đề tài 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



 

1
MẠCH DAO ĐỘNG CẦU WIEN

1
, 
2

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      
          



1000 mV), and deformation.
Keywords: Theory of Analog, Oscillator circuits, Wien bridge oscillator
TÓM TẮT


-
  
. Cá  


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.

1
Sinh viên lớp Kỹ Thuật Điều Khiển, MSSV:1080905, Email:

2
Bộ môn Tự Động Hóa, Khoa Công Nghệ, Trường Đại Học Cần Thơ
 

2
2.2. Cơ sở lý thuyết
2.2.1. Mạch khuếch đại hồi tiếp










 Nếu pha của v
f
lệch 180
0
so với v
s
, ta có hồi tiếp âm.
 Nếu pha của v

f
cùng pha với v
s
(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
v
A



1
v
A

, mạch dễ dao động nhưng tín hiệu biến dạng.

1
v

A

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 V
CC+
và
V
CC-
. Op-Amp 741 là một trong những loại thường được sử dụng –xem
Hình 1.

Khuếch đại
A
AvAv



Hệ thống hồi tiếp




v
S
v
i
v
f
v
0
0
0
v
v
v
v
Av
vvv
f
i
fsi




 

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
1
212211
21




R
R
C
C
CRCRCR
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

 

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 R
4
khoảng 0.5V thì
diode D
1
bắt đầu dẫn khi ngõ ra dương, tương tự D
2
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 R
5
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
R
2

C
2
.
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 R
1
và R
2
,
C
1
và C
2
cùng lúc, tức là phải dùng biến trở đôi hoặc tụ xoay đôi. Hình 4.
 

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 C
1
= C
2
= C, R
2
= R ta có :
RRC
f
1
0
2
1


và
2
1
1


R
R



Ta có R
1
~
0
1
f
, mặt khác R
1
~  . 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
 

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
 

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.  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