thiết kế mạch lọc tương tự

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (13.57 MB, 38 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐÊỒ TÀI: THIÊẾT KÊẾ M CH L C TẠỌƯƠNG TỰ

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Lời Cảm Ơn

L i đầầu tiên, chúng em xin chần thành c m n các thầầy ,cô Trờả ơườngĐ i h c M Hà N i đã t o điêầu ki n thu n l i cho chúng em th c hi nạ ọởộạệậ ợựệđôầ án.

Đ c bi t chúng em xin chần thành c m n thầầy Tr nh Đình Cặệả ơịường đãrầất t n tình hậướng dầẫn, ch b o chúng em trong suôất th i gian v a qua.ỉ ảờừ

Chúng em cũng xin chần thành c m n tầất c các Thầầy, các Cô trongả ơảTrường đã t n tình gi ng d y, trang b cho em nh ng kiêấn th c cầần thiêất,ậảạịữứquý báu đ giúp em th c hi n đểựệược đôầ án.

M c dù chúng em đã có cơấ gắấng, nh ng v i trình đ cịn h n chêấ,ặướộạtrong q trình th c hi n đêầ tài khơng tránh kh i nh ng thiêấu sót. Chúngựệỏữem hi v ng seẫ nh n đọậược nh ng ý kiêấn nh n xét, góp ý c a các Thầầy giáo,ữậủCơ giáo vêầ nh ng vầấn đêầ tri n khai trong báo cáo.ữể

Chúng em xin trần tr ng c m n!ọả ơ

2

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

I.Bộ lọc thơng dải kiểu butterworth...24

1. Tính tốn thơng số với rf-tools...24

2. Giải thích các tham số, đánh giá kết quả đạt được, ý nghĩa các tham số khi nhập giá trị ban đầu. ...25

3. Ứng dụng hiện nay...26

4. Thiết kế bộ lọc butterworth trên bằng phầm mềm Proteus ,mô phỏng đặc tuyến của bộ lọc bằng các linh kiện với giá trị thực tế...27

II. Bộ lọc thơng dải kiểu eliptic...29

1. Tính tốn thơng số với rf-tools...29

2. Giải thích các tham số, đánh giá kết quả đạt được, ý nghĩa các tham số khi nhập giá trị ban đầu. ...31

3. Ứng dụng hiện nay...32

4. Thiết kế bộ lọc eliptic trên bằng phầm mềm Proteus ,mô phỏng đặc tuyến của bộ lọc bằng các linhkiện với giá trị thực tế...33

Chương 3 : Tổng kết...35

Đánh giá kết quả của 2 bộ lọc sau khi thiết kế ( butterworth và eliptic )...35

I.Bộ lọc Butterworth (Butterworth Bandpass):...35

II.Bộ lọc eliptic (Elliptic Bandpass):...35

III.Kết luận...36

3

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

MỞ ĐẦU

V i s phát tri n c a nêần kinh têấ thêấ gi i v i nhiêầu ngành kinh têấ , và không thớ ự ể ủ ớ ớ ể

thiêấu s phát tri n c a nêần kinh têấ nự ể ủ ước ta. Trong ngành công nghi p đi n t làệ ệ ử

ngành phát tri n nhanh v i nhiêầu đ a hình. Do đó đ i sơấng c a con ngể ớ ị ờ ủ ười seẫ tắnglên, đầy cũng là c h i nh ng cũng là thách th c cho ngành đi n t . Yêu cầầu đ t raơ ô ư ứ ệ ử ặ

càng khắấc khe và địi h i tính th m myẫ , g n nh và phù h p v i nhu cầầu c a conỏ ẩ ọ ẹ ợ ớ ủ

người hi n nay .ệ

Th t v y, hi n nay đôầ dùng đi n t đã tr thành 1 th không th thiêấu trong cu cậ ậ ệ ệ ử ở ứ ể ơ

sơấng c a chúng ta . Ví d nh cái đi n tho i di đ ng , ti vi, … các đôầ dùng đi n tủ ụ ư ệ ạ ô ệ ử

thông minh ngày càng nhanh chóng phát tri n thay thêấ các đơầ dùng đã quá l c h u .ể ạ ậ

Sau th i gian h c t p t i trờ ọ ậ ạ ường, đ ượ ự ỉ ảc s ch b o h ướng dầẫn t n tình c a các thầầyậ ủ

cô giáo trong Khoa Đi n -T Viêẫn Thông trệ ử ường Đ i H c M Hà N i em đã có đạ ọ ở ô ượcvôấn nhầất đ nh . Đị ượ ực s đôầng ý c a khoa em đủ ược giao đêầ tài “ Nghiên c u thiêết kêếứ

Bắầng s nôẫ l c c a b n thần và đ i nhóm v i s hự ự ủ ả ơ ớ ự ướng dầẫn t n tình c a thầầy ậ ủ

Cng , thầầy Linh , thầầy Đ i em đã hồn thành đơầ án đúng th i gian . Do s h n chêấ ườ ạ ờ ự ạ

vêầ th i gian và kiêấn th c nên đơầ án khơng tránh kh i thiêấu sót. Rầất mong s góp ý ờ ứ ỏ ự

c a các thầầy đ đôầ án c a em đủ ể ủ ược hoàn thi n h n . Em xin chần thành c m n quýệ ơ ả ơ

thầầy cô trong Khoa và các b n đã t o điêầu ki n giúp đ em hoàn thành đêầ tài này .ạ ạ ệ ỡ

Hà N i , 14 tháng 11 năm 2023ộ

Sinh viên th c hi nự ệ

Chu Tiêấn Đ tạ 5

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Chương 1 : Lý Thuyết

I .Giới thiệu về mạch lọc

1.M ch l c tạọ ương t là gìự

Định Nghĩa : Là một loại mạch chọn lọc tần số đặc biệt một bộ phận rất quan trọng trong kỹ thuậtmạch điện tử. Một cách định tính, có thể định nghĩa mạch lọc tần số là những mạch cho nhữngdao động có tần số nằm trong một hay một số khoảng nhất định đi qua và chặn các dao động cótần số nằm trong những khoảng cịn lại.

Về mặt kết cấu có thể định nghĩa, mạch lọc tần số là một bốn cực có suy giảm đặc tính a(ω) = 0trên một, hay một số khoảng nhất định của thang tần số gọi là dải thông của mạch (cho đi qua) vàa(ω) = ∞ trong những khoảng còn lại gọi là dải chắn (bị chặn lại).

Các định nghĩa trên rõ ràng, là để xác định một mạch lọc tần số lý tưởng. Đối với các mạch chonlọc tần số thực tế, sẽ tùy từng trường hợp cụ thể, ta sẽ quy định các giới hạn thích hợp cho dải

Mạch lọc thụ động (passive filter): mạch lọc chỉ gồm các linh kiện thụ động như điện trở

R, cuộn cảm L, tụ điện C. Thơng thường có 3 loại mạch lọc chính:- Mạch lọc RC.

- Mạch lọc LC.- Mạch lọc RLC.

Mạch RC thường được dùng nhiều vì linh kiện rẻ và chiếm ít diện tích. Cịn mạch lọc RLC ít thơngdụng vì có điện cảm L khó tiêu chuẩn hóa, dễ gây ra hiện tượng hỗ cảm và có giá trị rất lớn khi làmviệc lọc tần số thấp, làm cho chi phí đắt, lại cồng kềnh.

Nhìn chung, mạch lọc thụ động thường được ứng dụng cho việc chon lọc tần số cao (cỡ > 100 KHz)do hạn chế các giá trị của linh kiện. Mặc dù mạch đơn giản và dễ lắp, song nhược điểm của nhữngmạch lọc này là phẩm chất mạch thấp, làm suy giảm năng lượng qua nó mà khơng có khả năngkhuếch đại, khó phối hợp tổng trở khi lắp vào các mạch chức năng khác. Để bổ túc các nhược điểmtrên, người ta thêm với đó các phần tử khuếch đại như transistor, vi mạch… để có thể khuếch đại tínhiệu, phối hợp tổng trở, điều chỉnh độ suy giảm.

Mạch lọc tích cực (active filter): được xây dựng từ các phần tử R,C với các bộ khuếch đại thuật

toán, các mạch lọc tích cực làm việc tốt ở tần số thấp (< 100 KHz) và có rất nhiều ưu điểm so vớimạch lọc thụ động mà ta đang xét ở trên như độ phẩm chất cao, hoạt động ổn định, và rất dễ thựchiện, do đó giá thành cũng hạ. Tuy nhiên, khi tần số tăng lên, thì bộ khuếch đại gây ra nhiều phiềntoái làm giảm hệ số khuếch đại và gây lệch pha giữa tín hiệu vào và ra, làm thay đổi đặc trưng của

6

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

mạch loc. Ngồi ra, nếu biên độ của tín hiệu vào lớn thì khuếch đại thuật tốn gây ra hiện tượng bãohịa; trong khi biên độ q nhỏ thì lại gây ồn.

Tóm lại mỗi loại mạch lọc chỉ ưu việt trong một dải tần, trong một phạm vi nào đấy mà thôi. Do đó ,tùy thuộc vào mục tiêu sử dụng mà lựa chon cho phù hợp.

b, Dựa vào đáp ứng biên độ-tần số phân ra thành 4 loại chính :

- Mạch lọc thông thấp (low-pass filter)- Mạch lọc thông cao (high-pass filter)- Mạch lọc thông dải (band-pass filter)- Mạch lọc chắn dải (band-reject filter)

Chi tiết của các mạch lọc trên sẽ được đề cập trong phần sau.

3. Khái quát chung vềề b l c th đ ng ,đi m khác nhau gi a l c th đ ng và l c tích c cộ ọụ ộểữ ọụ ộọự .+ Khái quát chung:

Điện trở, tụ điện và cuộn cảm đều tiêu thụ cơng suất khi có dịng điện chạy qua chúng và khơng có khả năng tăng cơng suất; do đó, bất kỳ bộ lọc RLC nào cũng là bộ lọc thụ động, đặc biệt là với các cuộn cảm. Một đặc điểm chính khác của bộ lọc thụ động là bộ lọc không cần nguồn điện bên ngoài để hoạt động. Trở kháng đầu vào thấp và trở kháng đầu ra cao, cho phép tự điều chỉnh điện áp dẫn đến tải.

Bộ lọc tích cực và thụ động được phân biệt bởi tính thụ động của các thành phần được sử dụng trong mạch lọc. Nếu một thành phần tiêu thụ điện năng hoặc khơng có khả năng tăng cơng suất thì nó được gọi là thành phần thụ động. Các thành phần không thụ động được gọi là các thành phần tích cực.

+Điểm khác nhau giữa lọc thụ động và lọc tích cực:

Bộ lọc thụ động tiêu thụ năng lượng của tín hiệu, nhưng khơng có khả năng tăng cơng suất; trong khi các bộ lọc hoạt động có mức tăng cơng suất.

• Bộ lọc tích cực u cầu nguồn điện bên ngồi, trong khi bộ lọc thụ động chỉ hoạt động trên đầu vào

• Bộ lọc thụ động có độ ổn định tốt hơn và có thể chịu được dịng điện lớn.• Bộ lọc thụ động tương đối rẻ hơn bộ lọc chủ động.

4. ngỨ d ngụ c aủ m chạ l c.ọ

7

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

M chạ l cọ có rầất nhiêầu ngứ d ngụ trong th cự têấ:

+ X lý tín hi u: B l c đửệơ ọ ượ ử ục s d ng đ x lý tín hi u ầm thanh và hình nh. Ví d , các b l c ể ửệảụơ ọ

có th để ượ ử ục s d ng đ gi m tiêấng ôần trong các b c nh ho c video.ể ảứ ảặ

+ X lý tín hi u y têấ: B l c đửệô ọ ượ ử ục s d ng trong y têấ đ l c các tín hi u vêầ tim, não và các cể ọệ ơ quan khác. Các b l c này giúp phần tích d li u y têấ và phát hi n các bầất thô ọữ ệệường trong s c ứ

kh e.ỏ

+ M ng lạưới viêẫn thông: B l c đô ọ ượ ử ục s d ng trong các m ng lạưới viêẫn thông đ gi m nhiêẫu vàể ả

đ m b o chầất lảảượng tín hi u. Các b l c này giúp tắng kh nắng truyêần t i tín hi u và gi m ệơ ọảảệả

thi u các sai sót.ể

+ Điêầu khi n robot: B l c đểô ọ ượ ử ục s d ng trong các ng d ng điêầu khi n robot. Các b l c này ứụểô ọ

giúp l c t p ầm và nhiêẫu trong các tín hi u điêầu khi n và tắng đ chính xác c a các ch c nắng ọ ạệểơủứ

điêầu khi n.ể

+ X lý tín hi u th i gian th c: B l c đửệờựô ọ ượ ử ục s d ng trong các ng d ng x lý tín hi u th i ứụửệờ

gian th c, ch ng h n nh x lý tín hi u ầm thanh và hình nh tr c tiêấp. Các b l c này giúp ựẳạư ửệảựô ọ

lo i b nhiêẫu và cái thi n chầất lạ ỏệượng tín hi u.ệ

+ Có th ngể ứ d ngụ trong nguôần ATX đ lo iể ạ b các nhiêẫu cao tầần bám theo đ ngỏ ườ đi nệ AC 220V.

+ Trong các m chạ chon l cọ tầần sôấ nh :ư đài FM, AM, ….

5. Đánh giá u nhưược đi m c a 5 lo i b l c tểủạ ộ ọ ương t nh sau: Chebyshev, ựưElliptic, Butterworth, Bessel, Legendre

a. B l c Chebyshev:ộ ọ

u đi m:Ưể

- B l c Chebyshev có kh nắng cung cầấp đáp ng tầần sôấ chầấp nh n đô ọảứậượ ớc v i sai sôấ côấ đ nh.ị

- Nó cho phép ki m sốt đ l n c a ripples trong d i chuy n đ i.ểô ớ ủảểổ

Nhược đi m:ể

- D i chuy n đ i c a b l c Chebyshev thảểổ ủô ọường h p h n so v i các lo i b l c khác.ẹơớạ ô ọ

- Yêu cầầu sôấ lượng c c đ c l p khá l n, điêầu này làm cho nó có đ ph c t p cao.ự ô ậớôứ ạ

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

c. B l c Butterworth:ộ ọ

u đi m:Ưể

- B l c Butterworth đ n gi n và dêẫ tri n khai.ô ọơảể

- Nó có đáp ng tầần sơấ ph ng d i chuy n đ i, không có ripples.ứẳở ảểổ

Nhược đi m:ể

- D i chuy n đ i c a nó khơng th ki m sốt m t cách chính xác.ảểổ ủể ểô

- Đáp ng tầần sôấ seẫ không th nh mong muôấn d i chuy n đ i h p.ứểưở ảểổ ẹ

- B l c Legendre có kh nắng đ t đô ọảạ ược đáp ng tầần sôấ ph ng d i chuy n đ i.ứẳở ảểổ

- Nó có kh nắng ki m soát đ l n c a d i chuy n đ i và ripples.ảểô ớ ủảểổ

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

II.Lý thuyết về từng mạch lọc:

10

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

13

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

Chương 2: Thực Hành

I.Bộ lọc thông dải kiểu butterworth

- Kiểu loại :butterworth

- Dải tần số : 1300Mhz – 1700Mhz - Passband Riple (Độ gợn): 0.6 dB

- Trở kháng đầu vào và ra : 50 Ohm - Order (N) : 4 - Topology: Conventional Shunt First

- Giá trị các thành phần L,R,C: Giá trị chính xác (Exact value).

1. Tính tốn thơng sơố v i rf-toolsớ

- Thơng số kỹ thuật : Dựa vào các dữ kiện đã cho ta có thể tìm được các dữ kiện thơng qua rf-tools.com sau khi tính tốn là

RS = 50 Ohm RL = 50 Ohm

C1 = 6.091pF C2 = 311.8fF C3 = 14.70pF C4 = 752.7fF L1 = 1.882nH L2 = 36.76nH L3 = 779.5pH L4 = 15.23nH

- Hình dạng bộ lọc sau khi tính tốn

-Frequency: Insertion lost và return lost

26

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

+ Insertion Loss (Suy giảm chèn - S21):

Insertion Loss (S21) được biểu diễn bởi đường cong màu xanh, cho biết mức độ suy giảm tín hiệu khi đi qua bộ lọc. Đối với một bộ lọc lý tưởng, bạn sẽ mong đợi thấy mức suy giảm thấp (gần 0 dB) trong dải tần số mục tiêu (dải thơng) và suy giảm lớn ở ngồi dải thông.

+ Return Loss (Suy giảm phản xạ - S11):

Return Loss (S11) được biểu diễn bởi đường cong màu đỏ, chỉ ra mức độ tín hiệu bị phản xạ trở lại nguồn thay vì đi qua bộ lọc. Giá trị Return Loss càng cao (giá trị âm lớn hơn), thì càng ít tín hiệu bị mất do phản xạ, cho thấy khớp trở kháng tốt.

2. Gi i thích các tham sôố, đánh giá kềốt qu đ t đảả ạ ược, ý nghĩa các tham sôố khi nh p giá tr ban đâềuậị.

+ Các Tụ Điện (C1, C2, C3): Điều chỉnh đáp ứng tần số của bộ lọc, đặc biệt là tần số

cắt và độ gợn trong dải thông qua. Giá trị của chúng được chọn để cung cấp độ chính xác cao cho đáp ứng tần số mong muốn.

+ Các Cuộn Cảm (L1, L2, L3): Làm việc cùng với các tụ điện để tạo ra mạch cộng

hưởng ở tần số mong muốn, giúp bộ lọc có độ dốc tần số cắt đủ độ dốc. 27

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

+ Độ Gợn Dải Thông (Passband Ripple - 0.6 dB): Mức độ biến đổi tín hiệu trong dải

thông qua. Độ gợn thấp cho thấy sự biến đổi nhỏ về mức độ suy giảm tín hiệu trong dải thông qua.

+ Các giá trị tụ điện ( C1 = 6.091 pF, C2 = 311.8 fF, C3 = 14.70 pF,C4 = 752,7fF ) và cuộn cảm ( L1 = 1.882 nH, L2 = 36.76 nH, L3 = 779.5 nH, L4 = 15,23nH ) được chọn

để thiết lập tần số cắt dưới và trên theo yêu cầu, và tạo ra độ gợn dải thông qua 0.6 dB. Điều này đảm bảo rằng bộ lọc có độ chính xác cao trong việc lọc các tần số nằm ngoài dải từ 1300 MHz đến 1700 MHz.

+ Độ gợn dải thông qua (Passband Ripple = 0.6 dB) cho thấy sự biến đổi nhỏ về

cường độ tín hiệu trong dải thông, đây là một đặc điểm quan trọng của bộ lọc

Butterworth, giúp kiểm soát sự biến đổi của tín hiệu trong khi vẫn duy trì độ dốc cắt

tần số nhanh.

+ Trở kháng đầu vào và ra (RS và RL = 50 Ω) phản ánh trở kháng chuẩn của hệ

thống RF, giúp bộ lọc có thể dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác mà không cần điều chỉnh trở kháng.

Các tham số này, khi được nhập vào thiết kế ban đầu, đã được tối ưu hóa để đáp ứng với yêu cầu về dải tần số và hiệu suất của bộ lọc. Việc lựa chọn chính xác các giá trị thành phần đóng một vai trị quan trọng trong việc đạt được đáp ứng tần số mong muốn và đảm bảo bộ lọc hoạt động hiệu quả trong ứng dụng thực tế.

3. ngỨ d ngụ hi n nayệ

Bộ lọc Butterworth là một loại bộ lọc thông dải (bandpass filter) đặc biệt trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và điện tử. Nó có một số ứng dụng quan trọng với dải tần từ 1300MHz đến 1700MHz đề cập đến một dải tần số rộng trong phạm vi tần số radio và viễn thông. Bộ lọc Butterworth có thể được áp dụng trong nhiều ứng dụng trong phạm vi này:

+ Mạng Di Động : Bộ lọc Butterworth có thể được sử dụng trong các hệ thống mạng di

động để chọn lọc tần số từ 1300MHz đến 1700MHz. Điều này giúp ngăn chặn sự giao thoa giữa các tần số khác nhau và cải thiện hiệu suất truyền thông.

28

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

+ Thiết bị Thu Phát Sóng Wi-Fi : Trong thiết bị Wi-Fi hoặc thiết bị truyền thơng

khơng dây, bộ lọc Butterworth có thể được sử dụng để lọc tần số trong dải từ 1300MHz đến 1700MHz. Điều này giúp tinh chỉnh tần số truyền thơng và giảm nhiễu.

+ Truyền hình và Phát Sóng Radio : Trong các hệ thống truyền hình và phát sóng

radio, bộ lọc Butterworth có thể được sử dụng để chọn lọc và tinh chỉnh tần số tín hiệu trong dải tần từ 1300MHz đến 1700MHz. Điều này giúp cải thiện chất lượng và độ chính xác của việc thu sóng và phát sóng.

+ Cơng nghệ Viễn Thông Vệ Tinh : Trong viễn thông vệ tinh, bộ lọc Butterworth có

thể được sử dụng để lọc và chọn lọc tần số từ vệ tinh hoặc đối với tín hiệu gửi đến vệ tinh trong dải tần từ 1300MHz đến 1700MHz. Điều này cải thiện hiệu suất và độ chính

xác của liên lạc vệ tinh.

+ Bộ lọc Butterworth có đáp ứng bước sóng dẹt và ít biên độ rìa, giúp duy trì chất

lượng tín hiệu tốt ở mức tần số mong muốn và giảm nhiễu ở các tần số bên ngoài dải chọn lọc. Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến trong việc xử lý tín hiệu ở các dải tần số như trong trường hợp dải từ 1300MHz đến 1700MHz.

4. Thiềốt kềố b l c butterworth trền băềng phâềm mềềm Proteusộ ọ ,mô ph ng đ c ỏặtuyềốn c a b l c băềng các linh ki n v i giá tr th c tềố.ủộ ọệớị ự

Nhờ vào các công cụ phần mềm tính tốn hiện nay ta có thể dễ dàng tính tốn được các thơng số của mạch , và nó chỉ là các thơng số lí tưởng nhưng trên thực tế thì khơng có nhà sản xuất linh kiện nào sản xuất giống hệt như thế nên để mô phỏng được mạch trên ta phải thay các linh kiện đó bằng các linh kiện thực tế có giá trị xấp xỉ hoặc ngang bằng chúng .

Linh kiện lí tưởng Linh kiện thực tế 29

</div>