Giáo trình Vô tuyến điện tử (Phần 2) - Đại học Sư phạm TP.HCM

46 trang ngocly 3190

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Vô tuyến điện tử (Phần 2) - Đại học Sư phạm TP.HCM", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_vo_tuyen_dien_tu_phan_2_dai_hoc_su_pham_tp_hcm.pdf

Nội dung text: Giáo trình Vô tuyến điện tử (Phần 2) - Đại học Sư phạm TP.HCM

Chương III MÁY PHÁT DAO ĐỘNG Trong chương này, ta đề cập đến máy phát dao động điều hoà và máy phát xung (xung chữ nhật, xung răng cưa ). I- MÁY PHÁT DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA. Mạch dao động là một mạch khuếch đại có hồi tiếp dương, với điều kiệnĠ. 1. Máy phát dao động điều hòa cao tần: Khung dao động LC có độ phẩm chất lớn, được mắc ở mạch ra C, cuộn dây hồi tiếp dương mắc ở mạch vào E hay B của transistor. Muốn tạo dao động điều hoà phãi bảo đảm các yêu cầu về pha cũng như biên độ hồi tiếp. Tuỳ cách mắc của transistor mà tín hiệu ra và tín hiệu cùng pha hay ngược pha mà ta có các cách nối khác nhau. Ví dụ transistor mắc theo kiểu Phát chung thì điện áp hồi tiếp vào B (mạch vào) ngược pha với điện áp chân C (mạch ra). Còn mắc theo kiểu gốc chung thì điện áp hồi tiếp về E (mạch vào) cùng pha với điện áp chân C (mạch ra). Có nhiều cách mắc mạch điện, chúng dựa trên nguyên tắc sau đây: Giả sử một lý do ngẫu nhiên nào đó (ví dụ như đóng mạch điện) trong khung LC xuất hiện dao động, dao động này sẽ tắt dần khi mạch cô lập. Nhưng trong sơ đồ máy phát dao động điều hoà, dòng điện iL trong cuôn dây L biến đổi, làm xuất hiện sức điện động cảm ứngĠ trong cuộn dây L’, sức điện độngĠ này hồi tiếp dương về mạch vào của transistor. Nếu chiều quấn của 2 cuộn dây thích hợp (dấu của hệ số hổ cảm M đúng) thì e sẽ điều khiển dòng IC sao cho dòng này qua cuộn L cùng nhịp (đồng pha) với dòng điện trong khung dao động. Khi đó dòng điện trong khung dao động được duy trì (nếu hệ số hổ cảm M đủ lớn). Ta có các mạch điện thực tế như sau: L L’ L C C L’ R2 R1 CB RE +Vcc Hình (a) +Vcc Hình (b) Mạch điện hình (a): transistor được mắc theo kiểu Gốc chung, nhờ tụ điện CB có trị số lớn nối tắt dòng xoay chiêu từ chân B xuống masse, R1 và R2 là các điện trở phân cực cho transistor. LC là khung dao động và L’ là cuộn hồi tiếp đưa tín hiệu hồi tiếp về chân E của transistor qua tụ điện liên lạc (chỉ cho tín hiệu qua, ngăn dòng một chiều). Để đảm bảo có hồi tiếp dương, tức điện áp tín hiệu đưa về E cùng pha với tín hiệu chân C, ta phải chọn dấu của M thích hợp. Trong thực tế nếu mạch không dao động do chọn sai dấu của, ta đổi chiều một trong 2 cuộn dây L hoặc L’, hoặc quay chúng một góc 1800. Mạch điện hình (b): transistor mắc theo kiểu Phát chung, RB dùng để phân cực cho transistor. Mạch hồi tiếp đưa tín hiệu hồi tiếp về chân B qua tụ điện liên lạc. Cũng như trường hợp trên, nếu mạch không dao động, ta chỉ cần xoay ngược một trong 2 cuộn dây L hoặc L’.
C 1 L C2 L1 C L2 RB +V CC +V CC (c) (d) Mạch điện hình (c) là mạch dao động 3 điểm điện dung, transistor mắc theo kiểu Phát chung, điện áp hồi tiếp từ mạch ra (chân C) được đưa về mạch vào (chân E) nên đồng pha. Hệ số hồi tiếp xác định bởi hệ số hồi tiếp Ġ: C β = 2 C1 Mạch điện hình (d) là mạch dao động 3 điểm điện cảm, transistor cũng mắc theo kiểu phát chung, điện áp hồi tiếp từ mạch ra (chân C) được đưa về mạch vào (chân E) nên đồng pha. Hệ số hồi tiếp xác định bởi hệ số hồi tiếp Ġ: L β = 2 L1 2. Máy phát dao động điều hoà âm tần (mạch dao động RC): Như trên ta đã xét các dao động cao tần kiểu LC, thực chất là mạch khuếch đại cộng hưởng cao tần có hồi tiếp dương với điều kiệnĠ. Với kiểu này máy phát không thể tạo ra được dao động điện từ có tần số thấp (âm tần) vì L và C phải có trị số rất lớn. Trong thực tế, ở giải tần số thấp người ta dùng những mạch dao động RC: Nếu ta sử dụng một bộ RC để dịch pha 1800 kết hợp với mạch khuếch đại có tín hiệu ra ngược pha Ĩ1800) với tín hiệu vào, thì ta có điện áp ra đồng pha (3600) với điện áp vào. +VCC R1 RC Ura C C C R R R RE CE Ta đã biết, một bộ RC làm xoay pha một góc nhỏ hơn 900, nên muốn làm xoay pha 1800 ta phải cần ít nhất 3 bộ RC. Trong hình dưới đây, S và P có thể là R hay C. Ví dụ: C = 0.005ĠF và R = 10ŋ R1 = 180K Ω ; RE = 1K Ω ; CE = 20 µ F VCC = 15V Ta hãy tính tần số dao động của mạch: xét mạch xoay pha dưới đây. S S S I1 I2 I3 U0 U1 I‘1 U2 I’2 I’3 U3 P P P
Đặt Ġ với K là số phức khi một trong hai phần tử S hoặc P là tụ điện, phần tử còn lại là điện trở thuần R. Ta tính tỉ số: Ġ Ta có: U3 = PI3 U3 S U2 = SI3 + PI3 = (S+P)I3 = (S+P) = UUK(1+= ) (1 + ) (1) P 33P U1 = SI2 + U2 Trong đó: U UU U IIII=+=+' 2 =33 +(1 + K ) = 3 (2 + K ) 2323P PP P U US=+++=+++3 (2 KU ) (1 K ) UKKU (2 ) (1 K ) 1333P 2 UUKK13=++(43) Ta tính U0 : U0 = SI1 + U1 Trong đó : U UU U IIII=+=+'221 =33(2 + K ) + ( K + 3 K += 1) 3 ( K + 4 K + 3) 1212PP P P U US=+++++3 (43)(31) K22 K UK K 03P 22 UUKK03=+++++(43)(31) K UK 3 K 32 UUK03=+++(561) K K Cuối cùng ta được :Ġ Để U0 và U3 đồng pha hay ngược pha,vế bên phải của biểu thức phải là một số thực: (K là số thuần phức ) vậy : K3 + 6K = 0 hay K2 + 6 = 0 hay K2 = - 6 Trường hợp này ta có:Ġ. Như vậy, để 2 điện áp trước và sau ngược pha nhau, tỉ số hai điện áp phải bằng 29. U0 =−29 U 3 Nghĩa là hệ số hồi tiếpĠ hay hệ số khuếch đại điện áp KĠ 29. Trường hợp S = R và P làĠ: Ta có:Ġ R R R U C C C U 0 3 Khi K2 = - 6, ta có: Ĩ Hay jRC2222ω =−6 Vậy ta thu được :Ġ Hay tần số dao động của mạch : 6 f = 2π RC
Trường hợp S =Ġ và P = R : Ta có: Ġ Khi : K2 = - 6 6R2 C2ω 2 = 1 Và ta thu được:Ġ C C C U0 R R R U3 1 Hay tần số dao động của mạch : f = 26π RC 3. Máy phát dao động âm tần (RC) có mạch hồi tiếp không xoay pha (cầu WIEN). Mạch điện sau đây gồm một mạch khuếch đại 2 tầng ghép RC, có hồi tiếp dương nhưng không dùng mạch xoay pha (ta gọi là cầu Wien). Các tụ điện C1, R1 (mắc nối tiếp) và C2, R2 (mắc song song) không làm nhiệm vụ xoay pha mà chỉ làm nhiệm vụ cân bằng pha ứng với tần số mà mạch dao động phát ra. Hệ số hồi tiếp của sơ đồ là ĺ Trong đó :Ġ là tổng trở phức của mạch nối tiếp R1, C1. VàĠ là tổng trở phức của mạch song song R2, C2. R1 +VCC RC1 RC2 C1 Ura C2 R2 RE - Cầu Wien Sau khi thayĠ vàĠ vào biểu thức củaĠ, ta có : 1 β = RC12 1 1(+++jRCω 12 − ) R21CCRω 12 β phaûi laø moät soá thöïc döông môùi baûo ñaûm ñieàu kieän hoài tieáp döông, neân ta suy ra : 1 1 ωRC12−=0 ⇒ Taàn soá goùc cuûa maïch dao ñoäng ω = ωCR12 R1212RCC Nếu chọn R1 = R2 và C1 = C2, tần số do mạch dao động phát ra : 1 ω = Và hệ số hồi tiếp là Ġ RC Như vậy hệ số khuếch đại của mạch điện K > 3. II- MÁY PHÁT DAO ĐỘNG KHÔNG ĐIỀU HOÀ.
Trong kỹ thuật vô tuyến điện cần có những máy phát dao động không điều hoà như các xung điện có dạng sóng vuông, chữ nhật hay răng cưa 1. Mạïch dao động đa hài. Mạch dao động đa hài dùng để tạo ra các xung điện có dạng gần chử nhật. Nếu ta khai triễn theo chuỗi Fourier của dòng điện này theo thời gian, sẽ được rất nhiều sóng hài nên còn gọi là mach dao động đa hài. a- Mạch dao động đa hài tự dao động: +10V R R R R L 2 1 L C2 C1 Ura T1 T2 RL = 10K Ω R1 = R2 = 120K Ω C1 = C2 = 0,01 µ F T1 = T2 : 2SC1015. Ta thấy mạch điện gồm 2 tầng khuếch đại T1 và T2 có hồi tiếp dương, nên trở thành mạch dao động. Mạch điện hoạt động như sau: Hai transistor T1, T2 tuy cùng số hiệu nhưng không thể giống nhau 100% được, giả sử khi mới mở điện, T2 dẫn trước T1 : Dòng điện qua RL của T2 làm điện áp VC2 giảm tới không (bằng điện áp E2). C1 được nạp điện qua R1. Khi điện áp 2 đầu tụ điện đủ để phân cực cho T1 thì T1 dẫn, VC1 sụt làm VB2 sụt theo cho đến lúc T2 ngưng dẫn. Lúc bấy giờ C2 được nạp qua R2, khi điện áp đủ lớn thì T2 dẫn trở lại và VC2 giảm làm T1 tiến tới trạng thái ngưng dẫn quá trình lập đi lập lại rất nhanh và trên các cực Collector ta có các xung điện hình chữ nhật. V C1 t VC2 t +10V +VCC RL R2 RL C2 C2 V1 T1 T2 r Chu kỳ của dao động gồm 2 giai đoạn: thời gian T1 dẫn và thời gian T1 ngưng (hoặc thời gian T2 dẫn và thời gian T2 ngưng). Bề rộng xung tạo ra phụ thuộc vào thời hằng của C1 hay C2 nạp điện qua R1 (hay R2). Nếu ta chọn R2 = R2 = R và C1 = C2 = C, tần số của xung được xác định bởi : 1 f = 2ln2RC
b- Mạch dao động đa hài ở chế độ đợi: (mạch dao động đa hài 1 trạng thái bền) Đây là một mạch dao động đa hài có 2 trạng thái cân bằng, trong đó một trạng thái cân bằng ổn định và một trạng thái cân bằng không ổn định. Bình thường mạch nằm ở trạng thái cân bằng ổn định, khi kích thích mạch sẽ nhảy sang trạng thái cân bằng không ổ định. Thời gian mạch nằm ở trạng thái cân bằng không ổn định lâu hay mau là do các thông số trong mạch quyết định. Ở trạng thái ban đầu, T1 tắt, còn T2 thông. Quá trình đột biến lần thứ nhất xảy ra khi có xung âm kích thích vào cực Gốc của T1 (hoặc xung dương kích thích vào cực Gốc của transistor T2) làm cho mạch chuyển sang trạng thái T1 thông, T2 tắt. Quá trình đột biến lần thứ hai và hồi phục chuyển mạch sang trạng thái ban đầu : T1 tắt và T2 thông. Mạch dao động đa hài đợi thường dùng để tạo ra các xung vuông từ các xung kích thích hẹp. -Vcc Ura RE 2. Mạïch dao động tạo điện áp răng cưa. Điện áp hình răng cưa được sử dụng để điều khiển chùm tia electron trong ống tia điện tử (máy thu hình hay dao động ký điện tử). Nguyên tắc chung nhờ vào sự nạp điện và phóng điện của một tụ điện: +E R UC Ura C Ñeøn neùon t Tụ điện C được nạp qua điện trở R, điện áp 2 đầu tụ điện tăng chậm theo hàm số mũ : tt −− τ RC UEeC =−(1 ) = Ee (1 − ) Khi điện áp này vừa bằng áp mồi của đèn néon, đèn néon dẫn điện và tụ điện phóng rất nhanh qua đèn néon. Vậy điện áp 2 đầu đèn néon có dạng hình răng cưa. Hoặc có thể tạo xung răng cưa từ một xung chữ nhật theo mạch điện dưới đây: Khi cực B của transistor chua có xung tới, transistor ngưng dẫn VC = VCC, tụ điện C nạp điện từ nguồn VCC qua điện trở R. Điện áp 2 đầu tụ điện tăng từ từ theo sườn xung bên trái. Khi cực B của transistor nhận xung dương, transistor dẫn điện VC = VE = 0, tụ điện C phóng điện nhanh qua hai cực C và E của transistor, ta được sườn xung bên phải. +10V R1 R C1 Ura T C
Chương IV BIẾN ĐIỆU VÀ TÁCH SÓNG BÀI 1: BIẾN ĐIỆU SÓNG CAO TẦN Uvaøo t Ura t Biến điệu (Modulation) còn gọi là điều chế và Tách sóng còn gọi là giải điều chế (Démodulation) là hai quá trình ngược nhau được dùng trong hệ thống máy thu – phát sóng điện từ. I- BIẾN ĐIỆU DAO ĐỘNG. Ta đã biết tín hiệu âm tần (audio) hoặc thị tần (vidéo) có tần số tương đối thấp, không truyền đi xa trong không gian được, nhưng những tần số cho qua những thiết bị chuyển đổi (ví dụ cái loa chuyển đổi từ tín hiệu điện sang âm thanh, đèn hình chuyển đổi tín hiệu thị tần thành hình ảnh) tai ta có thể nghe và mắt có thể thấy được. Trong khi sóng cao tần (được chia thành nhiều băng tần) có tần số rất cao, truyền đi rất xa trong không gian nhưng tai ta không thể nghe và mắt không thể thấy được. Vì thế người ta dùng sóng cao tần (tải tần) làm phương tiện như một sóng mang để mang tín hiệu âm tần hoặc thị tần đi xa. Quá trình đưa sóng âm tần (hoặc thị tần) vào sóng cao tần để sóng cao tần chở đi xa, ta gọi là sự điều chế. Sóng cao tần có dạng của một dao động điều hòa có tần số Ġ ut11()= U sin(ω t+ϕ 1 ) Trong đó V0 là biên độ,Ġ là pha ban đầu vàĠ là tần số góc của dao động cao tần. Sóng tín hiệu cần truyền đi như tín hiệu âm thanh, hình ảnh có tần sốĠ ut22()= U sin(Ω+ t ϕ 2 ) Dao động cần truyền đi u2(t) có thể làm thay đổi một trong các đặc trưng của dao động cao tần, buộc chúng biến đổi theo qui luật của u2(t). Ta có thế đưa dao động u2(t) vào biên độ của sóng cao tần, ta có biến điệu biên độ hay điều biên AM (Amplitude Modulation) hoặc đưa u2(t) vào tần số của sóng cao tần, ta có biến điệu tần số hay điều tần FM (Frequency Modulation), còn đưa u2(t) vào pha của dao động cao tần, ta có biến điệu pha hay điều chế pha. II- BIẾN ĐIỆU BIÊN ĐỘ (AMPLITUDE MODULATION): AM 1. Nguyên tắc. Giả sử dao động cao tần có dạng: ĉ với Ġ = Ĳf. Và dao động của tín hiệu cần truyền đi: Ġ với Ġ = ĲF. Ví dụĠ ứng với tần số âm thanh, u(t) là dao động âm tần lấy từ một micro. Đưa hai điện áp này đến đầu vào một transistor (yếu tố phi tuyến tính), ngõ ra của transistor ta được sóng cao tần đã điều chế biên độ. Transistor là một yếu tố phi tuyến tính nên ta có
2 i = f(u) = a0 + a1u + a2u + Để đơn giản, ta giới hạn ở số hạng bậc hai cũng đủ cho mục đích đặt ra. 2 IC = a0 + a1(u1 + u2) + a2(u1 + u2) + 2 = a0 + a1U1 sinω t + a1U1sin Ω t + a2(U1 sinω t + U2sin Ω t) + I= I + a U sin ω+ t a U sin Ω+ t a U22 sin ω+ t a U 22 sin Ω+ t 1cos2− x C0 11 12 21 22 Chuù yù : sin2 x = +ωΩ2a212 U U sin t.sin t 2 Sau vài biến đổi, ta thu được biểu thức sau : 2aU22 iaUC =+11(1 sin Ω t )sinω t a1 Ta thấy biên độ của dao động cao tần biến điệu đã bị thay đổi theo qui luật của dao động cần truyền đi. 2aU22 I0 = a1U1(1+ cos Ω ) a1 Ta cho dòng điện này qua một ăng-ten phát, ta có thể truyền dao động biến điệu trong không gian : 2a uU=+(12 sin Ω t )sinω t 0 a 1 Vậy, 2 dao động có tần sốĠ vàĠ qua một yếu tố phi tuyến cho một dao động phức tạp hơn,trong đó biên độ của nó thay đổi theo qui luật của tần số cần truyền đi. u2 t u1 t u tt Bieán ñieäu bieân ñoä 2. Hệ số biến điệu (độ sâu điều chế): ĐặtĠ Ta có thể viết lại Ġ M được gọi là hệ số biến điệu, có độ lớn phụ thuộc vào biên độ của dao động làm biến điệu. Chú ý rằng biên độ UM của dao động biến điệu có giá trị cực đại và cực tiểu là : UUM= (1+ ) max 0 UUMmin=+ 0 (1 ) UU− Suy ra: M = max min UUmax+ min Ta nhận thấy có các trường hợp sau đây : M = 0 : Umin = Umax : Không có biến điệu biên độ. M = 1 : Umin = 0 : Biến điệu biên độ tối đa. M > 1 : Dao động cao tần bị cắt. 0 < MĠ 1 : Có biến điệu biên độ. 3. Phổ của dao động biến điệu.
Biểu thức của biến điệu biên độ u = U0 (1 + MsiŮt)siŮt. có thể khai triển như sau : u = U0 sinω t + U0 M .sin Ω t. sinω t UM0 = U0 sinω t + [cos(ωω− Ω− )tt cos( +Ω ) ] 2 UM00 UM uU =+0 sinωω t cos( −Ω−+Ω ) t cos( ω ) t ] 22 Sau khi biến điệu biên độ sóng mang cao tần xuất hiện 2 giải tần sốĠī vàĠĭ. Như vậy dao động biến điệu gồm 3 thành phần có tần sốĠ,Ġī vàĠ -Ġ được biểu diễn theo giản đồ phổ dưới đây : Bieân ñoä taàn soá ω - Ω ω ωPh+ổΩ c ủ a biến điệu biên độ Đối với tín hiệu cần truyền đi như âm thanh trong điện thoại, để yêu cầu nghe rõ tiếng, chỉ cần truyền đi các tần số từ 300 –2500Hz. Nghĩa là bề rộng giải sóng là 2Ġ 2.500Hz = 5.000 Hz. Trong liên lạc điện báo, chỉ cần bề rộng giải sóng khoảng 300 - 600Hz. Đối với tín hiệu cần truyền đi như âm nhạc, tần số làm biến điệuĠ có thể biến thiên từ 50 – 10.000Hz nghĩa là bề rộng dải sóng sau khi điều chế khá rộng 2Ġ 10.000Hz = 20.000Hz . Đối với vô tuyến truyền hình, bề rộng giải sóng đến hàng triệu Hz. vì tần số làm biến điệuĠ phải nhỏ hơn tần số sóng mang nhiều, nên không thể thực hiện biến điệu biên độ với các sóng mang có tần số thấp được mà phải dùng sóng cao tần có tần số hàng chục MHz. 4. Công suất của dao động biến điệu. Ta biết công suất của dao động tỉ lệ với bình phương biên độ. Vì vậy công suất trung bình khi biến điệu biên độ : M 2 PU2 (1+ ) 0 2 Công suất trung bình của sóng manŧ, như vậy sau khi biến điệu biên độ, công suất trung bình tăng lên. Muốn tăng công suất dao động, ta có thể tăng hệ số biến điệu. Tuy nhiên khi tăng M độ méo phi tuyến cũng tăng (xem phần tách sóng), nên chỉ tăng M đến một giới hạn nào đó thôi. Ta nhận thấy hai giải biên của điều chế biên độĠī vàĠĭ đều chứa cùng một lượng thông tin Ω neân ñeå tieát kieäm giaûi taàn vaø naâng cao coâng suaát phaùt, trong kyõ thuïaât phaùt ñôn bieân (single side band) người ta chỉ truyền đi một giải bên mà thôi. 5. Các sơ đồ thực hiện biến điệu biên độ. Sơ đồ dùng transistor dưới đây là một trong những mạch điện dùng để điều chế biên độ : +VCC ubñ ω1 ω2 Mạch điện điều chế biên độ
6. Ưu và khuyết điểm của điều chế biên độ. * Ưu điểm : - Mạch đơn giản, rất dễ dàng tạo ra điều chế biên độ. - Các sóng cao tần có băng tần từ sóng rất dài (VLW), sóng dài (LW), sóng trung (MW), sóng ngắn (SW), sóng cực ngắn (VHF), sóng cực tần số (UHF), sóng siêu cao (SHF) đều có thể dùng để điều chế biên độ được. * Khuyết điểm : - Nhiểu xâm nhập vào biên độ dễ dàng, không thể loại bỏ ra được. - Các biên độ quá cao của tín hiệu sẽ bị các tầng khuếch đại cắt xén mất. Biến điệu biên độ thường dùng để phát thanh trên các băng tần MW, SW và phát hình ảnh trong vô tuyến truyền hình. III- BIẾN ĐIỆU TẦN SỐ (FM : Frequency Modulation). 1. Nguyên tắc. Dưới tác dụng của dao động cần truyền đi, tần số của sóng mang cao tần bị biến đổi. Trong nửa chu kỳ dương của dao động làm biến điệu, tần số sóng cao tần bị biến điệu tăng dần cho đến cực đại (ứng với cực đại của dao động làm biến điệu), sau đó tần số giảm dần. Khi biên độ tín hiệu làm biến điệu bằng không, tần số sóng cao tần bị biến điệu bằng với tần số sóng cao tần chưa bị biến điệu. Trong nửa chu kỳ âm của dao động làm biến điệu, tần số sóng cao tần bị biến điệu giảm dần cho đến cực tiểu (ứng với cực tiểu của dao động làm biến điệu), sau đó tần số tăng dần. Khi biên độ tín hiệu làm biến điệu bằng không, tần số sóng cao tần bị biến điệu lại bằng với tần số sóng cao tần chưa bị biến điệu. u2 t u1 t u Đ iều ch ế tần s ố t Giả sử dao động cao tần có dạng: ut11()=+ U sin(ω t θ ) vôùi ω = 2π f. Dao động của tín hiệu cần truyền đi: ĉ với Ġ = ĲF. Đặt pha: Ġ Trong đó tần số gốc: Ġ Khi có biến điệu tần số ta có: dϕ = ω +ΩkUsin t dt 2 Hay ϕω=+(sin)tkU Ω tdt ∫ 2 kU Suy ra ϕω=−(cos)(cos)tttKt2 Ω=− ω Ω Ω
với Ġ không thay đổi theo thời gian. Vậy sóng cao tần bị biến điệu được biểu diễn bằng biểu thức: uU=−Ω1 sin(ω tK cos t ) 2. Phổ của dao động biến điệu : Ta khai triển biểu thức trên: uU=Ω−Ω1 {sinωω t .cos( K cos t ) cos t .sin( K cos t ) } Tính cos(Kcoųt) và sin(Kcoųt) : Ta đặt : Kcoųt = X Nhớ lại rằng : Ġ Ta có :Ġ 1cos2+ΩtK4 XK44==+Ω+Ω[][1cos22cos2] 2 2 t t 24 K 4 1cos4+Ωt =+[1 2 cos 2 Ω+t ( )] 42 K 4 =+Ω+Ω[3 4cos 2tt cos 4 ] 8 Suy ra: 1 KK22 cosXttt=− 1 [ (1 + cos 2 Ω )] + [3 + 4cos 2 Ω+ cos 4 Ω− ] 2! 2 8.4! Một cách tổng quát, ta có thể viết lại: cosXaatatat= [02 + cos 2 Ω+ 4 cos 4 Ω+ 6 cos6 Ω+ ] Tương tự ta tính tiếp : 1 XK333=Ω=Ω+Ωcos tK 3 [ (3cos t cos3 t )] 4 Suy ra: sinX=Ω+Ω+Ω+ [ b13 cos tb cos3 tb 5 cos5 t ] Thế sinX và cosX vào biểu thức của u, ta được : uU=−Ω1 sin(ω tK cos t ) =−UtXtX1[sinω .cos cosω .sin ] trong đó :Ġ =±Ω±Ωf (ω ,ωω 2 , 4 , ) cosωtX .sin=Ω+Ω+=±Ω±Ω cosωωωω tbtb [13 cos cos3 t ] f ( , , 3 , ) Nhö vaäy ñieän aùp cuûa dao ñoäng ñaõ điều chế tần số là tổng các hàm số hình sin có tần số:Ġ uf= (ω ,ωω±Ω , ± 2 Ω , ω ± 3 Ω , ) u ω-nω ω ω+nω Phoå cuûa bieán ñieän taàn soá
3. Ưu và khuyết điểm của điều chế tần số : * Ưu điểm: Khắc phục được các nhược điểm của điều chế biên độ : - Nhiểu xâm nhập vào biên độ, sẽ loại bỏ dẽ dàng ở tầng hạn biên (Limiter) ở máy thu. - Các biên độ quá cao của tín hiệu khi điều chế tần số sẽ biến thành tần số cao nên không bị các tầng khuếch đại cắt xén mất. - Vì vậy thu phát sóng FM rất trung thực, thường được dùng để phát ca nhạc. * Khuyết điểm : - Mạch điện phức tạp hơn điều chế biên độ. - Vì phổ tần số của biến điệu tần số quá rộng, nên chỉ có các băng tần cao mới dùng cho điều chế tần số được : sóng cực ngắn (VHF), sóng cực tần số (UHF), sóng siêu cao (SHF). Biến điệu tần số thường dùng để phát thanh ca nhạc hoặc phát âm thanh trong vô tuyến truyền hình.
BÀI 2: TÁCH SÓNG Tách sóng hay còn gọi là giải biến điệu (Démodulation). Nó là một quá trình ngược lại điều chế: tách dao động làm biến điệu ra khỏi dao động biến điệu. I- TÁCH SÓNG BIÊN ĐỘ. 1. Nguyên tắc: Điện áp thu được trên ăng-ten máy thu có dạng: u = UM sinω t = U0 (1+Msin Ω t)sinω t UM UM uU=+sinωω t00 cos( −Ω−+Ω ) t cos( ω ) t ] 0 22 Trong đó M là hệ số biến điệu, tỉ lệ với biên độ U2 của dao động làm biến điệu. Vấn đề ta phải tách tín hiệu làm biến điệu ra u2 = U2siŮ t mà không làm méo dạng nó. Dùng linh kiện tuyến tính: Sóng cao tần đã bị điều chế biên độ có dạng : u = UMsiŮt = U0(1+MsiŮt)siŮt, nếu ta dùng một yếu tố tuyến tính như điện trở để tách sóng: Dòng qua điện trở khi có điện áp u đặt vào: 11 i = f (u) = uUMtt=+Ω(1 sin )sinω RR0 Như vậy ta không tách thành phần chứaĠ ra được. Dùng linh kiện phi tuyến tính: Ta dùng một yếu tố phi tuyến như một điốt để tách sóng: Dòng điện qua điốt khi có điện áp u đặt vào: i = f (u). i 0 u Ta nhớ lại rằngÑë một hàm á số V f(z)Aûñiá liên tục tại a, ta có thể khai triển f(z) thành chuổi luỹ thừa theo (z-a): 2 3 n f(z) = a0 + a1(z-a) + a2(z-a) + a3(z-a) + an(z-a) . Như vậy ta có thể khai triển dòng điện i qua điốt theo hàm số u tại trị số a = 0. 2 3 n i = f(u) = a0 + a1u + a2u + a3u + anu . 222 ifuaaUM==++Ω( )010 (1 sin t )sinωω taUM + 20 (1 +Ω sin t ) sin t + =+a010 a U (sin ω+ t Msin Ω t.sin ω+ t) 1cos2t−ω ++a U222 (1 M sin Ω+Ω t 2Msin t)( ) + 00 2 =+a010 a U (sin ω+ t Msin Ω t.sin ω+ t) 1cos2t−Ω−ω 1cos2t ++Ω+a U22 [1 2Msin t M ( )]( ) + 20 22 22 2 aU M iI=+ aUMtsin Ω−20 cos 2 Ω+ t {0201442 4 43 4 1 chieu huu ich 1442443 nhieu +±Ω+Ω±Ωf (ωω , , ω 2 ,2 ω , ) 1444442444443 cao tan
Như vậy, sau tách sóng dòng điện có các thành phần như sau: - I0 là thành phần một chiều (dùng làm mạch AVC hoặc AGC trong máy thu). - Thành phần hữu ích chứaĠ. - Thành phần chứa Ĳ là nhiểu, loại bỏ bằng cách giảm hệ số điều chể M ở máy phát. - Thành phần cao tần chứaĠ,Ġā, ĠĲ, Ĳā,ĲĲ, 2.- Mạch điện tách sóng biên độ: Để lấy lại thành phần hữu ích đã phát đi ở máy phát, ta dùng mạch điện đơn giản như sau: D Uvaøo C R Ura hh Nếu phân tích dạng sóng tín hiệu trước và sau mạch tách sóng ta thấy rằng, trước mạch tách sóng, dạng sóng của tín hiệu là điều chế biên độ như hình (a). Sau mạch tách sóng, dạng tín hiệu thu được có dạng như hình (b) vì điốt tách sóng chỉ cho phần dương của tín hiệu qua, phần âm bị chặn lại. tt tt (a) (b) Như vậy ở hai đầu tải R của mạch tách sóng ta thu được một dòng điện tổng hợp (b), có thể phân tích thành 3 thành phần như sau: - Thành phần hữu íchĠ: (hình d) có tần số thấp, qua tụ điện liên lạc đến tầng khuếch đại điện áp phía sau. - Thành phần cao tần : (hình e) có tần số cao, bị triệt bỏ bởi tụ điện C. Ta chọn tụ điện có điện dung C để:Ġ vì vậy thành phần cao tần bị dẫn xuống masse. - Còn lại thành phần một chiều I0 : (hình f) được dùng trong mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại của máy thu thanh AVC (Automatic Volume Control) hoặc AGC (Automatic Gain Control) ở máy thu hình. t t (e) t 0 t (b) (f) 0 t (d)
II- TÁCH SÓNG TẦN SỐ. Khi thu dao động biến điệu tần số, trước hết ta chuyển nó thành dao động biến điệu biên độ, sau đó tách sóng biên độ như đã xét ở phần trên. Mạch tách sóng biến điệu tần số gồm một khung dao động LC, đầu ra nối với mạch tách sóng biên độ bình thường. u u ω 2 ∆ω t ω ω t ω Giả sử tín hiệu biến điệu tần số có biên độ không đổi: uU=+Ω=10sin(ω tK cos t ) U 1 sinθ ( t ) được đặt vào mạch dao động LC có hệ số phẩm chất không lớn lắm (đường cong cộng hưởng có dạng tùø). Mạch này được điều chỉnh cộng hưởng về tần sốĠ. Ngoài ra còn chọn sao cho độ biến đổi tần sốĠ nằm trọn trên phần thẳng của đường cong cộng hưởng. Như vậy khi tần số biến đổi,biên độ điện áp trên mạch cộng hưởng LC cũng biến đổi đúng như qui luật biến đổi tần số. Vì vậy dao động biến điệu tần số được chuyển thành dao động biến điệu biên độ. Sau đó là mạch tách sóng biên độ bình thường nhờ điốt D và mạch lọc RC’. L C D U C’ R ñt Độ biến đổi biên độ phải lặp lại đúng qui luật của độ biến đổi tần số, muốn vậy đoạn hoạt động trên đường cong cộng hưởng phải thẳng và đủ dài. Để đảm bảo điều này, người ta kết hợp 2 mạch dao động: hai khung dao động L1C1 và L2C2 chỉnh cộng hưởng lệch nhau ở 2 tần số nằm hai bên f0 f = ff−∆ 10 f20= ff+∆ trong đóĠ là độ lệch tần số cực đại. Các điốt D1 và D2 được mắc sao cho khi tần số lệch sang hai bên f0 thì ta nhận được các biên độ điện áp có cực tính khác nhau trên tải.
L1 C1 D1 Ura2 u Ura u f f C R U 1 0 1 ra1 u 2 f1 f f2 f 0 f0 f1 C R Ura2 L2 C2 D2 Ura1 ∆f ∆f Đường chầm chấm ở hình trên đây là tổng hợp của 2 đặc tuyến cộng hưởng Ura1 và Ura2, ta thấy đường này có đoạn thẳng khá dài, tức là đã đạt được yêu cầu đặt ra. Nhược điểm của mạch tách sóng này là hoạt động không ổn định do tần số cộng hưởng của các khung dao động có thể bị biến đổi, làm thay đổi đặc tuyến tách sóng. Dưới đây là một mạch tách sóng tần số khác, có tên mạch tách sóng phân biệt, chỉ dùng một khung dao động không chỉnh lệch. Trong sơ đồ này L1C1 và L2C2 cùng được điều chỉnh về tần số f0. Các khung này liên kết cảm ứng với nhau đồng thời liên kết điện dung qua tụ điện C0. Từ khung L2C2 điện áp biến điệu tần số đặt vào anot của 2 diot. Tải của các diot là các bộ lọc R1C3, R2C4. Điện áp trên cuộn dây L0 gần bằng điện áp hai đầu khung dao động L1C1, nên có thể xem mỗi diot chịu tác dụng của tổng hai điện áp cao tần: điện áp trên khung L1C1 và điện áp trên nửa cuộn L2. Nếu đưa điện áp chưa điều tần (có tần số f0) vào mạch tách sóng thì điện áp trên 2 diot sẽ bằng nhau và tổng độ giảm thế trên các tải R1,R2 bằng không. Nếu đưa điện áp đã điều tần vào mạch tách sóng thì: - Khi tần số giảm, dòng điện trong mạch L2C2 sẽ nhanh pha hơn sức điện động cảm ứng xuất hiện trong nó và do đó điện áp trên diot D1 sẽ lớn hơn trên diot D2 và ở mạch ra ta thu được một hiệu điện thế. - Khi tần số tăng, dòng điện trong mạch L2C2 sẽ chậm pha hơn sức điện động cảm ứng xuất hiện trong nó và do đó điện áp trên diot D1 sẽ nhỏ hơn trên diot D2 và ở mạch ra ta thu được một hiệu điện thế ngược dấu với trường hợp trên. Hiệu điện thế thu được ở mạch ra sẽ tỉ lệ với độ lệch tần số (so với f0) của dao động biến điệu tần số. Như vậy ta thấy rằng tín hiệu có tần số biến thiên đưa đến đầu vào của mạch tách sóng đã được biến đổi thành tín hiệu có biên độ biến thiên ở đầu ra. C0 L0 D1 C3 R1 U1 C1 L1 L2 C2 Mạch tách sóng FM
Chương V HỆ DAO ĐỘNG I- MẠCH DAO ĐỘNG CÓ THÔNG SỐ TẬP TRUNG. Gồm có các linh kiện R, L, C trong đó năng lượng từ được tập trung trong cuộn dây L, năng lượng điện được tập trung trong tụ điện C. điện trở R đặc trưng cho sự mất mát năng lượng điện từ. Hệ còn được xem có thông số tập trung khi giá trị các thông số của linh kiện lớn hơn nhiều so với giá trị các thông số của dây nối, thông số ký sinh Hệ có thông số tập trung bức xạ năng lượng điện từ rất ít, nên còn gọi là hệ kín. 1. Dao động riêng: Ta xét một mạch dao động LC sau đây: 1 2 Khi chuyển mạch K ở vị K trí (1), tụ điện được tích điện, giữa hai bản tụ điện có + một điện trường và có năng lượng xác định. Khi K chuyển sang vị trí (2), tụ điện - E C L bắt đầu phóng điện qua cuộn dây, điện trường của nó giảm dần, trong mạch R xuất hiện một dòng điện, nên trong cuộn dây xuất hiện một từ trường. Sau một khoảng thời gian (bằng 1/4 chu kỳ dao động), tụ điện phóng hết điện và điện trường biến mất hoàn toàn. Nhưng khi đó dòng điện đạt giá trị cực đại (vì có hiện tượng tự cảm lúc đóng mạch nên dòng điện tăng chậm) và từ trường cũng đạt giá trị cực đại. Như vậy năng lượng điện trường đã hoàn toàn biến thành năng lượng từ trường. Sau đó từ trường biến mất vì dòng điện gây ra từ trường mất đi. Nhưng khi từ trường mất đi làm xuất hiện dòng điện tự cảm lúc ngắt mạch tích điện cho tụ điện theo chiều ngược lại lúc ban đầu. Sau một nửa chu kỳ (kể từ lúc bắt đầu quá trình), từ trường mất hoàn toàn, điện trường đạt cực đại. Năng lượng từ trường biến lại thành năng lượng điện trường. Tiếp sau đó, tụ điện lại phóng điện, nhưng dòng điện ngược chiều với dòng điện trong giai đoạn trứơc. Trong mạch đã có dao động điện từ. Khi điện trở trong mạch R bằng không, ta có được mạch dao động duy trì. Dao động này xảy ra không có sự tham gia của tác dụng bên ngoài, nên được gọi là dao động riêng hay dao động tự do. Định luật Kirchoff “Tổng các độ giảm thế trên các phần của mạch điện bằng tổng các suất điện động tác dụng trong mạch”, nên ta có: dI RIu+=− L (1) dt Trong đó hiệu điện thế trên hai bản tụ điện là Ġ và dòng điện trong mạchĠ Thay các biểu thức này vào phương trình trên, ta được: dQ2 dQ Q LR+ +=0 dt2 dt C du2 du LC++= RC u 0 (2) dt2 dt du2 Rdu u Hay: ++=0 dt2 L dt LC Để thuận tiện, ta đặtĠ hayĠ vàĠ . Trên thực tế, R nhỏ nênĠ (3) Phương trình trên trở thành: Ġ (4) và có nghiệm số là:Ġ vớiĠ (5) các hằng số A vàĠ được xác định bằng các điều kiện ban đầu:
Lúc t = 0 thìĠ ta thu được kết quả: −αt uU= 01eos cω t (6) và Ġ (7) Với điều kiện (3), cho phép ta xemĠ (8) Kết quả (7) cho ta thấy dao động điện từ trong mạch LC là dao động tắt dần. Độ tắt dần xác định bởiĠ. Trường hợp lý tưởng R = 0Ġ, dao động trong mạch là một dao động điều hòa: π iI=+cos(ω t ) . (9) 002 Chu kỳ của dao động riêng:Ġ (Đây là công thức Thomson) (10) Bước sóng điện từ tương ứng là:Ġ với c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Để đặc trưng cho độ tắt dần của dao động, người ta đưa vào khái niệm hệ số phẩm chất Q của mạch, được định nghĩa như sau: Naêng löôïng dao ñoäng cöïc ñaïi Q = 2π Naêng löôïng maát maùt trong moät (Hệ số Ĳ để tiện tính toán) 2 Im L Lω Q ==2π 2 0 (11) I 2 R RTm 2 0 Thông thường hệ số Q càng lớn thì phẩm chất của mạch càng tốt. Nghịch đảo của Q được gọi là hệ số tắt dần của mạch: 1 R d == QLω0 2. Dao động cưỡng bức – sự cộng hưởng: Trong các mạch vô tuyến điện, các mạch thường dao động dưới tác dụng của sức điện động bên ngoài, được mác nối tiếp hoặc song song vào mạch điện. a- Mạch nối tiếp – Cộng hưởng điện áp: Giả sử nguồn sức điện động ngoài C là điều hòa và có điện trở nội Ri rất nhỏ có thể bỏ qua được: L e = Emcoųt và Ri = 0. Lúc này trong mạch có dao động u cưỡng bức được mô tả bởi phương trình: du2 du ++=2cosα ωω2uE t. R dt2 dt 0 m Nghiệm của phương trình vi phân này bằng nghiệm tổng quát của phương trình vi phân không có vế phải cộng với nghiệm riêng của phương trình có vế phải: Maïch lieân keát tieáp π iIe=++−' −αt cos(ω t ) I cos(ωϕ t ) mm0 2 Số hạng thứ nhất biểu diễn dao động riêng tắt dần, số hạng thứ hai biểu diễn dao động cưỡng bức với tần sốĠ của sức điện động ngoài. Sau giai đoạn quá độ, số hạng thứ nhất mất đi và chỉ còn lại số hạng thứ hai: i = Imcos (ω t -ϕ ) trong đó biên độ Ġ và độ lệch pha Ġ
với Ġ là tổng trở vàĠ là điện kháng của mạch. Ta thấy khi dòng điện cưỡng bức đạt giá trị cực đại khi X = 0 hayĠ, tức làĠ, ta nói rằng trong mạch xuất hiện cộng hưởng. Khi có cộng hưởng thì: • Độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp bằng không:Ġ = 0. • Trở kháng của mạch cực tiểu và bằng điện trở thuần R: Z=R. Nếu xét biên độ hiệu điện thế trên tụ điện và trên cuộn dây, khi cộng hưởng ta có: ⎧ Em ⎪UILL ==mmωω L0 = QE ⎪ R ⎨ IE ⎪ mm UQECm== = ⎩⎪ CRCωω0 Ta thấy chúng bằng nhau và lớn hơn biên độ sức điện động ngoài Q lần. Ta gọi trường hợp này là cộng hưởng điện áp. b- Mạch song song – Cộng hưởng dòng điện: Giả sử điện trở nội của nguồn Ri rất lớn. Ở đây ta cũng có dao động cưỡng bức và xuất hiện cộng hưởng. Ta tìm tần số và trở kháng của mạch khi có cộng hưởng. Ta đặt:Ġ là trở kháng phức của nhánh có cuộn dây L và điện trở R. L j e C Z2 =− = jX C ωC là trở kháng phức của nhánh có tụ điện R C. Trở kháng tương đương của mạch: Z12.(Z R+ jXLC ) jX Ztd == ZZ12+ R ++jX()LC X Maïch song song 222 RXXRXXXCCLLC()++ =+2222j (12) RXX++()LC RXX ++ () LC Khi có cộng hưởng, độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp bằng không, trở kháng tương đương của mạch phải là số thực: 22 XRCCLC()0++ X XX = Phương trình này cho ta kết quả: Ġ (nghiệm thường) hoặc: Ġ R2 hay: XXLC+=− (13) X L Ở tần số cộng hưởng:Ġ ta đã đặtĠ vàĠ vớiĠ là điện trở sóng, nên: 11R2 C ω 22=−=(1 −R ) ch LC L2 LC L R2 ω 22=−<ωω(1 ) 2 (14) ch 00ρ 2 Trường hợp điện trở R trong mạch nhỏ:Ġ (15) Khi có cộng hưởng trở kháng tương đương của mạch là: 2 RX C ch ZZ==td 22 RXX++()LC
Nếu R nhỏ và thay XL = XC (theo 13), ta có: XX2222ω L 1 ρ 2 Z ≈==CL0 = = ch R RRω 22 CRR ρ 2 Z ==QQRρ =2 (16) ch R Vậy, khi có cộng hưởng tần số cộng hưởng gần bằng tần số dao động riêng của mạch, trở kháng cộng hưởng cực đại (xét 12) và lớn hơn điện trở sóng Q lần. Dòng điện chính trong mạch cực tiểu. Để tính dòng điện trong các nhánh, chúng ta để ý rằng công suất toả ra từ nguồn bằng công suất tiêu hao trong mạch: 11 Z IRI22= 22ch C n trong đó, IC là dòng điện trong mạch chính, In là dòng điện trong các nhánh. Từ đó: Z ρ 2 III222==ch nCCRR2 Hay: IQInC= (17) Vậy dòng điện trong các nhánh lớn hơn dòng điện chính Q lần nên cộng hưởng song song còn gọi là cộng hưởng dòng điện. II- HỆ DAO ĐỘNG CÓ THÔNG SỐ PHÂN BỐ: 1. Mạch dao động có thông số phân bố: a- Khái niệm về hệ có thông số phân bố – Hệ kín và hệ hở: Trong mạch dao động LC có thông số tập trung (hệ kín), mạch không bức xạ năng lượng ra ngoài vì năng lượng điện chỉ tập trung trong tụ điện C và năng lượng từ chỉ tập trung trong cuộn cảm L. Sau đây ta xét một mạch dao động hở: Để có một mạch dao động hở, ta có thể dùng một tụ điện có các bản cực xa nhau và một cuộn cảm có các vòng dây xa nhau. Như thế một phần đường sức từ trường và điện trường đi ra ngoài mạch. Một phần năng lượng của mạch được bức xạ ra ngoài không gian chung quanh. Mạch dao động bức xạ càng tốt nếu nó càng hở. Trong trường hợp giới hạn, mạch có dạng một dây dẫn thẳng. Nó được gọi là ăng-ten, khác với mạch dao động kín có thông số tập trung, ăng-ten là một mạch dao động hở có thông số phân bố: độ tự cảm của ăng-ten được xác định bởi độ tự cảm của từng đoạn dây, điện dung của ăng-ten cũng được xác định giữa các phần của nó. Vì thế ăng-ten cũng là mạch dao động có tần số riêng hoàn toàn xác định. Quá trình dao động trong ăng-ten xảy ra do sự tích điện và phóng điện của các điện cảm và điện dung phân bố. Khi trong ăng- ten có dao động điện từ thì các điện tích tự do dịch chuyển dọc theo nó. Chúng gây ra không gian chung quanh một điện trường biến thiên và từ truờng biến thiên. Điện từ trường này lan truyền ra xa ăng-ten với vận tốc xác định dưới dạng sóng điện từ.
b- Dao động riêng của hệ có thông số phân bố: + + - + + + + 1 K + I I E 2 - - - - - + - u i 0 t Điện thế và dòng điện trên một ăng-ten lưỡng cực Như trong hệ có thông số tập trung, hệ có thông số phân bố cũng xãy ra các quá trình dao động riêng có tần số hoàn toàn xác định. Lấy ví dụ một dao động tử đối xứng hay lưỡng cực: Khảo sát như trường hợp mạch có thông số tập trung, nối hai nửa dao động tử đối xứng với nguồn nuôi một chiều: Khi chuyển mạch K ở vị trí (1), sau khi điện dung phân bố trên sợi dây đã được tích điện và hai đầu của nó đã o một hiệu điện thế, ta ngắt nguồn điện và nối 2 nửa đoạn dây với nhau, khoá K ở vị trí (2). Các điện dung phân bố bắt đầu phóng điện qua khoá K. Chúng ta thấy dòng điện và điện áp phụ thuôc vào cả vị trí điểm ta xét trên dây dẫn và thời gian. Trước hết, ta xét sự phụ thuộc vào vị trí: Tại phần giữa của dây, dòng phóng điện là lớn nhất (ở thời điểm bất kỳ), nghĩa là ở đó có bụng dòng điện. Càng đi về hai đầu mút, dòng điện giảm dần và tại 2 đầu mút, dòng điện bằng không, nghĩa là ở đó ta có các nút dòng điện. Hiệu điện thế giữa các điểm cách đều điểm giữa càng lớn nếu chúng càng xa điểm giữa, vì càng xa điểm giữa phần điện cảm hoặc điện dung tham gia vào việc tạo thành hiệu điện thế đó càng lớn. Giữa 2 dây dẫn có nút và ở 2 đầu có bụng điện áp. Điện áp ở 2 múùt có dấu khác nhau. Ta theo dõi sự biến đổi của dòng điện và điện áp theo thời gian: Khi phóng điện, dòng điện tăng dần lên đạt giá trị cực đại. Sau thời gian Ġ dòng điện đạt giá trị cực đại (bụng dòng điện), sự phóng điện kết thúc. toàn bộ năng lượng điện biến thành năng lượng từ tập trung trong điện cảm phân bố. Lúc này điện áp 2 đầu mút bằng không. Sau đó dòng điện giảm dần, đến lúc Ġ dòng điện bằng không, điện áp có giá trị như lúc t = 0 nhưng có dấu ngược lại. Sau đó quá trình cứ tiếp tục theo thứ tự ngược lại cho đến lúc t = T.
u Như vậy, trong dây dẫn xuất hiện dao động điện từ riêng có chu kỳ hoàn toàn xác định. Chúng ta thấy có sóng đứng dòng l điện và điện áp, trên dao động tử có nửa bước sóng. Do đó, bước sóng dao động riêng cơ bản của dao động tử dài gấp đôi chiều dàiĠ của nó: llk I λ 0 = 2 l Dao động dòng điện và điện áp trong dây dẫn lệch pha nhauĠ/2. Bây giờ nếu nối một đầu dây dẫn xuống đất, trên dây chỉ còn lại một phần tử bước sóng. Trường hợp này sợi dây là dao động tử không đối xứng và bước sóng riêng cơ bản được tính theo hệ thức: Cũng như hệ có thông số tập trung, dao động riêng trong hệ có thông số phân bố là dao động tắt dần do bức xλạ,0 do = 4 tiêul thụ năng lượng trên điện trở của dây c- Dao động cưỡng bức trong hệ có thông số phân bổ: Khi kích thích dao động tử bằng nguồn có sức điện động ngoài, sẽ xãy ra dao động cưỡng bức và có cộng hưởng khi tần số nguồn ngoài bằng tần số riêng của dao động tử. Để hoà hợp tần số giữa nguồn ngoài và dao động tử, cần phải thay đổi chiều dài của nó, như vậy rất phiền phức, trong thực tế, người ta mắc thêm vào dao động tử một cuộn cảm hay một tụ điện có điện dung biến đổi được. Khi mắc cuộn cảm vào thì độ tự cảm của mạch tăng, bước sóng riêng tăng lên, vì vậy người ta dùng cuộn cảm khi chiều dài của dây bé hơn một phần tư sóng kích thích. Khi mắc tụ điện vào, thì điện dung tổng cộng giảm, bước sóng riêng của dây giảm, vì vậy người ta dùng tụ điện khi chiều dài của dây dài hơn một phần tư sóng kích thích. (a) L (b) C CA
Chương VI ĂNG-TEN VÀ SỰ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN I- ĂNG-TEN. Ăng-ten là hệ dao động hở, có thông số phân bố. 1. Bức xạ năng lượng điện từ của ăng-ten: Khi kích thích ăng-ten bằng máy phát, trong ăng-ten có dao động điện từ cưỡng bức và không gian xung quang ăng-ten sẽ có trường điện từ biến thiên truyền đi với vận tốc ánh sáng, người ta nói ăng-ten bức xạ. Chúng ta xét trường hợp ăng-ten là một lưỡng cực, nối vào tâm của lưỡng cực một sức điện động ngoài điều hòa, trong ăng-ten sẽ có một dao động điện cưỡng bức có tần số bằng tần số sức điện động ngoài. Lúc t = 0: dòng điện trong ăng-ten bằng không, điện tích của lưỡng cực bằng không và đườ ng(a) s ứ c đ(b)iện trường không có mặt (a). Trong khoảng t = 0 đến t = T/4: dòng điện tăng, điện tích sẽ dịch chuyển từ 2 cực của nguồn đến 2 đầu mút của ăng-ten, do đó đường sức của điện trường cũng dịch chuyển theo. Đến t = T/4: dòng điện ngừng tăng, các đường sức đến tận các mút của ăng-ten (b). Từ t = T/4 đến t = T/2: dòng điện giảm và điện tích dịch chuyển từ các đầu mút đến trung tâm ăng-ten, các đường sức điện trường co lại về trung tâm. Tại thời điểm t = T/2, dòng điện bằng không, điện tích lưỡng cực bằng không và trong không gian còn lại các đường sức khép kín, đường xa nhất cách ăng-ten một khoảng bằngĠ/2 (c). Từ t = T/2 đến t = 3T/4 dòng điện trong ăng-ten lại tăng, nhưng theo chiều ngược lại. Các đường sức điện trường cũng dịch chuyển theo, có hướng ngược chiều so với các đường sức ở phần tư chu kỳ thứ nhất (d). Tương tự khi t = T điện tích của lưỡng cực lại bằng không và đường sức điện trường ban đầu đã lan truyền đi xa ăng-ten một khoảngĠ (e). Quá trình cứ tiếp diễn, theo Maxwell điện trường biến thiên sinh ra từ trường biến thiên và ngược lại. Vì vậy ta có trường điện từ biến thiên xung quanh lưỡng cực. Các đường sức từ trường là các vòng tròn đồng tâm bao quanh lưỡng cực. Trường điện từ này lan truyền trong không gian. t = 3T/4 t = T t = 0 t = T/4 t = T/2 + - + - - + - λ + λ 3λ λ 4 2 4 (a) (b) (c) (d) (e) 2. Bức xạ định hướng của ăng-ten: Khi ăng-ten bức xạ định hướng, năng lượng điện từ do ăng-ten phát ra không phân bố đều theo moi b hướng mà sẽ tạp trung vào những hứơng xác định. Ăng-ten phát và ăng-ten thu có giản đồ chỉ hướng giống nhau nên các giản đồ E dưới đây đặc trưng cho ăng-ten phát cũng như ăng-ten thu. Ăng-ten định hướng đơn giản là ăng-ten vr khung, giả sử sóng tới có vận tốcĠ làm với pháp tuyếnĠ của mặt phẳng khung một gócĠ, có vectơ điện a H β 900 – β
trường song song với cạnh. • Ta tính sức điện động cảm ứng trong khung: Từ trường trên mặt phẳng khung có dạng: H = Hm(x,y,z)cosω t Giả sử kích thước khung nhỏ hơn nhiều so với bước sóng, khi đó có thể coi biên độ Hm của từ trường không đổi trong phạm vi khung. Gọi N là số vòng dây của khung, từ thông cảm ứng qua khung là: Φ = NHmab sin β cosω t = NHmS. sin β cosω t. Trong đó S là diện tích của khung, sức điện động cảm ứng trong khung là: 12dΦ π eNHSt=− = sinβ sinω cdt λ m Hay: e = Emsinω t VớiĠ là biên độ của sức điện động cảm ứng, ta thấy Em phụ thuộc vào hướng sóng tới: nó cực đại đối với sóng truyền trong mặt phẳng khung (Ġ=Ġ/2), bằng không đối với sóng truyền vuông góc với mặt phẳng khung. Ta cũng chú ý rằng Em không phụ thuộc vào hình dạng mà chỉ phụ thuộc vào diện tích của khung. Hình bên đây cho thấy giản đồ chỉ hướng của ăng-ten khung trong mặt phẳng vuông góc với cạnh a của khung. Trên đây là sự bức xạ (hoặc thu) b định hướng của những ăng-ten đơn giản. Để tạo ra sự bức xạ định hướng tuỳ ý có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau. β Vì sóng vô tuyến điện cũng là sóng điện từ như sóng ánh sáng, nên có thể dùng những bộ phận phản chiếu cho những sóng cực ngắn (dm, cm) vì chúng gần với sóng ánh sáng. Đối với các sóng dài, có thể dùng phương pháp giao thoa: cho nhiều ăng-ten bức xạ đồng thời, mỗi ăng-ten được cấp bằng dòng điện có pha và biên độ khác nhau. Tùy theo biên độ và pha của các sóng tới mà trường tổng hợp theo hướng này hay hướng khác mạnh lên hay yếu đi, nghĩa là bưac xạ có tính định hướng. Để đơn giản, ta xét trường hợp các ăng-ten được nuôi bằng các dòng điện chỉ có pha khác nhau: i1 = I coųt và i2 = I cos Ĩtĭ ) M Trường do 2 ăng-ten sinh ra: E1 = Em1 cos (ϕ t) R2 2π∆ E2 = Em2 cos (ϕ t ∆ – ϕ - ) R1 λ trong đóĠt là α pha của sóng E1 ở M tại thời A2 A1 điểm t; b ∆ = R2 – R1 ≈ b cosα laø hieäu ñöôøng ñi cuûa 2 soùng. Ta đã giả thiết Em1 = Em2 = Em, ta có: π∆ ϕ π π∆ Em = E1 + E2 = 2Em cos ( + ) cos (ϕ t - − ) λ 2 2 λ Biên độ trường điện từ ở M là: π∆ ϕπαϕcos b EMmm( )=+=+ 2 E cos( ) 2 E m cos( ) λ 22λ Chú ý trường hợpĠ =Ġ/2 và b =Ġ/4, chúng ta thấy hai ăng-ten chỉ bức xạ về một phía, ăng- ten thứ hai phản chiếu năng lượng về phía ăng-ten thứ nhất. Vậy có thể thay đổi sự định hướng không gian của giản đồ bức xạ bằng cách thay đổi độ lệch pha giữa dòng điện nuôi các ăng-ten trong khi vẫn giữ nguyên hệ thống ăng-ten.
3. Ăng-ten thu thông dụng: Để nhận năng lượng sóng điện từ, ở phía máy thu phải có ăng-ten thu, ăng-ten đơn giản nhất là một sợi dây nối đất. Khi sóng điện từ đến ăng-ten thu, trong nó sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng biến thiên cùng tần số với sóng điện từ do ăng-ten phát truyền đến. Để có dòng điện lớn trong ăng-ten thu, cần làm cho nó cộng hưởng với dao động cần thu bằng cách nối ăng-ten thu với cuộn cảm hoặc tụ điện biến đổi để làm hoà hợp tần số như phần trên ta đã đề cập tới. Đối với các máy thu hiện đại, dù ăng-ten không cộng hưởng nhưng sức điện động cảm ứng vào ăng-ten khoảng vài micro-volt, cũng đủ để thu sóng điện từ đó. Các loại ăng-ten thông dụng như ăng-ten chữ T, chữĠ độ cao hiệu dụng của chúng lớn hơn độ cao hiệu dụng của ăng-ten thẳng đứng có cùng độ cao thực tế. Để giảm kích thước của ăng-ten người ta dùng ăng-ten ferrit (ferrit dùng làm ăng-ten là một nháom vật liệu có công thức Mo,Fe2O3 trong đó M là một cation hoá trị 2, thường là Zn, Cd, Ni, Cu, Co hoặc Mg, ferit có tính sắt từ) là một cuộn cảm có lỏi là thanh ferrit, thanh ferrit có khả năng tập trung đường sức từ, từ thông qua cuộn cảm tăng do đó sức điện động cảm ứng trong cuộn cảm tăng lên vài chục lần so với trường hợp cuộn cảm không có lỏi ferrit. Aêng-ten ferrit chỉ nhận được sóng điện từ khi lỏi ferrit đặt dọc theo đường sức từ của sóng tới. Do đó trục của ăng-ten ferrit phải đặt vuông góc với phương truyền sóng. Aêng-ten ferrit cũng là một loại ăng-ten định hướng, thường có tiết diện 1-2 cm2, dài 15 – 30 cm được dùng nhiều trong các radio bán dẫn. III- SỰ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN: Sóng vô tuyến điện được truyền trong khí quyển trái đất, khí quyển gồm các khí N, O, H Ở mặt đất, không khí có mật độ lớn nhất, lên cao mật độ không khí giảm dần. Lớp khí quyển bao quanh trái đất rất dày, có thể lên đến 1000km hay hơn nữa. Không khí có nhiều lớp, lớp dưới cùng là tầng đối lưu, không khí có thành phần không đổi. Ở độ cao hàng trăm km, khí quyển không đồng nhất, khí nặng nằm dưới, khí nhẹ nằm trên. Dưới tác dụng của bức xạ mặt trời không khí bị ion hoá và ở trên độ cao hàng trăm km có một tầng điện li, ảnh hưởng quan trọng đến sự truyền sóng vô tuyến điện. Trong tầng điện li, mật độ các hạt mang điện phân bố không đều, có nhiều cực đại ở các độ cao khác nhau: Lớp D: dưới cùng có độ cao tác dụng từ 60 – 80km chỉ xuất hiện ban ngày, hấp thụ mạnh sóng truyền qua nó. (độ cao tác dụng = 1/2 tích của thời gian sóng đi từ mặt đất đến lớp đó và quay về trái đất với vận tốc ánh sáng trong chân không). Lớp E: ở độ cao 110 –120km, bền nhất. Lớp F2: ở độ cao 300 – 400km, mùa đông hạ thấp xuống 225( 250km. Lớp F1: xuất hiện vào mùa hè, nằm dưới lớp F2 có độ cao khoảng 200km. Tầng điện li và các lớp không khí khác không có giới hạn rõ rệt, còn độ cao, bề dày, mật độ electron của các lớp thay đổi theo thời gian (ngày, đêm, mùa ) do nguồn ion hoá thay đổi. Sự biến đổi của tầng điện li làm ảnh hưởng đến sự truyền sóng điện từ, đặc biệt đối với sóng ngắn. F: 300-400km E: 110-120km D: 60-80km Ñaát Caùc taàng ñieän ly
Sự truyền sóng điện từ trong khí quyển: Sóng điện từ có bước sóng khác nhau sẽ truyền đi khác nhau, nên người ta ghép các sóng điện từ có cùng đặc tính lại thành từng băng (band): • Sóng rất dài (VLW) : 25KHz 3GHz (sóng cm, mm). Sóng vô tuyến điện truyền đi trong khí quyển với vận tốc: c v = εµ trong đóĠ vàĠ là hằng số điện môi và độ từ thẩm của môi trường, c là vận tốc của ánh sáng trong chân không. Cũng như ánh sáng, sóng điện từ cũng có các tính chất như: khuếch tán, hấp thụ, phản xạ, khúc xạ, giao thoa Khi sóng được truyền dọc theo mặt đất, ta có sóng đất hay tia đất. Khi bức xạ vào trong không gian, có phương làm với mặt đất một góc nào đó, sóng được gọi là sóng trời hay tia trời. • Sóng rất dài: Tia đất bịMaët hấ pñaát th ụ mạnh, tuy nhiên ít bị nước biển và đất hấp thụ, nên thường dùng để liên lạc giữa mặt đất – tàu ngầm hoặc mặt đất – hầm mỏ. • Sóng dài: Tia đất của sóng này bị nhiễu xạ mạnh, vì bước sóng của nó so sánh được với kích thước các miền gồ ghề trên mặt đất. Mặt đất và các vật cản hấp thụ mạnh sóng dài. Sóng dài phản xạ tốt từ các tầng điện li, ban ngày phản xạ từ lớp D, ban đêm phản xạ từ lớp E. Có thể phản xạ nhiều lần nên bị tầng điện li hấp thụ mạnh, nên công suất truyền phải lớn. Mùa đông và ban đêm sóng dài truyền đi tốt hơn mùa hè và ban ngày. Tuy nhiên sóng dài không bị hiện tượng fading (gây bởi hiện tượng giao thoa), điều kiện truyền ổn định nhất. Thường dùng liên lạc trong các thành phố. • Sóng trung: ban ngày tia trời bị tầng điện li hấp thụ mạnh nên không liên lạc đi xa được. Tia đất bị hấp thụ mạnh, độ hấp thụ càng lớn khi sóng càng ngắn và đất có độ dẫn điện càng bé. Ít bị nước biển hấp thụ, đất khô hấp thụ nhiều hơn đất ẩm ướt. Ban ngày sóng trung truyền gần, về đêm truyền càng xa do ít bị hấp thụ khi phản xạ ở tầng điện li. Sóng trung bị hiện tượng fading mạnh. Thường dùng liên lạc trong thành phố lớn. • Sóng ngắn (và một phần sóng trung): bị mặt đất và các vật cản hập thụ mạnh do có tần số cao. Đặc biệt đối với sóng này có miền lặng (có khoảng cách từ tia đất ngoài cùng và tia trời phản xạ từ tầng điện li xuống), không thu được sóng, miền này kéo dài từ vài trăm đến hàng nghìn km tuỳ theo thời gian (ngày, đêm) và bước sóng, sóng càng ngắn miền lặng càng rộng. Trong Mieàn laëng
miền nghe được, việc thu tốt nhưng luôn luôn bị hiện tượng fading rất mạnh. Tia trời của sóng ngắn thường phản xạ ở lớp F2 và bị lớp E hấp thụ mạnh vì phải qua lớp này 2 lần. - Sóng 80 – 200m không có miền lặng. - Sóng 50 – 80m đôi khi có miền lặng vào ban đêm. - Sóng 35 – 70m chủ yếu được dùng để liên lạc xa ban đêm nên gọi là sóng đêm. - Sóng 10 – 25m ít bị lớp E hấp thụ nên được dùng liên lạc ban ngày nên được gọi là sóng ngày, miền lặng lại rất rộng, nhất là ban đêm. Ưu điểm của sóng ngắn là có thể liên lạc rất xa nhờ tia trời (máy có công suất phát vài chục Watt, có thể liên lạc được với nửa bên kia trái đất tức xa 20.000km). Tuy nhiên những xáo trộn trong tầng điện li làm ảnh hưởng mạnh đến sự truyền sóng ngắn, đặc biệt ta quan sát được hiện tượng tiếng vọng vô tuyến (radioecho) do tín hiệu đi theo 2 đường khác nhau từ ăng-ten phát đến ăng-ten thu. • Sóng cực ngắn, sóng cực tần số : Các sóng này không bị phản xạ ở tầng điện li mà đi xuyên qua nó để vào không gian vũ trụ. Tia đất của các sóng này bị đất hấp thụ mạnh. Do đó các sóng này chỉ liên lạc được trong phạm vi nhìn thấy của ăng-ten phát và ăng-ten thu. Muốn truyền đi xa cần đặt các ăng-ten khá cao. Thường dùng trong phát truyền hình và phát thanh FM, liên lạc ra vũ trụ. Các sóng này ít bị hiện tượng fading và thời gian (ngày, đêm, mùa ) vì tầng điện li không ảnh hưởng đến sự truyền của các sóng này. Ngoài ra các sóng này có bức xạ định hướng tốt, không bị nhiểu loạn. AÊng-ten phaùt AÊng-ten thu Traùi Ñaát
Chương VII MÁY THU BÀI 1: MÁY THU THANH Trong vùng không gian có sóng điện từ của đài phát thanh, nếu ta đặt một ăng-ten thu, thì trên ăng-ten thu sẽ được một sức điện động cảm ứng. Tuy nhiên có rất nhiều đài cùng phát một lúc, nên máy thu phải chọn lọc được đài muốn thu, khuếch đại, tách sóng để lấy ra âm thanh, khuếch đại âm tần phát ra loa. Máy thu thanh có thể chia thành 2 loại chính như máy thu khuếch đại trực tiếp và máy thu đổi tần. * Máy thu khuếch đại trực tiếp: Tín hiệu thu được từ ăng-ten thu, được khuếch đại cao tần sau đó tách sóng lấy ra tín hiệu âm tần, khuếch đại âm tần và đưa ra loa. Loại này có nhiều nhược điểm: kém nhạy, tính lọc lựa thấp. * Máy thu đổi tần: Tín hiệu thu được từ ăng-ten thu, được đổi xuống một tần số thấp hơn, không đổi gọi là trung tần, khuếch đại mạnh lên trước khi tách sóng lấy ra tín hiệu âm tần, khuếch đại âm tần và đưa ra loa. Loại này có nhiều ưu điểm: độ nhạy cao, tính lọc lựa tốt, chống nhiểu tốt do đó được dùng phổ biến trong các máy thu hiện đại. Sau đây ta xét đến loại máy thu này. I- SƠ ĐỒ KHỐI. Taùch Choïn Troän Khueách ñaïi Khueách ñaïi Loa soùng ñaøi soùng trung taàn aâm taàn AVC Dao ñoäng noäi 1. Chọn đài: Khối này có một mạch cộng hưởng gồm cuộn dây La và tụ điện thay đổi Cva (hoặc tụ điện Ca và cuộn dây La có lỏi điều chỉnh được), sẽ cộng hưởng đúng đài muốn thu có tần số fa nhờ điều chỉnh Cva hoặc La. 1 fa = 2π LCvaa 2. Dao động nội : Là một mạch dao động LoCvo tạo ra dao động cao tần hình sin có tần số fo. Tần số fo không phải cố định mà sẽ thay đổi theo tần số cao tần thu được fa. Muốn được như vậy, hai tụ điện Cva và Cvo có chung trục xoay để ta luôn luôn có f0 – fa = const. 1 fo = 2π LCv0 o 3. Trộn sóng (Mixer): Có nhiệm vụ trộn 2 tần số fa thu được từ ăng-ten và fo từ mạch dao động nội đưa đến để cho ra tần số trung tần f0 – fa = const. Sau khi ra khỏi mạch trộn sóng (tạo phách) tín hiệu gồm các tần số sau: fo fa fo + fa
fo – fa fo và fa đều cao nên fo – fa thấp ta gọi là trung tần. Theo hệ thống phát thanh, truyền hình FCC, trung tần của máy thu AM được chọn là 455KHz và trung tần của máy thu FM được chọn là 10,8MHz 4. Khuếch đại trung tần (IF): Gồm nhiều tầng khuếch đại cộng hưởng, mạch cộng hưởng ở ngõ vào được điều chỉnh ở tần số fo – fa. Tầng này chỉ khuếch đại ở một tần số cố định nên hệ số khuếch đại rất lớn, máy thu rất nhạy và chống nhiểu tốt. 5. Tách sóng: Tách tín hiệu âm thanh ra khỏi sóng mang (trung tần), thành phần một chiều sau tách sóng được dùng làm mạch AVC (Automatic volume control), tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại của máy thu. Khi thu đài mạnh hệ số khuếch đại của máy thu sẽ giảm và ngược lại. 6. Khuếch đại âm tần: Gồm có khuếch đại điện áp và khuếch đại công suất để khuếch đại mạnh tín hiệu âm tần. 7. Loa: Biến đổi tín hiệu điện âm tần thành dao động cơ phát ra ngoài, tai ta nghe được. II- SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN: Mạch điện của một máy thu thanh đổi tần gồm 7 transistor để thu băng sóng trung: T1 làm nhiện vụ đổi tần (dao động và trộn sóng), tần số fa thu được từ mạch cộng hưởng chọn sóng, trộn với tần số fo do mạch dao động nội (C1L4) tạo ra cho ra tần số trung tần (455KHz) được biến thế TT1 và C5 cộng hưởng đưa đến mạch khuếch đại trung tần. T2 và T3 làm nhiệm vụ khuếch đại trung tần, nó là mạch khuếch đại cộng hưởng, chỉ khuếch đại tần số 455KHz, nên hệ số khuếch đại rất lớn, có thể lên đến 10.000 lần. Sau điốt tách sóng, ta thấy có mạch AVC gồm R6C8. Khi thu đài quá mạnh, phải làm giảm hệ số khuếch đại của máy thu, nếu không tiếng ra loa sẽ méo dạng, âm thanh phát ra bị nghẹt. Điện áp một chiều dương sau tách sóng đem phân cực cho transistor khuếch đại trung tần phía trước sẽ điều hoà hệ số khuếch đại cho máy thu. T4 và T5 : khuếch đại điện áp. Biến thế B1 làm nhiệm vụ đảo pha để cung cấp cho mạch khuếch đại công suất Push-pull T6, T7. Biến thế xuất âm B2 có cuộn thứ cấp ít vòng sẽ cung cấp một dòng điện lớn ra loa. TT T TT1 T TT2 3 1 2 T3 D AVC Volume -9V B T6 1 B2 + T5 T4 T7 Th Sơ đồ máy thu thanh bán dẫn 7 transistor
BÀI 2: MÁY THU HÌNH I- MÁY PHÁT HÌNH: 1. Nguyên tắc: a- Âm thanh : Dao động cơ học của âm thanh được micro biến đổi thành dao động điện có cùng tần số, ta gọi là tín hiệu âm tần, có tần số từ 20Hz ( 20.000Hz (tần số càng thấp âm thanh càng trầm và tần số càng cao âm thanh càng bổng). Tín hiệu âm tần được điều chế tần số (FM) nhờ một sóng cao tần fT. b.- Hình ảnh : Độ sáng, tối của hình ảnh được một camera biến đổi thành tín hiệu điện ta gọi là tín hiệu thị tần, có tần số từ 0 ( 6MHz (tần số càng thấp, hình ảnh càng ít chi tiết và tần số càng cao hình ảnh càng nhiều chi tiết). Tín hiệu thị tần được điều chế biên độ (AM) nhờ một sóng cao tần fH. Tần số các sóng mang cao tần fH và fT liên hệ với nhau như sau : fT –fH = const. hằng số này tuỳ thuộc vào hệ thống phát hình của từng quốc gia. Ví dụ: Hệ FCC (Mỹ, Nhật ) hằng số này là 4,5MHz (Hệ M, N). Hệ OIRT (Liên Xô, ) 6,5MHz (Hệ D, K). Hệ CCIR (Âu Châu) 5,5MHz (Hệ B, G). Vì phổ tần của FM quá rộng và tín hiệu thị tần khá cao, nên các sóng mang fT, fH phải nằm trong băng tần VHF hoặc UHF. Trong mỗi băng tần người ta chia thành nhiều kênh: VHF : 2,3,4,5 6,7,8,9,10,11,12 142431442443 VHFLow VHFHigh UHF : 13 84 2. Cách phân ảnh: Một ảnh được chia thành nhiều hàng và phát đi nhiều ảnh mỗi giây, nhờ sự lưu ảnh trên võng mô của mắt, chúng ta có cảm giác hình ảnh liên tục. Hệ FCC: Hình ảnh chia thành 525 hàng và phát đi 30 ảnh mỗi giây. Hệ OIRT hoặc CCIR: Hình ảnh chia thành 625 hàng và phát đi 25 ảnh mỗi giây. Tuy nhiên để làm giảm bớt cảm giác nhấp nháy của hình ảnh, người ta không phát đi liên tục 525 hàng hoặc 625 hàng mà mỗi ảnh được chia thành 2 bán ảnh: bán ảnh lẻ gồm các hàng lẻ 1, 3, 5, và bán ảnh chẳn gồm các hàng chẳn: 2, 4, 6, Ví dụ hệ CCIR hay OIRT: Mỗi ảnh gồm 625 hàng được chia thành 2 bán ảnh: bán ảnh lẻ và bán ảnh chẳn. Bán ảnh lẻ và bán ảnh chẳn được phát đi xen kẽ nhau, trong mỗi giây người ta phát đi 25 bán ảnh lẻ và 25 bán ảnh chẳn, vậy trong một giây phát đi 50 bán ảnh. 3. Tần số tín hiệu thị tần (Video signal): Kích thước màn hình là bề cao bằng 3/4 bề ngang: • Số điểm theo bề cao: 625 hàng ứng với 625 điểm. • Số điểm trên mỗi hàng ngang: Ġ = 833 điểm. • Số điểm trên mỗi khung ảnh: 625Ġ 833 = 520.625 điểm. • Phát đi 25 bán ảnh lẻ và 25 bán ảnh chẳn mỗi giây, số điểm sáng xuất hiện trên màn hình mỗi giây: 625 625 (×+×= 833)25 ( 833)25 13.015.625ñieåm ≅ 13 trieäu ñieåm. 22 14424431442443 Ban anh le Ban anh chan 13 triệu điểm sáng xuất hiện trên màn hình ứng với một tín hiệu thị tần là:
13 106 = 6,5MHz. 2 Vì lý do kinh tế, trong hệ CCIR hay OIRT người ta chọn tần số thị tần tối đa là 6MHz (trong hệ FCC tần số thị tần tối đa là 4MHz). Tín hiệu thị tần có tần số càng cao càng có nhiều điểm sáng trên màn hình, nhiều chi tiết và tín hiệu thị tần có tần số thấp sẽ ít chi tiết. Haøn g 1 Haøng 625 Số hàng trên một khung ảnh theo hệ FCC 4. Tín hiệu thị tần hổn hợp (Tín hiệu Vidéo): Một tín hiệu thị tần hổn hợp sẽ được sóng mang điều chế biên độ gồm các tín hiệu sau đây: • Tín hiệu hình ảnh trên mỗi hàng: các điểm sáng, tối trên mỗi hàng được biến đổi thành tín hiệu thị tần có tần số từ 0(6MHz. Biên độ lớn ứng với điểm tối, biên độ thấp ứng với điểm sáng. • Tín hiệu đồng bộ: để hình ảnh phát đi từ đài phát và hình ảnh thu được trên màn ảnh máy thu khớp với nhau, đài phát phải phát kèm các tín hiệu đồng bộ ngang và đồng bộ dọc: Tín hiệu đồng bộ ngang: là các xung có biên độ lớn phát đi cuối mỗi hàng, nên có tần số:Ġ. Máy thu nhận được tín hiệu đồng bộ ngang sẽ điều khiển mạch quét ngang của máy dao động cùng tần số, cùng pha như dao động ngang phát.đi từ đài phát. Tín hiệu đồng bộ dọc: là các xung có biên độ lớn phát đi cuối hàng cuối cùng của mỗi bán ảnh, nên có tần số: 25 + 25 = 50Hz. Máy thu nhận được tín hiệu đồng bộ dọc sẽ điều khiển mạch quét dọc của máy thu dao động cùng tần số, cùng pha như dao động dọc phát đi từ đài phát. • Xung xoá dấu quét về (xoá hồi): xung xoá dấu quét về ngang có biên độ lớn xuất hiện cuối mỗi hàng và xung xoá dấu quét về dọc có biên độ lớn xuất hiện cuối mỗi bán ảnh. Các xung này có biên độ lớn, nên không làm sáng màn hình khi tia electron quét về ngang cuối mỗi hàng và quét về dọc cuối hàng cuối cùng củ mỗi bán ảnh. X Xung ñoàng Xung xoaù daáu boä doïc queùt veà doïc T u Xung xoaù daáu queùt veà ngang í T í t Tín hieäu hình hoãn hôïp Chú ý: + = Xung xoaù hoài Xung ñoàng boä Xung toång coäng
II- MÁY THU HÌNH. 1. Đèn hình (CRT) Cathode ray tube: Bộ phận chính trong máy thu hình là đèn hình, nó là một ống phóng điện tử trong chân không. Về nguyên tắc, nó giống một đèn hình trong dao động ký điện tử, gồm các điện cực và một màn huỳnh quang đặt trong một bóng rút chân không. • Catốt K: là một ống làm bằng Niken, được phủ một lớp Oxit kim loại kiềm như: BaO, ThO có công thoát thấp để dễ phát xạ electron ở nhiệt độ thấp. • Tim đèn f: đặt bên trong catốt, cung cấp năng lượng cho catốt phát xạ electron. • Anốt 1 A1: Có điện áp vài trăm Volt, dương so với catốt để hút electron. (điều chỉnh điện áp đặt vào cực này nhờ núm Screen để thay đổi độ sáng, tối của màn hình) • Anốt 2 A2: có điện áp rất cao, đến vài chục KV (tuỳ kích thước đèn hình) để gia tốc chùm electron đập vào màn huỳnh quang. • Cực hội tụ F: (focus) có điện áp khá lớn dùng để hội tụ chùm tia electron ngay trên màn huỳnh quang (xem bài “Dao động ký điện tử), điều chỉnh điện áp đặt vào cực này nhờ núm Focus để thay đổi độ nét của hình ảnh). • Cực khiển G: Điện áp Ugk đặt vào 2 cực Gvà K để điều khiển cường độ chùm tia electron. F K A1 A2 Catoát Anoát 1 Maøn huyønh quang G Anoát 2 F Cöïc Hoäi tuïï Ñieàu khieån Đèn hình (CRT) 2. Lái tia electron (quét): Muốn tia electron quét cả màn hình từng hàng từ trái qua phải (quét ngang), từ trên xuống dưới (quét dọc), ta dùng hệ thống quét. Để cho máy thu hình có kích thước gọn, người ta dùng từ trường để quét (góc quét lớn, đuôi đèn hình ngắn). Một bộ “yoke” gồm 2 cuộn làm lệch ngang và lệch dọc được đặt ôm cổ đèn hình. Ta lấy trường hợp hệ OIRT hay CCIR: Một điện áp hình răng cưa do mạch quét ngang trong máy tạo ra có tần số 15.625Hz đưa đến cuộn lệch ngang để kéo chùm tia electron từ trái màn hình qua phải. Và một điện áp hình răng cưa do mạch quét dọc trong máy tạo ra có tần số 50Hz đưa đến cuộn lệch dọc để kéo chùm tia electron từ trên xuống dưới. Kết hợp cả 2 mạch quét ngang và quét dọc, tia electron sẽ quét từ trái sang phải tạo ra một khung hình có 625 hàng và lặp lại 50 khung hình trong một giây. haøng 1 haøng 2 haøng 3 haøng 625 t Queùt ngang t Queùt doïc
Điện áp răng cưa của nạch quét ngang và quét dọc 3. Sơ đồ khối. * Khối quét (Sweep): gồm có mạch quét ngang và quét dọc. - Mạch quét ngang (Hor. sweep): Có nhiệm vụ tạo ra điện áp hình răng cưa tần số 15.625Hz, do mạch dao động ngang (Hor. osc.) tạo ra, sửa dạng thành hình răng cưa, đưa đến khuếch đại công suất ngang (Hor. output) và tải là cuộn lệch ngang (Hor. deflection coil). Ngoài ra người ta còn lợi dụng thời gian quét về rất ngắn để tạo ra sức điện động cảm ứng rất lớn trên biến thế “Fly back”, biến thế này có cuộn thứ cấp rất nhiều vòng dây so với cuộn sớ cấp nên ta được một điện áp rất cao (siêu thế), qua điốt chỉnh lưu biến thành điện áp một chiều (HV) cung cấp cho A2 của đèn hình. Biến thế fly back còn là một nguồn nuôi tạo nhiều điện áp một chiều, cung cấp cho các mạch điện khác trong máy thu hình. - Mạch quét dọc (Vert. sweep): Có nhiệm vụ tạo ra điện áp hình răng cưa tần số 50Hz, do mạch dao động dọc (Vert. Osc), khuếch đại công suất dọc (Vert output) tạo ra, tải là cuộn lệch dọc (Vert deflection coil). * Khối cao tần (Tuner): Tín hiệu hình hổn hợp được điều chế biên độ bằng sóng cao tần có tần số fH và tín hiệu âm thanh được điều chế tần số bằng sóng cao tần có tần số fT. Ta có: fT - fH = const. Hai sóng cao tần fT , fH được chọn sóng, khuếch đại cao tần (RF amp.) trộn với một sóng sin có tần số f0 được mạch dao động nội (Oscillator) tạo ra tại tầng trộn sóng (Mixer) để đổi xuống tần số trung tần (IF). * Khối khuếch đại trung tần (Imtermediate Frequency amplifier): Trung tần hình có tần số f0 – fH và trung tần tiếng có tần số fo-fT . Mạch khuếch đại trung tần là mạch khuếch đại cộng hưởng gồm 2 hay nhiều tầng, được chỉnh cộng hưởng lệch nhau để có một giải thông đủ rộng cho cả một giải tần từ f0 - fT đến fo- fH đi qua. Mạch này khuếch đại trung tần hình rất mạnh, còn trung tần tiếng bị làm giảm yếu để không gây nhiểu lên hình. * Khối tách sóng hình (Video detector): Là mạch tách sóng biên độ dùng một điốt cao tần, có hai nhiệm vụ: - Tách tín hiệu hình hổn hợp ra khỏi sóng mang hình fo- fH. - Trộn 2 tần số trung tần (f0 – fH) và (fo – fT) lại để cho tần số trung tần âm thanh (fT – fH). * Khối âm thanh (Sound): Gồm có mạch khuếch đại trung tần âm thanh (Sound amp.) dùng để khuếch đại tần số trung tần âm thanh fT - fH, tách sóng FM (FM det.) ta thu được tín hiệu âm thanh, khuếch đại điện áp, khuếch đại công suất (Sound amp.) đưa âm thanh ra loa như ở radio. * Khuếch đại hình (Video amp.): Sau tách sóng hình, ta nhận được tín hiệu hình hổn hợp, qua khuếch đại hình khuếch đại mạnh để đưa tín hiệu hình đến đèn hình. Tín hiệu hình có tần số khá cao (6MHz) nên đây là mạch khuếch đại công suất cao tần, phải có giải thông đủ rộng, nếu không hình ảnh sẽ bị bớt nét (mất bớt chi tiết). * Khối tách đồng bộ (Synchro separator): Sau phần tách sóng hình ta thu được tín hiệu hình hổn hợp trong đó có các tín hiệu đồng bộ ngang và đồng bộ dọc, các xung xoá dấu quét về mạch tách đồng bộ là một mạch khuếch
đại hoạt động ở chế độ C, sẽ tách lấy các đỉnh xung đồng bộ ngang và dọc ra khỏi tín hiệu hình hổn hợp. - Tín hiệu đồng bộ ngang được tách ra bởi mạch vi phân (Differentiel circuit), đưa đến mạch dao động ngang để cưỡng bức dao động ngang dao động đúng tần số quét ngang như ở đài phát. Ngoài ra còn có tầng AFC (Automatic Frequency Control) làm nhiệm vụ so pha 2 tín hiệu: tín hiệu đồng bộ ngang từ mạch tách đồng bộ đưa đến và tín hiệu dao động ngang do mạch dao động ngang đưa lại. Khi pha của 2 tín hiệu bằng nhau cũng có nghĩa là 2 tần số dao động ngang do máy tao ra cùng tần số và đồng pha với tín hiệu đồng bộ ngang phát kèm với tín hiệu hình sau mỗi hàng (nếu sai pha hình sẽ bị chạy qua lại theo chiều ngang, nếu sai dao động hình sẽ bị xé ngang). - Tín hiệu đồng bộ dọc được tách ra bởi mạch tích phân (Integrate circuit), đưa đến mạch dao động dọc để cưởng bức dao động dọc dao động đúng tần số quét dọc như ở đài phát (nếu không hình sẽ bị trôi lên, trôi xuống). AÊng-ten FM det. S.IF amp S. amp Videùo det. CRT Tuner IF amp Videùo amp. Tích Sync. sep phaân Vert. sweep Vi AFC + Hor. phaân sweep Sơ đồ khối máyTransfo. thu hình Fly back 4. Mạch tích phân và vi phân. a- Mạch tích phân (Integrate circuit): Gồm một điện trở và một tụ điện mắc như hình bên. R Uvào =Ġ Lấy tích phân 2 vế: U C U q Vaøo ra Udt=+ Ridt dt ∫ vao ∫∫C Trường hợp tích số RC lớn, tích phânĠ có thể bỏ qua trước tích phânĠ. Vậy: Ġ Hay ta được : 1 UUdtra= vao RC ∫ Điện áp ra khỏi mạch tích phân Ura tỉ lệ thuận với tích phân của điện áp vào Uvào.
* Tác dụng của mạch tích phân lên một xung chữ nhật :
U vaøo Bên đây là hình vẽ của điện áp xung Uvào có dạng Ura chữ nhật và điện áp Ura có dạng một xung nhọn, có biên độ lớn. Nhờ sự tích điện và phóng điện của tụ điện C, điện áp hai đầu tụ điện được « tích » dần đến một điện áp lớn. Tích phân * Tác dụng của mạch tích phân lên một chuỗi xung đồng bộ: Trong một xung đồng bộ dọc, thật ra có nhiều xung nhỏ hơn trong đó có các xung đồng bộ ngang vì trong thời gian quét về dọc dao động ngang vẫn hoạt động nên cần có những xung đồng bộ ngang để điều khiển nó, ngoài ra còn có các xung rộng và thời gian lặp lại xung nhỏ hơn xung đồng bộ ngang, chúng sẽ có tác dụng « tích » điện áp để tạo nên một xung nhọn, biên độ lớn kích thích cưỡng bức mạch dao động dọc dao động cùng tần số với các xung đồng bộ dọc từ đài phát đưa tới. Các xung đồng bộ ngang không được « tích » lên vì chúng có thời gian lặp lại xung lớn. Xung ñoàng boä ngang Xung ñoàng boä ngang Xung ñoàng boä doïc Tác dụng của mạch tích phân lên các xung đồng bộ dọc và đồng bộ ngang. b- Mạch vi phân (Differentiel circuit): Gồm một điện trở và một tụ điện mắc như hình bên. C Uvào =Ġ Lấy vi phân 2 vế: dUvao 1 dq di UVaøo R Ura =+R dt C dt dt Trường hợp tích số RC nhỏ: ta thấyĠ có thể bỏ qua trướcĠ. Vậy: Ġ dUiRi dU U vao=⇒R vao == ra dt C dt C C Hay ta được : dUvao URCra = dt
Vậy: Điện áp ra khỏi mạch vi phân Ura tỉ lệ thuận với vi phân của điện áp vào Uvào. * Tác dụng của mạch tích phân lên một xung chữ nhật : Uvaøo Ura Bên đây là hình vẽ của điện áp Uvào có dạng xung chử nhật và điện áp Ura có dạng hai xung nhọn, có sườn trước thẳng dùng để kích cho mạch dao động ngang chạy đúng tần số như xung đồng bộ ngang của đài phát. * Tác dụng của mạch vi phân lên một chuỗi xung đồng bộ: Trong một xung đồng bộ dọc, có nhiều xung nhỏ nên tất cả các xung đồng bộ dọc lẫn đồng bộ ngang qua mạch vi phân đều bị biến thành 2 xung nhọn có sườn bên rất thẳng để kích dao động ngang dao động cưỡng bức theo xung động bộ ngang.
Chương VIII MÁY ĐO ĐIỆN DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ (Oscilloscope) Trong kỹ thuật đo lường điện, điện tử, một trong những tính chất cơ bản của tín hiệu mà chúng ta cần biết là dạng sóng của nó. Các tín hiệu điện thường biến thiên nhanh theo thời gian, do vậy có được một thiết bị vẽ được trực tiếp đồ thị biến thiên của tín hiệu u = f(t) thì ta có thể quan sát dạng sóng và đo lường được các thông số của tín hiệu một cách trực quan. Thiết bị để phục vụ cho mục đích trên là “Dao động ký điện tử ”, còn được gọi là “Máy hiện sóng” hay “Oscillo.” (Oscilloscope). Dao động ký điện tử thực hiện vẽ “dao động đồ” của tín hiệu bằng một ống tia điện tử. Nó là một loại máy đo có nhiều tính năng tốt như: quan sát được dạng sóng, trở kháng vào rất lớn (không làm suy yếu tín hiệu cần đo), độ nhạy cao (đo được những điện áp rất nhỏ), đo được điện áp của các tín hiệu có dạng đặc biệt (dạng xung), quán tính của chùm tia điện tử rất nhỏ nên quan sát được những hiệu điện thế có tần số rất cao Ta thường dùng dao động ký điện tử trong các phép đo sau đây : * Quan sát dạng sóng của các hiệu điện thế thay đổi theo thời gian. * Đo hiệu điện thế đỉnh-đỉnh Vp-p (peak to peak) của xung điện. * Đo tần số của một tín hiệu điện hình sin, bằng cách so sánh tần số của nó với một tín hiệu điện hình sin khác tạo ra từ một máy phát sóng có tần số chuẩn (phương pháp Lissajous). * Đo độ lệch pha của 2 tín hiệu điện. * Xác định điểm làm việc tốt nhất cho một tầng khuếch đại. * Ngoài ra, máy dao động ký điện tử, còn được dùng để đo lường rất nhiều các dạng đại lượng vật lý biến đổi khác, như các biến đổi trong cơ học, sinh vật học, Phép đo thường được thực hiện bằng cách dùng một bộ chuyển đổi để chuyển các dạng năng lượng cần đo sang dạng năng lượng điện rồi dùng máy dao động ký điện tử để nghiên cứu. I- NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG. Dao động ký điện tử dựa trên nguyên tắc chùm tia điện tử bị lệch trong điện trường. Trong một bóng thủy tinh đã rút chân không, có các bộ phận: Một ống phóng điện tử (Canon), để tạo nên một chùm electron đập thẳng vào màn huỳnh quang tạo thành một vệt sáng. Vệt sáng này được điều chỉnh thành một điểm sáng thật nhỏ, nhờ hệ thống hội tụ chùm tia điện tử (Focus). Bộ phận lái tia điện tử sẽ lái chùm tia electron tạo nên những hình vẽ cần thiết trên một màn huỳnh quang đặt ở cuối bóng. Màn huỳnh quang sẽ phát sáng tại những chỗ có chùm tia electron đập vào. 1. Ống phóng điện tử (Canon): Có nhiệm vụ tạo ra một chùm tia electron đập vào màn huỳnh quang, gồm có các bộ phận sau đây: a- Catốt (K): Là nơi phát ra electron, có dạng một ống hình trụ nhỏ, làm bằng Niken. Bên trong có tim đèn để sưởi nóng catốt, bên ngoài được phủ một lớp Oxit kim loại kiềm (có công thoát nhỏ) dễ phát xạ electron khi được sưởi nóng như BaO, ThO b- Anốt 1 (A1): Có dạng một ống hình trụ tròn, có một lổ nhỏ ở giữa cho electron thoát ra. Anốt 1 được cấp điện áp dương so với catốt để gia tốc chùm tia electron. c- Anốt 2 (A2): Có dạng một ống hình trụ tròn, có một lổ nhỏ ở giữa cho electron thoát ra. Anốt 2 được cấp điện áp dương (so với catốt) rất lớn để hút mạnh chùm tia electron đập vào màn huỳnh quang.
d- Cực điều khiển (G): Hay ống Wehnelt, cũng có dạng một ống hình trụ tròn, cũng có một lổ nhỏ ở giữa để chùm electron thóat ra, đặt giữa Catốt và Anốt 1, được cấp điện áp âm so với catốt để điều chỉnh cường độ chùm tia electron. Một ống phóng điện tử gồm các bộ phận như trên, khi cấp các điện áp thích hợp sẽ tạo ra một chùm tia electron đập vào màn huỳnh quang. e- Hệ thống hội tụ (Focus): Chùm tia electron phát ra từ ống phóng điện tử sẽ được hội tụ lại nhờ các điện trường được bố trí thích hợp (thấu kính điện tử). 2. Thấu kính điện tử: Chuyển động của electron bị lệch trong điện trường hoặc từ trường, nên quĩ đạo của electron có thể bị khúc xạ hoặc phản xạ như ánh sáng. Xét 1 chùm electron đi vào một điện trường đều Ġ của một tụ điện phẳng có các bản cực trong suốt (mạ ZnO hay một lớp bạc mỏng), dưới một góc tới i1 như ở hình 1. Ta thấy điện trườngĠ có tác dụng hãm chuyển động của electron. Trong đó thành phần Ġ bị hãm dần, trong khi thành phầnĠ không bị thay đổi. r rr VV= nt+ V Nếu điện trường đủ lớn: Phản xạ. Thành phần củaĠ giảm dần đến một lúc sẽ bị triệt tiêu và chuyển động của chùm electron đổi hướng theo chiều ngược với Ġ. Điện Vt áp biến thiên từ A đến r B và từ B đến C bằng nhau, nên electron ra khỏi Vn v bản cực dương của tụ điện dưới góc i2 bằng góc + + + i1 + + + i2 + + + tới i1. Như vậy ta nói chùm tia electron bị phản xạ khi A C gặp điện trường. B i1 = i2 r E Nếu điện trường không đủ lớn : Khúc xạ. Thành phần củaĠ sẽ - - - - - - - - - - không bị triệt tiêu và chùm tia electron thoát ra khỏi bản cực kia với một góc khác góc Phaûn xaï i1 = i2 tới. Ta có sự khúc xạ. Nếu electron đi vào điện trường từ nơi có điện áp cao sang điện áp thấp: Điện trường có tác dụng hãm chuyển động của electron, nên góc khúc xạ lớn hơn góc tới. Tương tự như trường hợp của ánh sáng khi đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ (n1 > n2) . Nếu electron đi vào điện trường từ nơi có điện áp thấp sang điện áp cao: Điện trường có tác dụng hỗ trợ chuyển động của electron, nên góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới. Tương tự như trường hợp của ánh sáng khi đi từ môi trường có chiết suất nhỏ sang môi trường có chiết suất lớn (n1 r Trên cơ sở khúc xạ của chùm electron, ta có thể tạo nên những thấu kính điện có tác dụng hội tụ hay làm phân kỳ chùm tia electron.
Một hệ thống điện cực như hình sau đây là một thấu kính điện, sẽ hội tụ chùm tia electron . D1 D2 D3 A2 Maøn hình + Focus Thấu kính điện D1 , D2 và D3 là các điện cực bằng kim loại, có dạng hình trụ ở giữa có lổ nhỏ để cho electron đi qua, trục đối xứng của nó trùng với trục đối xứng của thấu kính điện. Trong đó D1 , D3 nối chung với nhau, có cùng điện áp dương rất cao so với catốt (chính là Anốt 2) và D2 cũng được cấp điện áp dương so với catốt nhưng thấp hơn điện áp của D1, D3. Điện áp này thay đổi được nhờ một biến trở (được gọi là núm Focus). Chùm electron xuất phát từ một súng phóng điện tử (Canon), qua các điện cực D1, D2 sẽ phân kỳ và qua D2, D3 sẽ hội tụ tại một điểm P. Muốn điều chỉnh điểm hội tụ này đúng ngay trên màn huỳnh quang, người ta điều chỉnh điện thế dương cấp vào điện cực D2, nên D2 còn gọi là cực hội tụ (Focus)ï. 3. Bộ phận lái tia: (quét). Chùm tia electron có thể bị lệch trong điện trường hoặc từ trường, trong dao động ký điện tử người ta làm lệch chùm tia electron bằng điện trường: Giữa nguồn electron (canon) và màn huỳnh quang, người ta đặt 2 cặp bản tụ điện C1 và C2 có tác dụng làm lệch chùm tia electron theo 2 phương thẳng góc với nhau: Quét ngang -X: Ở một cặp bản cực của tụ điện C1 đặt thẳng đứng được cấp một điện áp biến thiên theo thời gian, có dạng hình răng cưa, điểm sáng trên màn huỳnh quang chuyển động thẳng đều theo phương nằm ngang và ta được một đường sáng nằm ngang trên màn huỳnh quang. Điện áp này do mạch quét ngang bên trong dao động ký điện tử tạo ra. V Söôøn tieán Söôøn queùt veà t Ñieän aùp queùt ngang hình raêng cöa Quét dọc -Y: Ở cặp bản cực của tụ điện còn lại C2 đặt nằm ngang được cung cấp một hiệu điện thế cần nghiên cứu, để làm lệch chùm tia electron theo bề dọc. Dưới tác dụng đồng thời của 2 điện trường ở 2 tụ điện C1 và C2, vệt sáng trên màn huỳnh quang sẽ vẽ nên một đường cong (dao động đồ), biểu diễn sự biến thiên của điện áp cần nghiên cứu theo thời gian. Nếu tần số của tín hiệu cần nghiên cứu gấp đôi tần số điện áp răng cưa, trên màn huỳnh quang ta sẽ thấy 2 chu kỳ của dạng sóng cần nghiên cứu. Tần số dòng điện cần nghiên cứu càng cao, tần số quét răng cưa của dao động ký điện tử cũng phải cao tương ứng, ta mới thấy
được một vài chu kỳ của tín hiệu. Đây là một chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng để chọn một dao động ký điện tử. F K A1 A2 C1 Anoát 2 Catoát Anoát 1 Leäch ngang Maøn huyønh quang G F C2 Cöïc Leäch doïc Ñieàu khieån Hoäi tuïï Bóng đèn tia âm cực (CRT). Maøn huyønh quang Söôøn tieán Söôøn queùt veà X t Y t Điện áp răng cưa đưa vào mạch quét ngang X và điện áp cần nghiên cứu đưa vào mạch quét dọc Y II- CẤU TẠO VÀ CÁCH SỬ DỤNG. Tùy theo kết cấu của dao động ký điện tử mà ta có loại dao động ký điện tử 1 chùm tia, dùng để quan sát, đo đạt 1 dạng sóng điện hoặc dao động ký điện tử 2 chùm tia để quan sát, đo đạt, so sánh đồng thời 2 dạng sóng điện. 1. Cấu tạo. Ta thường thấy dao động ký điện tử 1 chùm tia loại đơn giản, có các núm điều chỉnh như dưới đây:
PILOT LAMP INTENSITY (PULL ON) FOCUS VERT. HORIZ. POSITION GAIN GAIN FREQ.VERN X1 X100 1 X10 X10 1 Nuùm choïn DC AC K10HZ EXT IN X1 ñoàng boä: X100 (INT): trong VERTICAL HORIZONTAL EXT hoaëc SYNC (EXT): ngoaøi VERT IN 1VPP EXT GND Maët tröôùc dao ñoäng kyù ñieän töû Tùy theo hiệu máy và tùy theo từng model khác nhau, các núm điều chỉnh được bố trí khác nhau. Ta có thể nhận thấy các núm điều chỉnh được bố trí thành 3 khối: khối lệch dọc, khối lệch ngang & khối đồng bộ hoặc khối vị trí, khối lệch dọc và khối lệch ngang & đồng bộ . * CHỨC NĂNG CỦA CÁC NÚM ĐIỀU CHỈNH: a) Khối vị trí (POSITION): • ON/OFF: Có thể nằm bên trong của núm INTENSITY: Kéo núm ra mở máy và nhấn vào tắt máy. • INTENSITY: Vặn theo chiều kim đồng hồ sẽ tăng cường độ chùm tia electron: độ sáng của đường biểu diễn trên màn huỳnh quang sáng hơn. Vặn ngược chiều kim đồng hồ sẽ làm giảm độ sáng của đường biểu diễn và làm mờ hoặc tắt đường quét về. • FOCUS: Điều chỉnh để thấy đường biểu diễn nét, rõ. • VERT.: Di chuyển tịnh tiến đường biểu diễn theo chiều dọc (Vertical). • HORIZ.: Di chuyển tịnh tiến đường biểu diễn theo chiều ngang (Horizontal). b) Khối lệch dọc (VERTICAL): • GAIN: Thay đổi liên tục bề cao của đường biểu diễn. • VERTICAL: Có các vị trí để giảm bớt biên độ tín hiệu đang đo: X1, X10, X100. Phía DC (Direct Current) dùng cho tín hiệu cần đo là hiệu điện thế một chiều. Phía AC (Alternating Current) dùng cho tín hiệu cần đo là hiệu điện thế xoay chiều. • VERT. IN: Ngã vào của điện áp cần khảo sát.
c) Khối lệch ngang &ø đồng bộ (HORIZONTAL & SYNC.): • GAIN: Thay đổi bề rộng của đường biểu diễn trên màn hình. • HORIZONTAL: Thay đổi tần số quét ngang (điện áp răng cưa). Có các thang 10Hz, 100Hz, 1KHz, 10KHz, 100KHz, 500KHz và vị trí EXT. IN để đưa điện áp bên ngòai vào trục X (dùng để đo tần số theo phương pháp Lissajous). • FREQ. VERN.: (Frequency vernier) Thay đổi tần số quét ngang liên tục để bắt đứng hình trên màn. • 1Vpp hoặc 0.5Vpp (peak to peak) tùy từng lọai máy: Nơi cung cấp điện áp chuẩn có dạng tuần hòan, biên độ 1Volt hoặc 0.5Volt đỉnh-đỉnh. Dùng để lấy chuẩn cho phần quét dọc. • GND (Ground): Masse của máy, nơi có điện áp 0V. • EXT. SYNC: Đưa hiệu điện thế bên ngoài vào làm đồng bộ. 2. Cách sử dụng: a- Quan sát dạng sóng: Dùng mạch quét ngang bên trong máy tạo hiệu điện thế răng cưa, có tần chỉnh được bằng núm HORIZONTAL và FREQUENCY VERNIER (không để ở vị trí EXT. IN), chỉnh biên độ bằng các núm GAIN. Điều chỉnh các núm INTENSITY, FOCUS, VERT., HORIZ. ở khối vị trí (POSITION) để hình có độ sáng vừa phải, rõ nét và nằm ngang giữa màn hình. Đưa hiệu điện thế cần quan sát vào 2 lổ cắm VERT. IN. Nếu hiệu điện thế cần quan sát là hiệu điện thế xoay chiều, vặn nút VERTICAL về phía AC, nếu hiệu điện thế cần quan sát là một chiều, vặn nút VERTICAL về phía DC, điều chỉnh thang đo (X1, X10, X100) kết hợp với núm GAIN để có bề cao đủ lớn, dễ quan sát. Điều chỉnh phần ngang và đồng bộ (HORIZONTAL & SYNC.): Chọn đồng bộ ở vị trí INT để sử dụng mạch đồng bộ bên trong máy, điều chỉnh các thang đo của núm HORIZONTAL (10Hz, 100Hz, 1KHz, 10KHz, 100KHz, 500KHz) và núm FREQ. VERN để thấy một hay vài chu kỳ đứng yên trên màn hình. b- Đo hiệu điện thế: Tiến hành các bước như phần quan sát dạng sóng của tín hiệu, nhưng trước đó phải lấy chuẩn cho phần dọc. L ấy chuẩn cho phần dọc (V/cm): Núm VERTICAL để ở vị trí bất kỳ (thang lấy chuẩn). Đưa hiệu điện thế chuẩn (Vpp chuẩn) từ ổ cắm 1VPP hoặc 0.5Vpp (tùy máy) vào lổ cắm VERT. IN. Điều chỉnh núm GAIN để dạng sóng chuẩn có bề cao a (cm), nên chọn a là số nguyên để dễ chia. Như vậy ta đã lấy chuẩn cho bề dọc. Sau khi lấy chuẩn xong, không được đụng đến núm GAIN nữa. Điều chỉnh các thang đo (X1, X10, X100) để có bề cao đủ lớn, dễ quan sát. Đo bề cao b (cm) của đường biểu diễn. Ta có công thức tính điện áp của tín hiệu cần đo như sau: b Thang do Vdo= .() V pp chuan a Thang lay chuan Chú ý: Nếu điện áp của tín hiệu hình sin, điện áp đỉnh-đỉnh Vpp = 2VM ta có giá trị hiệu dụng như sau: V V = do Volt 22 c- Đo tần số dòng điện hình sin bằng phương pháp lissajous:
Phương pháp Lissajous cho phép ta so sánh so sánh tần số của tín hiệu hình sin cần đo với tín hiệu hình sin có tần số chuẩn từ một máy phát sóng. Tắt mạch quét ngang bên trong máy, bằng cách vặn núm HORIZONTAL về vị trí EXT. IN. Điều chỉnh các núm INTENSITY, FOCUS, VERT., HORIZ. ở khối vị trí (POSITION) để có 1 điểm sáng vừa phải, rõ nét và nằm ngay tâm của màn hình (tránh để lâu, nếu không sẽ cháy lớp huỳnh quang của màn hình). Đưa tín hiệu từ máy phát sóng hình sin phát tần số chuẩn (Sine Wave Generator) vào lổ EXT. IN và GND để quét ngang, điều chỉnh biên độ ở máy phát sóng chuẩn hoặc núm GAIN của phần quét ngang (HORIZONTAL) để ta có một đường sáng nằm ngang có biên độ vừa phải. Đưa hiệu điện thế cần đo tần số vào 2 lổ cắm VERT. IN, vặn nút VERTICAL về phía AC. Điều chỉnh thang đo (X1, X10, X100) kết hợp với núm GAIN để có bề cao đủ lớn, dễ quan sát. Trên màn hình sẽ có các đường cong lộn xộn, điều chỉnh tần số của máy phát sóng chuẩn để ta thấy được một trong những dạng sau đây: fđo = Ġ fchuẩn fđo = fđo = fchuẩn fchuẩn fđo = 2 Tổng quát fđo = Ġ fchuẩn fchuẩn fđo = fchuẩn m: số điểm cắt trên bề ngang n: số điểm cắt fđo = Ġ trên bề dọc. fchuẩn fđo = fchuẩn Trên đây là dao động ký điện tử một chùm tia, ta cò có loại dao động ký điện tử 2 chùm tia cũng dùng ống phóng điện tử như trong dao động ký điện tử 1 chùm tia nhưng kết hợp với một “Chuyển mạch điện tử” (Electronic Switch) có tần số cao. “Chuyển mạch điện tử” có thể mắc thêm bên ngoài dao động ký điện tử một chùm tia hoặc được cấu tạo sẵn bên trong máy. Với lọai dao động ký điện tử này, ta có 2 ngõ vào phần dọc độc lập nhau và 1 mạch quét ngang trong máy, do đó ta có thể quan sát, đo đạt hoặc so sánh cùng một lúc 2 tín hiệu trên màn hình. Dao động ký điện tử hai chùm tia
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. James J. Brophy- Basic electronics for scientists. 2. E.J. Angelo – Electronic circuits. 3. Donal O Pederson, McGraw - Introduction to electronic systems, circuits and devices - Hill Book Company. 4. J.Quinet, Dunod - Théorie et pratique des circuits de l’électronique et des amplificateurs. 5. Nguyễn Thúc Huy - Vô tuyến điện tử – Nxb Giáo dục, 1985. 6. Phạm Hồng Liên – Giáo trình điện tử thông tin - ĐHKT Tp.HCM, 1996. 7. Lê Tiến Thường, Trần Văn Sư – Bài giảng điện tử, 1998. 8. Bài giảng truyền dẫn sợi quang – ĐHBC-VT Tp.HCM, 1998.
Giáo trình VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ của Khoa Vật lý trường ĐHSP TP.HCM đăng ký trong kế hoạch năm 2002. Ban Ấn Bản Phát hành Nội bộ ĐHSP sao chụp 300 cuốn, khổ 14,5 x 20,5, xong ngày 25 tháng 01 năm 2003.