ĐỀ BÀI:Thiết kế, mô phỏng một máy thu với các đặc tính: Kiểu điều chế : FM Tần số hoạt động: 100 MHz Băng thông: 75 KHz Tần số IF: 10 MHz Trở kháng vào (từ anten): 50 Ohm Công suất khả dụng từ anten: > 90 dBm Trở kháng và công suất loa: 8 Ohm, 1W a. Thiết lập sơ đồ khối chức năng b. Mô phỏng ở cấp độ hệ thống (sử dụng AWR) c. Thiết kế và mô phỏng ở cấp độ mạch nguyên lý vàhoặc PCB cho ít nhất 02 khối chức năng (liên quan tần số RF và IF)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ -VIỄN THÔNG BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ HỌC TẦN SỐ VÔ TUYẾN THIẾT KẾ MÁY THU FM GVHD SVTH : Thầy Hoàng Mạnh Hà : Nguyễn Thị Thu Huyền - 1711582 : Trần Thị Nhung - 1712525 :Nguyễn Đồn Cơng Tuấn - 1713789 Lớp : VP17VT- NHÓM TP.HCM THÁNG 12 NĂM 2021 Thiết kế máy thu FM MỤC LỤC ĐỀ BÀI: A Sơ đồ khối chức máy thu đổi tân (FM): A.1 NHIỆM VỤ CÁC KHỐI: B Mạch vào máy thu: Mạch khuếch đại cao tần: Bộ trộn tần: Mạch trung tần tách song: 5 Bộ khuếch đại công suất âm tần: Mô cấp độ hệ thống-phần mềm AWR: 10 C Thiết kế cấp độ Nguyên lý khối chức mạch: 16 Tính tốn phần vào mạch thu: 16 Mạch khuếch đại công suất cao tần RF: 18 Mạch trộn tần : 20 Thiết kế máy thu FM ĐỀ BÀI:Thiết kế, mơ máy thu với đặc tính: - Kiểu điều chế : FM - Tần số hoạt động: 100 MHz - Băng thông: 75 KHz - Tần số IF: 10 MHz - Trở kháng vào (từ anten): 50 Ohm - Công suất khả dụng từ anten: > -90 dBm - Trở kháng công suất loa: Ohm, 1W a Thiết lập sơ đồ khối chức b Mô cấp độ hệ thống (sử dụng AWR) c Thiết kế mô cấp độ mạch nguyên lý và/hoặc PCB cho 02 khối chức (liên quan tần số RF IF) TRẢ LỜI A Sơ đồ khối chức máy thu đổi tân (FM): Tín hiệu cao tần điều chế (FM) nhận từ anten qua mạch vào qua khuếch đại cao tần RF đưa vào đổi tần để biến thaanhf tầng số tín hiệu khác gọi tần số trung gian, quy luật điều chế không thay đổi Thiết kế máy thu FM A.1 NHIỆM VỤ CÁC KHỐI: Mạch vào máy thu: Mạch vào mạch điện nối liền anten với đầu vào tầng máy thu Nó có nhiệm vụ chuyển tín hiệu cao tần nhận từ anten thu đến tầng đảm nhiệm phần độ chọn lọc máy thu Mạch vào bao gồm thành phần: - Hệ thống cộng hưởng (đơn kép) điều chỉnh đến tần số cần thu - Mạch ghép với nguồn tín hiệu mạch vào (anten) - Mạch ghép với tải mạch vào (tần khuếch đại cao tần đầu tiên) Mạch khuếch đại cao tần: Bộ có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều chế cao tần đến giá trị định đưa xuống khối phía sau Tải khuếch đại cao tần biến trở, cuộn cảm mạch cộng hưởng Trong phần khuếch đại cao tần khuếch đại trung tần kiểu ghép tần biến áp phổ biến Đối với mạch mắc BC trở kháng tầng nhỏ so với trở kháng mạch cộng hưởng Có thể ghép sang tầng sau theo kiểu biến áp, tự biến áp hay ghép điện dung Ngồi cịn dùng kiểu ghép điện trở, điện dung hay ghép trực tiếp tầng Bộ khuếch đại cao tần làm việc tần số cao, đầu vào khung cộng hưởng nên dễ gây tự kích Nguyên nhân ghép kí sinh đầu vào đầu Để tần làm việc ổn định thường dùng biện pháp sau: - Giảm hệ số khuếch đại tầng - Dùng mạch hồi tiếp âm, ví dụ mắc vào emitter điện trở RE Thiết kế máy thu FM - Mắc thêm điện trở nối tiếp với collector hay điện trở song song với mạch cộng hưởng Bộ trộn tần: Bộ trộn tần: q trình tác động lên hai tín hiệu cho đầu trộn tần nhận thành phần tần số tổng hiệu hai tín hiệu Mạch trộn tần dùng Transistor mắc theo sơ đồ EC BC Sơ đồ BC thường dùng phạm vi tần số cao siêu cao, tần số giới hạn cao Các mạch trộn tần mắc theo sơ đồ đẩy kéo có nhiều ưu điểm so với sơ đồ đơn: - Méo phi tuyến nhỏ hài bậc chẵn bị triệt tiêu - Phổ tín hiệu hẹp - Liên hệ mạch tín hiệu mạch ngoại sai - Khả xuất điều chế giao thoa thấp Mạch trung tần tách song: Nhiệm vụ chủ yếu tách sóng dời phổ từ miền tần số cao miền tần số thấp đồng thời làm biến đổi cấu phổ tín hiệu Để thực việc ta phải dùng phần tử phi tuyến (diode, transtor…) phần tử tuyến tính có tham số biến đổi tuần hồn theo thời gian Nói tóm lại mạch tách tín hiệu âm tần khỏi tín hiệu điều chế khơi phục lại tín hiệu âm tần ban đầu Phụ thuộc vào phương thức điều chế ta có hai loại mạch tách song: tách sóng tín hiệu điều biên (tách sóng biên độ), tách sóng tín hiệu điều tần (tách sóng tần số) Các yêu cầu khối tách sóng: - Hệ số truyền đạt phải cao Thiết kế máy thu FM - Trở khán vào tách sóng phải nhỏ - Độ méo tín hiệu phải nhỏ - Hệ số chọn lọc cao tần phải nhỏ Sơ đồ IC mạch trung tần tách sóng MC 3361B: Thiết kế máy thu FM Chân 1: Làm việc với tần số f=10.245 MHz Chân 2: Crystal OSC: dao động nội dùng thạch anh làm việc với tần số f=10.245 MHz Chân 3: Từ trộn tần đưa tín hiệu Chân 4: Là nguồn cung cấp trộn nối tiếp với điện trở 18 K đến đầu trộn Chân 5: Là đầu vào giới hạn khuếch đại biện độ Chân 6, 7: Được tách riêng từ giới hạn đưa đến dãy điều chế Chân 8: Đưa vào xung quanh bên dãi điều chế Chân 9: Thu tín hiệu audio đưa vào khuếch đại cao tần Chân 10: Đầu vào lọc biên độ từ cực âm Chân 11: Tín hiệu đưa từ trộn Chân 12, 13, 14: Trong mạch thiết kế máy thu FM tương tự ta không sử dụng Chân 15: Nối mass Chân 16: Nối lọc trung tâm - Demodulation: dải điều biên - Mixer: trộn - Limiter amp: hạn chế biên độ - Filter amp: lọc biên độ - Aflame: khuếch đại AF Bộ khuếch đại công suất âm tần: Thiết kế máy thu FM - Tầng khuếch đại cơng suất âm tần có nhiệm vụ đưa tải công suất theo yêu cầu Chế độ làm việc thường lựa chọn để hiệu suất cao chế độ lớp A B - Dạng mạch thông dụng đẩy kéo Push-Pull mắc E chung, C chung Các mạch khuếch đại công suất âm tần thường sử dụng OTL, OCL, BTL… Ngày người ta thường dùng mạch IC tích hợp để giảm bớt phức tạp cho máy thu Mạch khuếch đại công suất âm tần dùng IC LA4280: IC LA4280 gồm mạch OTL cung cấp nguồn đơn +Vcc - Chân chân có tụ dẫn tín hiệu hội tiếp nghịch xuống mass để tăng độ lợi - Chân nhạ tín hiệu vào kênh - Chân 11 13 đường dẫn tín hiệu loa qua tụ, có mạch lọc Cz Rz - Chân chân ổn áp nguồn cho tầng bên IC - Chân 12 chân cấp nguồn - Chân 5, 10 14 chân nối mass - Chân ngõ bù pha cho tín hiệu Thiết kế máy thu FM Thiết kế máy thu FM B Mô cấp độ hệ thống-phần mềm AWR: Trong phần này, chúng em mô máy thu cho BFSK Máy thu xây dựng từ khối VSS AWR cho mục đích trình diễn chứng minh vượt trội trình giảm giá BFSK mạch lạc Tín hiệu điều chế khỏi máy phát truyền qua kênh AWGN sau bị hạ cấp máy thu phân biệt đối xử, bao gồm lọc (PLSSHP), phân biệt đối xử FM (FM_DSCRM), khối tích hợp đổ (INTG_DMP) khối ADC Trong tập này, bạn mở rộng kênh thơng số tiếng ồn phân tích hiệu suất hệ thống Để hoàn thành chuỗi thu kênh cho BFSK (sử dụng hình sau làm tài liệu tham khảo): Trong Trình duyệt Phần tử, bấm thể loại Kênh Chọn khối AWGN đặt sơ đồ hệ thống CP_BFSK Bấm vào thể loại Bộ lọc, sau chọn khối PLSSHP đặt lên sơ đồ hệ thống Mở rộng thể loại Điều chế, sau bấm vào nhóm Analog Chọn khối FM_DSCRM đặt sơ đồ hệ thống Bấm vào thể loại Xử lý Tín hiệu, sau chọn khối INTG_DMP đặt sơ đồ hệ thống Mở rộng thể loại Bộ chuyển đổi, sau bấm vào nhóm AnalogDigital Chọn khối ADC đặt sơ đồ hệ thống Thêm điểm kiểm tra thứ 4, thứ thứ đầu khối FM_DSCRM, INTG_DMP ADC tương ứng dán nhãn chúng (theo thứ tự) "Discrim", "INT_Dump" "ADC" hiển thị hình sau Bấm vào thể loại Xử lý Tín hiệu, sau chọn khối CĂN CHỈNH đặt lên sơ đồ hệ thống Kết nối nút với điểm kiểm tra ADC Mở rộng thể loại Mét, sau bấm vào nhóm BER Chọn khối BER_EXT đặt sơ đồ hệ thống 10 Thiết kế máy thu FM Thêm phương trình sau vào sơ đồ hệ thống: Eb_No = sweep(stepped(1,13,2)) 10 Đặt tham số PWR khối AWGN thành "-Eb_No" tham số PWRTYP thành Chuẩn hóa N0/2 (dBW/Hz) 11 Đặt tham số PLSSHP khối PLSTYP thành Gaussian (BT),tham số NRMTYP thành Unit Pulse Gainvà tham số ALPHA thành "0,5" 12 Đặt tham số GAIN khối FM_DSCRM thành "1/353.5" 13 Đặt tham số INTG_DMP khối N thành "8" Hãy nhớ DAC đặt thành mẫu cho ký hiệu 14 Đặt tham số ADC block M thành "2" 15 Trên tab Tham số khối CĂN CHỈNH, đặt GAINCOMP thành None,CHỈ PHSCOMP thành Đảo ngượcvà để DLYCOMP đặt thành Basic Khối ALIGN sử dụng để chỉnh liệu gốc với liệu nhận trước máy dò BER 16 Xác minh tham số khối BER_EXT khớp với tham số hình sau 11 Thiết kế máy thu FM Thêm Đồ thị Phân tích Kết Để thêm phân tích đồ thị dạng sóng RX: Thêm biểu đồ hình chữ nhật có tên "RX Waveforms" Thêm phép đo vào đồ thị cách sử dụng thiết đặt hình sau đây, sau bấm Thêm 12 Thiết kế máy thu FM Lặp lại bước chọn TP.INT_DUMP làm Điểm kiểm tra Lặp lại bước chọn TP ADC dạng Điểm kiểm tra, sau bấm Đóng Chạy Trình mơ hệ thống sau dừng lại sau vài phút Ảnh chụp nhanh phản hồi mô hiển thị biểu đồ sau Đồ thị trông giống sau thực thay đổi thuộc tính dấu vết trục thích hợp hộp thoại Tùy chọn Đồ thị Đặt dạng sóng điểm kiểm tra TP.INT_DUMP hiển thị trục phải Phân tích biểu đồ Dạng sóng đậm đầu FM phân biệt đối xử tiếng ồn thấp Đầu mẫu khối tích hợp đổ msec 1e6 nsec (mẫu với tỷ lệ ký hiệu 1000 mẫu / giây) hiển thị với dấu tam giác Đúng dự đoán, đường cong tích cực sản lượng phân biệt đối xử FM tăng lên tiêu cực khác Cũng quan sát đầu khối ADC, cắt đầu khối tích hợp đổ cho liệu đầu kỹ thuật số Quy mô cho đầu tích hợp đổ trục y bên phải, FM phân biệt đối xử ADC nằm trục y bên trái 13 Thiết kế máy thu FM Thêm biểu đồ hình chữ nhật khác có tên "BER" Thêm phép đo vào đồ thị cách sử dụng thiết đặt hình sau đây, sau bấm Thêm 14 Thiết kế máy thu FM Thêm phép đo khác vào biểu đồ để đại diện cho hiệu suất máy thu không mạch lạc, sử dụng thiết đặt hình sau đây, sau bấm Thêm 10 Lặp lại bước chọn Mạch lạc làm Loại giáng cấp Điều đại diện cho hiệu suất máy thu tuyến tính mạch lạc (tương quan) 11 Lặp lại bước chọn Phân biệt đối xử dạng Loại Giáng cấp, sau bấm Đóng Điều đại diện cho hiệu suất người nhận phân biệt đối xử phi tuyến tính, theo giả định lý tưởng 12 Đặt tham số TXTOUT khối BER_EXT thành thống kê Dùng thử 13 Chạy Trình mơ Hệ thống Một cửa sổ văn hiển thị với số liệu thống kê mô BER 14 Chọn cửa sổ đồ thị BER, sau bấm chuột phải chọn Tùy chọn bấm nút Tùy chọn công cụ Bấm tab Dấu vết Trục thực thay đổi thích hợp biểu đồ để trơng giống biểu đồ sau Hãy chắn bạn chọn Thang ghi cho trục trái đặt Min thành "1e-7" Max thành "1" 15 Thiết kế máy thu FM 15 Chạy lại Trình mơ Hệ thống 16 Lưu đóng dự án C Thiết kế cấp độ Nguyên lý khối chức mạch: Tính tốn phần vào mạch thu: ANT1 ANTENNA C2 C2 L1 L1 C1 Ra C1 Ta có: 16 Thiết kế máy thu FM 𝐶𝑛𝑡 = 𝐶1 ×𝐶2 𝐶1 +𝐶2 𝜔0 = √𝐿1 𝐶𝑛𝑡 = 2𝜋 𝑓0 (1) Trở kháng anten: 𝑹𝒂 =50Ω => 𝒁𝒆 =𝑹𝒂 =50Ω Tần số f0=100MHz Chọn Q=100, Hệ số ghép mạch vào m=0.4 𝑍𝑒 = 𝑚2 𝑅𝑒𝑞(𝜔0 ) 𝑍 50 { => 𝐿1 = 𝑒 = =4.97× 10−9 (H) 𝑚 𝜔0 𝑄 0.4 ×2×𝜋×100×10 ×100 𝑅𝑒𝑞(𝜔0) = 𝜔0 𝐿1 𝑄 => Chọn: 𝑳𝟏 = 4.97(nH) Điện trở cộng hưởng tương đương ngõ vào: Rtd1 = 2fRF Q0.L= 2x10x106x100x4.97x10-9 = 31,2 () Ta có : f0= 2×𝜋×√𝐿×𝐶𝑡𝑑 => 𝐶𝑡𝑑 = (2×𝜋×𝑓0 )2 ×𝐿1 = (2×𝜋×100×106 )2 ×4.97×10−9 =5× 10−10 (𝐹) 𝐶𝑡𝑑 Ta có : m= 𝐶1 =>𝐶1 = 𝐶𝑡𝑑 𝑚 = 5×10−10 0.4 = 1.25(𝑛𝐹) =>Chọn: C1=2(nF) 𝐶1 ×𝐶2 Ctd= 𝐶1 +𝐶2 => 𝐶2 = 𝐶𝑡𝑑 ×𝐶1 𝐶1 −𝐶𝑡𝑑 = 5×10−10 ×2×10−9 2×10−9 −0.5×10−9 = 6.67 × 10−10 (𝐹) =>Chọn: C2=0.67(nF) Ở chế độ chiều Rlọc đóng vai trị lọc nguồn thường có giá trị vài trăm ohm =>chọn Rlọc=1(kΩ) Ta có : 𝑋𝐶𝑙ọ𝑐 ≤ => Clọc≥ 10 × 𝑅𝑙ọ𝑐 = 10(Ω) 2×𝜋×𝑓0 ×𝑋𝐶𝑙ọ𝑐 = 2×𝜋×100×106 ×10 = 1.6 × 10−10 (𝐹) Vậy ta chọn Clọc=180(pF) 17 Thiết kế máy thu FM Mạch khuếch đại công suất cao tần RF: Rloc V1 C 10Vdc R2 T1 C5 0 C3 Q1 C2 E1 L1 R1 R3 ANTENNA C1 C4 Phân cực BJT có:hfe = 90 , 𝐼𝐶𝑄1 =1 mA 𝑉𝑅3 = (0,1 ÷ 0,3) V’CC V’CC = VCC - ICQ1.RLoc = 10 – 1.10-3.103 = (V) Suy : 𝑉𝑅3 = 0,1 V’CC = 0,1 = 0.9(V) Suy :𝑅3 = 𝑉𝑅3 𝐼𝐶𝑄1 = 0.9 10−3 = 900(Ω) Chọn 𝐑 𝟑 = 𝟏(𝐤Ω) Ta có : 𝑅𝑏1 = 10 × ℎ𝑓𝑒 × 𝑅3 = 10 × 90 × 1000 = 9(𝑘Ω) Vbb1=V𝛾+ICQ1xR3=0.7 +10-3 x 103=1.7(V) Vậy R1=Rb1x 𝑉 1− 𝑏𝑏1 V’CC = 9000 × 1− 1.7 = 10865(Ω) Chọn R1=12(kΩ) R2=Rb1 x V’CC 𝑉𝐵𝐵1 = 9000 × 1.7 = 47647(Ω) Chọn R2= 56(kΩ) Ở chế độ xoay chiều : 18 Thiết kế máy thu FM Ta có : fβ~𝐵𝑤 = 75 𝑘𝐻𝑧 Xét mạch hoạt động chế độ lớp A nên góc cắt = 1800 Chọn A =( 0,4 ÷ 0,45) = 0,4 Vcm1 = A V’CC = 0,4.9 = 3.6 (V) Ta có 0() = 1()= sin cos sin cos 1 sin cos sin cos 1 Thành phần chiều xung dòng collector: ICO = ICO1 = (mA) Dòng hài bậc collector: I cm1 (Q1 ) ( ) I CO 1mA ( ) Điện trở cộng hường tương đương khung cộng ra: Rtd1 = Vcm1(Q1 ) Icm1(Q1 ) = 3.6 1mA = 3.6 (kΩ) Công suất tải : 1 2 PL1= Vcm1 × Icm1 = × 3.6 × 10−3 = 1.8(mA) Rtd1 L1 = 2×π×frf ×Q0 CC= = (2×π×fRF )2 ×LC 3600 2×π×10×106 ×100 = = 570(nH) (2×π×10×106 )2 ×570×10−9 = 444(pF) Hệ số khuyếch đại dòng điện hai dải tần số trung bình Ta có : Zin1=Rb1//hie1 Mà : hie1=1.4xhfe1x 0.025 ICQ1 =1.4x90x0.025x103 =3150(Ω) 19 Thiết kế máy thu FM Zin1= 9k//3.15k=2.3(kΩ) Tụ C3 tụ liên lạc dùng để ghép mạch đầu vào với tầng khuếch đại C3≫ 2×π×fRF ×Zin1 = 2×π×10×106 ×2.3×103 = 6.9(pF) Chọn C3=68(pF) Tụ C4 tụ bypass để ổn định nhiệt tăng độ lợi cho transistor Q1: Chọn ZC4 ≪ R3 C4 ≫ 2×π×fRF ×R3 = 2×π×10×106 ×1×103 = 15.9(pF) Chọn C4=150(pH) Từ sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ ta có : C5 = CC – (CM2 +Cb’e2).a2 Mà : CM = (1+gm.ZL ) Cb’c Với : gm = 40.ICQ1 ZL = Zi2 = 1837 ( ) Suy : C M (1 40.10 3.1837 ).0,9 67( pF ) Và Cb'e hfef wT rb 'e 76,9 1( pF ) 2 3000 10 6.3846 C5 = CC – (CM2 +Cb’e2).a2 =18-(67+1)x ( ) =15.28(pF) Chọn C5 =15 (pF) Mạch trộn tần : 20 Thiết kế máy thu FM T2 C7 T1 Lp1 Ls R5 Lp2 XFRM_NONLIN/CT-PRI Q2 C6 R4 R6 C8 Chọn hfe = 80 Ở chế độ chiều: Chọn I CQ = mA VR7 = 0,1 x Vcc = 0,1 x 10= (V) Suy ra: R6= VR = 200() I CQ2 5.10 3 `=> Chọn : R6 =220 Ta có : Rb2 = 1 hfe.R6 = 80 220 = 1.76(K) 10 10 VBB = 0,7 + I CQ R6 = 0,7 + 5.10-3 220 =1.8(V) Vậy R4 = Rb2 ×VCC VCC −VBB Rb2 ×VCC R5 = VBB = = 1760×10 10−1.8 1760×10 1.8 = 2.14(kΩ) = 9.77(kΩ) Chọn R4=2.2(kΩ) R5 =10(kΩ) 0.025 Ta có : hie2=1.4xhfe2x ICQ2 =1.4 x 80 x 0.025 x × 103 =560(Ω) 21 Thiết kế máy thu FM Rin =Rb2//hie2 =1760 // 560 = 424.8(Ω) ZC6 ≤ 10 C6 R in = 424.8 10 2 f IF Z C = 42.48(Ω) 350 ( pF ) 2 10,7.10 6.42,48 Chọn C6 = 390 (pF) Tụ C8 tụ bypass làm tăng độ lợi ổn định nhiệt : ZC8 ≤ 𝑐8 ≥ 10 R6 = 2𝜋𝑓𝐼𝐹 𝑍𝐶8 220 10 = = 22(Ω) 2𝜋.10.106 22 = 723(𝑝𝐹) Chọn C8 = 730 (pF) Ở chế độ xoay chiều : Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ : Cb’.a2 Lb Rtñb C’b rb’e a LC gmVb’e RtñC CC Mạch hoạt chế độ A góc cắt = 1800 Chọn A =0.4 Suy Vcm2 = A x VCC = 0,4.10 = (V) () = sin cos sin cos = =1 () = sin cos sin cos = =1 ICO = ICO2 = (mA) Dòng hài bậc collector: 22 Thiết kế máy thu FM I cm2 (Q2 ) ( ) I CO 5(mA) ( ) Điện trở cộng hưởng tương đương khung cộng hưởng : Rtd Vcm2 (Q2 ) 4V 800() I cm2 (Q2 ) 5mA Công suất tải: PL2 = L2 = 1 Vcm2(Q2) Icm2(Q2) = 4V 5mA = 10mW 2 800 Rttd = = 0.24(𝜇𝐻) 2𝜋.10.106 50 2 f IF Q0 𝐶7 = 1 = = 1.05(𝑛𝐹) (2𝜋 𝑓𝐼𝐹 ) 𝐿2 (2𝜋 10 10 )2 0,24 10−6 Chọn C7=1 (nF) 23