phân tích thiết kế và tính toán sơ đồ mạch nguyên lý cho 2 khối chức năng trong bộ thu

Sóng âm thanh là một dạng sóng cơ học truyền trong không gian, khi sóng âm thanh va chạm vào màng Micro làm cho màng Micro rung lên, làm cho cuộn dây gắn với màng Micro được đặt trong từ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

-o0o -

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN :

Sinh viên thực hiện:

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ THU ÂM 1

I Khái niệm về bộ thu 1

1 Khái niệm tín hiệu âm tần 1

2 Khái niệm về tín hiệu cao tần và song điện từ 1

3 Quá trình điều chế AM ( Amplitude Moducation : Điều chế biên độ ) 1

3.1 Điều chế biên độ AM 2

3.2 Biểu thức sau điều chế 2

4 Quá trình phát tín hiệu ở đài phát 3

5 Băng thông tín hiệu 3

6 Công suất tín hiệu 4

6.1 Giải điều chế AM 4

6.1.1 Tách song đường bao 4

6.1.2 Tách sóng đồng bộ 6

7 Ưu điểm và nhược điểm của tín hiệu AM 6

II Sơ đồ khối của máy thu 7

1 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần 8

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ THU AM 9

I Phân tích mô phỏng sơ đồ khối bộ thu AM 9

1 Sơ đồ khối 9

2 Sơ đồ mô phỏng trên AWR environment 10

2.1 Mô phỏng hệ thống khối đầu vào 10

2.2 Mô phỏng hệ thống anten và khối khuếch đại cao tần RF 12

2.3 Mô phỏng hệ thống khối Mixer 13

2.4 Mô phỏng hệ thống khối IF và giải điều chế AM 14

3 Mô phỏng tín hiệu thu AM lí tưởng 14

Chương 3: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ CHO 2 KHỐI CHỨC NĂNG TRONG BỘ THU 16

I Mạch vào máy thu 16

II Mạch khuếch đại công suất cao tần RF 17

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ THU ÂM

I Khái niệm về bộ thu

1 Khái niệm tín hiệu âm tần

Tín hiệu âm tần là tín hiệu của sóng âm thanh sau khi được đổi thành tín hiệu điện thông qua Micro

Sóng âm thanh là một dạng sóng cơ học truyền trong không gian, khi sóng âm thanh va chạm vào màng Micro làm cho màng Micro rung lên, làm cho cuộn dây gắn với màng Micro được đặt trong từ trường của nam châm dao động, hai đầu cuộn dây ta thu được một điện áp cảm ứng => đó chính là tín hiệu âm tần

Tín hiệu âm tần có giải tần từ 20Hz đến 20KHz và không có khả năng bức xạ thành sóng điện từ để truyền trong không gian, do đó để truyền tín hiệu âm tần đi xa hàng trăm, hàng ngàn Km Người ta phải giử tín hiệu âm tần cần truyền vào sóng cao tần gọi là sóng mang, sau đó cho sóng mang bức xạ thành sóng điện từ truyền đi xa với vận tốc ánh sáng

2 Khái niệm về tín hiệu cao tần và song điện từ

3 Quá trình điều chế AM ( Amplitude Moducation : Điều chế biên độ )

Có rất nhiều loại điều chế biên độ như AM, DSB, VSSB và điều chế tần số FM Ở đây chúng ta tập trung vào giới thiệu về điều chế cũng như giải điều chế biên độ AM (Amplitude Modulation)

3.1 Điều chế biên độ AM

Điều chế AM là quá trình điều chế tín hiệu tần số thấp( như tín hiệu âm tần, tín hiệu video ) vào tần số cao tần theo phương thức => Biến đổi biên độ tín hiệu cao tần theo hình dạng của tín hiệu âm tần => Tín hiệu cao tần thu được gọi là sóng mang

Hình 2: Tín hiệu vào và ra của mạch điều chế AM

Tín hiệu âm tần có thể lấy từ Micro sau đó khuếch đại qua mạch khuếch đại âm tần, hoặc có thể lấy từ các thiết bị khác như đài Cassette, Đầu đĩa CD

Tín hiệu cao tần được tạo bởi mạch tạo dao động, tần số cao tần là tần số theo quy định của đài phát

Tín hiệu đầu ra là sóng mang có tần số bằng tần số cao tần, có biên độ thay đổi theo tín hiệu âm tần

4 Quá trình phát tín hiệu ở đài phát

Hình 3: Quá trình phát sóng Radio AM

Tín hiệu sau khi điều chế thành sóng mang được khuếch đại lên công xuất hàng ngàn Wat sau đó được truyền ra Anten phát

Sóng điện từ phát ra từ Anten truyền đi trong không gian bằng vận tốc của ánh sáng, sóng AM có thể truyền đi rất xa hàng ngàn Km và chúng truyền theo đường thẳng, và cũng có các tính chất phản xạ, khúc xạ như ánh sáng

5 Băng thông tín hiệu

Băng thông của tín hiệu sau điều chế bằng 2 lần băng thông của tín hiệu tin tức:

BT = 2W

Hình 4: Băng thông của tín hiệu AM

6 Công suất tín hiệu

Công suất của tín hiệu sau điều chế được xác định bằng biểu thức:

Tóm lại, có ít nhất 50% công suất truyền đi ở dạng sóng mang không phụ thuộc vào x(t), do đó nó sẽ không mang theo thông tin gì Tín hiệu AM không khả thi để truyền thành phần DC hay các tín hiệu với tần số cực thấp

6.1.1 Tách song đường bao

Hình 5: Mạch tách sóng đường bao

Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: Tín hiệu AM vào làm thay đổi giá trị điện áp trên diode Làm cho diode tắt hoặc dẫn

- Khi D dẫn: tụ được nạp bằng giá trị của Vin(t) - Khi D tắt: tụ xả qua điện trở R2

Đây chính là tín hiệu cần giải điều chế Kết quả tách sóng hình bao phụ thuộc vào thời

ơ quá lớn tụ xả chậm không theo kịp sự suy giảm của tín hiệu AM ngõ vào Cả hai trường hợp sẽ làm cho tín hiệu giải điều chế bị méo dạng

Điều kiện tách sóng đường bao không méo đối với tín hiệu điều chế sine đơn tần có tần số fm

Hình 6: Dạng sóng của trước (a), trong khi (b) và sau giải điều chế (c)

Hình 7:Tách sóng khi hệ số thời hằng ơ quá to (a) và quá nhỏ (b)

Hình 1.2 là bộ chỉnh lưu đỉnh diode đơn giản Diode được phân cực thuận, để ngăn chặn mất 0,7V đầu tiên của tín hiệu Vin Ngoài ra diode có thể được thay thế bằng transistor Đây là một giải pháp tốt hơn nhiều so với mạch dùng diode bởi vì độ lợi dòng điện trong bóng bán dẫn tạo ra đầu ra nhiều gấp β lần, dòng điện góp được lọc để thu được tín hiệu đã được giải điều chế Tối ưu hóa sự lựa chọn về điện trở và điều kiện sai lệch để thu được tín hiệu lớn nhất có thể với độ méo tối thiểu Chọn C đủ lớn để làm giảm tín hiệu Vin, nhưng không quá lớn để làm suy giảm tín hiệu Vout Lưu ý rằng vì dòng điện trong máy thu nhỏ, ta sẽ dùng điện trở lớn để thu được tín hiệu mạnh

Hình 8: Mạch giải điều chế thay thế diode bằng transistor

6.1.2 Tách sóng đồng bộ

Hình 9:Sơ đồ khối giải điều chế bằng phương pháp tách sóng đồng bộ

Qua PLF còn thành phần tần số thấp ở ngõ ra:

7 Ưu điểm và nhược điểm của tín hiệu AM

Ưu điểm:

- Dễ thực hiện và máy thu giải điều chế đơn giản, giá rẻ - Công suất sóng mang không tải tin lớn, vô ích

- Băng thông lớn gấp đôi cần thiết nên phí và tăng nhiễu - Hiệu quả sử dụng công suất cao tần rất nhỏ

- Tính chống nhiễu kém Nhược điểm:

- Tín hiệu bị ảnh hưởng bởi bão điện và nhiễu tần số vô tuyến khác

- Mặc dù các máy phát vô tuyến có thể truyền sóng âm có tần số lên đến 15 kHz, hầu hết các máy thu chỉ có thể tái tạo tần số tối đa 5kHz trở xuống

-

- Sơ đồ khối máy thu khuếch đại trực tiếp

Hình 10: Sơ đồ khối máy thu thanh đơn giản

Anten thu: Có thể thu được tất cả sóng điện từ truyền tới nó

Mạch khuếch đại dao động điện từ cao tần: Làm cho sóng điện từ cao tần thu được có năng lượng (biên độ) lớn hơn

Mạch tách sóng: Tách sóng âm tần ra khỏi sóng mang

Mạch khuếch đại dao động điện từ âm tần: Làm cho dao động âm tần vừa tách ra có năng lượng (biên độ) lớn hơn

Loa: Biến dao động điện âm tần thành âm thanh (tái tạo âm thanh)

1 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần

Hình 11: sơ đồ khối máy thu đổi tần

Máy thu đổi tần đã khắc phục được những nhược điểm của máy thu khuếch đại thẳng với đặc điểm là khuếch đại tín hiệu ở tần số trung gian ở sử dụng các bộ khuếch đại chọn lọc ( tải là các khung cộng hưởng) nên dễ dàng đạt được hệ số khuếch đại lớn kể cả ở những bang tần song ngắn

- Mạch vào: Thu nhận tín hiệu cần thu và phối hợp trở kháng ở các tầng sau, gồm các khung cộng hưởng và có hệ số phẩm chất cao

- KĐ cao tần: có nhiệm vụ làm tang tỉ số S/N lên đủ lớn và phối hợp trở kháng với mạch vào và khối trộn tần Các linh kiện cần có hệ số phẩm chất cao và không cần tận dụng hết công suất linh kiện

- Đổi tần: Gồm mạch tạo dao động nội OSC là mạch trộn tần MIX để tạo ra các

số cố định không đổi FN thay đổi theo tín hiệu thu, có thể trộn một hoặc nhiều

- KĐ trung tần: Quyết định độ nhạy máy thu

- Tách song: Tách tín hiệu tin tức ra khỏi tín hiệu cao tần và lọc bỏ tín hiệu cao tần gây nhiễu và các thành phần hài Tùy theo chế độ thu hay tín hiệu thu được mà có mạch tách song phù hợp

- KĐ âm tần: khuếch đại tín hiệu lên mức đủ lớn để đưa vào bộ chỉ thị - Chí bảo kết quả: có thể bằng hình ảnh, âm thanh cụ thể như máy in

Tần số trung tần của máy thu giảm nhiều so với tần số cao kết hợp với các mạch cộng hưởng có hệ số phẩm chất lớn đã cho phép vào máy thu nhận tín hiệu có độ chọn lọc và độ nhạy cao và dạng đặc tuyến tần số gần lí tưởng Các tầng từ phạm vi tần số cao (RF) tới âm tần đều thực hiện khuếch đại tại các tần số khác nhau nên tránh được việc ghép kí sinh giữa các tầng

Ở một số máy thu vô tuyến có chất lượng cao( độ nhạy, độ chọn lọc, hiệu suất cao) đặc biệt là các máy thu chuyên dụng người ta thực hiện thay đổi tần từ 2 đến 3 lần

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ THU AM I Phân tích mô phỏng sơ đồ khối bộ thu AM

Ở trong bài báo cáo này chúng em sử dụng bộ thu AM superheterosyne để làm việc Máy thu phải hoạt động ổn định, có độ chống nhiễu cao, chất lương âm thanh tương đối

1 Sơ đồ khối

Hình 12: Sơ đồ mạch AM superheterosyne

- Khối mạch vào: Đây là mạch nối ăng ten với đầu vào của tầng đầu tiên của máy thu

- Bộ khuếch đại cao tần RF: Bộ khuếch đại RF có nhiệm vụ bước đầu khuếch đại cho tín hiệu cao tần thu được từ anten

- Bộ đổi tần: Gồm mạch dao động nội tạo ra tần số không đổi và bộ trộn tần Tín hiệu RF và tín hiệu LO được đưa vào máy trộn để tạo ra tín hiệu IF mong muốn Máy trộn được tìm thấy trong các máy thu AM phổ biến tạo ra tổng,hiệu về tần số của LO và RF Quá trình trộn được thực hiện ở đây, có tín hiệu nhận được là một đầu vào và tần số dao động cục bộ là đầu vào kia Đầu ra kết quả là hỗn hợp của hai tần số [(f1 + f2), (f1 - f2)] do bộ trộn tạo ra, được gọi là tần số trung gian (IF) Việc tạo ra tần số IF giúp giải điều chế bất kỳ tín hiệu có bất kỳ tần số sóng mang nào Do đó, tất cả các tín hiệu được dịch sang một tần số sóng mang cố định để có đủ độ chọn lọc

- Bộ khuếch đại trung tần IF: Bộ lọc tần số trung gian là bộ lọc thông dải, nó loại bỏ tất cả các thành phần tần số không mong muốn khác (các kênh liền kề) và chỉ giữ lại thành phần tần số IF Băng thông BIF=BT nên bộ lọc IF lấy lại được tín hiệu băng gốc

- Tách song: Từ tín hiệu trung tần đưa ra, ta nhận được tín hiệu đã được truyền đi, bộ tách sóng sẽ tách sóng thông tin và sóng mang ra và đưa ra sóng thông tin cần truyền

- Khuếch đại âm tần: Khuếch đại âm tần tín hiệu tới ngưỡng vừa đủ cho người nghe thấy và qua loa phát ra

- Loa: Loa dẫn tín hiệu đầu ra đến với người dùng Loa thường được kết nối với audio amplifier thông qua một jack tai nghe giúp ngắt kết nối âm thanh của loa khi tai nghe được cắm vào

2 Sơ đồ mô phỏng trên AWR environment

Dựa vào sơ đồ lý thuyết đã đưa ra ở hình… , chúng ta sẽ lựa chọn các block có sẵn trong phần mềm bao gồm các khối anten vào, khối nhân, khối cộng, khối khuếch đại tín hiệu RF, bộ mixer, bộ dao động, bộ lọc thông dải IF và các khối giải điều chế sau đó đưa ra loa Chúng ta sẽ lần lượt cài đặt các thông số phù hợp với yêu cầu đề bài

- Tần số hoạt động RF: 30MHz

- Băng thông của tín hiệu gốc: 10KHz - Tần số trung tần IF: 500KHz

Hình 13: Sơ đồ mạch hệ thống máy thu AM dạng đổi tần

Trong phần mô phỏng này , để tạo tín hiệu đầu vào là sóng AM đã được điều chế, ta sẽ dựa vào biểu thức sóng sau khi đã điều chế:

toàn 100%) Vậy lúc này tín hiệu sau điều chế có dạng:

Vì vậy ở đầu vào, ta thiết lập hệ thống gồm bộ cộng và một bộ nhân Ta chọn sóng mang tin tức có dạng sóng sine có tần số f=1MHz được trộn với sóng mang có tần số fc=10Mhz

Tín hiệu đưa vào bộ cộng gồm tín hiệu tin tức x(t) có dạng sóng sine và một

Sóng x(t):

-

Hình 15: Đồ thị sóng x(t) của điều chế AM

- Sóng đầu vào điều chế AM:

Hình 16: Sóng AM đã được điều chế

Đường bao của sóng đầu vào anten có dạng sine trùng với dạng sóng tín hiệu tin tức

mong muốn, sau đó sẽ qua bộ khuếch đại để khuếch đại công suất tín hiệu - Khảo sát tín hiệu khi đi qua anten và bộ khuếch đại RF

Hình 17: Sóng sau khi đi qua anten

Hình 18: Sóng sau khi đi qua bộ RF

Sóng khi qua anten sẽ phải gần như sóng mà máy phát phát ra Tuy nhiên do ảnh hưởng

của các yếu tố ngoài như nhiễu, cộng hưởng tần số hay xuất hiện tần số của các kênh liền kề không mong muốn Tín hiệu đầu vào sau khi đi qua bộ RF ta nhận thấy sẽ được khuếch đại lên về mặt biên độ

Tín hiệu sau RF và LO sau khi đi qua bộ mixer sẽ trộn tần với nhau, tần số thu được sau khi đi qua bộ mixer sẽ là: 2fC+ fIF- fIF

Hình 19: Sóng sau bộ mixer

Hình 20: Tín hiệu sau khi đi qua bộ IF

Tín hiệu sau đó được đưa qua bộ lọc thông dải IF để dịch tần số trung tâm, bộ

Hình 20: Tín hiệu sau khi đi qua bộ IF

3 Mô phỏng tín hiệu thu AM lí tưởng

Hình 21: Sơ đồ mạch hệ thống AM lí tưởng

Giải thích hoạt động từng khối

- Ngõ vào của bộ cộng bao gồm 2 dạng sóng: sóng sine và sóng step

- Ngõ vào của bộ điều chế AM modulation thì bao gồm: ngõ ra của bộ cộng và sóng mang

- Tín hiệu ra từ bộ AM modulation được đưa tới anten và đưa tới bộ đổi sóng đường bao thành sóng AM thực

- Tín hiệu sau khi đưa tới Anten có sự suy giảm về biên độ nên tín hiệu mà Anten nhận được sẽ được đưa vào bộ khuếch đại tuyến tính và bộ đổi sóng đường bao thành sóng AM thực

- Tín hiệu từ bộ khuếch đại tuyến tính sẽ được đưa vào dải điều chế AM Demodulation

- Tín hiệu ra từ dải điều chế AM Demolation được đưa vào bộ khuếch đại tuyến tính một lần nữa và sau đó tín hiệu ngõ ra đưa tới loa

Kết quả mô phỏng

Hình 22: Sóng AM được tạo

Hình 23: Sóng AM được thu vào anten

- Sóng ngõ ra out và ngõ vào ban đầu:

Hình 24: Tín hiệu sau điều chế( xanh), và tín hiệu ban đầu (hồng)

Chương 3: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ CHO 2 KHỐI CHỨC NĂNG TRONG BỘ THU

Nhóm chúng em lựa chọn mạch khuếch đại cao tần RF (bao gồm mạch vào anten) và mạch trộn tần (bao gồm mạch dao động) để mô phỏng

của máy thu

Mạch vào là mạch điện nối liền anten với đầu vào của tầng đầu tiên của máy thu Nó có nhiệm vụ chuyển tín hiệu cao tần nhận được từ anten thu đến tầng đầu tiên và đảm nhiệm một phần độ chọn lọc của máy thu

Mạch vào bao gồm ba thành phần:

- Hệ thống cộng hưởng (đơn hoặc kép) có thể điều chỉnh đến tần số cần thu - Mạch ghép với nguồn tín hiệu của mạch vào (anten)

- Mạch ghép với tải của mạch vào (tầng khuếch đại cao tần đầu tiên)

Để điều chỉnh cộng hưởng mạch vào, người ta thường sử dụng các tụ điện có điện dung C biến đổi vì chúng dễ chế tạo chính xác hơn là cuộn dây có điện cảm biến đổi do phạm vi biến đổi của tụ điện lớn Cmax/Cmin, bền chắc, ổn định (do C ít biến đổi theo điều kiện bên ngoài)

Các mạch ghép anten với mạch cộng hưởng vào như: Mạch cộng hưởng ghép với điện dung ngoài anten, mạch cộng hưởng ghép với điện dung trong anten, mạch cộng hưởng ghép với biến áp tự ngẫu với anten, mạch cộng hưởng ghép với biến áp anten,…Trong phần mô phỏng này chúng em lựa chọn mạch cộng hưởng song song ghép một phần qua tụ điện

Hình 25: Mạch vào máy thu

II Mạch khuếch đại công suất cao tần RF

Hình 27: Dạng sóng ngõ ra và ngõ vào ở RF

Hình 27: Dạng sóng ngõ ra và ngõ vào ở RF

Nhóm chúng em chọn mạch dao động Clapp