Giáo trình mạch điện tử nâng cao (nghề điện tử dân dụng trình độ cao đẳng)

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Mạch Điện Tử Nâng Cao mô đun sở của nghề Điện tử dân dụng biên soạn dựa theo chương trình khung đã xây dựng ban hành năm 2017 của trường Cao đẳng nghề Cần Thơ dành cho nghề Điện tử dân dụng hệ Cao đẳng Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu, học có thí dụ tập tương ứng để áp dụng làm sáng tỏ phần lý thuyết Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo giáo trình có cập nhật kiến thức có liên quan để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung biên soạn gắn với nhu cầu thực tế Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 60 giờ gồm có: Bài MĐ14-01: Mạch thuật toán Bài MĐ14-02: Mạch tạo điện áp có cực tính thay đổi Bài MĐ14-03: Mạch chuyển đổi trở kháng Bài MĐ14-04: Mạch tích phân-vi phân Bài MĐ14-05: Mạch PI-PID Bài MĐ14-06: Mạch lọc bậc hai Bài MĐ14-07: Mạch nén chọn lọc Bài MĐ14-08: Mạch vịng khóa pha Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến của thầy, cơ, bạn đọc để nhóm biên soạn điều chỉnh hoàn thiện Cần Thơ, ngày tháng năm 2018 Tham gia biên soạn Chủ biên: Nguyễn Phương Uyên Vũ Đỗ Hữu Hâ âu MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU BÀI 1: MẠCH THUẬT TOÁN .8 1.Khái niệm chung khuếch đại .8 Phân Loại BÀI 2: MẠCH TẠO ĐIỆN ÁP RA CĨ CỰC TÍNH THAY ĐỔI 17 1.Khái niệm mạch tạo điện áp có cực tính thay đổi 17 2.Mạch tạo điện áp có cực tính thay đổi (0 < q < 1) 17 3.Tính tốn thơng số mạch 17 4.Đo, kiểm tra, cân chỉnh thông số mạch 18 BÀI 3: MẠCH CHUYỂN ĐỔI TRỞ KHÁNG 20 2.Mạch ROTATO 20 3.Mạch GYRATO 23 4.Mạch XIECCULATO .27 5.Đo, kiểm tra, cân chỉnh thông số mạch 30 BÀI 4: MẠCH TÍCH PHÂN- VI PHÂN 32 1.Khái niệm chung mạch tích phân 32 2.Chức nhiệm vụ mạch tích phân 32 3.Mạch tích phân khơng đảo .32 4.Mạch tích phân đảo 33 5.Mạch tích phân tổng hiệu 35 6.Mạch tích phân kép 36 7.Mạch vi phân 37 8.Đo, kiểm tra, cân chỉnh thông số mạch 40 BÀI 5: MẠCH PI-PID 42 Khái niệm chung mạch PI .42 Sơ đồ mạch điện 42 3.Đo, kiểm tra, cân chỉnh thông số mạch 44 4.Khái niệm chung mạch PID (Propotional-Intergrated-Differential ) 45 5.Sơ đồ mạch điện 45 6.Đo, kiểm tra, cân chỉnh thông số mạch 47 BÀI 6: MẠCH LỌC BẬC HAI 49 Khái niệm mạch lọc thông thấp bậc hai 49 Chức nhiệm vụ mạch 49 Đo, kiểm tra, cân chỉnh thông số mạch 51 4.Khái niệm chung mạch lọc thông cao bậc hai 52 5.Chức nhiệm vụ mạch .52 Đo, kiểm tra, cân chỉnh thông số mạch 54 Khái niệm chung mạch lọc thông dải 55 8.Chức nhiệm vụ mạch lọc thông dải .55 Đo, kiểm tra, cân chỉnh thông số mạch 62 BÀI 7: MẠCH NÉN CHỌN LỌC 63 Khái niệm chung mạch nén chọn lọc 64 Chức nhiệm vụ mạch nén chọn lọc 65 Tính tốn thơng số mạch 66 Bài tập 67 BÀI 8: MẠCH VỊNG KHỐ PHA (PLL) 68 Sơ đồ khối vịng khóa pha 68 Các tính chất PLL tuyến tính .69 3.Ứng dụng PLL 72 4.Đo, kiểm tra, cân chỉnh thông số mạch 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN Tên mô đun: MẠCH ĐIỆN TỬ NÂNG CAO Mã mô đun: MĐ 14 Thời gian thực mô đun: 60 giờ; (Lý thuyết: 15 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập: 43 giờ; Kiểm tra: 02 giờ) I Vị trí, tính chất mơ đun: - Vị trí: Mơ đun bố trí sau sinh viên học xong mô đun linh kiện điện tử, đo lường điện - điện tử, mạch điện tử - Tính chất: Là mơ đun bắt buộc II Mục tiêu mơ đun: - Kiến thức: + Trình bày nguyên lý làm việc của mạch điện khuếch đại thuật tốn, mạch vịng khố pha mạch điều khiển; cấu tạo chu trình làm việc của số mạch điều khiển thông dụng - Kỹ năng: +Kiểm tra cân chỉnh mạch điện khuếch đại thuật tốn, mạch vịng khố pha mạch điều khiển - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Có khả tự định hướng, chọn lựa phương pháp tiếp cận thích nghi với học + Có lực đánh giá kết học tập nghiên cứu của + Tự học tập, tích lũy kiến thức, kinh nghiệm để nâng cao trình độ chun mơn + Sinh viên có thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác học tập III Nội dung mô đun: Nội dung tổng quát phân bổ thời gian: Thời gian (giờ) Số TT Tổng số Lý thuyết Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập Bài 1: Mạch thuật toán 2 Mạch khuếch đại đảo 0.5 0.5 Mạch khuếch đại không đảo 0.5 0.5 Mạch cộng 0.5 0.5 Mạch trừ 0.5 0.5 Bài 2: Mạch tạo điện áp có cực tính thay đổi 2 0.5 0.5 Tên mô đun Khái niệm chung mạch tạo điện áp có cực tính thay đổi Kiểm tra Sơ đồ mạch điện 0.5 0.5 Tính tốn thơng số của mạch 1 Đo, kiểm tra cân chỉnh thông số của mạch Bài 3: Mạch chuyển đổi trở kháng 1 Khái niệm chung mạch chuyển đổi trở kháng 0.25 0.25 Mạch Rotato 0.25 0.25 Mạch Gyrato 0.25 0.25 Mạch Xiecculato 0.25 0.25 Lắp ráp cân chỉnh thông số của mạch Bài 4: Mạch tích phân-vi phân Khái niệm chung mạch tích phân 0.25 0.25 Chức nhiệm vụ của mạch tích phân 0.25 0.25 Mạch tích phân khơng đảo 0.25 0.25 Mạch tích phân đảo 0.25 0.25 Mạch tích phân tổng hiệu 0.25 0.25 Mạch tích phân kép 0.25 0.25 Khái niệm chung mạch vi phân 0.25 0.25 Đo, kiểm tra cân chỉnh thông số của mạch điện 2.25 0.25 0.5 0.5 Bài 5: Mạch PI-PID Khái niệm chung mạch PI 2 Sơ đồ mạch điện 0.5 0.5 Lắp ráp cân chỉnh thông số của mạch điện Khái niệm chung mạch PID 0.5 0.5 Sơ đồ mạch điện 0.5 0.5 Đo, kiểm tra cân chỉnh thông số của mạch điện Kiểm tra Bài 6: Mạch lọc bậc hai 13 Khái niệm chung mạch lọc thông thấp bậc hai 0.5 0.5 Chức nhiệm vụ của mạch lọc thông thấp bậc hai 0.5 0.5 Lắp ráp mạch lọc thông thấp bậc hai Khái niệm chung mạch lọc thông cao bậc hai 0.5 0.5 Chức nhiệm vụ của mạch lọc thông cao bậc hai 0.5 0.5 Lắp ráp mạch lọc thông cao bậc hai Khái niệm chung mạch lọc chọn lọc mạch lọc thông dải 0.5 0.5 Chức nhiệm vụ của mạch lọc chọn lọc mạch lọc thông dải 0.5 0.5 3 Lắp ráp mạch Bài 7: Mạch nén chọn lọc 0.5 0.5 Khái niệm chung mạch nén 10 chọn lọc Chức nhiệm vụ của mạch nén chọn lọc 0.5 0.5 Lắp ráp mạch Kiểm tra Bài 8: Mạch vịng khóa pha Sơ đồ khối vịng khố pha (PLL) 0.5 0.5 Tính chất của PLL tuyến tính 0.5 0.5 Ứng dụng của PLL 1 Lắp ráp cân chỉnh mạch vịng khố pha Cộng 45 2 15 28 02 BÀI 1: MẠCH THUẬT TOÁN Mã bài: MĐ14-01 Mục tiêu: Học xong học viên có khả năng: - Trình bày chức nhiệm vụ nguyên lý làm việc của khuếch đại - Tính tốn mức tín hiệu so với tín hiệu vào yêu cầu của của mạch - Trình bày chức, nhiệm vụ nguyên lý làm việc của mạch cộng - Phân loại mạch cộng -Trình bày chức nhiệm vụ nguyên lý làm việc của mạch trừ - Tích cực, chủ động sáng tạo học tập Nội dung chính: 1.Khái niệm chung khuếch đại 1.1 Khái niệm chung Mạch khuếch đại sử dụng hầu hết thiết bị điện tử, mạch khuếch đại âm tần máy chơi nhạc, Âmply, khuyếch đại tín hiệu video Ti vi, LCD hay mạch khuếch đại tín hiệu vơ tuyến thu Radio, thu truyền hình v.v … Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng Anh: operational amplifier), thường gọi tắt op-amp mạch khuếch đại chiều nối tầng trực tiếp với hệ số khuếch đại cao, có đầu vào vi sai, thơng thường có đầu đơn Trong ứng dụng thông thường, đầu điều khiển mạch hồi tiếp âmsao cho xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào tổng trở đầu Các mạch khuếch đại thuật tốn có ứng dụng trải rộng nhiều thiết bị điện tử thời từ thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp khoa học Các mạch khuếch đại thuật tốn thơng dụng có giá bán rẻ Các thiết kế đại đã điện tử hóa chặt chẽ trước đây, số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng tình trạng ngắn mạch đầu mà không làm hư hỏng 1.2 Chức khuếch đại Chức của khuếch đại tất nhiên khả khuếch đại, nhiên cấu tạo đặc biệt, nên chúng tạo nhiều chức khác từ khuếch đại mạch cộng, trừ, vi tích phân Trong ta khảo sát mạch khuếch đại sử dụng mạch khuếch đại thuật toán Phân Loại Bằng cách ghép nối thành phần xung quanh KĐTT, ta thiết lập hai mạch khuếch đại khuếch đại đảo khuếch đại không đảo (khuếch đại đệm) Trong này, ta khảo sát op-amp trạng thái lý tưởng Sau đặc tính của op-amp lý tưởng: - Ðộ lợi vòng hở A (open loop gain) vô cực - Băng tần rộng từ 0Hz đến vô cực - Tổng trở vào vô cực - Tổng trở - Các hệ số l vô cực - Khi ngõ vào volt, ngõ volt - Ðương nhiên op-amp thực tế đạt trạng thái lý tưởng Hình 1.1Ký hiệu mạch tương đương opamp - Từ đặc tính ta thấy: A= → ∞ nên V0 xác định chưa bảo hịa V1 = V2 - Zi →∞ nên khơng có dịng điện chạy vào op-amp từ ngõ vào - Z0 →0Ω nên ngõ v0 không bị ảnh hưởng mắc tải - Vì A lớn nên phải dùng op-amp với hồi tiếp âm Với hồi tiếp âm, ta có hai dạng mạch khuếch đại sau: 2.1 Mạch khuếch đại đảo Mạch khuếch đại đảo mạch khuếch đại tín hiệu vào thành tín hiệu có điện áp lớn hơn, bị đảo chiều so với tín hiệu vào 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch Hình 1.2 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo 2.1.2 Chức nhiệm vụ mạch Chức của mạch khuếch đại tín hiệu vào thành tín hiệu có điện áp lớn , đảo chiều cực tính của tín hiệu vào Tính tốn thơng số mạch - Mạch khuếch đại đảo đảo ngược khuếch đại tín hiệu ngõ vào Hệ số khuếch đại xác định dựa vào hai điện trở (điện trở hồi tiếp âm Rf, điện trở vào Rin) 10 - Trong thiết kế ta chọn: C1 = C2 = C Chọn bang tầng B tần số cộng hưởng ωr.Từ suy ra: R1, R2, R3 tính từ phương trình: Mạch lọc triệt dải (mạch lọc chọn lọc) Sơ đồ mạch lọc triệt dải Hình 6.13 Sơ đồ mạch lọc triệt dải * Phân tích mạch - Để loại bỏ dải tần số Wr mạch lọc triệt dải phải có hai chức lọc thơng thấp dải tầng số WL < Wr, lọc thông cao dải tầng số WH< Wr - Phân giải mạch tương đối phức tạp, ta chấp nhận bước thiết kế sau: Chọn C1 = C2 = C: Trị thích hợp từ 100pf đến 0.1uF Tính R1, R2 từ công thức: R1 = R2 = Chọn Ra thích hợp (thường Ra = 1kΩ) Tính Rb từ công thức Rb = Đo, kiểm tra, cân chỉnh thông số mạch 9.1 Chuẩn bị 9.1.1 Chuẩn bị linh kiện Chuẩn bị linh kiện sau: Tụ 10nF Điện trở 10K Biến trở 50K Op amp LM358 Bộ nguồn +/-5VDC 9.1.2 Chuẩn bị dụng cụ, testboard Chuẩn bị dụng cụ sau: Mỏ hàn, Chì hàn, nhựa thơng Testboard Dây nối 64 48 Kìm cắt,kìm kẹp, nhíp Bộ nguồn DC Máy phát hàm VOM 9.2 Lắp ráp mạch 9.2.1 Lắp ráp mạch testboard Lắp ráp mạch testboard theo sơ đồ nguyên lý sau: R K + V U A C R 1 V L M V K n F C N 1G C R N DG C N n F K G N D V R N DG N D K R K G N D 9.2.2 Đo ngắn mạch Dùng VOM đo hai đầu CN1, CN2 nguồn +/-5VDC xem có chạm nguồn hay khơng 9.3 Cấp nguồn 9.3.1 Chỉnh nguồn, áp phù hợp Chỉnh nguồn +/-5VDC cung cấp cho mạch 9.3.2 Cấp tín hiệu cho mạch Sau đã chỉnh nguồn, cấp tín hiệu sóng sin từ máy phát hàm cho mạch thơng qua CN1 9.4 Đo đạc cân chỉnh 9.4.1 Đo đạc tín hiệu Quan sát đo tín hiệu CN2, so sánh với tín hiệu đầu vào CN1 9.4.2 Cân chỉnh thông số theo yêu cầu Thay đổi tần sóng sin đầu vào từ 100Hz –10Khz, bước thay đổi 100Hz Vẽ đáp ứng tần số của mạch lọc khoảng tần số 65 BÀI 7: MẠCH NÉN CHỌN LỌC Mã bài: MĐ 14-07 Giới thiệu Mạch nén chọn lọc thường dùng mạch cộng hưởng tần số vô tuyến để chọn lọc tần số mong muốn Mục tiêu: Học xong học viên có khả năng: - Trình bày chức năng, nhiệm vụ nguyên lý làm việc của mạch nén chọn lọc - Tính tốn mức tín hiệu so với tín hiệu vào yêu cầu của của mạch điện - Lắp ráp mạch nén chọn lọc theo sơ đồ lắp ráp mạch in đã thiết kế sẵn - Đo, kiểm tra cân chỉnh mức điện áp yêu cầu thiết kế - Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, chủ động sáng tạo học tập Nội dung chính: Khái niệm chung mạch nén chọn lọc 1.1 Khái niệm chung Mạch nén chọn lọc mạch lọc thông dải có băng thơng B hẹp Mạch nén chọn lọc lý tưởng có đáp ứng tần số sau: Mạch nén chọn lọc lý tưởng 1.2 Vai trò chức mạch Mạch nén chọn lọc thường dùng mạch cộng hưởng tần số trung tâm hệ thống thông tin vô tuyến, mạch tạo dao động Chức nhiệm vụ mạch nén chọn lọc 2.1 Nhiệm vụ vai trò mạch nén Mạch nén chọn lọc cho tần số mang muốn qua, tần số khác bị triệt tiệu qua mạch 2.2 Sơ đồ mạch điện 66 Hình 7.19 Sơ đồ mạch nén chọn lọc dùng mạch lọc T kép 2.3 Chức linh kiện Một mạch nén chon lọc hình 13.1 mạch T kép thụ động, kết hợp với mạch khuếch đại thuật tốn có hệ số khuếch đại lớn để tăng hệ số phẩm chất Q.R1 (k+1)R1 mắc thêm để bù độ lợi cho mạch nén chọn lọc 2.4 Nguyên lý hoạt động mạch Để nén tần số đó, người ta dùng lọc có hệ số truyền đạt tần số cộng hưởng khơng, cịn tần số thấp tần số cao hệ số truyền đạt tăng đến giá trị khơng đổi Một mạch nén chon lọc chủ động phổ biến mạch T kép thụ động, kết hợp với mạch khuếch đại thuật tốn Tính tốn thơng số mạch Ta xem xét mạch lọc T kép thụ động Hình 7.2 Mạch lọc T kép thụ động Hàm truyền đạt của mạch: Với Ω = ωRC Biểu thức tường đương với biểu thức (6), đó: A=1 ; β = 4; Khi ffO tức Pj KT = KTO=A cịn khi, f=fO tức P=j KT=0 Tương tự với mạch lọc chọn lọc, ta tính nghiệm Ω1 Ω2, đó: Q=fO/B = 1/ Ω1 - Ω2 = 1/β (14) Thay (14) vào (6), ta có biểu thức: 67 So sánh với (13), rút ra:Q=1/4 Từ (15), tính KT: Ta đã tính hệ số phẩm chất của mạch T kép Q=1/4 Ta tăng Q cách mắc mạch T kép vào mạch hồi tiếp của KĐTT để tạo mạch lọc tích cực Hình 7.3 Mạch lọc T kép chủ động Hình sơ đồ mạch nén chọn lọc dùng mạch lọc T kép tần số cao thấp, tính chất truyền đạt của mạch T kép khơng có thay đổi, điện áp ra: Tại tần số cộng hưởng ru = 0, lúc coi đầu của R/2 nối đất, tần số cộng hưởng fO xác định theo biểu thức : Hàm truyền đạt phức của mạch điện : Do đó, KO= k và: Khi k=1 Q = 0,6; Khi k=2 Q = ∞ 68 Bài tập Tính giá trị R1, R2, R3, C1, C2, C3 để mạch nén chọn lọc T kép thụ động sau có tần số f0=1.5 Khz Tính tần số fo của mạch nén chọn lọc thụ động sau 69 BÀI 8: MẠCH VỊNG KHỐ PHA (PLL) Mã bài: MĐ14-08 Giới thiệu Mạch PLL dùng nhiều hệ thống vô tuyến tạo xung clock mạch điện tử Mục tiêu: Học xong học viên có khả năng: - Trình bày chức năng, nhiệm vụ nguyên lý làm việc của mạch vịng khố pha - Phân loại mạch vịng khố pha theo nội dung đã học - Tính tốn mức tín hiệu so với tín hiệu vào yêu cầu của mạch điện - Lắp ráp cân chỉnh mức điện áp yêu cầu thiết kế - Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, chủ động sáng tạo học tập Nội dung Sơ đồ khối vịng khóa pha Vịng khóa pha (Phase_locked_loop) PLL hệ thống vịng kín hồi tiếp, tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa tần số pha của tín hiệu theo tần số pha của tín hiệu vào Tín hiệu vào có thể có dạng tương tự hình sine dạng số Kỹ thuật PLL ứng dụng rộng rãi mạch lọc, tổng hợp tần số, điều chế giải điều chế, điều khiển tự động … Hình 8.20 Sơ đồ khối PLL 1.1 Ngun lý hoạt động Vịng khóa pha hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào tần số Và đại lượng so sánh với pha Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát điều chỉnh sai số nhỏ tần số tín hiệu vào PLL hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển, đại lượng vào tần số, chúng so sánh với pha Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát điều chỉnh sai số nhỏ tầnn số tín hiệu vào tín hiệu ra: làm cho tần số ω`r của tín hiệu so sánh bám theo tần số ωv của tín hiệu vào, tần số tín hiệu so sánh tần số tín hiệu ra(ω`r =ωr), tỉ lệ với tần số tín hiệu (ω`r =ωr/N) Xét trường hợp tín hiệu vào sin, mạch tách sóng pha mạch nhân tương tự 70  Khi khơng có tín hiệu vào, tín hiệu điều chỉnh ud=K uv.u`r = 0, mạch VCO dao động với tần số tần số dao động riêng ω0 (tần số dao động tự – chế độ chờ)  Khi có tín hiệu vào, tách sóng pha so pha tần số của tín hiệu vào tín hiệu so sánh, đầu tách sóng pha có ud=K uv u`r (# 0), chứa thành phần tổng hiệu tần số: ωv ± ω`r, thành phần tổng ωv + ω`r bị loại bỏ nhờ mạch lọc thơng thấp, cịn thành phần hiệu: ωv - ω`r, sau khuếch đại dùng làm tín hiệu điều khiển dao động VCO, tần số VCO thay đổi cho: tạo tần số hồi tiếp ω`r có giá trị làm cho (ωv - ω`r) > Nếu tần số ωv ω`r lệch lớn làm cho tần sốtổng hiệu nằm ngồi dải thơng của mạch lọc, khơng có tín hiệu điều khiển VCO, VCO dao động với tần số ω0, ω`r tiến dần đến ωv cho thành phần hiệu rơi vào dải thông của lọc, VCO bắt đầu nhận tín hiệu điều khiển, ta gọi PLL làm việc “dải bắt” tín hiệu, “dải bắt” dải PLL thiết lập chế độ đồng “Dải giữ” dải PLL giữđược chế độ đồng thay đổi tần số tín hiệu vào (phụ thuộc biên độ điện áp điều khiển ud khả biến đổi tần số của VCO) Trong dải giữ PLL mạch điều khiển tuyến tính, theo giả thiết chọn hệ số chia tần N=1, ta có: - Như lọc thơng thấp, tín hiệu đưa đến VCO cịn: - Trong Kd; ⎢G⎢là hệ số module truyền đạt của mạch lọc thông thấp Tại xung quanh điểm làm việc tĩnh, tần số VCO tỉ lệ với giá trị trung bình của ud, viết dãy bắt là: - Khi ωv số PLL đã chuyển sang trình giữ, hiệu pha tín hiệu u’r uv khơng đổi (ωv = ω`r), từ phương trình => giá trị chiều 71 - Do tần số thay đổi lượng: 2∆ωGmax dải giữ của PLL 1.2 Chức nhiệm vụ khối 1.2.1 Bộ tách sóng pha Tạo tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha của tín hiệu vào, tín hiệu vào thường hình sin xung vng, có loại tách sóng pha tuyến tính(tín hiệu vào sin), tách sóng pha số(tín hiệu vào xung vng) Bộ tách sóng pha tuyến tính: mạch nhân tương tự, tín hiệu tỉ lệ với biên độ tín hiệu vào Bộ tách sóng pha sẽ: thực mạch số, thuộc loại mạch tổ hợp 1.2.2 Bộ lọc thông thấp Thực chức năng: Cho qua tín hiệu tần số thấp ωv - ω`r, nén tần số cao ωv + ω`r Đảm bảo cho vịng khố pha PLL bắt nhanh bám tín hiệu vào tần số thay đổi, nghĩa đã phải có tốc độ đáp ứng thoả mãn Dải thông của lọc phải đủ lớn để đảm bảo dải bắt cần thiết Thông thường PLL dùng lọc thơng thấp bậc nhất, có tính ổn định cao lọc bậc cao, dùng lọc tích cực để tăng độ khuếch đại cho hệ thống 1.2.3 Bộ dao động có tần số điều khiển Yêu cầu chung quan hệ điện áp điều khiển tần số dãy xung phải tuyến tính, ngồi cịn phải có độ ổn định cao,dải biến đổi của tần số lớn, dễ điều chỉnh, dễ chế tạo thành vi mạch Về nguyên tắc dùng mạch tạo dao động, mà tần số dao động của biến thiên phạm vi: (±10% ÷ ±50%), xung quanh giá trị dao động tự ω0 Trong phạm vi tần số : 1Mhz - 100 Mhz, thường dùng dao động tạo xung chữ nhật; phạm vi tần số : 1Mhz - 50 Mhz, thường dùng dao động đa hài (tích thốt, mạch đa hài ghép Emitter ) Các dao động điều khiển dòng điện (CCO), ưu việt dao động điện áp (VCO), có phạm vi tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt rộng Các tính chất PLL tuyến tính 2.1 VCO Khi khơng có tín hiệu Vi ngõ vào, điện áp ngõ Vdc(t) = 0V, dao động VCO hoạt động tần số fn cài đặt điện trở tụ điện ngồi Khi có tín hiệu vào Vi, tách sóng pha so sánh pha tần số của tín hiệu vào với tín hiệu của VCO Ngõ của tách sóng pha điện áp sai lệch V d(t) , Chỉ sai biệt pha tần số của hai tín hiệu Điện áp áp sai lệch Vd(t) lọc lấy thành phần biến đổi chậm Vdc(t) Nhờ lọc thơng thấp LPF, Khuếch thành tín hiệu V dk(t) đưa đến ngõ vào của VCO, để điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vào Đến tần số f ocủa VCO tần số fi của tín hiệu vào, ta nói VCO đã bắt kịp tín hiệu vào Lúc giờ sai lệch hai tín hiệu cịn lại sai lệch pha mà thơi Bộ tách 72 sóng pha tiếp tục so sánh pha hai tín hiệu để điều khiển VCO hoạt động cho sai lệch pha chúng giảm đến mức nhỏ Dải bắt BC (Capture range) Ký hiệu BC = f2 f1 dãi tần số tín hiệu vào thay đổi PLL đạt khóa pha, Nghĩa VCO bắt kịp tín hiệu vào Như để PLL hoạt động tần số của Vi phải nằm BC BC phụ thuộc vào băng thông LPF Để PLL đạt đươc khóa pha độ sai lệch tần số (fifn) phải nằm băng thông LPF Nếu nằm ngồi băng thơng PLL khơng đạt đươc khóa pha biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh Hình sau mạch VCO thực Mạch khuếch đại thuật tốn Hình 8.21 Mạch VCO 2.2 Tính chất PLL Giả sử mạch PLL đã đạt đươc chế độ khóa pha, VCO đã đồng với tín hiệu vào Bây giờ ta thay đổi tần số tín hiệu vào theo hướng lớn tần số VCO VCO bám theo Tuy nhiên tăng đến giá trị VCO khơng bám theo quay tần số tự nhiên ban đầu của Tương tự giảm tần số tín hiệu vào nhỏ tần số VCO, giảm đến giá trị khơng thể bám theo trở tần số tự nhiên của Dải giá trị tần số từ thấp đến cao nói gọi dải khóa: Dải khóa BL (Lock range): ký hiệu BL = fmax -fmin dài tần số mà PLL đồng tần số fo vàfi Các tần số fmax, fmin tần số cực đại cực tiểu mà PLL thự khóa pha Dải khóa phụ thuộc vào hàm truyền đạt (độ lợi) của tách sóng pha, 73 khuếch đại VCO Nó khơng phụ thuộc vào đáp tuyến lọc LPF PLL khóa pha fi -fo = Khi PLL chưa khóa pha: fi ≠fo Khi PLL khóa pha: fi =fo Ở chế độ khóa pha, dao động fo của VCO bam đồng theo fi dải tần số khóa BL rộng dải tần số bắt BC Ví dụ: VCO của khóa pha PLL có tần số tự nhiên 12MHz Khi tần số tín hiệu vào tăng lên từ 0Hz vịng PLL khóa giá trị 10MHz Sau tiếp tục tăng lên mât khóa pha 16MHz Hãy tìm dải bắt dải khóa Ta lặp lại bước bắt đầu với tần số tín hiệu vào có giá trị cao sau giảm dần Hãy tính thành phần mà PLL thực khóa pha khóa pha Dải bắt BC = f2 f1 = 2(12 - 10) = 4MHz Dải khóa BC = fmax fmin = 2(16 – 12) = 8MHz Đáp ứng của PLL có tính đối xứng, nghĩa tần số tự nhiên nằm trung tâm của dải khoá dải bắt Do giảm tần số tín hiệu đến 14MHz PLL thức khóa pha Tiếp tục giảm tần số tín hiệu vào đến giá trị 8MHz PLL bắt đầu khóa pha 3.Ứng dụng PLL PLL đóng vai trị quan trọng kỹ thuật truyền số liệu, kỹ thuật vô tuyến điện, kỹ thuật đo lường điện tử dùng nhằm biến đổi tần số, sau ứng dụng cụ thể: 3.1 Tách sóng tín hiệu điều tần Khi chọn tần số dao động tự ω o = ωt(tần số tải tần), ud tín hiệu cần tách sóng Hình 8.3 Mạch giải điều chế FM dùng PLL 3.2 Điều chế tín hiệu số FSK Dùng MODEM để truyển tín hiệu số đường điện thoại(tương tự), dùng phương pháp khố dịch tần FSK, hai bít 1, khố theo tần số khác nhau, ví dụ 950hz=0;1050hz=1, PLL cấu tạo cho tần số dao động tự ωo nằm tần sốđiều chế, để ωo bám theo tần số, điện áp tỉ lệ với tần số vào 74 Ví dụ với bít 1(1050hz), điện áp Ud lớn, bit 0(950hz), tín hiệu Ud nhỏ≅0 Như Ud biểu diễn tín hiệu nhị phân, hay PLL điều chế tín hiệu nhị phân, tín hiệu truyền đường tương tự 3.3 Tổng hợp tần số 3.3.1 Nguyên lý hoạt động Mạch tổng hợp tần số: cấu tạo nguyên tắc giống mạch nhân tần khác Tần số chuẩn trước đưa vào tách sóng pha chia tầnn với hệ số chia M, fc=fv/M, Như tần số xác định: chương trình hóa thay đổi tham số N M nhận chuỗi tần số có giá trị khác từ tần số ban đầu fv Hình 8.4 Mạch tổng hợp tần số dùng PLL 3.3.2 Sơ đồ mạch Hình 8.5 Mạch nhân tần số dùng PLL Đồng tần số: dùng để đồng tần số với tần số vào: Hình 8.6 Mạch đồng tần số dùng PLL 3.3.3 Tính tốn thơng số Chúng ta thực mạch VCO dạng VFC (Voltage to Frequency Convertor) sử dụng IC chuyên dụng VFC32 của hãng Texas Instruments 75 Hình 8.7 Mạch chuyển đổi điện áp thành tần số VFC Mạch mắc hình 8.7 Trong R1 set tầm của tín hiệu đầu vào theo cơng thức R1=Vfs/0.25mA Để có Vfs10V R1=10/0.25=40Kohm Tầm tần số đầu xác định tụ C1 theo bảng sau Hình 8.8 Bảng chọn C1, C2 theo tần số đầu Để có tần số đầu khoảng từ 0-10Khz với điện áp đầu vào từ 0-10Khz ta chọn C1= 3.3nF Đầu của tạo dao động dạng cực thu hở, nên ta cần phải gắn thêm điện trở kéo lên nguồn 4.Đo, kiểm tra, cân chỉnh thông số mạch 4.1 Chuẩn bị 76 4.1.1 Chuẩn bị linh kiện Chuẩn bị linh kiện sau: Tụ 104 Tụ 10nF, tụ 3.3nF Điện trở 40K, điện trở 4k7 IC VFC32 Bộ nguồn +/-15VDC 4.1.2 Chuẩn bị dụng cụ, testboard Chuẩn bị dụng cụ sau: Mỏ hàn, Chì hàn, nhựa thơng Testboard Dây nối Kìm cắt, kìm kẹp, nhíp Bộ nguồn DC Máy phát hàm VOM 4.2 Lắp ráp mạch 4.2.1 Lắp ráp mạch testboard Lắp ráp mạch testboard theo sơ đồ nguyên lý sau: 4.2.2 Đo ngắn mạch Dùng VOM đo hai đầu CN1, CN2 nguồn +/-15VDC xem có chạm nguồn hay không 4.3 Cấp nguồn 4.3.1 Chỉnh nguồn, áp phù hợp Chỉnh nguồn +/-15VDC cung cấp cho mạch 4.3.2 Cấp tín hiệu cho mạch Sau đã chỉnh nguồn, cấp tín hiệu điện áp DC từ 0-10V cho mạch thơng qua CN1 4.4 Đo đạc cân chỉnh 4.4.1 Đo đạc tín hiệu Chỉnh tín hiệu ngõ vào 5VDC Quan sát đo tín hiệu CN2 4.4.2 Cân chỉnh thông số theo yêu cầu Thay đổi điện áp ngõ vào từ 0-10V Vẽ dạng sóng ngõ CN2 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ xuân Thụ [2] Đặng văn Chuyết [2] Lê Phi Yến Kĩ thuật điện tử, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2005 Giáo trình kĩ thuật mạch điện tử, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2003 Kỹ thuật điện tử, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 78