Tạo dao động hình sin.DOC

Chơng 6
Tạo dao động hình sin
6.1 Khái niệm chung .
Các dao động hình sin (hay còn gọi là dao động điều hoà) có tần số từ vài
hz đến hàng ngàn Mhz đợc sử dụng rộng rãi trong các máy thông tin, máy đo l-
ờng, các thiết bị y tế vv...Đó là các máy phát sóng đợc thiết kế ở các dải sóng
khác nhau với mục đích sử dụng tơng ứng.
Các dao động hình sin có thể đợc tạo ra theo ba phơng pháp sau đây:
- Tạo dao động hình sin bằng một hệ tự dao động gần với một hệ bảo
toàn tuyến tính.
- Biến đổi một tín hiệu tuần hoàn từ dạng không phải hình sin về
dạng hình sin
- Dùng các bộ biến đổi tơng tự - số
(AD), số - tơng tự (DA)
Trong chơng này chỉ xét nguyên lý
các mạch làm việc theo phơng pháp thứ
nhất là các mạch thông dụng hơn cả. Tuy
nhiên trớc tiên tìm hiểu qua về nguyên lý
xây dựng các mạch theo phơng pháp thứ
hai và thứ ba.
Phơng pháp thứ hai thờng đợc sử dụng trong các máy phát sóng đa chức
năng : tạo ra dao động dạng xung vuông, xung tam giác, dao động hình sin, thậm
chí cả tín hiệu điều chế.
Một sơ đồ khối dạng này trình bày ở hình 6.1 ở đây mạch tích phân I và
Rơle R tạo thành một hệ tự dao động cho ra xung vuông và xung tam giác. Xung
tam giác qua bộ biến đổi F đợc biến thành dao động hình sin. Nhợc điểm của dao
động hình sin này là có độ méo phi tuyến lớn hơn so với trờng hợp 1.
Phơng pháp thứ ba tạo ra dao động hình sin nhờ sử dụng kỹ thuật số (Hình
6.2a) .T
X
là bộ tạo xung nhịp , C là bộ đếm thuận nghịch dùng để mở theo thời

gian giá trị tức thời của đối số , DFC - bộ biến đổi số - hàm để tạo các giá trị của
dao động hình sin ở dạng số ,
DAC - bộ biến đổi số - tơng tự
biến đổi tín hiệu số ở đầu ra của
mạch DFC sang dạng tơng tự là
dao động hình sin.
Độ méo của dao động hình
sin ở đây phụ thuộc vào số mẫu K
đợc lấy trong một chu kỳ. (hình
6.2b).Số lợng lấy mẫu K càng lớn
thì độ méo càng nhỏ , độ chính
xác càng cao.
Bây giờ ta xét phơng pháp thứ nhất là phơng pháp thông dụng nhất.Một hệ
dao động tự kích gần với một hệ bảo toàn năng lợng có phần tử khuếch đại đơn
I
F
R
Hình 6.1Sơ
đồ khối
máy phát
sóng đa
chức năng
t
x(t)
b)
Tx DFCC DAC
a)
Hình 6.2
a)Sơ đồ khối TDD hình
sin trong KT số

b)Đồ thị xấp xỉ dao
động hình sin bằng các
giá trị gián đoạn
155
hớng K và mạch hồi tiếp dơng nh ở hình 6.3
Một hệ nh vậy có quan hệ(xem hồi tiếp rong khuếch đại -chơng 4) :
K

=
1 .K
K
(6.1)
Trong đó K là hệ số khuếch đại của phần
tử khuếch đại (đơn hớng), hàm truyền đạt
phức của mạch hồi tiếp , K

là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại có hồi
tiếp(xem 4.2.2).
Từ (6.1) dễ dàng nhận thấy khi :
K =
)
k
(j
eK

+

= 1 (6.2)
thì K

= ,mạch ở trạng thái tự kích ,sẽ là một mạch tạo dao động.
Điều kiện (6.2) có thhể viết cụ thể hơn
1=
K
(6.3)

K
+

= 2K (6.4)
Điều kiện (6.3) và (6.4) gọi tơng ứng là điều kiện cân bằng biên độ và cân
bằng pha.
Về mặt vật lý hệ hình (6.2) là một hệ tự dao động khi phần tử khuếch đại K
bù đủ năng lợng tổn hao trong vòng hồi tiếp (điều kiện cân bằng biên độ) và bù
đúng lúc (điều kiện cân bằng pha). Nếu điều kiện cân bằng pha (6.4) chỉ đúng
cho một tần số thì dao động tạo ra sẽ là dao động hình sin của tần số đó.
Quá trình tạo dao động hình sin gồm ba giai đoạn nh sau:
Khi ta đóng nguồn một chiều cho mạch thì ở đầu vào của mạch khuếch đại
sẽ xuất hiện rất nhiều các thành phần hài do đột biến nguồn. Chúng đợc khuếch
đại và qua mạch hồi tiếp dơng để trở lại đầu vào. Lúc này các thành phần có biên
độ rất nhỏ. Thành phần tần số thoả mãn điều kiện (6.4) sẽ đợc tăng đần về biên
độ . Giai đoạn này gọi là giai đoạn tự kích hay phát sinh dao động .
Giai đoạn thứ hai là giai đoạn thiết lập dao động : biên độ của dao động tăng
dần. Trong giai đoạn này biên độ và tần số của dao động dần tiến về giá trị ổn
định . Đây là quá trình quá độ diễn ra trong mạch.
Giai đoạn thứ ba là giai đoạn xác lập dao động , biên độ và tần số của dao
động có giá trị ổn định.
Các mạch tạo dao động hình sin dạng này có thể là thuần kháng LC ghép
biến áp, ghép phân áp điện cảm (biến áp tự ngẫu) , hoặc phân áp điện dung , có
thể là dao động RC. Lần lợt sẽ xét nguyên lý làm việc của chúng.

6.2. Tạo dao động hình sin LC ghép hỗ cảm.
Mạch tạo dao động loại này có một hệ thống chọn lọc (hệ thống các khung
cộng hởng LC) mắc ở mạch ra hoặc mạch hồi tiếp. Phần tử khuếch đại K có thể
là đèn điện tử, tranzsto, khuếch đại thuật toán.

K


Hình 6.3 Sơ đồ
khối hệ dao
động tự kích
156
Xét sơ đồ hình 6.4 với phần tử khuếch đại là khuếch đại thuật toán mắc
không đảo ; Mạch hồi tiếp là hệ cộng hởng LC , hồi tiếp thực hiện qua đại lợng
hỗ cảm M (ghép biến áp ) .
(
21
LLkM =
,0

k

1,L
1
và L
2
là điện cảm tơng ứng của cuộn sơ cấp và
cuộn thứ cấp ).ở đây phần tử khuếch đại là khuếch đại thuật toán mắc không
đảo,hệ thống cộng hởng là khung
cộng hởng song song LC,điện áp

hồi tiếp lấy trên cuôn thứ cấp,các
dấu (*) chỉ các cực cùng tên để
đảm bảo hồi tiếp dơng.Hệ số
khuếch đại của mạch khuếch đại là:
*
**
)()(
K
R
R1K
1
R
RR1K
U
U
U
U
U
U
K
1
1
1
11
P
ra
N
ra
V
ra

=

+=
+
====

Vì trở
kháng ra của
KĐTT nhỏ nên
mắc thêm điện trở
R giảm ảnh hởng
trở kháng ra nhỏ
của KĐTT đến
trở kháng sóng
của mạch cộng h-
ởng LC. Điện áp
hồi tiếp :

u
ht
=
11
uu
L
M
=
(6.5)
M - đại lợng hỗ cảm, L - Điện cảm của khung dao động
u
ra

= K
*
u
ht
(6.6)
Tại nút 1 phơng trình định luật kiếc khốp 1 là :
0dtu
L
1
dt
du
C
R
uu
1
1r
=



1
(6.7)
Thay (6.5) và (6.6) vào (6.7) đợc phơng trình vi phân :

0u
dt
du
2
dt
ud

r
2
0
r
2
r
2
=++
(6.8)
* *
+
_
U
1
U
ht
M
R
(K*-1)R
1
R
1
1
C
Hình 6.2.Mạch TDĐ ghép hỗ cảm

M
Cb R
b
C

E
R
E
L C

C
E

R
E
-U
c c
+
C L
U
h t
M
a)

b)



Hình 6.5
a)Tạo dao động ghép biến áp mắc emitơ chung
b) Tạo dao động ghép biến áp mắc bazơ chung


157
Trong đó =

RC
K
2
1

là hệ số suy giảm ;
0
=
LC
1
Tần số cộng h-
ởng riêng của khung dao động LC.
Dạng phơng trình (6.8) là một phơng trình vi phân đặc trng cho một hệ dao
động tự do nói chung . Riêng đối với mạch hình 6.3 trong trờng hợp tổng quát nó
là một phơng trình vi phân phi tuyến vì K
*
phụ thuộc vào chế độ làm việc của
phần tử khuếch đại.
Nghiệm của 6.8 có dạng :
u
ra
=
(
)
teU
22
0
t
0ra

cos
(6.9)
Với ba giai đoạn diễn ra trong mạch tạo dao động thì :
- ở giai đoạn tự kích dao động phải có biên độ
t
0ra
eU

tăng dần, nghĩa là
< 0 , K > 1 . Nh vậy khi tự kích phần tử khuếch đại cần bù năng lợng lớn
hơn phần năng lợng tổn hao trong vòng hồi tiếp dơng.
- ở giai đoạn hai là giai đoạn quá độ , giảm dần tiến tới giá trị = 0.
- ở giai đoạn ba = 0, biên độ và tần số cả dao động đợc xác lập .
Nếu > 0 thì mạch không thể tự kích.
Tơng tự nh mạch hình 6.4 là các mạch hình 6.5a,b dụng tranzisto lỡng cực
mắc theo sơ đồ emitơ chung và bazơ chung.Hình 6.5a mắc emitơ chung, tranzisto
đảo pha tín hiệu từ đầu vào đến đầu ra nên hệ số hồi tiếp sẽ có giá trị âm, tức là
M nhận giá trị âm. còn ở mạch hình 6.5b thì tranzisto mắc bazơ chung nên tín
hiệu không đảo pha từ đầu vào đến đầu ra, hệ số hồi tiếp dơng nên M cũng dơng
tơng tự nh hình 6.4.
6.3 Tạo dao động hình sin kiểu ba điểm.
Mạch tạo dao động LC có thể có ba điểm nối giữa hệ thống chọn lọc và
phần tử khuếch đại. Lúc này phần hồi tiếp dơng đợc thực hiện qua bộ phân áp
điện dung hoặc điện cảm. Đầu tiên xét nguyên lý chung nh sơ đồ hình 6.6 (sơ đồ
rút gọn không biểu diễn mạch cấp nguồn).Trong đó Z
1
, Z
2
, Z

3
là các phần tử của
hệ cộng hởng nối tiếp theo mạch vòng với
Z
1
= r
1
+ jX
1
Z
2
= r
2
+ jX
2
Z
3
= r
3
+ jX
3
r
i
- điện trở tổn hao của tổng trở Z
i
, X
i
có thể âm
hoặcdơng
tuỳ theo tính chất của Z

i
và luôn thoả mãn:
r
i
<< X
i
(6.10)
Theo ( 4.28 ) thì hệ số khuếch đại của mạch sẽ là
K = - S . Z
t
(6.11)
Trong đó Z
t
là trở kháng mạch tải của mạch khuếch đại :
Z
t
Z
3
// (Z
1
+ Z
2
) = Z
3
=
( )
Z Z Z
Z Z Z
3 1 2
1 2 3

+
+ +
(6.12)
Hình 6.6 Sơ đồ TDĐ
ba
điểm tổng quát
Z
1

Z
3
U
ht
Z
2

U
ra
158
Hệ số truyền của mạch hồi tiếp:

21
2
ra
ht
ZZ
Z
U
U
+

=
(6.13)
Điều kiện (6.2) sẽ là
( )
( )
1
ZZZ
ZZ
ZZ
Z
ZZZ
ZZZ
K
321
32
21
2
321
213
=
++
=
+++
+
= .
)(
Kết hợp điều kiện (6.10) sẽ đợc
1
XXXjrrr
XX

SK
321321
32
=
+++++

)(
Nh vậy thì
X
1
+X
2
+X
3
= 0 (6.14)

1
rrr
XSX
321
32
=
++
(6.15)
(6.14) và (6.15) tơng ứng là điều
kiện cân bằng pha và cân bằng biên độ.
Từ (6.15) suy ra X
2
và X
3

phải cùng
tính (cùng dấu)cảm hoặc cùng tính
dung. Kết hợp với (6.14) thì X
1
phải
khác dấu với X
2
và X
3
.
Nh vậy có hai loại mạch ba điểm
tổng quá hình 6.7 là:
- Mạch ba điểm điện cảm(hình
6.7.a)hay mạch Harley.
X
2
, X
3
> 0 ; X
1
< 0
- Mạch ba điểm điện dung(hình
6.7.b)hay mạch Collpid.
X
2
, X
3
< 0 ; X
1
> 0

Hình 6.8 làmột mạch tạo dao động
ba điểm điện cảm (sơ đồ Hartley) mắc
emitơ chung. ở đây
X
3
=X
CE
= L
1
> 0
X
2
= X
BE
= L
2
> 0
X
1
= X
CB
=
0<

1

C
Hệ số hồi tiếp :
n
L

L
U
U
CE
BE
===
1
2
(6.16)
Tần số cộng hởng bằng tần số của dao động tạo ra thoả mãn (6.14) là:
f
d đ
= f
Ch
=
C)LL( 21+2
1
(6.17)
Tại tần số cộng hởng trở kháng tải Z
t
sẽ là :
a) b)
Hình 6.7.Sơ đồ tổng quát mạch TDĐ 3
điểm a)điện cảm b) điện dung
+Ucc
Rc R1
C
E
R
E

R
2
L1 C
E
L2
B
Hình 6.8Mạch ba điểm
điện cảm mắc Emitơ
chung
159