Tài liệu Vòng khóa pha PLL trong điện tử thông tin_Chương 6 pdf

1 Chơng 6 Vòng khoá pha PLL trong đIện tử thông tin 6.1 tổng quan về Vòng khoá pha (Phase Locked Loop - PLL) Vòng khoá pha PLL l hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong đó tín hiệu hồi tiếp dùng để khoá tần số v pha của tín hiệu ra theo tần số v pha tín hiệu vo. Tín hiệu vo có thể có dạng tơng tự hình sine hoặc dạng số. ứng dụng đầu tiên của PLL vo năm 1932 trong việc tách sóng đồng bộ. 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 trong các mạch lọc, tổng hợp tần số, điều chế v giải điều chế, điều khiển tự động v.v . Có hng chục kiểu vi mạch PLL khác nhau, một số đợc chế tạo phổ thông đa dạng, một số đợc ứng dụng đặc biệt nh tách âm (Tone), giải mã Stereo, tổng hợp tần số. Trớc đây đa phần PLL bao gồm cả mạch số lẫn tơng tự. Hiện nay PLL số trở nên phổ biến. 6.2 Sơ đồ khối Tách sóng pha Lọc thông thấp khuếch đại một chiều VCO v i (t), f i V d (t) v dk (t) f o Hình 6.1 Sơ đồ khối của vòng giữ pha PLL v dc (t) v o (t), f o 2 + Tách sóng pha: so sánh pha giữa tín hiệu vo v tín hiệu ra của VCO để tạo ra tín hiệu sai lệch V d (t) + Lọc thông thấp: lọc gợn của điện áp V d (t) để trở thnh điện áp biến đổi chậm v đa vo mạch khuếch đại một chiều + Khuếch đại một chiều: khuếch đại điện áp một chiều V dk (t) để đa vo điều khiển tần số của mạch VCO + VCO (Voltage Controled Oscillator): bộ dao động m tần số ra đợc điều khiển bằng điện áp đa vo. 6.3 Hoạt động của mạch 6.3.1 Nguyên lý hoạt động Vòng khoá pha hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển m đại lợng vo v ra l tần số v chúng đợc so sánh với nhau về pha. Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát hiện v điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vo v ra. Nghĩa l PLL lm cho tần số của tín hiệu VCO bám theo tần số của tín hiệu vo. o f i f Khi không có tín hiệu v i ở ngõ vo, điện áp ngõ ra bộ khuếch đại V dc (t) =0, bộ dao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên f N đợc ci đặt bởi điện trở, tụ điện ngoi. Khi có tín hiệu vo v i , bộ tách sóng pha so sánh pha v tần số của tín hiệu vo với tín hiệu ra của VCO. Ngõ ra bộ tách sóng pha l điện áp sai lệch V d (t) , chỉ sự sai biệt về pha v tần số của hai tín hiệu. Điện áp sai lệch V d (t) đợc lọc lấy thnh phần biến đổi chậm V dc (t) nhờ bộ lọc thông thấp LPF, khuếch đại để thnh tín hiệu V dk (t) đa đến ngõ vo VCO, để điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vo. Đến khi tần số f 0 của VCO bằng tần số f i của tín hiệu vo, ta nói bộ VCO đã bắt kịp tín hiệu vo. Lúc bấy giờ sự sai lệch giữa 2 tín hiệu ny chỉ còn l sự sai lệch về pha m thôi. Bộ tách sóng pha sẽ tiếp tục so sánh pha giữa 2 tín hiệu 3 để điều khiển cho VCO hoạt động sao cho sự sai lệch pha giữa chúng giảm đến giá trị bé nhất. B L = f max f min f N f min f max B C = f 2 f 1 f 1 f 2 f N B C = f 2 f 1 f 1 f 2 a/ Dải bắt b/ Dải khóa Dải bắt B C (Capture range): ký hiệu B C =f 2 - f 1 , l dải tần số m tín hiệu vo thay đổi nhng PLL vẫn đạt đợc sự khoá pha, nghĩa l bộ VCO vẫn 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 có thể thiết lập chế độ đồng bộ (chế độ khóa). H ình 6.2 Dải bắt v dải khoa của PLL B C phụ thuộc vo băng thông LPF. Để PLL đạt đợc sự khóa pha thì độ sai lệch tần số (f i f N ) phải nằm trong băng thông LPF. Nếu nó nằm ngoi băng thông thì PLL sẽ không đạt đợc khóa pha vì biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh. (f i f N ) trong băng thông LPF đồng bộ đợc (f i f N ) ngoi băng thông LPF, không đồng bộ đợc Điện áp sau LPF f Hình 6.3 Điện áp sau bộ lọc thông thấp Giả sử mạch PLL đã đạt đợc chế độ khoá, VCO đã đồng bộ với tín hiệu vo. Bây giờ ta thay đổi tần số tín hiệu vo theo hớng lớn hơn tần số VCO thì VCO sẽ bám theo. Tuy nhiên khi tăng đến một giá trị no đó thì VCO sẽ không bám theo đợc nữa v quay về tần số tự nhiên ban đầu của nó. Ta lm tơng tự nh trên nhng thay đổi tần số tín hiệu vo theo hớng nhỏ hơn tần số VCO. Đến một giá trị no đó của tần số tín hiệu vo thì VCO sẽ không bám theo đợc nữa v cũng 4 trở về tần số tự nhiên của nó. Dải giá trị tần số từ thấp nhất đến cao nhất đó của tín hiệu vo đợc gọi l dải khoá. Từ đó ta định nghĩa: Dải khóa B L (Lock range): ký hiệu B L =f max - f min , l dải tần số m PLL đồng nhất đợc tần số f 0 với f i . Dải ny còn gọi l đồng chỉnh (Tracking range). Các tần số f max , f min tần số cực đại v cực tiểu m PLL thực hiện đợc khóa pha (đồng bộ). Dải khóa phụ thuộc hm truyền đạt (độ lợi) của bộ tách sóng pha, khuếch đại, VCO. Nó không phụ thuộc vo đáp tuyến bộ lọc LPF vì khi PLL khóa pha thì f i - f 0 = 0. Khi PLL cha khóa pha: f i f 0 . Khi PLL khóa pha: f i = f 0 . ở chế độ khóa pha, dao động f 0 của VCO bám đồng bộ theo f i trong dải tần khóa B L rộng hơn dải tần bắt B C . Ví dụ: VCO của một vòng khoá pha PLL có tần số tự nhiên bằng 12MHz. Khi tần số tín hiệu vo tăng lên từ giá trị 0Hz thì vòng PLL khoá tại giá trị 10MHz. Sau đó tiếp tục tăng thì nó sẽ bị mất khoá pha tại 16MHz. 1. Hãy tìm dải bắt v dải khoá. 2. Ta lặp lại các bớc trên nhng bắt đầu với tần số tín hiệu vo có giá trị rất cao, sau đó giảm dần. Hãy tính các tần số m PLL thực hiện khoá pha v mất khoá pha. B L = f max f min f N f min f max B C = f 2 f 1 f 1 f 2 8 10 14 12 16 MHz Hình 6.4 Dải bắt v dải khoá của PLL 1. Dải bắt: B B C = f 2 f 1 =2(12-10)=4MHz 5 Dải khoá: B B L = f max f min =2(16-12)=8MHz 2. Đáp ứng của vòng PLL có tính đối xứng, nghĩa l tần số tự nhiên tại trung tâm của dải khoá v dải bắt. Do đó, khi giảm tần số tín hiệu vo đến 14MHz thì PLL sẽ bắt đầu thực hiện khoá pha (VCO bám đuổi tín hiệu vo). Tiếp tục giảm tần số tín hiệu vo thì đến giá trị 8MHz PLL bắt đầu mất khoá pha (VCO không bám còn bám đuổi tín hiệu vo đợc nữa). 6.3.2 Các thnh phần của PLL 6.3.2.1 Bộ tách sóng pha (Phase Detector): còn gọi l bộ so sánh pha. Có ba loại tách sóng pha: 1. Loại tơng tự ở dạng mạch nhân có tín hiệu ra tỷ lệ với biên độ tín hiệu vo. 2. Loại số thực hiện bởi mạch số EX-OR, RS Flip Flop v.v . có tín hiệu ra biến đổi chậm phụ thuộc độ rộng xung ngõ ra tức l phụ thuộc sai lệch về pha giữa hai tín hiệu vo. 3. Loại tách sóng pha lấy mẫu. 1/ Bộ tách sóng pha tơng tự: X LPF v i = Asin( i t + i ) V d (t) V dc (t) v i = 2cos( 0 t + 0 ) Hình 6.5 Nguyên lý hoạt động của bộ tách sóng pha tơng tự Bộ đổi tần hay mạch nhân thực hiện nhân hai tín hiệu. Ngõ ra của nó có điện áp: )](t)sin[(A)](t)sin[(A)t(V iiiid 0000 +++++= Qua bộ lọc thông thấp LPF, chỉ còn thnh phần tần số thấp. Khi khóa pha ( i = 0 ) có V d = Asin ( i - 0 ). Điện áp ny tỷ lệ với biên độ điện áp vo A v độ sai pha e = I - 0 . Nếu e nhỏ, hm truyền đạt của bộ tách sóng pha coi nh tuyến tính. Dải khóa giới hạn trong | e | < /2. Ta có độ lợi tách sóng pha k tính đợc theo công thức: 6 k φ = A (V/radian) V d θ e (Radian) A -A π/2 - π/2 Asin( θ e ) H×nh 6.6 Hμm truyÒn ®¹t cña bé t¸ch sãng pha t−¬ng tù 2/ Bé t¸ch sãng pha sè: Dïng m¹ch sè EX-OR, R-S Flip Flop v.v . cã ®¸p tuyÕn so s¸nh pha d¹ng: V d θ e (radian) A -A π/2 -π/2 H×nh 6.7 Hμm truyÒn ®¹t cña bé t¸ch sãng pha sè §¸p tuyÕn tuyÕn tÝnh trong kho¶ng |θ e |≤π/2. §é lîi t¸ch sãng pha: k φ = A/( π /2) = 2A/ π T¸ch sãng pha sè EX-OR vμ ®¸p tuyÕn: V d π/2 π 2 V d θ π 0 B e 7 e Tách sóng pha số dùng R-S Flip Flop v đáp tuyến: V d Điện áp sai lệch biến đổi chậm V d tại ngõ ra bộ tách sóng pha số tỷ lệ với độ rộng xung ngõ ra tức l tỷ lệ độ sai lệch về pha e (hay tần số tức thời) của hai tín hiệu vo. 6.3.2.2 Lọc thông thấp LPF LPF thờng l mạch lọc bậc 1, tuy nhiên cũng dùng bậc cao hơn để triệt thnh phần AC theo yêu cầu. LPF có thể ở dạng mạch thụ động hay tích cực. Ngõ ra bộ tách sóng pha gồm nhiều thnh phần f 0 , f i , f i -f 0 , f i +f 0 , v.v . Sau LPF chỉ còn thnh phần tần số rất thấp (f i -f 0 ) đến bộ khuếch đại để điều khiển tần số VCO bám theo f i . Sau vi vòng điều khiển hồi tiếp PLL đợc đồng bộ (khóa pha) f i =f 0 , tần số phách (f i -f 0 )=0. Vòng khóa pha hoạt động chính xác khi tần số vo f i , f 0 thấp khoảng vi trăm KHz trở lại. 6.3.2.3 Khuếch đại một chiều Khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm (DC) sau bộ lọc thông thấp LPF. Độ lợi khuếch đại k A . S R Q V d e V ce e 2 0 R f C R 1 R C R f R 1 V B d V B 0 R 1 R B f V d Re Rc 8 6.3.2.4 VCO (Voltage controlled oscillator) L mạch dao động có tần số đợc kiểm soát bằng điện áp . Yêu cầu chung của mạch VCO l quan hệ giữa đIện áp điều khiển V dk (t) v tần số ra f o (t) phải tuyến tính. Ngoi ra mạch còn có độ ổn định tần số cao, dải biến đổi của tần sô theo điện áp vo rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh v thuận lợi cho việc tổ hợp thnh vi mạch (không có điện cảm). Về nguyên tắc có thể dùng mọi mạch dao động l tần số dao động có thể biến thiên đợc trong phạm vi %% 5010 ữ xung quanh tần số dao động tự do. Tuy nhiên các bộ dao động tạo xung chữ nhật đợc sử dụng rộng rãi vì loại ny có thể lm việc trong phạm vi tần số khá rộng (từ 1MHz đến khoảng 100MHz). Trong phạm vi từ 1MHz đến 50MHz thờng dùng các mạch dao động đa hi. +V cc -V cc V o , f o R c R c C C R R V dk Hình 6.9 Mạch VCO tiêu biểu 9 Hình 6.9 biểu diễn một mạch VCO dao động đa hi tiểu biểu. Khi nối đầu đIều khiển V dk với V cc thì đây l một mạch dao động đa hi thông thờng, khi tách ra v đặt điện áp đIều khiển V dk vo đầu đó thì tần số dãy xung ra biến thiên theo điện áp V dk . Cụ thể nếu V dk tăng thì thời gian phóng nạp của tụ giảm do đó tần số ra tăng v ngợc lại. Ta có đặc tuyến truyền đạt f o (V dk ) đợc biểu diễn nh hình 6.10 Miền lm việc f o [KHz] V dk [v] 1 ,1 1 ,0 0,9 - 5 0 5 Hình 6.10 Đặc tuyến truyền đạt f o (V dk ) tiêu biểu của VCO Ví dụ: V 0 f 0 (KHz) -2 -1 0 1 2 140 f N 100 60 Đặc tuyến truyền đạt của 1 VCO có dạng nh hình vẽ. Khi điện áp vo VCO bằng 0, tần số dao động tự do l f N . Khi điện áp điều khiển thay đổi một lợng V 0 , tần số ra thay đổi một lợng f 0 . 10 Độ lợi chuyển đổi V to f của VCO: k 0 = f 0 /V 0 (Hz/V) Tần số f N ở giữa vùng tuyến tính đáp tuyến. Ví dụ khi điện áp vo thay đổi từ 1V đến 1V, tần số tăng từ 60KHz đến 140KHz. Độ lợi chuyển đổi (hay độ nhạy k 0 ): VKHz V KHz V f k /40 )]1(1[ )14060( 0 0 0 = = = 6.4 ứng dụng của vòng khoá pha PLL 6.4.1 Bộ tổng hợp tần số đơn Nh đã đề cập trong các chơng trớc, trong các máy phát hoặc các máy thu đổi tần cần có các mạch dao động có thể thay đổi tần số để phát hoặc thu các kênh khác nhau. Trớc đây, ngời ta thực hiện thay đổi tần số mạch dao động LC bằng cách thay đổi giá trị của L hoặc C. Lúc đó chúng đợc gọi l các mạch dao động có thể thay đổi tần số VFO (Variable-frequency Oscillators). Tuy nhiên, mạch dao động thờng không có độ ổn định cao trong một dải tần số rộng do giá trị của L v C thờng thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm v các tác nhân khác. Đồng thời chúng thờng cồng kềnh v giá thnh cao. Việc sử dụng thạch anh trong mạch dao động có thể tăng độ ổn định tần số dao động lên rất cao, độ di tần tơng đối có thể giảm đến vi phần triệu trong khoảng thời gian di. Tuy nhiên, tần số của chúng chỉ có thể thay đổi rất nhỏ bằng cách thay đổi các tụ nối tiếp hoặc song song. Nghĩa l nó không tạo ra đợc các tần số khác biệt nhau. Nhiều năm gần đây ngời ta kết hợp các mạch dao động thạch anh có tần số ổn định với các chuyển mạch để tạo ra các tần số khác nhau cho các kênh. Tuy nhiên, giải pháp ny cũng tốn nhiều linh kiện v giá thnh cao. Gần đây, ngời ta thiết kế v đa vo sử dụng các bộ tổng hợp tần số dựa trên nguyên lý vòng khoá pha PLL. Nó cng ngy cng phổ biến v đợc dùng trong hầu hết các máy thu phát hiện đại do tính gọn nhẹ, không yêu cầu độ chính xác cơ khí cao, ứng dụng các thnh quả của công nghệ sản xuất vi mạch để nâng [...]... = 3.10 1 = 28PF fN Băng thông (PLL) chọn lọc tín hiệu sau LPF: 15KHz 13,3.10 6 C1 = = 887 PF B Chỉnh giảm = 75s CD = 8.10 3 = 9,38nF Dải khóa v ngỡng độ nhạy: Điện trở R1 điều chỉnh dải khóa v ngỡng độ nhạy NE 560 Mức tín hiệu điện áp nhỏ nhất ngõ vo VCO m PLL khóa pha gọi l ngỡng độ nhạy BL = 15% fN trong khi FM phát thanh có độ di tần 75KHz hay 1% fN (10,7MHz) Để giảm giải khóa, tăng giá trị R1 =... góc pha 0 phải bằng 0, dao động nội VLO(t) phải khóa pha với sóng mang, kiểu giải điều chế ny còn gọi l tách sóng đồng bộ hay tách sóng nhất quán (coherent Detector), có chất lợng hơn tách sóng không nhất quán khi tỷ số S/N nhỏ  16 Phase Detector DC Amp LPF VCO vAM(t) ì v0(t) LPF Hình 6. 18 Giải điều chế AM 6. 4 .6 Sử dụng trong FM Stereo 6. 4 .6. 1 Sơ đồ khối máy phát FM Stereo KĐ L + BPF KĐ R Đảo pha +... hiệu vo FM/IF input 1 CD R1 R1 Deemphasis CC CB +VCC C1 16 15 14 Giải điều chế FM CC C1 13 12 11 10 9 6 7 15k 8 NE 560 1 2 3 CO 4 5 VCO output Giải điều chế FM dùng PLL thực hiện bằng cách ci đặt tần số dao động tự Hình 6. 15 PLL giải điều chế FM (IC NE 560 ) do fN bằng tần số trung tâm tín hiệu FM ngõ vo có biên độ không đổi Trong nhiều ứng dụng cụ thể, trớc tách sóng pha PLL có mạch khuyếch đại độ hạn... thị độ giảm dải khóa từ 15% còn 1% hay bằng 15) 6. 4.3 Giải điều chế FSK FSK- dạng đặc biệt tín hiệu FM, chỉ có hai tần số điều tần Giải điều chế FSK liên quan đến tách (giải mã) tín hiệu quay số điện thoại nút nhấn v truyền tín hiệu số FSK Ngõ ra của PLL dùng cho giải điều chế FSK l hai mức điện áp FSK input Phase Detector Giải điều chế FSK LPF VCO Hình 6. 16 Giải điều chế FSK dùng PLL 6. 4.4 Đồng bộ tần... Nếu tín hiệu vo l điều tần, điện áp điều khiển VCO chính l điện áp giải điều chế FM PLL dùng để tách sóng FM dải hẹp hoặc dải rộng với độ tuyến tính cao Giả sử điện áp ra bộ tách sóng pha cực đại l Vd, điện áp ngõ vo VCO l kA.Vd, độ di tần cực đại: max = k0kAVd, k0: l độ lợi VCO kA vi(t) Phase Detector vdc LPF V0(t) Amp k0 VCO Hình 6. 14 Dải khóa BL = 2max = 2.k0kAVd Dải khóa hay còn gọi l dải đồng... 2 loa riêng rẽ, tạo thnh tín hiệu FM stereo 6. 4 .6. 4 ứng dụng PLL trong việc giải mã FM Stereo VC C Chia 2 Chia 2 Điều khiển VCO 76KH z Tách sóg pha Tách sóng 19KHz KĐ đệm Sóng báo fps=19KHz KĐ L Giải mã FM stereo (L-R) Ma trận (L(L+R) KĐ R 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 hoặc chơng... chế tạo nên PLL Đồng thời khi kết hợp với thạch anh, nó có khả năng tạo ra dải tần rộng, độ chính xác cao, giá thnh thấp fref Bộ tách sóng pha f0/N LPF VCO f0 = Nfref ữN Bộ chia lập trình đợc Hình 6. 11 Bộ tổng hợp tần số đơn Bộ tổng hợp tần số đơn đợc thiết kế bằng cách đa tín hiệu chuẩn từ dao động thạch anh vo so pha một mạch PLL có bộ chia lập trình đợc nh hình 6. 11 Khi PLL thực hiện khoá pha, thì... tần số của sóng mang chính nhằm nâng cao chất lợng của đi phát 6. 4 .6. 2 Phổ của tín hiệu FM Stereo 100% 50% 10% f 30Hz 19KHz 37,97KHz 38,03KHz 23KHz 15KHz 53KHz 67 KHz Hình 6. 20 Phổ của tín hiệu FM Stereo 6. 4 .6. 3 Sơ đồ khối máy thu FM Stereo Mạch AFC có nhiệm vụ tạo ra tần số dao động fsc = 38KHz v kiểm soát fcho dao động chạy đúng tần số v pha của đi phát để đa vo mạch giải mã FM Steero Tín hiệu sóng... N để tạo ra tần số bất kỳ trong dải tần AM Chẳng hạn, tại tần số thấp nhất của băng tần: N= fo 540 KHz = = 54 f ref 10 KHz tại tần số cao nhất của băng tần: N = f o 1700 KHz = = 170 f ref 10 KHz 6. 4.2 Giải điều chế FM Nếu PLL khóa theo tần số tín hiệu vo, điện áp ngõ vo VCO tỷ lệ với độ dịch tần số VCO kể từ fN Nếu tần số vo thay đổi, điện áp điều khiển VCO dịch tơng ứng trong khoảng đồng chỉnh BL... FSK input Phase Detector Giải điều chế FSK LPF VCO Hình 6. 16 Giải điều chế FSK dùng PLL 6. 4.4 Đồng bộ tần số ngang v dọc trong TV > 15 fsyn Phase Detector LPF VCO f0 = fsyn Hình 6. 17 mạch đồng bộ 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 đó tín hiệu điều chế thấp m(t) = Vmcosmt có thể đợc giải điều chế bằng cách nhân với tín hiệu sóng mang VLO(t) =Acos(0t . Chơng 6 Vòng khoá pha PLL trong đIện tử thông tin 6. 1 tổng quan về Vòng khoá pha (Phase Locked Loop - PLL) Vòng khoá pha PLL l hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong. tuyến bộ lọc LPF vì khi PLL khóa pha thì f i - f 0 = 0. Khi PLL cha khóa pha: f i f 0 . Khi PLL khóa pha: f i = f 0 . ở chế độ khóa pha, dao động f 0 của