Bộ chuyển đổi sóng vuông sang sóng sin đơn giản

Mạch chuyển đổi sóng vuông sang sóng sin là một mạch tương tự quan trọng giúp chuyển đổi dạng sóng vuông sang dạng sóng sin. Nó có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực điện tử khác nhau, chẳng hạn như trong các phép toán, âm học, ứng dụng âm thanh, biến tần, nguồn điện, bộ tạo chức năng, v.v.

Trong dự án này, chúng ta sẽ thảo luận về cách thức hoạt động của mạch chuyển đổi sóng vuông sang sóng sin và cách nó có thể được chế tạo bằng cách sử dụng thiết bị điện tử thụ động đơn giản. Bạn cũng có thể kiểm tra các mạch tạo dạng sóng khác được liệt kê bên dưới.

Mạch tạo sóng vuông
Mạch tạo sóng sin
Mạch tạo sóng tam giác
Mạch tạo sóng răng cưa

Bộ chuyển đổi sóng vuông sang hình sin sử dụng mạng RC

Một bộ chuyển đổi sóng vuông sang sóng sin có thể được chế tạo bằng cách sử dụng 6 thành phần thụ động, đó là tụ điện và ba điện trở. Sử dụng ba tụ điện và ba điện trở này, một mạng RC 3 tầng có thể được xây dựng lấy sóng vuông làm đầu vào và sóng sin làm đầu ra. Một mạch mạng RC một giai đoạn đơn giản được hiển thị bên dưới.

Trong mạch trên, một bộ lọc RC một cấp được hiển thị trong đó một điện trở đơn và một tụ điện đơn được sử dụng. Mạch trên khá đơn giản. Tụ điện được tích điện tùy thuộc vào trạng thái của sóng vuông. Nếu sóng vuông ở đầu vào ở vị trí cao, tụ điện sẽ bị tích điện, và nếu sóng vuông ở vị trí thấp, tụ điện bị phóng điện.

Một sóng tín hiệu thay đổi như sóng vuông có tần số, tùy thuộc vào tần số này, đầu ra của các mạch sẽ thay đổi. Do hành vi này của mạch, bộ lọc RC được gọi là mạch tích hợp RC. Một mạch tích phân RC thay đổi đầu ra tín hiệu tùy thuộc vào tần số và có thể thay đổi sóng vuông thành sóng tam giác hoặc sóng tam giác thành sóng sin.

Sơ đồ mạch chuyển đổi sóng vuông sang sin

Trong hướng dẫn này, chúng tôi sử dụng các mạch tích hợp RC này (mạng bộ lọc RC) để chuyển đổi sóng vuông sang sóng sin. Sơ đồ mạch chuyển đổi hoàn chỉnh được đưa ra dưới đây, và như bạn thấy, nó chỉ có rất ít thành phần thụ động.

Mạch gồm ba tầng mạch lọc RC. Mỗi giai đoạn có ý nghĩa chuyển đổi riêng, hãy hiểu hoạt động của từng giai đoạn và cách nó góp phần chuyển đổi sóng vuông thành sóng sin bằng cách xem mô phỏng dạng sóng

Nguyên lý làm việc của bộ chuyển đổi sóng vuông

Để biết bộ chuyển đổi sóng vuông sang sóng sin hoạt động như thế nào, người ta cần hiểu những gì đang xảy ra trong từng giai đoạn lọc RC.

Giai đoạn đầu tiên:

Trong giai đoạn mạng RC đầu tiên, nó mắc song song một điện trở và một tụ điện. Đầu ra có sẵn trên tụ điện. Tụ điện được sạc nối tiếp qua điện trở. Tuy nhiên, vì tụ điện là thành phần phụ thuộc vào tần số, nên cần có thời gian để sạc. Tuy nhiên, tỷ lệ phí này có thể được xác định bởi hằng số thời gian RC của bộ lọc. Bởi quá trình sạc và phóng điện của tụ điện, và vì đầu ra đến từ tụ điện, nên dạng sóng phụ thuộc nhiều vào điện áp sạc của tụ điện. Các điện áp Tụ trong thời gian sạc có thể được xác định bởi công thức dưới đây

V _C = V (1 - e ^{- (t / RC)})

Và điện áp phóng điện có thể được xác định bằng–

V _C = V (e ^{- (t / RC)})

Do đó, từ hai công thức trên, hằng số thời gian RC là một yếu tố quan trọng để xác định lượng điện tích tụ điện cũng như mức độ phóng điện được thực hiện cho tụ điện trong một hằng số thời gian RC. Nếu chúng ta chọn giá trị của tụ điện là 0,1uF và điện trở là 100 k-ohms như hình dưới đây, nó sẽ có hằng số thời gian là 10 mili-giây.

Bây giờ, nếu 10ms của một sóng vuông không đổi được cung cấp qua bộ lọc RC này, thì dạng sóng đầu ra sẽ như thế này do quá trình sạc và xả của tụ điện trong thời gian RC không đổi là 10ms.

Sóng là dạng sóng hàm mũ hình parabol.

Giai đoạn thứ hai:

Bây giờ đầu ra của giai đoạn mạng RC đầu tiên là đầu vào của giai đoạn mạng RC thứ hai. Mạng RC này có dạng sóng hàm mũ hình parabol và biến nó thành dạng sóng tam giác. Bằng cách sử dụng cùng một kịch bản sạc và xả không đổi RC, bộ lọc RC giai đoạn hai cung cấp độ dốc tăng dần khi tụ điện được sạc và độ dốc giảm dần khi tụ điện được xả.

Đầu ra của giai đoạn này là đầu ra dốc, một sóng tam giác thích hợp.

Giai đoạn thứ ba:

Trong giai đoạn mạng RC thứ ba này, đầu ra của mạng RC thứ hai là đầu vào của giai đoạn mạng RC thứ ba. Nó lấy sóng dốc tam giác làm đầu vào và sau đó thay đổi hình dạng của sóng tam giác. Nó cung cấp một sóng hình sin trong đó phần trên và dưới của sóng hình tam giác làm mịn làm cho chúng cong. Đầu ra khá gần với đầu ra sóng sin.

Chọn các giá trị R và C cho Mạch chuyển đổi sóng vuông

Giá trị tụ điện và điện trở là thông số quan trọng nhất của mạch này. Bởi vì, nếu không có giá trị tụ điện và điện trở thích hợp, hằng số thời gian RC sẽ không phù hợp với một tần số cụ thể và tụ điện sẽ không có đủ thời gian để sạc hoặc xả. Điều này dẫn đến đầu ra bị méo hoặc thậm chí ở tần số cao, điện trở sẽ hoạt động như một điện trở duy nhất và có thể tạo ra cùng một dạng sóng như nó đã được đưa ra trên đầu vào. Vì vậy, các giá trị tụ điện và điện trở phải được chọn đúng.

Nếu tần số đầu vào có thể được thay đổi, thì người ta có thể chọn một giá trị tụ điện và điện trở ngẫu nhiên và thay đổi tần số theo sự kết hợp. Tốt nhất là sử dụng cùng một giá trị tụ điện và điện trở cho tất cả các giai đoạn lọc.

Để tham khảo nhanh, ở tần số thấp, hãy sử dụng tụ điện có giá trị cao hơn và đối với tần số cao, hãy chọn tụ điện có giá trị thấp hơn. Tuy nhiên, nếu tất cả các thành phần, R1, R2 và R3 có cùng giá trị và tất cả các tụ điện C1, C2, C3 có cùng giá trị, thì tụ điện và điện trở có thể được chọn theo công thức dưới đây–

f = 1 / (2π x R x C)

Trong đó F là tần số, R là giá trị điện trở tính bằng Ohms, C là điện dung tính bằng Farad.

Sơ đồ dưới đây là một mạch tích hợp RC ba giai đoạn được mô tả trước đây. Tuy nhiên, mạch sử dụng tụ điện 4,7nF và điện trở 1 kilo-ohms. Điều này tạo ra một dải Tần số chấp nhận được trong dải tần 33 kHz.

Thử nghiệm mạch chuyển đổi sóng vuông sang sin của chúng tôi

Sơ đồ được tạo trong một breadboard và một bộ tạo chức năng cùng với một máy hiện sóng được sử dụng để kiểm tra sóng đầu ra. Nếu bạn không có Bộ tạo hàm để tạo sóng vuông, bạn có thể xây dựng bộ tạo sóng vuông của riêng mình hoặc thậm chí là Bộ tạo dạng sóng Arduino mà bạn có thể sử dụng cho tất cả các dự án liên quan đến dạng sóng. Mạch rất đơn giản và do đó nó dễ dàng được xây dựng trên breadboard như bạn có thể thấy bên dưới.

Đối với phần trình diễn này, chúng tôi đang sử dụng một bộ tạo hàm và như bạn có thể thấy trong hình ảnh bên dưới, bộ tạo hàm được đặt thành đầu ra sóng vuông 33 kHz mong muốn.

Đầu ra có thể được quan sát trên máy hiện sóng, ảnh chụp nhanh đầu ra từ phạm vi được đưa ra bên dưới. Sóng hình vuông đầu vào được hiển thị bằng màu vàng và sóng hình sin đầu ra được hiển thị bằng màu đỏ.

Mạch hoạt động như mong đợi với tần số đầu vào nằm trong khoảng từ 20kHz đến 40kHz, bạn có thể tham khảo video bên dưới để biết thêm chi tiết về cách hoạt động của mạch. Hy vọng bạn thích hướng dẫn và học được điều gì đó hữu ích. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, hãy để lại trong phần bình luận bên dưới. Hoặc bạn cũng có thể sử dụng diễn đàn của chúng tôi để đăng các câu hỏi kỹ thuật khác.