Vòng khóa pha PLL trong điện tử thông tin

1 Chơng Vòng khoá pha PLL đIện tử thông tin 6.1 tổng quan Vòng khoá pha (Phase Locked Loop - PLL) Vòng khoá pha PLL l hệ thống vòng kín hồi tiếp, tín hiệu hồi tiếp dùng để khoá tần số v pha tín hiƯu theo tÇn sè vμ pha tÝn hiƯu vμo Tín hiệu vo có dạng tơng tự hình sine dạng số ứng dụng PLL vo năm 1932 việc tách sóng đồng Ngy nay, nhờ công nghệ tích hợp cao lm cho PLL có kích thớc nhỏ, độ tin cậy cao, giá thnh rẻ, dễ sử dụng kỹ thuật PLL đợc ứng dụng rộng rãi mạch lọc, tổng hợp tần số, ®iỊu chÕ vμ gi¶i ®iỊu chÕ, ®iỊu khiĨn tù ®éng v.v Có hng chục kiểu vi mạch PLL khác nhau, số đợc chế tạo phổ thông đa dạng, số đợc ứng dụng đặc biệt nh tách âm (Tone), giải mã Stereo, tổng hợp tần số Trớc đa phần PLL bao gồm mạch số lẫn tơng tù HiƯn PLL sè trë nªn phỉ biÕn 6.2 Sơ đồ khối Tách sóng pha vi(t), fi vo(t), fo vdk(t) VCO fo Hình 6.1 Sơ đồ khối vòng giữ pha PLL + Tách sóng pha: so sánh pha gi÷a tÝn hiƯu vμo vμ tÝn hiƯu cđa VCO để tạo tín hiệu sai lệch Vd(t) + Lọc thông thấp: lọc gợn điện áp Vd(t) để trở thnh điện áp biến đổi chậm v đa vo mạch khuếch đại chiều + Khuếch đại chiều: khuếch đại điện áp chiều Vdk(t) để đa vo điều khiển tần số mạch VCO + VCO (Voltage Controled Oscillator): dao động m tần số đợc điều khiển điện áp đa vo 6.3 Hoạt động mạch 6.3.1 Nguyên lý hoạt động Vòng khoá pha hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển m đại lợng vo v l tần số v chúng đợc so sánh với pha Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát v điều chỉnh sai số nhỏ tần số tín hiệu vo v NghÜa lμ PLL lμm cho tÇn sè fo cđa tín hiệu VCO bám theo tần số fi tín hiƯu vμo Khi kh«ng cã tÝn hiƯu vi ë ngâ vo, điện áp ngõ khuếch đại V dc(t) =0, dao động VCO hoạt động tần số tự nhiên f N đợc ci đặt điện trở, tơ ®iƯn ngoμi Khi cã tÝn hiƯu vμo vi , tách sóng pha so sánh pha v tần số cđa tÝn hiƯu vμo víi tÝn hiƯu cđa VCO Ngõ tách sóng pha l điện áp sai lƯch V d(t) , chØ sù sai biƯt vỊ pha v tần số hai tín hiệu Điện áp sai lệch V d(t) đợc lọc lấy thnh phần biến đổi chậm Vdc(t) nhờ lọc thông thấp LPF, khuếch đại ®Ĩ thμnh tÝn hiƯu V dk(t) ®−a ®Õn ngâ vμo VCO, để điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vo Đến tần số f0 VCO b»ng tÇn sè fi cđa tÝn hiƯu vμo, ta nói VCO bắt kịp tín hiệu vo Lúc bÊy giê sù sai lƯch gi÷a tÝn hiƯu nμy l sai lệch pha m Bé t¸ch sãng pha sÏ tiÕp tơc so s¸nh pha tín hiệu để điều khiển cho VCO hoạt động cho sai lệch pha chúng giảm đến giá trị bé f1 Dải bắt BC (Capture range): ký hiƯu BC=f2- f1, thay ®ỉi nh−ng PLL đạt đợc khoá pha, nghĩa l VCO bắt kịp tần số tín hiệu vo Nói cách khác, l dải tần số m tín hiệu vo ban đầu phải lọt vo để PLL thiết lập chÕ ®é ®ång bé (chÕ ®é khãa) BC phơ thc vo băng thông LPF Để PLL đạt đợc khóa pha độ sai lệch tần số (fi fN) phải nằm băng thông LPF Nếu nằm ngoi băng thông PLL không đạt đợc khóa pha biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh Điện áp sau LPF (fi fN) băng thông LPF đồng đợc (fi fN) ngoi băng thông LPF, không đồng đợc f Hình 6.3 Điện áp sau lọc thông thấp Giả sử mạch PLL đạt đợc chế độ khoá, VCO đồng với tín hiệu vo Bây ta thay đổi tần số tín hiệu vo theo hớng lớn tần số VCO VCO bám theo Tuy nhiên tăng đến giá trị no VCO không bám theo đợc v quay tần số tự nhiên ban đầu Ta lm tơng tự nh nhng thay đổi tần số tín hiệu vo theo hớng nhỏ tần số VCO Đến giá trị no tần số tín hiệu vo VCO không bám theo đợc v trở tần số tự nhiên Dải giá trị tần số từ thấp ®Õn cao nhÊt ®ã cđa tÝn hiƯu vμo ®−ỵc gäi l dải khoá Từ ta định nghĩa: Dải khóa BL (Lock range): ký hiệu BL=fmax- fmin, l dải tần số m PLL đồng đợc tần số f0 với fi Dải ny gọi l đồng chỉnh (Tracking range) Các tần số fmax, fmin tần số cực đại v cực tiểu m PLL thực đợc khóa pha (đồng bộ) Dải khóa phụ thuộc hm truyền đạt (độ lợi) tách sóng pha, khuếch đại, VCO Nó không phụ thuộc vo đáp tuyến lọc LPF PLL khãa pha th× fi-f0 = Khi PLL ch−a khãa pha: fi ≠ f0 Khi PLL khãa pha: fi = f0 ë chÕ ®é khãa pha, dao ®éng f0 VCO bám đồng theo fi dải tần khóa BL rộng dải tần bắt BC Ví dụ: VCO vòng khoá pha PLL có tần số tự nhiên 12MHz Khi tần số tín hiệu vo tăng lên từ giá trị 0Hz vòng PLL khoá giá trị 10MHz Sau tiếp tục tăng bị khoá pha 16MHz Hãy tìm dải bắt v dải khoá Ta lặp lại bớc nhng bắt đầu với tần số tín hiệu vo có giá trị cao, sau giảm dần Hãy tính tần số m PLL thực kho¸ pha vμ mÊt kho¸ pha B =f L BC = f2 f f max f1 fN Hình 6.4 Dải bắt v dải khoá PLL Dải bắt:BC B = f2 f1=2(12-10)=4MHz Dải khoá: BL B = fmax fmin=2(16-12)=8MHz Đáp ứng vòng PLL có tính đối xứng, nghĩa l tần số tự nhiên trung tâm dải khoá v dải bắt Do đó, giảm tần số tín hiệu vo đến 14MHz PLL bắt đầu thực khoá pha (VCO bám đuổi tín hiệu vo) Tiếp tục giảm tần số tín hiệu vo đến giá trị 8MHz PLL bắt đầu khoá pha (VCO không bám bám đuổi tín hiệu vo đợc nữa) 6.3.2 Các thnh phần PLL 6.3.2.1 Bộ tách sóng pha (Phase Detector): gọi l so sánh pha Có ba loại tách sóng pha: Loại tơng tự dạng mạch nhân có tín hiệu tỷ lệ với biên độ tín hiệu vμo Lo¹i sè thùc hiƯn bëi m¹ch sè EX-OR, RS Flip Flop v.v cã tÝn hiÖu biÕn ®ỉi chËm phơ thc ®é réng xung ngâ tøc lμ phơ thc sai lƯch vỊ pha gi÷a hai tÝn hiệu vo Loại tách sóng pha lấy mẫu 1/ Bộ tách sóng pha tơng tự: vi = Asin(it + i) vi = 2cos(0t + 0) Hình 6.5 Nguyên lý hoạt động tách sóng pha tơng tự Bộ đổi tần hay mạch nhân thực nhân hai tín hiệu Ngõ có điện áp: Vd ( t ) = A sin[( ωi − ω0 )t + (θi −θ0 )] + A sin[( ωi + ω0 )t + (θi + θ0 )] Qua bé läc th«ng thÊp LPF, thnh phần tần số thấp Khi khóa pha (i=0) có Vd = Asin (i-0) Điện áp ny tỷ lệ với biên độ điện áp vo A v ®é sai pha θe=θI-θ0 NÕu θe nhá, hμm trun ®¹t tách sóng pha coi nh tuyến tính Dải khóa giới hạn |e| VCO Hình 6.16 Giải điều chế FSK dùng PLL 6.4.4 Đồng tần số ngang v dọc TV 15 f syn Hình 6.17 mạch đồng tần số ngang v dọc 6.4.5 Giải điều chế AM Tín hiệu AM có dạng VAM(t) = V1T[1+m(t)]cos0t Trong tín hiệu điều chế thấp m(t) = Vmcosmt đợc giải điều chế cách nhân với tín hiệu sóng mang VLO(t) =Acos(ω0t + θ0) VAM(t) VLO(t) = Acos(ω0t + θ0) V(t) = VAM(t).VLO(t) = V1T[1+m(t)]cosω0t.Acos(ω0t + θ0) V(t)= Qua LPF thnh phân tần số thấp ngõ V1T A V(t)= [1 + m( t )] cosθ V0(t) tû lƯ víi m(t) tøc lμ tû lƯ với tín hiệu giải điều chế AM Đây l kiểu tách sóng AM trực tiếp không cần đổi tần, có u điểm không dùng trung tần, không cần chọn lọc tần số ảnh Để biên độ tín hiệu lớn góc pha phải 0, dao động néi V LO(t) ph¶i khãa pha víi sãng mang, kiĨu giải điều chế ny gọi l tách sóng đồng bé hay t¸ch sãng nhÊt qu¸n (coherent Detector), cã chÊt lợng tách sóng không quán tỷ số S/N nhỏ VCO vAM(t) Hình 6.18 Giải điều chế AM 6.4.6 Sử dụng FM Stereo 6.4.6.1 Sơ đồ khối máy phát FM Stereo KĐ L KĐ R KĐ AFC Dđ Chuẩ n Lọc hi Hình 6.19 Sơ đồ khối máy phát FM Stereo Thnh phần khối: 17 L+R: FM mono (L-R)DSB: FM Stereo (L-R)DSB đợc điều chế cân triệt sóng mang (điều biên nén SAM) nhờ sóng mang phụ fsc=38KHz Sóng báo: để thông báo cho máy thu biết đợc chơng trình nhận l Mono hay Stereo Nếu sóng báo chơng trình nhận l FM Mono Nếu có sóng báo chơng trình nhận l FM Stereo Nếu chất lợng sóng FM Stereo chất lợng sóng báo khoá đờng giải mã FM Stereo v máy thu lm việc nh thu chơng trình FM Mono Ngời ta thờng sử dụng phơng pháp PLL để tạo đồng fsc máy phát v máy thu để máy thu thực đợc trình giải mã FM Stereo máy thu Ngoi có tín hiệu gọi l sóng thuê bao tần số f=67KHz Hoạt động mạch: Tín hiệu từ micro L v R đợc tầng khuếch đại micro nâng biên độ Mạch cộng thứ cộng tín hiệu L vμ R cho tÝn hiÖu L+R dμnh cho máy thu FM Mono Tín hiệu (L+R) sau qua mạch lọc băng thông để lọc lấy tín hiệu có dải tần số từ 30Hz đến 15KHz v đa vo mạch cộng tổng hợp Trong cộng thø sÏ céng tÝn hiÖu L vμ tÝn hiÖu R sau đảo pha 1800 để tạo tín hiệu (L-R), sau qua mạch lọc băng thông để lọc lấy tín hiệu dải tần từ 30Hz đến 15KHz Tín hiệu ny đợc đa qua mạch điều chế cân với tần số sóng mang phụ fsc = 38KHz (bằng dao động thạch anh) dùng cho máy thu FM stereo Đồng thời dao động sóng mang phụ fsc = 38KHz đợc chia đôi v hạn biên để tạo thnh sóng báo có tần số fps = 19KHz máy thu biết đợc chơng trình thu lμ FM stereo hay mono 18 Ba tÝn hiÖu (L+R), (L-R)DSB v fps=19KHz đợc cộng thứ tạo thnh tín hiệu tổng hợp Qua tầng khuếch đại v tầng đIện kháng nhằm thay đổi điện dung tơng đơng, sau đựoc vo tầng dao động sóng mang chÝnh ®Ĩ biÕn ®ỉi thμnh tÝn hiƯu FM, qua bé nhân tần, Khuếch đại cao tần, lọc hi để laọi bỏ hi bậc cao Cuối đợc đa anten để xạ anten truyền không gian v đến máy thu Bộ AFC nhằm so sánh tần số dao động chuẩn v tần số sóng mang để luôn ổn định tần số sóng mang nhằm nâng cao chất lợng phát 6.4.6.2 Phỉ cđa tÝn hiƯu FM Stereo 100% 50% 30Hz 19KHz 15KHz 23KHz H×nh 6.20 Phỉ cđa tÝn hiƯu FM Stereo 6.4.6.3 Sơ đồ khối máy thu FM Stereo Mạch AFC có nhiệm vụ tạo tần số dao động fsc = 38KHz v kiểm soát fcho dao động chạy tần số v pha phát để đa vo mạch giải mã FM Steero Tín hiệu sóng báo fps=19KHz vừa để báo cho máy thu biết đợc ®ang ph¸t lμ FM Stereo hay mono vμ gưi ®Õn máy thu để kiểm soát tần số dao động fsc=38KHz máy thu chạy với tần số v pha phát Hoạt động mạch: 19 Tín hiệu FM stereo đợc tách sóng FM Mono tách từ tín hiệu trung tần Đó l tín hiệu FM stereo tổng hợp gồm thnh phần: (L+R), (L-R)DSB, 19KHz vμ 67KHz + TÝn hiƯu FM stereo tỉng hỵp (L+R) sau qua mạch lọc băng thông có tần số từ 30Hz đến 15KHz để tạo lại tín hiệu (L+R) vμ ®−a vμo khèi ma trËn + TÝn hiƯu tổng hợp qua mạch khuếch đại băng thông, thờng l mạch cộng hởng để lấy thnh phần(L-R)DSB stereo v đa vo giải mã FM stereo KĐ Cao tần Tách sóng FM Dao động Lọc Bg thông Lọc dải hẹp Lọc 67KH z Hình 6.21 Sơ đồ khối máy thu FM Stereo 20 + TÝn hiƯu sãng b¸o fps=19KHz còng đợc tách nhờ tách sóng 19KHz, thờng l mạch lọc dải hẹp cho qua tín hiệu hình sine tần số 19KHz Sau đợc nhân đôi tần số để phục hồi lại sóng mang phụ fsc=38KHz dựa vo nguyên tắc hoạt động vòng khoá pha PLL + Ngoμi tÝn hiƯu sãng b¸o còng sÏ điều khiển đèn báo máy thu biết đợc chơng trình thu l FM stereo hay mono + Bộ giải mã FM stereo nhân hai tín hiệu (L-R)DSB v sóng mang phụ fsc=38KHZ để tạo tín hiệu (L-R) đầu Sau đó, đa vo khối ma trận, kết hợp với tín hiệu (L+R) để tạo tín hiệu L v R, qua mạch khuếch đại âm tần v phát loa riêng rẽ, t¹o thμnh tÝn hiƯu FM stereo 6.4.6.4 øng dơng PLL viƯc gi¶i m· FM Stereo VC Chia VCO 76KH z KĐ đệm Hình 6.22 Sơ đồ khối mạch giải mã FM Stereo sử dụng PLL Khoá K để mở v khoá nguồn cung cấp cho mạch giải mã FM Stereo Trong trờng hợp thu chơng FM Mono chơng trình FM Stereo nhng chất lợng 21 không đạt yêu cầu khoá K khóa không cho nguồn VCC cung cấp điện áp cho mạch giải mã FM Stereo, h¹n chÕ nhiƠu ... thuộc vo băng thông LPF Để PLL đạt đợc khóa pha độ sai lệch tần số (fi fN) phải nằm băng thông LPF Nếu nằm ngoi băng thông PLL không đạt đợc khóa pha biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh Điện áp sau... thực đợc khóa pha (đồng bộ) Dải khóa phụ thuộc hm truyền đạt (độ lợi) tách sóng pha, khuếch đại, VCO Nó không phụ thuộc vo đáp tuyến lọc LPF PLL khóa pha th× fi-f0 = Khi PLL ch−a khãa pha: fi... PLL ch−a khãa pha: fi ≠ f0 Khi PLL khãa pha: fi = f0 ë chế độ khóa pha, dao động f0 VCO bám đồng theo fi dải tần khóa BL rộng dải tần bắt BC Ví dụ: VCO vòng khoá pha PLL có tần số tự nhiên 12MHz