thiết kế mạch điều tần analog

Điều chế là quá trình ghi tin tức vào một dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó biên độ, góc pha, độ rộng xung.... độ sóng mang thay đổi phù hợp với sự biến đổi biên độ và tầ

Lời nói đầu

Hiện nay, ngành Công nghệ thông tin và Điện tử viễn thông

đang phát triển với tốc độ nhanh, góp phần không nhỏ trong thời kỳ CNH-HĐH đất nớc Đối với ngành ĐTVT khi nói đến việc truyền thông tin đi xa thì không thể không nhắc đến việc điều chế thông tin

Điều tần là một trong những phơng pháp điều chế rất hay đợc sử dụng, u điểm của nó là có khả năng chống nhiễu lớn, hiệu suất truyền tín hiệu lớn

Nội dung bài tập lớn này là thiết kế bộ điều tần với các chỉ tiêu cho trớc Nội dung bao gồm các kiến thức cơ bản về điều chế, sau đó

là các phơng pháp điều chế

Do thời gian có hạn nên em cũng không thể tránh khỏi sai sót

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Phạm Minh Việt đã hớng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành bài tập lớn này

Hà nội, 7/2004

Sinh viên

Nguyễn Tiến Dũng

I.Các chỉ tiêu mạch điện.

Thiết kế bộ điều tần với các chỉ tiêu sau:

f=210MHz

∆f=50kHz

Rtải=50Ω

II Các khái niệm cơ bản.

1 Điều chế.

Một trong những nguyên tắc kỹ thuật đợc sử dụng trong điện

tử viễn thông đó là điều chế Thông qua quá trình điều chế, tin tức ở miền tần số thấp đợc chuyển lên miền tần số cao để truyền đi xa

Điều chế là quá trình ghi tin tức vào một dao động cao tần nhờ biến

đổi một thông số nào đó (biên độ, góc pha, độ rộng xung ) của dao

động theo tin tức Trong trờng hợp này tin tức gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần cao tần gọi là tải tin, còn dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động đã điều chế, tín hiệu này đợc truyền tới mọi nơi dới dạng sóng điện từ thông qua sóng vô tuyến, dây dẫn hoặc cáp quang Ngày nay nh chúng ta biết nếu không có điều chế, thông tin không thể truyền đi xa đợc

Đối với tải tin điều hoà, ngời ta phân biệt hai loại điều chế:

điều chế biên và điều chế góc, trong điều chế góc gồm có điều tần và

điều pha

2 Điều chế biên độ

Điều chế biên độ là quá trình điều chế mà biên độ sóng mang

biến đổi theo tín hiệu tin tức Nói cách khác, giá trị tức thời của biên

độ sóng mang thay đổi phù hợp với sự biến đổi biên độ và tần số của tín hiệu điều chế

3 Điều chế tần số.

Trong FM, biên độ sóng mang không thay đổi, trong khi đó tần

số thay đổi do tín hiệu điều chế Khi biên độ tín hiệu không thay đổi tần số sóng mang thay đổi tơng ứng, khi biên độ tín hiệu điều chế tăng, tần số sóng mang tăng, nếu biên độ tín hiệu điều chế giảm, tần

số sóng mang giảm

Khi biên độ tín hiệu điều chế thay đổi làm cho tần số sóng mang thay đổi lên xuống xung quanh tần số trung tâm (tần số trung tâm là tần số sóng mang khi không bị điều chế) Sự thay đổi tần số sóng mang đợc tạo ra do tín hiệu điều chế, coi nh sự sai lệch tần số

Sự sai lệch cực đại xuất hiện khi biên độ tín hiệu điều chế cực đại

Tín hiệu thông tin điều chế trên là một sóng hình sin tần số thấp Tại mức chu kỳ dơng, khi biên độ tín hiệu tăng lên, tần số của sóng mang cũng tăng lên Tần số cao nhất xuất hiện tại đỉnh biên độ tín hiệu điều chế Khi biên độ tín hiệu điều chế giảm, tần số sóng

(a) sóng mang

(b) tín hiệu điều chế

(c) tín hiệu FM

mang cũng giảm Khi tín hiệu điều chế biên độ bằng không, tần số sóng mang ứng với điểm này gọi là tần số trung tâm của nó Khi tín hiệu chuyển sang bán kỳ âm, tần số sóng mang giảm, tới đỉnh nửa chu kỳ âm, sau đó tín hiệu điều chế tăng đến 0, tấn số lại tăng lên, quá trình cứ tiếp tục vậy

Trong khuôn khổ đồ án chúng ta hãy thiết kế bộ điều tần với tần

số sóng mang là : 210MHz, độ di tần ∆f= 50kHz, tải Rtải=50Ω

*Các dải biên và các tham số điều chế:

Bất cứ quy trình diều chế nào cũng tạo ra dải tần, khi một sóng hình sin tần số không đổi điều chế với sóng mang sẽ có hai dải biên

đợc tạo ra Các biên tần là tổng và sai lệch của sóng mang và tín hiệu

điều chế Với FM, các cặp biên tần trên và dới đợc tạo ra Phổ của tín hiệu FM rộng hơn phổ của tín hiệu AM Trong trờng hợp này

Dải biên có thể đợc mở rộng từ tần số sóng mang ra hai phía bằng cách cộng thêm hoặc trừ đi liên tiếp các khoảng cách bằng tần số tín hiệu điều chế

Khi biên độ của tín hiệu điều chế biến đổi, độ lệch tần số sẽ thay

đổi Lợng dải biên tạo ra, biên độ và khoảng cách phổ của nó phụ thuộc vào sự chênh lệch tần số và tần số điều chế Tín hiệu FM là sự tổng hợp của các dải tần số dải biên, có thể thấy rằng độ rộng dải

Sóng mang Dải biên trên Dải biên dưới

fc+3fm

fc+2fm

fc+fm

fc

fc-5fm fc-4fm fc-3fm fc-2fm fc-fm fc+4fm fc+5fm

biên bắt buộc phải biến đổi cùng với sự chênh lệch tần số và tần số

điều chế Vì vậy phải cộng chúng lại để cho tín hiệu FM có biên độ không đổi

Điều tần là phơng pháp cho chất lợng tín hiệu tốt hơn phơng pháp điều biên:

_Tính chống nhiễu: Nhiễu do rất nhiều nguồn sinh ra nhiễu bám vào tín hiệu làm cho mất tính chân thực của tín hiệu Nhiễu thực chất là sự thay đổi biên độ mà điều tần có biên độ không đổi do vây nó tránh đợc nhiễu mà điều biên không thể làm đợc

_Khả năng loại bỏ nhiễu: khi có hai hay nhiều tín hiệu FM xuất hiện đồng thời ở cùng tần số, nếu một tín hiệu có biên độ gấp

đôi các tín hiệu khác sẽ bắt giữ đợc kênh có tín hiệu khoẻ hơn và loại bỏ kênh có tín hiệu yếu hơn (tín hiệu yếu hơn này chính là nhiễu) trong khi đó điều biên thì nhận cả hai tín hiệu do vậy không loại bỏ đợc nhiễu

_Hiệu suất truyền tín hiệu: Tín hiệu FM có biên độ không đổi

do đó không cần thiết phải sử dụng bộ khuếch đại tuyến tính để nâng công suất

4 Điều chế pha.

Điều chế pha là quá trình điều chế mà pha của sóng mang biến

đổi theo tín hiệu tin tức.trong khi đó điều biên có biên độ thay đổi nên cần có bộ khuếch đại công suất

Tuy có nhiều u điểm so với phơng pháp điều biên nhng cũng có nhiều điểm không băng phơng pháp điều biên :

Trong thực tế FM loại bỏ đợc một lợng nhiễu lớn, nhng nhiễu vẫn

ảnh hởng đến tín hiệu FM Điều này đặc biệt đúng trong tín hiệu tần

số cao

FM sử dụng quá nhiều khoảng phổ

Mạch điện dùng để điều chế và tách sóng phức tạp hơn so với

AM, khó thiết kế hơn làm cho giá cả mạch FM cao hơn

5 Quan hệ giữa điều tần và điều pha.

Vì giữa tần số và góc pha của một dao động có quan hệ do đó

dễ dàng chuyển đổi sự biến thiên tần số thành biến thiên về pha và ngợc lại

Điểm khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là lợng di tần khi điều pha tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế và tần số điều chế còn lợng di tần khi điều tần chỉ tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế mà thôi Vì vậy từ một mạch điều chế pha ta có thể lấy ra tín hiệu điều chế tần số, nếu trớc khi đa vào điều chế tín hiệu điều chế đợc đa qua một mạch tích phân

III Sơ đồ khối bộ điều tần.

Tín hiệu điều chế tần số

Tín hiệu

điều chế

Tín hiệu sóng mang

Mạch vào Bộ điều tần

Bộ tạo dao động

Nguồn

d dt

ψ

ω =

Tín hiệu điều chế : us = Um.sin2Πfm.t.

đa vào bộ điều tần đồng thời bộ tạo dao động tạo ra tín hiệu sóng mang (thờng là hinh sin) đa trực tiếp vào bộ điều tần Bộ điều chế tần số đa ra tín hiệu điều chế tần số, tín hiệu này chính là tín hiệu mang tin ở tần số cao (tín hiệu nay đợc khuếch đạo lên và đa ra anten phát để phát tín hiệu đi xa) Đây là sơ đồ khối của bộ điều tần trực tiếp, ngoài ra thông qua sự liện hệ nh đã phân tích ở trên ta co thể thiết kế bộ điều tần thông qua bộ điều pha (goi là bộ điều chế tần

số gián tiếp ) nh sau:

IV Các bộ điều chế tần số.

Về nguyên tắc ta có thể phân biệt mạch điều tần gián tiếp hay mạch điều tần trực tiếp, trong đó mạch điều tần gián tiếp là mạch

điều tần thông qua mạch điều pha Khi điều tần trực tiếp, tần số dao

động riêng của mạch tạo dao động đợc điều khiển theo tín hiệu điều chế

Mạch điều tần trực tiếp thờng đợc thực hiện bởi các mạch tạo dao động riêng của nó đợc điều khiển bởi dòng hay áp (VCO : Voltage controlled oscillator và CCO : Circuit controlled oscillator)

Tín hiệu

điều chế

Tín hiệu

điều chế tần số

Mạch tích phân Bộ điều chế pha

hoặc bởi các mạch biến đổi điện áp tần số Các mạch tạo dao động

có tần số biến đổi theo điện áp đặt vào nó có thể là các mạch tạo dao

động xung hoặc các mạch tạo dao động điều hoà LC Các mạch tạo dao động tạo dao động LC cho khả năng biến đổi tần số khá rộng và

có tần số trung tâm cao

Nguyên tắc cơ bản của FM là biến đổi tần số sóng mang theo tín hiệu điều chế Mạch dao động LC hoặc mạch dao động thạch anh tạo ra sóng mang Mục đích tiếp theo là làm cách thay đổi tần số của

bộ dao động Trong mạch tạo dao động LC, tần số sóng mang đợc xác định bởi giá trị điện cảm và điện dung của mạch cộng hởng Tần

số sóng mang thay đổi tuỳ theo sự biến đổi điện dung hoặc điện cảm Để có tín hiệu điều chế tần số, cần tìm mạch điện có sự biến

đổi điện áp theo sự thay đổi điện dung hoặc điện cảm

Khi bộ tạo dao động thạch anh tạo ra tần số sóng mang, tinh thể thạch anh xác định tần số dao động Chú ý rằng mạch điện tơng

đơng của tinh thể thạch anh là mạch LCR với hai điểm cộng hởng nối tiếp và song song Bằng việc kết nối tinh thể thạch anh với tụ bên ngoài sè thu đợc tần số hoạt động của tinh thể này hoặc dùng một mạch điện có dung kháng thay đổi theo điện áp đặt vào Một thành phần hay đợc sử dụng đó là tụ điện có giá trị biến đổi theo điện áp

đặt vào ( voltage-variable capacitor :VVC) Thành phần này chính là diode biến dung hay varicap, đây là loại diode có điện dung biến đổi theo điện áp đặt vào Các phơng pháp phổ biến nhất là dùng diode biến dung (varicap), dùng tinh thể thạch anh và dùng tranzistor điện kháng

1.Bộ điều tần dùng tinh thể thạch anh.

Y1 C1

VCC

1

Tin hieu dieu che

R4

RFC

C2 R3

Thach anh

D1

R1

R2

Hình vẽ trên cho thấy một bộ dao động thạch anh tiêu biểu, khi nối nối tiếp tinh thể thạch anh với tụ điện và kích để cho phần tử thạch anh dao động với tần số tự nhiên của nó Bằng việc nối tiếp diode biến dung với tinh thể thạch anh ta thực hiện đợc điều chế tần

số bằng tinh thể thạch anh Tín hiệu điều chế đợc ghép vào diode biến dung làm thay dổi tần số dao động

Một điểm quan trọng cần chú ý trong bộ điều chế tần số dùng phần tử thạch anh là phạm vi biến đổi tần số rất nhỏ Mạch dùng phần tử tạo dao động là LC có độ chênh lệch tần số cao hơn Tần số của bộ dao động thạch anh chỉ thay đổi tối đa là 100Hz so với giá trị danh định Độ chênh lệch tần số thực tế có thể còn nhỏ hơn giá trị lý tởng Trong hệ thống điều tần với thông số đề bài đã cho (f =

210MHz, ∆f = 50kHz, Rtải = 50Ω) phạm vi thay đổi tần số là 50kHz,

do đó ta phải sử dụng kỹ thuật khác Mạch điều chế sử dụng phần tử thạch anh chỉ đợc chấp nhận trong hệ thống thông tin hai đờng (băng hẹp) – là hệ thống có độ lệch tần số nhỏ hơn

2.Bộ điều tần dùng tranzistor điện kháng.

Lgh R

C Cb1

+Ucc

R1

L1 Us

Lc

Cb4

Ck

Cb2

T1

2

Lk

T2

2

Cb3

R3 R2

Có trị số biến thiên theo điện áp điều chế đặt trên nó đợc mắc song song với hệ dao động của bô tạo dao động làm cho tần số dao

động thay đổi theo tín hiệu điều chế Phần tử điện kháng thực hiện nhờ một mạch di pha mắc trong mạch hồi tiếp của một tranzistor Có

4 cách mắc phần tử điện kháng : mạch phân áp RC; mạch phân áp RL; mạch phân áp CR; mạch phân áp LR; đợc vẽ nh sau: (hình vec trên mô tả sơ đồ bộ tạo dao động điều tần bằng phần tử điện kháng phân áp RC)

2

R

Q1

2

Q1

2

L

R

C

R

R

Q1

2

Rõ ràng khi điện áp điều chế đặt vào bazo của phần tử điện kháng tha đổi thì hỗ dẫn S thay đổi và do đó các tham số Ltđ hoặc Ctđ

thay đổi làm cho tần số thay đổi theo

Điều tần dùng phần tử điện kháng có thể dạt lợng di tần tơng

đối ∆f/f khoảng 2% Trong khi đó yêu cầu đề bài thì ∆f/f=0,24% Do vậy với phơng pháp này ta cũng có thể thực hiện đợc mạch điện yêu cầu với các linh kiên lựa chọn thích hợp

U

U

U U

3 Bộ điều tần trong các bộ tạo xung.

Q2

2

Rc

Ucc

Rb

Us

Rc

Q1

2

C

Rb

C

Trên sơ đồ là mạch dao động đa hài mà dãy xung ra của nó có tần số lặp thay đổi theo điện áp us

Tần số lặp của mạch dao động trên đợc xác định bởi quá trình phóng của tụ C qua điện trở RB sau khi có một sụt áp trên điện trở colectơ RC Khi RB đợc đấu trực tiếp với nguồn UCC , quá trình phóng xảy ra giữa các mức bão hoà cảu Transistor T1 và T2 gần nh tuyến tính Tần số lặp của dãy xung tính nh sau:

1

2 ln 2

F

RC

= Π

Để điều chế tần số lặp của dãy xung, đa điện áp điều chế us vào bazơ cùng với điện áp nguồn +UCC Lúc này tần số lặp của dãy xung biến thiên theo điện áp điều chế và đợc xác định bởi biểu thức:

1

2 ln[ C B Bbh]

Bbh

F

U R I RC

I

Trong đó:

IBbh : là dòng bazơ ở trạng thái bão hoà;

IBbh = (UCC + us – UBE0 + IBMRB )/RB

UBE0: điện áp cắt bazơ- emito;

IBM : Dòng bazơ khi tansistor mở;

∆UC : Lợng sụt áp trên colector khi transistor chuyển từ tắt sang mở;

∆UC = UC – ICMRC - UCebh

t

f f

∆

khoảng vài % và

hệ số méo phi tuyến khoảng vài 0/00 Mạch có tần số trung tâm (tần

số lặp F) không cao và khó ổn định

4 Bộ điều tần dùng diode biến dung.

Cb3

R3

R4

2 L2

Us

Cb1 Lc

R1

Cb2

Cb4

D

E0 R2

C

Vcc

Q1

2

L1

Hình vẽ trên cho thấy một bộ điều chế cơ bản dùng diode biến

D nối với tụ C3b ngang qua mạch cộng hởng Giá trị tụ C3b rất lớn tại

A

tần số hoạt động do đó trở kháng của nó rất nhỏ, có thể coi nh D dợc nối ngang qua mạch cộng hởng Khi đó tổ dung kháng của mạch sẽ

là dung kháng của diode D song song với tụ C Nhờ đó xác định đợc tần số sóng mang trung tâm Có hai nhân tố điều khiển điện dung của diode D là phân cực một chiều và tín hiệu điều chế us Phân cực

điện áp cho D là nhờ biến trở R4, và nguồn một chiều E0, chính diều này đã tạo nên sự biến đổi do đó tần số sóng mang trung tâm vợt ra ngoài phạm vị hẹp Tín hiệu điều chế đợc ghép qua biến áp để ngăn không cho tần số sóng mang ảnh hởng tới mạch điện tín hiệu điều chế Khi tín hiệu điều chế thay đổi nó làm tăng hoặc giảm điện áp phân cực, làm điện áp cấp cho diode D biến đổi gây ra sự biến đổi dung kháng của diode D Điều này làm thay đổi tần số sóng mang theo yêu cầu Giả sử tín hiệu đang ở bán kỳ dơng thì điện áp phân cực tại điểm A đợc công thêm vào, làm diode D bị phân cực ngợc hơn dẫn đến dung kháng của nó bị giảm gây nên sự tăng tần số sóng mang Ngợc lại ở bán kỳ âm của tín hiệu điện áp phân cực ngợc cấp cho diode bị giảm làm tăng dung kháng dẫn đến tần số sóng mang bị giảm

Ta có :

d dt

ψ

Điều tần là quá trình ghim tin tức vào tải tin làm cho tần số tức thời của tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế Với tải tin là dao động điều hoà :

ut(t) =Utcos(ωtt + ϕ0) = Utcosψ(t)

ut(t) = Utcos[

0

( )

t

t dt

Giả thiết tín hiệu điều chế là tín hiệu đơn âm :

us = Uscosωst (3.3) Khi điều chế tần số thì tần số của dao động cao tần biến thiên

tỷ lệ với tín hiệu điều chế và chúng đợc xác định theo biểu thức :

ω(t) = ωt + kđtUscosωst (3.4) Trong trờng hợp này gọi ωt là tần số trung tâm của tín hiệu

điều tần.(theo giả thiết ωt = 210MHz)

Đặt : kđtUs = ∆ωm gọi là lợng di tần cực đại (theo giả thiết ∆ωm

= 50KHz)

Do vậy biểu thức (3.4) đợc viết lại nh sau:

ω(t) = ωt + ∆ωmcosωst (3.5) Khi điều chế tần số thì góc pha đầu không đổi, do đó ϕ(t) = ϕ0 Thay (3.5) vào (3.2) và tích phân lên, ta nhận đợc biểu thức của dao

động đã điều tần :

uđt(t) =Utcos(ωtt +

s

ω

∆

Trong biểu thức cảu dao động đã điều tần (3.6) cho góc pha

đầu ϕ0 = 0 và đặt

s

ω

∆

= Mf

Trong đó Mf gọi là hệ số điều tần

Biểu thức (3.6) đợc viết lại nh sau :

uđt(t) =Utcos(ωtt + Mfsinωst ) (3.7) Trong trờng hợp tín hiệu điều chế là tín hiệu phức tạp, có tần

số từ ωsmin đến ωsmax, Mf đợc xác định nh sau:

Mf =

smax

ω

∆

(3.8)