Đề tài thí nghiệm các dạng mạch lọc trong y sinh

Bộ môn VLKT Trường ĐHBK Tp.HCM

BÀI THÍ NGHIỆM: CÁC DẠNG MẠCH LỌC
I. MẠCH LỌC THÔNG THẤP
1. Mục đích
• Tìm hiểu nguyên lý làm việc, khảo sát đặc tuyến tần số của mạch lọc thông thấp bậc
2 (2 cực) sử dụng IC thuật toán – IC 741.
2. Các thiết bò cần dùng trong bài thí nghiệm, gồm:
• Máy phát tín hiệu (dạng hình sin) tần số thấp có dải tần từ 20Hz đến 20KHz.
• Oscilloscope 2 kênh.
• Bộ thí nghiệm Biosignal Processing Circuits.
3. Cơ sở lý thuyết
Mạch lọc thông thấp được thiết kế để cho qua tất cả các tần số có giá trò nhỏ hơn tần số
cắt (fc), ngược lại với các tần số lớn hơn tần số cắt fc sẽ bò triệt tiêu. Hình vẽ dưới đây mô tả
đặc tuyến tần số lý tưởng và đặc tuyến tần số thực tế của một bộ lọc thông thấp.
K

K(dB)
-3dB

ΔfB

ΔfB

f
fC

fC

f

a) Đặc tuyến lý tưởng
b) Đặc tuyến thực tế
Hình 1: Đặc tuyến lý tưởng và thực tế của bộ lọc thông thấp
Trong bộ thí nghiệm, chúng ta khảo sát mạch lọc thông thấp ButterWorth 2 cực (bậc 2).
Ở đây ta bắt gặp thuật ngữ “cực”, số cực ở trong các bộ lọc được xác đònh bằng số lượng
mạch RC ở trong mạch lọc. Đối với bộ lọc ButterWorth, mỗi cực ứng với độ dốc của đặc
tuyến là 20dB/decade.
Yêu cầu về hệ số truyền đạt của mạch lọc thông thấp bậc 2 – ButterWorth là K<1.586,
tần số cắt fc được đònh nghóa là tần số mà tại đó hệ số truyền đạt của mạch lọc giảm giảm đi
2 lần (hay -3dB).
4. Nội dung bài thí nghiệm
4.1 Sơ đồ mạch nguyên lý
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp bậc 2 (2 cực) với hai mắt lọc RC, đó là
R25-C5, R26-C4 và tần số cắt của mạch là:
1
fc =
2π R25 R26 C 4 C5
Và hệ số truyền đạt của mạch được tính như sau: K = 1 + R28/R27

Bài thực hanh mạch khuếch đại và mạch lọc

1


Bộ môn VLKT Trường ĐHBK Tp.HCM
C5

0.02

R26

7

R25

3
10K

10K

2

+

6

-

OUT
4

IN

+12V

-12V

C4
0.01

R27

R28

2.7K

10K

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp bậc 2
4.2 Các bước tiến hành thí nghiệm
ü Bật công tắc xoay chiều về vò trí ON
ü Bật công tắc nguồn một chiều về vò trí ON.
ü Nối máy phát tín hiệu và kênh CH1 của Oscilloscope vào đầu vào IN của mạch (thiết
lập tín hiệu vào có biên độ 1 VPP).
ü Mắc kênh CH2 của Oscilloscope vào đầu OUT của mạch điện.
ü Thay đổi tần số tín hiệu vào (fv) từ 50Hz đến 2KHz và quan sát tín hiệu ra (Ur) trên
màn hình Oscilloscope trong dải tần từ 50Hz đến 2KHz.
Lưu ý: khảo sát kỹ vùng tần số mà biên độ tín hiệu ra thay đổi.
5. Báo cáo thí nghiệm
5.1 Tính hệ số truyền đạt K và tần số cắt fc của mạch lọc theo công thức lý thuyết với các
giá trò linh kiện cho trong mạch.
5.2 Vẽ đặc tuyến tần số của mạch lọc theo các giá trò tần số và biên độ đã đo được theo hai
dạng sau:
K

KdB

fV (Hz)

fV (Hz)

Ur
; KdB = 20logK
Uv
5.3 Tính hệ số truyền đạt K và tần số cắt fc theo đồ thò thực nghiệm.
5.4 So sánh đặc tuyến tần số vừa vẽ được với đặc tuyến tần số trong lý thuyết. Giải thích sự
sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm.
Trong đó: K =

II. MẠCH LỌC THÔNG CAO
1. Mục đích
Bài thực hanh mạch khuếch đại và mạch lọc

2


Bộ môn VLKT Trường ĐHBK Tp.HCM

Tìm hiểu nguyên lý làm việc, khảo sát đặc tuyến tần số của mạch lọc thông cao bậc 2
(2 cực) sử dụng IC thuật toán – IC 741.
2. Các thiết bò cần dùng trong bài thí nghiệm, gồm:
• Máy phát tín hiệu (dạng hình sin) tần số thấp có dải tần từ 20Hz đến 20KHz.
• Oscilloscope 2 kênh.
• Bộ thí nghiệm Biosignal Processing Circuits.
3. Cơ sở lý thuyết
Mạch lọc thông cao được thiết kế để cho qua tất cả các tần số có giá trò lớn hơn tần số cắt
(fc), ngược lại với các tần số nhỏ hơn tần số cắt fc sẽ bò triệt tiêu. Hình vẽ dưới đây mô tả đặc
tuyến tần số lý tưởng và đặc tuyến tần số thực tế của một bộ lọc thông cao.
•

K(dB)

K
-3dB

f
fC
fC
a) Đặc tuyến lý tưởng
b) Đặc tuyến thực tế
Hình 1: Đặc tuyến lý tưởng và thực tế của bộ lọc thông cao

f

Trong bộ thí nghiệm, chúng ta khảo sát mạch lọc thông cao ButterWorth bậc 2, với hệ số
truyền đạt của mạch lọc K<1.586, fc là tần số cắt của mạch.
4. Nội dung bài thí nghiệm
4.1 Sơ đồ mạch nguyên lý
R30

15K

C8

7

C7

+12V
3 +

0.01

6

2 -

0.01

R31

4

IN

R29

-12V

OUT

2.7K

33K
R32
10K

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông cao bậc 2
Trên đây là sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông cao bậc 2 với hai mắt lọc RC, đó là R29-C8,
1

R30-C7 và tần số cắt của mạch là: fc =
2π R29 R30 C 7 C8
Và hệ số truyền đạt của mạch được tính như sau: K = 1 + R31/R32
4.2 Các bước tiến hành thí nghiệm
ü Bật công tắc xoay chiều về vò trí ON
ü Bật công tắc nguồn một chiều về vò trí ON.
Bài thực hanh mạch khuếch đại và mạch lọc

3


Bộ môn VLKT Trường ĐHBK Tp.HCM

ü Nối máy phát tín hiệu và kênh CH1 của Oscilloscope vào đầu vào IN của mạch (thiết
lập tín hiệu vào có biên độ 1 VPP).
ü Mắc kênh CH2 của Oscilloscope vào đầu OUT của mạch điện.
ü Thay đổi tần số tín hiệu vào (fv) từ 50Hz đến 2KHz và quan sát tín hiệu ra (Ur) trên
màn hình Oscilloscope. Hãy ghi lại giá trò tần số và biên độ tín hiệu ra (Ur) trên màn
hình Oscilloscope trong dải tần từ 50Hz đến 2KHz.
Lưu ý: khảo sát kỹ vùng tần số mà biên độ tín hiệu ra thay đổi.
5. Báo cáo thí nghiệm
5.1 Tính hệ số truyền đạt K và tần số cắt fc của mạch lọc theo công thức lý thuyết với các
giá trò linh kiện cho trong mạch.
5.2 Vẽ đặc tuyến tần số của mạch lọc theo các giá trò tần số và biên độ đã đo được theo hai
dạng sau:
K

KdB

fV (Hz)

fV (Hz)

Ur
; KdB = 20logK
Uv
5.3 Tính hệ số truyền đạt K và tần số cắt fc theo đồ thò thực nghiệm.
5.4 So sánh đặc tuyến tần số vừa vẽ được với đặc tuyến tần số trong lý thuyết. Giải thích sự
sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm.
Trong đó: K =

Bài thực hanh mạch khuếch đại và mạch lọc

4


Bộ môn VLKT Trường ĐHBK Tp.HCM

III. MẠCH LỌC THÔNG DẢI
1. Mục đích
• Tìm hiểu nguyên lý làm việc, khảo sát đặc tuyến tần số của mạch lọc thông dải nhiều
vòng hồi tiếp sử dụng IC thuật toán - IC741.
2. Các thiết bò cần dùng trong bài thí nghiệm
• Máy phát tín hiệu (dạng hình sin) tần số thấp có dải tần từ 20Hz đến 20KHz.
• Oscilloscope 2 kênh.
• Bộ thí nghiệm Biosignal Processing Circuits.
3. Cơ sở lý thuyết
Mạch lọc thông dải là mạch được tạo ra bằng cách ghép mạch lọc thông thấp với mạch
lọc thông cao. Đặc tuyến tần số của mạch được đặc trưng bởi tần số trung tâm f0 và dải thông
ΔfB. Khi tần số đưa vào mạch mà nhỏ hơn tần số cắt fC1 và lớn hơn tần số cắt fC2 thì bò triệt

tiêu. Ngược lại, trong dải tần từ fC1 đến fC2 thì tần số được cho qua. Hình vẽ dưới đây mô tả
đặc tuyến tần số lý tưởng và đặc tuyến tần số thực tế của một bộ lọc thông dải.
K(dB)

K
-3dB

ΔfB
ΔfB
fC1

f0

f

fC2

fC1

f0

fC2

f

a) Đặc tuyến lý tưởng
b) Đặc tuyến thực tế
Hình : Đặc tuyến lý tưởng và thực tế của một bộ lọc thông dải
Mạch lọc thông dải bậc hai dùng nhiều vòng hồi tiếp, sử dụng trong thí nghiệm là loại
mạch lọc ButterWorth bậc 2 nhiều vòng hồi tiếp, dải thông ΔfB = fC2 – fC1, fC1 : tần số cắt ở

phía tần thấp (khi K giảm đi 2 lần), fC2 : tần số cắt ở phía tần cao (khi K giảm đi 2 lần).
4. Nội dung thực hành
4.1 Sơ đồ mạch nguyên lý
C10

203

R35
27K

4

C9

10K

3

0.068m

6

OUT
7

IN

+12V

+

2

-

R33

-12V

R34
10K

Hình: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông dải
Bài thực hanh mạch khuếch đại và mạch lọc

5


Bộ môn VLKT Trường ĐHBK Tp.HCM

Trên đây là sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông dải nhiều vòng hồi tiếp.
R
Hệ số truyền đạt của mạch được tính bởi công thức: K = 35
2.R33
1
Tần số trung tâm của mạch f0 là: f 0 =
2π ( R33 // R34 ).R35 .C9 .C10
Lưu ý: Trò số của C9 phải lớn hơn C10.
Dải thông ΔfB = f0 /Q; trong đó Q = π.f0.Rf.C ; mà C = C 9 .C10
Việc tính tần số cắt fC1 và fC2 có thể căn cứ theo giá trò của Q để tính một cách gần đúng.

ü Nếu Q ≥ 2, ta có: f C1 ≈ f 0 −

Δf B
Δf
; fC2 ≈ f0 + B
2
2
2

ü Nếu Q < 2: f C1 ≈ f 0

2

⎛ 1 ⎞
⎛ 1 ⎞
Δf
Δf
⎟⎟ − B ; f C 2 ≈ f 0 1 + ⎜⎜
⎟⎟ + B
1 + ⎜⎜
2
2
⎝ 2Q ⎠
⎝ 2Q ⎠

4.2 Các bước tiến hành thí nghiệm
ü Bật công tắc xoay chiều về vò trí ON
ü Bật công tắc nguồn một chiều về vò trí ON.
ü Nối máy phát tín hiệu và kênh CH1 của Oscilloscope vào đầu vào IN của mạch (thiết
lập tín hiệu vào có biên độ 1 VPP).

ü Mắc kênh CH2 của Oscilloscope vào đầu OUT của mạch điện.
ü Thay đổi tần số tín hiệu vào (fv) từ 50Hz đến 2KHz và quan sát tín hiệu ra (Ur) trên
màn hình Oscilloscope. Hãy ghi lại giá trò tần số và biên độ tín hiệu ra (Ur) trên màn
hình Oscilloscope trong dải tần từ 50Hz đến 2KHz.
Lưu ý: khảo sát kỹ vùng tần số mà biên độ tín hiệu ra thay đổi.
5. Báo cáo tí nghiệm
5.1 Tính hệ số truyền đạt K, tần số trung tâm, dải thông và tần số cắt của mạch lọc theo
công thức lý thuyết với các giá trò linh kiện cho trong mạch.
5.2 Vẽ đặc tuyến tần số của mạch lọc theo các giá trò tần số và biên độ đã đo được theo hai
dạng sau:
K

KdB

fV (Hz)
fV (Hz)
Ur
Trong đó: K =
; KdB = 20logK
Uv
5.3 Tính hệ số truyền đạt K và tần số cắt fC1 và fC2 theo đồ thò thực nghiệm
5.4 So sánh đặc tuyến tần số vừa vẽ được với đặc tuyến tần số trong lý thuyết. Giải thích sự
sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm.
IV. MẠCH LỌC TRIỆT DẢI
1. Mục đích
Bài thực hanh mạch khuếch đại và mạch lọc

6

Bộ môn VLKT Trường ĐHBK Tp.HCM

Tìm hiểu nguyên lý làm việc, khảo sát đặc tuyến tần số của mạch lọc triệt dải nhiều
vòng hồi tiếp sử dụng IC thuật toán - IC741.
2. Các thiết bò cần dùng trong bài thí nghiệm
• Máy phát tín hiệu (dạng hình sin) tần số thấp có dải tần từ 20Hz đến 20KHz.
• Oscilloscope 2 kênh.
• Bộ thí nghiệm Biosignal Processing Circuits.
3. Cơ sở lý thuyết
Mạch lọc triệt dải là mạch được tạo ra bằng cách ghép mạch lọc thông thấp với mạch lọc
thông cao, sau đó cộng tín hiệu ra của hai mạch này. Đặc tuyến tần số của mạch được đặc
trưng bởi tần số trung tâm f0 và dải thông ΔfB. Khi tín hiệu đưa vào mạch có tần số lớn hơn
tần số cắt fC1 và nhỏ hơn tần số cắt fC2 thì bò triệt tiêu. Ngược lại, tín hiệu đưa vào mạch có
tần số nhỏ hơn fC1 và lớn hơn fC2 thì tần số được cho qua. Hình vẽ dưới đây mô tả đặc tuyến
tần số lý tưởng và đặc tuyến tần số thực tế của một bộ lọc triệt dải.
K
K(dB)
•

-3dB
ΔfB
ΔfB
f

fC1
fC2
fC2
f0
f0
fC1

a) Đặc tuyến lý tưởng
b) Đặc tuyến thực tế
Hình : Đặc tuyến lý tưởng và thực tế của một bộ lọc triệt dải

f

Mạch lọc triệt dải bậc 2 dùng nhiều vòng hồi tiếp, sử dụng trong thí nghiệm là loại mạch
lọc ButterWorth bậc 2 nhiều vòng hồi tiếp, dải thông ΔfB = fC2 – fC1, fC1 là tần số cắt ở phía
tần thấp (khi K giảm đi 2 lần), fC2 là tần số cắt ở phía tần cao (khi K giảm đi 2 lần).
4. Nội dung thí nghiệm
4.1 Sơ đồ mạch nguyên lý
C12

0.01

0.01

2

IN

3

-12V
6

+

C11

-

R36 2.7K

100K

4

R39

OUT
7

R37 5.6K

+12V

R38
100K

Hình: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc triệt dải
Trên đây là sơ đồ nguyên lý mạch lọc triệt dải nhiều vòng hồi tiếp.
v Xác đònh hệ số truyền đạt.
Do ở tần số f >fC1, tụ C12 gần như ngắn mạch với đầu ra nên khi đó mạch có hệ số truyền
đạt ≈ 1. Vì vậy nên chọn cả ở phía tần số thấp (f < fC1) cũng có hệ số truyền đạt ≈ 1, để đặc
Bài thực hanh mạch khuếch đại và mạch lọc

7

Bộ môn VLKT Trường ĐHBK Tp.HCM

tuyến tần số của mạch được đều nhau torng các dải tần số mà mạch lọc cho qua. Do vậy, với
mạch lọc triệt dải dùng nhiều vòng hồi tiếp thường có hệ số truyền đạt ≈ 1.
1
Tần số trung tâm của mạch f0: f 0 =
2π R36 .R39 .C11 .C12
Dải thông ΔfB = f0 /Q ; trong đó Q = π.f0.Rf.C ; mà C = C11.C12
Việc tính tần số cắt fC1 và fC2 có thể căn cứ theo giá trò của Q để tính một cách gần đúng.
Δf
Δf
ü Nếu Q ≥ 2, ta có: f C1 ≈ f 0 − B ; f C 2 ≈ f 0 + B
2
2
2

2

⎛ 1 ⎞
⎛ 1 ⎞
Δf
Δf
⎟⎟ − B ; f C 2 ≈ f 0 1 + ⎜⎜
⎟⎟ + B
1 + ⎜⎜
2
2
⎝ 2Q ⎠
⎝ 2Q ⎠

ü Nếu Q < 2, ta có: f C1 ≈ f 0

4.2 Các bước tiến hành thí nghiệm
ü Bật công tắc xoay chiều về vò trí ON
ü Bật công tắc nguồn một chiều về vò trí ON.
ü Nối máy phát tín hiệu và kênh CH1 của Oscilloscope vào đầu vào IN của mạch (thiết
lập tín hiệu vào có biên độ 1 VPP).
ü Mắc kênh CH2 của Oscilloscope vào đầu OUT của mạch điện.
ü Thay đổi tần số tín hiệu vào (fv) từ 50Hz đến 2KHz và quan sát tín hiệu ra (Ur) trên
màn hình Oscilloscope. Hãy ghi lại giá trò tần số và biên độ tín hiệu ra (Ur) trên màn
hình Oscilloscope trong dải tần từ 50Hz đến 2KHz.
Lưu ý: khảo sát kỹ vùng tần số mà biên độ tín hiệu ra thay đổi.
5. Báo cáo thí nghiệm
5.1 Tính tần số trung tâm f0, tần số cắt fC1 và fC2 của mạch lọc theo công thức lý thuyết với
các giá trò linh kiện cho trong mạch.
5.2 Vẽ đặc tuyến tần số của mạch lọc theo các giá trò tần số và biên độ đã đo được theo hai
dạng sau:
K

KdB

fV (Hz)

fV (Hz)

Ur
; KdB = 20logK
Uv
5.3 Tính hệ số truyền đạt K và tần số cắt fC1 và fC2 theo đồ thò thực nghiệm.
5.4 So sánh đặc tuyến tần số vừa vẽ được với đặc tuyến tần số trong lý thuyết. Giải thích sự

sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm.
Trong đó: K =

Bài thực hanh mạch khuếch đại và mạch lọc

8