c bi t là daoướ ẫ ử ụ ộ ố ụ ụ đ ổ ế ệ đặ ệ
ng ký i n t hai chùm tia, m t thi t b o i n ang h t s c ph d ng.độ đ ệ ử ộ ế ị đ đ ệ đ ế ứ ổ ụ ..1
PH N IẦ ...............................................................................................................3
PH N IIẦ ............................................................................................................. 6
Ch ng 1ươ .......................................................................................................... 6
1. Ch t bán d n và linh ki n bán d nấ ẫ ệ ẫ ..........................................................6
2. M ch RLC n i ti pạ ố ế ................................................................................. 14
3. M ch khu ch iạ ế đạ ....................................................................................15
4. M ch làm toán dùng OP-AMPạ .............................................................. 18
5. M ch mạ đế .............................................................................................. 19
Ch ng 2ươ ........................................................................................................ 24
1. Các d ng c oụ ụ đ ....................................................................................... 24
2. Các board m ch i n tạ đ ệ ử...........................................................................27
3. Máy phát t n sầ ố....................................................................................... 30
4. Ngu n i nồ đ ệ ..............................................................................................31
5. Dây n iố ....................................................................................................32
Ch ng 3ươ ........................................................................................................ 33
Bài 1................................................................................................................ 33
Bài 2................................................................................................................ 39
Bài 3................................................................................................................ 42
Bài 4................................................................................................................ 45
Bài 5................................................................................................................ 48
Bài 6................................................................................................................ 53
Bài 7................................................................................................................ 56
PH N IIIẦ .......................................................................................................... 60
K T LU NẾ Ậ ...................................................................................................... 60
PH L CỤ Ụ ......................................................................................................... 62
P1. S D NG DAO NG KÝ HAI CHÙM TIAỬ Ụ ĐỘ ...........................................62
P2. M CH KHU CH I DÙNG TRANSITORẠ Ế ĐẠ ........................................... 63
P3. M CH KHU CH I DÙNG OP-AMPẠ Ế ĐẠ .................................................. 64
P4. M CH LÀM TOÁNẠ .................................................................................... 64
P5. C NG LOGICỔ ............................................................................................65
Nguyễn Văn Mện
2
Thí nghiệm vô tuyến điện
PHẦN I
MỞ ĐẦU
1. Khái quát chung cho đề tài:
Ngày nay, các mạch điện tử cơ bản được sử dụng rất phổ biến trong các
thiết bị điện tử (radio, ampli, đồng hồ điện tử, biển quảng cáo,…). Chúng trở thành
một phần không thể thiếu của cuộc sống hiện đại và do đó việc giảng dạy các học
phần cơ sở có liên quan đến công nghệ thông tin cho sinh viên là rất cần thiết. Ở hầu
hết các trường đại học, bộ môn vô tuyến điện được đưa vào giảng dạy cả phần lý
thuyết và thực hành với những tên gọi khác nhau. Việc làm này không những trang
bị những kiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật điện tử cho sinh viên mà còn rèn luyện
cho các em những kỹ năng thực nghiệm khoa học.
Phòng thí nghiệm Vật lý Trường Đại học An Giang đảm nhận tất cả các học
phần thí nghiệm Vật lý, kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử của trường. Đáp ứng nhu cầu
của tình hình mới, Bộ môn Vật lý có đề nghị mua một số bộ dụng cụ thí nghiệm vô
tuyến do Công ty sách và thiết bị giáo dục Thắng Lợi cung cấp nhưng với thành giá
rất cao. Trong khi đó, nếu sử dụng các dụng cụ đo có sẵn, mua sắm linh kiện và tự
thiết kế, lắp ráp mạch thì ta cũng thu được các bài thí nghiệm tương tự có kết quả
không kém nhưng hiệu quả kinh tế thì rất đáng kể. Nhận thấy những điều thực tế
trên, tôi quyết định thực hiện đề tài: "Thiết kế bảy bài thí nghiệm vô tuyến dùng
cho sinh viên Đại học An Giang".
Đề tài nhằm thiết kế một số mạch thí nghiệm điện tử phục vụ cho việc giảng
dạy và thực hành môn vô tuyến điện trong phòng thí nghiệm Vật lý.
2. Giả thuyết khoa học của đề tài:
Hướng dẫn thực hành các môn vật lý đại cương trong phòng thí nghiệm vật
lý, nhất là các bộ môn có liên quan đến điện tử: như vô tuyến điện, mạch RLC, mạch
khuếch đại … Nếu giảng viên dựa trên cơ sở sự hiểu biết của sinh viên về kiến thức
lý thuyết điện tử, xác định được hệ thống kỹ năng thí nghiệm, cung cấp đúng và đủ
các linh kiện thí nghiệm, sử dụng phương pháp hướng dẫn phù hợp thì sinh viên sẽ
dễ dàng hình thành được các kỹ năng và sẽ hoàn thành tốt bài thí nghiệm điện tử với
chất lượng cao. Qua đó, sinh viên tự vận dụng được các kiến thức và kỹ năng vừa
trang bị biết thiết kế, lắp đặt các mạch điện tử thông dụng dùng trong việc giảng dạy
cũng như ứng dụng trong cuộc sống sau này.
- Qua khảo sát thực tế cho thấy việc lắp ráp các linh kiện điện tử thành bài
thí nghiệm giúp sinh viên củng cố vững chắc kiến thức lý thuyết, đồng thời dễ dàng
hình thành ở sinh viên các kỹ năng ứng dụng.
- Qua khảo sát thị trường cho thấy việc mua sắm các linh kiện điện tử để
lắp ráp thành mạch là tiết kiệm hơn rất nhiều so với mua trọn bộ thí nghiệm do các
công ty sách và thiết bị giáo dục cung cấp.
Giá thành hiện tại của các bộ thí nghiệm điện tử là rất cao (hàng chục triệu
đồng trên một bài thí nghiệm), vì thế nếu mua sắm tự lắp ráp, cộng thêm cả khoảng
chi phí khảo sát, tham quan thì các bộ thí nghiệm tự chế vẫn còn rẻ hơn nhiều lần mà
vẫn đảm bảo được chất lượng đào tạo.
Nguyễn Văn Mện
3
Thí nghiệm vô tuyến điện
- Có thể nghiên cứu lý thuyết về vô tuyến điện, kỹ thuật điện, kỹ thuật điện
tử để đưa ra các nội dung cơ bản, quan trọng đưa vào giảng dạy cho sinh viên.
Nội dung về các vấn đề trên rất đa dạng, phong phú nên việc lựa chọn đưa
vào chương trình là rất quan trọng. Nội dung giảng dạy về học phần vô tuyến điện
của các lớp Sư phạm lý không đòi hỏi phức tạp, kỹ thuật cao như các lớp chuyên
ngành, cũng không thể sơ sài, qua loa đại khái mà phải rèn luyện được cho các thầy
cô giáo tương lai những kiến thức và kỹ năng cơ bản nhất.
- Có thể thiết kế các mạch điện tử, sử dụng các máy đo có sẵn của phòng thí
nghiệm để tạo thành các bài thí nghiệm hoàn chỉnh, hoạt động đồng bộ.
Do đảm nhận tất cả các học phần về vật lý, kỹ thuật của Trường, Phòng Thí
nghiệm Vật lý được trang bị khá đầy đủ các dụng cụ đo phục vụ cho việc giảng dạy
thí nghiệm vật lý trước đây. Các dụng cụ này có thể được phát huy hết công suất và
sử dụng cho giảng dạy thí nghiệm vô tuyến một cách hiệu quả. Các máy công cụ
cũng được trang bị nên việc sản xuất, gia công, lắp ráp các mạch điện tử cũng có thể
thực hiện được một số công đoạn tại phòng.
- Có thể sử dụng các mạch điện tử thiết kế được, viết thêm tài liệu hướng
dẫn rồi đưa vào giảng dạy cho sinh viên hệ đại học.
Trong chương trình khung hệ đại học của một số chuyên ngành có học phần
vô tuyên điện, kỹ thuật điện tử cả lý thuyết và thực hành vì thế các bộ thí nghiệm
thiết kế được có thể đưa vào giảng thử nghiệm ngay để kịp thời điều chỉnh cho phù
hợp.
3. Nội dung nghiên cứu:
Đề tài thực hiện các nội dung cơ bản sau:
- Nghiên cứu thực tế: tìm hiểu chương trình đào tạo của các chuyên ngành
có liên quan đến điện tử, tham quan phòng thí nghiệm vô tuyến của trường bạn, khảo
sát giá thành của một số bộ dụng cụ thí nghiệm và các linh kiện điện tử cần thiết.
- Nghiên cứu lý thuyết: lý thuyết mạch điện tử, kỹ thuật điện tử, vô tuyến
điện để định hướng, đưa ra nội dung môn học.
- Nghiên cứu thực nghiệm: lắp ráp, thử nghiệm các mạch điện tử theo nội
dung đã đưa ra, kiểm tra lại hoạt động của các mạch đã lắp ráp.
- Viết tài liệu hướng dẫn thực hành.
- Đưa vào giảng dạy thử nghiệm cho sinh viên, thu thập những thông tin
phản hồi để có những thay đổi, sửa chữa hợp lý.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Do mang cả đặc tính sư phạm và thực nghiệm nên việc nghiên cứu đề tài sử dụng
phối hợp các phương pháp khoa học giáo dục và thực hành thí nghiệm gồm các
phương pháp cụ thể sau:
Nguyễn Văn Mện
4
Thí nghiệm vô tuyến điện
- Nghiên cứu lý thuyết: Đọc và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên
cứu.
- Trao đổi và thăm dò ý kiến với giảng viên và sinh viên trong trường, nhằm tìm
hiểu về thực tế giảng dạy và các thiết bị thực hành hiện có liên quan đến các bài thí
nghiệm điện tử.
- Quan sát sư phạm, tham quan các mô hình thí nghiệm điện tử ở một số trường
lớn.
- Thực nghiệm sư phạm: Tiến hành thực nghiệm trên 102 sinh viên ở lớp DH4 lý
và lớp 29A
2
theo phương án soạn thảo tài liệu hướng dẫn, thiết kế mạch thực hành,
cho sinh viên tiến hành thực hiện và đánh giá hiệu quả của phương án thực hiện, thử
và loại sai.
Về các phương pháp của khoa học thực nghiệm, với mỗi bài thí nghiệm, việc thực
hiện tiến hành theo ba bước:
- Thiết kế sơ đồ mạch điện, lựa chọn linh kiện phù hợp. Các linh kiện được mua
ban đầu với nhiều chủng loại khác nhau nên cần phải được lựa chọn một các linh
kiện tối ưu cho yêu cầu của bài thí nghiệm.
- Lắp ráp các linh kiện đã chọn được tạo, thành board mạch điện tử với sự phân bố
linh kiện hợp lý.
- Kiểm tra lại hoạt động của mạch theo các tiêu chí đã đặt ra ban đầu.
- Khắc phục những nhược điểm gặp phải khi làm thí nghiệm trên board mạch.
5. Những đóng góp khoa học của đề tài:
- Về mặt khoa học, phục vụ công tác đào tạo: đề tài vừa góp phần hoàn
thiện chương trình đào tạo các chuyên ngành có liên quan đến điện tử, đưa vào giảng
dạy ngay cho chuyên ngành Sư phạm Vật lý vừa nâng cao khả năng đảm nhận giảng
dạy của Phòng thí nghiệm Vật lý.
- Về mặt kinh tế: tiết kiệm một khoảng chi phí hàng chục triệu đồng cho
Trường.
Nguyễn Văn Mện
5
Thí nghiệm vô tuyến điện
PHẦN II
NỘI DUNG
Chương 1
SƠ LƯỢC MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO ĐỀ TÀI
1. Chất bán dẫn và linh kiện bán dẫn
1.1. Chất bán dẫn
Trong ngành vật liệu điện, người ta chia thành bốn nhóm vật liệu: chất dẫn điện,
chất cách điện, chất bán dẫn điện và chất dẫn điện từ.
Theo lý thuyết vùng năng lượng, tính chất dẫn ở vật liệu xuất hiện là do bề rộng
vùng cấm ngăn cách vùng hóa trị và vùng dẫn không đủ rộng, các electron trong
vùng hóa trị khi nhận được năng lượng kích thích có thể nhảy lên chiếm các mức ở
vùng dẫn làm cho vật liệu trở nên dẫn điện. Dưới đây là sơ đồ vùng năng lượng của
chất cách điện (a), chất bán dẫn (b) và chất dẫn điện (c).
Dựa vào đặc tính dẫn điện của chất bán dẫn người ta chia bán dẫn ra làm 3 loại:
bán dẫn tinh khiết, bán dẫn tạp chất loại p và bán dẫn tạp chất loại n.
Hai chất bán dẫn tinh khiết điển hình là Silicium (E
g
= 1,12eV) và Gecmanium (E
g
= 0,72eV) thuộc nhóm 4 bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev. Lớp ngoài cùng của
Ge và Si đều có 4 electron liên kết với 4 nguyên tử bên cạnh tạo thành cấu trúc bền
vững. Tinh thể không dẫn điện. Khi có năng lượng kích thích từ bên ngoài (đun nóng
chẳng hạn), một số electron bức ra khỏi liên kết để tạo thành các electron tự do đồng
thời để lại một lỗ trống mang điện tích +e, các electron lân cận có thể nhảy vào
chiếm chỗ,... cứ như vậy trong tinh thể tạo thành các electron tự do và các lỗ trống di
chuyển, tinh thể trở nên dẫn điện.
Để tăng nồng độ các hạt dẫn, người ta pha vào chất bán dẫn tinh khiết một loại tạp
chất. Tùy theo tính chất của tạp chất pha và là cho (donor) hay nhận (accepto) mà ta
có bán dẫn tạp chất loại n hay bán dẫn tạp chất loại p.
Chất bán dẫn có một số đặc tính sau:
a. Điện trở suất: Điện trở suất của chất bán dẫn là rất lớn so với các chất dẫn
điện.
Nguyễn Văn Mện
6
Vùng dẫn
∆E
g
Vùng hóa trị
Vùng cấm
a) b) c)
Hình 1-1. Sơ đồ cấu trúc miền năng lượng
Thí nghiệm vô tuyến điện
b. Ảnh hưởng của nhiệt độ: Điện trở của chất bán dẫn thay đổi rất lớn theo
nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất của chất bán dẫn giảm xuống, ở khoảng
nhiệt độ càng cao thì mức giảm điện trở càng lớn. Nhờ đặc tính này người ta chế tạo
ra các nhiệt điện trở.
c. Ảnh hưởng của ánh sáng: Điện trở của chất bán dẫn giảm xuống khi có ánh
sáng chiếu vào. Nhờ vào đặc tính này người ta chế tạo các quang trở.
d. Ảnh hưởng của độ tinh khiết: Khối bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn
nhưng khi pha tạp chất vào thì độ dẫn điện tăng lên. Tỷ lệ pha chế càng lớn thì điện
trở càng giảm nhỏ. Nhờ đặc tính này người ta chế tạo các linh kiện bán dẫn như
diode, transitor.
1.2. Một số linh kiện bán dẫn
1.2.1. Diode bán dẫn
Diodee bán dẫn là loại linh kiện bán dẫn đơn giản nhất gồm hai vùng bán dẫn p
và n ghép với nhau. Trong vùng bán dẫn loại p có thừa lỗ trống, trong vùng bán dẫn
loại n có thừa các electron. Khi hai vùng này tiếp xúc nhau sẽ có một số electron ở
vùng n qua mối nối và hợp với lỗ trống ở vùng p. Khi chất bán dẫn đang trung hòa
mà vùng bán dẫn n bị mất electron, vùng bán dẫn loại p nhận thêm electron tạo nên
sự chênh lệch về điện tích. Kết quả là xuất hiện điện trường hướng từ miền n sang
miền p ngăn cản sự khuếch tán điện tích. Điện trường này tạo nên một hàng rào điện
thế.
Dùng một nguồn DC
nối hai đầu diodee. Khi
cực âm nối p, cực dương
nối n. Nguồn điện làm xuất
hiện một điện trường
0
E
r

cùng chiều với điện trường
tiếp giáp
r
E
r
nghĩa là điện
trường này góp phần ngăn
cản sự di chuyển điện tích (electron từ n sang p và lỗ trống từ p sang n). Không có
dòng điện qua diodee. Ta nói diodee được phân cực nghịch.
Nếu cực dương nối p, cực âm nối n thì nguồn điện tạo ra điện trường chống lại
điện trường cản, các hạt mang điện có thể khuếch tán qua tiếp giáp, làm xuất hiện
dòng điện chạy qua diodee theo chiều từ p sang n. Ta nói diodee được phân cực
thuận. Thực tế khi phân cực thuận cho diodee thì chỉ khi nào điện thế nguồn đạt giá
trị V
Y
nào đó mới có dòng điện qua diodee. Khi đó dòng điện qua diodee phụ thuộc
vào hiệu điện thế hai đầu diode theo biểu thức:
D
D
V
qV
26mV
kT
D S S
I I e 1 I e 1
 
 
= − = −
 
 
 
 
(1-1)
Nguyễn Văn Mện
7
n p
Miền tiếp giáp
E
r
Hình 1-2. Cấu tạo diode
Thí nghiệm vô tuyến điện
Khi V
D
> V
Y
có thể coi
D
V
26mV
D S
I I e
=
. Trong đó I
S
là dòng bảo hòa ngược. Nhờ
đặc tính này người ta sử dụng diode để hồi tiếp trong mạch biến đổi hàm số.
Nhờ đặc điểm chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều, người ta dùng diode để
chỉnh lưu dòng điện xoay chiều trong các mạch nắn điện.
1.2.2. Transitor
Transitor là một linh kiện bán dẫn gồm 3 cực được tạo thành bởi hai mối tiếp
giáp p-n. Transitor có ba miền bán dẫn npn hoặc pnp xen kẻ nhau tạo thành 2 loại
transitor (kênh n và kênh p).
- Miền phát: nối ra một điện cực gọi là cực phát, ký hiệu E (emitor) có nồng độ
hạt dẫn cao.
- Miền nền: nối ra một điện cực gọi là cực nền, ký hiệu B (base) có nồng độ hạt
dẫn thấp.
- Miền thu: nối ra một điện cực gọi là cực thu, ký hiệu C (collector) có nồng độ
hạt dẫn trung bình.
Ở trạng thái bình thường, transitor không dẫn điện. Muốn transitor hoạt động ta
phải phân cực cho transitor. Trạng thái phân cực được thiết lập sao cho tiếp giáp J
E
(mối nối E-B) được phân cực thuận, tiếp giáp J
C
(mối nối C-B) được phân cực
nghịch. Có nhiều cách để phân cực cho transitor, ta chú ý các cách phân cực phổ biến
sau:
a. Phân cực bằng dòng cố định: sử dụng chung một nguồn cho hai tiếp giáp, để
điện thế khác nhau ta sử dụng hai điện trở có giá trị khác nhau (hình 1-4a).
b. Phân cực bằng hồi tiếp thu – nền: sử dụng điện trở hồi tiếp từ cực thu về cực
nền để phân cực cho transitor (hình 1-4b).
Nguyễn Văn Mện
8
n np
E
C
B
p pn
E
C
B
Hình 1-3. Cấu tạo Transitor
Thí nghiệm vô tuyến điện
c. Phân cực bằng cầu chia điện thế: sử dụng cầu chia điện thế bằng hai điện trở
khác nhau để phân cực (hình 1-4c).
Do đặc tính hồi tiếp và ổn định nhiệt cao nên hai cách phân cực sau được sử
dụng phổ biến hơn.
1.2.3. Transitor trường ứng (JFET)
Transitor trường ứng cũng gồm có 3 cực: cực thoát (D: drain), cực nguồn (S:
source), cực cổng (G: gate). Tùy theo các khối bán dẫn tạo thành mà ta chia transitor
trường làm hai loại: kênh n (hai khối bán dẫn loại p và một khối bán dẫn loại n),
kênh p (hai khối bán dẫn loại n và một khối bán dẫn loại p). Sau đây ta chỉ xét JFET
kênh n.
Cũng giống như transitor thường, JFET cũng cần được phân cực để hoạt động.
Điện thế phân cực của JFET khác so với transitor thường: cực thoát nối điện thế
dương, cực cổng nối điện thế âm. Khi đó dòng điện qua JFET phụ thuộc vào điện thế
phân cực V
GS
(khi V
DS
không đổi) theo biểu thức:
2
GS
D DSS
GSoff
V
I I 1
V
 
= −
 
 
(1-2)
Trong đó I
DSS
là dòng điện bảo hòa, V
GSoff
là điện thế nghẽn.
Ứng với các giá trị của khác nhau V
GS
, sự phụ thuộc của dòng I
D
vào điện thế
V
DS
cho ta chùm đặc tuyến ngõ ra.
Khi sử dụng JFET để khuếch đại tín hiệu, ta cho tín hiệu vào ở cực cổng (G) và
lấy ra ở cực thoát (D). Tín hiệu ngõ ra ngược pha với tín hiệu ngõ vào.
Nguyễn Văn Mện
9
a)
b)
c)
Hình 1-4. Phân cực cho transitor
Thí nghiệm vô tuyến điện
1.2.4. Một số linh kiện tích hợp
a. OP-AMP
Các mạch khuếch
đại sử dụng một transitor
hoặc transitor trường ứng
chỉ khuếch đại được tín
hiệu xoay chiều. OPAm là
bộ khuếch đại dòng một
chiều có hệ số khuếch đại
lớn, có hai đầu vào và một
đầu ra chung. OPA được
cấu tạo vi mạch từ nhiều
tầng khuếch đại dùng
transitor (hình 1-6).
Trên thực tế, các
OPA được tích hợp vào
trong các IC, loại thường
được sử dụng nhất là OP-AMP 741. Do cũng được cấu tạo từ các mạch khuếch đại
Nguyễn Văn Mện
10
N
P
P
G
D
S
P
N
N
G
D
S
S
S
Hình 1-5. Cấu tạo JFET
a) Kênh n
b) Kênh p
Hình 1-6. Sơ đồ cấu tạo Op-Amp
Thí nghiệm vô tuyến điện
bằng transitor nhiều tầng nên muốn OPA hoạt động ta cũng phải phân cực cho OPA.
Điện thế dùng cấp cho OPA là điện thế một chiều đối xứng.
Một OPA lý tưởng phải có đầy đủ các đặc tính sau:
- Tổng trở vào rất lớn (Z
i
= ∞).
- Điện trở ngõ ra bằng không (Z
o
= 0, thực tế là vài chục đến vài trăm ôm).
- Hệ số khuếch đại điện áp A
V
= ∞ (mạch hở).
- Băng thông ∆f = ∞.
- Cân bằng không lý tưởng: v
i
= 0 thì v
o
= 0.
- Các thông số không thay đổi theo môi trường.
b. IC cổng logic:
Các cổng logic là thành phần cơ bản của các hệ thống số, chúng hoạt động với
các số nhị phân. Vì thế còn gọi là các cổng logic nhị phân. Các giá trị nhị phân 0 và 1
của hệ thống logic thường được qui ước tương ứng với hai dạng tín hiệu: xung điện
áp và hiệu điện thế. Các cổng logic thường được cấu tạo bởi các linh kiện bán dẫn cơ
bản và được tích hợp trong các IC gọi là các TTL. Các cổng logic cơ bản bao gồm:
AND, OR, NOT, NAND, NOR, EXOR, EXNOR.
- Cổng AND:
Mạch logic đơn giản
nhất thực hiện được
cổng AND là mạch
dùng 2 diode và điện
trở có sơ đồ như
hình 1-7. Ngõ ra của
cổng AND chỉ ở
mức cao khi tất cả
các ngõ vào ở mức
cao.
Bảng 1: Bảng chân lý của cổng AND
A B Y
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
IC chứa cổng AND phổ biến là 7408: gồm 4 cổng AND (hình 1-8).
Nguyễn Văn Mện
11
Hình 1-7. Cấu tạo cổng AND
1 2 3 4 5 6 7
14 13 12 11 10 9 8
V
CC
GND
7408
Hình 1-8. IC 7408
Thí nghiệm vô tuyến điện
- Cổng OR: Sơ đồ logic biểu diễn cổng OR đơn giản nhất là hai công tắc mắc
song song điều khiển cùng một bóng đèn. Ngõ ra của cổng OR chỉ ở mức thấp khi tất
cả các ngõ vào ở mức thấp.
Bảng 2: Bảng chân lý cổng OR
A B Y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
- Cổng NOT: thực hiện phép nghịch đảo tín hiệu vào.
Bảng 3: Bảng chân lý của cổng NOT
A Y
1 0
0 1
Nguyễn Văn Mện
12
1 2 3 4 5 6 7
14 13 12 11 10 9 8
V
CC
GND
7432
Hình 1-10. IC 7432
1 2 3 4 5 6 7
14 13 12 11 10 9 8
GND
7404
V
CC
Hình 1-12. IC 7404
Hình 1-9. Cấu tạo cổng OR
A
B
Y
YA
Hình 1-11. Cấu tạo cổng NOT
Thí nghiệm vô tuyến điện
- Cổng NAND: thực hiện phép nghịch đảo một tích. Ngõ ra của cổng
NAND chỉ ở mức thấp khi tất cả các ngõ vào ở mức cao.
Bảng 4: Bảng chân lý cổng NAND
A B Y
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Từ các loại cổng trên ta có thể biến đổi thành các loại cổng khác bằng cách
ghép.
c. Flip - flop (trigger):
Flip – flop là phần tử cơ bản để tạo ra các mạch logic tuần tự. Nó là một mạch
với hai trạng thái ổn định tương ứng với hai trạng thái logic 0 và 1.Trạng thái của FF
có thể được thay đổi bằng cách tác động lên các ngõ vào của nó và trạng thái tiếp
theo của FF phụ thuộc vào tín hiệu vào cũng như trạng thái hiện hành của nó. Khi
mất một hoặc tất cả các tín hiệu vào của các FF đang hoạt động, nó vẫn có khả năng
giữ trạng thái hiện hành trong một thời gian nhất định. Vì vậy nó có thể được sử
dụng như một phần tử nhớ. Ta có thể phân FF thành 2 loại theo nhóm hoạt động:
- Không đồng bộ: Thông tin ghi vào được thực hiện ngay sau khi thông tin tới
ngõ vào của FF.
- Đồng bộ: Loại này có ngõ vào nhịp
và ngõ vào thông tin (còn gọi là ngõ vào
logic). Sự ghi thông tin chỉ có thể thực hiện
khi có tác dụng xung nhịp.
Sau đây ta nghiên cứu một số loại FF
cơ bản:
Nguyễn Văn Mện
13
Y
A
B
Y
A
B
Hình 1-13. Cấu tạo cổng NAND
1 2 3 4 5 6 7
14 13 12 11 10 9 8
GND
7400
V
CC
Hình 1-14. IC 7400
S
R
Q
C
K
Hình 1-15. Cấu tạo RS-FF
Thí nghiệm vô tuyến điện
- FF – RS đồng bộ: là loại FF cơ bản nhất có hai ngõ vào S và R và hai ngõ ra
Q và
Q
. Trong điều kiện bình thường, hai ngõ ra này bù nhau.
FF – RS có xung đồng hồ tác động ở mức thấp được cấu tạo từ 4 cổng NAND
bắt chéo.
FF-RS hoạt động theo bảng chân lý sau:
Bảng 5: Hoạt động RS – FF
R S Q
n+1
0 0 Q
n
(giữ nguyên)
0 1 1 ( = S)
1 0 0 ( = S)
1 1 cấm
- FF – JK đồng bộ: hoạt động giống như FF – RS nhưng để loại bỏ trạng thái
cấm người ta thêm vào cho nó hai cổng AND (hình vẽ)
Bảng 6: Hoạt động JK – FF
J K Q
n+1
1 1
n
Q
0 0 Q
n
1 0 1
0 1 0
2. Mạch RLC nối tiếp
Mạch RLC nối tiếp là loại mạch điện cơ bản nhất của mạng điện gia đình. Chọn
dòng điện làm trục gốc về pha. Biểu thức các hiệu điện thế:
R 0R
u U sin t
= ω
C 0C
u U sin t
2
π
 
= ω −
 
 
L 0L
u U sin t
2
π
 
= ω +
 
 
( )
u Usin t
= ω + ϕ
Nguyễn Văn Mện
14
Q
Q
SET
CLR
S
R
J
K
Hình 1-16. Cấu tạo JK-FF
Hình 1-17. Mạch RLC mắc nối tiếp
Thí nghiệm vô tuyến điện
Trong đó:
0R 0
U I R
=
0C 0 C
U I Z
=
0L 0 L
U I Z
=
0
0
U
I
Z
=
L C
Z Z
tg
R

ϕ =
3. Mạch khuếch đại
Mạch khuếch đại tín hiệu là loại mạch điện sử dụng năng lượng của nguồn một
chiều để biến đổi tín hiệu ngõ vào thành tín hiệu ngõ ra có biên độ lớn hơn (năng
lượng lớn hơn). Tùy theo đặc tính của mạch khuếch đại mà tín hiệu thu được sẽ lợi
hơn so với tín hiệu đưa vào về điện thế, dòng điện hay công suất. Các mạch khuếch
đại có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật điện tử và được sử dụng rất rộng rãi. Có
nhiều loại mạch khuếch đại khác nhau, sau đây ta xét ba loại mạch khuếch đại phổ
biến:
3.1. Mạch khuếch đại dùng transitor
Transitor là một linh kiện ba cực nên
khi mắc vào mạch điện thành một linh kiện 4
cực ta phải mắc có một cực chung cho cả ngõ
vào và ngõ ra. Trên thực tế có 3 cách mắc
transitor: cực phát chung, cực thu chung và
cực nền chung. Nội dung tài liệu này chỉ
nghiên cứu mạch cực phát chung (common
emittor).
Đối với mạch cực phát chung, tín hiệu
cần khuếch đại được đưa vào ở cực nền (cực
B) và lấy ra ở cực thu (cực C). Các điện thế
phân cực V
C
> V
B
> V
E
. Sau đây là một số
thông số kỹ thuật.
+ Tổng trở vào:
i ie b e
r h r r
= = + β
+ Tổng trở ra: r
o
vài chục kΩ.
+ Độ khuếch đại điện thế:
C
ie
R
h
− β
(vài trăm lần).
Nguyễn Văn Mện
15
Hình 1-18. Phân cực cho transitor
Thí nghiệm vô tuyến điện
+ Pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra: đảo pha.
Ngoài ra, để tăng độ lợi thế của mạch khuếch đại, người ta thường mắc thêm
vào mạch một tụ phân dòng cực phát có tác dụng nối mass đối với tín hiệu cho cực
này. Giá trị của tụ càng lớn ta sẽ có độ lợi càng lớn.
3.2. Mạch khuếch đại dùng transitor trường ứng
Trong mạch khuếch đại, JFET thường được
mắc cực S chung cho hai ngõ vào và ra, tín
hiệu đưa vào ở cực G và lấy ra ở cực D. Sơ đồ
mạch như hình vẽ:
Tín hiệu ngõ ra ngược pha với tín hiệu ngõ
vào. Cũng giống như mạch khuếch đại dùng
transitor, mạch dùng JFET cũng được tăng độ
lợi thế bằng tụ phân dòng cực nguồn.
3.3. Mạch khuếch đại thuật toán
Do có hai ngõ vào ngược dấu nên tùy theo việc sử dụng ngõ vào nào mà pha của
tín hiệu có bị đảo hay không. Cũng chính vì đặc điểm này mà mạch khuếch đại dùng
OPA có hai loại sau:
a. Mạch khuếch đại đảo: tín hiệu được
đưa vào ngõ vào đảo và hồi tiếp âm, ngõ vào
không đảo được nối mass.
Độ khuếch đại điện áp của mạch khuếch
đại đảo được xác định bằng biểu thức:
ht
V
R
A 0
R
= − <
(phụ thuộc vào phần tử
thụ động R).
- Nếu chọn R = R
ht
, thì A
V
= -1, mạch có tác dụng đảo pha tín hiệu.
- Nếu R = 0 thì V
o
= -I
v
R
ht
, mạch có tác dụng biến đổi dòng thành thế.
b. Mạch khuếch đại không đảo: tín hiệu được đưa vào ngõ vào không đảo và hồi
tiếp dương, ngõ vào đảo được nối mass.
Độ khuếch đại điện áp của mạch
khuếch đại không đảo được xác định bằng
biểu thức:
Nguyễn Văn Mện
16
v
v
A
B
Hình 1-19. Phân cực cho JFET
Hình 1-20. Mạch khuếch đại đảo
Hình 1-21. Mạch khuếch đại khổng đảo
Thí nghiệm vô tuyến điện
ht
V
R
A 1 0
R
= + >

Nguyễn Văn Mện
17
Thí nghiệm vô tuyến điện
4. Mạch làm toán dùng OP-AMP
Mạch làm toán là loại mạch cho ta quan hệ giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ
ra bằng một phép toán đơn giản. Các mạch làm toán đơn giản thường gặp gồm: mạch
cộng, mạch trừ, mạch tích phân, mạch vi phân, mạch logarit.
4.1. Mạch cộng
4.1.1. Mạch cộng đảo
Mạch cộng đảo được thiết kế dựa trên mạch khuếch đại đảo vào song song với
các đầu vào chính là các tín hiệu cần cộng (hình 1-22).
Quan hệ giữa điện thế ngõ ra với các điện thế ngõ vào:
1 2 n
o f
1 2 n
V V V
V R ...
R R R
 
= − + + +
 
 
(1-3)
Nếu sử dụng các điện trở bằng nhau, điện
thế ngõ ra sẽ có biểu thức đơn giản hơn:
( )
f
o 1 2 n
R
V V V ... V
R
= − + + +
(1-4)
Từ biểu thức quan hệ cho thấy tín hiệu ngõ ra và tín hiệu ngõ vào ngược pha
nhau.
4.1.2. Mạch cộng không đảo
Cũng giống như mạch cộng đảo, mạch
cộng không đảo được xây dựng trên cơ sở
mạch khuếch đại không đảo. Mạch cộng không
đảo có sơ đồ như hình 1-23.
Nếu chọn R
f
= (n-1)R
L
ta được biểu thức
liên hệ hai tín hiệu:
n
o 1 2 n i
i 1
V V V ... V V
=
= + + + =

(1-5)
Tín hiệu ngõ ra đồng pha với tín hiệu ngõ vào.
Nguyễn Văn Mện
18
Hình 1-22. Mạch cộng đảo
Hình 1-23. Mạch cộng không đảo
Thí nghiệm vô tuyến điện
4.2. Mạch trừ
Là mạch kết hợp giữa mạch khuếch đại đảo
và không đảo. Biểu thức liên hệ giữa tín hiệu
vào và tín hiệu ra có dạng:
V
o
= α(V
2
– V
1
). (1-6)
Trong đó α là hệ số khuếch đại độc lập của
một ngõ vào khi điện thế của ngõ vào kia bằng
không. Nếu các điện trở là giống nhau thì α = 1.
4.3. Mạch tích phân
Mạch tích phân sử dụng hiện tượng phóng điện
của tụ trên đường hồi tiếp. Biểu thức liên hệ giữa tín
hiệu vào và tín hiệu ra:
t
o i
0
1
V Vdt
=
τ

(1-7)
Trong đó
RC
τ =
gọi là hằng số tích phân của mạch.
4.4. Mạch vi phân
Điện áp ra tỷ lệ với tốc độ thay đổi điện áp vào.
i
o
dV
V
dt
= − τ
(1-8)
Trong đó
RC
τ = −
gọi là hằng số vi phân của mạch.
4.5. Mạch biến đổi hàm số
Mạch biến đổi hàm số là loại mạch cho mối
quan hệ giữa điện áp vào và điện áp ra theo biểu
thức: V
o
= f(V
i
) với f là một hàm bất kỳ.
Nếu f là một hàm logarit, dựa vào đặc tính
dẫn điện đặc biệt của diode, ta có mạch điện như
hình vẽ.
5. Mạch đếm
Các bộ đếm là những mạch điện tử số quan trọng, chúng đều là những mạch logic
tuần tự, trong đó tính thời gian là một đặc trưng quan trọng. Các chỉ tiêu quan trọng
của một mạch đếm là:
- Dung lượng đếm cực đại.
Nguyễn Văn Mện
19
Hình 1-24. Mạch trừ
Hình 1-25. Mạch tích phân
Hình 1-26. Mạch vi phân
Hình 1-27. Mạch lấy logarit
Thí nghiệm vô tuyến điện
- Cách đếm tiến lên hay lùi.
- Hoạt động đồng bộ hay không đồng bộ.
- Hoạt động liên tục hay dừng tự động.
Các mạch đếm đều được cấu tạo từ các FF.
5.1. Mạch đếm đồng bộ
Là loại mạch đếm có xung đồng hồ tác động đồng bộ (tác động song song).
5.1.1. Mạch đếm lên đồng bộ
Hình 1-28 là sơ đồ mạch đếm lên nhị phân 4 bit đồng bộ sử dụng các cổng
AND để liên kết các FF.
Nguyễn Văn Mện
20
Q
Q
SET
CLR
S
R
Q
Q
SET
CLR
S
R Q
Q
SET
CLR
S
R Q
Q
SET
CLR
S
R
+
C
k
C
k
C
k
C
k
CL
Q
A
Q
B
Q
C
Q
D
J
K
J
K
J
K
J
K
Hình 1-28. Mạch đếm lên đồng bộ
Thí nghiệm vô tuyến điện
5.1.2. Mạch đếm xuống đồng bộ
Khác với các mạch đếm lên, mạch đếm xuống dùng ngõ ra phụ của các FF
đứng trước nối vào ngõ vào của các FF đứng sau qua các cổng AND (hình 1-29).
5.2. Mạch đếm không đồng bộ
Mạch đếm không đồng bộ sử dụng các FF mắc nối tiếp, ngõ ra của FF đứng
trước dùng làm xung đồng hồ của FF đứng sau.
5.2.1. Mạch đếm lên không đồng bộ
Nguyễn Văn Mện
21
Q
Q
SET
CLR
S
R
Q
Q
SET
CLR
S
R Q
Q
SET
CLR
S
R Q
Q
SET
CLR
S
R
+
C
k
C
k
C
k
C
k
CL
Q
A
Q
B
Q
C
Q
D
J
K
J
K
J
K
J
K
Hình 1-29. Mạch đếm xuống đồng bộ
Q
Q
SET
CLR
S
R
Q
Q
SET
CLR
S
R Q
Q
SET
CLR
S
R Q
Q
SET
CLR
S
R
+
C
k
C
k
C
k
C
k
CL
Q
A
Q
B
Q
C
Q
D
+
+
+
J
K
J
K
J
K
J
K
Hình 1-30. Mạch đếm lên không đồng bộ
Thí nghiệm vô tuyến điện
5.2.2. Mạch đếm xuống không đồng bộ
Mạch đếm xuống không đồng bộ sử dụng ngõ ra phụ của FF đứng trước làm
xung đồng hồ cho FF đứng sau.
5.2.3. Mạch đếm lên xuống không đồng bộ
Mạch đếm lên xuống là sự tổ hợp của mạch đếm lên và mạch đếm xuống nhờ
vào một chân điều khiển. Hình 1-32 là sơ đồ một mạch đếm lên xuống không đồng
bộ.
Nguyễn Văn Mện
22
Q
Q
SET
CLR
S
R
Q
Q
SET
CLR
S
R Q
Q
SET
CLR
S
R Q
Q
SET
CLR
S
R
+
C
k
C
k
C
k
C
k
CL
Q
A
Q
B
Q
C
Q
D
+
+
+
J
K
J
K
J
K
J
K
Hình 1-31. Mạch đếm xuống không đồng bộ
Q
Q
SET
CLR
S
R
Q
Q
SET
CLR
S
R Q
Q
SET
CLR
S
R
Q
C
Q
A
Q
B
+
+ +
J
K
J
K
J
K
Hình 1-32. Mạch đếm lên xuống không đồng bộ
Thí nghiệm vô tuyến điện
5.3. Mạch đếm vòng
Các mạch đếm đồng bộ và không đồng bộ dựa vào sự chia nhị phân kế tiếp.
Một loại mạch đếm dựa vào sự di chuyển vòng quanh của một ghi chuyển có hồi tiếp
gọi là mạch đếm vòng. Mạch này tác động đồng bộ có tốc độ giao hoán cao và do có
đặc tính riêng biệt nên đôi khi được dùng.
Nguyễn Văn Mện
23
Q
Q
SET
CLR
S
RQ
Q
SET
CLR
S
R Q
Q
SET
CLR
S
R
J
K
J
K
J
K
Q
A
Q
B
Q
C
Hình 1-33. Mạch đếm vòng
Thí nghiệm vô tuyến điện
Chương 2
GIỚI THIỆU BỘ THÍ NGHIỆM VÔ TUYẾN ĐIỆN
1. Các dụng cụ đo
1.1. Dao động kí hai chùm tia
Dao động ký điện tử là một loại dụng cụ cho phép ta quan sát dạng của một tín
hiệu điện thế mà không làm ảnh
hưởng đến dòng ở mạch ngoài (có
điện trở rất lớn) với phổ quan sát
(biên độ và tần số) rộng. Dao động
ký hai chùm tia có thể đồng thời đo
được hai tín hiệu điện thế.
Có nhiều loại dao động ký điện
tử, loại chủ yếu được trang bị ở
Phòng thí nghiệm Vật lý là dao
động ký Hameg HM303-6 (hình 2-
1) do Đức sản xuất. Đây là loại hai
chùm tia có hai tần số quét ngang là
1kHz và 1MHz.
Hình 2-2 là sơ đồ các nút chức năng của dao động ký Hameg HM303-6.
- POWER (1): led báo tắt, mở máy.
- INTENS (2): điều chỉnh độ sáng của dạng sóng trên màn hình.
Nguyễn Văn Mện
24
Hình 2-1
Dao động ký Hameg HM303-6
Hình 2-2. Các nút dao động ký

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×