Để tạo dao động có độ ổn định cao người ta phải dùng các biện pháp như: Ổn định nguồn cung cấp, ổn định tải…, và phải sử dụng các hệ thống dao động có hệ số phẩm chất Q cao. Nếu dùng các phần tử LC để tạo nên Q cao thì mạch sẽ rất phức tạp, vì vậy khi yêu cầu mạch dao động có độ ổn định cao thường dùng tạo dao động bằng thạch anh.
Tinh thể thạch anh (Qanrtz crytal) là một loại muối kết tinh hình 6 mặt. Nếu cắt chúng bằng những mặt khác nhau ta được những miếng thạch anh có tính chất khác nhau. Vậy tinh thể thạch anh dùng trong mạch dao động là một lát mỏng được cắt ra từ tinh thể.
Ðặc tính của tinh thể thạch anh là tính áp điện (piezoelectric effect) theo đó khi ta áp một lực vào 2 mặt của lát thạch anh (nén hoặc kéo dãn) thì sẽ xuất hiện một điện thế xoay chiều giữa 2 mặt. Ngược lại dưới tác dụng của một điện thế xoay chiều, lát thạch anh sẽ rung ở một tần số không đổi và như vậy tạo ra một điện thế xoay chiều có tần số không đổi. Tần số rung động của lát thạch anh tùy thuộc vào kích thước của nó đặc biệt là độ dày mặt cắt. Khi nhiệt độ thay đổi, tần số rung động của thạch anh cũng thay đổi theo nhưng vẫn có độ ổn định tốt hơn rất nhiều so với các mạch dao động không dùng thạch anh (tần số dao động
gần như chỉ tùy thuộc vào thạch anh mà không lệ thuộc mạch ngoài). Mạch tương đương của thạch anh như hình 3-2 sau:
Vì rs của Ls trở tiêu hao nhỏ nên trở khán tương đương của thạch anh được xác định như sau:
Zs = Xs = ((jLs + 1/ jCs)1/ jCs ) / (1/ jCs + jLs + 1/jCs) Từ đó ta thấy thạch anh có hai tần số cộng hưởng. Tần số cộng hưởng nối tiếp fs ứng với Zs = 0 và tần số cộng hưởng song song fp ứng với Zs =
Ta có thể dùng thạch anh để thay thế mạch nối tiếp LC, mạch sẽ dao động
ở tần số fS. Còn nếu thay thế mạch song song LC, mạch sẽ dao động ở tần số fp
(hoặc fop). Do thạch anh có điện cảm LS lớn, điện dung nối tiếp rất nhỏ nên thạch
anh sẽ quyết định tần số dao động của mạch, linh kiện bên ngoài không làm thay đổi nhiều tần số dao động (dưới 1/1000). Thường người ta chế tạo các thạch anh có tần số dao động từ 1 KHz ÷ 100 MHz, tần số càng thấp càng khó chế tạo.
3.2.1. Mạch dao động dùng thạch anh có tần số cộng hƣởng song song:
Sơ đồ mạch như hình 3-3 sau:
Hình 3-2: Mạch tương đương của thạch anh
Do C1 và C2 rất nhỏ nên tần số dao động của mạch:
và thạch anh được dùng như mạch cộng hưởng song song.
3.2.2. Mạch dao động dùng thạch anh có tần số cộng hƣởng nối tiếp:
Sơ đồ mạch như hình 3-4 sau:
Hình 3-3
Trường hợp này ta thấy thạch anh được dùng như một mạch cộng hưởng nối tiếp.
3.3. Phƣơng pháp tổ hợp tần số
Tổ hợp tần số là quá trình tạo ra một mạng tần số rời rạc từ một tần số chuẩn có độ ổn định cao. Vì vậy bộ tổ hợp tấn số có vai trò quan trọng trong các thiết bị sử dụng sóng cao tần, nó không những làm cho các hệ thống có được độ ổn định tương đương với độ ổn định tham chiếu của các tinh thể tạo ra mà nó còn có thể được điều khiển một cách dễ dàng bằng các bộ vi xử lý hay các phần mềm điều khiển.
Các bộ tổ hợp tần số được sử dụng một cách rộng rãi, tuy nhiên nguyên lý hoạt động của nó không phải lúc nào cũng hiểu được một cách thấu đáo. Thực chất bộ tổ hợp tần số là một bộ nhân tần có khả năng lập trình được, sử dụng các mạch logic số. Nó được lập trình để nhân tần số tham chiếu (tần số nhỏ) với một giá trị nào đó để tạo ra bất kỳ một tần số mong muốn nào đó theo yêu cầu.
Cho đến nay có nhiều phương pháp tổ hợp tần số để tăng tính ổn định của hệ thống, trong đó đáng chú ý nhất là kỹ thuật tổ hợp tần số trực tiếp DSS (Direct Digital Synthesis) và kỹ thuật tổ hợp tần số dùng vòng bám pha PLL (Phase Locked Loop).
3.3.1. Kỹ thuật tổ hợp tần số trực tiếp (DSS) a. Tổng quan về DSS a. Tổng quan về DSS
Tổ hợp tần số trực tiếp DSS là một phương pháp tạo ra tín hiệu tương tự thường có dạng sóng SIN bằng cách tạo ra một tín hiệu biến đổi theo thời gian ở dạng số và sau đó chuyển tín hiệu số này sang tương tự.
Kỹ thuật DSS được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin và trong các thiết bị cảm biến, kỹ thuật này có nhiều ưu điểm như: Khả năng điều chỉnh pha và tần số của các sóng có tần số micro Hertz, thay đổi các tần số lối ra (hoặc pha) với tốc độ cực kỳ nhanh... .Giao thức điều khiển bằng số của DSS thuận tiện cho các hệ thống chịu sự điều khiển ở mức độ rất nhỏ, rất thích hợp sử dụng cùng với các vi điều khiển. Các thiết bị DSS không chỉ tạo ra các dạng tín hiệu hình SIN mà còn có thể tạo ra các dạng xung vuông và xung tam giác.
Đây là phương pháp tổng hợp tần số cổ điển nhất được sử dụng. Nó tổng hợp được một hoặc nhiều tần số tham chiếu bằng việc kết hợp sử dụng các bộ tạo dao động điều hoà, các bộ lọc, các bộ nhân, các bộ chia và trộn tần.
b. Cơ sở của kỹ thuật DSS
b.1. Sơ đồ khối
Hệ thống DSS cơ bản được trình bày ở hình 3-5. Cấu trúc gồm: Bộ tích luỹ pha (Pha Accumulator), bộ biến đổi pha thành biên độ (Phase to Amplitude converter) và bộ biến đổi số sang tương tự DAC (Digital Analog Converter).
b.2. Nguyên tắc hoạt động
Xét quá trình tạo ra sóng (tín hiệu) hình sin có tần số cho trước của DSS (như sơ đồ khối hình 3-7), số nhị phân trong thanh ghi tần cung cấp đầu vào chính đến bộ tích luỹ pha. Bộ tích luỹ pha sẽ tính toán địa chỉ pha (góc pha) ứng với một sóng hình sin nào đó được tra theo bảng sau: (hình 3-6)
Khi đi qua bộ biến đổi pha thành biên độ thì các góc pha của sóng hình sin sẽ được chuyển thành giá trị biên độ tương ứng và tiếp tục được đưa đến bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC). Khi đó, DAC lần lượt chuyển các giá trị số đó thành các giá trị điện áp hoặc giá trị dòng điện của một tín hiệu tương tự. Để tạo
JUMP SIZE 0000…0 N c f x M f 2 0 n NUMBER OF POINTS 8 256 12 4096 16 65535 20 1048576 24 16777216 28 268435456 32 4294967296 48 281474976710656 1111…1
Hình 3-6: Bảng pha số của bộ tích luỹ pha
∑ Bộ biến đổi pha thành
biên độ Bộ biến đổi số sang tương tự Thanh ghi pha Bộ tích luỹ Số hiệu chính M Hệ thống xung Clock fc fout 24 đến 48 bit 14 đến 16 bit
ra tín hiệu hình sin có tần số như mong muốn thì người ta thêm vào bộ tích luỹ pha một đại lượng không đổi trong mỗi chu kỳ xung clock, đại lượng không đổi này là số gia pha được xác định bởi số nhị phân. Nếu gia số pha lớn, hệ số tích luỹ pha sẽ nhảy nhanh chóng theo các giá trị trong bảng tra và tạo ra một sóng hình sin tần số cao. Nếu số pha nhỏ, hệ số tích luỹ pha sẽ phải nhảy qua nhiều bước hơn, vì thế tạo nên tín hiệu có tần số thấp hơn.
Tần số lối ra của DSS được xác định bởi công thức: c n
out M x f f 2 Trong đó:
fout : là tần số lối ra của DSS
M : là tần số hiệu chỉnh (là số nhị phân)
fc : là tần số xung clock chuẩn (hệ thống xung clock) n : là số bít của bộ tích luỹ pha
Ta thấy tần số lối ra phụ thuộc vào hai biến số: Tần số xung clock chuẩn fc và
số nhị phân M được lập trình trong thanh ghi tần.
Kỹ thuật DSS là một hệ thống hở, sử dụng máy tính số và các bộ biến đổi
DAC để tạo ra tần số mong muốn. Nó có thể tạo ra các tần số từ dưới 1Hz lên
đến 400Mhz với thời gian chuyển tần nhanh, có khả năng lập trình số hay tái lập trình. Vì thực chất DSS sử dụng các phép toán cộng, trừ, nhân, chia với tần số của thạch anh để tạo ra tần số nên nó có các bước chia không thể tuỳ tiện. Mặt
khác DSS chỉ thích hợp làm việc ở dải tần vài trăm MHz, trong khi đó kỹ thuật
vòng bám pha sử dụng hệ thống hồi tiếp kín trong đó độ ổn định của hồi tiếp là
quan trọng nhất. Đây là kỹ thuật tổ hợp gián tiếp, tuy kỹ thuật này yếu hơn DSS
ở thời gian thiết lập tần số nhưng nó lại có thể tạo ra các bước chia mịn hơn so với DSS. Mặt khác nó tiêu thụ rất ít năng lượng, rất nhỏ gọn, chống nhiễu tốt, có
PHASE ACCUMULATOR AMPLITUDE/SINE CONV.ALGORITHM D/A CONVERTER REF CLOCK N TUNING WORD SPECIFIES OUTPUT FREQUENCY AS A FRACTION OF REF CLOCK FREQUENCY DDS CIRCUITRY IN DIGITAL DOMAIN SIN(x) /x
khả năng lập trình điều khiển được và đặc biệt là rất thích hợp làm việc trong dải tần số siêu cao từ 300 MHz đến 3 GHz.
Do các đặc điểm nổi bật của kỹ thuật PLL trong dải tần số siêu cao thích hợp việc truyền phát thông tin hiện nay sử dụng chủ yếu là sóng cao tần, nên trong khuân khổ của đề tài này tôi đã lựa chọn kỹ thuật vòng bám pha để xây dựng hệ thống cao tần điều chế mã pha.
3.3.2. Kỹ thuật tổ hợp tần số dùng Vòng bám pha - PLL
(Phase Locked Loops)
a. Tổng quan về vòng bám pha - PLL
Vào những năm 30 của thế kỷ này ông De Bellescire đã nêu ra những khái niệm đầu tiên về vòng giữ pha (PLL). Ông nhận thấy rằng có thể sử dụng vòng giữ pha PLL như một hệ chọn lọc không cần mạch cộng hưởng trong diều kiện thu tín hiệu trên một nền tạp âm rất lớn. Đặc biệt là đối với tín hiệu điều tần, vòng giữ pha PLL đạt được hiệu quả rất lớn.
Hệ thống tự động điều chỉnh tần số theo pha hay còn gọi là vòng bám pha (PLL) được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý tín hiệu tương tự và các hệ thống số. Ngày nay, với kỹ thuật phát triển nhất là sự ra đời của các mạch tích hợp, PLL đã trở thành một hệ thống đa năng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến điện tử, truyền số liệu, đo lường…, như dùng để tổng hợp tần số, để điều chế, giải điều chế, giải mã tiếng, nhân tần, đồng bộ tín hiệu quét…
PLL được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, các ứng dụng của nó đều nhằm biến đổi tần số, di chuyển tần số từ miền tần số thấp sang tần số cao và ngược lại.
Trong giới hạn của luận văn chỉ nghiên cứu ứng dụng của vòng bám pha làm bộ tổ hợp tần số.
* Những ưu điểm và khuyết điểm của PLL:
Sử dụng vòng giữ 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 nổi bật như sau:
- Khả năng tần số cao:
Vòng giữ pha PLL đơn khối có thể hoạt động ở phạm vi tần số cao (1 đến 100 MHz), trong khi phần nhiều kỹ thuật hồi tiếp RC tích cực bị giới hạn ở dải tần số dưới 100 KHz .
- 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 (voltage controlled oscillator) bám theo, 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. - Những linh kiện bên ngoài ít hơn.
- Dễ dàng trong việc điều hưởng:
PLL có thể được điều hưởng theo cột tần số yêu cầu nào đấy, bởi sự chọn
định bởi một 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 :
+ Sự thiếu thốn 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 vừa cao đủ để duy trì khoá. 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.
+ Sự khó khăn trong vấn đề tự động điều chỉnh hệ số khuyếch đại (AGC): Mặc dù tồn tại một số khuyết điểm 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 những lĩnh vực khác nhau.
b.Cấu trúc và hoạt động của vòng bám pha PLL
b.1. Cấu trúc của PLL
Hệ thống vòng bám pha cơ bản được trình bày trong sơ đồ khối dưới đây (hình 3-8).
PLL là một hệ thống hồi tiếp gồm có một bộ so sánh pha (thực chất là bộ tách sóng pha), bộ lọc thông thấp (LTT), 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
* 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 hai 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 ). Sơ đồ khối như hình 3-9.
V0(t)= V0 cos(ω0t+φ0) Vd(t) Bé so pha LTT VCO KĐ Vi(t)= Vi sinωit Ve(t) Hình 3-8: Sơ đồ khối PLL
- Tách sóng pha tuyến tính thường được thực hiện bởi mạch nhân tương tự, tín hiệu ra của nó tỷ lệ với biên độ 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 ” (Hình 3-9). Nó vận hành như một cầu dao đồng bộ hoá và được đóng, mở bằng đầu vào chuẩn. Một cách hệu quả là nó “Chóp” (chops) tín hiệu vào ở cùng chu kì lập lại như sự kích thích chuẩn. Thông thường sự kích thích chuẩn được cung cấp bằng đầu ra VCO.
* Bộ lọc thông thấp (LTT)
Trong hệ thống PLL, bộ lọc thông thấp có những chức năng sau: - Cho tín hiệu tần số thấp qua, nén thành phần tần số cao.
- Bảo đảm cho PLL bắt nhanh và bám được tín hiệu khi tần số thay đổi nghĩa là tốc độ đáp ứng của nó đủ cao.
- Vì dải bắt của PLL phụ thuộc vào dải thông tin của bộ LTT (Wc) nên yêu
cầu dải thông tin của PLL phải đủ lớn để đảm bảo dải bắt cần thiết cho PLL. Thông thường trong hệ thống PLL người ta 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.