Thiết kế và thi công FM 2 kênh nhập tần số phần 2

Thiết kế và thi công FM 2 kênh nhập tần số

PHẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay, khoa học kỹ thuật trên Thế Giới có nhiều tiến bộ, nhiều thành tựu đáng kể Nhất là lĩnh vực khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin, phát thanh số, phát hình số… đã và đang phát triển rất mạnh Các thiết bị điện tử ngày càng tinh gọn, siêu nhỏ nhưng tính năng và hiệu quả làm việc của chúng thì rất cao và bền

Ở nước ta truyền thanh được sử dụng rộng rãi trong đời sống người dân Nhờ truyền thanh mà đời sống văn hóa, xã hội của người dân được nâng lên, nắm bắt nhiều thông tin, cập nhật hàng ngày tin tức trong nước và trên thế giới Đặc biệt, nước ta còn có rất nhiều vùng dân tộc thiểu số, nhà nước đang ra sức cập nhật thông tin đến người dân một cách nhanh chóng, thì đài truyền thanh của địa phương sẽ đưa thông tin đến người dân về mọi phương diện như dân số, khoa học quân sự, y tế, giáo dục, đời sống…một cách nhanh chóng và hiệu quả nhất Từ đó ta thấy truyền thanh là một lĩnh vực rất cần thiết trong một nước Do đó ta thấy càng phải nghiên cứu, học hỏi và phát triển lĩnh vực phát thanh để phục vụ nhu cầu của nhân dân

Đồng thời từ thực tế công việc thực tập: Chuyên sản xuất thiết bị phát thanh chuyên dụng, trong đó có máy Thu FM điều khiển tắt mở từ xa theo đơn đặt hàng nên muốn thử máy thu ở nhiều tần số thì phải làm nhiều máy phát có tần số khác nhau hoặc một máy phát có các công tắc gạt để chọn tần số hoặc phải dùng tụ xoay nhưng nhiều khi bị trôi tần số, và rất mất công

Kết hợp những điều đó, với tất cả những kiến thức được học và tìm hiểu, nghiên cứu sách vở, tài liệu, các dạng mạch thực tế đã thúc đẩy tôi thực hiện đề tài “Cài đặt tần số Máy Phát FM bằng bàn phím”, trước mắt là để giải quyết những khó khăn bất tiện cho nhà sản xuất những thiết bị chuyên dụng này

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu lý thuyết về mạch phát tín hiệu

Tìm hiểu, nghiên cứu để thiết kế mạch cho mô hình máy phát FM nhập tần số bằng bàn phím

Dựa vào tài liệu trên mạng, các luận văn, sách để tham khảo và ứng dụng vào luận văn

Thi công máy phát FM cài đặt tần số bằng bàn phím với công suất nhỏ, kiểm tra IC phát tín hiệu bằng máy thu FM, lập trình điều khiển chọn tần số và hoàn thiện mạch bằng cách chạy thử nghiệm nhiều lần

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

Căn cứ vào nội dung đề tài, người thực hiện sẽ tiến hành theo các chương Trong quá trình thi công thì cố gắng tìm hiểu, đọc thêm tài liệu có liên quan để hoàn thành mạch thực tế một cách tốt nhất

Mỗi chương sau khi hoàn thành sẽ gửi cho giáo viên hướng dẫn xem, góp ý, chinh sửa

Cố gắng thực hiện luận văn đúng thời gian quy định

PHẦN NỘI DUNG

Chương 1: GIỚI THIỆU MÁY PHÁT VÀ MÁY PHÁT FM CƠ BẢN

1.1 Định nghĩa và phân loại máy phát

Một hệ thống thông tin bao gồm: máy phát, máy thu, và môi trường truyền sóng Trong đó máy phát là một thiết bị phát ra tín hiệu dưới dạng sóng điện từ được điều chế dưới một hình thức nào đó

Sóng điện từ còn gọi là sóng mang hay tải tin làm nhiệm vụ chuyển tải thông tin cần phát đi đến nơi thu (máy thu) Thông tin này được lồng vào (gắn vào) tải tin (sóng mang) bằng hình thức điều chế thích hợp

Máy phát phải phát đi công suất đủ lớn để cung cấp tỉ số tín hiệu trên tạp âm (S/N: signal/ noise) đủ lớn cho máy thu Máy phát phải sử dụng sự điều chế chính xác để bảo vệ các thông tin được phát đi, không bị biến dạng quá mức Ngoài ra, các tần số hoạt động của máy phát được chọn căn cứ vào các kênh và vùng phủ sóng theo qui định của hiệp hội thông tin quốc tế Các tần số trung tâm (sóng mang) của máy phát phải có độ ổn định tần số cao Do đó cần quan tâm một số chỉ tiêu kỹ thuật của máy phát như sau:

¾ Công suất ra của máy phát

¾ Độ ổn định tần số : ∆f/f0 = 10-3 - 10-7

¾ Các chỉ số điều chế : AM (mAM) ; FM ( mFM) ¾ Dải tần số điều chế

Phân loại máy phát: Người ta phân loại máy phát dựa chủ yếu theo các điều kiện sau đây:

a Theo công dụng: Được phân loại theo sơ đồ miêu tả sau:

Hình 1.1: Phân loại máy phát theo công dụng b Theo tần số: Cũng phân loại tương tự như máy thu

* Đối với phát thanh:

• Từ (3 ÷ 30) KHz ≈ (100 km ÷ 10 km ): Đài phát sóng cực dài (VLW) • Từ (30 ÷300) KHz ≈ ( 10km ÷ 1km): Đài phát sóng dài (LW)

• Từ (300 ÷3000) KHz ≈ (1 Km ÷ 100m ): Đài phát sóng trung (AM/MW) • Từ (3 ÷30) MHz ≈ (100m ÷ 10m ): Đài phát sóng ngắn ( SW)

* Đối với phát hình:

• Từ (30 ÷300) MHz ≈ (10 m ÷ 1m): Đài phát sóng mét • Từ (300 ÷3000) MHz ≈ (1 m ÷ 0,1m): Đài phát sóng dm

* Đối với thông tin viba và rađa:

• Từ (3÷30) GHz ≈ (0,1 m ÷ 0,01m): Đài phát sóng cm • Từ (30 ÷ 300) GHz ≈ (0,01 m ÷ 0,001m): Đài phát sóng mm c Theo phương pháp điều chế:

• Máy phát điều biên (AM) • Máy phát đơn biên (SSB)

• Máy phát điều tần (FM) và máy phát điều tần âm thanh nổi (FM stereo) • Máy phát điều xung (PM)

Ngày nay, máy phát số đang được nghiên cứu để ứng dụng vào tất cả các loại máy phát thông tin số, phát thanh số, phát hình số …

d Theo công suất:

• Máy phát công suất nhỏ: Pra < 100 W

• Máy phát công suất trung bình: 100W ≤ Pra ≤ 10 KW • Máy phát công suất lớn: 10 KW ≤ Pra ≤ 1000 KW • Máy phát công suất cực lớn: Pra ≥ 1000 KW

Các máy phát có Pra nhỏ có thể sử dụng hoàn toàn bằng transistor; còn lại loại khác có Pra vừa và lớn, cực lớn thì phải dùng các đèn điện tử đặc biệt

1.2 Máy phát FM cơ bản

Hình 1.2: 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 cao tần đến mức cần thiết để kích 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 thể có 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 tầng khuếch 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 số làm 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

Chương 2: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ VÒNG KHOÁ PHA (PLL)

Điều chế (tương tự) là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tác động vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông số nào đó (biên độ, tần số hoặc góc pha) của tín hiệu cao tần theo tin tức Trong trường hợp này, tin tức được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần gọi là sóng mang, còn dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế Sóng được điều chế nhằm 2 mục đích:

+Sóng đã điều chế thỏa mãn điều kiện truyền của môi trường truyền tin vì môi trường này không truyền được tín hiệu gốc Sóng truyền được tin tức (thông tin) gọi là sóng mang

+Tạo điều kiện ghép nhiều kênh truyền tin để truyền qua cùng một môi trường Có nhiều kỹ thuật điều chế tùy thuộc vào bản chất của tín hiệu gốc và môi trường truyền Trong kỹ thuật phát thanh, tín hiệu gốc là tín hiệu tiếng, môi trường truyền trong không gian truyền được sóng điện từ Vào những ngày đầu, kỹ thuật điều biến biên độ sóng cao tần đã được áp dụng, vài mươi năm sau thì kỹ thuật điều biến tần số được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật truyền (phát) thông tin, nhờ nó có đặc tính chống nhiễu tốt

Trong thời gian nghiên cứu hạn hẹp, người nghiên cứu xin trình bày về kỹ thuật điều biến tần số sóng cao tần (FM: Frequency Modulation), cách ổn định tần số trung tâm của tín hiệu điều tần và tìm hiểu về vòng khoá pha PLL

2.1 Điều biến tần số sóng cao tần (điều tần)

Về cơ bản đây là mạch dao động LC được tín hiệu điều biến làm biến thiên L hoặc C để thay đổi tần số f =

của mạch dao động Mạch thay đổi L gọi là mạch điều biến cảm kháng, mạch thay đổi C gọi là mạch điều biến điện dung

Sau đây là phần trình bày một số mạch điều tần trực tiếp:

2.1.1, Điều tần dùng Transistor điện kháng:

Muốn tần số tải tin (fc =

1 ) thay đồi theo qui luật của điện áp điều chế ( ký hiệu

là VΩ), ta phải dùng 1 phần tử điện kháng (đèn điện tử, transistor,…) được điều khiển bởi điện áp điều chế VΩ

Hình 2.1: Cách điều tần dung Transistor điện kháng

Ta biết phần tử điện kháng L,C có điện áp và dòng điện lệch nhau 900

( jXL =

và

Vjx1 = )

Nếu ta dùng 1 mạch transistor mắc theo kiểu EC thì điện áp và dòng điện ra ngược pha 1800 (ϕa =1800 ) Như vậy ta chỉ cần làm cho điện áp ra hoặc dòng điện ra quay pha đi 900 là ta được phần tử điện kháng tương đương (Ltđ hoặc Ctđ) Ta có 4 cách mắc phần tử điện kháng như bảng sau:

Cách

mắc Sơ đồ nguyên lý Đồ thị vecto

Trị số điện kháng

Tham số tương đương Mạch

phân áp RC

Z=jωRC/S Với S: hỗ dẫn I= SVBE

Mạch phân áp RL

SRCLtñ =

RLSCtñ =

Mạch phân áp CR

Mạch phân áp LR

Với mạch phân áp RC, ta tính được:

Z =

Nếu chọn các linh kiện sao cho 1/jωc << R thì trở kháng Z có thể xác định theo biểu thức gần đúng sau đây:

Z ≈ S

jω =jXL =jω Ltđ với Ltd = .SCR

Tương tự như vậy, ta có thể chứng minh cho các sơ đồ trong bảng trên Các tham số tương đương của các phần tử điện kháng đều phụ thuộc vào hỗ dẫn S Như vậy, nếu ta đặt điện áp điều chế VΩ vào Base của phần tử điện kháng thì hỗ dẫn của transistor S sẽ thay đổi theo VΩ và có nghĩa là Ltd hay Ctđ sẽ thay đổi theo VΩ Như vậy ta đã thực hiện được việc điều tần Nhưng muốn tín hiệu điều tần không bị méo thì hỗ dẫn trung bình S0 phải tỉ lệ tuyến tính với VΩ Nếu đặc tuyến V-A là bậc 2 (FET) thì ta có :

Ira = a0 +a1+ VΩ.+a2VΩ2 Nên S0 =

= a1 +2a2 VΩ.

RsjwL

Ta thấy S0 tỷ lệ tuyến tính với VΩ nên Δω cũng tỉ lệ với VΩ Do đó tín hiệu điều tần không bị méo Nhưng nếu dùng transistor làm phần tử điện kháng thì có méo phi tuyến rõ rệt và tương đối lớn do đặc tuyến V-A của transistor có bậc lớn hơn 2 Vì vậy, muốn dùng transistor để điều tần, người ta thường khống chế các tham số điện dung ký sinh giữa các tiếp giáp, nhưng các tham số điện dung chỉ đáng kể ở tần số cao và cũng chỉ cho độ di tần rất hẹp: Δω ≤ 15KHz

Khi tìm hiểu sâu hơn là khi thực hiện điều tần bằng phương pháp điện kháng thường xuất hiện điều biên ký sinh do:

+ Do điện trở vào của phần tử điện kháng Zi mắc song song 1 phần với mạch cộng hưởng nên làm hệ số phẩm chất Q giảm, biên độ điện áp cao tần giảm và khi VΩ được đưa vào đầu vào thì Zi thay đổi làm Q thay đổi dẫn đến VΩ thay đổi làm xuất hiện điều biên ký sinh

+ Khi điện áp nguồn cung cấp thay đổi cũng gây ra hiện tượng điều biên ký sinh nên ta phải ổn định nguồn cung cấp

Do đó sau bộ điều tần ta phải dùng 1 bộ hạn chế biên độ để giữ cho điện áp tải tin không đổi (Vvo = const)

Điều tần dùng làm phần tử điện kháng được dùng ở fc ≤ 50MHz và đặt được lượng di tần Δω/ωo ≤ 2%

Trong mạch điện trên đây, T1 là phần tử điện kháng cảm tính với Ltđ = 1

TSCRvà

T2 là phần tử điện kháng dung tính với Ctđ = CRST2 Khi VΩ tăng thì ST1 tăng và ST2giảm làm cho Ltđ và Ctđ đều giảm, do đó tần số tăng nhanh hơn theo điện áp điều chế VΩ và lượng di tần tăng lên gấp đôi (nếu T1,T2 có tham số giống nhau) Nếu Vcc tăng →ST1 tăng và ST2 tăng → Ltđ giảm và Ctđ tăng Nếu T1, T2 hoàn toàn đối xứng thì lượng tăng của Ctđ sẽ bù được lượng giảm của Ltđ, do đó có thể coi tần số trung tâm ω0( fc) không đổi

2.1.2, Điều tần bằng Diode Tunel

Hình 2.2: Điều tần bằng Diode Tunel

Người ta có thể đưa điện áp ngược vào 2 đầu Diode để thay đổi điện dung tiếp giáp của Diode theo tín hiệu điều chế âm tần Khi đó:

C≈ với k : hằng số (const)

VĐ ≤ 0,8VĐ (Đánh thủng)

Nhưng do CĐ biến đổi trong 1 phạm vi rất nhỏ và không tuyến tính, nên nó chỉ được sử dụng trong các mạch tự động điều chỉnh tần số, mà không dùng để tạo nên tín hiệu điều tần Để tạo tín hiệu FM ta có thể dùng Diode Tunel như hình trên

+ R1, R2 tạo phân cực cho Diode Tunel nằm ở đoạn có điện trở âm + C1 : cho điện áp âm tần đi qua, ngăn điện áp 1 chiều

+ C2: ngắn mạch điện áp cao tần không cho vào nguồn cung cấp Vcc

Đối với Diode Tunel tần số dao động của mạch biến thiên theo điện áp phân cực

Hình 2.3: Đặc tuyến V-A

Nhìn vào sơ đồ đặc tuyến Vôn-ampe và R-, ta nhận thấy chỉ cần 1 sự thay đổi nhỏ của điện áp phân cực cũng gây nên sự biến thiên lớn của điện trở phân cực cũng gây nên sự biến thiên lớn của điện trở âm và làm cho tần số dao động thay đổi theo biểu thức sau

K( + )− ( + ).=

I giảm làm cho f0 giảm xuống

Mạch điều tần bằng Diode Tunel khá đơn giản và tuyến tính hơn dùng Diode thường, song độ di tần khá hẹp (Δω nhỏ)

Ta thấy tạo tín hiệu điều tần bằng đèn điện kháng, bằng Diode và Diode Tunel có độ di tần hẹp do chúng không trực tiếp tác động lên tần số dao động f0 Từ khi Varicap ra đời, người ta chủ yếu sử dụng nó làm phần tử điều tần vì điện dung của nó thay đổi theo điện áp phân cực và trực tiếp làm thay đổi tần số dao động Ở phạm vi tần số dao động cao khi CV thay đổi làm cho f0 thay đổi rất nhiều tạo nên độ di tần lớn và đặc tuyến của Varicap tuyến tính, tính chống nhiễu, không tiêu thụ năng lượng nên nó được dùng để điều tần rất tốt

2.1.3, Điều tần bằng Varicap

Hình 2.4: Sơ đồ mắc mạch của Varicap

Tùy theo cách mắc varicap vào khung cộng hưởng, ta có thể tính gần đúng độ di tần do varicap gây ra theo VΩ (giả thiết đã loại bỏ được điện áp cao tần trên varicap, lúc đó Δe = const) Ta có các cách mắc sau:

Hình 2.5:Các cách mắc Varicap Và có các cách tính gần đúng như sau:

Theo như sơ đồ mắc mạch varicap lúc đầu tiên giới thiệu thì ta thấy điện áp cao tần trên LK, CK sẽ phân cực thuận varicap trong một phần chu kỳ làm cho dòng rỉ của varicap tăng lên Khi đó dẫn đến hiện tượng là hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng giảm và tạo nên sóng hài khi varicap được phân cực liên tiếp âm, dương Để khắc phục hiện tượng này ta có các phương pháp sau:

Đơn giản nhất là ta tính toán để sao cho Diode luôn luôn phân cực ngược khi trên nó có cả điện áp cao tần Điện áp đặt lên Diode:

VP = V0 cosω0t + VΩCosΩt - Vpc

VDmax = V0 + VΩ - Vpc ≤ 0

Nhưng điện áp ngược đặt lên Diode cũng không được vượt quá trị số cho phép, nó đồng thời phải thỏa mãn công thức sau:

Ta mắc thêm tụ ghép Cgh giữa Varicap và mạch dao động Chọn Cgh << CV, nó sẽ ngăn không cho điện áp cao tần xuất hiện trên varicap Nhưng như vậy khi V0 thay đổi CV thay đổi, nhưng

sẽ thay đổi chưa ít, nên độ đi tần sẽ hẹp

Hình 2.6: Mắc thêm tụ ghép

Hình 2.7: Cách mắc Varicap đẩy kéo

Để khắc phục cả 2 nhược điểm trên, ta không mắc Cgh, mà mắc 2 varicap ngược nhau (hình 2.13) Cách mắc này gọi là mắc đẩy kéo varicap Hai varicap được phân cực cùng một lúc Khi tín hiệu cao tần áp vào 2 varicap giống nhau, nó sẽ lái chúng đến những giá trị điện dung cao và thấp luôn phiên nhau Do đó điện dung đóng trong mạch gần như không thay đổi theo điện áp cao tần, mà chỉ thay đổi theo điện áp âm tần Khi đó, để varicap phân cực ngược, ta chỉ cần thỏa mãn điều kiện:

VDmax = VΩ – Vpc ≤ 0 và VDmin = ⏐-VΩ - Vpc⏐ ≤ Vng cho phép

™ Khi điều tần dùng varicap cần chú ý những đặc điểm sau:

Luôn luôn phân cực ngược cho varicap để tránh ảnh hưởng của Rv đến phẩm chất của bộ dao động, nghĩa là đến độ ổn định tần số của mạch

Phải hạn chế khu vực làm việc trong đoạn tuyến tính của đặc tuyến Cv = fcv để giảm méo phi tuyến Lượng di tần tương đối khi điều tần dùng varicap đạt khoảng 1% Dùng varicap để điều tần thì kích thước bộ điều tần nhỏ, và có thể điều tần ở tần số siêu cao, khoảng vài trăm MHz

2.2 Ổn định tần số trung tâm của tín hiệu điều tần

Trong các máy phát điều tần, nếu tần số trung tâm không ổn định thì nó trực tiếp làm méo và làm sai lệch tín hiệu điều chế vì tin tức chứa đựng trong độ di tần Chính vì vậy, người nghiên cứu đưa ra các biện pháp ổn định tần số trung tâm f0

2.2.1, Đối với điều tần trực tiếp bằng thạch anh

Cho thạch anh dao động ở tần số cộng hưởng riêng ω làm bộ tạo dao động Khi đóng ω = Const, thay đổi Cq theo điện áp điều chế VΩ, ta sẽ tạo ra độ di tần

Hình 2.8: Sơ đồ tương đương của thạch anh

Thay đổi Cp bằng cách thay đổi điện dung tiếp giáp của đèn điện tử, transistor hoặc FET, mắc varicap hay đèn điện kháng song song với thạch anh Nhưng do độ di tần tương đối nhỏ ( 001

) nên điều tần trực tiếp bằng thạch anh chỉ được sử dụng trong các máy phát thoại quốc tế (∆f ≤ 6 Khz)

2=ω−ω=ωΔ

2.2.2, Sử dụng thạch anh làm bộ tạo dao động để ω0 = Const

Sau đó dùng bộ điều chế pha để tạo tín hiệu điều tần Khi đó ta đạt được độ méo phi tuyến nhỏ (Y ≤ 1%), nhưng độ di tần vẫn còn khá nhỏ Vì vậy, phương pháp này chỉ dùng trong các máy phát thoại quốc tế có độ di tần nhỏ (∆f ≤ 6KHz) và độ méo phi tuyến nhỏ (Y ≤1%)

2.2.3, Thay đổi nguồn cung cấp

Trong bộ điều tần sử dụng các nguồn cung cấp được ổn định và được bù nhiệt bởi các điện trở hoặc các linh kiện có hệ số nhiệt âm (Khi T0 tăng thì C giảm, R giảm) Vì khi điện áp nguồn cung cấp thay đổi, làm điện dung ký sinh của Transistor thay đổi, dẫn tới tần số cộng hưởng trung tâm thay đổi theo hoặc khi điện áp phân cực cho varicap thay đổi, làm điện dung Cv thay đổi dẫn đến f0 thay đổi Nhưng phương pháp này chỉ ổn định được tần số trung tâm f0 khi T0 thay đổi, còn khi độ ghép hay điện trở tải thay đổi thì f0 vẫn thay đổi

2.2.4, Sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh tần số (AFC)

Hình 2.9: Hệ thống tự động điều chỉnh tần số (AFC)

Để có độ di tần lớn, ta phải dùng bộ tạo dao động bằng LC Nhưng khi đó độ mất ổn định sẽ lớn (εLC ≤ 10-3 ) Vì vậy ta phải dùng hệ thống AFC để ổn định tần số trung tâm

Bộ dao động thạch anh tạo ra ftg có độ ổn định cao (ε ≤ 10-6) Nguyên lý hoạt động:

+ Nếu do Vcc thay đổi hay T0 thay đổi làm cho f0 thay đổi dẫn đến fra thay đổi fra = f0 ± Δfss Tần số ra fra được đưa vào bộ đổi tần để so sánh với tần số chuẩn fTA

+ Bộ đổi tần dùng để hạ thấp fra để để tách sóng (vì nếu không có nó thì ở tần số cao, mf nhỏ làm cho I0 = 0, ta không thể so sánh giữa fra và fTA được)

+ Ở đầu ra bộ đổi tần cũng có mạch lọc để chỉ giữ lại thành phần tần số trung gian: ftg = fra – fTA = f0 ± Δfss - fTA

+ Bộ tách sóng được điều chỉnh cộng hưởng lại: ftg0 = f0 - fTA

+ VĐC sau bộ lọc thông thấp tác động varicap làm cho fra thay đổi về đúng tần số trung tâm f0 (fra Æ f0)

Nếu đem xếp chồng đặc tuyến lại, ta thu được đặc tuyến sau điều chỉnh Δfcòn = f(VĐC) Nghĩa là nhờ hệ hệ thống AFC mà sai số ban đầu Δfđầu giảm xuống còn Δfcòn

(a) (b) (c) Hình 2.10: (a) Đặc tuyến tách sóng (VTS = f (Δfss)

(b) Đặc tuyến điều chỉnh ∆fĐC = f (VĐC) (c) Đặc tuyến tách sóng sau điều chỉnh

Hệ số điều chỉnh của AFC:

Với: STS, SĐC là độ dốc của đặc tuyến tách sóng và đặc tuyến điều chỉnh (đặc tuyến của varicap: SĐC = S varicap)

Xét độ bất ổn định của chúng

Trong đó:

: độ bất ổn định tần số của thạch anh thường rất nhỏ (≤10-6)

: độ bất ổn định tương đối của bộ tách sóng Để giảm nhỏ nó ta cần phải ổn định các tham số của bộ tách sóng Mặt khác ta chọn ftg << fra để tỷ số ftg/ fra giảm xuống

: độ bất ổn định tương đối ban đầu của máy phát (ε≤10-3) Như vậy , để

nhỏ thì kAFC phải rất lớn.Trong thực tế kAFC ≤ 100 vì còn phụ thuộc hằng số thời gian của mạch thông thấp

fΔ

2.2.5, Sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh tần số pha (AFC - P):

Hình 2.11: Điều tần dùng hệ thống AFC-P

+ Hệ thống này chỉ khác so với sơ đồ AFC tần số ở chỗ có thêm hai bộ chia tần số và phần tử so sánh ở đây là bộ tách sóng pha Bộ chia tần số (n1) để tạo 1 tín hiệu FM có chỉ số điều chế không lớn vì khi mf nhỏ thì J0 >> Jn Điều đó đảm bảo cho bộ tách sóng pha làm việc bình thường

Bộ chia thứ 2 (n2) là chia tần số thạch anh vì thạch anh thường có tần số cộng hưởng riêng cao

+ Hai tín hiệu sau hai bộ chia n1, n2 được đưa tới bộ tách sóng pha để so sánh Nếu hai tín hiệu có (fra/n1 = fTA/n2) thì sai pha giữa chúng Δϕ = 0 nên VTS = 0 Khi fra / n1 ≠ fTA/n2 thì sai pha giữa chúng Δϕ ≠ 0 và VTS = f(Δϕ)

+ Mặt khác khi điện áp điều chế VΩthay đổi làm fra thay đổi theo, dẫn đến Δϕ ≠ 0 Æ VTS ≠ 0, vì vậy ta phải dùng bộ lọc thông thấp chỉ cho qua những sai pha có tần số biến thiên chậm 0 ÷ 20Hz

+ VĐC sau bộ lọc thông thấp được đưa tới varicap làm Cv thay đổi, fra thay đổi sao cho fra tiến dần tới f0 Như vậy ta đã ổn định được tần số trung tâm: f0

Ưu điểm của hệ thống AFC – P: là chỉ cần một sự thay đổi nhỏ của tần số cũng dẫn tới 1 sự dịch pha lớn, do đó gây ra VTS lớn và VĐC lớn

VD: Δfss = 1 Hz thì ϕ = 2π = 3600, chính vì vậy mà hệ thống này có thể điều chỉnh tần số một cách chính xác (ε = εm = 10-6) Nhưng sự biến thiên về pha tương đối chậm nên hệ thống AFC – P chỉ phản ứng rất nhạy với những sai lệch tần số rất nhỏ

Như vậy ưu điểm của hệ thống AFC – P là khuyết điểm của hệ thống AFC và ngược lại Bởi vậy, muốn có dài bắt rộng và độ chính xác cao ta phải dùng vòng giữ pha (PLL) hoặc phải kết hợp cả hai hệ thống AFC và AFC-P

2.3 Vòng khoá pha PLL (Phase Locked Loops)

Ngày nay, với kỹ thuật phát triển, nhất là sự ra đời của các mạch tích hợp, PLL đã trở thành 1 hệ thống đa năng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến điện tử, truyền hình, truyền số liệu, đo lường… cũng như dùng để tổng hợp tần số, đề điều chế, giải mã hay đồng bộ tín hiệu quét…

2.3.1,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:

¾ Khả năng hoạt động ở tần số cao:

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

¾ Sự độc lập về khả năng chọn lọc và điều hưởng tần số trung tâm:

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

¾ Dễ dàng trong việc điều hưởng:

PLL có thể được điều hưởng theo 1 tần số yêu cầu nào đấy, bởi sự chọn lọc riêng của “tần số chạy tự do VCO” Tần số này thông thường được quyết định bởi phần tử đơn bên ngoài (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 như trên, PLL vẫn không thể thay thế hoàn toàn cho những bộ lọc cộng hưởng LC hay bộ lọc tích cực RC trong tất cả các ứng dụng vì:

¾ Sự thiếu thông tin về biên độ tín hiệu:

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 hồi tiếp) thì không những lọc được tần số mong muốn mà tại tần số đó biên độ tín hiệu là cực đại

¾ Sự khó khăn trong vấn đề tự động điều chỉnh hiệu số khuếch đại (AGC):

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

2.3.2, Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của PLL

PLL là 1 hệ thống hồi tiếp gồm có 1 bộ so pha thực chất là bộ tách sóng pha, bộ lọc thông thấp (LTT) và bộ khuếch đại sai số trên đường truyền tín hiệu thuận và bộ tạo dao động được điều chỉnh bằng điện áp (VCO) trên đường hồi tiếp

Thực chất, PLL hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào và 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 sót về tần số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra, nghĩa là PLL làm cho tần số ra ω0 của tín hiệu so sánh theo tần số vào ωi của tín hiệu vào Bộ tách sóng pha sẽ tạo ra 1 điện thế tỷ lệ với sự sai pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của VCO Tín hiệu sai số này Vp(t) qua bộ lọc thông thấp để loại trừ nhiễu và những thành phần không mong muốn, sau đó khuếch đại và đưa đến VCO Tín hiệu điều chỉnh này sẽ làm thay đổi tần số dao động của VCO sao cho tín hiệu tần số của tín hiệu vào và tín hiệu ra giảm dần và tiến tới 0, nghĩa là : ω0 = ωi…

Để hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của hệ thống PLL, ta xét đặc tuyến truyền đạt tần số – điện áp của vòng khóa pha PLL như sau:

Giả sử ở cửa vào của hệ thống có một tín hiệu hình sin mà tần số của nó biến thiên chậm trong phạm vi toàn bộ dải tần, còn trên trục trong ghi các giá trị tương ứng của điện áp tín hiệu sai số

Hình 2.13: Đặc tuyến truyền đạt tần số – điện áp của vòng khóa pha PLL

Qua đặc tuyến trên, ta nhận thấy rằng, vòng PLL không đáp ứng với tín hiệu vào cho tới khi tần số của nó đạt giá trị f1 = (f0 - fc) với fc là tần số cắt của bộ lọc thông thấp Tần số f1 tương ứng với biên giới của dải bắt Tại fI = f1, vòng khóa pha PLL khóa đầu vào một cách đột ngột gây ra một bước nhảy âm của vòng điện áp sai số Sau đó khi tần số vào fI tăng lên tiếp tục, điện áp khống chế Vd thay đổi theo tần số với một độ dốc bằng sự nghịch đảo của độ lợi VCO và tiến đến giá trị “0” tại fI = f0

Vòng còn duy trì đồng bộ đầu vào cho đến khi tần số số đầu vào đến f2, tương ứng với biên trên của dải đồng bộ hay dải giữ Khi mà fI > f2, vòng PLL vượt ra ngoài dải đồng bộ, tức là PLL hết duy trì sự đồng bộ, điện áp sai số đột ngột trở về giá trị “0” và VCO trở lại “ chạy tự do” ở tần số dao động của nó

Nếu tín hiệu đầu vào có tần số biến thiên chậm theo hướng ngược lại, (xét đặc tuyến b) thì chu trình hoạt động được lặp lại như hình trên (a) Vòng bắt trở lại tín hiệu tại f3 và giữ nó cho đến tận f4 với f3 = ⏐f0 + fc⏐

Dải tần số giữa (f1, f3) và giữa (f2, f4) tương ứng với dải bắt và dải giữ (hay đồng bộ) của hệ thống PLL:

Dải bắt 2Δfb = f3 – f1Dải giữ 2 Δfg = f4 – f2

Ta nhận thấy rằng dải bắt là dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải có tần số nằm trong phạm vi của nó để PLL có thể thiết lập được chế độ đồng bộ Còn khi hệ thống đã ở chế độ đồng bộ thì tần số VCO có khả năng bám theo tần số tín hiệu vào trong một dải tần số tín hiệu vào trong một dải tần số lớn hơn, đó là dải giữ hay dải đồng bộ Như vậy, hệ thống PLL có sự chọn lọc tự nhiên về tần số trung tâm f0 mà tần số chạy của VCO phải bám theo và hệ thống PLL chỉ đáp ứng với những tín hiệu vào có tần số cách tần số trung tâm f0 một khoảng không vượt quá Δfb hay Δfg (nếu như tình trạng ban đầu của PLL đã ở trong chế độ đồng bộ)

Sự tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt tần số – biên độ của hệ thống PLL được xác định duy nhất bởi độ lợi chuyển đổi của VCO Như vậy, trong nhiều ứng dụng VCO yêu cầu có đặc tuyến truyền đạt điện áp – tần số tuyến tính cao Dải bắt của PLL phụ thuộc vào dải thông của bộ lọc (Δfb = Δfg), còn dải giữ phụ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển Vd (t) và vào khả năng biến đổi tần số của VCO

2.3.3, Các khối cơ bản của PLL

2.3.3.1, Bộ tách sóng pha

Bộ tách sóng pha có nhiệm vụ cho ra một tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha (hiệu tần số) của 2 tín hiệu vào, thường là tín hiệu hình sin hoặc dãy xung chữ nhật Người ta phân biệt: tách sóng pha tuyến tính và tách sóng pha phi tuyến (tách sóng pha số)

Tách sóng pha tuyến tính thường được thực hiện bởi mạch nhân tương tự Tín hiệu ra của nó tỷ lệ với biên độ các tín hiệu vào

Bộ tách sóng pha số được thực hiện bởi các mạch số Tín hiệu vào của nó là dãy xung chữ nhật Tín hiệu ra không phụ thuộc vào biên độ các tín hiệu vào

Mạch so pha đơn giản nhất thích hợp với tổ hợp đơn khối: là tách sóng pha loại: “cầu dao chuyển mạch” Nó vận hành như một cầu dao đồng bộ hóa và được đóng, mở bằng đầu vào chuẩn Một cách hiệu quả là nó “chóp” (chops) tín hiệu vào ở cùng chu kỳ lập lại như sự kích thích chuẩn Thông thường sự kích thích chuẩn được cung cấp bằng đầu ra VCO Nó được mô phỏng như sau:

Hình 2.14: Cầu dao chuyển mạch

Dạng sóng đầu ra tiêu biểu cho bộ so pha loại cầu dao chuyển mạch khi tín hiệu vào có dạng sin và tín hiệu kích thích cầu dao là sóng vuông Điện áp sai số lọc VDtương ứng với giá trị trung bình của dạng sóng đầu ra (được cho bởi vùng sậm trên dạng sóng) Khi PLL ở điều kiện hoàn toàn khóa:VD (t) = 0 thì tín hiệu VCO lệch pha 900 so với tín hiệu đầu vào Vi

Hình 2.15: Tín hiệu VCO lệch pha

Thông thường trong hệ thống PLL người ta dùng các bộ lọc thông thấp bậc nhất, vì dùng các bộ lọc bậc cao hơn có thể ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống Dùng bộ

lọc tích cực có thể tăng hệ số khuếch đại của cả hệ thống và cho phép có được dải bắt mong muốn hay dải bám tùy ý khi thay đổi dải thông và hệ số khuếch đại

2.3.3.3, Bộ tạo dao động được điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage

Controlled Oscilator)

VCO là một khối quan trọng nhất trong PLL vì nó quyết định độ ổn định tần số các đặc trưng giải điều chế tín hiệu điều tần (FM) Để đảm bảo có thể làm việc tốt nhất và làm nhiều chức năng khác nhau, VCO phải thỏa mãn những yêu cầu cơ bản sau:

™ Đặc tuyến truyền đạt điện áp – tần số tuyến tính ™ Độ ổn định tần số cao

™ Tạo được dao động tần số cao

™ Hệ số chuyển đổi điện áp – tần số cao ™ Dải bám rộng

™ Điều chỉnh tần số đơn giản

™ Không có cuộn cảm để dễ thích hợp với sự tổ hợp đơn khối

Chương 3: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ MẠCH DAO ĐỘNG

3.1 Một số vấn đề chung về mạch dao động

Mạch tạo dao động có thể tạo ra các dạng dao động khác nhau như dao động hình sin, dao động xung chữ nhật, dao động xung tam giác Trong thời gian hạn hẹp, người nghiên cứu xin phép chỉ nghiên cứu các mạch dao động điều hoà ở tần số thấp (dung RC) và tần số cao (dung LC, thạch anh…)

Các mạch tạo dao động có thể làm việc trong dải tần số từ vài Hz đến vài nghìn MHz Ở tần số thấp và trung bình, người ta dung bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT- OP – AMP) đế tạo dao dộng Ở tần số cao thường dung transitor, FET, đèn điện tử, thạch anh và các Diod đặc biệt như Diod Tunel … để tạo dao động

Bộ tạo dao động dùng transistor và FET được sử dụng rộng rãi ở dãi tần số không cao lắm với công suất ra không lớn lắm Nhưng do các tham số tĩnh của các transistor phụ thuộc nhiều vào các yếu tố bất ổn định như sự thay đổi của nhiệt độ T0

của điện áp nguồn cung cấp Vcc … dẫn đến thay đổi biên độ, tần số của bộ tạo dao động Điện trở vào của transistor nhỏ cũng ảnh hưởng đến tần số và điều kiện tự kích của bộ tạo dao động Ngoài ra, ở tần số cao các tụ ký sinh của transistor (Cb’c, Cb’e) xuất hiện cũng làm thay đổi tần số cộng hưởng của mạch tạo dao động Để giảm ảnh hưởng của các yếu tố ổn định đến tham số của transistor, ta áp dụng các biện pháp sau: a Ổn định điện áp nguồn cung cấp, đặc biệt là điện áp cung cấp cho cực base của transistor Trong các sơ đồ thực tế cho phép độ bất ổn định đối với nguồn Vcc khoảng: ΔVcc/Vcc ≈ ± 5%, còn đối với nguồn VBB khoảng: ΔVBB/VBB ≈ ± 1%

b Bù ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ T0 bằng cách mắc trong các mạch tạo dao động dùng transistor các phần tử phụ thuộc nhiệt độ như điện trở nhiệt âm, điện trở nhiệt dương, diod hoặc bộ bù nhiệt

c Chọn các chân transistor sao cho tần số dao động f0 << 0,5 ft để không xuất hiện các điện dung ký sinh

d Mắc điện trở emiter RE để bù nhiệt và nâng cao trở kháng vào Mạch tạo dao động dùng thạch anh có bộ bù nhiệt có thể đạt được độ ổn định tần số là 108

Các tham số cơ bản của mạch tạo dao động gồm tần số ra, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số, công suất ra và hiệu suất Ở luận văn tốt nghiệp này, người nghiên cứu chỉ xét các mạch tạo dao động bằng hồi tiếp dương mà không xét các mạch tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch

3.2 Điều kiện dao động

Bộ tạo dao động thường gồm hai khối:

Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ dao động Khối khuếch đại có hệ số khuếch đại:

ϕht: góc di pha của mạch hồi tiếp

Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có hồi tiếp dương sẽ là:

Từ (*) ta thấy, nếu βA = 1, hệ số khuếch đại của hệ thống sẽ trở nên lớn vô cùng Điều đó không có nghĩa là khi đặt một điện áp ở đầu vào, ta sẽ nhận được ở đầu ra một điện áp lớn vô cùng Aht = ∝ chỉ có nghĩa là khi điện áp vào có giá trị vô cùng bé (Vv≈ 0), điện áp ra vẫn có giá trị hữu hạn (Vr ≠ 0) Bởi vì trong mạch vào cũng có điện áp tạp âm nhiệt với phổ tần liên tục, nên nếu ở một tần số nào đó độ khuếch đại

vòng của hệ thống thỏa mãn điều kiện βA = +1 thì ngay khi không có tín hiệu vào, trong mạch ra vẫn xuất hiện dao động ở tần số nói trên Đây gọi là hiện tượng tự kích của hệ thống có hồi tiếp Nếu βA > 1 thì bộ khuếch đại có hồi tiếp dương cũng sẽ tự kích Khi đó, biên độ dao động ở đầu ra sẽ tăng dần cho đến khi đoạn cong phía trên của đặc tuyến biên độ làm giảm hệ số khuếch đại tới giá trị tương ứng với βA = 1 Lúc này biên độ dao động không tăng nữa và dao động chuyển sang trạng thái xác lập

Tóm lại, điều kiện để một hệ thống có hồi tiếp đóng kín phát sinh tự kích là:

Từ điều kiện này, ta tách ra cụ thể như sau:

+ Điều kiện cân bằng biên độ để có tự kích : βA = 1

+ Điều kiện cân bằng pha để có tự kích: ϕ=ϕA +ϕht =2nπ

với n = 0,1,2,3,…

ϕ : tổng dịch pha của cả mạch khuếch đại và hồi tiếp

3.3 Ổn định biên độ và tần số dao động 3.3.1, Ổn định biên độ

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

Hạn chế biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp thích hợp và phải đảm bảo sao cho Vcm < Vcc

Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh như điện trở nhiệt, diode

3.3.2, Ổn định tần số

Độ ổn định tần số của một bộ dao động là một trong các tham số quan trọng nhất của bộ dao động Nó được đặc trưng bởi độ bất ổn định :

với ω0: tần số dao động của bộ dao động

Δω : giá trị lệch cực đại của tần số dao động được đo hằng ngày, hằng tháng, hằng năm

Vấn đề ổn định tần số dao động 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, sẽ dẫn đến sự thay đổi của tần số dao động Mặt khác, khi tải của mạch khuếch đại là một mạch cộng hưởng thì điều kiện cân bằng pha sẽ trở thành: ϕ =ϕA +ϕht +ϕch =2nπ

Với n = 0,1,2,…

ϕch: gĩc dịch pha do mạch cộng hưởng gây nên

Nếu ϕA = 1800 , ϕht = 1800 , thì ϕch = 00 để mạch tự kích (ϕ = 2π), khi đĩ tần số dao động của mạch sẽ trùng với tần số cộng hưởng riêng của mạch cộng hưởng ω0

= ωch

Nếu ϕA + ϕht ≠ 0 thì ϕch ≠0 để ϕ = 0 Lúc đĩ tần số dao động của mạch sẽ khác với tần số cộng hưởng riêng của mạch cộng hưởng ω0 ≠ωch Trong thực tế các yếu tố bất ổn định ảnh hưởng trực tiếp đến tần số cộng hưởng ωch, mà khơng ảnh hưởng đến ϕA và ϕht (ΔϕA =Δϕht ≅ 0) Nếu ωch bị thay đổi một lượng Δωch thì ở tần số ωch ≅ ω0 ta cĩ:

Δϕ = Δϕch = Δωch.2Q/ω0 Khi đĩ từ:

Ta cĩ: nếu Q càng lớn thì ε càng nhỏ, cĩ nghĩa là mạch càng ổn định và Δϕ càng nhỏ thì εcàng nhỏ

Tĩm lại: để độ ổn định tần số cao trong bộ dao động ta phải thực hiện các biện pháp sau:

9 Dùng nguồn ổn áp để Vcc = const, Vb = const 9 Dùng các phần tử cĩ hệ số nhiệt nhỏ

9 Chọn mạch cộng hưởng cĩ hệ số phẩm chất Q cao(50 ÷ 100)