chuong 5 các mạch biến đổi tần số

Chương 5: Các mạch biến đổi tần số

130

CHƯƠNG V: CÁC MẠCH BIẾN ĐỔI TẦN SỐ

GIỚI THIỆU CHUNG

Chương này trình bày các mạch biến đổi tần số của tín hiệu: điều chế, tách sóng, trộntần, nhân chia tần số.

- Điều chế: Khái niệm về điều chế. Điều chế là quá trình ghi tin tức vào dao động cao tần (tải tin).

- Điều chế biên độ: phổ của tín hiệu điều biên, quan hệ năng lượng trong điều biên, các chỉ tiêu cơ bản của dao động điều biên.

- Mạch điều biên: mạch điều biên là một mạng sáu cực, có thể dùng điốt hay tranzito thực hiện. Có mạch điều biên cân bằng và điều biên vòng.

- Điều chế đơn biên. Khái niệm về tín hiệu đơn biên. Ưu điểm trong thông tin khi dùng tín hiệu đơn biên. Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên theo phương pháp lọc hai cấp.

- Điều tần và điều pha: hai loại điều chế này đều làm góc pha thay đổi nên gọi chung là điều chế góc.

- Biểu thức tín hỉệu điều tần, điều pha. Mạch điều tần: nghiên cứu mạch điều tần dùngđiốt biến dung, mạch điều tần dùng tranzito điện kháng.

+ Mạch điều pha: nghiên cứu mạch điều pha theo Armstrong.

+ Tách sóng, khái niệm về tách sóng.

- Tách sóng điều biên: các tham số cơ bản. Mạch tách sóng điều biên.

+ Tách sóng điều tần điều pha: nguyên tắc chung tách sóng điều tần điều pha. Nghiên cứu các mạch tách sóng: mạch tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng, mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng kép, mạch tách sóng điều tần kiểu táchsóng tỷ số.

+ Mạch tách sóng điều pha cân bằng dùng điốt.

- Trộn tần. Khái niệm về trộn tần, định nghĩa trộn tần. Nguyên lý trộn tần.

+ Mạch trộn tần: mạch trộn tần dùng điốt, mạch trộn tần dùng tranzito.

- Nhân chia tần số: vòng giữ pha (PLL) và nguyên lý hoạt động của nó. Mạch nhân chia tần số dùng vòng giữ pha.


131

NỘI DUNG

5.1. ĐIỀU CHẾ

5.1.1. Khái niệm

Điều chế là quá trình ghi tin tức vào dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó như biên độ, tần số hay góc pha của dao động cao tần theo tin tức.

Thông qua điều chế, tin tức ở miền tần số thấp được chuyển lên vùng tần số cao để bức xạ, truyền đi xa.

- Tin tức được gọi là tín hiệu điều chế.

- Dao động cao tần được gọi là tải tin hay tải tần.

- Dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế.

Đối với tải tin điều hoà, ta phân biệt ra hai loại điều chế là điều biên và điều chế góc, trong đó điều chế góc bao gồm cả điều tần và điều pha.

5.1.2. Điều chế biên độ

5.1.2.1. Phổ của tín hiệu điều biên

Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tín hiệu biến đổi theo tin tức.

Để đơn giản, giả thiết tin tức US và tải tin tU đều là dao động điều hoà và tần số tin

tức biến thiên từ maxSminS w∏w , ta có:

tUU SSS wcos.ˆ

tUU ttt wcos.ˆ và St w>>w

Do đó tín hiệu điều biên:

Uđb ttmUttUU ttttSSt wwww cos).cos.1.(ˆcos).cos.ˆˆ( ++ (5-1)

trong đó: t

S

U

Um

ˆ

ˆlà hệ số điều chế.

Hệ số điều chế phải thoả mãn điều kiện 1m £ . Khi 1m > thì mạch có hiện tượng quá điều chế làm cho tín hiệu bị méo trầm trọng. (Hình 5-1).

Áp dụng biến đổi lượng giác (5-1) được:

tUm

tUm

tUU Stt

Stt

ttdb )cos(2

ˆ)cos(

2

ˆcosˆ wwwww -+++ (5-2)

Như vậy, ngoài thành phần tải tin, tín hiệu điều biên còn có hai biên tần. Biên tần trên

có tần số từ )()( maxStminSt w+w∏w+w và biên tần dưới từ


132

)()( minStmaxSt w-w∏w-w .

5.1.2.2. Quan hệ năng lượng trong điều biên.

Trong tín hiệu điều biên, các biên tần chứa tin tức, còn tải tin không mang tin tức. Ta xét xem năng lượng được phân bố thế nào trong tín hiệu điều biên.

Công suất của tải tin: là công suất trung bình trong một chu kỳ tải tin.

~P t~ (tỷ lệ) 2

2

1tU

)

Công suất biên tần:

2

)2

ˆ.(

~

2

~

t

bt

Um

P

Hình 5-1: Tín hiệu điều biên

a) Phổ của tin tức;

b) Phổ của tín hiệu điều biên;

c) Đồ thị thời gian của tin tức và tín hiệu điều biên khi m < 1 và m > 1

wwsmin wsmax0

U

w0

Uđb Ut

wt-wSmax wt-wSmin wt+wSmaxwt+wSmiwt

a)

b)US

0 t

Uđb

0 t

t

Uđb

m < 1

m > 1

c)


133

Công suất của tín hiệu đã điều biên là công suất trung bình trong một chu kỳ của tín hiệu điều chế.

~P db )2

m1(PP2P

2

t~bt~t~ ++

Ta thấy rằng công suất của tín hiệu đã điều biên phụ thuộc vào hệ số điều chế m. Hệ số điều chế m càng lớn thì công suất tín hiệu đã điều biên càng lớn. Khi m = 1 thì ta có quan hệ công suất hai biên tần và tải tần như sau:

2

PP2 t~

bt~

Để giảm méo hệ số điều chế m < 1 do đó công suất các biên tần thực tế chỉ khoảng một phần ba công suất tải tin. Nghĩa là phần lớn công suất phát xạ được phân bổ cho tải tin, còn công suất của tin tức chỉ chiếm phần nhỏ. Đó là nhược điểm của tín hiệu điều biên so với tín hiệu đơn biên.

5.2. MẠCH ĐIỀU BIÊN

Mạch điều biên có thể dùng các kiểu điều biên đơn, điều biên cân bằng và điều biên vòng.

- Mạch điều biên đơn chỉ dùng một phần trở tích cực như điốt hoặc tranzito.

- Mạch điều biên cân bằng có ưu điểm giảm được méo phi tuyến. Hình 5-3 là các mạch điều biên cân bằng dùng điốt và tranzito lưỡng cực.

Theo hình 5-3a điện áp đặt lên các điốt Đ1, Đ2 lần lượt là:

tUtUU

tUtUU

ttSS

ttSS

ww

ww

cos.cos.

cos.cos.

2

1))

))

+-

+(5-3)

Dòng điện qua mỗi điốt được biểu diễn theo chuỗi Taylor:

......

.....323

2212102

313

2121101

++++

++++

UaUaUaai

UaUaUaai(5-4)

Dòng điện ra:

i = i1 - i2 (5-5)

Thay (5-3) và (5-4) vào (5-5), chỉ lấy bốn số hạng đầu được:

]t)2cos(t)2.[cos(D

]t)cos(t).[cos(Ct3cos.Btcos.Ai

StSt

StStSS

w-w+w+w++w-w+w+w+w+w

(5-6)

trong đó:


134

.ˆ.ˆ..2

3

ˆ.ˆ..2

ˆ..2

1

ˆ..2

1ˆ).32(ˆ

3

2

33

23

231

tS

tS

s

stS

UUaD

UUaC

UaB

UaUaaUA +++

(5-7)

Cũng có thể chứng minh tương tự cho mạch hình 5-3b.

Trong trường hợp cần có tải tin ở đầu ra, sau khi điều chế đưa thêm tải tin vào.

Phổ của tín hiệu ra của mạch điều biên cân bằng như ở hình 5-3c.

Mạch điều chế vòng:

Mạch điều chế vòng: thực chất là hai mạch điều chế cân bằng chung tải.

Gọi dòng điện ra của mạch điều chế cân bằng D1 D2 là Ii và dòng điện ra của mạch

điều chế cân bằng D3 D4 là IIi

US Uđb

Đ1 i1

Đ2 i2

CB

CB

Ut

(a)

US

T1

(b)

Uđb

T2

UtEC

- +

Uđb

wS 3wS wSt - wS wSt + wS 2wSt - wS 2wSt + wS

w

(c)

Hình 5-2: Mạch điều biên cân bằng

a) Dùng điốt; b) Dùng tranzito; c) Phổ tín hiệu ra


135

Ta có:

)]2cos(t)2.[cos(D]t)cos(

t).[cos(Ct3cos.Btcos.Ai

StStSt

StSSI

w-w+w+w+w-w+w+w+w+w

4D3DII iii -

trong đó:

......

......343

2424104

333

2323103

++++

++++

UaUaUaai

UaUaUaai

D

D

với u3và u4 là điện áp đặt lên D3, D4 xác định

tUtUU

tUtUU

SStt

SStt

ww

ww

cos.ˆcos.ˆ

cos.ˆcos.ˆ

4

3

+-

--

thay vào

]t)2cos(t)2.[cos(D

]t)cos(t).[cos(Ct3cos.Btcos.Ai

StSt

StStSSII

w-w+w+w-w-w+w+w+w-w-

A, B, C, D xác định như ở mạch điều chế cân bằng trước đây.

Nên: i đb ])cos().[cos(.2 ttCii StStIII wwww -+++

Phổ có dạng:

Điều chế vòng cho méo nhỏ nhất vì nó khử được các hài bậc lẻ của Sw và các biên tần tw2 .

Ut

Đ1

US Uđb

Đ4

CB

CB

Đ2

Đ3

Hình 5-3: Mạch điều chế vòng

wt+wSwt-wS

0 wtw


136

5.3. ĐIỀU CHẾ ĐƠN BIÊN

- Khái niệm:

Như đã trình bày ở phần trước, phổ của tín hiệu điều biên gồm tải tần và hai biên tần, trong đó chỉ có biên tần mang tin tức. Vì hai giải biên tần mang tin tức như nhau nên chỉ cần truyền đi một biên tần là đủ thông tin về tin tức. Tải tần chỉ cần dùng để tách sóng, do đó có thể nén toàn bộ hoặc một phần tải tần trước khi truyền đi. Quá trình điều chế để nhằmtạo ra một giải biên tần gọi là điều chế đơn biên.

Điều chế đơn biên tuy tốn kém nhưng có các ưu điểm sau:

- Độ rộng tải tần giảm một nửa.

- Công suất bức xạ yêu cầu thấp hơn cùng với một cự ly thông tin. Vì có thể tập trung công suất của tải tần và một biên tần cho biên tần còn lại.

- Tạp âm đầu thu giảm do giải tần của tín hiệu hẹp hơn.

Biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên trên là:

Uđb tUm

t Stt )cos(.ˆ.2

)( ww + (5-8)

trong đó t

S

U

Um )

)

được gọi là hệ số nén tải tin, m có thể nhận các giá trị từ •∏0 .

- Điều chế đơn biên theo phương pháp lọc.

Từ sự phân tích phổ của tín hiệu điều biên rõ ràng muốn có tín hiệu đơn biên ta chỉ cần lọc bớt một giải biên tần. Nhưng thực tế không làm được như vậy. Khi tải tần là cao tần thì vấn đề lọc để tách ra một giải biên tần gặp khó khăn. Thật vậy, giả thiết tần số thấp nhất

của tin tức Hz200f minS , lúc đó khoảng cách giữa hai biên tần Hz400f2f minSD

(xem hình 5-1b). Nếu tải tần MHz10f t thì hệ số lọc của bộ lọc 5

t

10.4f

fX -D

, khá

nhỏ. Khi đó sự phân bố của hai biên tần gần nhau đến nỗi ngay dùng một mạch lọc Thạch anh cũng rất khó lọc được giải biên tần mong muốn. Do đó trong phương pháp lọc, người ta dùng một bộ biến đổi trung gian để có thể hạ thấp yêu cầu đối với bộ lọc

ft2±(ft1+fS) ft2+ft1+fa b cĐCB1 Lọc I Lọc IIĐCB2

ft1±fS ft1+fSUS

d

Tạo dao động 1

Tạo dao động 2

ft2ft1

Hình 5-4: Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên bằng phương pháp lọc


137

Sơ đồ khối của mạch điều chế đơn biên như vậy được biểu diễn trên hình 5-4 và phổ của tín hiệu trên đầu ra của từng khối được biểu diễn trên hình 5-5.

Trong sơ đồ khối trên đây, trước hết dùng tin tức điều chế tải tin trung gian có tần số ft1 khá thấp so với tải tần yêu cầu sao cho hệ số lọc vừa phải để lọc bỏ một biên tần dễ dàng. Trên đầu ra của bộ lọc thứ nhất nhận được một tín hiệu có giải phổ bằng giải phổ của tín

hiệu vào minSmaxS fff -D nhưng dịch đi một lượng ft1 trên thang tần số. Tín hiệu này được

đưa vào điều chế ở bộ điều chế cân bằng 2 mà trên đầu ra có phổ cả hai biên tần cách nhau

một khoảng )ff.(2f minS1t +¢D sao cho việc lọc lấy một biên tần nhờ bộ lọc 2 dễ thực

hiện. Khi đó tín hiệu ra là tín hiệu đơn biên. Bộ điều chế cân bằng thường là mạch điều biên cân bằng hay là mạch điều biên vòng. Trên sơ đồ khối trên đây tải tần yêu cầu là tổng của hai tải tần phụ.

2t1tt fff + .

Ngoài ra còn có mạch điều chế đơn biên theo phương pháp quay pha hay mạch điều chế đơn biên theo phương pháp lọc và quay pha kết hợp mà ta không trình bày ở đây.

fSmin

fSmin

fSmaxf

US

0fSmin

0

Ub

f

ft1

ft1

f0

Uc

ft1

ft2 ft2+ft1

f0

Ud

a)

b)

c)

d)

Hình 5-5: Phổ của tín hiệu ra của các khối hình 5-5

a) Phổ của tín hiệu vào b) Phổ của tín hiệu điều chế cân bằng 1

c) Phổ của tín hiệu đầu ra bộ lọc 1 d) Phổ của tín hiệu đầu ra bộ lọc 2


138

5.4. ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA

Các công thức cơ bản và quan hệ giữa điều tần và điều pha:

Vì giữa tần số và góc pha của một dao động có quan hệ

dt

dYw (5-9)

Điều tần và điều pha là ghi tin tức vào tải tin làm cho tần số hoặc pha tức thời của tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế. Với tải tin là dao động điều hoà:

)(0 cos.)cos(. ttttt UtUU yjw))

+ (5-10)

Từ (5-9) rút ra:

)t(

t

0

)t()t( dt j+wY Ú (5-11)

Thay (5-11) vào (5-10) ta được:

]cos[.ˆ)(

0

)( t

t

ttt dtUU jw +Ú (5-12)

Giả thiết tín hiệu điều chế là đơn âm.

tUU SSS wcos.)

(5-13)

Khi điều chế tần số hoặc điều chế pha thì tần số hoặc góc pha của dao động cao tần biến thiên tỷ lệ với tín hiệu điều chế và chúng được xác định lần lượt theo biểu thức:

+ww t)t( kđt tU SS wcosˆ (5-14)

+jj o)t( kđp tU SS wcos.)

(5-15)

trong đó tw là tần số trung tâm của tín hiệu điều tần

Đặt: kđt mSU wDˆ. và gọi là lượng di tần cực đại.

kđp mSU jD)

. và gọi là lượng di pha cực đại.

Khi đó các biểu thức (5-14), (5-15) viết lại như sau:

tcos.)t( Smt wwD+ww (5-16)

tcos.)t( Sm0 wjD+jj (5-17)

Khi điều chế tần số góc pha đầu không đổi nên 0)t( jj . Thay (5-16) và

(5-17) vào (5-12) và tích phân lên được biểu thức của dao động điều tần:


139

Uđt )sin.cos(.ˆ0jw

ww

w +D

+ ttU SS

mtt (5-18)

Tương tự như vậy, ta có biểu thức dao động điều pha khi cho consttww :

Uđp )cos.cos(. 0jwjw +D+ ttU Smtt

)(5-19)

Lượng di pha đạt được khi điều pha

tcos. Sm wjDjD

Tương ứng có lượng di tần là:

tsin..dt

)(dSSm wwjD

jDwD

và lượng di tần cực đại khi điều pha là:

.. SmSm wjDwwD k đp SU)

. (5-20)

Lượng di tần cực đại khi điều tần là:

wD m kđt SU. (5-21)

Như vậy ta thấy điều tần và điều pha đều làm cho góc pha thay đổi nên thường gọi chung là điều chế góc. Điểm khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là lượng di tần khi điều pha tỷ lệ với biên độ của tín hiệu điều chế và tần số điều chế, còn lượng di tần của tín hiệu điều tần tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế mà thôi.

5.5. MẠCH ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA

5.5.1. Mạch điều tần.

Có thể dùng mạch điều tần trực tiếp hay điều tần gián tiếp.

Mạch điều tần trực tiếp thường được thực hiện bởi các mạch tao dao động mà tần số dao động riêng của nó được điều khiển bằng điện áp (VCO) hoặc bởi các mạch biến đổi điện áp - tần số. Nguyên tắc thực hiện điều tần trong các bộ tạo dao động là làm biến đổi trị số điện kháng của bộ tạo dao động theo điện áp đặt vào. Phương pháp phổ biến nhất là dùng điốt biến dung (varicap) và tranzito điện kháng. Sau đây xét loại điều chế đó.

Mạch điều tần trực tiếp dùng điốt biến dung. Điốt biến dung có điện dung mặt ghép biến đổi theo điện áp đặt vào. Nó có sơ đồ tương đương hình 5-7a. Trị số RD và CD phụ

thuộc vào điện áp đặt lên điốt. Trường hợp điốt được phân cực ngược RD = • còn CD được xác định theo biểu thức:

gj+ )U(

kC

kDD (5-22)

trong đó k là hệ số tỷ lệ.


140

jk là hiệu điện thế tiếp xúc mặt ghép, với điốt Silic 7,0k ªj V

g là hệ số phụ thuộc vật liệu: 2

1,...,

3

1g

Mắc điốt song song với hệ tạo dao động của bộ tạo dao động, đồng thời đặt điện áp điều chế lên điốt thì CD thay đổi theo điện áp điều chế, do đó tần số cộng hưởng riêng của bộ tạo dao động cũng biến đổi theo. Trên hình 5-6b là mạch điện bộ tạo dao động điều tần bằng điốt biến dung. Trong mạch điện này điốt được phân cực ngược bởi nguồn E2.

Tần số dao động của mạch gần bằng tần số cộng hưởng riêng của hệ dao động và được xác định như sau:

fđd)CC.(L.2

1

D3 +p(5-23)

CD xác định theo biểu thức (5-22)

Điện áp đặt lên điốt:

00 cos.cos. EtUtUEUUU SSttStD ---- ww)

(5-24)

Để điốt luôn được phân cực ngược cần thoả mãn điều kiện:

0ˆˆ0 £-+ EUUUU StDMaxD và

E0

L3 C D

RD

CD (a)

+E1 L1 C1

R1

R2

R3

R4C2

C

L2

US

+E2

C4 L5

L4

R5

(b)

Hình 5-6: Mạch điều tần bằng điốt biến dung.

a, Sơ đồ tương đương của điốt.

b, Mạch tạo dao động điều tần bằng điốt biến dung

C5


141

ngcpStDD UEUUUU £--- 0min

))(5-25)

Khi điều tần bằng điốt biến dung phải chú ý những đặc điểm sau:

- Chỉ phân cực ngược cho điốt để tránh ảnh hưởng của RD đến phẩm chất của hệ tạo 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 )U(fC DD

của điốt biến dung (hình 5-8) để giảm méo phi tuyến. Lượng di tần tương đối khi điều tần dùng điốt biến dung đạt được khoảng 1%.

- Vì dùng điốt điều tần nên thiết bị điều tần có kích thước nhỏ. Có thể dùng điốt bán dẫn để điều tần ở tần số siêu cao, khoảng vài trăm MHz. Tuy nhiên độ tạp tán của tham số bán dẫn lớn, nên kém ổn định.

Điều tần dùng tranzito điện kháng: phần tử điện kháng dung tính hoặc cảm tính đượcmắc song song với hệ dao động của bộ tạo dao động làm cho tần số dao động thay đổi theo tín hiệu điều chế. Phần tử điện kháng gồm một tranzito và hai linh kiện RC hoặc RL tạo thành mạch di pha mắc trong mạch hồi tiếp của tranzito. Xem thêm ở tài liệu tham khảo 1.

5.5.2. Mạch điều pha

Mạch điều chế pha theo Armstrong ở hình 5-9 được thực hiện theo nguyên lý: tải tin từ bộ tạo dao động Thạch anh được đưa đến bộ điều biên 1 (ĐB1) và điều biên 2 (ĐB2) lệch pha nhau 900, còn tín hiệu điều chế uS đưa đến hai mạch điều biên ngược pha. Điện áp đầu ra trên hai bộ điều biên là:

])cos().[cos(2

ˆ.cos.ˆ

cos).cos.1.(ˆ

11

11

ttUm

tU

ttmUU

StStt

tt

tStdb

wwwww

ww

-+++

+

CD CD

0 U

U

t

E0 t

CDma

CDmi

0

Hình 5-7: Đặc tuyến CD=f(UD) của điốt biến dung và nguyên lý biến đổi điện dung mặc ghép của điốt theo

điện áp dặt vào


142

])sin().[sin(2

ˆ.sin.ˆ

sin).cos.1.(ˆ

22

22

ttUm

tU

ttmUU

StStt

tt

tStdb

wwww

ww

-++-

-

Đồ thị véc tơ của Uđb1 và Uđb2 và véc tơ tổng của chúng được biểu diễn trên hình 5-11.

Từ đồ thị đó, thấy rằng: tổng các dao động đã điều biên U = U đb1+ U đb2 là một dao động điều chế về pha và biên độ. Điều biên ở đây là điều biên ký sinh. Mạch có nhược điểm

là lượng di pha nhỏ. Để hạn chế mức điều biên ký sinh chọn Dj nhỏ. Để có điều biên ký

sinh nhỏ hơn 1% thì Dj < 0,35.

ĐB1

ĐB2Di pha 900

Tổng

1tU

2tU

U1t

U

Uđb2

Uđb1

Tín hiệu điều pha

Hình 5-8: Sơ đồ khối mạch điều pha theo ArmStrong

Hình 5-9: Đồ thị véc tơ của tín hiệu điều pha theo mạch Arstrong

Dj

ÆU2

ˆtU

2ˆ. tUm

2ˆ. tUm

1ˆtU

1ˆ. tUm 1

ˆ. tUm

1dbUr

2dbUr

uđb2

Dj

0


143

5.6. TÁCH SÓNG

5.6.1 Khái niệm

Tách sóng là quá trình lấy lại tín hiệu điều chế. Tín hiệu sau tách sóng phải giống dạng tín hiệu điều chế ban đầu. Để tín hiệu ra không méo thì tín hiệu vào tách sóng phải có biên độ đủ lớn. Tương ứng với các loại điều chế, ta cũng có các mạch tách sóng sau đây: tách sóng điều biên, tách sóng điều tần, tách sóng điều pha.

5.6.2. Tách sóng điều biên.

5.6.2.1. Các tham số cơ bản

- Hệ số tách sóng:

Tín hiệu vào bộ tách sóng là tín hiệu đã điều biên.

tUU tVTSVTS wcos.ˆ trong đó VTSU biến thiên theo quy luật tin tức.

Tín hiệu ra bộ tách sóng điều biên:

VTSTSRTS UKU ˆ.ˆ

KTS là hệ số tỷ lệ và được gọi là hệ số tách sóng.

VTS

RTSTS

U

UK

ˆ

ˆ

- Thực tế, đối với quá trình tách sóng chỉ cần quan tâm đến thành phần biến thiên chậm (mang tin tức) mà thôi, do đó thường xác định hệ số tách sóng như sau:

VTS

RTSTS

U

UK

ˆ

ˆ(5-26)

- Trở kháng vào bộ tách sóng:

t

t

VTS

VTSVTS I

U

I

UZ

w

wˆ

(5-27)

- Méo phi tuyến:

%100....2

322

S

SS

I

IIk

w

ww ++

trong đó SS

II ww 32 , ... là thành phần dòng điện các sóng hài của tín hiệu điều chế xuất

hiện khi qua mạch tách sóng.

Ở đây không quan tâm đến các sóng hài dòng điện cao tần vì dễ dàng lọc bỏ chúng.


144

5.6.2.2. Mạch tách sóng điều biên.

Xét mạch tách sóng điều biên dùng điốt mắc nối tiếp hình 5-10. Nếu tín hiệu vào đủ lớn sao cho điốt làm việc trong đoạn thẳng của đặc tuyến như trên hình 5-11 ta có quá trình tách sóng tín hiệu lớn. Lúc đó dòng điện qua điốt biểu diễn:

DiÓÌÏ

<

≥

00

0

D

DD

Ukhi

UkhiSU(5-28)

Trong sơ đồ hình 5-10 điốt chỉ thông với nửa chu kỳ dương của dao động cao tần đầu vào. Hình bao của dao động nhận được nhờ sự nạp, phóng của tụ C (hình 5-11). Do tín hiệu vào có tần số rất cao các nửa hình sin rất sát nhau, hình bao do sự nạp phóng của tụ xem như một đường trơn, đó chính là tín hiệu Us cần tách.

Trong sơ đồ hình 5-10 phải chọn hằng số thời gian t = R.C đủ lớn sao cho dạng điện áp ra tải gần với dạng hình bao của điện áp cao tần đầu vào. Thông thường điện áp vào lớn hơn 1 vôn hiệu dụng và R >> Ri, Rv thì có thể tách sóng được điện áp đỉnh. Tuy nhiên cũng

không được chọn t quá lớn để tránh méo do điện dung gây nên. Điều kiện tổng quát để

chọn t là: id id

Ud

Uđb

t

q0

0t

Hình 5-11: Quá trình tách sóng tín hiệu lớn nhờ mạch chỉnh lưu dùng điốt

RC

D

U C = U SUđb

(a)

R

C

D U R = U SU đb

(b)

Hình 5-10: Sơ đồ tách sóng dùng điốt.

a, Tách sóng nối tiếp. b, Tách sóng song song


145

St

CRw

tw

1.

1<<<< (5-29)

Trường hợp chọn C lớn quá làm cho vế thứ hai của bất đẳng thức (5-29) không thoả mãn thì điện áp ra khi tụ phóng không biến thiên kịp với biên độ điện áp vào, gây méo tín hiệu như ở hình 5-13.

Thực tế thường chọn R, C theo điều kiện:

max

1.

10

St

CRww

<< (5-30)

Muốn dễ dàng thoả mãn (5-30) cần maxSt 100w≥w

Hình 5-12: Đồ thị thời gian điện áp ra UC trên tải bộ tách sóng nối tiếp

2q

U c

t

0

Uc

Uđb

dbUUc

0

Hình 5-13: Hiện tượng méo tín hiệu tách sóng do tải điện dung quá lớn.

t


146

5.7. TÁCH SÓNG ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA

Tách sóng điều tần và điều 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 đổi tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều chế độ rộng xung rồi thực hiện tách sóng tín hiệu điều chế độ rộng xung nhờ mạch tích phân.

- Làm cho tần số tín hiệu cần tách sóng bám theo tần số của một bộ tạo dao động nhờ hệ thống vòng giữ pha PLL, điện áp sai số chính là điện áp cần tách sóng.

Ta xét một số mạch cụ thể:

a. Mạch tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng.

Hình 5-14. là sơ đồ mạch tách sóng điều tần số dùng mạch lệch cộng hưởng. Đầu vào

hai bộ tách sóng biên độ (D1, D2) là hai mạch cộng hưởng được điều chỉnh tại các tần số w1,

và w2. Nếu gọi tần số trung tâm của tín hiệu điều tần đầu vào là w0 = wt thì:

wD+ww 01 ; wD-ww 02

Sự điều chuẩn mạch cộng hưởng lệch khỏi tần số trung bình của tín hiệu vào làm biên độ điện áp vào của hai bộ tách sóng biên độ (U1, U2) thay đổi phụ thuộc vào tần số điện áp vào. Từ mạch điện hình 5-14 xác định được:

2dt2

1dt1

Z.U.mU

Z.U.mU(5-31)

trong đó m là hệ số ghép của biến áp vào (L

M)

Z1, Z2 là trở kháng của hai mạch cộng hưởng 1 và 2. Mà Z1, Z2 được xác định theo:

Hình 5-14: Mạch điện bộ tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng

D1

D2C

C

R

1UR

2U2

1 US1

US2

USUđt

M


147

20

1td

2

1

11

1td1

)(1

R

])(

.Q.2[1

RZ

x-x+ww-w

+(5-32)

20

2td

2

2

22

2td2

)(1

R

])(

.Q.2[1

RZ

x+x+ww-w

+

Rtd1, Rtd2 lần lượt là hai trở kháng của hai mạch cộng hưởng ở tần số cộng hưởng

w1 và w2.

Q1, Q2 là phẩm chất của các mạch cộng hưởng tương ứng.

Chọn hai mạch cộng hưởng như nhau ta có:

td2td1td RRR , QQQ 21

0

2,10

0

Q.2

w

w-wx là độ lệch số tần số tương đối giữa tần số cộng hưởng

riêng của mạch dao động với tần số trung bình của tín hiệu vào.

0

0Q.2

ww-w

x là độ lệch lệch số tần số tương đối giữa tần số tín hiệu vào

và tần số trung bình.

Theo (5-32) khi tần số tín hiệu vào w thay đổi thì Z1, Z2 thay đổi kéo theo sự thay đổi

của biên độ điện áp vào 21 U,U nghĩa là quá trình biến đổi tín hiệu điều tần thành tín hiệu

điều biên đã được thực hiện. Qua bộ tách sóng biên độ ta nhận được các điện áp.

20

1tddtTS1TS1S

)(1

R.U.m.KU.Ku

x-x+

)(5-33)

20

2tddtTS2TS2S

)(1

R.U.m.KU.Ku

x+x+

)(5-34)

Điện áp ra tổng.

),.(.U.R.m.Kuuu 0dttdTS2S1SS xxy-

Tách sóng dùng mạch lệch cộng hưởng có nhược điểm la khó điều chỉnh cho hai mạch cộng hưởng hoàn toàn đối xứng nên ít được dùng.

b. Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép

Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép ở hình 5-15. Mạch điện làm việc theo nguyên tắc chuyển biến thiên tần số thành biến thiên về pha, sau đó thực hiện tách


148

sóng pha nhờ tách sóng biên độ. Tín hiệu điều tần một mặt ghép qua biến áp đưa sang cuộn thứ cấp, một mặt được ghép qua tụ Cgh . Do đó điện áp đặt lên các điốt D1, D2 lần lượt là:

2212D

2111D

UUU

UUU

+

+(5-35)

Ta phân biệt 3 trường hợp:

+ Khi tần số tín hiệu vào f = f0 (đồ thị véc tơ hình 5-16). Trong đó f0 là tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng sơ cấp và thứ cấp, dòng điện qua điện cảm L1 chậm pha so với

1U một góc 900 và được xác định như sau:

1

1L1 L..j

UI

w(5-36)

Dòng L1I gây ra trong cuộn thứ cấp L2 sức điện động.

L1M I.M..jE w (5-37)

Giả thiết M > 0 nên ME sớm pha so với LI1 một góc 900. ME sinh ra dòng 2I trong

mạch cộng hưởng thứ cấp. Vì f = f0 nên 2I đồng pha với ME .

21U

1DU

22U

2DU

2I

I, L

jI2

EM

j1

1 2

U1Hình 5-16:

Đồ thị véc tơ các dòng điện và điện áp vào của bộ tách sóng tần số dùng mạch

cộng hưởng ghép

Uđt C1

Cg

L1

L2

U2

U2

D1

D2

C

CR

R

Us

Hình 5-15: Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép.

CL


149

2

M2 r

EI (5-38)

trong đó r2 là điện trở tổn hao của mạch cộng hưởng thứ cấp. Điện áp 21U và

22U ngược pha nhau và lệch pha so với 2I là ± 900. Vì 1DU , 2DU có biên độ bằng nhau

nên điện áp ra.

0)UU.(KU 2D1DTSS - .

+ Trường hợp f > f0 (đường đứt nét trên đồ thị véc tơ hình 5-16). Mạch cộng hưởng

thứ cấp mang tính chất điện cảm nên 2I chậm pha so với ME một góc j < 900. 21u và 22U

ngược pha nhau và vuông góc với 2I . Giữa 1U và 21U , 22u có một góc lệch pha lần lượt

là j1 và p - j1. Tần số tín hiệu vào càng lệch khỏi tần số cộng hưởng trung tâm f0 thì biên

độ 1DU càng lớn hơn biên độ 2DU , do đó trị số điện áp ra US càng lớn.

+ Trường hợp f < f0 thì mạch thứ cấp mang tính chất điện dung nên 2I sớm pha hơn

ME , do đó 1DU < 2DU và uS âm.

- Tóm lại khi tần số tín hiệu vào thay đổi thì đầu nút của véc tơ 1DU và 2DU di

chuyển trên các vòng tròn 1 và 2 trên hình 5-16 làm cho điện áp ra thay đổi về trị số và cực tính. Trị số điện áp ra đặc trưng cho độ lệch của tần số tín hiệu vào so với tần số trung tâm f0, còn cực tính của điện áp ra cho biết tần số tín hiệu vào lệch khỏi tần số trung tâm về phía nào (lớn hơn hay nhỏ hơn f0).

Tách sóng dùng mạch cộng hưởng ghép ít gây méo và dễ điều chỉnh vì cả hai mạch đều cộng hưởng ở tần số f0. Tuy nhiên điện áp ra trong bộ tách sóng này vừa phụ thuộc tần

số vừa phụ thuộc biên độ tín hiệu vào 1U nên nó sinh ra nhiễu biên độ. Để khắc phục

nhược điểm này, phải đặt trước mạch tách sóng một mạch hạn chế biên độ.

c. Mạch tách sóng tỷ số

D1Uđt

1U2U

D2

C

C

US1

US2

C

1 R

R

U0

US

Hình 5-17: Sơ đồ mạch tách sóng tỷ số


150

Mạch tách sóng điều tần tỷ số có sơ đồ ở hình 5-17. Các điốt tách sóng được mắc nối tiếp nhau. Mạch vừa làm nhiệm vụ tách sóng vừa làm nhiệm vụ hạn chế biên độ.

Dòng qua các điốt nạp điện cho tụ C1. Hằng số thời gian )2,01,0(C.R 1 ∏ªtgiây khá lớn nên điện áp trên C1 biến thiên rất chậm làm cho nhiễu biên độ giảm. Có thể chứng minh điều đó bằng biểu thức sau:

US = US1 - UR

với 22

210 SSR

UUUU

+

Thay vào ta có:

21

21021 .22 SS

SSSSS UU

UUUUUU

+--

Hay 1/

1/.

2 21

210

+-

SS

SSS UU

UUUU (5-39)

Khi U0 ª const, điện áp ra chỉ chỉ phụ thuộc vào tỷ số US1/ US2, hơn nữa US1, US2

giống như trong bộ tách sóng dùng mạch cộng hưởng ghép, phụ thuộc vào biến thiên tần số ở đầu vào. Vì vậy bộ tách sóng tỷ số không có phản ứng với các biến thiên về biên độ ở đầu vào nên tránh được nhiễu biên độ.

d. Mạch tách sóng pha cân bằng dùng điốt

Mạch tách sóng pha cân bằng là hai mạch tách sóng biên độ dùng điốt ghép với nhau hình 5-18. Tín hiệu cần tách sóng chính là tín hiệu đã điều pha, Udp được so sánh về pha với một dao động chuẩn Uch. Biểu thức Udp và Uch như sau:

U S2

U®p US

Uch

R

R

C

CĐ2

Đ1

US1+

_

+

_

+

a)

1DU

1U

1U-

2DU

U2

D

b)

Hình 5-18: a) Mạch điện bộ tách sóng điều pha dùng điốt.

b) Đồ thị véc tơ của các điện áp.


151

Uđp )t(cos.U])t(tcos[.U 1101011 jj+j+w))

)(cos.]cos[. 2202022 tUtUU ch jjw))

+

Điện áp đặt lên hai bộ tách sóng tương ứng là:

])(cos[. 010111 jjw ++ ttUU D

)+ ]cos[. 02022 jw +tU

)

])t(tcos[.UU 010112D j+j+w-)

+ ]cos[. 02022 jw +tU)

Điện áp ra tương ứng trên hai bộ tách sóng biên độ xác định được theo đồ thị véc tơ hình 5-18b.

)(cos...2.. 2122

21111 tUUUUKUKUU TSDTSSt jD++

))))))

)(cos...2.. 2122

21222 tUUUUKUKUU TSDTSSt jD-+

))))))(5-40)

trong đó TSK là hệ số truyền đạt của bộ tách sóng biên độ.

t

STS Um

UK

.(5-41)

)(tjD là hiệu pha của hai điện áp vào.

)()()( 0201)(0201 jjjwwj -++-D ttt

Điện áp ra trên bộ tách sóng:

21 SSS UUU -

SU )(2122

21 cos...2.[ tTS UUUUK jD++

)))))(cos...2 212

21 tUUUU jD-+-

))))] (5-42)

Vậy trị số tức thời của điện áp ra trên bộ tách sóng phụ thuộc hiệu pha của tín hiệu

điều pha và tín hiệu chuẩn. Trường hợp 0201 ww và 0201 jj thì điện áp ra chỉ còn phụ

thuộc vào pha của tín hiệu vào j(t).

5.8. TRỘN TẦN

5.8.1. Định nghĩa

Trộn tần là quá trình tác dụng vào hai tín hiệu sao cho trên đầu ra bộ trộn tần nhận được các thành phần tần số tổng hoặc hiệu của hai tín hiệu đó (thường lấy hiệu tần số).

Thông thường một trong hai tín hiệu đó là đơn âm (có một vạch phổ), tín hiệu đó gọi là tín hiệu ngoại sai và có tần số fns. Tín hiệu còn lại là tín hiệu hữu ích với tần số fth cố định hoặc biến thiên trong một phạm vi nào đó. Tín hiệu có tần số mong muốn ở đầu ra được tách nhờ bộ lọc, tần số của nó thường được gọi là tần số trung tần ftt.

Để thực hiện trộn tần phải dùng phần tử phi tuyến hoặc dùng phần tử tuyến tính tham số.


152

5.8.2. Nguyên lý trộn tần

Giả thiết đặc tuyến của phần tử phi tuyến được biểu diễn theo chuỗi Taylor sau đây:

......... 2210 +++++ n

n uauauaai (5-43)

trong đó U là phần điện áp đặt lên phần tử phi tuyến để trộn tần. Trong trường hợp này U = Uns + Uth

Giả thiết

tUU nsnsns wcos.)

tUU ththth wcos.)

Thay vào (5-57) ta có:

.(10 aai + tU nsns wcos.)

)cos. tU thth w)

+

).(2

222thns UU

a ))++ tU

ansns w2cos..(

222

)+ )2cos.2 tU thth w

)+

...])cos().[cos(..2 +-+++ ttUUa thnsthnsthns wwww))

(5-44)

Vậy tín hiệu ra gồm có tín hiệu một chiều, thành phần cơ bản thns ww , ; các thành

phần tần số tổng và hiệu thns ww ± , thành phần bậc cao thns ww 2,2 . Tính các vế tiếp theo

của (5-58) ta thấy trong dòng điện còn có các thành phần bậc cao:

thns mn www ±±

trong đó mn, là những số nguyên dương.

Nếu trên đầu ra bộ trộn tần lấy tín hiệu có tần số w thns ww - , nghĩa là chọn

1mn thì ta có trộn tần đơn giản.

Có trường hợp lấy w thnsn ww - với 2≥n ta có trộn tần tổ hợp.

Trộn tần được dùng trong máy thu đổi tần. Nhờ bộ trộn tần, mạch cộng hưởng của các tầng trung tần của máy thu tần được điều chỉnh cộng hưởng ở một tần số cố định. Tần

số ngoại sai được đồng chuẩn với tần số tín hiệu vào sao cho tt ns thf f f const= - = .

Cần chú ý rằng quá trình trộn tần biên độ điện áp ngoại sai rất lớn hơn điện áp tín hiệu nên đôí với tín hiệu đặc tuyến vôn-ampe của phần tử trộn tần xem như tuyến tính còn với điện áp ngoại sai xem như phi tuyến.


153

5.8.3. Mạch trộn tần

5.8.3.1. Mạch trộn tần dùng điốt.

Mạch trộn tần dùng điốt được dùng rộng rãi ở mọi tần số đặc biệt ở phạm vi tần số cao (trên 1GHz). Mạch trộn tần dùng điốt có nhược điểm là làm suy giảm tín hiệu. Mạch trộn tần dùng điốt được biểu diễn trên hình 5-19.

Trong sơ đồ trộn tần đơn mạch tín hiệu, mạch ngoại sai và mạch trung trung tần mắc

nối tiếp nhau. Có thể tính itttt GS , cho sơ đồ dựa vào đặc tuyến lý tưởng hoá của điốt biểu

diễn trên hình 5-20. Theo đặc tuyến đó:

Viết được biểu thức dòng điện qua điốt.

ÓÌÏ

<≥

0Ukhi0

0UkhiU.Si

thU Utt

nsU

a)

nsU

thU Utt

+ -

itt1

itt2

+

-

+

b)

Hình 5-19: Mạch trộn tần dùng điôt.


154

ở đây ii

GRdu

diS

1

Vì điện áp ngoại sai là hàm tuần hoàn theo thời gian nên hỗ dẫn S là một dãy xung vuông với độ rộng xung phụ thuộc góc cắt q . Với điểm tĩnh chọn ở gốc toạ độ thì

2)90( 0 pq .

Theo Furiê khi đó ta tính được biên độ S sóng cơ bản là:

pS

S.2

1

)

pS

SStt 1.2

1 )

còn 2

SGG ioitt

Để chống tạp âm ngoại sai, dùng sơ đồ trộn tần cân bằng (hình 5-20b). Trong bộ trộn tần này điện áp tín hiệu đặt lên hai điôt ngược pha còn điện áp ngoại sai đặt lên hai điôt đồng pha, nghĩa là:

tUU thththD wcos.1

)

p/2

S

S

S

0 0

i

U

i

wnst

0

q

Uns

wnst

Hình 5-20: Đặc tuyến volt - ampe

của điôt và quan hệ )( tfS nsw


155

)cos(.2 pw +tUU thththD

)

và nsnsDnsD UUU 21 . Do đó dòng điện trung tần qua các điôt do thU tạo ra:

1 1tt tt ns thw w= -

2 2tt tt ns thw w p= - - + 2tt ns thw w= -

trong đó 1tt 2tt tt thtt US)

.

Trên mạch cộng hưởng ra ta nhận được:

tti 1tti + 2tti 2. .costt ttI tw

Mạch này tạo ra dòng điện tạp âm đầu ra ngược pha nhau trên mạch cộng hưởng ra nên nó tự triệt tiêu nhau.

Như vậy mạch trộn tần cân bằng làm tăng dòng điện trung tần đầu ra và giảm được tạp âm. Cũng có thể dùng mạch trộn tần vòng.

5.8.3.2. Mạch trộn tần dùng Tranzito.

Ưu điểm của mạch trộn tần kiểu này là ngoài nhiệm vụ trộn tần còn khuếch đại nên tín hiệu ra có biên độ lớn. Có thể dùng Tranzito trường hay Tranzito lưỡng cực để trộn tần. Có thể dùng cách mắc gốc chung hay phát chung. Mạch mắc gốc chung dùng ở phạm vi tần số cao hay siêu cao vì tần số giới hạn của nó cao. Tuy nhiên sơ đồ này độ khuếch đại không bằng mạch phát chung.

Mạch trộn tần dùng Tranzito lưỡng cực hình 5-21.

Uns

R1

R2 R3

C2

C1

Uth

Utt

+E

Hình 5-21.a: Mạch trộn tần dùng Tranzito.


156

Mạch trộn tần dùng tranzito trường cũng có kết cấu tương tự. Mạch dùng tranzito trường có hai cực cửa như hình 5-22.

5.9. MẠCH NHÂN CHIA TẦN SỐ

Để tạo ra tín hiệu có tần số theo yêu cầu từ một tín hiệu có tần số chuẩn ta dùng mạch nhân hoặc chia tần số. Mạch nhân chia tần số hiện nay phổ biến dùng vòng giữ pha viết tắt là PLL.

Nguyên lý làm việc của PLL được chỉ ra ở hình 5-23. PLL hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển. Khác với vòng điều khiển thường dùng trong kỹ thuật điện tử, trong đó điện áp hoặc dòng điện là các đại lượng vào và đại lượng ra, trong PLL đại lượng vào và đại

+EC

R1 R2 R3C4

C2

C1

C3Utt

Uth

Uns

Hình 5-22: Mạch trộn tần dùng Tranzito trường có hai cực cửa.

Hình 5-21.b: Mạch trộn tần dùng Tranzito.

Utt

Uth

Uns

R1

R2 R3

C2

C1

+E

C3


157

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 tần số fr của tín hiệu so sánh bám theo tần số fv của tín hiệu vào, cho ®Õn khi tần số của tín hiệu so sánh bằng tần số của tín hiệu ra ( fr= fv ).

Để có tín hiệu điều chỉnh Ud (hoặc id) tỷ lệ với hiệu pha Dj = jv - jr phải dùng bộ tách sóng pha. ở đầu ra bộ tách sóng pha là tín hiệu hiệu chỉnh được đưa đến bộ tạo bộ dao động khống chế bằng điện áp (VCO) làm thay đổi tần số 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 fr = fv.

Các phần tử cơ bản của vòng giữ pha gồm có bộ tách sóng pha, bộ lọc thông thấp và một bộ lọc tạo dao động điều khiển bằng điện áp VCO.

Để hiểu rõ nguyên lý làn việc của mạch, ta xét trường hợp đơn giản tín hiệu vào và tín hiệu ra so sánh đều là tín hiệu hình sin, vòng giữ pha thuộc loại tuyến tính dùng mạch nhân tương tự để tách sóng pha.

Với giả thuyết trên, ta thấy khi không có tín hiệu vào thì tín hiệu hiệu chỉnh Ud = 0, và tín hiệu ra của bộ tách sóng pha là tích Uv0.Ur. Mạch VCO dao động tại tần số dao động riêng f0 của nó. f0 còn được gọi là tần số dao động tự do. Khi có tín hiệu vào, bộ tách sóng pha sẽ so pha tần số của tín hiệu vào với tín hiệu so sánh. Đầu ra bộ tách sóng pha xuất hiện tín hiệu Ud mà trị số tức thời của nó tỷ lệ với hiệu pha (hiệu tần số ) của hai tín hiệu vào tại thời điểm đó.

Vì Ud =K.Uv.Ur nên trong tín hiệu ra bộ tách sóng pha có các thành phần tần số fv - fr

và fv+ fr. Tần số tổng bị loại bỏ nhờ bộ lọc thông thấp, còn tần số hiệu được khuếch đại lên và dùng làm tín hiệu điều khiển tần số dao động của VCO. Tần số của VCO được thay đổi sao cho fv - fr tiến tới không, nghĩa là fv=fr.

Nếu tần số tín hiệu vào và tín hiệu so sánh lệch nhau quá nhiều làm cho tần số tổng và tần số hiệu đều nằm ngoài khu vực thông của bộ lọc thì không có tín hiệu điều khiển VCO dao động tại f0. Khi f0 và fr xích lại gần nhau sao cho thành phần fv - fr rơi vào khu vực thông của bộ lọc thì VCO bắt đầu nhận tín hiệu điều khiển để thay đổi tần số dao động của nó, PLL bắt đầu hoạt động, ta nói PLL làm việc trong "dải bắt". Dải bắt của PLL phụ thuộc vào giải thông của bộ lọc. "Dải giữ" của PLL là giải tần số mà PLL có thể giữ được chế độ

UV

fV

VCOLTT và KĐ

Ud=KdUVUr

(fV- fr)

(fV+ fr)

Tín hiệu so sánh Ur

Hình 5-23: Sơ đồ khối vòng giữ pha.

Ur

fr


158

đồng bộ khi thay đổi tần số tín hiệu vào. Dải giữ không phụ thuộc vào giải thông của bộ lọc mà phụ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển Ud và vào khả năng biến đổi tần số của VCO.

Vòng giữ pha đã có nhiều năm nay nhưng gần đây được ứng dụng rộng rãi nhờ sự ra đời của vi mạch PLL làm giảm nhẹ được kết cấu quá phức tạp của mạch.

Một trong các ứng dụng quan trọng của PLL là nhân tần và chia tần.

Mạch nhân tần với hệ số nhân n như ở hình 5-24.

Từ một tín hiệu vào là một dây xung có tần số cơ bản là fv và các bài bậc cao nfv và cho tần số VCO bám theo một hài bậc cao nào đó của fv thì đầu ra nhận được tín hiệu có fr = nfv.

Mạch tổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số chuẩn ở hình 5-25.

Ở đây tần số của tín hiệu vào trước khi vào bộ tách sóng pha được đưa qua mạch chia tần với hệ số chia m, đầu ra mạch chia có tần số fv/m. Đầu ra của mạch VCO có tần số fr = n/m fv với độ ổn định và độ chính xác như của tần số tín hiệu vào.

Tần số ra

fr = nfv

TSP LTT và KĐ VCO

CT

n:1

Tần số chuẩn

fV

Hình 5-24: Mạch nhân tần với hệ số n nguyên

TSP LTT và KĐ VCO

CT2

n:1

fv m

fnf vr

.

Hình 5-25: Mạch tổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số vào

CT1

1:m

fv/m

PLL

n

fr


159

TÓM TẮT

Kết thúc chương 5 người học cần nắm được:

- Điều chế. Khái niệm về điều chế.

Mạch điều chế là một mạng sáu cực: có hai điện áp vào và một điện áp ra. Điện áp tin tứcđược ký hiệu US, điện áp tải tin ký hiệu Ut. Điều kiện để điều chế được là tần số tải tin rất lớn hơn tần số tin tức.

Điều biên: làm cho biên độ tải tin biến đổi theo tin tức.

Điều tần là làm cho tần số tải tin biến đổi theo tin tức.

Điều pha là làm cho pha của tải tin biến đổi theo tin tức.

Điều biên. Biểu thức điều biên khi tải tin Ut và tin tức US đều là dao động điều hoà.

Tìm phổ của tín hiệu điều biên, xét quan hệ năng lượng trong điều biên.

+ Mạch điều biên. Để thực hiện điều biên có thể dùng điốt hay tranzito để thực hiện. Mạch điều biên dùng điốt phải sử dụng loại điốt cao tần (tiếp điểm). Mach điều biên cân bằng cho tín hiệu ra hai biên tần còn có các thành phần tần số khác gây nhiễu. Mạch điềubiên vòng ưu điểm hơn vì loại trừ được các thành phần gây nhiễu đó (mạch phải dùng bốnđiốt).

+ Mạch điều biên dùng tranzito nguyên lý điều chế cũng tương tự, tuy nhiên nó cókhả năng khuếch đại làm biên độ tín hiệu ra lớn hơn.

+ Điều chế đơn biên. Tín hiệu điều biên có hai biên tần chứa nội dung tin tức nhưnhau. Có thể lọc bỏ một biên tần mà nội dung tin tức vẫn không thay đổi. Đó là tín hiệu đơn biên (một biên). Truyền tin loại tín hiệu này giảm được công suất máy phát khi cùng cự ly thông tin, giảm được giải tần công tác, giảm được tạp âm. Mạch điều chế tín hiệu đơn biên thường dùng phương pháp lọc để thực hiện. Để việc lọc bỏ một biên tần thuận lợi thườngdùng phương pháp điều chế qua nhiều cấp.

+ Điều tần và điều pha: còn gọi chung là điều chế gốc vì hai loại điều chế này đềulàm gốc pha chung thay đổi.

+ Mạch điều tần. Mạch điều tần điển hình là mạch dùng điốt biến dung. Về cơ bảnđây là một mạch tạo dao động sin ghép biến áp có điốt biến dung đóng vai trò tụ điện ởkhung dao động. Khi mạch làm việc, tin tức US = 0, mạch cho ra tín hiệu cao tần. Khi có tin tức đưa tới đặt lên điốt biến dung làm điện dung của điốt thay đổi, làm tần số dao động củamạch biến đổi theo tin tức. Trên khung dao động ta nhận được tín hiệu điều tần.

+ Mạnh điều tần dùng tranzito điện kháng nguyên lý cũng tương tự nhưng thực hiệnđiều tần gián tiếp.


160

+ Mạch điều pha. Mạch điều pha thực hiên theo Armstrong. Mạch này dùng hai mạchđiều biên có sóng mang xung tốt còn tin tức US đưa vào có pha ngược nhau. Cộng hai tínhiệu điều biên đó cho đầu ra tín hiệu điều pha. Điều đó được giải thích dễ dàng qua đồ thi véctơ.

- Tách sóng.

Tách sóng là quá trình ngược với điều chế (còn gọi là giải điều chế). Mạch tách sóngcó nhiệm vụ tách lấy tin tức US, lọc bỏ tải tin Ut. Do các phương thức điều chế: điều biên, điều tần, điều pha khác nhau nên tương ứng các mạch tách sóng cũng phải khác nhau.

+ Tách sóng điều biên: để tín hiệu sau tách sóng không méo, tín hiệu vào mạch táchsóng phải có biên độ lớn để điốt làm việc trên phần thẳng của đặc tuyến.

Mạch tách sóng điều biên có điốt cao tần mắc nối tiếp với tải RC. Từ mạch điện ta thấy điốt chỉ thông với các nửa dương của dao động cao tần đầu vào. Đầu ra nhận đượchình bao của dao động nhờ sự nạp phóng của tụ C. Đó là tin tức US. Để tách sóng tín hiệu ra

không méo cần chọn tụ C và R phù hợp: 1/wt << t = RC << 1/ws.

+ Tách sóng điều tần điều pha. Có thể dùng phương thức chuyển tín hiệu điều tầnđiều pha thành tín hiệu điều biên rồi dùng mạch tách sóng điều biên để tách sóng: mạchtách sóng điều tần lệch cộng hưởng. Nhờ mạch cộng hưởng lệch từ tín hiệu điều tần đưa vào ta nhận được tín hiệu điều biên U1, U2. Qua mạch tách sóng điều biên cho ra tin tức US. Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép: mạch chuyển tín hiệu điều tần thànhtín hiệu điều pha sau đó thực hiện tách sóng pha nhờ mạch tách sóng điều biên. Mạch táchsóng điều pha cân bằng dùng điốt: đưa thêm điện áp chuẩn vào để chuyển tín hiệu điều pha thành tín hiệu điều biên rồi tách sóng.

- Trộn tần.

Trộn tần là trộn tín hiệu có tần số fth với điện áp ngoại sai có tần số fns để cho ra tínhiệu trung tần có tần số bằng tổng hoặc hiệu của hai tần số đó (ftt = fns + fth hoặc ftt = fns –fth). Thường lấy tần số ftt hiệu. Do tín hiệu vào có biên độ nhỏ nên với mạch trộn tần xem như tuyến tính. Sau trộn tần tin tức không bị thay đổi. Vì tính phi tuyến của mạch trộn tần, dòng đầu ra của nó chứa nhiều thành phần tần số cách biệt nhau trong đó có tần số trung tần ftt = fns – fth. Để lọc lấy thành phần tín hiệu có tần số này tải của tầng trộn tần phải làmạch cộng hưởng song song, cộng hưởng ở tần số đó.

Mạch trộn tần có thể dùng điốt hoặc tranzito thực hiện. Mạch trộn tần dùng điốt loại cao tần (tiếp điểm) như hình 5-19. Mạch trộn tần dùng tranzito ở hình 5-21, 5-22.

- Nhân chia tần số.

Vòng giữ pha là một linh kiện điện tử hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển. Qua sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động của nó ta thấy khi mạch làm việc đồng bộ thì fr = fv. Vì vậy khi lối vào cho tín hiệu vào qua bộ chia tần với hệ số chia m, lối so sánh về qua bộ chia tần, hệ số chia tần n thì khi PLL làm việc đồng bộ có fv/m = fr/n nên fr = nfv/m. Nếu


161

thay đổi hệ số chia m,n ta có tần số fr theo ý muốn. Đó là ứng dụng cơ bản của vòng giữ pha để thực hiện nhân chia tần số.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

5-1. Thế nào là điều chế?

5-2. Viết biểu thức tín hiệu điều biên, tín hiệu điều tần, tín hiệu điều pha khi Us, Ut đều là tín hiệu

điều hoà?

5-3. So sánh mạch điều biên cân bằng với mạch điều biên vòng dùng điốt?

5-4. Ưu điểm khi truyền tín hiệu đơn biên trong thông tin?

5-5. Trình bày sơ đồ điều chế đơn biên hai cấp?

5-6. Trình bày mạch tạo dao động sin ghép biến áp?

5-7. Thế nào là tranzito điện kháng?

5-8. Trình bày mạch điều tầng dùng tranzito điện kháng?

5-9. Nếu đổi chiều điốt biến dung trong mạch điều tần có được không? Tại sao?

5-10.Thế nào là mạch tách sóng? Yêu cầu của mạch tách sóng?

5-11.Trình bày mạch tách sóng điều biên? Điều kiện để tách sóng không méo?

5-12.Tại sao mạch tách sóng điều tần,mạch tách sóng điều pha khác nhau?

5-13.Trình bày mạch tách sóg điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng?

5-14.Trình bày mạch tách sóng điều pha cân bằng dung điốt?

5-15.Định nghĩa mạch trộn tần?

5-16.Tại sao tải mạch trộn tần là mạch cộng hưởng song song?

5-17.Nguyên tắc hoạt động của vòng giữ pha? Nêu ứng dụng của nó?

5-18.Cho tín hiệu điều biên với hệ số điều chế m = 50%, tần số điều chế fs =10KHz, tải tin có biên

độ 5mV và tần số ft = 10MHz.

a. Viết biểu thức tín hiệu điều biên?

b. Tính phổ của tín hiệu đó?

c. Sau khi khuếch đại thực hiện trộn tần. Đầu ra bộ trộn tần tín hiệu có biên độ lớn hơn biên độ tín hiệu vào 1000 lần và tần số ftt =1MHz.

Viết biểu thức tín hiệu sau trộn tần?

Tìm tần số ngoại sai của mạch ?

Vẽ mạch tách sóng tín hiệu trung tần trên?


162

5-19.Nêu điều kiện về tần số tải tin wt và tần số tín hiệu ws của mạch điều chế?

a. wt >> ws.

b. wt = ws.

c. wt ≥ ws.

5-20. Nêu yêu cầu về loại điốt dùng trong mạch điều biên?

a. Điốt tiếp mặt.

b. Điốt tiếp điểm (cao tần).

c. Điốt biến dung.

5-21.Nêu tác dụng của điốt biến dung trong mạch điều tần?

a. Để giữ cho biên độ tín hiệu ra ổn định.

b. Để làm cho tần số của mạch dao động biến đổi theo tin tức Us.

c. Để giữ cho tần số tín hiệu ra không thay đổi.

5-22.Nêu điều kiện biên độ tín hiệu vào mạch tách sóng điều biên để tín hiệu ra không méo?

a. Biên độ nhỏ.

b. Biên độ rất nhỏ.

c. Biên độ lớn.

5-23.Nêu điều kiện về hằng số thời gian của mạch átch sóng điều biên để tín hiệu ra không méo?

a. 1/ws <<t = RC <<1/wt.

b. 1/wt < t = RC< 1/ws.

c. 1/wt << t = RC <<1/ws.

5-24.Nêu yêu cầu về tải của mạch trộn tần?

a. Là mạch cộng hưởng nối tiếp có tần số cộng hưởng bằng ftt.

b. Là mạch cộng hưởng song song có tần số cộng hưởng bằng ftt.

c. Là mạch cộng hưởng song song có tần số cộng hưởng khác ftt.

5-25.Xác định tần số đầu ra của mạch tổ hợp tần số dùng vòng giữ pha khi hệ số chia lối vào m, hệ số chia lối so sánh n?

a. fr = nfv.

b. fr = nfv/m.

c. fr = mfv /n.

chuong 5 các mạch biến đổi tần số

Documents