Tách sóng điều tần

Chương 7: Mạch điều chế và giải điều chế

7.2. Giải điều chế (Tách sóng)

7.2.3. Tách sóng điều tần

Tách sóng điều tần là quá trình biến đổi độ lệch tần số tức thời của tín hiệu điều tần so với tần số trung tâm thành biến thiên điện áp ở đầu ra.

Đặc trưng cho quan hệ biến đổi là đặc tuyến truyền đạt của bộ tách sóng

Tách sóng tần số và tách sóng pha thường được thực hiện theo một trong những nguyên tắc sau:

+/ Biến đổi tín hiệu điều tần hoặc điều pha thành tín hiệu điều biên, rồi thực hiện tách sóng biên độ

+/ Biến tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều chế độ rộng xung, rồi thực hiện tách sóng điều chế độ rộng xungnhờ mạch lọc thông thấp

+/ Sử dụng vòng khóa pha PLL để tách sóng tần số và pha 2. Mạch tách sóng điều tần lệch cộng hưởng

a. Nguyên tắc tách sóng điều tần lệch cộng hưởng

Hình 7.28 Đặc tuyến biên độ tần số của mạch cộng hưởng LC

Ta có dạng đặc tuyến biên độ tần số của mạch cộng hưởng LC, mạch cộng hưởng với tần số f0(0) như thể hiện trên hình 7.28

Để tín hiệu ra giảm méo phi tuyến, nên chọn tần số trung tâm của tín hiệu điều tần ft(t) tại điểm giữa của đoạn thẳng về bên sườn của đặc tuyến cộng hưởng.

Nếu tần số của tín hiệu điều tần đưa vào mạch cộng hưởng có độ di tần f làm cho tần số tín hiệu FM càng lệch xa tần số cộng hưởng riêng của mạch (f0), giả sử ft +f, lúc này điểm công tác sẽ di chuyển từ A đến B, suy ra điện áp ra giảm.

Khi tần số của tín hiệu FM đưa vào mạch cộng hưởng là ft -f, lúc này điểm công tác sẽ di chuyển từ A đến C, suy ra điện áp ra tăng lên.

Như vậy tần số biến đổi, mạch đã chuyển từ tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều biên (biên độ thay đổi), sau đó dùng Diode tách sóng sẽ khôi phục lại đường bao ban đầu của tin tức.

b. Mạch điện

R1

D1

D2 R2

C1

C2

C3

C4

VFM VS

V1

V2

C L L1

L2

Hình 7.29. Mạch tách sóng điều tần lệch cộng hưởng

c. Tác dụng linh kiện

Phần sơ cấp biến áp gồm mạch cộng hưởng (L,C) cộng hưởng để điều chỉnh tần số trung tâm của tín hiệu điều tần

Hai khungcộng hưởng ở thứ cấp biến áp điều chỉnh cộng hưởng ở tần số f1, f2, lệch với ft và đối xứng ft .

L1,C1: khung cộng hưởng điều chỉnh cộng hưởng ở tần số f1 L2,C2: khung cộng hưởng điều chỉnh cộng hưởng ở tần số f2 D1, C1, R1: mạch tách sóng AM thứ nhất

D2, C2, R2: mạch tách sóng AM thứ hai d. Nguyên lý làm việc

Giả thiết hệ số truyền đạt điện áp hai mạch tách sóng là như nhau kD1kD2 kD

Sơ cấp biến áp vào được điều chỉnh ở tần số trung tâm của tín hiệu điều tần 1

t 2

f   LC

Khung cộng hưởng thứ nhất có tần số cộng hưởng 1

1 1

1

t 2 f f f

 LC

   

Khung cộng hưởng thứ hai có tần số cộng hưởng 2

2 2

1

t 2 f f f

 L C

   

Ta cã:

1 FM 1

V m V    Z (7.74)

2 FM 2

V m V Z    (7.75)

Trong đó: m = L

M là hệ số ghép biến áp

Z1, Z2 là trở kháng của 2 mạch cộng hưởng 1 và 2

1   1 

1 2 2

1 1

2 1 1

td td

t

R R

Z Q f f

f

   

  

 

  

(7.76)

 2   2 

2 2 2

2 2

2 1 1

td td

t

R R

Z Q f f

f

   

  

 

  

 

(7.77)

Trong đó: Rtd1 , R td2: trở kháng của hai mạch cộng hưởng 1 và 2 tại tần số cộng hưởng f1 và f2

Q: hệ số phẩm chất của khung cộng hưởng.

Độ lệch tần tương đối giữa tần số cộng hưởng riêng của mạch cộng hưởng và tần số trung tâm của tín hiệu vào:

2 t 1,2 t

t

Q f f

   f (7.78)

Độ lệch tần tương đối giữa tần số tín hiệu vào và tần số trung tâm:

2 t

t

Q f f

   f (7.79)

Khi tần số tín hiệu vào thay đổi thì Zl, Z2 thay đổi dẫn đến Vl, V2 thay đổi.

Nghĩa là quá trình biến đổi điều tần thành tín hiệu điều biên. Sau khi qua hai bộ tách sóng ta nhận được các điện áp ra.

 1 

1 . 1 . . . 2

1

S D D FM td

t

v k V k mV R

   

  (7.80)

 2 

2 . 2 . . . 2

1

S D D dt td

t

v k V k mV R

   

 

Điện áp ra tổng: vS  vS1  vS2  k U UD( 1  2) (7.81)

Hình 7.30 Đặc tuyến biên độ tần số của hai mạch cộng hưởng so tần số trung tâm Khi tần số của tín hiệu điều tần thayđổi

+/ f =ft khi đó U1 = U2 suy ra Us = 0

+/ f >ft khi đó U1 > U2 suy ra Us > 0 +/ f <ft khi đó U1 < U2 suy ra Us < 0

Vậy khi tần số thay đổi, đầu ra có điện áp biến thiên theo quy luật của tần số và ta

được tin tức nhờ 2 bộ tách sóng biên độ.

Nhược điểm: Khó điều chỉnh cho hai mạch cộng hưởng hoàn toàn đối xứng. Mặt khác đầu vào của mạch này còn phải mắc thêm mạch hạn biên để khử thành phần điều biên ký sinh do quá trình khuếch đại sinh ra. Để khắc phục trong thực tế các máy thu

điều tần thường sử dụng mạch tách sóng điều tần tỷ lệ cân bầng.

3. Mạch tách sóng tỷ lệ

Sơ đồ nguyên lý mạch tách sóng tỷ lệ được minh hoạ trên hình vẽ 7.31

Hình 7.31. Mạch tách sóng lệ D1,D2: mắc nối tiếp

Điện áp hai nửa cuộn thứ cấp bằng nhau và bằng U2/2

Khung cộng hưởng L1C1 và L2C2 được điều chỉnh cho cộng hưởng tại tần số trung tâm của tín hiệu điều tần:

1 2

1 1 2 2

1 1

2 2

f f

LC L C

 

   (7.82)

Điện áp tín hiệu trung tần U1 trên khung L1C1 được cảm ứng sang khung thứ cấp L2 một điện áp U2 và cảm ứng sang L3 điện áp U3 . Do L1 = L3 nên U1= U3 . Mạch tách sóng trên gồm diode tách sóng D1, tải là R1,C3. Mạch tách sóng dưới gồm diode tách sóng D2 tải là R2, C4. Do R1= R2, C3 = C4 nên hệ số truyền đạt của hai mạch tách sóng nh­ nhau: KD1 = KD2= KD

Điện áp đặt vào từng bộ tách sóng là:

1 1 22

D U

U  U ; 2 1 2

2

D U

U  U (7.83)

0 S1 S2

U U U (7.84)

0 1 2

1 2 2 S 2 S

R R U U U

U U     1 2

S 2 S

S U U

U   (7.85)

1 2

1 ( )

2

S D D D

U  k U U (7.86)

XÐt UD1, UD2 ta cã:

- Khi điện áp đầu vào mạch tách sóng ở thời điểm tín hiệu trung tần có tần số bằng tần số trung tâm (fđt=ft), mạch thứ cấp có thể coi như là thuần trở. Dòng i1 chạy trên L1 gây trên cuộn L2 sức điện động cảm ứng E, sức điện động này lại sinh ra dòng I2 đồng pha với E. i2 chảy qua L2 tạo ra điện áp U2 vượt trước I2 một góc 900. Từ đồ thị vector hình 7.32 a) ta có: UD1 = UD2 do đó theo (7.86) ta có US = 0.

UD1 U1

E I2

U2 0

a)

UD2

22

U 22

U

Hình 7.32. Đồ thị véc-tơ điện áp: a) fđt=ft

- Khi điện áp đầu vào mạch tách sóng ở thời điểm tín hiệu trung tần có tần số lớn hơn tần số trung tâm (fđt > ft), mạch thứ cấp mang tính điện cảm nên I2 chậm hơn E một góc , dòng I2 sinh ra U2 vượt trước I2 một góc 900.

Từ đồ thị véc-tơ hình 7.32 b) ta có UD1 > UD2 do đó theo biểu thức (7.86) ta được US > 0.

E UD1

I2 b)

0

UD2

22

U

22

U U1

Hình 7.32. Đồ thị véc-tơ điện áp: b) fđt > ft

- Khi điện áp đầu vào ở thời điểm tín hiệu trung tần có tần số nhỏ hơn tần số trung tâm thì mạch thứ cấp mang tính điện dung, dòng điện I2 vượt pha trước E một gãc .

Khi đó theo đồ thị véc tơ hình 7.32 c) ta có UD1 < UD2 do đó theo biểu thức (7.86) US < 0.

U1

I2 E

0 c)

UD2

UD1

22

U 22

U

Hình 7.32. Đồ thị véc-tơ điện áp: c) fđt < ft

Như vậy mạch tách sóng tỷ lệ cũng thực hiện việc biến đổi độ lệch tần số tức thời ở đầu vào thành độ lệch điện áp ở đầu ra theo quy luật của tín hiệu âm tần. Tuy nhiên mạch này cũng không có khả năng khử điều biên ký sinh. Đầu vào mạch tách sóng vẫn phải sử dụng mạch hạn biên.

Câu hỏi và bài tập chương 7

Câu 1: Trình bày khái niệm điều biên? Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện , nguyên lý làm việc của mạch điều biên cân bằng dùng Diode, Cho biết đặc điểm của tín hiệu sau điều chế.

Câu 2: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện , nguyên lý làm việc của mạch điều biên vòng, Cho biết đặc điểm của tín hiệu sau điều chế.

Câu3: Trình bày khái niệm điều tần, điều pha? Nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch điều tần dùng Diode biến dung

Câu 4: Khái niệm tách sóng? Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện phân tích mạch tách sóng biên độ dùng Diode nối tiếp

Câu 5: Khái niệm tách sóng điều tần? Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích mạch tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng

Câu 6: Khái niệm tách sóng điều tần? Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích mạch tách sóng tỷ số