Đề tài Thiết kế bẩy bài thí nghiệm vô tuyến điện dùng cho sinh viên Đại học An Giang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN VẬT LÝ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN VĂN MỆN Long xuyên, tháng 04 năm 2007 TÓM TẮT Các mạch điện tử rất quan trọng đối với cuộc sống hiện đại. Chúng có mặt trong hầu hết các thiết bị điện tử sử dụng hằng ngày vì thế việc nghiên cứu, chọn lọc chúng đưa vào giảng dạy cho sinh viên ở trường đại học là rất cần thiết. Đáp ứng yêu cầu đó, đề tài nghiên cứu các lý thuyết về kỹ thuật điện tử, vô tuyến điện để chọn lọc, đưa ra nội dung môn thực hành vô tuyến điện gồm 7 bài thí nghiệm với các board mạch tự chế và các dụng cụ đo được trang bị sẵn của Phòng thí nghiệm. Bộ thí nghiệm này được dùng cho sinh viên hệ đại học có tài liệu hướng dẫn đi kèm. Thêm vào đó, đề tài cũng hướng dẫn sử dụng một số dụng cụ đo phổ biến hiện nay đặc biệt là dao động ký điện tử hai chùm tia, một thiết bị đo điện đang hết sức phổ dụng. Thí nghiệm vô tuyến điện MỤC LỤC Trang TÓM T TẮ ............................................................................................................1 Các m ch i n t r t quan tr ng i v i cu c s ng hi n i. Chúng có m tạ đ ệ ử ấ ọ đố ớ ộ ố ệ đạ ặ trong h u h t các thi t b i n t s d ng h ng ngày vì th vi c nghiên c u,ầ ế ế ị đ ệ ử ử ụ ằ ế ệ ứ ch n l c chúng a vào gi ng d y cho sinh viên tr ng i h c là r t c nọ ọ đư ả ạ ở ườ đạ ọ ấ ầ thi t. áp ng yêu c u ó, tài nghiên c u các lý thuy t v k thu t i nế Đ ứ ầ đ đề ứ ế ề ỹ ậ đ ệ t , vô tuy n i n ch n l c, a ra n i dung môn th c hành vô tuy n i nử ế đ ệ để ọ ọ đư ộ ự ế đ ệ g m 7 bài thí nghi m v i các board m ch t ch và các d ng c o cồ ệ ớ ạ ự ế ụ ụ đ đượ trang b s n c a Phòng thí nghi m. B thí nghi m này c dùng cho sinhị ẵ ủ ệ ộ ệ đượ viên h i h c có tài li u h ng d n i kèm. Thêm vào ó, tài c ngệ đạ ọ ệ ướ ẫ đ đ đề ũ h ng d n s d ng m t s d ng c o ph bi n hi n nay c bi t là daoướ ẫ ử ụ ộ ố ụ ụ đ ổ ế ệ đặ ệ ng ký i n t hai chùm tia, m t thi t b o i n ang h t s c ph d ng.độ đ ệ ử ộ ế ị đ đ ệ đ ế ứ ổ ụ .. 1 PH N IẦ ...............................................................................................................3 PH N IIẦ ............................................................................................................. 6 Ch ng 1ươ .......................................................................................................... 6 1. Ch t bán d n và linh ki n bán d nấ ẫ ệ ẫ ..........................................................6 2. M ch RLC n i ti pạ ố ế ................................................................................. 14 3. M ch khu ch iạ ế đạ ....................................................................................15 4. M ch làm toán dùng OP-AMPạ .............................................................. 18 5. M ch mạ đế .............................................................................................. 19 Ch ng 2ươ ........................................................................................................ 24 1. Các d ng c oụ ụ đ ....................................................................................... 24 2. Các board m ch i n tạ đ ệ ử...........................................................................27 3. Máy phát t n sầ ố....................................................................................... 30 4. Ngu n i nồ đ ệ ..............................................................................................31 5. Dây n iố .................................................................................................... 32 Ch ng 3ươ ........................................................................................................ 33 Bài 1................................................................................................................ 33 Bài 2................................................................................................................ 39 Bài 3................................................................................................................ 42 Bài 4................................................................................................................ 45 Bài 5................................................................................................................ 48 Bài 6................................................................................................................ 53 Bài 7................................................................................................................ 56 PH N IIIẦ .......................................................................................................... 60 K T LU NẾ Ậ ...................................................................................................... 60 PH L CỤ Ụ ......................................................................................................... 62 P1. S D NG DAO NG KÝ HAI CHÙM TIAỬ Ụ ĐỘ ........................................... 62 P2. M CH KHU CH I DÙNG TRANSITORẠ Ế ĐẠ ........................................... 63 P3. M CH KHU CH I DÙNG OP-AMPẠ Ế ĐẠ .................................................. 64 P4. M CH LÀM TOÁNẠ .................................................................................... 64 P5. C NG LOGICỔ ............................................................................................65 Nguyễn Văn Mện 2 Thí nghiệm vô tuyến điện PHẦN I MỞ ĐẦU 1. Khái quát chung cho đề tài: Ngày nay, các mạch điện tử cơ bản được sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị điện tử (radio, ampli, đồng hồ điện tử, biển quảng cáo,…). Chúng trở thành một phần không thể thiếu của cuộc sống hiện đại và do đó việc giảng dạy các học phần cơ sở có liên quan đến công nghệ thông tin cho sinh viên là rất cần thiết. Ở hầu hết các trường đại học, bộ môn vô tuyến điện được đưa vào giảng dạy cả phần lý thuyết và thực hành với những tên gọi khác nhau. Việc làm này không những trang bị những kiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật điện tử cho sinh viên mà còn rèn luyện cho các em những kỹ năng thực nghiệm khoa học. Phòng thí nghiệm Vật lý Trường Đại học An Giang đảm nhận tất cả các học phần thí nghiệm Vật lý, kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử của trường. Đáp ứng nhu cầu của tình hình mới, Bộ môn Vật lý có đề nghị mua một số bộ dụng cụ thí nghiệm vô tuyến do Công ty sách và thiết bị giáo dục Thắng Lợi cung cấp nhưng với thành giá rất cao. Trong khi đó, nếu sử dụng các dụng cụ đo có sẵn, mua sắm linh kiện và tự thiết kế, lắp ráp mạch thì ta cũng thu được các bài thí nghiệm tương tự có kết quả không kém nhưng hiệu quả kinh tế thì rất đáng kể. Nhận thấy những điều thực tế trên, tôi quyết định thực hiện đề tài: "Thiết kế bảy bài thí nghiệm vô tuyến dùng cho sinh viên Đại học An Giang". Đề tài nhằm thiết kế một số mạch thí nghiệm điện tử phục vụ cho việc giảng dạy và thực hành môn vô tuyến điện trong phòng thí nghiệm Vật lý. 2. Giả thuyết khoa học của đề tài: Hướng dẫn thực hành các môn vật lý đại cương trong phòng thí nghiệm vật lý, nhất là các bộ môn có liên quan đến điện tử: như vô tuyến điện, mạch RLC, mạch khuếch đại … Nếu giảng viên dựa trên cơ sở sự hiểu biết của sinh viên về kiến thức lý thuyết điện tử, xác định được hệ thống kỹ năng thí nghiệm, cung cấp đúng và đủ các linh kiện thí nghiệm, sử dụng phương pháp hướng dẫn phù hợp thì sinh viên sẽ dễ dàng hình thành được các kỹ năng và sẽ hoàn thành tốt bài thí nghiệm điện tử với chất lượng cao. Qua đó, sinh viên tự vận dụng được các kiến thức và kỹ năng vừa trang bị biết thiết kế, lắp đặt các mạch điện tử thông dụng dùng trong việc giảng dạy cũng như ứng dụng trong cuộc sống sau này. - Qua khảo sát thực tế cho thấy việc lắp ráp các linh kiện điện tử thành bài thí nghiệm giúp sinh viên củng cố vững chắc kiến thức lý thuyết, đồng thời dễ dàng hình thành ở sinh viên các kỹ năng ứng dụng. - Qua khảo sát thị trường cho thấy việc mua sắm các linh kiện điện tử để lắp ráp thành mạch là tiết kiệm hơn rất nhiều so với mua trọn bộ thí nghiệm do các công ty sách và thiết bị giáo dục cung cấp. Giá thành hiện tại của các bộ thí nghiệm điện tử là rất cao (hàng chục triệu đồng trên một bài thí nghiệm), vì thế nếu mua sắm tự lắp ráp, cộng thêm cả khoảng chi phí khảo sát, tham quan thì các bộ thí nghiệm tự chế vẫn còn rẻ hơn nhiều lần mà vẫn đảm bảo được chất lượng đào tạo. Nguyễn Văn Mện 3 Thí nghiệm vô tuyến điện - Có thể nghiên cứu lý thuyết về vô tuyến điện, kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử để đưa ra các nội dung cơ bản, quan trọng đưa vào giảng dạy cho sinh viên. Nội dung về các vấn đề trên rất đa dạng, phong phú nên việc lựa chọn đưa vào chương trình là rất quan trọng. Nội dung giảng dạy về học phần vô tuyến điện của các lớp Sư phạm lý không đòi hỏi phức tạp, kỹ thuật cao như các lớp chuyên ngành, cũng không thể sơ sài, qua loa đại khái mà phải rèn luyện được cho các thầy cô giáo tương lai những kiến thức và kỹ năng cơ bản nhất. - Có thể thiết kế các mạch điện tử, sử dụng các máy đo có sẵn của phòng thí nghiệm để tạo thành các bài thí nghiệm hoàn chỉnh, hoạt động đồng bộ. Do đảm nhận tất cả các học phần về vật lý, kỹ thuật của Trường, Phòng Thí nghiệm Vật lý được trang bị khá đầy đủ các dụng cụ đo phục vụ cho việc giảng dạy thí nghiệm vật lý trước đây. Các dụng cụ này có thể được phát huy hết công suất và sử dụng cho giảng dạy thí nghiệm vô tuyến một cách hiệu quả. Các máy công cụ cũng được trang bị nên việc sản xuất, gia công, lắp ráp các mạch điện tử cũng có thể thực hiện được một số công đoạn tại phòng. - Có thể sử dụng các mạch điện tử thiết kế được, viết thêm tài liệu hướng dẫn rồi đưa vào giảng dạy cho sinh viên hệ đại học. Trong chương trình khung hệ đại học của một số chuyên ngành có học phần vô tuyên điện, kỹ thuật điện tử cả lý thuyết và thực hành vì thế các bộ thí nghiệm thiết kế được có thể đưa vào giảng thử nghiệm ngay để kịp thời điều chỉnh cho phù hợp. 3. Nội dung nghiên cứu: Đề tài thực hiện các nội dung cơ bản sau: - Nghiên cứu thực tế: tìm hiểu chương trình đào tạo của các chuyên ngành có liên quan đến điện tử, tham quan phòng thí nghiệm vô tuyến của trường bạn, khảo sát giá thành của một số bộ dụng cụ thí nghiệm và các linh kiện điện tử cần thiết. - Nghiên cứu lý thuyết: lý thuyết mạch điện tử, kỹ thuật điện tử, vô tuyến điện để định hướng, đưa ra nội dung môn học. - Nghiên cứu thực nghiệm: lắp ráp, thử nghiệm các mạch điện tử theo nội dung đã đưa ra, kiểm tra lại hoạt động của các mạch đã lắp ráp. - Viết tài liệu hướng dẫn thực hành. - Đưa vào giảng dạy thử nghiệm cho sinh viên, thu thập những thông tin phản hồi để có những thay đổi, sửa chữa hợp lý. 4. Phương pháp nghiên cứu: Do mang cả đặc tính sư phạm và thực nghiệm nên việc nghiên cứu đề tài sử dụng phối hợp các phương pháp khoa học giáo dục và thực hành thí nghiệm gồm các phương pháp cụ thể sau: Nguyễn Văn Mện 4 Thí nghiệm vô tuyến điện - Nghiên cứu lý thuyết: Đọc và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. - Trao đổi và thăm dò ý kiến với giảng viên và sinh viên trong trường, nhằm tìm hiểu về thực tế giảng dạy và các thiết bị thực hành hiện có liên quan đến các bài thí nghiệm điện tử. - Quan sát sư phạm, tham quan các mô hình thí nghiệm điện tử ở một số trường lớn. - Thực nghiệm sư phạm: Tiến hành thực nghiệm trên 102 sinh viên ở lớp DH4 lý và lớp 29A2 theo phương án soạn thảo tài liệu hướng dẫn, thiết kế mạch thực hành, cho sinh viên tiến hành thực hiện và đánh giá hiệu quả của phương án thực hiện, thử và loại sai. Về các phương pháp của khoa học thực nghiệm, với mỗi bài thí nghiệm, việc thực hiện tiến hành theo ba bước: - Thiết kế sơ đồ mạch điện, lựa chọn linh kiện phù hợp. Các linh kiện được mua ban đầu với nhiều chủng loại khác nhau nên cần phải được lựa chọn một các linh kiện tối ưu cho yêu cầu của bài thí nghiệm. - Lắp ráp các linh kiện đã chọn được tạo, thành board mạch điện tử với sự phân bố linh kiện hợp lý. - Kiểm tra lại hoạt động của mạch theo các tiêu chí đã đặt ra ban đầu. - Khắc phục những nhược điểm gặp phải khi làm thí nghiệm trên board mạch. 5. Những đóng góp khoa học của đề tài: - Về mặt khoa học, phục vụ công tác đào tạo: đề tài vừa góp phần hoàn thiện chương trình đào tạo các chuyên ngành có liên quan đến điện tử, đưa vào giảng dạy ngay cho chuyên ngành Sư phạm Vật lý vừa nâng cao khả năng đảm nhận giảng dạy của Phòng thí nghiệm Vật lý. - Về mặt kinh tế: tiết kiệm một khoảng chi phí hàng chục triệu đồng cho Trường. Nguyễn Văn Mện 5 Thí nghiệm vô tuyến điện PHẦN II NỘI DUNG Chương 1 SƠ LƯỢC MỘT SỐ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO ĐỀ TÀI 1. Chất bán dẫn và linh kiện bán dẫn 1.1. Chất bán dẫn Trong ngành vật liệu điện, người ta chia thành bốn nhóm vật liệu: chất dẫn điện, chất cách điện, chất bán dẫn điện và chất dẫn điện từ. Theo lý thuyết vùng năng lượng, tính chất dẫn ở vật liệu xuất hiện là do bề rộng vùng cấm ngăn cách vùng hóa trị và vùng dẫn không đủ rộng, các electron trong vùng hóa trị khi nhận được năng lượng kích thích có thể nhảy lên chiếm các mức ở vùng dẫn làm cho vật liệu trở nên dẫn điện. Dưới đây là sơ đồ vùng năng lượng của chất cách điện (a), chất bán dẫn (b) và chất dẫn điện (c). Dựa vào đặc tính dẫn điện của chất bán dẫn người ta chia bán dẫn ra làm 3 loại: bán dẫn tinh khiết, bán dẫn tạp chất loại p và bán dẫn tạp chất loại n. Hai chất bán dẫn tinh khiết điển hình là Silicium (Eg = 1,12eV) và Gecmanium (Eg = 0,72eV) thuộc nhóm 4 bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev. Lớp ngoài cùng của Ge và Si đều có 4 electron liên kết với 4 nguyên tử bên cạnh tạo thành cấu trúc bền vững. Tinh thể không dẫn điện. Khi có năng lượng kích thích từ bên ngoài (đun nóng chẳng hạn), một số electron bức ra khỏi liên kết để tạo thành các electron tự do đồng thời để lại một lỗ trống mang điện tích +e, các electron lân cận có thể nhảy vào chiếm chỗ,... cứ như vậy trong tinh thể tạo thành các electron tự do và các lỗ trống di chuyển, tinh thể trở nên dẫn điện. Để tăng nồng độ các hạt dẫn, người ta pha vào chất bán dẫn tinh khiết một loại tạp chất. Tùy theo tính chất của tạp chất pha và là cho (donor) hay nhận (accepto) mà ta có bán dẫn tạp chất loại n hay bán dẫn tạp chất loại p. Chất bán dẫn có một số đặc tính sau: a. Điện trở suất: Điện trở suất của chất bán dẫn là rất lớn so với các chất dẫn điện. Nguyễn Văn Mện 6 Vùng dẫn ∆E g Vùng hóa trị Vùng cấm a) b) c) Hình 1-1. Sơ đồ cấu trúc miền năng lượng Thí nghiệm vô tuyến điện b. Ảnh hưởng của nhiệt độ: Điện trở của chất bán dẫn thay đổi rất lớn theo nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất của chất bán dẫn giảm xuống, ở khoảng nhiệt độ càng cao thì mức giảm điện trở càng lớn. Nhờ đặc tính này người ta chế tạo ra các nhiệt điện trở. c. Ảnh hưởng của ánh sáng: Điện trở của chất bán dẫn giảm xuống khi có ánh sáng chiếu vào. Nhờ vào đặc tính này người ta chế tạo các quang trở. d. Ảnh hưởng của độ tinh khiết: Khối bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn nhưng khi pha tạp chất vào thì độ dẫn điện tăng lên. Tỷ lệ pha chế càng lớn thì điện trở càng giảm nhỏ. Nhờ đặc tính này người ta chế tạo các linh kiện bán dẫn như diode, transitor. 1.2. Một số linh kiện bán dẫn 1.2.1. Diode bán dẫn Diodee bán dẫn là loại linh kiện bán dẫn đơn giản nhất gồm hai vùng bán dẫn p và n ghép với nhau. Trong vùng bán dẫn loại p có thừa lỗ trống, trong vùng bán dẫn loại n có thừa các electron. Khi hai vùng này tiếp xúc nhau sẽ có một số electron ở vùng n qua mối nối và hợp với lỗ trống ở vùng p. Khi chất bán dẫn đang trung hòa mà vùng bán dẫn n bị mất electron, vùng bán dẫn loại p nhận thêm electron tạo nên sự chênh lệch về điện tích. Kết quả là xuất hiện điện trường hướng từ miền n sang miền p ngăn cản sự khuếch tán điện tích. Điện trường này tạo nên một hàng rào điện thế. Dùng một nguồn DC nối hai đầu diodee. Khi cực âm nối p, cực dương nối n. Nguồn điện làm xuất hiện một điện trường 0E r cùng chiều với điện trường tiếp giáp rE r nghĩa là điện trường này góp phần ngăn cản sự di chuyển điện tích (electron từ n sang p và lỗ trống từ p sang n). Không có dòng điện qua diodee. Ta nói diodee được phân cực nghịch. Nếu cực dương nối p, cực âm nối n thì nguồn điện tạo ra điện trường chống lại điện trường cản, các hạt mang điện có thể khuếch tán qua tiếp giáp, làm xuất hiện dòng điện chạy qua diodee theo chiều từ p sang n. Ta nói diodee được phân cực thuận. Thực tế khi phân cực thuận cho diodee thì chỉ khi nào điện thế nguồn đạt giá trị VY nào đó mới có dòng điện qua diodee. Khi đó dòng điện qua diodee phụ thuộc vào hiệu điện thế hai đầu diode theo biểu thức: DD VqV 26mVkT D S SI I e 1 I e 1    = − = −      (1-1) Nguyễn Văn Mện 7 n p Miền tiếp giáp E r Hình 1-2. Cấu tạo diode Thí nghiệm vô tuyến điện Khi VD > VY có thể coi DV 26mV D SI I e= . Trong đó IS là dòng bảo hòa ngược. Nhờ đặc tính này người ta sử dụng diode để hồi tiếp trong mạch biến đổi hàm số. Nhờ đặc điểm chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều, người ta dùng diode để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều trong các mạch nắn điện. 1.2.2. Transitor Transitor là một linh kiện bán dẫn gồm 3 cực được tạo thành bởi hai mối tiếp giáp p-n. Transitor có ba miền bán dẫn npn hoặc pnp xen kẻ nhau tạo thành 2 loại transitor (kênh n và kênh p). - Miền phát: nối ra một điện cực gọi là cực phát, ký hiệu E (emitor) có nồng độ hạt dẫn cao. - Miền nền: nối ra một điện cực gọi là cực nền, ký hiệu B (base) có nồng độ hạt dẫn thấp. - Miền thu: nối ra một điện cực gọi là cực thu, ký hiệu C (collector) có nồng độ hạt dẫn trung bình. Ở trạng thái bình thường, transitor không dẫn điện. Muốn transitor hoạt động ta phải phân cực cho transitor. Trạng thái phân cực được thiết lập sao cho tiếp giáp JE (mối nối E-B) được phân cực thuận, tiếp giáp JC (mối nối C-B) được phân cực nghịch. Có nhiều cách để phân cực cho transitor, ta chú ý các cách phân cực phổ biến sau: a. Phân cực bằng dòng cố định: sử dụng chung một nguồn cho hai tiếp giáp, để điện thế khác nhau ta sử dụng hai điện trở có giá trị khác nhau (hình 1-4a). b. Phân cực bằng hồi tiếp thu – nền: sử dụng điện trở hồi tiếp từ cực thu về cực nền để phân cực cho transitor (hình 1-4b). Nguyễn Văn Mện 8 n np E C B p pn E C B Hình 1-3. Cấu tạo Transitor Thí nghiệm vô tuyến điện c. Phân cực bằng cầu chia điện thế: sử dụng cầu chia điện thế bằng hai điện trở khác nhau để phân cực (hình 1-4c). Do đặc tính hồi tiếp và ổn định nhiệt cao nên hai cách phân cực sau được sử dụng phổ biến hơn. 1.2.3. Transitor trường ứng (JFET) Transitor trường ứng cũng gồm có 3 cực: cực thoát (D: drain), cực nguồn (S: source), cực cổng (G: gate). Tùy theo các khối bán dẫn tạo thành mà ta chia transitor trường làm hai loại: kênh n (hai khối bán dẫn loại p và một khối bán dẫn loại n), kênh p (hai khối bán dẫn loại n và một khối bán dẫn loại p). Sau đây ta chỉ xét JFET kênh n. Cũng giống như transitor thường, JFET cũng cần được phân cực để hoạt động. Điện thế phân cực của JFET khác so với transitor thường: cực thoát nối điện thế dương, cực cổng nối điện thế âm. Khi đó dòng điện qua JFET phụ thuộc vào điện thế phân cực VGS (khi VDS không đổi) theo biểu thức: 2 GS D DSS GSoff VI I 1 V   = −   (1-2) Trong đó IDSS là dòng điện bảo hòa, VGSoff là điện thế nghẽn. Ứng với các giá trị của khác nhau VGS, sự phụ thuộc của dòng ID vào điện thế VDS cho ta chùm đặc tuyến ngõ ra. Khi sử dụng JFET để khuếch đại tín hiệu, ta cho tín hiệu vào ở cực cổng (G) và lấy ra ở cực thoát (D). Tín hiệu ngõ ra ngược pha với tín hiệu ngõ vào. Nguyễn Văn Mện 9 a) b) c) Hình 1-4. Phân cực cho transitor Thí nghiệm vô tuyến điện 1.2.4. Một số linh kiện tích hợp a. OP-AMP Các mạch khuếch đại sử dụng một transitor hoặc transitor trường ứng chỉ khuếch đại được tín hiệu xoay chiều. OPAm là bộ khuếch đại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, có