Thiết kế chế tạo máy phát tần số 20MHz (tìm hiểu tổng quan về các loại máy phát tần số và các thông số kỹ thuật của máy)

Máy phát tần số là một thiết bị điện tử tạo ra các dạng tín hiệu có dạng khác nhau với các tần số khác nhau và có biên độ điện áp thay đổi được.. Có thể định nghĩa máy phát tần số là một

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 4

CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 5

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT TẦN SỐ 7

1.1 Khái niệm, phân loại, các yêu cầu kỹ thuật cơ bản và các tham số cơ bản của máy phát tần số 7

1.1.1 Khái niệm 7

1.1.2 Phân loại 7

1.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản 8

1.1.4 Các tham số của máy phát tần số 8

1.1.4.1 Dải tần số 9

1.1.4.2 Độ phân giải tần số 9

1.1.4.3 Mức đầu ra 9

1.1.4.4 Điều khiển và giao tiếp 9

1.1.4.5 Độ phẳng đầu ra 9

1.1.4.6 Trở kháng đầu ra 10

1.1.4.7 Tốc độ chuyển mạch 10

1.1.4.8 Sự tạm thời của pha 10

1.1.4.9 Sự điều hòa 11

1.1.4.10 Nhiễu pha 12

1.1.4.11 Tần số tham chiếu chuẩn 14

1.1.4.12 Các tham số phụ 15

1.2 Các mạch tạo dao động 15

1.2.1 Vấn đề chung về mạch tạo dao động 15

1.2.2 Điều kiện và đặc điểm của mạch tạo dao động 16

1.2.3.1 Ổn định biên độ dao động 17

1.2.3.2 Ổn định tần số 17

1.3 Các mạch cung cấp nguồn 19

1.3.1 Khái niệm 19

1.3.2 Nguồn ổn áp xung 19

1.4 Các máy phát tín hiệu 20

1.4.1 Máy phát tín hiệu âm tần 20

1.4.2 Máy phát tín hiệu cao tần 22

CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG MÁY PHÁT TẦN SỐ 23

2.1 Công nghệ tổ hợp tần số 23

2.1.1 Công nghệ tổ hợp tần số dùng vòng khóa pha (PLL) 24

2.1.2 Công nghệ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp (DA) 26

2.1.3 Công nghệ tổ hợp tần số trực tiếp số ( DDS) 27

2.1.4 So sánh các phương pháp 29

2.2 Công nghệ chuyển đổi số- tương tự 30

2.2.1 Chuyển đổi số - tương tự bằng phương pháp thang điện trở 31

2.2.2 Chuyển đổi số - tương tự bằng phương pháp mạng điện trở 31

2.2.3 Chuyển đổi tương tự số bằng phương pháp mã hóa Shanon- Rack 32

2.3 Công nghệ khuếch đại điện áp dải rộng dùng phần tử khuếch đại thuật toán 33

2.3.1 Các khối của OP - AMP 34

2.3.2 Bộ khuếch đại vi sai 34

2.3.3 Bộ khuếch đại vi sai liên kết emitơ 36

2.3.4 Dòng và thế sai số offset 37

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHÁT TẦN SỐ 38

3.1 Thiết kế phần cứng cho máy phát tần số 38

3.1.1 Khối mạch chính 38

3.1.1.1 Chức năng của khối mạch chính 38

3.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của khối mạch chính 49

3.1.2 Mạch điều khiển điện áp ra 51

3.1.2.1 Chức năng của khối mạch điều khiển điện áp ra 51

3.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của khối mạch điều khiển điện áp ra 51

3.1.3 Khối nguồn 54

3.1.3.1 Mô tả chức năng 54

3.1.3.2 Sơ đồ nguyên lý 56

3.2 Thiết kế phần mềm cho máy phát tần số 58

3.2.1 Khối ghép nối vi điều khiển 58

3.2.1.1 Khối giao tiếp giữa vi điều khiển Pic16F877A với Max505 58

3.2.1.2 Khối giao tiếp giữa vi điều khiển PIC16F877A với máy tính 61

3.2.1.3 Khối hiển thị 63

3.2.1.4 Giao tiếp PIC 16F877A với Max038 ( Kỹ thuật lập trình đếm tần dùng Pic17F877A) 64

3.2.2 Lưu đồ thuật toán và mã chương trình 67

3.2.2.1 Thiết kế mô phỏng 67

3.2.1.2 Lưu đồ thuật toán và mã chương trình 68

3.2.3 Chương trình giao diện trên máy tính 72

3.2.3.1 Giới thiệu phần mềm 72

3.2.3.2 Thiết kế giao diện 73

3.2.3.3 Thuật toán và chương trình 73

CHƯƠNG 4 GIỚI THIỆU SẢN PHẨM 74

4.1 Các thông số kỹ thuật của máy phát tần số 74

4.2 Hướng dẫn sử dụng 74

KẾT LUẬN CHUNG 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 80

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự hội nhập về kinh tế, nước ta hiện nay đang đẩy mạnh phát triểngiáo dục trong đó nhấn mạnh việc tiếp xúc thực tế trong công tác học tập và nghiêncứu.Với nguồn ngân sách nhà nước chi cho giáo dục chưa nhiều, việc nhập cáctrang thiết bị đắt tiền cho các phòng thí nghiệm cho các trường đại học còn nhiềuhạn chế Tuy nhiên có một điều đáng nói là trong số các trang thiết bị nhập ngoại

đó, có nhiều thiết bị chúng ta có thể chế tạo hoàn toàn ở trong nước với chi phí giáthành thấp hơn nhiều

Xuất phát từ thực tế này, trong khuôn khổ của một đồ án tốt nghiệp, dưới sựhướng dẫn tận tình của TS Phạm Văn Bình, nhóm chúng em mạnh dạn thiết kế vàchế tạo máy phát tần số hay còn gọi là máy tổ hợp tần số

Đây là một thiết bị được dùng nhiều trong công tác học tập, nghiên cứu củacán bộ, sinh viên ngành Điện tử- Viễn thông nói riêng và các ngành kỹ thuật nóichung Nó tạo ra các dạng sóng khác nhau, các tần số khác nhau với biên độ điện áp

có thể thay đổi được Thiết bị này được dùng vào nhiều mục đích học tập và nghiêncứu khác nhau

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn, cùng với điều kiện làm việc còn nhiềuthiếu thốn, thị trường linh kiện trong nước hạn hẹp cũng như kinh nghiệm làm việc,kiến thức còn hạn chế nên sản phẩm của chúng em chế tạo còn có rất nhiều thiếusót Chúng em rất mong nhận được sự quan tâm, đóng góp ý kiến của các thầy cô,các nhà chuyên môn và bạn bè để sản phẩm của chúng em ngày càng hoàn thiệnhơn

Chúng em xin chân thành cám ơn!

Thiết kế và chế tạo máy phát tần số 20MHz

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Tìm hiểu tổng quan về các loại máy phát tần số và các thông số kỹ thuật của máy, phân loại được các loại máy phát, nghiên cứu các kiến thức cơ bản về kỹ thuậtxung: mạch dao động và mạch nguồn ổn định là các nhân tố cơ bản để thiết kế máy phát tần

Tìm hiểu các công nghệ được sử dụng trong việc thiết kế máy phát tần số Từ

đó lựa chọn các thông số và tìm linh kiện cho phù hợp để thiết kế và chế tạo máy phát với các chỉ tiêu đặt ra

Xây dựng các modul phần cứng, phần mềm và ghép nối chúng với nhau để hoàn thiện sản phẩm

ABSTRACT

Introduction to function generator overview in the market, the parameters of its, the basic to divide its to other one Researching about oscillolator circuit and switching circuit There for, we know the structure of function generator

Researching about technologies used for designed its So we select the parameters and divices for designing and making function generator

Designing the hardware and solfware, combining them to complete the function generator

CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Hình1 1 Chuyển mạch pha trong trạng thái tạm thời 11

Hình 1.2 Sự nhiễu pha 13

Hình 1.3 Nhiễu pha được tích hợp S/N tỷ số tín hiệu trên tạp âm trong 30Khz( ngoại trừ 2Hz quanh sóng mang) 14

Hình 1.4 Sơ đồ khối của mạch tạo dao động 16

Hình 1.5 Sơ đồ khối máy phát tín hiệu âm tần 21

Hình 2.1 Nguyên lý chung của PLL 24

Hình 2.2 Sơ đồ khối phép nhân tần số với hệ số nhân N nguyên ở chế độ đồng bộ 25 Hình 2.3 Sơ đồ khối tổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số chuẩn 25

Hình 2.4 DA sử dụng nhiều tần số tham chiếu 26

Hình 2.5 Tạo các tần số tham chiếu cho thiết kế DA 27

Hình 2.6 Sơ đồ khối DDS và dạng sóng 28

Hình 2.7 Biến thiên điện áp theo thời gian 30

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi DA theo phương pháp thang điện trở 31

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DA theo phương pháp mạng điện trở 32

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi DA theo phương pháp mã hóa Shannon Rack 32

Hình 2.11 Sơ đồ khối của OP- AMP 34

Hình 2.12 Sơ đồ khối bộ khuếch đại vi sai 34

Hình 2.13 Bộ khuếch đại vi sai liên kết emitơ đối xứng 36

Hình 2.14 Kỹ thuật cân bằng thế offset tổng hợp 37

Hình 3 1 Sơ đồ chân MAX 038 39

Hình 3 2 Mô tả các chân MAX 038 40

Hình 3 3 Các đặc tính về điện áp và tần số của IC MAX038 45

Hình 3 4 Phổ của tín hiệu hình sin ở dải tần thấp và cao 46

Hình 3 5 Sơ đồ khối bên trong của IC MAX 038 47

Hình 3 6 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh tần số 50

Hình 3 7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh độ rộng xung 51

Hình 3 8 Mạch khuếch đại điện áp đầu ra 52

Hình 3 9 Sơ đồ chân OPA 2677U 53

Hình 3 10 Các đặc tính kỹ thuật của OPA 2677U 54

Hình 3 11 Sơ đồ chân IC ACT4065 55

Hình 3 12 Mô tả các chân linh kiện ACT4065 55

Hình 3 13 Các thông số đặc tính của ACT4065 56

Hình 3 14 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 57

Hình 3 15 Sơ đồ mạch in khối nguồn 58

Hình 3 16 Khối điều khiển MAX505 59

Hình 3 17 Trạng thái logic của MAX 505 59

Hình 3 18 Sơ đồ kết nối MAX 505 và PIC 60

Hình 3 19 Lưu đồ thời gian thực hiện chốt điện áp đầu ra 60

Hình 3 20 Sơ đồ cấu tạo MAX232 62

Hình 3 21 Sơ đồ nguyên lý ghép nối PIC16F877A với máy tính 62

Hình 3 22 Sơ đồ chân LCD1602 63

Hình 3 23 Sơ đồ nguyên lý kết nối 16F877A với LCD 64

Hình 3 24 Thời gian thực hiện TIMER0 và TIMER1 65

Hình 3 25 Sơ đồ thiết kế mô phỏng 67

Hình 3 26 Thuật toán máy phát tần số 69

Hình 3 27 Nhận và xử lý dữ liệu từ máy tính 71

Hình 3 28 Mô hình ghép nối giữa máy tính và vi điều khiển 72

Hình 3 29 Thiết kế giao diện trên Visual Basic 6.0 73

Hình 4 1 Giao diện mặt máy máy phát tần số 74

Hình 4 2 Giao diện mặt máy 76

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

FG: Function Generator

PLL: Phase Loocked Loop

DA: Direct Analog

DDS: Digital Direct Synthesis

VCO: Voltage Control Oscillator

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT TẦN SỐ

1.1 Khái niệm, phân loại, các yêu cầu kỹ thuật cơ bản và các tham số cơ bản của máy phát tần số

1.1.1 Khái niệm

Trong lĩnh vực điện tử viễn thông các nguồn tín hiệu được sử dụng rộng rãi trong công tác học tập và nghiên cứu khoa học Nói chung một nguồn tín hiệu chuẩn phải đạt được các yêu cầu cơ bản sau: tần số, điện áp, dạng tín hiệu phải thay đổi được

Máy phát tần số là một thiết bị điện tử tạo ra các dạng tín hiệu có dạng khác nhau với các tần số khác nhau và có biên độ điện áp thay đổi được Riêng với các nguồn tín hiệu đo lường cần có độ chính xác và độ ổn định cao

Có thể định nghĩa máy phát tần số là một thiết bị tạo ra các tín hiệu có dạng khác nhau, tần số khác nhau và có biên độ điện áp thay đổi được

1.1.2 Phân loại

Trong khi sử dụng nguồn tín hiệu có dải tần rộng từ vài Hz đến hàng chục GHz Do tính chất của các dải tần khác nhau mà máy phát tần số được chia thành:

- Máy phát tín hiệu âm tần

- Máy phát tín hiệu cao tần

- Máy phát tín hiệu siêu cao tần

Tuỳ theo công nghệ sản xuất mà có các máy phát tín hiệu cao tần với tần số tớihàng trăm MHz, máy phát tín hiệu siêu cao tần với dải tần tới hàng chục GHz hoặc cao hơn nữa

Căn cứ vào dạng tín hiệu thì máy phát tần số trong đo lường được chia thành các loại sau:

- Máy phát tín hiệu hình sin

- Máy phát tín hiệu xung

- Máy phát tín hiệu nhiễu

- Máy phát tín hiệu có dạng tuỳ ý

- Máy phát tín hiệu điều biên

- Máy phát tín hiệu điều tần

- Máy phát tín hiệu điều xung

Căn cứ vào mục đích của người sử dụng, máy phát tần số được chia thành 2 loại cơ bản:

- Máy phát tín hiệu chuẩn

- Máy phát tín hiệu đo lường

1.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản

Yêu cầu cơ bản của máy phát tần số là: tín hiệu phát ra phải có tần số ổn định vàcao, chính xác, không phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn cung cấp

Thông thường các máy phát tần số cần phải có các đặc tính kỹ thuật cơ bản sau:

- Sai số thiết lập tần số

- Sai số cơ bản thiết lập mức điện áp ra

- Sai số cơ bản thiết lập mức điều chế

- Độ ổn định tần số thiết lập

- Độ ổn định mức điện áp ra

- Sai số độ sâu điều chế

- Sai số méo phi tuyến

Ngoài các tham số về sai số cơ bản, máy phát tần số còn có các tham số khác như: sai số thiết lập tần số, sai số phụ khi thiết lập mức điện áp ra

1.1.4 Các tham số của máy phát tần số

Cũng như các sản phẩm điện tử khác, máy phát tần số cũng có các tiêu chuẩn

kỹ thuật tuân theo các quy ước chuẩn Hiển nhiên, các ứng dụng khác nhau, thì sự quan trọng của các tiêu chuẩn kỹ thuật cũng khác nhau và phụ thuộc vào người thiết

kế để thiết kế sao cho có hiệu quả và kinh tế Trong khi một máy phát tần số cho một radio cho xe hơi cần độ chính xác vừa phải, độ tin cậy cao, rất nhỏ, đơn giản, không đắt thì một máy phát tần số sử dụng trong máy chụp cộng hưởng từ MRI phải

có độ chính xác cao, có phổ tập trung cao, phải có khả năng chuyển từ một tần số này đến tần số khác rất nhanh Do đó, người thiết kế cần so sánh các tiêu chuẩn kỹ thuật của chúng để tìm ra cách giải quyết kinh tế và khả thi nhất.

1.1.4.1 Dải tần số

Tiêu chuẩn này chỉ ra dải tần số đầu ra, là giá trị tần số mà máy có thể phát ra

từ tần số thấp nhất đến tần số cao nhất có thể Đơn vị của tần số là Hert ( Hz)

1.1.4.2 Độ phân giải tần số

Tham số này cũng được xem như là kích thước bước nhảy, nó chỉ ra bước nhảy tối thiểu tần số Chẳng hạn nếu một FG tạo ra một tần số từ 10Hz đến 100 MHz và có kích thước bước nhảy 10Hz, nó có khả năng tạo ra bất kỳ một tần số nàogiữa 10Hz và 100Mhz với bước nhảy 10Hz Trong rất nhiều ứng dụng, bước nhảy

là không cố định Điều này xảy ra khi tần số của máy phát được tạo ra bằng cách chia một tần số cố định cho một dải các số

1.1.4.3 Mức đầu ra

Mức công suất đầu ra thường được tính bằng dB( 0dBm hoặc 1mW) Công suất đầu ra hoặc có thể cố định 10dBm, hoặc có thể thay đổi trong phạm vi -

120dBm đến 15dBm Tiêu chuẩn này cũng bao gồm độ phân giải công suất đầu ra,

ví dụ độ phân giải có thể là 1dB hay 0.1dB

1.1.4.4 Điều khiển và giao tiếp

Tham số này chỉ phương pháp điều khiển và giao tiếp với FG.Việc điều khiển

có thể là mã BCD hay là mã nhị phân, có thể là song song hay bus 8 bit hoặc nối tiếp Hầu hết các chip đơn tổ hợp tần số, đặc biệt PLL, sử dụng giao diện nối tiếp đểcho phép đóng gói nhỏ, các chức năng tích hợp cao

1.1.4.5 Độ phẳng đầu ra

Thông số này nêu lên độ bằng phẳng của công suẩt đầu ra và được đo bằng

này, một bộ đếm được thiết lập để đo tần số mới ( FG được yêu cầu để nhảy giữa 10Hz và 100MHz một cách có chu kỳ) và được xác định thời gian để bắt đầu đo

phép phải tương đối ngắn so với thời gian tiêu chuẩn kỹ thuật) Nếu việc đo là 10Hz

KHz thì tiêu chuẩn này đã được thoả mãn Rõ ràng rằng, trong phép đo như thế một

bộ đếm được kích hoạt xung phải được sử dụng

Một tiêu chuẩn thông dụng khác để định nghĩa tốc độ chuyển mạch đó là thờigian để pha đầu ra thiết lập thành 0.1 rad của pha cuối cùng Nếu FG tạo ra một

của chúng không phải là một tham số trong toàn bộ hệ thống và người sử dụng không quan tâm đến giá trị của chúng

1.1.4.8 Sự tạm thời của pha

Trong hầu hết các ứng dụng, pha không được định nghĩa khi ở trạng thái tạm thời

Hình1 1 Chuyển mạch pha trong trạng thái tạm thời

Tuy nhiên, rất nhiều ứng dụng cần định nghĩa các đặc tính tạm thời cẩn thận

Hai yêu cầu điển hình được nói đến sau đây:

Điều này có nghĩa trong suốt quá trình chuyển mạch, sự chuyển đổi tạm thời của pha sẽ không được chỉ ra như ở phần (b) hình 1.1

như được chỉ ra ở phần (c) hình 1.1 Sự yêu cầu này dễ dàng đạt được nếu tất cả tần

mỗi một máy phát sẽ tiếp tục dao động thậm chí khi nó không được sử dụng Do đó,khi nó được nối lại, nó sẽ duy trì pha của nó

1.1.4.9 Sự điều hòa

Tham số này chỉ ra mức độ điều hoà của tần số đầu ra và phụ thuộc vào rất nhiều thành phần bên trong của FG

1.1.4.10 Nhiễu pha

Tất cả các tín hiệu thực tế đều là các nhiễu dải hẹp Mỗi một tín hiệu chúng ta tạo ra đều đạt được từ một bộ dao động Các bộ dao động là các bộ khuếch đại hồi tiếp dương có một mạch cộng hưởng ở trong đường hồi tiếp của chúng Bởi vì nhiễu luôn luôn tồn tại trong mạch, khi bật nguồn nhiễu này sẽ được khuếch đại trong dải cộng hưởng cho đến khi mức độ bão hoà đạt được Sau đó bộ dao động sẽ chuyển từ trạng thái tạm thời thành trạng thái ổn định Do đó chất lượng tín hiệu chủ yếu được xác định bởi phẩm chất cộng hưởng Q Tín hiệu mà chúng ta thường coi là tín hiệu hình sin thực chất là nhiễu dải hẹp Chất lượng của tín hiệu được xác định bởi bao nhiêu năng lượng của nó được chứa đựng gần với sóng mang Tần số trung tâm thực sự là tần số nhiễu trung bình Nhiễu pha theo cách nào đó là độ lệch của nhiễu chuẩn Trong các tín hiệu chất lượng rất cao, giống như dao động thạch anh (Q có dải từ 20,000 –200,000) 99,99% năng lượng tín hiệu có thể được giữ trong khoảng 0.1Hz của tần số trung tâm

Tham số này chỉ ra nhiễu pha của sóng mang đầu ra so với một đầu ra lý tưởng Đầu ra lý tưởng của một bộ phát xung sin là:

băng thông lý tưởng bằng 0 Tín hiệu như thế phải liên tục(Nếu không phổ của nó phải có độ rộng vô tận lớn hơn 0) và công suất rời rạc Tuy nhiên việc tham chiếu tới hàm delta rất thuận lợi cho việc đánh giá theo lý thuyết Các máy tổ hợp tần số chất lượng cao tạo ra các tín hiệu chứa 99.99% năng lượng của chúng trong khoảng nhỏ hơn 1Hz băng thông xung quanh sóng mang Các bộ dao động thạch anh có thể chứa 99.99% năng lượng của chúng trong khoảng nhỏ hơn 0.01Hz băng thông

Rõ ràng rằng, trong thực tế tín hiệu duy nhất chúng ta có thể tạo ra là:

pha Những hàm nhiễu này là ngẫu nhiên và thể hiện một phổ mà phải được thiết kế

để thoả mãn một tiêu chuẩn kỹ thuật Trong hầu hết các máy tổ hợp tần số sự nhiễu

biên độ thấp hơn nhiều so với nhiễu pha và không được tách ra một cách cụ thể Tuy nhiên nhiễu pha là một tham số chính và được tính theo một vài cách Phương pháp thông dụng nhất để xác định rõ độ nhạy nhiễu trong băng thông 1Hz tại gá trị

sẽ không có năng lượng tại bất kỳ vị trí lệch nào khỏi sóng mang

Hình 1.2 Sự nhiễu phaMột phương pháp khác để định nghĩa nhiễu pha là đo nhiễu tích hợp trong trong một băng thông cho sẵn xung quanh sóng mang nhưng chỉ bao gồm 1Hz xung quanh sóng mang như được chỉ ra trong hình 1.3

Hình 1.3 Nhiễu pha được tích hợp S/N tỷ số tín hiệu trên tạp âm trong 30Khz( ngoại

trừ 2Hz quanh sóng mang)Phương pháp này có liên quan đến phương pháp trước bởi sự tích hợp năng lượng nhiễu dưới đường cong nhiễu pha Tuy nhiên khi so sánh với đo nhiễu pha, thì nó đơn giản hơn Trong phương pháp này tổng năng lượng nhiễu vẫn được đo thậm chí dạng phổ chi tiết của nó bị mất Băng thông nhiễu được đo giữa 1Hz và 15KHz Do đó việc đo là tỷ số giữa công suất tín hiệu với nhiễu từ 1tới 15KHz so với sóng mang(băng thông nhiễu là 30KHz)

1.1.4.11 Tần số tham chiếu chuẩn

Tất cả các bộ tổ hợp tần số đều sử dụng một tần số tham chiếu chuẩn (thường thường bằng 5MHz hay 10MHz hoặc tần số khác) tần số này phải có tham số thoả mãn sự ổn định, nhiễu pha, tín hiệu điều hoà

1.1.4.12 Các tham số phụ

Những tiêu chuẩn này liên quan đến việc thực hiện của một máy tổ hợp tần số

cụ thể Chúng thường bao gồm các thông số như kích thước, nguồn cung cấp yêu cầu, chất lượng, và độ tin cậy

1.2 Các mạch tạo dao động

1.2.1 Vấn đề chung về mạch tạo dao động

Mạch tạo dao động điều hoà tạo ra tín hiệu hình sin có dải tần làm việc từ vài

Hz đến hàng nghìn MHz Các mạch tạo dao động điều hoà thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin, trong các máy đo, máy kiểm tra, trong các thiết bị y tế…và quay lại

Trong các mạch dao động điều hoà, để tạo ra dao động thường dùng các phần tử: đèn điện tử, transistor lưỡng cực, Fet, mạch khuếch đại thuật toán hoặc các phần tử đặc biệt như: điốt tunnel, điốt Gunn…và quay lại

Mạch dao động dùng đèn điện tử có thể làm việc từ phạm vi tần số thấp sang phạm vi tần số cao Các đèn điện tử được dùng khi yêu cầu công suất ra lớn

Ở phạm vi tần số thấp và trung bình thường dùng mạch khuếch đại thuật toán để tạo dao động, còn ở phạm vi tần số cao thì dùng transistor lưỡng cực hoặc Fet.Khi dùng mạch khuếch đại thuật toán để tạo dao động thì không cần mạch bù tần số, vì khi dùng mạch bù tần số sẽ làm giảm dải tần công tác của bộ tạo dao động

Các tham số của bộ tạo dao động gồm: tần số ra, biên độ điện áp ra, độ ổn định

mục đích sử dụng, khi thiết kế có thể đặc biệt quan tâm đến một vài tham số nào

đó hoặc hạ thấp yêu cầu đối với tham số khác, nghĩa là tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng mà cân nhắc và xác định tham số một cách hợp lý trong quá trình thiết kế mộtmáy tạo dao động

Có thể tạo mạch dao động điều hoà theo hai nguyện tắc cơ bản sau:

1.2.2 Điều kiện và đặc điểm của mạch tạo dao động

Xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp theo

sơ đồ khối hình 1.4 trong đó:

Xv: tín hiệu vào của mạch khuếch đại

Xr: tín hiệu ra của mạch khuếch đại

e K

Từ phương trình 1.1 ta có:

tổng dịch pha của bộ khuếch đại và của mạch hồi tiếp

Điều kiện cân bằng biên độ cho thấy : mạch chỉ có thể dao động được khi hệ

số khuếch đại của bộ khuếch đại có thể bù được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra Còn điều kiện cân bằng pha cho thấy dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu đồng pha với tín hiệu vào

Khối (1)

Khối (2 )

Các đặc điểm cơ bản của mạch tạo dao động:

khiển bằng hồi tiếp dương từ đầu ra về đầu vào Năng lượng tự dao động lấy

từ nguồn cung cấp một chiều

1.2.3 Ổn định biên độ dao động và tần số dao động

1.2.3.1 Ổn định biên độ dao động

đảm bảo trạng thái ổn định biên độ ở trạng thái xác lập, có thể thực hiện các biện pháp sau:

cấp một chiều thích hợp Biết rằng biên độ điện áp xoay chiều cực đại trên đầu ra mạch khuếch đại luôn nhỏ hơn giá trị điện áp cung cấp một chiều cho phần tử khuếch đại

nhiệt, điện trở thông của điốt)

1.2.3.2 Ổn định tần số

Việc ổn định tần số liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng pha Khi dịch pha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu thay đổi thì sẽ dẫn đến việc thayđổi tần số dao động

các tần số Nên ta viết lại điều kiện cân bằng pha với n= 0 như sau:

0 ) , ( )

m: đặc trưng cho tham số của các phần tử trong mạch khuếch đại

n: đặc trưng cho tham số của các phần tử trong mạch hồi tiếp Vi phân toàn phần và biến đổi phương trình 1.2 ta có biểu thức sau:

n m

dn n

dm m d

ht k

ht k

Từ phương trình 1.3 ta có các biện pháp nâng cao độ ổn định tần số:

- Giảm sự thay đổi tham số dm của mạch khuếch đại và dn của mạch hồi tiếp bằng cách:

đệm ở đầu ra tầng tạo dao động

1.2.3.4 Tính toán mạch dao động

Để tính toán mạch dao động, ta chỉ xét mạch dao động thông dụng đó là mạch dao động theo phương pháp bộ khuếch đại có hồi tiếp Và trong phần này ta chỉ tínhtoán đối với các mạch dao động điện cảm- điện dung(LC) Để tính toán mạch dao

động xuất phát từ điều kiện cân bằng biên độ, điều kiện cân bằng pha không cần quan tâm đến vì điều kiện này do kết cấu của mạch đảm nhiệm Khi tính toán cần

cho tích của chúng bằng 1, từ đó tìm được các thông số của mạch

áp ra ít phụ thuộc vào sự biến thiên của điện áp mạng, của tải và của nhiệt độ Để đạt được các yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổn định( ổn áp, ổn dòng)

Yêu cầu về độ ổn định của các điện áp cung cấp rất khác nhau Đối với một số thiết

bị chỉ cần cung cấp điện áp thông thường( không ổn áp), ngược lại với một số thiết

bị khác như thiết bị đo thì điện áp cung cấp chỉ cho phép dao động trong khoảng vài

‰ xung quanh giá trị trung bình của nó Đối với các thiết bị số, điện áp cung cấp được cho phép dao động trong khoảng vài %, còn với các thiết bị tự động hóa thì mức độ dao động cho phép từ 10% đến 15% Khi dùng pin hay ắc quy thì mức độ dao động này còn lớn hơn

Các tham số cơ bản của một mạch nguồn là mức điện áp và dòng điện ra, côngsuất ra cực đại, độ ổn định điện áp ra, điện trở trong, hệ số nhiệt của điện áp ra, mứcgợn sóng ở đầu ra, khả năng chịu đựng ngắn mạch, dải nhiệt độ, kích thước và giá thành

1.3.2 Nguồn ổn áp xung

Nguồn ổn áp xung có ý nghĩa đặc biệt khi cần lấy ra điện áp nhỏ từ một điện

áp vào lớn với hiệu suất cao hoặc khi điện áp vào thay đổi nhiều Nguyên lý cơ bản của nguồn ổn áp xung gồm 4 khâu:

- Chuyển mạch công suất là một transitor công suất

- Mạch lọc và chống điện áp cảm ứng ngược

- Mạch so sánh ra với điện áp chuẩn

- Mạch điều khiển thời gian đóng mở chuyển mạch công suất

Khi mở, transitor khóa dẫn năng lượng từ nguồn vào đến một phần tử tích lũy năng lượng ( thường là cuộn cảm và tụ điện) Trong thời gian khóa ngắt thì phần tử tích lũy năng lượng cung cấp năng lượng cho mạch sao cho trên tải luôn có điện áp ra

Tần số đóng mở của khóa thường nằm trong phạm vi 16 KHz đến 50 KHz để tránh nhiễu âm thanh Trong khu vực này dùng cuộn cảm có lõi ferit là thích hợp Tần số càng cao thì phần tử tích lũy năng lượng có kích thước càng nhỏ, nhưng hiệusuất giảm do thời gian đóng mở tăng Để tăng hiệu suất của mạch cần dùng các transistor có thời gian đóng mở ngắn

Nguồn ổn áp xung cho hiệu suất cao và có dải ổn định điện áp rộng, nhưng tốc

độ điều khiển thấp, điện áp ra có độ gợn sóng lớn

1.4 Các máy phát tín hiệu

1.4.1 Máy phát tín hiệu âm tần

Máy phát tín hiệu tạo ra các tín hiệu dao động âm tần trong dải âm tần Dải tần

số này có tần số trong khoảng 20Hz đến 200.000KHz( gọi là dải tần số âm

thanh), và dải tần này được chia thành 3 dải nhỏ:

- dải tần số rất thấp:dưới 20Hz

- dải tần số âm thanh: từ 20Hz đến 20Khz

- dải tần số siêu âm: từ 20KHz trở lên

Máy phát tín hiệu âm tần thường được dùng để thử các bộ khuếch đại âm tần, các bộ điều chế,các loa, tai nghe và các thiết bị âm tần khác

Máy phát tín hiệu âm tần gồm: bộ tạo dao động âm tần, bộ khuếch đại công suất, bộ suy giảm, bộ chỉ thị, khối nguồn

Ta có sơ đồ khối của máy phát tín hiệu âm tần

Hình 1.5 Sơ đồ khối máy phát tín hiệu âm tần

Các máy phát tín hiệu âm tần thường sử dụng các mạch tạo dao động:

- Mạch dao động điện cảm- điện dung

- Mạch dao động điện trở- điện dung

- Mạch dao động cầu Viên

- Mạch dao động phách

Mạch dao động điện cảm- điện dung(LC) thường dùng trong các máy phát tín hiệu cao tần Trong máy phát tính hiệu cao tần mạch này thường để tạo ra các tần số

cố định 400Hz hay 1000Hz dùng để điều chế tín hiệu cao tần

Mạch dao động điện trở- điện dung(RC) được dùng phổ biến trong máy phát tín hiệu âm tần, vì mạch này đơn giản không cần sử dụng các cuộn dây, biến áp Mạch dao động RC có khả năng cho ra một khoảng tần số khá hẹp, có độ ổn định cao, dạng tín hiệu ra tốt, máy nhỏ và nhẹ Mạch này có thể cho ta dải tần số đến hàng MHz, nhưng tần số ở dải MHz không ổn định do điện dung tạp tán của mạch trở thành đáng kể so với điện dung của mạch xoay pha Cho nên mạch RC thường được dùng cho máy phát tín hiệu âm tần đơn giản, và tạo ra tần số âm tần cố định trong các maý đo trở kháng đơn giản

Mạch dao động cầu Viên thực chất là mạch dao động RC có hai tầng khuếch đại, nên không cần đến mạch xoay pha So với mạch RC thì mạch dao động này cho

ra dạng tín hiệu tốt hơn, độ ổn định tần số cao hơn, dải tần rộng hơn Phần lớn các

Mạch dao động phách có ưu điểm cho ra một dải tần rộng và liên tục, từ 0Hz đến 20KHz và có thể rộng hơn nữa, khi thay đổi liên tục tần số mà không cần phải dùng đến chuyển mạch băng tần Nhưng nó lại có nhược điểm là mạch phức tạp Vì vậy mạch dao động phách này chỉ trong máy phát tín hiệu âm tần chuyên dụng(dùng phối hợp với máy hiện sóng vẽ tự động toàn bộ đặc tuyến của một bộ khuếch đại).

1.4.2 Máy phát tín hiệu cao tần

Máy phát tín hiệu cao tần là nguồn tín hiệu dùng để điều chỉnh và thử nghiệm các thiết bị thu sóng vô tuyến điện, các bộ suy giảm, dùng làm các nguồn ngoại sai cho các phép đo, dùng để điều chỉnh tần số của các bộ lọc, bộ khuếch đại

Các máy phát tín hiệu cao tần tạo ra các tín hiệu hình sin với dải tần từ 10KHz đến 3000MHz, dải tần này có thể mở rộng cao hơn nữa tuỳ theo công nghệ chế tạo Dải tần này được gọi là dải tần vô tuyến và được chia là 3 dải:

- Dải tần số cao: 10Khz đến 30Mhz

- Dải tần số siêu cao: 30 MHz đến 3000MHz

- Dải tần số cực siêu cao: trên 3000 Mhz

Máy phát tín hiệu cao tần đơn giản bao gồm: bộ tạo dao động cao tần, bộ khuếch đại điều chế, bộ dao động âm tần hình sin, bộ khuếch đại công suất, bộ suy giảm, bộ chỉ thị công suất ra, bộ chỉ thị độ sâu điều chế, khối nguồn

Bộ tạo dao động cao tần là bộ phận quan trọng nhất trong máy phát tín hiệu cao tần, thông thường được thiết kế trên cơ sở các mạch tạo dao động chất lượng cao có tần số và biên độ ổn định Mạch dao động của máy phát tín hiệu cao tần thường dùng các loại mạch 3 điểm, nên trong mạch dao động sử dụng các linh kiện

có tham số L và C tập trung Chính vì vậy việc thay đổi các băng tần được thiết lập bằng cách thay đổi các cuộn dây điện cảm L, tần số dao động thì được điều chỉnh bởi điện dung C

Trong máy phát tín hiệu cao tần, mạch dao động cao tần thường sử dụng là:

 Mạch dao động ghép biến áp

Tín hiệu điều chế có thể là điều biên, điều tần hoặc điều pha

điều chế tín hiệu dao động cao tần Bộ dao động âm tần thường được thiết kế

có tần số cố định là 1000Hz hoặc 400Hz

tần với tín hiệu của bộ dao động âm tần và khuếch đại tín hiệu sau điều chế

đủ lớn theo yêu cầu Dải thông của bộ khuếch đại phải phủ toàn bộ dải tần làm việc của máy

điều chế hay điều tần

cố định 1V còn đầu kia được đưa qua bộ suy giảm và bộ chia ngoài với hệ sốchia 1:10 hay 1:100 Tín hiệu sau khi đi qua bộ chia ngoài và bộ suy giảm sẽ

CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG MÁY

PHÁT TẦN SỐ

2.1 Công nghệ tổ hợp tần số

Tổ hợp tần số là một công nghệ bao gồm cả công nghệ số và công nghệ tương

tự Để thiết kế được một máy tổ hợp tần số thì phải áp dụng rất nhiều các kiến thức như: các bộ dao động, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO, bộ khuếch đại, bộ lọc, bộ dò pha, khuếch đại một chiều (DC) nhiễu thấp và lọc Có ba công nghệ tổ hợp tần số chính ngày nay được sử dụng rất rộng rãi để tạo ra các máy tổ hợp tần số: công nghệ tổ hợp tần số dùng PLL, công nghệ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp, công nghệ tổ hợp tần số số trực tiếp

2.1.1 Công nghệ tổ hợp tần số dùng vòng khóa pha (PLL)

Công nghệ tổ hợp tần số dùng PLL là công nghệ thông dụng và phổ biến nhất bởi sự đơn giản, hiệu quả và kinh tế của nó Ta có thể tìm thấy các máy tổ hợp tần

số dùng PLL trong các ứng dụng radar, vệ tinh, trong các hệ thống đo lường Các ứng dụng của nó chung quy lại là đều là nhằm biến đổi tần số , di chuyển tần số từ miền tần số thấp sang miền tần số cao và ngược lại Tổ hợp tần số là một trong những ứng dụng quan trọng của PLL, nó tạo ra một mạng tần số rời rạc từ một tần

số chuẩn có độ ổn định cao Do PLL thực hiện được chế độ khoá pha, nên các đặc tính ổn định và trôi nhiệt cũng giống như của tần số chuẩn

Hình 2.1 Nguyên lý chung của PLLPLL hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển Khác với các vòng điều khiểnthường dùng trong kỹ thuật điện tử, trong đó điện áp hoặc dòng điện là các đại lượng vào ra, trong PLL đại lượng vào và đại lượng ra là tần số và chúng được so sánh với nhau về pha.Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát hiện và điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra , nghĩa là PLL làm cho

Wr của tín hiệu so sánh bám theo tần số Wv của tín hiệu vào Tần số của tín hiệu so sánh bằng tần số của tín hiệu ra hoặc tỷ lệ với tín hiệu ra theo một tỷ lệ nào đó Wr=Wv/N

dùng bộ tách sóng pha (với PLL tuyến tính thì dùng mạch nhân tương tự để táchsóng pha, với PLL số thì dùng mạch AND hoặc trigơ để tách sóng pha) Ở đầu racủa mạch tách sóng pha là tín hiệu điều chỉnh được đưa đến bộ tạo dao động khống

chế bằng điện áp (VCO) hoặc bộ tạo dao động khống chế bằng dòng điện (CCO)làm thay đổi tần só dao động của nó sao cho hiệu tần số của tín hiệu vào và tín hiệu

ra giảm dần và tiến tới không nghĩa là Wr=Wv

Những phép biến đổi cơ bản trong tổng hợp tần số là nhân và chia tần số:

fc=f0/N hay tần số ra : f0=fr=Nfc

Hình 2.2 Sơ đồ khối phép nhân tần số với hệ số nhân N nguyên ở chế độ đồng bộ

Hình 2.3 Sơ đồ khối tổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số

chuẩnTần số chuẩn trước khi vào bộ tách sóng pha được đưa qua mạch chia tần, trênđầu ra mạch chia tần có tần số fc/M Tần số ra qua mạch chia N là fo/N Khi đồngbộ:

Fc/M=F0/N do đó F0=Fr= Fc*N/MNếu dao động chuẩn là một dãy xung có tần số cơ bản fc và các hài bậc cao nfc và cho tần số của VCO bám theo một hài bậc cao nào đó của fc thì có thể có được tần số ra fr = Nfc Hoặc VCO làm việc ở chế xung, tín hiệu chuẩn là tín hỉệu sin thì fc = Mf0 Do đó f0=fr=fc/m(m là bậc sóng hài của f0) Như ở hình 2.3 bằng cách thay đổi M, N ta có thể nhận được một mạng tần số rời rạc tùy ý có độ ổn định cao như tần số chuẩn.

2.1.2 Công nghệ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp (DA)

Một công nghệ tổ hợp khác đó là công nghệ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp direct analog (DA) Trong công nghệ này một nhóm các tần số tham chiếu được tạo

ra từ một tần số chính và các tần số này được trộn, lọc, cộng, trừ, hoặc chia theo đầu

ra được yêu cầu Không giống như PLL, công nghệ DA sử dụng nguyên tắc số học trong miền tần số ( không có cơ chế hồi tiếp vòng lặp khép kín) để chuyển đổi tín hiệu tham chiếu đầu vào thành tín hiệu đầu ra yêu cầu Công cụ chính trong công nghệ DA là bộ phát dao động, bộ nhân, bộ trộn, lọc và bộ chia tần

Hình 2.4 DA sử dụng nhiều tần số tham chiếu

Để mô tả các thành phần của công nghệ DA chúng ta thiết kế một bộ tổ hợp tần số có dải tần số ra từ 16 đến 16.99MHz với độ phân giải 10KHz và tần số tham chiếu 10MH Trên hình 2.4 yêu cầu các tần số tham chiếu sau: 14, 16, 18, 20, 22,

130 và 131 MHz Đầu ra tầng thứ nhất là đầu vào của tầng thứ hai và ở đầu ra của tầng thứ nhất 10 tần số sẽ được tạo ra từ 16 đến 16.9 MHz, nhưng tất cả đầu ra của tầng thứ 2 sẽ có dải đầy đủ từ 16 dến 16.99 MHz (100 tần số) Nếu thêm các tầng tương tự tiếp theo thì độ phân giải sẽ được tăng tới bất kì mức yêu cầu nào.

Các tần số tham chiếu được tạo ra theo công nghệ DA bằng các bộ phát comb,

bộ lọc trộn tần và bộ chia Ví dụ một phương pháp được mô tả trong hình 2.5:

Hình 2.5 Tạo các tần số tham chiếu cho thiết kế DAKiến trúc này thường được sử dụng để mô tả nguyên tắc hoạt động của DA

Có thể có rất nhiều sự thay đổi nhưng đây là một thiết kế điển hình và hiệu quả Cácthành phần cơ bản của DA là các bộ trộn tần và lọc

2.1.3 Công nghệ tổ hợp tần số trực tiếp số ( DDS)

DDS là một công nghệ tạo tín hiệu đang nổi bật hiện nay Cách đây 10 năm đây còn là một công nghệ mới mẻ và bị giới hạn ở nhiều ứng dụng Tuy nhiên do cuộc cách mạng về công nghệ số ( tốc độ , độ tích hợp, công suất, chi phí ) xử lý tín hiệu số DSP và các thiết bị chuyển đổi dữ liệu đang trở nên phổ biến

Có sự khác nhau cơ bản giữa DDS và DA hay PLL Mặc dù cả PLL và DA đều sử dụng các thiết bị số, như bộ chia, bộ dò pha, công nghệ PLL và DA vẫn cơ bản là công nghệ tương tự Bộ tạo tín hiệu cơ bản của cả hai công nghệ là một bộ tạo dao động oscillator, đó là một bộ khuếch đại được hồi tiếp để hoạt động ở một điều kiện cụ thể Bộ dao động được điều khiển để cho phép tạo ra các tần số Trong DDS tín hiệu đựơc tạo ra và được điều khiển số , sau khi tất cả các thao tác số được hoàn thành, nó sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự thông qua bộ chuyển đổi

số tương tự DAC

Nguyên tắc cơ bản nhất của DDS là dựa trên thuyết lấy mẫu Shannon

Hình 2.6 Sơ đồ khối DDS và dạng sóng

Ở hình trên có 4 thành phần cơ bản: bộ accumulator, một bảng tra sine , DAC

và bộ lọc thông thấp LPF Một xung sin có biên độ không đổi, tần số không đổi, và pha không đổi có công thức :

Asin(t+)Chúng ta có thể xem quá trình tạo tín hiệu như sau: Pha tín hiệu là một hàm tuyến tính, như được chỉ ra trong hình 2.6 Gradient hay độ dốc của pha d/dt là tần

số góc  Để tạo ra biên độ của dạng sóng đầu ra thì cần phải chuyển đổi pha (t) thành sin[(t)] điều này được thực hiện bằng bộ nhớ chỉ đọc ROM, bởi vì sự chuyển đổi không tuyến tính và ROM hay RAM là một công cụ tiên lợi

Đầu ra của ROM là sự thể hiện số của biên độ tín hiệu sóng sine , mẫu , và DAC chuyển đổi nó thành tín hiệu sine tương tự Bộ lọc thông thấp LPF sẽ lọc bỏ các tần số cao làm cho cho tín hiệu mịn hơn

2.1.4 So sánh các phương pháp

Việc chỉ rõ các ưu điểm và nhược điểm khác nhau của các công nghệ trên là hết sức cần thiết

sóng millimeter và phụ thuộc vào tần số cuả bộ dao động Bộ tổ hợp tần số PLL là tương đối đơn giản, tốc độ chuyển mạch có thể đạt được từ tốc độ trung bình đến nhanh; và chúng có chi phí thấp dễ dàng áp dụng trong các ứng dụng điều chế tương

tự Các chip PLL đơn có mức tích hợp cao và chi phí thấp Tuy nhiên độ phân giải rất phức tạp, các bộ dao động chất lượng tốt rất cồng kềnh, và điều chế số rất phức tạp để áp dụng với hiệu quả chính xác cao

tạo ra lên tới 100GHz, và có thể tiến xa hơn thành công nghệ sóng siêu cao tần sóngmillimeter Công nghệ này có tốc độ chuyển mạch rất cao, độ tập trung phổ cao, đặcbiệt gần với sóng mang Tuy nhiên, tổ hợp tần số DA rất phức tạp, đồ sộ, yêu cầu rất nhiều phần cứng và rất đắt, các điều chế số và tương tự rất phức tạp để áp dụng

400MHz Chúng rất đơn giản và gọn nhẹ, độ phân giải có thể đạt được tuỳ ý Chúng

có tốc độ chuyển mạch rất cao Tuy nhiên băng thông vẫn bị hạn chế

Một điều đáng chú ý là 3 công nghệ tổ hợp tần số trên chúng bổ sung cho nhau, và đây là lý do chính để sự liên kết giữa chúng ngày càng nhiều, sự lai ghép giữa PLL và DDS để đạt được băng thông rộng và độ phân giải tốt hơn Tổ hợp tần

số DA và DDS được tích hợp để đạt được tốc độ, độ phân giải, và khả năng điều chế số tốt hơn

Chính xác mà nói thì cả PLL và DA đã là các công nghệ thông dụng từ lâu, trong khi DDS lại là một công nghệ đang nổi PLL vẫn thu hút đựơc sự chú ý lớn nhất trong lĩnh vực công nghiệp Các dụng cụ DA cũng được cải tiến, nguyên tắc hoạt động của chúng không thay đổi nhiều, việc cải tiến chủ yếu là do việc phát triển của các thành phần siêu cao tần Trong công nghệ PLL việc phát triển nhất là

sự giới thiệu công nghệ phân số N fractional-N.Còn sự phát triển công nghệ DDS là

do sự ra đời của các mạch tích hợp chi phí thấp, và sự phát triển của các thiết bị chuyển đổi dữ liệu đặc biệt là công nghệ DAC.

thiết kế hiện đại sử dụng sự kết hợp của chúng để đạt được khả năng hoạt động cao hơn, và kinh tế hơn chẳng hạn chip đơn Max038

2.2 Công nghệ chuyển đổi số- tương tự

Chuyển đổi DAC là qúa trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N bit) đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử tức 1LSB

Hình 2.7 Biến thiên điện áp theo thời gianTín hiệu đầu ra là tín hiệu rời rạc theo thời gian, tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông thấp lý tưởng Trên đầu ra của bộ lọc có tín hiệu UA biến thiên theo thời gian là tín hiệu nội suy của UM Ở đây bộ lọc thông thấp đóng vai trò như một bộ nội suy

t

2.2.1 Chuyển đổi số - tương tự bằng phương pháp thang điện trở

2 lần Tín hiệu điều khiển chính là tín hiệu số cần chuyển đổi Trong chuyển đổi DAtheo phương pháp này yêu cầu trị số của các điện trở phải rất chính xác

2.2.2 Chuyển đổi số - tương tự bằng phương pháp mạng điện trở

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DA theo phương pháp mạng điện trở

tương ứng với bit đó được dẫn đến đầu vào bộ khuếch đại thuật toán thông quamạng điện trở Trong sơ đồ này mạng điện trở làm nhiệm vụ phân dòng, qua đó cácdòng điện ở cửa vào bộ khuếch đại thuật toán có trị số tương ứng với bit mà nó đạidiện Chúng có giá trị giảm dần từ MSB đến LSB theo mã nhị phân Theo phươngpháp này thì phải dùng một số lượng điện trở lớn, nếu phải chuyển đổi N bit thì sốđiện trở phải dùng là 2(N-1)

2.2.3 Chuyển đổi tương tự số bằng phương pháp mã hóa Shanon- Rack

R C

I

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi DA theo phương pháp mã hóa Shannon

RackĐây là quá trình chuyển đổi nối tiếp từng bit một Tín hiệu được đưa lần lượt

từ LSB đến MSB đến điều khiển K1 Gọi thời gian chuyển đổi 1bit là T, thì trong khoảng thời gian đầu T/2, K2 mở, K1đóng Nếu tín hiệu là 1 và mở khi tín hiệu điềukhiển là 0 Nếu cần chuyển đổi N bit thì thời gian chuyển đổi là NT Sau thời gian

mỗi bit ( sau khoảng thời gian T ) tỷ lệ với bit tương ứng , phải chọn thời gian

phóng, điện áp còn lại là:

UC = U0e-t/\RC = U0e-0.7 = 0.496 U0

Max505 IC này bao gồm có 4 đầu ra tương tự , 8 bit số điều khiển DAC được chuyển đổi mạng thang điện trở R-2R, chuyển đổi 8 bit mã số thành điện áp tương

tự đầu ra tỷ lệ với điện áp tham chiếu cung cấp Max 505 có thể sử dụng cả điện áp xoay chiều và điện áp một chiều Điện áp ở mỗi đầu vào VREF được chia tuyến tính ( full scall ) ở điện áp đầu ra theo số của DAC tương ứng Trở kháng đầu vào VREF tuỳ thuộc vào mã, gía trị thấp nhất ứng với mã 55 Hex (16KΩ), và giá trị lớn), và giá trị lớnnhất (∞) ứng với mã 00 Hex Trở kháng đầu ra thấp ( 32 Ω), và giá trị lớn ) đảm bảo cho độ phẳng đầu ra Điện dung đầu vào VREF cũng thay đổi tuỳ theo mã và giá trị lớn nhất là 15pF Các đầu vào số tương thích với cả hai chế độ logic TTL và CMOS

Ta có thể ứng dụng những ưu điểm này của MAX505 vào điều khiển điện áp và dòng điện đầu vào MAX038 Từ đó ta có thể thực hiện giao diện với máy phát tần

số hoàn toàn bằng số, dễ dàng kết hợp với thiết bị điều khiển số bên ngoài

2.3 Công nghệ khuếch đại điện áp dải rộng dùng phần tử khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại hoạt động ( Op Amp ) là một trong những thiết bị điện tử được dùng phổ biến và đa dạng nhất cho các ứng dụng tuyến tính Trong bộ khuếchđại này, mạch phản hồi điều khiển toàn bộ các đặc trưng của nó Các Op Amp phổ biến bởi vì giá của chúng thấp, dễ sử dụng và khá hấp dẫn khi làm việc với chúng Cấu tạo các mạch hữu ích không cần phải biết về mạch bên trong vô cùng phức tạp của chúng Thuật ngữ “ hoạt động” trong bộ khuếch đại hoạt động thay thế cho các phép tính toán học, những phép tính này phù hợp cho các máy tính kỹ thuật số do bởi tốc độ, độ chính xác và tính đa dạng của chúng

2.3.1 Các khối của OP - AMP

Hình 2.11 Sơ đồ khối của OP- AMPTầng nhập: bao gồm 2 ngõ vào hoạt động theo kiểu khuếch đại vi sai, ngõ ra cân bằng Tầng này cung cấp hầu như toàn bộ độ lợi về điện áp và quyết định trở kháng vào của OP-AMP

Tầng trung gian: là một mạch khuếch đại vi sai khác được điều khiển bởi ngõ

ra của tầng đầu tiên, có ngõ ra không cân bằng, hai ngõ vào Do ghép trực tiếp nên ngõ ra của tầng trung gian là một mức DC nào đó

Tầng dịch mức: dời mức DC của tầng trung gian đưa tới gần bằng 0V

Tầng xuất: làm tăng độ dao động của điện áp và khả năng cấp dòng của AMP

OP-2.3.2 Bộ khuếch đại vi sai

Chức năng của bộ khuếch đại vi sai là để khuếch đại hiệu giữa hai tín hiệu lối vào Bộ khuếch đại này được sử dụng trên một dải tần số tương đối rộng từ tín hiệu không đổi ( DC ) cho đến dải biến đổi ( hàng MHz ) Nó cũng là một tầng cơ sở của

bộ khuếch đại thuật toán vi mạch với các lối vào vi sai

Hình 2.12 Sơ đồ khối bộ khuếch đại vi sai

Thiết bị hoạt động tuyến tính

thì tín hiệu lối ra v0 phải được biểu diễn bằng:

rằng bất kỳ một tín hiệu nào tác động chung lên cả hai lối vào sẽ không có mặt ở lối

ra Tuy nhiên, trên thực tế, bộ khuếch đại vi sai không được biểu thị bởi phương

Chẳng hạn, nếu tín hiệu là +50 uV và tín hiệu thứ hai là -50uV, thì lối ra sẽ

100uV là như nhau trong hai truờng hợp

Đặc trưng cho độ tin cậy của một bộ khuếch đại vi sai, người ta dùng một đại lượng gọi là “ tỷ số thoát mốt - cộng “

c

d

A

A CMRR 

Với định nghĩa trên, thế lối ra của bộ khuếch đại vi sai được biểu diễn dưới dạng:

)

11(

0

d

c d

d

v

v v

A v







Từ biểu thức trên ta thấy đối với bộ khuếch đại vi sai phẩm chất cao thì hệ số

số thoát mốt - cộng bằng 1000, hiệu thế = 1 V giữa hai lối vào sẽ cho cùng một thế lối ra như khi một tín hiệu = 1mV tác động vào cả hai lối vào với cùng chiều phân cực

2.3.3 Bộ khuếch đại vi sai liên kết emitơ

Bộ khuếch đại thuật toán hoạt động cả ở tần số bằng không, do vậy các bộ khuếch đại liên kết trực tiếp không thể sử dụng tụ điện được Hơn nữa trong vi mạch việc thực hiện các tụ điện có điện dung lớn là điều khó khăn Vì vậy trong bộ khuếch đại liên kết trực tiếp, bất kỳ sự thay đổi nào về giá trị các thông số của mạch, đều dẫn đến sự thay đổi lối ra, thậm chí ngay cả khi thế lối vào được giữ không đổi Có rất nhiều kỹ thuật để giảm thiểu những sự thay đổi như vậy ở lối ra, trong đó có bộ khuếch đại vi sai liên kết emitơ ở lối vào của các bộ khuếch đại thuậttoán có độ trôi dịch ở lối ra rất thấp vì tính chất đối xứng trong cấu trúc của các mạch IC Ngoài ra bộ khuếch đại này còn cho một điện trở vào có giá trị khá cao và nhiều tính chất khác gần giống với các đặc trưng lý tưởng

Hình 2.13 Bộ khuếch đại vi sai liên kết emitơ đối xứng

trị cao Điều này được kiểm chứng bằng cách sau:

2.3.4 Dòng và thế sai số offset

Do sự không đồng nhất của các tranzito lối vào đã dẫn đến sự không đồng đều dòng phân cực đi qua các đầu vào bộ khuếch đại thuật toán và do vậy đòi hỏi một thế offset lối vào tác động vào hai lối vào để cân bằng lối ra của bộ khuếch đại Trong phần này, ta đề cập đến các dòng và thế sai số có thể đo được ở lối vào và ở lối ra Kỹ thuật cân bằng tổng hợp được áp dụng để cân bằng thế offset Có nghĩa là

ta phải tác dụng một thế một chiều (DC) nhỏ ở lối vào để sao cho thế lối ra DC bằng

0 Kỹ thuật thiết kế ở đây không phải liên quan đến các mạch ở bên trong bộ khuếchđại

khuếch đại đảo ngay cả khi yếu tố phản hồi R’ là một tụ điện hoặc là một phần tử phi tuyến Nếu bộ khuếch đại thuật toán được sử dụng như một bộ khuếch đại không đảo, thì sơ đồ hình b) được sử dụng để cân bằng thế offset

Công nghệ khuếch đại điện áp dải rộng dùng phần tử khuếch đại thuật toán được sử dụng rộng rãi trong công nghệ điện tử hiện nay với ưu điểm có khả năng tích hợp cao Máy phát tần số mà chúng em chế tạo cũng dựa vào công nghệ này, chọn OPA2677 làm phần tử khuếch đại điện áp đầu ra

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHÁT TẦN SỐ

3.1 Thiết kế phần cứng cho máy phát tần số

Để thuận lợi cho việc thiết kế, chúng em chia thành các modul nhỏ, sau đó ghép lại thành cả khối của máy phát

Với việc sử dụng công nghệ tổ hợp tần số kết hợp được tích hợp sẵn trong IC tạo dạng sóng tần số cao MAX 038, đồng thời với ý tưởng dùng phương pháp điều khiển số và hiển thị số , chúng em quyết định lựa chọn thiết kế và chế tạo máy phát theo các khối sau:

- Khối mạch chính

- Khối mạch khuếch đại điện áp đầu ra

- Khối nguồn

3.1.1 Khối mạch chính

3.1.1.1 Chức năng của khối mạch chính

Đây là khối mạch quan trọng nhất của máy tạo dao động Nó có các chức năng sau :

- Tạo ra các dạng xung:,sin, vuông, tam giác

- Điều khiển tần số của xung phát ra

- Điều khiển độ rộng xung

Để thực hiện được các chức năng trên, sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu các phương tiện, công cụ để có thể đáp ứng được các yều cầu trên chúng em đã quyết định lựa chọn sử dụng IC Max 038 của hãng MAXIM với các tính năng như sau :

- Là một IC tạo dao động tần số cao, có khả năng tạo ra các dạng sóng như: tam giác, sin, xung vuông

- Các loại tín hiệu đầu ra được lựa chọn bởi 2 bit Select TTL

-Tần số đầu ra trong dải từ: 100Hz20MHz bằng điện áp tham chiếu 2,5V

- Tần số độc lập và có thể điều khiển được độ rộng xung của tín hiệu trong khoảng

từ 15% > 85%

-Trở kháng đầu ra thấp = 0,1Ω

*Ứng dụng

- Tạo dạo động một cách chính xác

- Bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp

- Ứng dụng điều chế FM (Frequency Modulaytion)

- Vòng khóa pha

- Đồng bộ tần số

- Tạo ra FSK của tín hiệu xung vuông và xung sin

*Sơ đồ cấu tạo các chân:

Hình 3 1 Sơ đồ chân MAX 038

Hình 3 2 Mô tả các chân MAX 038