Thiết kế mạch dao động cầu Wien

NIÊN LUẬN ĐIỆN TỬ 1 THIẾT KẾ MẠCH DAO ĐỘNG CẦU WIEN Sinh viên thực hiện Cán bộ hƣớng dẫn Đinh Hùng Dương Ks, Huỳnh Kim Hoa MSSV: 1080905 Cần Thơ , 11-2012 TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ NIÊN LUẬN ĐIỆN TỬ 1 THIẾT KẾ MẠCH DAO ĐỘNG CẦU WIEN Sinh viên thực hiện Cán bộ hướng dẫn Đinh Hùng Dương Ks, Huỳnh Kim Hoa MSSV: 1080905 Niên luận đã nộp và đánh giá vào ngày …. tháng …. năm ….. Kết quả đánh giá: Cán bộ đánh giá: . TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ LỜI CAM ĐOAN Nhằm kiểm chứng lại lý thuyết về mạch dao động, củng cố kiến thức về lý thuyết thông qua việc thực hành ráp mạch. Các mạch dao động nói chung và mạch dao động tạo sóng sin nói riêng là thành phần cơ bản không thể thiếu của nhiều mạch điện tử thông dụng. Vì vậy, em chọn mạch cầu Wien - một dạng mạch tạo sóng sin tần số thấp để làm niên luận cho mình. Trong quá trình thực hiện đề tài, có thể còn nhiều thiếu sót do kiến thức hạn chế nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu biết và thành quả của em đạt được dưới sự hướng dẫn của cô Huỳnh Kim Hoa. Em xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo niên luận 1 này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước nào. Nếu không đúng sự thật, em xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường. Cần Thơ, ngày 20 tháng 11 năm 2012 Sinh viên thực hiện Đinh Hùng Dương Niên luận 1 Trường Đại học Cần Thơ 1 MẠCH DAO ĐỘNG CẦU WIEN Đinh Hùng Dương1, Huỳnh Kim Hoa2 ABSTRACT This report is about Wien bridge oscillator, a basic electronic circuit using operational amplifier (OP-AMP). The circuit is used for generate a low-frequency sine wave, it is useful for man popular l ctronic quipm nts Th signal param t rs ar a just turning liqui controll rs Th ar r qu nc ma h amplitu ma 1000 mV), and deformation. Keywords: Theory of Analog, Oscillator circuits, Wien bridge oscillator TÓM TẮT Đâ là một ài áo cáo về việc thiết kế mach ao động cầu Wi n môt loại mạch tạo ao động sử ụng IC khu ếch đại thuật toán OP-AMP Mạch tạo ra được tín hiệu sin tần số thấp có rất nhiều ứng ụng rộng rãi trong các thiết ị điện tử hiện na . Các thông số của mạch như tần số iên độ và độ iến ạng được điều chỉnh ằng các iến trở Mạch có thế phát ra tần số không quá h iên độ đỉnh không quá 1V có khả năng điều chỉnh được iến ạng Từ khóa: Mạch tương tự, mạch tạo dao động, mạch cầu Wien 1. GIỚI THIỆU Với mục đích khảo sát lại lý thuyết về mạch dao động tạo sóng sin tần số thấp và thực hành lắp ráp các mạch điện tử căn bản. Qua đó giúp củng cố kiến thức về lý thuyết cũng như nâng cao kỹ năng thực hành. Trong niên luận I này, mạch dao động cầu Wien sử dụng OP-AMP sẽ được đề cập đến. Thực chất đây cũng là một dạng dao động dịch pha dùng OP-AMP ráp theo kiểu khuếch đại không đảo. Thiết kế này dựa trên thiết kế được trình bày trong mục 10.1.2, chương 10, giáo trình Mạch điện tử ( Trương Văn Tám, 2003) Mục tiêu thiết kế của đề tài là một mạch dao động sóng sin tần số thấp hơn 1khz, mạch có thể điều chỉnh được biên độ, tần số và độ biến dạng của tín hiệu. 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2.1. Tổng quan Thực hành là cách tốt nhất để khảo sát lại lý thuyết. Ngày nay, với sự hỗ trợ ngày càng mạnh mẽ của các phần mềm mô phỏng tín hiệu và vẽ mạch in, việc khảo sát các mạch điện tử từ căn bản đến phức tạp được tiết kiệm hơn cả về thời gian và chi phí. Niên luận này sẽ trình bày cách thiết kế mạch cầu Wien từ các khối cơ bản có thể điều chỉnh được biên độ, tần số và độ biến dạng dựa trên việc tìm hiểu lý thuyết, ứng dụng các phần mềm mô phỏng và vẽ mạch in để hoàn thành sản phẩm thực tế. 1Sinh viên lớp Kỹ Thuật Điều Khiển, MSSV:1080905, Email: dhduong05@student.ctu.edu.vn 2Bộ môn Tự Động Hóa, Khoa Công Nghệ, Trường Đại Học Cần Thơ Niên luận 1 Trường Đại học Cần Thơ 2 2.2. Cơ sở lý thuyết 2.2.1. Mạch khuếch đại hồi tiếp    Nếu pha của vf lệch 180 0 so với vs, ta có hồi tiếp âm.  Nếu pha của vf cùng pha với vs (hay lệch 360 0), ta có hồi tiếp dương. Độ lợi của mạch khi có hồi tiếp: s fs v s i is f v vv A v v v v v v A   ..00   v v ffvvfv s v s f v A A AAAAAA v v A v v A              1 111 0 Theo chuẩn cứ Barkausen, điều kiện để có dao động là 1vA 1vA , mạch dễ dao động nhưng tín hiệu biến dạng. 1vA và gần bằng 1, mạch chậm ổn định nhưng tín hiệu ít bị biến dạng. 2.2.2. Dao động dịch pha o Còn được gọi là mạch dao động RC. o Gồm hai phần chính là hệ thống khuếch đại và hệ thống hồi tiếp. o Có thể dùng BJT, FET hoặc Op-Amp. 2.2.3. Op-Amp Op – Amp là linh kiện điện tử phổ biến, cấu tạo căn bản gồm một đầu vào vi sai, ngõ ra là một nguồn áp phụ thuộc.Op – Amp thường được dùng để thiết kế các mạch khuếch đại, vi phân, tích phân,... Op – Amp hoạt động bằng nguồn đôi được nối tương ứng với hai ngã vào VCC+ và VCC-. Op-Amp 741 là một trong những loại thường được sử dụng –xem Hình 1. Khuếch đại AAvAv  Hệ thống hồi tiếp   vS vi vf v0 0 0 v v v v Av vvv f i fsi     Niên luận 1 Trường Đại học Cần Thơ 3 Hình 1. Cấu tạo và sơ đồ chân của Op-Amp 741 2.3. Nội dung 2.3.1. Giới thiệu mạch dao động cầu Wien Mạch dao động cầu Wien (Wien bridge oscillators) là một dạng dao động dịch pha, thường dùng Op-Amp ráp theo kiểu khuếch đại không đảo- xem Hình 2. 2.3.2. Điều kiện, nguyên lý hoạt động Ta có:    11 1 2 2 11 1 1 2 1 1 1 CjwR R jwC R CjwR R v v     )1()( 2121 2 212211 21   CCRRwjCRCRCRw CwR Tần số dao động: 2121 0 2121 0 2 11 CCRR f CCRR w  Vậy: 1 1 1 2 2 1212211 21     R R C CCRCRCR CR Nếu chọn RRR  21 và CCC  21 , ta có Av = 3 và RC f 2 1 0  Khi Av < 3: mạch không dao động. Hình 2. Mạch căn bản và hệ thống hồi tiếp-Mạch tương đương Niên luận 1 Trường Đại học Cần Thơ 4 Khi Av >>3: mạch dễ dao động nhưng tín hiệu ra bị biến dạng.(Đỉnh dương và đỉnh âm của tín hiệu bị cắt.) Vì vậy, để mạch dao động tốt, khi khởi động mạch, ta tính toán sao cho Av > 3 để mạch dễ dao động sau đó giảm dần xuống gần bằng 3 để giảm biến dạng. 2.3.3. Vấn đề điều chỉnh biên độ, biến dạng Trong mạch dao động cầu Wien, ta có thể dùng Diode để điều chỉnh biên độ và làm giảm biến dạng. Mạch căn bản như Hình 3. Hình 3. Điều chỉnh biên độ và biến dạng Trong mạch này, ta sử dụng diode hoạt động trong vùng phi tuyến để tự động điều chỉnh độ lợi Av. Khi mạch mới hoạt động, tín hiệu ra có biên độ nhỏ, 2 diode không dẫn, độ lợi Av không bị ảnh hưởng : 2.31 3 4  R R Av , mạch dao động tốt. Khi điện thế đỉnh của tín hiệu qua R4 khoảng 0.5V thì diode D1 bắt đầu dẫn khi ngõ ra dương, tương tự D2 sẽ dẫn khi ngõ ra âm. Lúc này 2 diode có chức năng như điện trở, làm giảm độ lợi.Ta mắc thêm biến trở R5 để điều chỉnh độ biến dạng xuống mức thấp nhất. Độ biến dạng càng thấp khi biên độ tín hiệu ra càng nhỏ nên trong thực tế, người ta lấy tín hiệu ra bằng cách mắc thêm một mạch khuếch đại không đảo song song với R2C2 . 2.3.4. Vấn đề điều chỉnh tần số Trong mạch dao động cầu Wien, tần số và hệ số hồi tiếp được xác định : 2121 0 2 1 CCRR f   1 1 1 2 2 1   R R C C  Vì vậy, muốn điều chỉnh tần số ta phải thay đổi các thông số trên nhưng không được ảnh hưởng hệ số hồi tiếp , do vậy, ta phải thay đổi R1 và R2, C1 và C2 cùng lúc, tức là phải dùng biến trở đôi hoặc tụ xoay đôi. Hình 4. Niên luận 1 Trường Đại học Cần Thơ 5 Nhưng do các linh kiện điện tử khó có sự đồng nhất nên ta rất khó có được kết quả như mong muốn. Để khắc phục vấn đề này, ta dùng hồi tiếp âm và chỉ làm thay đổi một thành phần, độ lợi không thay đổi. Xem Hình 5. Từ công thức : 2121 0 2 1 CCRR f   Với C1 = C2 = C, R2 = R ta có : RRC f 1 0 2 1   và 2 1 1   R R  Ta có R1 ~ 0 1 f , mặt khác R1 ~  . Ta tính lại thấy độ lợi không đổi. 1 2 1 2 2 1 1 0 1 0010 010 0110 1 01 01 1           v i v ii ii i i i A R R R R v v A v R R vvvv vvvv R vv R vv v R R v R v R v  2.3.5. Mạch hoàn chỉnh Dưới đây là sơ đồ mạch hoàn chỉnh của thiết kế mạch dao động cầu Wien Hình 6. Điều chỉnh tần số Hình 4. Điều chỉnh tần số dùng biến trở đôi Hình 5. Điều chỉnh tần số dùng hồi tiếp âm Niên luận 1 Trường Đại học Cần Thơ 6 3. KẾT QUẢ Đã kiểm chứng được lý thuyết, mô phỏng được bằng phần mềm, thiết kế thành công mạch dao động cầu Wien với các chức năng như: điều chỉnh được biên độ, tần số và độ biến dạng của tín hiệu phát ra. Mạch thực tế có khả năng phát dao động trong khoảng ~123-461Hz. Biên độ cực đại khoảng 1V. Có khả năng điều chỉnh biến dạng, hoạt động khi được cấp nguồn đôi ±9V. Mạch được thiết kế từ các linh kiện phổ biến, rẻ tiền nên chi phí tương đối thấp. Mạch làm bằng thủ công nên tính thẩm mỹ không cao, tuy nhiên vẫn đảm bảo các chức năng điều chỉnh và hoạt động tương đối ổn định Hình 7. Mạch hoàn chỉnh Niên luận 1 Trường Đại học Cần Thơ 7 CÁM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Cô Huỳnh Kim Hoa, Bộ môn Điện tử viễn thông, Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ đã góp ý và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện đề tài Niên Luận 1- Thiết kế mạch dao động cầu Wien. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên chuyên ngành Điện tử đã giúp đỡ về mặt lý thuyết và cả thực hành để tôi có thể hoàn thành đề tài này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Văn Tám. Giáo trình Mạch điện tử Chương 10. Nhà xuất bản Đại học Cần Thơ. Cần Thơ, 2003. ABSTRACT .................................................................................................1 TÓM TẮT ............................................................................................................. 1 1. GIỚI THIỆU ..................................................................................................1 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN ...................................................................1 2.1. Tổng quan ..............................................................................................1 2.2. Cơ sở lý thuyết.......................................................................................2 2.2.1. Mạch khuếch đại hồi tiếp................................................................2 2.2.2. Dao động dịch pha ..........................................................................2 2.2.3. Op-Amp ............................................................................................2 2.3. Nội dung .................................................................................................3 2.3.1. Giới thiệu mạch dao động cầu Wien .............................................3 2.3.2. Điều kiện, nguyên lý hoạt động .....................................................3 2.3.3. Vấn đề điều chỉnh biên độ, biến dạng ..........................................4 2.3.4. Vấn đề điều chỉnh tần số ................................................................4 2.3.5. Mạch hoàn chỉnh .............................................................................5 3. KẾT QUẢ .....................................................................................................6 CẢM ƠN ..............................................................................................................7 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................7