Xem mẫu
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
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, trộn
tần, 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 dùng
điốt 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 tách
sóng 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.
130
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
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 U t đều là dao động điều hoà và tần số tin
tức biến thiên từ ωS min ÷ ωS max , ta có:
ˆ
U S = U S . cos ω S t
ˆ
U t = U t . cos ω t t và ω t >> ωS
Do đó tín hiệu điều biên:
ˆ ˆ ˆ
Uđb = (U t + U S . cos ω S t ). cos ω t t = U t .(1 + m. cos ω t t ). cos ω t t (5-1)
ˆ
US
trong đó: m = là hệ số điều chế.
Uˆ
t
Hệ số điều chế phải thoả mãn điều kiện m ≤ 1 . Khi m > 1 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:
ˆ
mU t ˆ
mU t
ˆ
U db = U t cos ω t t + cos(ω t + ω S )t + cos(ω t − ω S )t (5-2)
2 2
Như vậy, ngoài thành phần tải tin, tín hiệu điều biên còn có hai biên tần. Biên tần trên
có tần số từ (ω t + ωS min ) ÷ (ω t + ωS max ) và biên tần dưới từ
(ω t − ωS max ) ÷ (ω t − ωS min ) .
131
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
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.
1 ) 2
P~ t ~ (tỷ lệ) U t
2
Công suất biên tần: U
ˆ
m.U t
( )2
P~ bt ~ 2
2 0 ωsmin ωsmax ω
a)
Uđb Ut
ω
0 ωt-ωSmax ωt-ωSmin ωt ωt+ωSmi ωt+ωSmax
Hình 5-1: Tín hiệu điều biên b)
US
a) Phổ của tin tức;
b) Phổ của tín hiệu điều biên;
c) Đồ thị thời gian của tin tức và tín 0 t
hiệu điều biên khi m < 1 và m > 1
Uđb
c)
0 t
m1
2
132
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
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:
P~ t
2P~ bt =
2
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:
) )
U1 = U S . cos ω S t + U t . cos ω t t
) ) (5-3)
U 2 = −U S . cos ω S t + U t . cos ω t t
Dòng điện qua mỗi điốt được biểu diễn theo chuỗi Taylor:
i1 = a 0 + a 1 .U1 + a 2 .U12 + a 3U1 + ...
3
(5-4)
i2 = a 0 + a 1 .U 2 + a 1 .U 2 + a 3 .U 2 + ...
2 3
Dòng điện ra:
i = i1 - i2 (5-5)
Thay (5-3) và (5-4) vào (5-5), chỉ lấy bốn số hạng đầu được:
i = A. cos ωS t + B. cos 3ωS t + C.[cos(ω t + ωS ) t + cos(ω t − ωS ) t ] +
(5-6)
+ D.[cos(2ω t + ωS ) t + cos(2ω t − ωS ) t ]
trong đó:
ˆ ˆ2 1 ˆ
A = U S + (2a1 + 3a3 ).U t + .a3 .U s2
2
1 ˆ
B = .a3 .U s3
2 (5-7)
ˆ ˆ
C = 2.a 2 .U S .U t
3 ˆ ˆ
D = .a3 .U S .U t .
2
Cũng có thể chứng minh tương tự cho mạch hình 5-3b.
133
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
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.
Đ1 i1 T1
CB Ut EC
US Uđb US - + Uđb
CB
Đ2 i2
T2
(a) (b)
Ut
Uđb
ω
ωS 3ωS ωSt - ωS ωSt + ωS 2ωSt - ωS 2ωSt + ωS
(c)
Mạch điều chế vòng:
Hình 5-2: Mạch điều biên cân bằng
Mạch điều chế vòng: thực chất là hai mạch điều chế cân bằng chung tải.
Gọi dòng điệnDùng điốt; b) Dùng tranzito; c)D1 D2 làhiệu radòng điện ra của mạch
a) ra của mạch điều chế cân bằng Phổ tín i và
I
điều chế cân bằng D3 D4 là i II
Đ1
CB Đ3
US Uđb
CB Đ4
Đ2
Ut
Ta có:
Hình 5-3: Mạch điều chế vòng
134
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
i I = A. cos ωS t + B. cos 3ωS t + C.[cos(ω t + ωS ) t +
cos(ω t − ωS ) t ] + D.[cos(2ω t + ωS ) t + cos(2ω t − ωS )]
i II = i D3 − i D 4
trong đó:
i D 3 = a 0 + a 1 .U 3 + a 2 .U 3 + a 3 .U 3 + ...
2 3
i D 4 = a 0 + a 1 .U 4 + a 2 .U 4 + a 3 .U 4 + ...
2 3
với u3và u4 là điện áp đặt lên D3, D4 xác định
U 3 = −U t . cos ω t t − U S . cos ω S t
ˆ ˆ
U 4 = −U t . cos ω t t + U S . cos ω S t
ˆ ˆ
thay vào
i II = − A. cos ωS t − B. cos 3ωS t + C.[cos(ω t + ωS ) t + cos(ω t − ωS ) t ]
− D.[cos(2ω t + ωS ) t + cos(2ω t − ωS ) t ]
A, B, C, D xác định như ở mạch điều chế cân bằng trước đây.
Nên: i đb = i I + i II = 2.C.[cos(ω t + ω S )t + cos(ω t − ω S )t ]
Phổ có dạng:
ωt-ωS ωt+ωS
ω
0 ωt
Điều chế vòng cho méo nhỏ nhất vì nó khử được các hài bậc lẻ của ω S và các biên tần 2ω t .
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 nhằm
tạo 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:
m ˆ
Uđb (t ) = .U t . cos(ω t + ω S )t (5-8)
2
135
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
)
US
trong đó m = ) được gọi là hệ số nén tải tin, m có thể nhận các giá trị từ 0 ÷ ∞ .
Ut
- 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 f S min = 200Hz , lúc đó khoảng cách giữa hai biên tần Δf = 2f S min = 400Hz
Δf
(xem hình 5-1b). Nếu tải tần f t = 10MHz thì hệ số lọc của bộ lọc X = = 4.10 −5 , khá
ft
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
US ft1±fS ft1+fS ft2±(ft1+fS) ft2+ft1+f
ĐCB1 Lọc I ĐCB2 Lọc II
a b c d
ft1 ft2
Tạo dao Tạo dao
động 1 động 2
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 đồ khối mạch điều chế đơn biên bằng phương pháp lọc
Hình 5-4: Sơ 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 Δf = f S max − f S min 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 Δf ′ = 2.(f t1 + f S min ) 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.
f t =f t1+ f t 2 .
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.
US
a)
0 fSmax f
fSmin
fSmin
136
Ub
b)
f
0 ft1
Uc
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
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
dΨ
ω= (5-9)
dt
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:
) )
U t = U t . cos(ω t t + ϕ 0 ) = U t . cosψ (t ) (5-10)
Từ (5-9) rút ra:
t
Ψ( t ) = ∫ ω( t ) dt + ϕ ( t ) (5-11)
0
Thay (5-11) vào (5-10) ta được:
t
ˆ
∫
U t = U t . cos[ ω ( t ) dt + ϕ ( t ) ]
0
(5-12)
Giả thiết tín hiệu điều chế là đơn âm.
)
U S = U S . cos ω S t (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:
137
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
ˆ
ω ( t ) = ω t + kđt U S cos ω S t (5-14)
)
ϕ ( t ) = ϕ o + kđp .U S cos ω S t (5-15)
trong đó ω t là tần số trung tâm của tín hiệu điều tần
ˆ
Đặt: kđt .U S = Δω m và gọi là lượng di tần cực đại.
)
kđp .U S = Δϕ m và gọi là lượng di pha cực đại.
Khi đó các biểu thức (5-14), (5-15) viết lại như sau:
ω( t ) = ω t + Δω m . cos ωS t (5-16)
ϕ( t ) = ϕ 0 + Δϕ m . cos ωS t (5-17)
Khi điều chế tần số góc pha đầu không đổi nên ϕ( t ) = ϕ 0 . Thay (5-16) và
(5-17) vào (5-12) và tích phân lên được biểu thức của dao động điều tần:
ˆ Δω m
Uđt = U t . cos(ω t t + . sin ω S t + ϕ 0 ) (5-18)
ωS
Tương tự như vậy, ta có biểu thức dao động điều pha khi cho ω = ω t = const :
)
Uđp = U t . cos(ω t t + Δϕ m . cos ω S t + ϕ 0 ) (5-19)
Lượng di pha đạt được khi điều pha
Δϕ = Δϕ m . cos ωS t
Tương ứng có lượng di tần là:
d ( Δϕ)
Δω = = Δϕ m .ωS . sin ωS t
dt
và lượng di tần cực đại khi điều pha là:
)
Δω m = ωS .Δϕ m = ωS . k đp .U S (5-20)
Lượng di tần cực đại khi điều tần là:
ˆ
Δωm = kđt .U S (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
138
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
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:
k
CD = (5-22)
(U D + ϕ k ) γ
trong đó k là hệ số tỷ lệ.
ϕk là hiệu điện thế tiếp xúc mặt ghép, với điốt Silic ϕ k ≈ 0,7 V
1 1
γ là hệ số phụ thuộc vật liệu: γ = ,...,
3 2
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.
RD
+E1 L1 C1
CD (a)
R1 +E2
US
L3 C D
R3 L2 L4
R2 R5
R4 L5 C5
C2 C4 E0
C
(b)
Hình 5-6: Mạch điều tần bằng điốt biến dung.
Tần số dao động của Sơ đồ tương đương của cộng hưởng riêng của hệ dao động và
a, mạch gần bằng tần số điốt.
được xác định như Mạch tạo dao động điều tần bằng điốt biến dung
b, sau:
1
fđd = (5-23)
2π. L 3 .(C + C D )
CD xác định theo biểu thức (5-22)
139
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
Điện áp đặt lên điốt:
)
U D = U t − U S − E 0 = U t . cos ω t t − U S . cos ω S t − E 0 (5-24)
Để điốt luôn được phân cực ngược cần thoả mãn điều kiện:
ˆ ˆ
U D = U DMax = U t + U S − E0 ≤ 0 và
) )
U D = U D min = − U t − U S − E 0 ≤ U ngcp (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 C D = f ( U D )
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.
CD CD
CDma
CDmi
E0 0 U 0 t
U
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
Điều tần dùng tranzito điện kháng: phần tử điện kháng dung tính hoặc cảm tính
đượcmắc song song t hệ dao động của bộ tạo dao động làm cho tần số dao động thay đổi
với
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:
ˆ
U db1 = U t1 .(1 + m. cos ω S t ). cos ω t t
ˆ
m.U t1
ˆ
= U t1 . cos ω t t + .[cos(ω t + ω S )t + cos(ω t − ω S )t ]
2
140
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
ˆ
U db 2 = U t 2 .(1 − m. cos ω S t ). sin ω t t
ˆ
m.U t 2
ˆ
= U t 2 . sin t t − .[sin(ω t + ω S )t + sin(ω t − ω S )t ]
2
Đồ thị véc tơ của Uđb1 và Uđb2 và véc tơ tổng của chúng được biểu diễn trên hình 5-11.
U t1
ĐB1
Uđb1
Tín hiệu điều pha
U t1 U Tổng
U t2 Uđb2
0
Di pha 90 ĐB2
r
Hình 5-8: Sơ đồ khối mạch điều pha theo ArmStrong
U db2
uđb2
ˆ
m.U t 2
ˆ →
Ut 2 U
ˆ
m.U t 2
Δϕ
Δϕ
ˆ
m.Ut1 ˆ
m.U t1
0 r
ˆ
U t1 U db1
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 véc Điều biên ở đây điều pha theo mạch Mạch có nhược điểm
Hình 5-9: Đồ thị độ. tơ của tín hiệu là điều biên ký sinh. Arstrong
là lượng di pha nhỏ. Để hạn chế mức điều biên ký sinh chọn Δϕ nhỏ. Để có điều biên ký
sinh nhỏ hơn 1% thì Δϕ < 0,35.
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.
141
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
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.
ˆ
U VTS = U VTS . cos ω t t trong đó U VTS biến thiên theo quy luật tin tức.
ˆ
Tín hiệu ra bộ tách sóng điều biên:
ˆ ˆ
U RTS = K TS .U VTS
KTS là hệ số tỷ lệ và được gọi là hệ số tách sóng.
ˆ
U RTS
K TS =
Uˆ
VTS
- 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:
ˆ
U RTS
K TS = (5-26)
Uˆ
VTS
- Trở kháng vào bộ tách sóng:
ˆ
U VTS U ωt
Z VTS = = (5-27)
I VTS I ωt
- Méo phi tuyến:
I 2ω S + I 32ω S + ...
2
k= .100%
IωS
trong đó I 2ω S , I 3ω S ... 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.
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:
⎧SU D khi UD ≥ 0
iD = ⎨ (5-28)
⎩0 khi UD < 0
D C
C R R
Uđb UC = US U đb D UR = US
142
(a) (b)
Hình 5-10: Sơ đồ tách sóng dùng điốt.
a, Tách sóng nối tiếp. b, Tách sóng song song
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
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 τ = 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 τ quá lớn để tránh méo do điện dung gây nên. Điều kiện tổng quát để
chọn τ là:
id id
0 Ud t
0 θ
Uđb
Uc
Hình 5-11: Quá trình tách sóng tín hiệu lớn
nhờ mạch chỉnh lưu dùng điốt
t
t
0
2θ
1 1
Hình 5-12: .C
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
Thực tế thường chọn R, C theo điều kiện:
10 1
< R.C < (5-30)
ωt ω S max
Muốn dễ dàng thoả mãn (5-30) cần ω t ≥ 100ωS max
Uc ˆ
U db
Uc
Uđb
t
0
5.7. TÁCH SÓNG ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA
Hình 5-13: Hiện tượng méo tín hiệu tách sóng do tải điện dung quá lớn.
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 ω1,
và ω2. Nếu gọi tần số trung tâm của tín hiệu điều tần đầu vào là ω0 = ωt thì:
ω1 = ω0 + Δω ; ω2 = ω0 − Δω
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:
ˆ ˆ
U 1 = m.U dt .Z1
(5-31)
ˆ ˆ
U 2 = m.U dt .Z 2
144
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
M
trong đó m là hệ số ghép của biến áp vào ( = )
L
M
D1
C R US1
1 ˆ
U1
Uđt
US
C R US2
2 ˆ
U2 D2
Hình 5-14: Mạch điện bộ tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng
Z1, Z2 là trở kháng của hai mạch cộng hưởng 1 và 2. Mà Z1, Z2 được xác định theo:
R td1 R td1
Z1 = = (5-32)
(ω − ω1 ) 2 1 + (ξ − ξ 0 ) 2
1 + [2.Q1 . ]
ω1
R td 2 R td 2
Z2 = =
(ω − ω 2 ) 2 1 + (ξ + ξ 0 ) 2
1 + [2.Q 2 . ]
ω2
Rtd1, Rtd2 lần lượt là hai trở kháng của hai mạch cộng hưởng ở tần số cộng hưởng
ω1 và ω2.
Q1, Q2 là phẩm chất của các mạch cộng hưởng tương ứng.
Chọn hai mạch cộng hưởng như nhau ta có:
R td1 = R td 2 = R td , Q1 = Q 2 = Q
2.Q ω0 − ω1, 2
ξ0 = là độ lệch số tần số tương đối giữa tần số cộng hưởng
ω0
riêng của mạch dao động với tần số trung bình của tín hiệu vào.
2.Q ω − ω0
ξ= là độ lệch lệch số tần số tương đối giữa tần số tín hiệu vào
ω0
và tần số trung bình.
Theo (5-32) khi tần số tín hiệu vào ω thay đổi thì Z1, Z2 thay đổi kéo theo sự thay đổi
ˆ ˆ
của biên độ điện áp vào U 1 , U 2 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.
) R td1
ˆ ˆ
u S1 = K TS .U 1 = K TS .m.U dt . (5-33)
1 + ( ξ 0 − ξ) 2
145
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
) R td 2
ˆ ˆ
u S2 = K TS .U 2 = K TS .m.U dt . (5-34)
1 + ( ξ 0 + ξ) 2
Điện áp ra tổng.
ˆ
u S = u S1 − u S2 = K TS .m.R td .U dt .ψ.(ξ, ξ 0 )
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
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:
U D1 = U 1 + U 21
(5-35)
U D 2 = U 1 + U 22
Cg D1
Us
U2 R C
Uđt C1 L
L1
C
U2 R C
L2 D2
1 2
Hình 5-15: Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép.
U 21 ϕ1 U 22
Hình 5-16:
U1
Đồ thị véc tơ các dòng điện và điện áp
vào của bộ tách sóng tần số dùng mạch UD2
cộng hưởng ghép U D1 EM
I2 I2
ϕ
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 L
I, cộng
hưởng của mạch cộng hưởng sơ cấp và thứ cấp, dòng điện qua điện cảm L1 chậm pha so với
U 1 một góc 900 và được xác định như sau:
U1
I1L = (5-36)
j.ω.L1
Dòng I1L gây ra trong cuộn thứ cấp L2 sức điện động.
146
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
E M = j.ω.M.I1L (5-37)
Giả thiết M > 0 nên E M sớm pha so với I1L một góc 900. E M sinh ra dòng I 2 trong
mạch cộng hưởng thứ cấp. Vì f = f0 nên I 2 đồng pha với E M .
EM
I2 = (5-38)
r2
trong đó r2 là điện trở tổn hao của mạch cộng hưởng thứ cấp. Điện áp U 21 và U 22
ngược pha nhau và lệch pha so với I 2 là ± 900. Vì U D1 , UD2 có biên độ bằng nhau nên
điện áp ra.
U S = K TS .( U D1 − U D 2 ) = 0 .
+ Trường hợp f > f0 (đường đứt nét trên đồ thị véc tơ hình 5-16). Mạch cộng hưởng
ˆ
thứ cấp mang tính chất điện cảm nên I 2 chậm pha so với E M một góc ϕ < 900. u 21 và U 22
ˆ
ngược pha nhau và vuông góc với I 2 . Giữa U 1 và U 21 , u 22 có một góc lệch pha lần lượt
là ϕ1 và π - ϕ1. Tần số tín hiệu vào càng lệch khỏi tần số cộng hưởng trung tâm f0 thì biên
độ U D1 càng lớn hơn biên độ U D 2 , do đó trị số điện áp ra US càng lớn.
+ Trường hợp f < f0 thì mạch thứ cấp mang tính chất điện dung nên I 2 sớm pha hơn
E M , do đó U D1 < U D 2 và uS âm.
- Tóm lại khi tần số tín hiệu vào thay đổi thì đầu nút của véc tơ U D1 và U D 2 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 U1 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
Uđt D1
US1 R
C
U2 C U0
U1
C US2 1 R
D2
147 US
Hình 5-17: Sơ đồ mạch tách sóng tỷ số
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
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 τ = R.C1 ≈ (0,1 ÷ 0,2)
giây 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
U0 U S1 + U S 2
với UR = =
2 2
Thay vào ta có:
U S1 − U S 2 U 0 U S1 − U S 2
US = = .
2 2 U S1 + U S 2
U 0 U S1 / U S 2 − 1
Hay US = . (5-39)
2 U S1 / U S 2 + 1
Khi U0 ≈ 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
Đ1
+
R US1 C ˆ
_ U1
U®p US
+ Δ
Đ2 R U S2 C
_
ˆ
U D1
ˆ
− U1
+
U2
ˆ
U D2
Uch a) b)
Mạch tách sóng pha cân bằng là hai Mạch tách sóng biên độ điều pha dùng điốt. nhau
Hình 5-18: a) mạch điện bộ tách sóng dùng điốt ghép với
hình 5-18. Tín hiệu cần tách sóng chính là tín hiệu vécđiều pha, Uđiện áp.so sánh về pha với
b) Đồ thị đã tơ của các dp được
một dao động chuẩn Uch. Biểu thức Udp và Uch như sau:
) )
Uđp = U 1 . cos[ω 01 t + ϕ( t ) + ϕ 01 ] = U 1 . cos ϕ1 ( t )
) )
U ch = U 2 . cos[ω 02 t + ϕ 02 ] = U 2 . cos ϕ 2 (t )
148
- Chương 5: Các mạch biến đổi tần số
Điện áp đặt lên hai bộ tách sóng tương ứng là:
) )
U D1 = U 1 . cos[ω 01t + ϕ (t ) + ϕ 01 ] + U 2 . cos[ω 02 t + ϕ 02 ]
) )
U D 2 = − U 1 . cos[ω 01 t + ϕ( t ) + ϕ 01 ] + U 2 . cos[ω 02 t + ϕ 02 ]
Điện áp ra tương ứng trên hai bộ tách sóng biên độ xác định được theo đồ thị véc tơ
hình 5-18b.
) ) ) )2 ) )
U 1t = U S 1 = K TS .U D1 = K TS . U 12 + U 2 + 2.U 1 .U 2 . cos Δϕ (t )
) ) ) )2 ) )
U 2 t = U S 2 = K TS .U D 2 = K TS . U 12 + U 2 − 2.U 1 .U 2 . cos Δϕ (t ) (5-40)
trong đó K TS là hệ số truyền đạt của bộ tách sóng biên độ.
US
K TS = (5-41)
m.U t
Δϕ (t ) là hiệu pha của hai điện áp vào.
Δϕ (t ) = (ω 01 − ω 02 )t + ϕ ( t ) + (ϕ 01 − ϕ 02 )
Điện áp ra trên bộ tách sóng:
U S = U S1 − U S 2
) )2 ) ) )2 ) ) )
U S = K TS .[ U 12 + U 2 + 2.U 1 .U 2 . cos Δϕ (t ) − U 1 + U 2 − 2.U 1 .U 2 . cos Δϕ (t ) ] (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 ω 01 = ω 02 và ϕ 01 = ϕ 02 thì điện áp ra chỉ còn phụ
thuộc vào pha của tín hiệu vào ϕ(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.
5.8.2. Nguyên lý trộn tần
Giả thiết đặc tuyến của phần tử phi tuyến được biểu diễn theo chuỗi Taylor sau đây:
i = a 0 + a1 .u + a 2 .u 2 + ... + a n .u n + ... (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
149
nguon tai.lieu . vn
