CHƯƠNG 2. CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG MÁY PHÁT TẦN SỐ
2.1 Công nghệ tổ hợp tần số
Tổ hợp tần số là một công nghệ bao gồm cả công nghệ số và công nghệ tương tự. Để thiết kế được một máy tổ hợp tần số thì phải áp dụng rất nhiều các kiến thức như: các bộ dao động, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO, bộ khuếch
đại, bộ lọc, bộ dò pha, khuếch đại một chiều (DC) nhiễu thấp và lọc. Có ba công nghệ tổ hợp tần số chính ngày nay được sử dụng rất rộng rãi để tạo ra các máy tổ hợp tần số: công nghệ tổ hợp tần số dùng PLL, công nghệ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp, công nghệ tổ hợp tần số số trực tiếp.
2.1.1 Công nghệ tổ hợp tần số dùng vòng khóa pha (PLL)
Công nghệ tổ hợp tần số dùng PLL là công nghệ thông dụng và phổ biến nhất bởi sự đơn giản, hiệu quả và kinh tế của nó. Ta có thể tìm thấy các máy tổ hợp tần số dùng PLL trong các ứng dụng radar, vệ tinh, trong các hệ thống đo lường ... Các ứng dụng của nó chung quy lại là đều là nhằm biến đổi tần số , di chuyển tần số từ miền tần số thấp sang miền tần số cao và ngược lại .Tổ hợp tần số là một trong những ứng dụng quan trọng của PLL, nó tạo ra một mạng tần số rời rạc từ một tần số chuẩn có độ ổn định cao. Do PLL thực hiện được chế độ khoá pha, nên các đặc tính ổn định và trôi nhiệt cũng giống như của tần số chuẩn.
Hình 2.1 Nguyên lý chung của PLL
PLL hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển. Khác với các vòng điều khiển thường dùng trong kỹ thuật điện tử, trong đó điện áp hoặc dòng điện là các đại lượng vào ra, trong PLL đại lượng vào và đại lượng 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 số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra , nghĩa là PLL làm cho Wr của tín hiệu so sánh bám theo tần số Wv của tín hiệu vào. Tần số của tín hiệu so sánh bằng tần số của tín hiệu ra hoặc tỷ lệ với tín hiệu ra theo một tỷ lệ nào đó Wr=Wv/N.
Để có tín hiệu điều chỉnh ud (hoặc id) tỷ lệ với hiệu pha ∆ =ϕ ϕ ϕv− r ta phải dùng bộ tách sóng pha (với PLL tuyến tính thì dùng mạch nhân tương tự để tách sóng pha, với PLL số thì dùng mạch AND hoặc trigơ để tách sóng pha). Ở đầu ra của mạch tách sóng pha là tín hiệu điều chỉnh được đưa đến bộ tạo dao động khống chế bằng điện áp (VCO) hoặc bộ tạo dao động khống chế bằng dòng điện (CCO) làm thay đổi tần só dao động của nó sao cho hiệu tần số của tín hiệu vào và tín hiệu ra giảm dần và tiến tới không nghĩa là Wr=Wv.
Những phép biến đổi cơ bản trong tổng hợp tần số là nhân và chia tần số:
Phép nhân tần số với hệ số nhân N nguyên ở chế độ đồng bộ, tần số chuẩn fc=f0/N hay tần số ra : f0=fr=Nfc
Hình 2.2 Sơ đồ khối phép nhân tần số với hệ số nhân N nguyên ở chế độ đồng bộ
Tổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số chuẩn
Hình 2.3 Sơ đồ khối tổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số chuẩn
Tần số chuẩn trước khi vào bộ tách sóng pha được đưa qua mạch chia tần, trên đầu ra mạch chia tần có tần số fc/M. Tần số ra qua mạch chia N là fo/N. Khi đồng bộ:
Fc/M=F0/N do đó F0=Fr= Fc*N/M
Nếu dao động chuẩn là một dãy xung có tần số cơ bản fc và các hài bậc cao nfc và cho tần số của VCO bám theo một hài bậc cao nào đó của fc thì có thể có được tần số ra fr = Nfc. Hoặc VCO làm việc ở chế xung, tín hiệu chuẩn là tín hỉệu sin thì fc = Mf0. Do đó f0=fr=fc/m(m là bậc sóng hài của f0). Như ở hình 2.3 bằng cách thay đổi M, N ta có thể nhận được một mạng tần số rời rạc tùy ý có độ ổn định cao như tần số chuẩn.
2.1.2 Công nghệ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp (DA)
Một công nghệ tổ hợp khác đó là công nghệ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp direct analog (DA). Trong công nghệ này một nhóm các tần số tham chiếu được tạo ra từ một tần số chính và các tần số này được trộn, lọc, cộng, trừ, hoặc chia theo đầu ra được yêu cầu. Không giống như PLL, công nghệ DA sử dụng nguyên tắc số học trong miền tần số ( không có cơ chế hồi tiếp vòng lặp khép kín) để chuyển đổi tín hiệu tham chiếu đầu vào thành tín hiệu đầu ra yêu cầu. Công cụ chính trong công nghệ DA là bộ phát dao động, bộ nhân, bộ trộn, lọc và bộ chia tần.
Hình 2.4 DA sử dụng nhiều tần số tham chiếu
Để mô tả các thành phần của công nghệ DA chúng ta thiết kế một bộ tổ hợp tần số có dải tần số ra từ 16 đến 16.99MHz với độ phân giải 10KHz và tần số tham chiếu 10MH. Trên hình 2.4 yêu cầu các tần số tham chiếu sau: 14, 16, 18, 20, 22, 130 và 131 MHz. Đầu ra tầng thứ nhất là đầu vào của tầng thứ hai và ở đầu ra của tầng thứ nhất 10 tần số sẽ được tạo ra từ 16 đến 16.9 MHz, nhưng tất cả đầu ra của tầng thứ 2 sẽ có dải đầy đủ từ 16 dến 16.99 MHz (100 tần số). Nếu thêm các tầng tương tự tiếp theo thì độ phân giải sẽ được tăng tới bất kì mức yêu cầu nào.
Các tần số tham chiếu được tạo ra theo công nghệ DA bằng các bộ phát comb, bộ lọc trộn tần và bộ chia. Ví dụ một phương pháp được mô tả trong hình 2.5:
Hình 2.5 Tạo các tần số tham chiếu cho thiết kế DA
Kiến trúc này thường được sử dụng để mô tả nguyên tắc hoạt động của DA.
Có thể có rất nhiều sự thay đổi nhưng đây là một thiết kế điển hình và hiệu quả. Các thành phần cơ bản của DA là các bộ trộn tần và lọc.
2.1.3 Công nghệ tổ hợp tần số trực tiếp số ( DDS)
DDS là một công nghệ tạo tín hiệu đang nổi bật hiện nay. Cách đây 10 năm đây còn là một công nghệ mới mẻ và bị giới hạn ở nhiều ứng dụng. Tuy nhiên do cuộc cách mạng về công nghệ số ( tốc độ , độ tích hợp, công suất, chi phí ) xử lý tín hiệu số DSP và các thiết bị chuyển đổi dữ liệu đang trở nên phổ biến.
Có sự khác nhau cơ bản giữa DDS và DA hay PLL. Mặc dù cả PLL và DA đều sử dụng các thiết bị số, như bộ chia, bộ dò pha, công nghệ PLL và DA vẫn cơ bản là công nghệ tương tự. Bộ tạo tín hiệu cơ bản của cả hai công nghệ là một bộ tạo dao động oscillator, đó là một bộ khuếch đại được hồi tiếp để hoạt động ở một điều kiện cụ thể. Bộ dao động được điều khiển để cho phép tạo ra các tần số. Trong DDS tín hiệu đựơc tạo ra và được điều khiển số , sau khi tất cả các thao tác số được
hoàn thành, nó sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự thông qua bộ chuyển đổi số tương tự DAC.
Nguyên tắc cơ bản nhất của DDS là dựa trên thuyết lấy mẫu Shannon.
Hình 2.6 Sơ đồ khối DDS và dạng sóng
Ở hình trên có 4 thành phần cơ bản: bộ accumulator, một bảng tra sine , DAC và bộ lọc thông thấp LPF. Một xung sin có biên độ không đổi, tần số không đổi, và pha không đổi có công thức :
Asin( t+ )
Chúng ta có thể xem quá trình tạo tín hiệu như sau: Pha tín hiệu là một hàm tuyến tính, như được chỉ ra trong hình 2.6. Gradient hay độ dốc của pha d /dt là tần số góc . Để tạo ra biên độ của dạng sóng đầu ra thì cần phải chuyển đổi pha
(t) thành sin[ (t)] điều này được thực hiện bằng bộ nhớ chỉ đọc ROM, bởi vì sự
chuyển đổi không tuyến tính và ROM hay RAM là một công cụ tiên lợi.
Đầu ra của ROM là sự thể hiện số của biên độ tín hiệu sóng sine , mẫu , và DAC chuyển đổi nó thành tín hiệu sine tương tự. Bộ lọc thông thấp LPF sẽ lọc bỏ các tần số cao làm cho cho tín hiệu mịn hơn.
2.1.4 So sánh các phương pháp
Việc chỉ rừ cỏc ưu điểm và nhược điểm khỏc nhau của cỏc cụng nghệ trờn là hết sức cần thiết.
Công nghệ PLL có dải rất rộng có thể hoạt động từ tần số audio đến tần số sóng millimeter và phụ thuộc vào tần số cuả bộ dao động. Bộ tổ hợp tần số PLL là
tương đối đơn giản, tốc độ chuyển mạch có thể đạt được từ tốc độ trung bình đến nhanh; và chúng có chi phí thấp dễ dàng áp dụng trong các ứng dụng điều chế tương tự. Các chip PLL đơn có mức tích hợp cao và chi phí thấp. Tuy nhiên độ phân giải rất phức tạp, các bộ dao động chất lượng tốt rất cồng kềnh, và điều chế số rất phức tạp để áp dụng với hiệu quả chính xác cao.
DA là một công nghệ dải rộng, qua các đa ứng dụng, tín hiệu có thể được tạo ra lên tới 100GHz, và có thể tiến xa hơn thành công nghệ sóng siêu cao tần sóng millimeter. Công nghệ này có tốc độ chuyển mạch rất cao, độ tập trung phổ cao, đặc biệt gần với sóng mang. Tuy nhiên, tổ hợp tần số DA rất phức tạp, đồ sộ, yêu cầu rất nhiều phần cứng và rất đắt, các điều chế số và tương tự rất phức tạp để áp dụng.
Công nghệ tổ hợp tần số trực tiếp số có băng thông bị giới hạn, xấp xỉ 400MHz. Chúng rất đơn giản và gọn nhẹ, độ phân giải có thể đạt được tuỳ ý. Chúng có tốc độ chuyển mạch rất cao . Tuy nhiên băng thông vẫn bị hạn chế.
Một điều đáng chú ý là 3 công nghệ tổ hợp tần số trên chúng bổ sung cho nhau, và đây là lý do chính để sự liên kết giữa chúng ngày càng nhiều, sự lai ghép giữa PLL và DDS để đạt được băng thông rộng và độ phân giải tốt hơn. Tổ hợp tần số DA và DDS được tích hợp để đạt được tốc độ, độ phân giải, và khả năng điều chế số tốt hơn.
Chính xác mà nói thì cả PLL và DA đã là các công nghệ thông dụng từ lâu, trong khi DDS lại là một công nghệ đang nổi. PLL vẫn thu hút đựơc sự chú ý lớn nhất trong lĩnh vực công nghiệp. Các dụng cụ DA cũng được cải tiến, nguyên tắc hoạt động của chúng không thay đổi nhiều, việc cải tiến chủ yếu là do việc phát triển của các thành phần siêu cao tần. Trong công nghệ PLL việc phát triển nhất là sự giới thiệu công nghệ phân số N fractional-N.Còn sự phát triển công nghệ DDS là do sự ra đời của các mạch tích hợp chi phí thấp, và sự phát triển của các thiết bị chuyển đổi dữ liệu đặc biệt là công nghệ DAC.
Như vậy 3 công nghệ trên vừa cạnh tranh nhau vừa hỗ trợ nhau và hầu hết các thiết kế hiện đại sử dụng sự kết hợp của chúng để đạt được khả năng hoạt động cao hơn, và kinh tế hơn chẳng hạn chip đơn Max038.