Mạch phát fm và gây nhiễu

Mạch phát fm và gây nhiễu

Trường đại học Bách Khoa – Đại học quốc gia TP HCM

Chương trình kĩ sư chất lượng cao Việt Pháp

Nội dung

I YÊU CẦU: 5

II NGUYÊN LÝ PHÁT THANH TRÊN SÓNG FM 5

a) Khái niệm về tín hiệu âm tần 5

b) Khái niệm về tín hiệu cao tần và sóng điện từ 5

c) Ưu và nhược điểm của sóng FM 5

e) Điều chế FM 7

Tín hiệu sau điều chế FM 7

Băng thông của tín hiệu điều chế FM 8

f ) Giải điều chế FM 9

 Dùng mạch tách sóng cổ điển 9

 Dùng vòng khóa pha (PLL) 9

III.THỰC HIỆN MẠCH FM 11

a) Sơ đồ khối phát FM stereo: 11

b) Cấu trúc & chức năng IC BA1404 11

c) Nguyên lý hoạt động mạch phát fm stereo dùng BA1404 13

Sơ đồ mạch 13

Mô tả hoạt động của mạch 13

d) Thực hiện - thi công mạch và đo đạc 15

IV MẠCH KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN 20

a) Cấu trúc & chức năng 20

b) Các khối chức năng chính của một MKĐ 20

 Khối công suất nguồn 20

 Tầng ngõ vào 20

 Tầng ngõ ra 20

 Các lớp khuếch đại 20

c) Thực hiện – thi công mạch 22

V Mạch FM jammer: 25

VI TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

Danh sách hình

Hình 1 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần (FM) 5

Hình 2 Điều chế FM 6

Hình 3 Sóng mang chưa điều chế 6

Hình 4 Sóng mang sau điều chế 7

Hình 5 Hàm Bessel Jn(1) 7

Hình 6 Hàm Bessel 8

Hình 7 Mạch tách sóng 8

Hình 8 Bộ giải điều chế FM dùng PLL 8

Hình 9 Sơ đồ khối phát FM stereo 10

Hình 10 Phổ tín hiệu băng gốc của FM stereo 10

Hình 11 Sơ đồ khối IC BA1404 11

Hình 12 Sơ đồ mạch phát FM stereo với BA1404 12

Hình 13 Sơ đồ mạch ghép kênh FM stereo 13

Hình 14 Phổ tín hiệu dải nền ghép kênh FM 13

Hình 15 Mạch điều chế FM (dao động Cotpitt) 14

Hình 16 FM hai cuộn dây 15

Hình 17 BA1404 với 2 cuộn dây 18

Hình 18 Mạch khuếch đại 23

I YÊU CẦU:

Thiết kế mạch phát FM stereo hai cuộn dây

Thiết kế mạch khuếch đại 2 tầng nhằm tăng khả năng truyền xa

Thiết kế mạch tổng hợp tần số (Jammer)

II NGUYÊN LÝ PHÁT THANH TRÊN SÓNG FM

FM là viết tắt của ( Frequency Moducation : Điều chế tần số ) là điều chế theo phương thức làm thay đổi tần số của tín hiệu cao tần theo biên độ của tín hiệu âm tần, khoảng tần số biến đổi là 150KHz

Sóng FM là sóng cực ngắn đối với tín hiệu Radio, sóng FM thường phát ở dải tần từ88MHz đến 108MHz

a) Khái niệm về 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

b) Khái niệm về tín hiệu cao tần và sóng điện từ

Tín hiệu cao tần là các tín hiệu điện có tần số trên 30kHz, tín hiệu cao tần có tính chất bức xạ thành sóng điện từ Thí dụ trên một dây dẫn có tín hiệu cao tần chạy qua, thì dây dẫn có một sóng gây can nhiễu ra xung quanh, đó chính là sóng điện từ do dòng điện cao tần bức xạ ra không gian

Sóng điện từ: Là sóng truyền dẫn trong không gian với vận tốc bằng vận tốc ánh

sáng, có tần số từ 30KHz đến hàng ngàn MHz, cong người đã sử dụng sóng điện từ trong các lĩnh vực thông tin, vô tuyến điện, truyền thanh, truyền hình, trong đó Radio là lĩnh vực truyền thanh chiếm giải tần từ 30KHz đến khoảng 16MHz với các sóng điều chế AM, và từ 76MHz đến 130MHz với các sóng điều chế FM

c) Ưu và nhược điểm của sóng FM.

Sóng FM có nhiều ưu điểm về mặt tần số, dải tần âm thanh sau khi tách sóng điều tần có chất lượng rất tốt, cho âm thanh trung thực và có thể truyền âm thanh stereo, sóng

FM ít bị can nhiễu hơn só với sóng AM

Nhược điểm của sóng FM là cự ly truyền sóng ngắn, chỉ truyền được cự ly từ vài chục đến vài trăm km, do đó sóng FM thường được sử dụng làm sóng phát thanh trên các địa phương

d) Máy phát FM cơ bản:

Hình 1 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần (FM)

+ Khối chủ sóng có nhiệm vụ tạo ra dao động cao tần (sóng mang) có biên độ

và tần số ổn định, có tầm biến đổi tần số rộng Muốn vậy ta phải dùng mạch dao động LC kết hợp với mạch tự động điều chỉnh tần số (AFC)

+ Khối tiền khuếch đại có thể dùng để nhân tần hoặc khuếch đại dao động caotần đến mức cần thiết đểkích thích tầng công suất làm việc Nó còn có nhiệm vụ đệm, làm giảm ảnh hưởng của các tầng sau đến độ ổn định tần số của khối chủ sóng

Vì vậy mà khối tiền khuếch đại có thểcó nhiều tầng: tầng đệm; tầng nhân tần và tầng tiền khuếch đại cao tần

+ Khối khuếch đại công suất cao tần có nhiệm vụ tạo ra công suất cần thiết theo yêu cầu công suất ra Pra của máy phát Công suất ra yêu cầu càng lớn thì số tầngkhuếch đại trong khối khuếch đại công suất cao tần càng nhiều

+ Mạch ra để phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại công suất cao tần cuối cùng và anten để có công suất ra tối ưu nhất (Pra tối ưu)

+ Anten để bức xạ năng lượng cao tần (biến đổi năng lượng dao động cao tần của máy phát thành sóng điện từ truyền đi trong không gian)

Đối với máy phát điều tần thì yêu cầu điện áp âm tần không lớn lắm, nên tín hiệu âm tần từ micro chỉ cần qua một bộ tiền khuếch đại âm tần rồi đưa tới bộ chủ sóng Mặt khác do tín hiệu điều tần có tần sốlàm việc cao hơn nhiều so với tín hiệu điều biên nên số tầng nhân tần trong bộ tiền khuếch đại công suất nhiều hơn Đồng thời dùng nhiều tầng nhân tần thì độ di tần lớn hơn (∆f = ±75 KHz) Độ ổn định tần

số của máy phát điều tần cũng yêu cầu cao hơn (10-5÷ 10-7), nên hệ thống AFC thường có cấu tạo phức tạp

e) Điều chế FM

Hình 2 Điều chế FM

Với mạch điều chế tần số thì sóng mang có biên độ không đổi, nhưng tần số thay đổitheo biên độ của tín hiệu âm tần, khi biên độ tín hiệu âm tần tăng thì tần số cao tần tăng, khibiên độ âm tần giảm thì tần số cao tần giảm Như vậy sóng mang FM có tần số tăng giảm theo tín hiệu âm tần và giới hạn tăng giảm này là +150KHz và -150KHz , như vậy tần số sóng mang điều tần có dải thông là 300KHZ

Thí dụ nếu đài tiếng nói việt nam phát trên sóng FM 100MHz thì nó truyền đi một dải tần từ 99,85 MHz đến 100,15 MHz

Tín hiệu sau điều chế FM

-2 0 2 4

0 1 2 3 4 5 6 7

x 10-3-4

-2 0 2 4

thoi gian

Hình 4 Sóng mang sau điều chế

Băng thông của tín hiệu điều chế FM

Áp dụng phép khai triển:

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 -0.6

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

của các hài bậc cao rất bé, ta có thể loại bỏ Như vậy băng thông có thể được giới hạn tuy nhiên sẽ gây méo tín hiệu do mất hài bậc cao.Vì vậy cần lựa chọn để tín hiệu méo dạng có thể chấp nhận được

0 5 10 15 -1

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Hình 6 Hàm Bessel

f ) Giải điều chế FM

 Dùng mạch tách sóng cổ điển

Hình 1 mô tả sơ đồ khối của mạch tách sóng phân biệt

Hình 7 Mạch tách sóng

Tín hiệu ra từ bộ nhân đi qua mạch lọc thông thấp sẽ loại bỏ thành phần tần số cao,

Hình 2 mô tả sơ đồ khối của mạch giải điều chế FM dùng PLL

Hình 8 Bộ giải điều chế FM dùng PLL

Bộ so sánh pha (Phase comparator) hay bộ phát hiện pha (Phase detector) là một thiết bị so sánh các tần số ở lối vào, tín hiệu lối ra phản ánh sự khác nhau về pha giữa chúng(ví dụ, nếu như chúng khác nhau về tần số, nó sẽ tạo ra ở lối ra một dao động tuần hoàn có

VCO thì tín hiệu sai pha từ ngõ ra bộ so sánh pha, sau khi được lọc và khuếch đại, lại được

Bằng các phép biến đổi toán học, người ta chứng minh được sai số pha tức thời ở ngõ ra bộ so sánh là tỷ lệ với tín hiệu điều chế x(t)

Ưu và nhược điểm của vòng khoá pha (PLL) :

Sử dụng vòng khóa pha PLL như một hệ thống lọc so với bộ lọc tích cực RC dùng

kỹ thuật hồi tiếp hay những mạch cộng hưởng LC có những ưu điểm sau:

Vòng khóa pha PLL đơn khối có thể hoạt động ở phạm vi tần số cao (2÷ 160MHz) trong khi phần nhiều kỹ thuật hồi tiếp RC tích cực bị giới hạn ở dải tần số dưới 100Hz

Tần số trung tâm thì được “tần số chạy tự do” của VCO (Vottage Controlled

Oscillator), còn tính chọn lọc của PLL được xác định bằng bộ lọc thông thấp của vòng này Điều này loại trừ được vấn đề đồng chỉnh phức tạp khi dùng nhiều tầng lọc điều hưởng LC nối kết với nhau Mặt khác việc thay đổi tần số của PLL không làm thay đổi phẩm chất Q như mạch cộng hưởng LC

PLL có thể được điều hưởng theo1 tần số yêu cầu nào đấy, bởi sự chọn lọc riêng của“tần số chạy tự do VCO” Tần sốnày thông thường được quyết định bởi phần tử đơn bênngoài (tụ điện C) và có thể được điều chỉnh liên tục từ 1Hz đến phạm vi lệch tần số mong muốn là 50MHz

Tuy có nhiều ưu điểm nhưtrên, PLL vẫn không thểthay thế hoàn toàn cho những bộ lọc cộng hưởng LC hay bộ lọc tích cực RC trong tất cả các ứng dụng vì:

PLL chỉ đáp ứng với tần số của tín hiệu vào, mà không đáp ứng với biên độ, miễn là biên độ vào cao đủ để duy từ khóa Như vậy, PLL chỉ lọc được những tần số mong muốn Trong khi dùng mạch cộng hưởng LC (hay dùng mạch lọc tích cực RC có hồitiếp) thì không những lọc được tần sốmong muốn mà tại tần số đó biên độtín hiệu là cực đại

Mặc dù 1 số khuyết đểm như vậy, nhưng PLL dưới dạng vi mạch đơn khối có khả năng thực hiện nhiều chức năng nhất trong các thiết bị điện tử viễn thông tương tự, công tác

ở nhiều lĩnh vực khác nhau

III.THỰC HIỆN MẠCH FM

a) Sơ đồ khối phát FM stereo:

Hình 9 Sơ đồ khối phát FM stereo Tín hiệu từ kênh trái và phải sẽ được đưa qua 2 bộ cộng và trừ tạo ra 2 tín hiệu L+R và L-R.

Tín hiệu L-R được điều chế DSB tại tần số 38KHz

Tín hiệu DSB này cùng tín hiệu L+R và pilot 19KHz cộng lại với nhau tạo thành tín hiệu cuối

Tín hiệu này sẽ được điều chế FM phát đi

Hình 10 Phổ tín hiệu băng gốc của FM stereo

b) Cấu trúc & chức năng IC BA1404

IC BA1404 là một IC phát FM stereo, mỗi IC gồm 3 khối chức năng chính:

 Khối điều chế stereo: Tạo tín hiệu stereo tổng hợp từ tín hiệu MAIN (L+R), SUB (L-R) và tín hiệu pilot từ bộ dao động thạch anh 38kHz.

108MHz

điều chế FM

IC BA1404 gồm 18 chân với sơ đồ kết nối và chức năng cụ thể như sau:

Hình 11 Sơ đồ khối IC BA1404

tín hiệu đã điều chế

Trong viễn thông, tín hiệu pilot là một tín hiệu, thường có tần số duy nhất, được truyền qua một hệ thống thông tin liên lạc để giám sát, kiểm soát, cân bằng, đồng bộ hóa, hoặc các mụcđích tham khảo

Trong máy phát FM stereo : một tone pilot là 19kHz chỉ ra rằng thông tin FM là tại 38kHz (19x2 , là các hài bậc hai của pilot).Các máy thu FM lấy gấp đôi tần số pilot và sử dụng nó trong giải điều chế FM stereo

c) Nguyên lý hoạt động mạch phát fm stereo dùng BA1404

Sơ đồ mạch

Hình 12 Sơ đồ mạch phát FM stereo với BA1404

Mô tả hoạt động của mạch

Khối điều chế Stereo

Đầu vào là tín hiệu âm tần kênh R tại chân số 1 và chân L tại chân số 18 Mỗi tín hiệu âm tần được khuếch đại 37dB rồi đưa đến bộ ghép kênh

Thạch anh 38kHz nối vào chân 5&6 tạo sóng mang 19kHz và sóng mang con 38kHz.Tín hiệu âm tần và sóng mang con được cân bằng và điều chế tại bộ ghép kênh FM stereo

Sơ đồ khối bộ ghép kênh stereo được vẽ như hình 3, bộ này tạo tín hiệu dải nền FM stereo trước khi được dùng để điều chế FM sóng mang fc Tín hiệu âm thanh đầu vào ở dạng lập thể (stereo) gồm micro trái L và micro phải R Hai tín hiệu này được lọc tiền nhấn bởi các bộ lọc Hpe sau dó qua ma trận cộng trừ để tạo tín hiệu L+R và L-R.

Tín hiệu L+R được điều chế FM bình thường để máy thu FM mono vẫn thu nhận được.Tín hiệu L-R dùng để điều chế DSB, một sóng mang 38kHz được tạo ra do nhân đôi tần số từ dao động chuẩn 38kHz

Hình 13 Sơ đồ mạch ghép kênh FM stereo

Hình 14 Phổ tín hiệu dải nền ghép kênh FM

Như vậy, 3 thành phần tín hiệu L+R, L-R và pilot 19kHz được ghép chung thành tín

Khối điều chế FM

Mạch dao động cao tần loại Colpitts, tín hiệu vào ở chân 12 nối đến chân B của transistor Bằng cách cộng tín hiệu âm tần vào cực nền, điện kháng transistor thay đổi Điều chỉnh thời hằng trên mạch dao động, tần số được điều chế

Tần số cộng hưởng được xác định từ mạch cộng hưởng RC nối giữa nguồn Vcc và chân số 10

Hình 15 Mạch điều chế FM (dao động Cotpitt)

Khối khuếch đại cao tần

Là mạch đơn tần cực emitter nối đất (hình 15)

Ngõ ra RF ở chân số 7 kết nối tới mạch cộng hưởng song song ghép một phần điện dung để chọn lọc tần số ngõ ra

d) Thực hiện - thi công mạch và đo đạc

Sơ đồ nguyên lý mạch FM.

a) Mạch hai cuộn dây

Hình 16 FM hai cuộn dây

Sơ đồ mạch in.

a) Mạch hai cuộn dây

Hình 17 Mạch in 2 cuộn dây

Kết quả mạch thực:

a) Mạch hai cuộn dây

Hình 17 BA1404 với 2 cuộn dây

IV MẠCH KHUẾCH ĐẠI SIÊU CAO TẦN

a) Cấu trúc & chức năng

Mạch khuếch đại công suất siêu cao tần được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như Thông tin vô tuyến, Truyền hình, Radar…

Các kỹ thuật cơ bản dùng trong khuếch đại công suất cao tần có thể sử dụng các lớpnhư A, B, AB, C, D,… cho dãy tần số từ VHF đến siêu cao tần ( từ 30Mhz trở đi)

Công suất ngõ ra từ vài mW đến hàng MW, tùy ứng dụng

Chức năng chính của 1 mạch khuếch đại (MKĐ) là nhận tín hiệu vào và làm cho biên độ của nó lớn hơn Có nhiều loại MKĐ tùy theo mục đích sử dụng Ví dụ mạch phát sóng vô tuyến dùng MKĐ tần số vô tuyến (RF) để khuếch đại tín hiệu trước khi đưa đến anten phát

Các thông số quan trọng nhất cần quan tâm đối với một MKĐ công suất siêu cao tầnlà:

b) Các khối chức năng chính của một MKĐ

chiều từ ổ cắm và chuyển đổi nó thành điện áp một chiều Quá trình chuyển đổi này

là cần thiết vì các thiết bị bán dẫn bên trong MKĐ (transistors, FETs, MOSFETs, v.v ) chỉ hoạt động với dạng áp này

lượng lớn hơn nhiều lần có khả năng truyền tải công suất lớn đến anten Khối này thường sử dụng các transistor công suất hoặc MOSFETs và tỏa nhiệt nhiều nhất trong MKĐ

dạng thấp là do transistor trong mạch được phân cực ON khi mạch chạy không tải MKĐ lớp A thường được sử dụng cho các mạch công suất thấp.

Lớp A có tính tuyến tính cao nhất trong các lớp

Hình 21 Đồ thị biểu diễn tín hiệu vào vi(t) và dòng Ic(t) của MKĐ lớp A

Lớp B: MKĐ lớp B được dùng trong các thiết kế giá thành thấp Nó có hiệu suất

đáng kể hơn so với lớp A (khoảng 78.5%), tuy nhiên chúng chịu sự méo dạng lớn (tính tuyến tính thấp) khi tín hiệu nhỏ Trước sự xuất hiện của các MKĐ IC, MKĐ lớp B khá phổbiến trong các mạch vô tuyến hoặc các ứng dụng mà chất lượng âm thanh không quan trọng

Hình 22 Ví dụ về MKĐ lớp B

Hình 23 Đồ thị biểu diễn tín hiệu vào vi(t) và dòng Ic(t) của MKĐ lớp B

Lớp AB: đây là lớp khuếch đại được dùng nhiều nhất hiện nay trong các MKĐ

stereo và tương tự Nó là sự kết hợp những ưu điểm của lớp A và lớp B: hiệu suất cao của lớp B và tính ít méo dạng của lớp A Sự méo dạng lớn nhất khi tín hiệu nhỏ và nhỏ nhất khi tín hiệu qua điểm cắt

Hình 24 Đồ thị biểu diễn tín hiệu vào vi(t) và dòng Ic(t) của MKĐ lớp AB

c) Thực hiện – thi công mạch.

Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại:

Hình 25 Shematic mạch khuếch đại RF

Sơ đồ mạch in của mạch khuếch đại:

Thi công thực tế:

Hình 18 Mạch khuếch đại

V Mạch FM jammer:

Sơ đồ nguyên lý:

Layout:

Mạch thi công thực tế:

Kết quả đo bằng Spectrum Analyser: