Nghiên Ứu, Thiết Kế Hế Tạo Bộ Tổ Hợp Tần Số Sử Dụng Vòng Khóa Pha Pll.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐÀO DUY HIẾU NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ SỬ DỤNG VÒNG KHÓA PHA PLL LUẬN VĂN Ỹ THUẬTTHẠC SĨ K KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐÀO DUY HIẾU

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ

SỬ DỤNG VÒNG KHÓA PHA PLL

LUẬN VĂN THẠC SĨ K Ỹ THUẬT

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

TS PHẠM THÀNH CÔNG

Hà Nội – Năm 2014

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Phạm Thành Công Các số liệu cũng như những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa được công bố dưới bất cứ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Đào Duy Hiếu

M Ụ C LỤ C

LỜI CAM ĐOAN 1 DANH M C CÁC KÝ HIỤ ỆU VÀ CÁC CHỮ Ế VI T T T 5 ẮDANH M C CÁC HÌNH VỤ Ẽ, ĐỒ TH 6 ỊDANH M C CÁC B NG 8 Ụ ẢLỜI MỞ ĐẦU 9

1 CHƯƠNG 1 KỸ THU T VÒNG KHÓA PHA 10 Ậ1.1 T ng quan v vòng khóa pha 10 ổ ề1.2 Sơ đồ kh i 10 ố1.3 Nguyên lý hoạt động 11 1.4 Các khối cơ bản c a PLL 13 ủ1.4.1 B tách sóng pha (Phase Detector) 13 ộ1.4.2 B l c thông th p (Low Pass Filter) 15 ộ ọ ấ1.4.3 Khuếch đại một chi u 16 ề1.4.4 B tộ ạo dao động được điều khiển bằng điện áp VCO 16 1.5 Ứng d ng c a vòng khóa pha PLL 17 ụ ủ1.5.1 B t h p t n s ộ ổ ợ ầ ố đơn 17 1.5.2 Giải điều ch ếFM 19 1.5.3 Giải điều ch ếFSK 20

2 CHƯƠNG 2 BỘ Ổ Ợ T H P T N S 21 Ầ Ố2.1 Khái quát chung v ềcác bộ ổ ợ ầ ố t h p t n s 212.1.1 V trí và yêu c u 21 ị ầ

2.2 Các mạch cơ sở trong các b t h p t n s 22 ộ ổ ợ ầ ố 2.2.1 T h p t n s s dổ ợ ầ ố ử ụng các mạch nhân, chia, c ng và tr 22 ộ ừ 2.2.2 Các hệ ố th ng tinh ch nh t ng tỉ ự độ ần số trong các b t h p 26 ộ ổ ợ 2.2.2.1 H th ng t ng tinh ch nh t n s theo pha 27 ệ ố ự độ ỉ ầ ố 2.2.2.2 H th ng t ng tinh ch nh t n s theo t n s 32 ệ ố ự độ ỉ ầ ố ầ ố 2.3 Các phương pháp tổ ợ ầ h p t n s 35 ố 2.3.1 Phương pháp tổ ợp tương tự ự h tr c ti p 35 ế 2.3.1.1 T h p tr c ti p s d ng nhiổ ợ ự ế ử ụ ều dao động chu n 36 ẩ 2.3.1.2 T h p d i t n r i r c có bù t n s ổ ợ ả ầ ờ ạ ầ ố dao động ph 39 ụ 2.3.1.3 Sơ đồ ộ ổ ợ b t h p tầ ố ử ụng 1 dao độn s s d ng chu n 41 ẩ 2.3.2 Phương pháp tổ ợ h p gián ti p 43 ế 2.3.2.1 B t h p t n s gián ti p v i m t m ch vòng khóa pha 43 ộ ổ ợ ầ ố ế ớ ộ ạ

2.3.2.2 B t h p t n s gián tiộ ổ ợ ầ ố ếp có điều khiển trước chia biến đổi 46

2.3.2.3 B t h p t n s gián ti p v i nhi u mộ ổ ợ ầ ố ế ớ ề ạch vòng khóa pha 49

2.3.3 Phương pháp tổ ợ ầ h p t n s s tr c ti p 50 ố ố ự ế 2.3.3.1 Tính ch t cấ ủa phương pháp tổ ợ h p s tr c ti p 50 ố ự ế 2.3.3.2 T h p t n s tr c tiổ ợ ầ ố ự ếp kế ợt h p vòng lặp khóa pha 52

2.3.3.3 M t s ng d ng cộ ố ứ ụ ủa tổ ợ ần số ố ực tiế h p t s tr p 56

2.3.4 So sánh các phương pháp 59

3 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ 61

3.1 Phương án thiế ết k 61

3.1.1 Gi i thiớ ệu phương án thiế ết k 61

3.1.2 Sơ đồ kh i thiố ết kế ổ ợ ầ ố t h p t n s 62

3.1.3 Thi t k chi tiế ế ết các khối 63 3.2 Mô ph ng b t h p t n s 66 ỏ ộ ổ ợ ầ ố 3.2.1 Gi i thi u ph n m m mô phớ ệ ầ ề ỏng ADIsimPLL 66 3.2.2 Th c hi n mô ph ng 66 ự ệ ỏ 3.2.3 K t qu mô ph ng 67 ế ả ỏ

K T LU N 74 Ế Ậ TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ

DAC Digital Analog Converter Bộ biến đổi số sang tương tựDDS Direct Digital Synthesis Tổ hợp tần số trực tiếp

FSK Frequency Shift Keying Điều chế dịch tần số

MSK Minimum-shift keying Điều chế dịch pha tối thiểu

PFD Phase Frequency Detector So sánh pha tần số

VCO Voltage Controled Oscilator Dao động điều khiển điện áp

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ kh i vòng khóa pha 10 ốHình 1.2 D i b t và d i khóa cả ắ ả ủa PLL 11 Hình 1.3 Điện áp sau bộ ọ l c thông th p 12 ấHình 1.4 Nguyên lý hoạt động của bộ tách sóng pha tương tự 13 Hình 1.5 Hàm truyền đạ ủt c a bộ tách sóng pha tương tự 14 Hình 1.6 Hàm truyền đạ ủt c a bộ tách sóng pha s 14 ốHình 1.7 Tách sóng pha s EX-ố OR và đáp tuyến 15 Hình 1.8 Tách sóng pha s ố dùng R S Flip Flop và đáp tuyế- n 15 Hình 1.9 Khuếch đại một chi u 16 ềHình 1.10 B t h p t n s ộ ổ ợ ầ ố đơn 18 Hình 1.11 B t h p t n s có tộ ổ ợ ầ ố ần số ra th p 19 ấHình 1.12 Giải điều ch FSK dùng PLL 20 ếHình 2.1 B chia có h i ti p 23 ộ ồ ếHình 2.2 B chia có h s chia biộ ệ ố ến đổi 24 Hình 2.3 Sơ đồ ộ b chia biến đổi dùng decade 25 Hình 2.4 Sơ đồ tinh ch nh t ng t n s 26 ỉ ự độ ầ ốHình 2.5 Đặc tuyến điện áp vào – t n s ra c a VCO 27 ầ ố ủHình 2.6 Đặc tuy n tách sóng pha 29 ếHình 2.7 T n s ầ ốphách 29 Hình 2.8 D i khóa và d i b t cả ả ắ ủa PLL 30 Hình 2.9 Hình thành điện áp ra c a so pha xung 31 ủHình 2.10 Sơ đồ ộ n i suy có vòng PLL 31 Hình 2.11 Đặc tuy n c a b phân bi t 32 ế ủ ộ ệHình 2.12 Sơ đồ điề u chỉnh điệ ử ộ dao độn t b ng ph 35 ụHình 2.13 T h p tổ ợ ần số ự ế ử ụ tr c ti p s d ng nhiều dao động chu n 36 ẩHình 2.14 T o m ng t n s r i rạ ạ ầ ố ờ ạc bằng tổng hợ ự ếp tr c ti p 37 Hình 2.15 Phương pháp nội suy 38

Hình 2.17 Sơ đồ ọ l c bù tr 40 ừ Hình 2.18 Sơ đồ ấ c u trúc t o m ng t n s bạ ạ ầ ố ằng phương pháp tổng h p tr c ti p 42 ợ ự ế

Hình 2.19 Sơ đồ điề u ch nh t n s theo pha có b chia biỉ ầ ố ộ ến đổi 43

Hình 2.20 Sơ đồ THTS vòng khóa pha có b chia biộ ến đổi và c nh 45 ố đị Hình 2.21 Sơ đồ ổ ợ ầ t h p t n s có b chia biố ộ ến đổi và bi n tế ần sơ bộ 46

Hình 2.22 B ộ chia có điều khiển trước chia biến đổi 47

Hình 2.23 Giản đồ ờ th i gian của bộ chia có điều khiển trước chia biến đổi 48

Hình 2.24 Sơ đồ ổ ợ ầ t h p t n s ốhai vòng khóa pha 49

Hình 2.25 Sơ đồ ấ c u trúc c a DDS 51 ủ Hình 2.26 T h p tổ ợ ần số theo phương pháp DDS điều khiển PLL 52

Hình 2.27 Sơ đồ khối của mô hình DDS trộn tần lên với PLL 54

Hình 2.28 Sơ đồ khối của mô hình DDS trộn tần lên v i PLL vuông pha 54 ớ Hình 2.29 Sơ đồ kh i c a mô hình s d ng DDS là m t b chia 55 ố ủ ử ụ ộ ộ Hình 2.30 ng dỨ ụng điều ch t n s ế ầ ốFM của DDS 57

Hình 2.31 Điều ch pha v i DDS 58 ế ớ Hình 2.32 Điều ch ế biên độ ớ v i DDS 59

Hình 3.1.Các kênh WLAN 2,4GHz chuẩn 802.11b/g/n 62

Hình 3.2 Sơ đồ kh i thi t k b t h p t n s 63 ố ế ế ộ ổ ợ ầ ố Hình 3.3 Sơ đồ các kh i chố ức năng IC ADF4360 64

Hình 3.4 M ch l c thông th p 65 ạ ọ ấ Hình 3.5 Sơ đồ ạ m ch mô ph ng 67 ỏ Hình 3.6 Đồ ị th sai s t n s tuyố ầ ố ệt đối 68

Hình 3.7 Đồ ị sai pha đầ th u ra 68

Hình 3.8 Đồ ị th nhi u pha t i t n s 2,35GHz v i tễ ạ ầ ố ớ ốc độ vòng l p 80KHz 72 ặ Hình 3.9 Đồ ị ầ th t n s v i tố ớ ốc độ vòng l p 80KHz 72 ặ Hình 3.10 Đồ ị th nhi u pha t i b ễ ạ ộ dao động điều khiển điện áp 73

1 DANH MỤC CÁC BẢNG

B ng 2.1 T n s ả ầ ốcác tuyến tương ứng với các đảo mạch chọ ần sốn t 42

B ng 3.1 Giá tr nhiả ị ễu pha (dBc/Hz) v i tớ ốc độ vòng lặp 10KHz 69

B ng 3.2 Giá tr nhi u pha (dBc/Hz) v i tả ị ễ ớ ốc độ vòng lặp 790KHz 70

B ng 3.3 Giá tr nhi u pha (dBc/Hz) v i tả ị ễ ớ ốc độ vòng lặp 80KHz 71

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay trước s phát tri n m nh m c a k thuự ể ạ ẽ ủ ỹ ật điện t và k thu t vi ử ỹ ậđiện t ử đã có ứng d ng r t to l n trong nhiụ ấ ớ ều lĩnh vực đặc biệt là lĩnh vực vi n ễthông Trong lĩnh vực phát thanh, truyền hình, các máy thu phát vô tuyế đóng vai n trò vô cùng quan trọng Yêu cầu chung đố ới v i các máy thu phát vô tuy n hiế ện đại

là phải đảm bả hoạ độo t ng một cách ổn định trong dải tần công tác B t hộ ổ ợp tầ ốn s đóng vai trò rất quan trọng để ạo dao độ t ng ch ủ sóng trong các máy phát sóng Đểxây d ng m t bự ộ ộ ổ ợ t h p t n sầ ố người ta có thể ế ti n hành theo nhiều phương pháp,

mỗi phương pháp đều thể ện những ưu điểm, khuyết điểm riêng của nó và có hi

phạm vi ứng dụng khác nhau tùy thuộc vào các chỉ tiêu đã được lựa chọn Công ngh t hệ ổ ợp tần số dùng vòng khóa pha PLL là công nghệ thông dụng và phổ ến bi

nh t b i s ấ ở ự đơn giản, hiệu qu và kinh t cả ế ủa nó

Với các kiến thức cơ bản tiếp thu được trong quá trình học tậ và công tác,p cùng với sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầy giáo Phạm Thành Công, tôi đã chọn đề tài

"Nghiên c u, thi t k ứ ế ế chế ạ t o b t h p tộ ổ ợ ần số ử ụ s d ng vòng khóa pha PLL”

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Thành Công, các thầy cô trong Vi n ệĐiệ ửn t Vi n thông và các thễ ầy cô trong trường ĐHBKHN đã giúp tôi hoàn thành

t t nhiố ệm vụ luận văn mà nhà trường và Viện đã giao cho

Tuy nhiên, v i th i gian và ki n th c còn h n h p nên ớ ờ ế ứ ạ ẹ luận văn không tránh

khỏi còn tồn tại nhiều thiếu sót, vì vậy tôi rất mong n ậh n được sự chỉ ảo, đóng góp b

của các thầy cô và các bạn

Tôi xin chân thành cảm ơn !

1 CHƯƠNG 1 KỸ THUẬT VÒNG KHÓA PHA 1.1 T ổ ng quan về vòng khóa pha

Vòng khóa pha ra đờ ừi t những năm 1930, vớ ứi ng d ng tụ ạo xung đồng b ộdòng và đồng b mành trong truy n hìộ ề nh Sau đó, vớ ựi s phát tri n c a m ch tích ể ủ ạ

hợp, vòng khóa pha đã trởthành 1 hệ ống đa năng và được sử ụng rộng rãi trong th d

k thuỹ ật vô tuyến điện tử, truyền hình, truyền số ệu, đo lường… cũng như dùng để li

t ng hổ ợp tầ ố, đề điền s u ch , giế ải mã

Vòng khóa pha (Phase Locked Loop PLL) là h- ệ thống vòng kín h i tiồ ếp, trong đó tín hiệu h i tiồ ếp dùng để khóa t n s và pha c a tín hi u ra theo t n s và ầ ố ủ ệ ầ ốpha tín hi u vào ệ

1.2 Sơ đồ ố kh i

PLL là 1 hệ ố th ng h i ti p g m có 1 b so pha (b tách sóng pha), bồ ế ồ ộ ộ ộ ọ l c thông

thấp và bộ khuếch đại ột chiề trên đường truyền tín hiệu thuận và bộ ạo dao m u tđộng được điều ch nh bỉ ằng điện áp (VCO) trên đường h i ti p ồ ế

• Tách sóng pha: so sánh pha giữa tín hi u vào và tín hi u ra c a VCO ệ ệ ủ

để ạ t o ra tín hi u sai l ch ( ) ệ ệ

• Lọc thông thấp: lọc gợn của điện áp ( ) tr để ở thành điện áp biến

đổi chậm và đưa vào mạch khuếch đại m t chi u ộ ề

• Khuếch đại một chiều: khuếch đại điện áp một chiều ( ) để đưa vào điều khi n t n s c a m ch VCO ể ầ ố ủ ạ

• VCO (Voltage Controled Oscillator): bộ dao động mà t n s ầ ố ra được điều khi n bể ằng điện áp đưa vào

1.3 Nguyên lý hoạ ộ t đ ng

Vòng khoá pha hoạ ột đ ng theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đ i lưạ ợng vào

và ra là t n sầ ố và chúng được so sánh v i nhau vớ ề pha Vòng điều khi n pha có ểnhiệm vụ phát hiện và điều chỉnh những sai số ỏ ề ần số ữa tín hiệu vào và ra nh v t giNghĩa là PLL làm cho tần s cố ủa tín hiệu VCO bám theo tần số của tín hiệu vào

Khi không có tín hiệu ở ngõ vào, điện áp ngõ ra bộ khuếch đại ( ) =

0, bộ dao động VCO hoạt động t n s t nhiên đượở ầ ố ự c cài đặt bởi điện tr , t ở ụđiện ngoài Khi có tín hi u vào , b tách sóng pha so sánh pha và t n sệ ộ ầ ố ủ c a tín

hiệu vào với tín hiệu ra của VCO Ngõ ra bộ tách sóng pha là điện áp sai lệch ( ), chỉ ự s sai bi t v pha và t n s c a hai tín hiệ ề ầ ố ủ ệu Điện áp sai l ch ( ) đượ ọ ấệ c l c l y thành ph n biầ ến đổi chậm ( ) nh b lờ ộ ọc thông thấp LPF, khuếch đại để thành tín hiệu ( ) đưa đến ngõ vào VCO, để điều khiển tần số VCO bám theo tần sốtín hiệu vào Đến khi t n sầ ố của VCO bằng tần số của tín hiệu vào, ta nói bộVCO đã bắ ịt k p tín hi u vào Lúc b y gi s sai l ch gi a 2 tín hi u này ch còn là ệ ấ ờ ự ệ ữ ệ ỉ

s ự sai lệch về pha mà thôi Bộ tách sóng pha sẽ ếp tục so sánh pha giữa 2 tín hiệu ti

để điề u khi n cho VCO hoể ạt động sao cho s sai l ch pha gi a chúng giự ệ ữ ảm đến giá

tr bé nh t.ị ấ

Hình 1.2 D i b t và d i khóa c a PLL ả ắ ả ủ

Dải bắt (Capture range): ký hiệu = - , là d i t n s mà tín hi u vào ả ầ ố ệthay đổi nhưng PLL vẫn đạt được s ự khoá pha, nghĩa là bộ VCO v n b t k p t n s ẫ ắ ị ầ ốtín hi u vào Nói cách khác, là d i tệ ả ần số mà tín hiệu vào ban đầu phả ọi l t vào đểPLL có th thi t lể ế ập chế độ đồng bộ (ch khóa) ế độ

ph thuụ ộc vào băng thông LPF Để PLL đạt được sự khóa pha thì độ sai

lệch tần số ( - ) phải nằm trong băng thông LPF Nếu nó nằm ngoài băng thông thì PLL s ẽ không đạt được khóa pha vì biên độ điệ n áp sau LPF gi m nhanh.ả

Gi s mả ử ạch PLL đã đạt được chế độ khoá, VCO đã đồng bộ ới tín hiệu vvào Bây giờ ta thay đổi tần số tín hiệu vào theo hướng lớn hơn tần s VCO thì ốVCO s bám theo Tuy nhiên khi ẽ tăng đến m t giá tr ộ ị nào đó thì VCO sẽ không bám theo được n a và quay v t n s t ữ ề ầ ố ự nhiên ban đầu của nó Ta làm tương tự như trên

nhưng thay đổ ầi t n số tín hiệu vào theo hướng nhỏ hơn tần số VCO Đến một giá trịnào đó củ ầa t n s tín hi u vào thì VCO s kố ệ ẽ hông bám theo được nữa và cũng trở ề v

tần số ự nhiên của nó Dải giá trị ần số ừ thấp nhấ ế t t t t đ n cao nhất đó của tín hiệu vào được g i là d i khoá ọ ả

Dải khóa (Lock range): ký hiệu = - , là dải tần số mà PLL

đồng nhất đượ ầc t n s v i ố ớ Các t n sầ ố , , t n sầ ố ự c c đại và c c tiự ểu mà PLL th c hiự ện được khóa pha (đồng b ) D i khóa phộ ả ụ thu c hàm truyền đạt (độ ộ

lợi) của bộ tách sóng pha, khuếch đại, VCO Nó không phụ thuộc vào đáp tuyến bộ

l c LPF vì khi PLL khóa pha thì ọ = 0

Khi PLL chưa khóa pha: Khi PLL khóa pha: = ở chế độ khóa pha, dao động của VCO bám đồng bộ theo trong dải tần khóa rộng hơn dải

t n b t ầ ắ

1.4 Các khố i cơ b ả n c a PLL ủ

1.4.1 B ộ tách sóng pha (Phase Detector)

B tách sóng pha còn g i là b so sánh pha B tách sóng pha có 2 lo i: ộ ọ ộ ộ ạ

B ộ tách sóng pha tương tự: là loại có tín hiệu ra tỷ ệ ới biên độ tín hiệu l vvào

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của b ộ tách sóng pha tương tự

B ộ đổi tần hay mạch nhân th c hi n nhân hai tín hiự ệ ệu Đầu ra của nó có điện áp:

Hình 1.5 Hàm truyề n đ ạt c a b ủ ộ tách sóng pha tương tự

Hình 1.7 Tách sóng pha s EX-ố OR và đáp tuyến

Hình 1.8 Tách sóng pha s dùng R-ố S Flip Flop và đáp tuyến Điện áp sai l ch biệ ến đổi ch m tậ ại ngõ ra bộ tách sóng pha số ỷ ệ ới độ t l v

rộng xung ngõ ra tức là tỷ ệ độ sai lệch về l pha (hay tần số ức thời) của hai tín t

hi u vào.ệ

1.4.2 B l ộ ọc thông thấp (Low Pass Filter)

Trong h th ng PLL b l c thông th p có nh ng chệ ố ộ ọ ấ ữ ức năng sau:

• Cho tín hi u t n s th p qua, nén thành ph n t n s cao ệ ầ ố ấ ầ ầ ố

• Bảo đảm cho PLL bắt nhanh và bám được tín hiệu khi tần số thay đổi, nghĩa là tốc độ đáp ứng của nó đủ cao

• Vì dả ắ ủi b t c a PLL ph thu c vào d i thông c a b l c thông th p ụ ộ ả ủ ộ ọ ấnên yêu c u d i thông cầ ả ủa bộ ọ l c thông thấp phải đủ ớn để đả l m bảo

d i b t c n thi t cho PLL ả ắ ầ ếThông thường trong h thệ ống PLL người ta dùng các b l c thông th p b c ộ ọ ấ ậ

nhất, vì dùng các bộ ọc bậc cao hơn có thể ảnh hưởng đế l n tính ổn định c a h ủ ệ

thống Dùng bộ ọc tích cực có thể tăng hệ ốl s khuếch đại của cả ệ ống và cho h th

phép có được d i b t mong mu n hay dả ắ ố ải bám tùy ý khi thay đổ ải d i thông và h s ệ ốkhuếch đại

Ngõ ra b tách sóng pha g m nhi u thành ph n ộ ồ ề ầ , , , + ,… Sau LPF chỉ còn thành ph n t n số ấ ấầ ầ r t th p ( ) đến bộ khuếch đại đểđiều khi n t n s VCO bám theo Sau vài vòng điềể ầ ố u khi n h i tiể ồ ếp PLL được

đồng b (khóa pha) = , t n sộ ầ ố phách ( ) =0 Vòng khóa pha hoạt động chính xác khi t n s vào ầ ố , th p khoấ ảng vài trăm KHz trở ạ l i

1.4.3 Khuế ch đ i một chiều ạ

Khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm DC sau bộ ọc thông thấp LPF Độ ợi l lkhuếch đại

Hình 1.9 Khuế ch đ i một chiề ạ u

1.4.4 B t ộ ạo dao độ ng đư c điề ợ u khi n b ng điện áp VCO ể ằ

B ộ dao động VCO là mạch dao động có tần số được kiểm soát bằng điện áp Yêu c u chung cầ ủa mạch VCO là quan hệ ữa điện áp điề gi u khiển (t) và t n sầ ố

ra (t) ph i tuy n tính Ngoài ra mả ế ạch còn có độ ổn định t n sầ ố cao, dải biến đổi

của tần sô theo điện áp vào rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh và thuận lợi cho việc tổ

h p thành vi mợ ạch (không có điện cảm)

VCO là m t kh i quan tr ng nh t trong PLL vì nó quyộ ố ọ ấ ết định độ ổn định tần

s ố các đặc trưng giải điều chế tín hiệu điều tần (FM) Để đảm bảo có thể làm việc tốt nhất và làm nhiều chức năng khác nhau, VCO phải thỏa mãn những yêu cầu cơ

• Đặc tuy n truyế ền đạt điện áp – t n s tuy n tính ầ ố ế

• Độ ổn định t n s cao ầ ố

• Tạo được dao động tần số cao

• Hệ số chuyển đổi điện áp tần số cao –

• Dải bám rộng

• Điều chỉnh tần số đơn giản

• Không có cuộn cảm để dễ thích hợp với sự tổ hợp đơn khối

1.5 Ứ ng d ng c a vòng khóa pha PLL ụ ủ

1.5.1 B t h ộ ổ ợp tần số đơn

Trong các máy phát hoặc các máy thu đổi tần cần có các mạch dao động có thể thay đổi tần số để phát hoặc thu các kênh khác nhau Trước đây, người ta thực hiện thay đổi tần số mạch dao động LC bằng cách thay đổi giá trị của L hoặc C Lúc

đó chúng được gọi là các mạch dao động có thể thay đổi tần số VFO (Variable

-Frequency Oscillators) Tuy nhiên, mạch dao động thường không có độ ổn định cao trong một dải tần số rộng do giá trị của L và C thường thay đổi theo nhiệt độ, độ

ẩm và các tác nhân khác Đồng thời chúng thường cồng kềnh và giá thành cao

Việc sử dụng thạch anh trong mạch dao động có thể tăng độ ổn định tần số dao động lên rất cao, độ di tần tương đối có thể giảm đến vài phần triệu trong khoảng thời gian dài Tuy nhiên, tần số của chúng chỉ có thể thay đổi rất nhỏ bằng cách thay đổi các tụ nối tiếp hoặc song song ghĩa là nó không tạo ra đư, n ợc các tần

số khác biệt nhau

Một giải pháp khác đo là ta kết hợp các mạch dao động thạch anh có tần số

ổn định với các chuyển mạch để tạo ra các tần số khác nhau cho các kênh Tuy nhiên, giải pháp này cũng tốn nhiều linh kiện và giá thành cao

Hiện nay, việc thiết kế và đưa vào sử dụng các bộ tổng hợp tần số dựa trên nguyên lý vòng khoá pha PLL càng ngày càng phổ ến và được dùng trong hầu hết bicác máy thu phát hiện đại do tính gọn nhẹ, không yêu cầu độ chính xác cơ khí cao,

ứng dụng các thành quả của công nghệ sản xuất vi mạch để nâng cao tốc độ và tính chính xác của các IC chế tạo nên PLL Đồng thời khi kết hợp với thạch anh, nó có khả năng tạo ra dải tần rộng, độ chính xác cao, giá thành thấp…

Hình 1.10 B t h p tộ ổ ợ ần số đơn

B t h p t n s ộ ổ ợ ầ ố đơn được thi t k bế ế ằng cách đưa tín hi u chu n t ệ ẩ ừ dao động

thạch anh vào so pha một mạch PLL có bộ chia lập trình đượ Khi PLL thực hiện ckhóa pha thì ta có = Suy ra = =

Như vậy, khi ta thay đổi N t b chia thì s nhừ ộ ẽ ận được các t n s ra khác ầ ốnhau Hệ ố s N có thể được chọn giá tr khác nhau bị ằng cách thay đổi điện áp một

vài chân của IC chia Do đó bộ ổng hợp tần số này có thể được điều khiển dễ t dàng

nh ờmáy tính hoặc điều khiển từ xa, giảm được giá thành và độ ức tạp so với các ph

Hình 1.11 B t h p tộ ổ ợ ần số có tần số ra th p ấ

1.5.2 Giả ề i đi u chế FM

Nếu PLL khóa theo tần số tín hiệu vào, điện áp ngõ vào VCO tỷ lệ với độ dịch tần số VCO kể từ Nếu tần số vào thay đổi, điện áp điều khiển VCO dịch tương ứng trong khoảng dải khóa

Nếu tín hiệu vào là điều tần, điện áp điều khiển VCO chính là điện áp giải điều chế FM PLL dùng để tách sóng FM dải hẹp hoặc dải rộng với độ tuyến tính cao Giả sử điện áp ra bộ tách sóng pha cực đại là , điện áp ngõ vào VCO là , độ di tần cực đại: = với là độ lợi VCO

Dải khóa = = D i khóa hay còn g i là dả ọ ải đồng bộ

ph i lả ớn hơn độ di tần của tín hi u vào.ệ

Giải điều chế FM dùng PLL thực hiện bằng cách cài đặt tần số dao động tự

do bằng tần số trung tâm tín hiệu FM ngõ vào có biên độ không đổi Trong nhiều ứng dụng cụ thể, trước tách sóng pha PLL có mạch khuyếch đại hạn biên – độ

2 CHƯƠNG 2 BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ 2.1 Khái quát chung về các bộ ổ ợ ầ ố t h p t n s

2.1.1 V ịtrí và yêu cầu

B t hộ ổ ợp tần số (THTS) là một thành phần cơ bả ấn r t quan tr ng trong các ọthiết bị thu phát vô tuyến Nó có nhiệm vụ ạo ra các tần số dùng làm dao động chủ t sóng cho tuyến phát và dao động ngo i sai cho tuy n thu Trong kạ ế ỹ thu t ậthông tin hiện đại, để thiết b thu phát vô tuy n có thị ế ể ự th c hi n thông tin liên l c tin ệ ạ

cậy, khi bắ ầt đ u liên lạc không phải tìm kiế và trong quá trình liên lạc không phải m

vi ch nh t n s , thì b THTS phỉ ầ ố ộ ải đạt được những yêu c u sau: ầ

- Làm việc trong dải tần rộng thảo mãn được các yêu cầu đề ra với sốlượng th ch anh là ít nh t ạ ấ

- Bước tần (độ phân giải tần số) nhỏ đáp ứng được các yêu cầ đối với u

t ng lo i thiừ ạ ết bị trong các d i t n khác nhau ả ầ

- Đảm bảo độ ổn định và chính xác t n s cao ầ ố

- Đảm bảo độ ạch dao động (độ tinh khiết phổ), loại bỏ đến mức thấp s

nhất các dao động phụ sinh ra trong quá trình biến đổi tần số: phải rất gần với dao động đơn điều hoà, không có các dao động ph ụ đáng kể, không có s u biên, ự điềđiề ần hay điều t u pha rõ r t b i các t p âm, b i ti ng ù xoay chi u ệ ở ạ ở ế ề

- Th i gian thi t lờ ế ập tần số nhanh, chính xác

- Có kh ả năng nhớ và điều ch nh chuy n tỉ ể ần số ự độ t ng

- Kích thước, trọng lượng nh , kh ỏ ả năng module hoá cao

- Giá thành h ạ

B ộ THTS là thiết bị có khả năng tạo ra một số lượng lớn tần số chính xác từ

một tần số chuẩn Thuật ngữ THTS (frequency synthesizer) được Finden sử

dụng lần đầu tiên năm 1943 cho việc tạo ra các tần số là hài của tần số chu n[10] ẩCác tiến bộ ần đây trong việ g c thiết kế các mạch tích h p cho phép phát triợ ển các bộTHTS rẻ ề ti n, nhờ đó có thể áp d ng chúng trong h u h t các máy thu phát thông ụ ầ ếtin

Một bộ THTS có thể thay thế cho nhiều mạch cộng hưởng thạch anh đắt tiền trong một máy thu vô tuy n nhi u kênh Bế ề ộ dao động sử ụ d ng một thạch anh t o ra ạ

một tần số chuẩn, còn bộ THTS thì tạo ra các tần số chuẩn khác Do chúng khá rẻ

và có thể ễ dàng điề d u khi n bể ằng các mạch số, nên các bộ THTS được ứng dụng nhi u trong thi t k ề ế ếcác hệ ố th ng thông tin m ới

2.1.2 Phân loại các phương pháp t h ổ ợp tầ n s ố

Có nhi u cách phân lo i t p t n sề ạ ổ hợ ầ ố dựa theo nhi u tiêu chí khác ềnhau, nhưng hiện nay thông dụng hơn cả có th phân chia các b t h p t n s ể ộ ổ ợ ầ ốthành ba lo i sau: THTS tr c ti p, THTS gián tiạ ự ế ếp có sử dụ ng vòng khoá pha PLL và THTS s tr c ti p (DDS) ố ự ế

Phương pháp lâu đời nhất được mô t lả ần đầu tiên bởi Finden, và được g i là ọTHTS tr c ti p, bao gự ế ồm các bộ ộ tr n, bộ nhâ ần t n, b chia tộ ần và các bộ ọ l c thông

dải Sau đó, trong hầu hết các ứng dụng, THTS trực tiếp đã được thay thế ởi THTS bgián ti p (kế ết hợp), sử ụ d ng mạch vòng khoá pha PLL tương tự hay PLL số Phương pháp THTS mới nh t hi n nay THTS sấ ệ - ố ự tr c ti p, s d ng máy tính s và ế ử ụ ố

một bộ ến đổi số tương tự (DAC) để ạo ra tín hiệu Mỗi phương pháp THTS bi - t

có ưu nhược điểm riêng, và có th c n thi t ph i k t h p c ể ầ ế ả ế ợ ả ba phương pháp trong khi thi t kế ế ộ THTS Trong chương này, cả ba phương pháp THTS tr b ên

s lẽ ần lượt được giới thi u ệ

2.2 Các mạ ch cơ s ở trong các b t h p tầ ố ộ ổ ợ n s

2.2.1 T h ổ ợp tần số ử ụng các mạch nhân, chia, cộng và trừ s d

 Hai phép tính đầu cho phép t t n s nhận được các tần số ừ ầ ốcao hơn và thấp hơn / ( , là các ố nguyên) Thực hiện liên tiếp hai s phép tính này cho phép nhận được các tầ ố ớn s v i hệ ố s phân số Các t n sầ ốđược hình thành như vậy n u vế ẫn chưa thoả mãn yêu c u thì có th c ng ho c tr ầ ể ộ ặ ừliên ti p ế s ẽ là thừa số chung trong tất cả phép tính được thực hiện Bởi vậy ta sẽ

 Phép chia tần được th c hiự ện trên cơ sở ử ụ s d ng r ng rãi các vi m ch ộ ạtích h p logic Nhợ ững bộ chia xây dựng trên IC thườn ọg g i là bộ chia số Chúng là thiết bị đếm, tạo nên dãy xung ở ối ra với tần số ỏ hơn tần số ặp lại của xung l nh lvào m t h s chia ộ ệ ố

Trigơ có lối vào đếm là b ộ chia hai đơn giản nh t N i n i tiấ ố ố ếp n trigơ cho ta

b chia v i h s chia ộ ớ ệ ố = 2

Tần số được chia giới hạn = 1/( + ) v i ớ là độ ộ r ng xung vào và

là th i gian chuy n tr ng thái cờ ể ạ ủa trigơ

Thường c n b chia v i h s chia tho ầ ộ ớ ệ ố ả mãn điều ki n 2ệ < < 2

Muốn vậy cần nối nối tiếp n trigơ và loại bỏ các trạng thái thừa Điều này đạ được t

bằng cách chuyển mạch cưỡng bức một số trigơ hoặc giữ chúng không chuy n ể

mạch một cách cưỡng bức Độ thừa trạng thái được loại trừ ằng việ b c đưa các hồi

ti p ph ế ụ vào dãy trigơ như hình 2.1

Hình 2.1 B chia có h i ti p ộ ồ ế

Nếu đưa hối tiếp từ hàng n về hàng đầu tiên thì hệ ố chia sẽ giảm đi đơn s 1

vị ( )= 2 2 = 2 1

Nếu đưa hố ế ừi ti p t hàng n v hàng th hai thì ề ứ

( )= 2 2 = 2(2 1)

H i ti p t hàng th ồ ế ừ ứn về hàng th i (khi i < n) d n t i h s chia: ứ ẫ ớ ệ ố

( )= 2 2

Các bộ chia có h s chia bi n đ i chi m mộ ị trí đặệ ố ế ổ ế t v c bi t trong t ng h p ệ ổ ợ

mạng tần số Giả ử ằng ta có bộ đếm xung gồm một chuỗi các trigơ nối nối tiếp s r

với dung lượng bằng hệ ố chia yêu cầ s u Nếu số xung đi vào lối vào của nó (tính

t thừ ời điểm bật nguồn bộ đếm) bằng dung lượng thì ở ối ra sẽ ất hiện một xung l xu

Ta dùng xung này làm xung ra và đồng thời là xung đưa bộ đế m v tr ng thái ban ề ạ

đầu

Tần số ặp lại của các xung ở ối ra sơ đồ ẽ ỏ hơ l l s nh n l n so v i l i vào ầ ớ ở ố

Để thay đổi cần thay đổi dung lượng bộ đếm Dung lượng bộ đếm phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của mỗi trigơ Số ổ ợ t h p có thể các trạng thái của trigơ trừ đi

1 s b ng các h s chia có th ẽ ằ ệ ố ể

Ví dụ ộ đế b m gồm 4 trigơ thì hệ ố s chia có thể thay đổi từ 1 đến 15 thể ệ hi n

ở hình 2.2

Hình 2.2 B chia có h s chia biộ ệ ố ế n đ ổi

Thay cho các trigơ, trong các bộ chia có th s d ng các decade để ử ụ ếm, nghĩa

là các bộ chia với dung lượng b ng 10 (hình 4.3) ằ

Dưới tác động c a xung ra, toàn b decade n m trủ ộ ằ ở ạng thái xác định b i v ở ịtrí của các chuyển mạch nghĩa là ở ạ tr ng thái bù hệ ố chia đến dung lượ s ng cực đại Sau khi đầy toàn b ộ dung lượng b chia, m ch “và” (AND) v i n l i vào s làm ộ ạ ớ ố ẽ

vi c và chu trình lệ ặp lại H s ệ ố chia xác định b ng bi u th ằ ể ức:

V i ớ , … là các số ghi trong decade tương ứng

Có th chia v i hể ớ ệ ố s chia là phân s N u hố ế ệ ố s chia ch ch a các phầỉ ứ n chục, thì trong 10 chu trình chia c n thầ ực hiện chia cho hệ ố s và +1 tương ứng (10-k) l n và k l n H s chia trung bình: ầ ầ ệ ố

= (10 ) + ( + 1).

Nếu muốn có phần trăm trong hệ ố chia, cần thực hiện phép chia cho các ệ s h

s (ố + /10) và [ + ( + 1)/10] tương ứng (10- ) lần và lần Hệ ố s chia trung bình:

Trong sơ đồ ự ế ần điề th c t c u khi n s phép chia (ví d cho và +1) và ể ố ụ

c n l y trung bình dãy l i ra b chia nh b l c hoầ ấ ở ố ộ ờ ộ ọ ặc bộ chia ph ụ

 Phép cộng và phép tr t n s ừ ầ ố hay được th c hi n b ng các b bi n t n ự ệ ằ ộ ế ầthông thường, ch y u là các b bi n t n vòng cân b ng k t h p v i l c tr c ti p ủ ế ộ ế ầ ằ ế ợ ớ ọ ự ế

2.2.2 Các hệ thống tinh ch ỉnh tự độ ng t n s ầ ố trong các bộ ổ ợ t h p

B t ộ ự dao động tinh chỉnh theo tần số chuẩn cần phải xét như một dạng của

b lộ ọc dả ẹi h p Nguyên tắc của phương pháp lọc này được gi i thích trên hình 2.4 ả

Tu thuỳ ộc vào kiểu của phần tử so sánh mà nó có thể ả ứng với hiệu pha ph n

hoặc hiệu tần số ủ c a các dao động được so sánh Tương ứng sẽ có các hệ ống tự th

động tinh ch nh t n s theo pha và t ng tinh ch nh t n s theo t n s ỉ ầ ố ự độ ỉ ầ ố ầ ố

2.2.2.1 H thệ ống ự động t tinh chỉnh tần số theo pha

 VCO là bộ dao động có t n s ầ ố ổn định ph thu c vào thiên áp ngoài ụ ộTín hi u ra c a VCO là t n s , còn tín hiệ ủ ầ ố ệu vào là điện áp điều khi n (có th là DC ể ể

hoặc AC) Đặc tuyến điều khiển điển hình của VCO như hình 2.5 Tần số ra khi thiên áp vào b ng 0(V) là t n sằ ầ ố ự t nhiên , còn khi thiên áp thay đổi gây nên s ựlệch tần ∆f Do đó, ta có = + Để đối xứng, tần số ự nhiên của VCO t

ph i n m giả ằ ở ữa của đoạn tuyến tính đặc tuy n vào – ra ế

Hàm truyền đạ ủt c a VCO là = / , trong đó là sự thay đổi thiên

áp điều khi n và ể là s ự thay đổ ầi t n s ra ố

 B ộ so pha là thiết bị phi tuyến có 2 tín hiệu vào: tín hiệu chuẩn và tín hiệu ra của VCO Tín hiệu ra của PD là tích của 2 tín hiệu vào, vì thế có

ch a các thành phứ ần ± Công th c toán hứ ọc như sau:

V i ớ là h s truyệ ố ền đạt của vòng, là sai pha gi 2 tín hi u vào ữa ệ

Hình 2.6 là đặc tuy n hi u pha l i vào - n áp ra c a b ế ệ ố điệ ủ ộ so pha Hình 2.6a

là của bộ so pha dạng sóng vuông, có dạng răng cưa với độ ốc âm từ 0 n d đế 180 Điện áp ra c c đự ại dương khi 2 tín hiệu vào cùng pha, bằng 0 khi VCO vượt pha tín

hi u chu n ệ ẩ 90 , cực đại âm khi VCO nhanh pha hơn tín hiệu chu n ẩ 180

Nếu VCO nhanh pha nhiều hơn nữa, điện áp ra trở nên ít âm hơn, còn khi VCO chậm pha hơn thì điện áp ra trở nên ít dương hơn Như vậy, sai pha cực đại

mà b so pha có th bám làộ ể -90 90, hay từ 0 nđế 180 B ộ so pha tạo nên điện áp ra t l v i sai pha gi a 2 tín hi u vào ỉ ệ ớ ữ ệ

Hình 2.6c là đặc tuy n pha cế ủa bộ so pha tương tự ới đặ v c tính hình sin Điện áp ra ch tuy n tính v i sai pha trong kho ng 45 đến 135 T 2 ỉ ế ớ ả ừ hình này ta

thấy rằng điện áp ra so pha bằng 0 khi 2 tín hiệu vào có tần số ằng nhau và lệch bpha nhau 90 Vì thế, nếu ban đầu tần số dao động tự nhiên bằng với tần số chuẩn thì c n có sai phaầ 90 để ữ điệ gi n áp ra so pha bằng 0(V) và t n s VCO b ng t n ầ ố ằ ầ

s t ố ự nhiên của nó Sai pha 90 này tương đương với định thiên pha Nói chung,

người ta coi định thiên pha như pha chuẩn có tr b ng ±90 ị ằ Do đó, điện áp ra đi từgiá tr ị dương cực đạ ủi c a nó t i -ạ 90 n giá tr âm cđế ị ực đạ ạ 90i t i + (hình 2.6b)

Hình 2.6 Đặc tuyến tách sóng pha

 Hoạt động của hệ thố ng:

Khi không có tín hiệu chuẩn bên ngoài, điện áp ( ) = 0, VCO dao động

ở ầ t n s t nhiên c a nó ố ự ủ Khi có tín hiệu chuẩn, tại bộ so pha sẽ ực hiện trộ 2 th n tín hi u vào.ệ Ban đầu, 2 t n s không b g nhauầ ố ằn và vòng không khóa Vì

b ộso pha là thiết bị phi tuyến nên sau trộn ta có các thành phần tần số VCO, tần sốchu n và thành ph n t n s t ng và hi u c a chúng ẩ ầ ầ ố ổ ệ ủ

LPF chặn 2 t n s vào và t n số ổầ ố ầ t ng nên l i ra b l c chỉố ộ ọ còn thành ph n ầđiện áp t n s hi u ầ ố ệ = đưa đến lối vào VCO Điện áp điều khi n này ểlàm thay đổ ầi t n s VCO mố ột lượng t l v i cỉ ệ ớ ực tính và biên độ ủ c a nó Khi t n s ầ ốVCO thay đổi, biên độ và t n s c a t n s ầ ố ủ ầ ố phách cũng thay đổi tương ứng

Hình 2.7 Tần số phách

Sau vài chu kì, t n s VCO b ng vầ ố ằ ới tầ ốn s chuẩn và vòng được khóa Khi đã khóa thì tần số phách t i lạ ối ra LPF bằng 0Hz (điện áp DC), điều này là c n thiầ ết để

định thiên VCO và gi nó khóa vào t n s chu n Mữ ầ ố ẩ ột khi vòng đã khóa, bất kì s ựthay đổi nào của tầ ố vào đều đượn s c nhìn nhận như sai pha, và bộ so pha t o nên s ạ ựthay đổi tương ứng n áp ra cở điệ ủa nó để tái l p khóa ậ

Hình 2.8 D i khóa và d i b t c a PLL ả ả ắ ủ

Để đạt được hi u qu l c c a các dao đ ng t h p ph , c n dùng LPF có d i ệ ả ọ ủ ộ ổ ợ ụ ầ ảthông rất hẹp và do đó giảm dải bắt Bởi vậy khi chuyển bộ ổng hợp từ ần số t t này sang tần số khác, người ta ph i dùng mả ột hệ ố th ng tự động đưa tần số ủ c a bộ dao động điều ch nh vào d i b t cỉ ả ắ ủa vòng PLL Đó thường là b ộ dao động tìm ki m hay ế

b tộ ạo điện áp răng cưa Khi bật nguồn bộ ổng hợp, điện áp này tác độ t ng lên ph n ầ

t ử kháng và thực hiện sự quét tần số ủa VCO, sao cho bắt được dải chứa tần số cdanh định Sau khi bắt được thì b ộ dao động tìm ki m t ng t ra ế ự ắ

Trong m t sộ ố ộ ổ b t ng hợp người ta áp dụng bộ so pha xung Trong so pha thông thường các dao động có d ng hình sin ho c ch nhạ ặ ữ ật được dùng làm các dao

động chuy n mể ạch và được chuy n mể ạch Trong so pha xung, để chuy n m ch ể ạngười ta dùng dãy các xung ng n Tính ch t lý thú c a so pha xung là kh ắ ấ ủ ả năng so sánh không ch ỉcác tần số như nhau, mà còn cả các tầ ố ộ ủn s b i c a nhau

Nếu tần số ủa dãy xung là thì c để so sánh với nó có thể dùng dao động

điện áp hình sin t i thạ ời điểm tác động c a xung N u ủ ế và là bội của nhau thì các xung trùng v i cùng m t giá trớ ộ ị ủa điệ c n áp hình sin t n sầ ố và điện áp ghim

bởi xung sẽ như nhau (hình 2.9) Độ ớn của điện áp này xác đị l nh bởi độ ị d ch pha

của điện áp hình sin so với dãy xung Khi các tần số không phải bội của nhau, dãy xung ra sẽ ị ến đổ b bi i về biên độ Điện áp ra bộ so pha xung được san b ng bằ ởi LPF

có th i hờ ằng đủ ớ l n

Sơ đồ minh h a ng dọ ứ ụng vòng PLL như hình 2.10 Ở đây tần s b dao ố ộđộng điều chỉnh được biến đổi nội suy để đưa về ầ t n s ố không đổi để so sánh v i ớ

tần số chuẩn ở so pha Sự ến tần thực hiện từ cao đến thấp cùng với sự thu hẹ bi p liên tiếp dải thông các bộ ọ l c, nhờ đó triệt tốt các tổ ợ h p phụ Ưu điể m này giải thích s ng d ng r ng rãi cự ứ ụ ộ ủa sơ đồ

2.2.2.2 H thệ ống ự động t tinh chỉnh tần số theo tần số

Ở đây thiế ịt b so sánh ph n ng v i s ả ứ ớ ự thay đổ ầi t n s c a b ố ủ ộ dao động được điều chỉnh và cũng không có sự so sánh tr c ti p các t n s T n s b ự ế ầ ố ầ ố ộ dao động

nh tờ ần số ủa thành phần của mạng, được biến đổi xuống thành tần số ủa bộ c c phân

bi tệ Đặc tuy n tế ần số ố l i vào - n áp ra cđiệ ủa của bộ phân biệt như hình 2.11a

Nếu tần số đã biến đổi của bộ dao động khác với thì lở ối ra của bộ phân

biệt sẽ ất hiện điện áp có giá trị và dấu được quyết định bởi giá trị và dấu củ ộ xu a đ

lệch tần số ộ dao động so với danh định (tần số danh định là + hoặc b

n u f là thành phế ần của mạng t n s ) ầ ố

Hình 2.11b là sự ể bi u diễ ết hợp đặn k c tính của bộ phân bi t và c a ph n tệ ủ ầ ửđiều khi n ể

Và

Ở đây S là độ ố d c c a đ c tuyủ ặ ến, V là điện áp sau b phân bi t ộ ệ

Tại điểm cân b ng ằ =

= /

Vì c n có K>1 nên ầ và ph i khác d u ả ấ

Dải bắt củ ệ thống tự động tinh chỉnh tần số theo tần số đượa h c xác định bởi

độ ệ l ch ban đ u c c đ i c a b ầ ự ạ ủ ộ dao động được điều chỉnh, khi đó vẫn b o đ m ả ảđược tác dụng điều ch nh c a h th ng ỉ ủ ệ ố

Dải giữ ủa hệ ống tự động tinh chỉnh tần số theo tần số đượ c th c xác định bởi

độ ệ l ch c c đ i c a b ự ạ ủ ộ dao động điều mà v n gi nguyên tác dẫ ữ ụng điều ch nh trong ỉquá trình tăng độ ệch ban đầ l u (khi h thệ ống được m ngu n liên t c) ở ồ ụ

Cơ cấu l c t h p ph trong h th ng t ng tinh ch nh t n s theo t n s ọ ổ ợ ụ ệ ố ự độ ỉ ầ ố ầ ốkhá gi ng trong h th ng t ng tinh ch nh t n s ố ệ ố ự độ ỉ ầ ố theo pha đã xét Giữa thành phần chuẩn của mạng f và các dao động t h p f + F phát sinh các phách Các phách biên ổ ợ

độ được h n ch b i b h n biên, các phách t n s ạ ế ở ộ ạ ầ ố được tách sóng b i b phân bi t ở ộ ệ

Vì vậy các dao động v i t n sớ ầ ố F đư c chồợ ng lên điện áp điều khi Nển ếu F> nó sẽ ị ọc bỏ, nếu b l F nó sẽ điều chế các dao động của bộ dao động được điều ch nh ỉ

Trong trường hợp phát sinh điề ầu t n kí sinh và tuân thủ điều kiện tần sốđiều ch nh ế ỏ hơn tần s c t LPF, di t n s giố ắ độ ầ ố ảm đi K lần Do có độ ệch còn dư, lnên K không áp dụng được trong các bộ ổ ợ ở vai trò như hệ ố t h p th ng tự động tinh chỉnh t n s ầ ố theo pha Thường h th ng t ng tinh ch nh t n s theo t n số đóng ệ ố ự độ ỉ ầ ố ầvai trò phụ Khi xét sơ đồ bù trừ ta đã ấth y rằng c n duy trìầ không được vượt

quá ± /2 (dải thông của bộ ọ l c cơ bản) Yêu cầu này thường đạt được nhờ ệ h

biến đổ ầi t n s ố dao động ph (hình 2.12) ụ

Hoạt động của sơ đồ như sau: khi đặ ầ ốt t n s công tác c a b t ng h p, t n s ủ ộ ổ ợ ầ ố

của dao động ph ụ ứng với tần số công tác cũ hoặc tần số ẫu nhiên trong dải của ng

nó, b i vở ậy các dao động lở ối ra bộ ọ l c cơ bản của sơ đồbù trừ ẽ không có Đây là s điều kiện để ộ dao độ b ng tích thoát làm vi c, bệ ảo đảm quét t n s cầ ố ủa dao động

ph ụ Điện áp nguồn (-E) nạp tụ C qua và Khi đạt giá trị ngưỡng nào đó, khóa K2 mở ra và t phóng ụ Vì tụ ố n i với ph n t kháng 1, sầ ử ự thay đổi điện áp trên

t ụkéo theo sự thay đổi tần số dao động phụ Khi tần số này đi qua giá trị danh định,

ở ố l i ra BPF1 xu t hi n đi n áp Sau hạấ ệ ệ n ch , khuế ếch đại, tách sóng s m khoá K1 ẽ ởĐiện áp trên t ụ C được ghim l i và thôi nạ ạp Cùng lúc đó ệh th ng t ng tinh ố ự độchỉnh t n s theo t n s bầ ố ầ ố ắt đầu hoạt động Điện áp điều khi n t l i ra b phân bi t ể ừ ố ộ ệqua LPF2 tác động lên ph n t khánầ ử g 2 Điện áp này còn được khuếch đại trong b ộkhuếch đại một chiều và bảo đảm nạp thêm cho tụ C đang phóng chậm Hằng số

thời gian hằng số ời gian bộ ọc LPF2, ởi vậ ở đây có thể coi như có hai th l b y

h thệ ống dải rộng và dải hẹ Hệ ống dải rộng (p th - phần tử kháng 1) bảo đảm đưa tần s b ố ộ dao động vào d i khóa c a h th ng d i h p (ả ủ ệ ố ả ẹ - phần tử kháng 2), còn hệ ố th ng dải h p duy trì t n sẹ ầ ố đã biến đổi của bộ dao động trong d i thông cả ủa BPF1

Hình 2.12 Sơ đồ điề u ch nh đi n t b ỉ ệ ử ộ dao động ph ụ

2.3 Các phương pháp tổ ợ ầ ố h p t n s

2.3.1 P hương pháp tổ ợp tương tự trực tiếp h

Phương pháp tổ ợ ầ h p t n s ố tương tự ự tr c ti p irect Analog - DA) ế (D là phương pháp trong đó ộm t nh m c c tần số tham chiếu được tạo ra từ ột tần số chó á m ính và

các tần số y được trộn, lọc, cộng, trừ, hoặc chia theo đầu ra được yêu cầ nà u Không

giống như PLL, công nghệDA sử ụng nguyên tắc số ọc trong miền tần số d h (không

có cơ chế ồ h i tiếp v ng lặp kh p k n) để chuyển đổi t n hiệu tham chiếu đầu vò é í í ào thành t n hiệu đầu ra yêu cầu Công cụ ch nh trong công n ệ DA l ộí í gh à b phát dao

động, b nhân, b tr n, l c và b chia t n ộ ộ ộ ọ ộ ầ

Tổng hợp trực tiếp tần số có nghĩa là nhận được tần số chuẩn mới từ các tần

s cố ủa dao động chuẩn sơ cấp đã cho bằng các phép tính s hố ọc đơn giản đối v i ớcác tầ ố đó, chúng bao gồn s m các phép: nhân, chia, c ng và trộ ừ Đây là phương pháp THTS c ổ điển được ứng dụng sớm và có nhiều điểm h n ch ạ ế

Theo nguyên lí này ta có b THTS dùng nhi u bộ ề ộ dao động chuẩn với nhiều

thạch anh (kiểu 1) và bộ THTS dùng 1 thạch anh (kiểu 2) Kiểu 1 đơn giản song đắt

ti n nên ít s d ng ề ử ụ

2.3.1.1 T h p tr ổ ợ ực tiếp s dử ụng nhiều dao động chuẩn

Hình 2.13 T h p tổ ợ ần số ự tr c tiếp sử ụng nhiều dao động chuẩ d n

Trên thự ếc t , việc tạo ra các bộ dao động thường th c hi n dự ệ ễ dàng hơn so

với các bộ ọc dải có độ chọn lọc cao Thay vì phải dùng các bộ ọc dải có độ chọn l l

lọc cực kỳ cao,ta thường dùng nhiều bộ dao động chuẩn, phương pháp này còn gọi

là phương pháp luân phiên

Ví dụ ại hình 2.13, sơ đồ ồ 18 bộ dao động chuẩn, 2 đảo mạch, bộ ộ t g m tr n

và lọc dả Đải o mạch SW2 có nhi m vệ ụ chọn 1 trong 9 bộ dao động có d i t n tả ầ ừ 1

đến 9kHz với bướ ần 1kHz Đảc t o m ch SW1 có nhi m v ch n 1 trong 9 b dao ạ ệ ụ ọ ộ

động bao trùm d i t n t 1ả ầ ừ 0 đến 90 kHz với bướ ầc t n là 10kHz Hai tín hiệu được

chọ ừ hai đản t o mạch đưa tớ ộ ộ ầi b tr n t n B l c đầộ ọ u ra s ọẽ ch n thành ph n tổ ợầ h p

tần số cao trong hai thành phần tổ ợp đầu ra bộ ộn Ví dụ ta cần đặt tần số là h tr91KHz, ta đặt SW1 v trí l y b dao ng 1 kHz, SW2 v trí l y b ở ị ấ ộ độ ở ị ấ ộ dao động 90 kHz, đầu ra b tr n có hai thành ph n chính 90 + 1 = 91 kHz và 90 1 = 89 kHz, bộ ộ ầ - ộ

lọc dải sẽ chọn lấy thành phần 91 kHz Với sơ đồ này, ta thu đượ ả ầc d i t n 1 ÷ 99 kHz bướ ầc t n là 1 kHz

Sơ đồ ử ụ s d ng b trộ ộn như ế th này g p phặ ải khó khăn lớn nhất là: đầu ra b ộ

nhau thì vi c loệ ại bỏ ộ m t trong hai thành phần đó là khó khăn, yêu cầu về ộ ọ b l c tăng lên Một trong những điều c n quan tâm u tiên khi thi t k các b THTS tr c ầ đầ ế ế ộ ự

ti p là h s tr n r (mixing ratio) ế ệ ố ộ

r = ff

v i ớ và là các tần số đầu vào bộ ộn Khi r quá lớn hoặc quá nhỏ thì hai tr

tần số đầu ra sẽ quá gần nhau, nên khó lọc lấy một thành phầ Để ễ dàng chọn lọc n d

s dử ụng phương pháp tạo m ng chạ ọn hài như trên sơ đồ hình 2.14

và p có thể ậ nh n các giá trị ủ c a các số nguyên dương khác không Chúng xác định

v ịtrí của tần số đầ tiên của mạng được tổng hợp trên trục tần số, còn n có thể ận u nhcác giá trị ừ t 0 ÷ 9