3.5 Giải pháp thiết kế bộ tạo dao động nội và bộ tổng hợp tần số
3.5.2 Thiết kế mạch dao động nội, bộ tổng hợp tần số
Mạch vòng bám pha PLL được sử dụng rất rộng rãi để ổn định tần số dao động và chế tạo các bộ tổng hợp tần số, bởi vì có thể tạo ra tần số bất kỳ có độ ổn định cao ngang với thạch anh và có thể thay đổi tần số rất mềm dẻo được điều khiển một cách dễ dàng bằng các bộ vi xử lý. Do vậy bộ dao động nội và bộ tổng hợp tần số được thiết kế sử dụng bộ vòng bám pha để ổn định tần số và nâng cao chất lượng hệ thống thu. Sơ đồ chức năng của bộ tạo dao động sử dụng vòng khóa pha được trình bày trên Hình 3.52.
Hình 3.52 Sơ đồ chức năng bộ dao động dùng mạch vòng bám pha.
Tần số lối ra của bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO được đưa qua bộ chia N để đưa đến bộ so sánh pha. Hệ số chia N có thể thay đổi được nhờ mã điều khiển tần số (frequency control code). Bộ dao động chuẩn là bộ dao động có độ ổn định cao thường sử dụng bộ dao động thạch anh được đưa qua bộ chia R để đưa đến bộ so sánh pha. Tại đây bộ so sánh pha sẽ thực hiện so sánh tần số lối ra của VCO qua bộ chia N với tần số chuẩn tạo ra từ dao động thanh anh fref qua bộ chia R, điện áp sai số ở lối ra tách sóng pha, qua bộ lọc tần thấp (LPF – low pass filter) chuyển thành điện áp một chiều biến đổi chậm Vd được đưa vào khuếch đại
Bộ chia N Bộ chia R Bộ so sánh pha Bộ dao động chuẩn Bộ lọc thông thấp fref fVCO Khuếch đại Bộ dao động VCO
một chiều và điều khiển VCO làm cho tần số lối ra của bộ chia N bám pha với tần số chuẩn. Như vậy ta sẽ có tần số lối ra của VCO là: fVCO=N/R.fref .
Hình 3.53 trình bày sơ đồ thiết kế mạch tạo dao động sử dụng PLL. Bộ tổng hợp tần số dùng mạch vòng bám pha PLL là vi mạch ADF4113 của hãng Analog Devices. Vi mạch này có tần số làm việc đến 4GHz, với nguồn cung cấp 2,7V- 5,5V và có thể ở trạng thái tiêu tốn ít năng lượng khi không sử dụng.
Hình 3.53 Sơ đồ nguyên lý mạch dao động sử dụng PLL
Bên trong ADF4113 có một bộ tách pha/tần số PFD (phase frequency detector) được số hoá với độ ồn thấp, một bộ tạo dòng chính xác, một bộ chia chuẩn khả trình R(14 bít), hai bộ chia khả trình A(6 bít) và B(13 bít), một bộ chia trước mô-đun kép (P/P+1). Điều khiển tất cả các thanh ghi là một giao diện ba đường đơn giản. Họ IC ADF4113 có nhiều kiểu dáng và hình dạng khác nhau.
Trong mạch đổi tần nhiễu thấp LNB, bộ dao động nội tạo ra tần số cố định để thực hiện trộn với tín hiệu băng C (3,4GHz – 4,2GHz) xuống tần số trung tần ở băng L (950MHz – 1750MHz), do vậy tần số dao động nội được chọn là 2,45GHz. Bộ dao động nội VCO được lựa chọn sử dụng là CVCO33BE-2400-2500 của hãng Crystek Corporation. Đây là bộ dao động điều khiển bằng điện áp có nguồn cung cấp 3V, điện áp điều khiển từ 2,85 đến 3,15VDC và tần số dao động trong khoảng 2,4 GHz – 2,5GHz.
Bộ dao động chuẩn sử dụng thạch anh có độ ổn định cao 20MHz được đưa qua bộ chia với giá trị lập trình là R = 200, khi đó ta có tần số bám là 100KHz. Do
Hình 3.54 Mạch tổng hợp tần số PLL hoàn thiện
Kết quả đo trên máy phân tích phổ Advantest Spectrum Analyzer R3131A được đưa ra trong Hình 3.55 và Hình 3.56.
Hình 3.55 Kết quả bộ tạo dao động nội
Từ hình vẽ cho thấy tần số của bộ tạo dao động ở 2,45GHz với công suất - 2,79 dBm. Nhiễu pha của bộ dao động thấp ở -107,57 dBc/Hz ở tần số 50KHz.
Trong máy thu băng L, tín hiệu ở bộ tổng hợp tần số sẽ thực hiện trộn với tín hiệu ở băng L (950MHz – 2150MHz) để chuyển xuống tần số trung tần thứ 2 có tần số cố định 100MHz. Do vậy bộ tổng hợp tần số được thiết kế sử dụng kết hợp bộ dao động nội VCO CVCO55BE-1000-2000 của hãng Crystek Corporation
với điện áp có nguồn cung cấp 10V, điện áp điều khiển từ 1 đến 20VDC và tần số dao động từ 1GHz – 2 GHz. Để thay đổi kênh tần số, mạch sử dụng IC vi điều khiển AT89C51 kết hợp với phím bấm.
Hình 3.56 Kết quả đo nhiễu pha
Kết quả thu được với dải tần số phát ra ở dải 1000MHz - 2000MHz với bước nhảy 40MHz, việc chọn bước nhảy có thể thay đổi tuỳ thuộc vào mã điều khiển, dao động phát ra có biên độ cỡ mV. Độ ổn định tần số tương đối ổn định trong thời gian dài do tham chiếu với ổn định của bộ dao động thạch anh sử dụng làm tần số chuẩn cho bộ tách sóng pha.
Một số kết quả của bộ tổng hợp tần số đo trên máy phân tích phổ Rolde & Schwarz ESPI (9Khz–3GHz).
Tần số 1744 MHz Tần số 1784 MHz Hình 3.57 Một số tần số phát trong dải 1000MHz-2000MHz
3.6 Kết quả chế tạo, thực nghiệm hệ thống thu băng L 3.6.1 Nghiên cứu, chế tạo khối nguồn nuôi