Các mạch biến đổi tần số

Các mạch biến đổi tần số Các mạch biến đổi tần số Bởi: Lê Sắc GIỚI THIỆU Trong kỹ thuật thông tin vô tuyến điện, muốn truyền thông tin xa người ta phải chuyển tần số tín hiệu tin tức lên tần số cao nhiều cơng suất sóng điện từ xạ tỷ lệ với tần số sóng Do với tin tức có tần số thấp khả xạ yếu khơng có khả truyền xa Phương pháp để thực chuyển phổ tín hiệu tin tức lên vùng có tần số cao điều chế (điều chế biên độ, điều tần, điều pha), mạch trộn tần Ở phía máy thu phải có q trình chuyển đổi ngược lại, tức chuyển phổ tín hiệu tin tức tần số cao với tần số gốc ban đầu, q trình tách sóng (giải điều chế) Với kiểu điều chế có mạch tách sóng tương ứng Ngồi ra, số trường hợp khó thực việc chuyển phổ tần số lần đến tần số mong muốn, người ta thường dùng mạch trộn tần Trong máy thu đổi tần thông thường sử dụng mạch trộn tần để chuyển tần số sóng mang (tần số cao) tần số trung gian (tần số trung tần), sau khuếch đại tín hiệu lên nhiều lần trước đưa vào mạch tách sóng Tất trình biến đổi tần số dựa vào tính chất quan trọng linh kiện bán dẫn tính chất phi tuyến Tính chất phi tuyến hiểu tác động tần số linh kiện bán dẫn cho nhiều tần số bội tức nf với n = 1, 2, 3, NỘI DUNG KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU CHẾ Điều chế trình ghi tin tức vào dao động cao tần nhờ biến đổi thơng số biên độ, tần số hay góc pha dao động cao tần theo tin tức Thông qua điều chế, tin tức miền tần số thấp chuyển lên vùng tần số cao để xạ truyền xa 1/20 Các mạch biến đổi tần số - Tin tức gọi tín hiệu điều chế - Dao động cao tần gọi tải tin hay tải tần - Dao động cao tần mang tin tức gọi dao động cao tần điều chế Đối với tải tin điều hoà, ta phân biệt hai loại điều chế điều biên điều chế góc, điều chế góc bao gồm điều tần điều pha ĐIỀU BIÊN Phổ tín hiệu điều biên Điều biên q trình làm cho biên độ tải tín hiệu biến đổi theo tin tức Để đơn giản, giả thiết tin tức uS tải tin ut dao động điều hoà tần số tin tức biến thiên từ ωSmin?ωSmax, ta có: Do tín hiệu điều biên: đó: m=ÛS/Ûtlà hệ số điều chế (hay độ sâu điều chế) Hệ số điều chế phải thoả mãn điều kiệnm≤1 Khi m>1 mạch có tượng q điều chế làm cho tín hiệu bị méo trầm trọng (hình 6-1) Áp dụng biến đổi lượng giác ta được: Như vậy, thành phần tải tin, tín hiệu điều khiển có hai biên tần Biên tần có tần số từ (ω1 + ωSmin) đến (ω1 + ωSmax) biên tần từ (ω1-ωSmin) đến (ω1 - ωSmax) 2/20 Các mạch biến đổi tần số Quan hệ lượng điều biên Trong tín hiệu điều biên, biên tần chứa tin tức, tải tin khơng mang tin tức Ta xét xem lượng phân bố tín hiệu điều biên Công suất tải tin: công suất trung bình chu kỳ tải tin Cơng suất biên tần : 3/20 Các mạch biến đổi tần số Cơng suất tín hiệu điều biên cơng suất trung bình chu kỳ tín hiệu điều chế Ta thấy cơng suất tín hiệu điều biên phụ thuộc vào hệ số điều chế m Hệ số điều chế m lớn cơng suất tín hiệu điều biên lớn Khi m =1 ta có quan hệ cơng suất hai biên tần tải tần sau: Để giảm méo hệ số điều chế m < cơng suất biên tần thực tế khoảng phần ba công suất tải tin Nghĩa phần lớn công suất phát xạ phân bổ cho tải tin, cơng suất tin tức chiếm phần nhỏ Đó nhược điểm tín hiệu điều biên so với tín hiệu đơn biên 6Các tiêu tín hiệu điều biên Hệ số méo phi tuyến thành phần dòng điện ứng với hài bậc cao tín hiệu điều chế biên độ thành phần biên tần (thành phần sóng bản) Để giảm méo phi tuyến buộc phải giảm độ sâu điều chế 4/20 Các mạch biến đổi tần số Hệ số méo tần số Để đánh giá ta dựa vào đặc tuyến biên độ - tần số Hệ số méo tần số xác định theo biểu thức: Các mạch điều biên Các mạch điều biên thường sử dụng phần tử bán dẫn với tính chất phi tuyến chúng Tính chất phi tuyến hiểu cho hai tín hiệu với hai tần số khác tác động lên linh kiện bán dẫn sinh thành phần tổng hiệu tần số tác động Về lý thuyết tín hiệu đầu có tần số n.f1 + m f2với m, n =1, 2,… Có kiểu điều biên điều biên cân điều biên vòng, điều chế đơn biên… - Mạch điều chế đơn biên dùng phần trở tích cực điốt tranzito - Mạch điều biên cân có ưu điểm giảm méo phi tuyến Điều biên cân Theo hình 6-3a điện áp đặt lên điốt D1, D2 là: Dòng điện qua điốt biểu diễn theo chuỗi Taylor: 5/20 Các mạch biến đổi tần số Dòng điện ra: i = i1 – i2 đó: Mạch điều chế vòng Mạch điều chế vòng: thực chất hai mạch điều chế cân chung tải 6/20 Các mạch biến đổi tần số Gọi dòng điện mạch điều chế cân D1, D2 iI dòng điện mạch điều chế cân D3, D4 iII Với mạch điều chế kiểu ta có được: Điều chế vòng cho méo nhỏ khử hài bậc lẻ ωS biên tần 2ωt Điều chế đơn biên - Khái niệm: Phổ tín hiệu điều biên gồm tải tần hai biên tần, có biên tần mang tin tức Vì hai dải biên tần mang tin tức nên cần truyền biên tần đủ thông tin tin tức Tải tần cần dùng để tách sóng, nén toàn phần tải tần trước truyền Quá trình điều chế để nhằm tạo dải biên tần gọi điều chế đơn biên Điều chế đơn biên tốn có ưu điểm sau: + Độ rộng dải tần giảm nửa + Công suất xạ yêu cầu thấp với cự ly thơng tin Vì tập trung công suất tải tần biên tần cho biên tần lại + Tạp âm đầu thu giảm dải tần tín hiệu hẹp Biểu thức tín hiệu điều chế đơn biên là: 7/20 Các mạch biến đổi tần số k = ÛS / Ût gọi hệ số nén tải tin, k nhận giá trị từ ? ∞ - Điều chế đơn biên theo phương pháp lọc Từ phân tích phổ tín hiệu điều biên rõ ràng muốn có tín hiệu đơn biên ta cần lọc bớt dải biên tần Nhưng thực tế không làm Khi tải tần cao tần vấn đề lọc để tách dải biên tần gặp khó khăn Thật vậy, giả thiết tần số thấp tin tức fSmin = 200Hz, lúc khoảng cách hai biên tần Δf = 2fSmin = 400Hz (xem hình 6-1b) Nếu tải tần ft=10MHz hệ số lọc lọc X= Δf f = 4.10 −5 , nhỏ Khi phân bố hai biên tần gần t dùng mạch lọc Thạch anh khó lọc dải biên tần mong muốn Do phương pháp lọc, người ta dùng biến đổi trung gian để hạ thấp yêu cầu lọc ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA Các công thức quan hệ điều tần điều pha Vì tần số góc pha dao động có quan hệ biểu thức sau, nên dễ dàng chuyển đổi biến thiên tần số thành biến thiên pha ngược lại Điều tần điều pha ghi tin tức vào tải tin làm cho tần số pha tức thời tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế 8/20 Các mạch biến đổi tần số Khi điều chế tần số điều chế pha tần số góc pha dao động cao tần biến thiên tỷ lệ với tín hiệu điều chế chúng xác định theo biểu thức: Trong đó: ωt tần số trung tần tín hiệu điều tần kđt ÛS =Δωm gọi lượng di tần cực đại kđp ÛS =Δωm gọi lượng di pha cực đại Biểu thức dao động điều tần: Biểu thức dao động điều pha ω = ωt = const Lượng di pha đạt điều pha Δφ=Δφm Cos ωSt tương ứng có lượng di tần là: Như ta thấy điều tần điều pha làm cho góc pha thay đổi nên thường gọi chung điều chế góc Điểm khác điều tần điều pha lượng di tần điều pha tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế tần số điều chế, lượng di tần tín hiệu điều tần tỷ lệ với tín hiệu điều chế mà MẠCH ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA Mạch điều tần Có thể dùng mạch điều tần trực tiếp hay điều tần gián tiếp Mạch điều tần trực tiếp thường thực mạch tao dao động mà tần số dao động riêng điều khiển điện áp (VCO) mạch biến đổi điện áp - tần số Nguyên tắc thực điều tần tạo dao động làm biến đổi trị 9/20 Các mạch biến đổi tần số số điện kháng tạo dao động theo điện áp đặt vào Phương pháp phổ biến dùng điốt biến dung (varicap) tranzito điện kháng Mạch điều tần trực tiếp dùng điốt biến dung Điốt biến dung có điện dung mặt ghép biến đổi theo điện áp đặt vào CD xác định theo biểu thức: k - hệ số tỷ lệ φk - hiệu điện tiếp xúc mặt ghép, với điốt Silic φk≈ 0,7V y - hệ số phụ thuộc vật liệu Mắc điốt song song với hệ tạo dao động tạo dao động, đồng thời đặt điện áp điều chế lên điốt CD thay đổi theo điện áp điều chế, tần số cộng hưởng riêng tạo dao động biến đổi theo Trên hình 6-6b mạch điện tạo dao động điều tần điốt biến dung Trong mạch điện điốt phân cực ngược nguồn E2 Tần số dao động mạch gần tần số cộng hưởng riêng hệ dao động xác định sau: Điện áp đặt lên điốt: Để điốt phân cực ngược cần thoả mãn điều kiện: Nguyên lý hoạt động mạch có điện áp tin tức us tác động vào tác động điện áp ngược lên điốt biến dung D từ giá trị điện dung điốt thay đổi làm cho tần số cộng hưởng mạch thay đổi 10/20 Các mạch biến đổi tần số Khi điều tần điốt biến dung phải ý đặc điểm sau: - Chỉ phân cực ngược cho điốt để tránh ảnh hưởng RD đến phẩm chất hệ tạo dao động nghĩa đến độ ổn định tần số mạch - Phải hạn chế khu vực làm việc đoạn tuyến tính đặc tuyến CD = f(ud) điốt biến dung để giảm méo phi tuyến Lượng di tần tương đối điều tần dùng điốt biến dung đạt khoảng 1% - Vì dùng điốt điều tần nên thiết bị điều tần có kích thước nhỏ Có thể dùng điốt bán dẫn để điều tần tần số siêu cao, khoảng vài trăm MHz Tuy nhiên độ tạp tán tham số bán dẫn lớn, nên ổn định Điều tần dùng tranzitođiện kháng Phần tử điện kháng dung tính cảm tính mắc song song với hệ dao động tạo dao động làm cho tần số dao động thay đổi theo tín hiệu điều chế Phần tử điện kháng thực nhờ mạch di pha mắc mạch hồi tiếp tranzito 11/20 Các mạch biến đổi tần số Phần tử điện kháng phân áp RC Trong T1 tranzito điện kháng, T2 tranzito dao động Tranzito điện kháng mắc phần (trên L1) với hệ dao động Cũng mắc hai tranzito điện kháng thành mạch đẩy kéo để tăng lượng di tần Mạch điều pha Mạch điều chế pha theo ArmStrong hình 6-8 thực theo nguyên lý: tải tin từ tạo dao động thạch anh đưa đến điều biên (ĐB1) điều biên (ĐB2) lệch pha 900, tín hiệu điều chế uS đưa đến hai mạch điều biên ngược pha Điện áp đầu hai điều biên là: 12/20 Các mạch biến đổi tần số Điện áp uđp = uđb1 + uđb2 Điều giải thích đồ thị vectơ TÁCH SĨNG Khái niệm Tách sóng q trình lấy lại tín hiệu điều chế Tín hiệu sau tách sóng phải giống dạng tín hiệu ban đầu Thực tế tín hiệu điều chế uS sau qua điều chế qua kênh thơng tin đưa đến tách sóng bị méo dạng thành uS' Do méo phi tuyến tách sóng, nên sau tách sóng ta lại nhận uS" khác dạng uS' Như tín hiệu sau tách sóng thường khác dạng tín hiệu ngun thuỷ uS' Vì yêu cầu q trình tách sóng méo phi tuyến nhỏ Tương ứng với loại điều chế, ta có mạch tách sóng sau đây: tách sóng điều biên, tách sóng điều tần, tách sóng điều pha Tách sóng biên độ Các tham số • Hệ số tách sóng Trong : Đều gồm có thành phần chiều thành phần biến thiên chậm theo thời gian: - Thực tế, trình tách sóng cần quan tâm đến thành phần biến thiên chậm (mang tin tức) mà thơi, thường xác định hệ số tách sóng sau: 13/20 Các mạch biến đổi tần số • Trở kháng vào tách sóng: • Méo phi tuyến: Ở khơng quan tâm đến sóng hài dòng điện cao tần dễ dàng lọc bỏ chúng Mạch điện tách sóng biên độ Xét mạch tách sóng biên độ dùng mạch chỉnh lưu mắc nối tiếp hình 6-10 Nếu tín hiệu vào đủ lớn cho điốt làm việc đoạn thẳng đặc tuyến hình 6-11 ta có q trình tách sóng tín hiệu lớn Trong sơ đồ hình 6-9 điốt thơng nửa chu kỳ dương dao động cao tần phần đầu vào Hình bao dao động nhận nhờ phóng nạp tụ C (hình 6-10) 14/20 Các mạch biến đổi tần số Trong sơ đồ hình 6-12 phải chọn số thời gian τ = RC đủ lớn cho dạng điện áp tải gần với dạng hình bao điện áp cao tần đầu vào Thông thường biên độ điện áp vào lớn vơn hiệu dụng R >>Ri, RV tách sóng điện áp đỉnh Tuy nhiên khơng chọn τ lớn để tránh méo điện dung tải gây Điều kiện tổng quát để chọn τ là: Trường hợp chọn C lớn gây méo tín hiệu hình 6-13 15/20 Các mạch biến đổi tần số Thực tế thường chọn RC theo điều kiện: Muốn dễ dàng thoả mãn cần TÁCH SÓNG ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA Tách sóng điều tần điều pha thường thực theo ngun tắc sau: • Biến đổi tín hiệu điều tần điều pha thành tín hiệu điều biên thực tách sóng biên độ • Biến đổi tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều chế độ rộng xung thực tách sóng tín hiệu điều chế độ rộng xung nhờ mạch tích phân • Làm cho tần số tín hiệu cần tách sóng bám theo tần số tạo dao động nhờ hệ thống vòng giữ pha PLL, điện áp sai số điện áp cần tách sóng Ta xét số mạch cụ thể: Mạch tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng Hình 6-14 sơ đồ mạch tách sóng điều tần số dùng mạch lệch cộng hưởng Đầu vào hai tách sóng biên độ (D1D2) hai mạch cộng hưởng điều chỉnh tần số ω1 ω2 Nếu gọi tần số trung tâm tín hiệu điều tần đầu vào : 16/20 Các mạch biến đổi tần số Sự điều chuẩn mạch cộng hưởng lệch khỏi tần số trung bình tín hiệu vào làm biên độ điện áp vào hai tách sóng biên độ (U1, U2) thay đổi phụ thuộc vào tần số điện áp vào Tách sóng dùng mạch lệch cộng hưởng có nhược điểm khó điều chỉnh cho hai mạch cộng hưởng hồn tồn đối xứng nên dùng Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép hình 6-15 Mạch điện làm việc theo nguyên tắc chuyển biến thiên tần số thành biến thiên pha, sau thực tách sóng pha nhờ tách sóng biên độ Tách sóng dùng mạch cộng hưởng ghép gây méo dễ điều chỉnh hai mạch cộng hưởng tần số f0 Tuy nhiên điện áp tách sóng vừa phụ thuộc tần số vừa phụ thuộc biên độ tín hiệu vào |U1| nên sinh nhiễu biên độ Để khắc phục nhược điểm này, phải đặt trước mạch tách sóng mạch hạn chế biên độ 17/20 Các mạch biến đổi tần số Mạch tách sóng tỷ số Mạch tách sóng điều tần tỷ số có sơ đồ hình 6-16 Các điốt tách sóng mắc nối tiếp Mạch vừa làm nhiệm vụ tách sóng vừa làm nhiệm vụ hạn chế biên độ.Bộ tách sóng tỷ số khơng có phản ứng với biến thiên biên độ đầu vào nên tránh nhiễu biên độ Mạch tách sóng pha cân dùng điốt Mạch tách sóng pha cân hai mạch tách sóng biên độ dùng điốt ghép với hình 6-17 Tín hiệu cần tách sóng tín hiệu điều pha, udp so sánh pha với dao động chuẩn uch Biểu thức udp uch sau: Điện áp đặt lên hai tách sóng tương ứng là: Thay vào ta có: 18/20 Các mạch biến đổi tần số Điện áp tách sóng: uS = uS1 - uS2 Vậy trị số tức thời điện áp tách sóng phụ thuộc hiệu pha tín hiệu điều pha tín hiệu chuẩn Trường hợp ω01 = ω02 φ01 = φ02 điện áp phụ thuộc vào pha tín hiệu vào φ(t) MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG Điều chế xung thực tách sóng mang ut xung cao tần Trong điều chế xung thực điều biên xung, điều chế độ rộng xung, điều pha xung, điều biên xung dùng tính chống nhiễu Sơ đồ khối mạch điều chế xung mơ tả hình 6-18 Tín hiệu điều rộng xung (ĐRX) tín hiệu điều pha xung (ĐPX) hình 6-19 19/20 Các mạch biến đổi tần số Cho ut dãy xung tam giác cao tần uS tin tức Sau mạch tổng ta điện áp ua dãy xung tam giác biến đổi theo uS Qua mạch hạn chế hai phía mức khơng mức +E cho dãy xung hình thang vng có độ rộng thay đổi theo uS(ub) Dãy xung qua mạch sửa xung dãy xung vng có biên độ khơng đổi, độ rộng thay đổi theo uS, tín hiệu điều rộng xung uĐRX Để có tín hiệu điều pha xung cho dãy xung vuông qua mạch vi phân hạn chế ta dãy xung có biên độ, độ rộng không đổi xuất sớm muộn theo uS, tín hiệu điều pha xung uĐRX 20/20 ... sâu điều chế 4/20 Các mạch biến đổi tần số Hệ số méo tần số Để đánh giá ta dựa vào đặc tuyến biên độ - tần số Hệ số méo tần số xác định theo biểu thức: Các mạch điều biên Các mạch điều biên thường... thực mạch tao dao động mà tần số dao động riêng điều khiển điện áp (VCO) mạch biến đổi điện áp - tần số Nguyên tắc thực điều tần tạo dao động làm biến đổi trị 9/20 Các mạch biến đổi tần số số điện... 5/20 Các mạch biến đổi tần số Dòng điện ra: i = i1 – i2 đó: Mạch điều chế vòng Mạch điều chế vòng: thực chất hai mạch điều chế cân chung tải 6/20 Các mạch biến đổi tần số Gọi dòng điện mạch điều