Các mạch lọc thông thấp ngăn việc truyền các tần số cao. Hình 1 minh họa các đường đặc tuyến truyền điển hình và lý tưởng của bộ lọc thông thấp. Như ta thấy trên hình vẽ, một bộ lọc lý tưởng không làm suy giảm các tần số trong băng thông và chỉ làm suy giảm các tần số ngoài băng với đáp ứng lý tưởng là có biên độ suy hao về mức 0. Thực tế ta không thể có mach lọc mà có đáp ứng lý tưởng này, mặc dù cũng có một vài kiểu bộ lọc có thể có đặc tính gần lý tưởng một cách hợp lý.
.png)
Hoạt động của các bộ lọc thông thấp RC và RL là dựa trên sự biến đổi điện kháng xuất hiện trong các tụ điện và trong các cuộn dây khi tần số biến đổi. Nhiều bộ lọc thông thấp đơn giản chỉ gồm một tụ điện hoặc một cuộn cảm phối hợp với một điện trở. Tần số cắt (fc) của một bộ lọc thông thấp được định nghĩa là tần số mà tại đó biên độ tín hiệu ra bằng 70.7% (-3 dB) so với biên độ của các tín hiệu có tần số thấp hơn nó (lý tưởng là 1Hz). Nếu tần số càng tăng thì biên độ tín hiệu ra càng giảm. Decibel (dB) thường được dùng để diễn tả tỷ số giữa điện áp hoặc dòng điện đầu vào và đầu ra. Công thức tổng quát để biểu diễn một tỷ số điện áp bằng dB là: dB =20log (Vout /Vin ). Đối với dòng điện công thức vẫn như trên chỉ khác là tỷ số dòng điện là Iout /Iin. Các bộ lọc thông thấp và thông cao hợp thành bởi các phần tử RC hoặc RL có độ suy giảm là 6 dB trên 1 octave (độ âm) khi tần số vượt trên điểm cắt. Có nghĩa là độ suy giảm của kiểu bộ lọc thông thấp này tăng lên 6dB mỗi khi tần số tăng lên gấp đôi. Ví dụ nếu tần số cắt (fc) của một bộ lọc thông thấp là 6 kHz thì biên độ tín hiệu ra sẽ thấp đi 9dB so với biên độ trong băng thông ở tần số 12kHz, giảm đi 15dB ở tần số 24kHz ….(tín hiệu ra của bộ lọc đã suy giảm 3dB ở tần số 6kHz ).
Độ dốc 6 dB trên 1 octave của các bộ lọc RC và RL cũng có thể gọi là 20 dB trên 1 decade, nghĩa là mỗi lần tần số tăng lên 1 hệ số 10, độ suy giảm của bộ lọc thông thấp tăng lên 20 dB. Hình 2 mô tả các bộ lọc thông thấp hợp thành bởi các phần tử RC và RL. Tín hiệu ra của bộ lọc thông thấp RC được lấy qua tụ điện. Khi tần số tăng lên, điện kháng của tụ điện giảm đi và biên độ điện áp ra tụt xuống nhanh chóng. Đầu ra của một mạch thông thấp RL được lấy qua điện trở. Khi tần số tăng lên, điện kháng của cuộn cảm tăng lên dẫn đến điện áp ra trên điện trở giảm xuống. Để đơn giản ta có thể hình dung các mạch lọc này như là một “chiết áp điều chỉnh bằng tần số ” trong đó tổng trở ở trên con chạy tăng lên so với tổng trở ở dưới con chạy khi tần số tăng.
Tần số cắt của 1 bộ lọc thông thấp RC được tính theo công thức sau:
Độ dốc 6 dB trên 1 octave của các bộ lọc RC và RL cũng có thể gọi là 20 dB trên 1 decade, nghĩa là mỗi lần tần số tăng lên 1 hệ số 10, độ suy giảm của bộ lọc thông thấp tăng lên 20 dB. Hình 2 mô tả các bộ lọc thông thấp hợp thành bởi các phần tử RC và RL. Tín hiệu ra của bộ lọc thông thấp RC được lấy qua tụ điện. Khi tần số tăng lên, điện kháng của tụ điện giảm đi và biên độ điện áp ra tụt xuống nhanh chóng. Đầu ra của một mạch thông thấp RL được lấy qua điện trở. Khi tần số tăng lên, điện kháng của cuộn cảm tăng lên dẫn đến điện áp ra trên điện trở giảm xuống. Để đơn giản ta có thể hình dung các mạch lọc này như là một “chiết áp điều chỉnh bằng tần số ” trong đó tổng trở ở trên con chạy tăng lên so với tổng trở ở dưới con chạy khi tần số tăng.
Tần số cắt của 1 bộ lọc thông thấp RC được tính theo công thức sau:
Fc = 1/(2πRC)
Tần số cắt của 1 bộ lọc thông thấp RL được tính theo công thức sau:
Fc =R /(2π*L)
.png)
Mặc dù đặc tính của 2 kiểu bộ lọc này là như nhau nhưng bộ lọc kiểu RC thường được dùng ở tần số thấp nhiều hơn so với bộ lọc RL bởi vì các cuộn cảm cồng kềnh, nặng và đắt hơn ở tần số này.
Bước 1:Thiết lập các thông số của mạch (phần 1) như sau:
Nguồn tín hiệu vào: tần số f = 20 – 1k Hz; biên độ A=5 V
R = 35 Ohm; L = 65 mH
Bước 2:Quan sát đồ thị dạng sóng tín hiệu vào và tín hiệu ra. Khi tín hiệu vào thay đổi từ 20 Hz đến 1 kHz thì biên độ tín hiệu ra thay đổi như thế nào? Mạch không làm suy hao và làm suy hao biên độ tín hiệu ở khoảng tần số nào?
Bước 3:Đưa ra nhận xét về khả năng lọc tần của mạch lọc thông thấp RL.
Bước 4: Tính tần số cắt với các giá trị ở sơ đồ (phần 2). Tính toán độ suy hao tín hiệu theo dB (áp dụng công thức dB = 20lg(Vout/Vin/fHz )? Ghi giá trị vào bảng sau:
.png)
Nguồn tín hiệu vào: tần số f = 20 – 1k Hz; biên độ A=5 V
R = 35 Ohm; L = 65 mH
Bước 2:Quan sát đồ thị dạng sóng tín hiệu vào và tín hiệu ra. Khi tín hiệu vào thay đổi từ 20 Hz đến 1 kHz thì biên độ tín hiệu ra thay đổi như thế nào? Mạch không làm suy hao và làm suy hao biên độ tín hiệu ở khoảng tần số nào?
Bước 3:Đưa ra nhận xét về khả năng lọc tần của mạch lọc thông thấp RL.
Bước 4: Tính tần số cắt với các giá trị ở sơ đồ (phần 2). Tính toán độ suy hao tín hiệu theo dB (áp dụng công thức dB = 20lg(Vout/Vin/fHz )? Ghi giá trị vào bảng sau:
Bước 5: Vẽ đặc tuyến biên độ (dB) theo biên độ?
Bước 6: So sánh biên độ ngõ ra tại 2 tần số 40 kHz và 80 kHz? Tín hiệu có tần số 1 kHz có được truyền qua với ít suy giảm hay bị chặn lại với suy giảm lớn?
Bước 7: Chạy mô phỏng quan sát đặc tuyến Biên độ – tần số, xác định tần số cắt và khoảng tần số mà biên độ suy hao? So sánh giá trị quan sát được và giá trị đã tính toán ở các bước 4 và 5?
Bước 8: Đưa ra kết luận về đặc tuyến biên độ – tần số của mạch lọc thông thấp RL?
Bước 6: So sánh biên độ ngõ ra tại 2 tần số 40 kHz và 80 kHz? Tín hiệu có tần số 1 kHz có được truyền qua với ít suy giảm hay bị chặn lại với suy giảm lớn?
Bước 7: Chạy mô phỏng quan sát đặc tuyến Biên độ – tần số, xác định tần số cắt và khoảng tần số mà biên độ suy hao? So sánh giá trị quan sát được và giá trị đã tính toán ở các bước 4 và 5?
Bước 8: Đưa ra kết luận về đặc tuyến biên độ – tần số của mạch lọc thông thấp RL?
PHẦN 1: ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠCH LỌC THÔNG THẤP RL
Click VÀO ĐÂY để bắt đầu thực hành
PHẦN 2: ĐẶC TUYẾN BIÊN ĐỘ - TẦN SỐ CỦA MẠCH LỌC THÔNG THẤP RL
PHẦN 2: ĐẶC TUYẾN BIÊN ĐỘ - TẦN SỐ CỦA MẠCH LỌC THÔNG THẤP RL