Bài giảng môn Điện tử tương tự - Chương 5: Các mạch biến dổi tần số

Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com Điện tử tương tự Bộ môn: Lý thuyết mạch GV: Lê Xuân Thành Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com Nội dung chương 5: Giới thiệu chung  Điều chế biên độ  Điều chế đơn biên  Tách sóng điều biên  Điều tần và điều pha  Tách sóng điều tần và điều pha  Trộn tần  Nhân, chia tần số Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com  Điều chế là quá trình ghi tin tức vào tải tin nhờ biến đổi một thông số nào đó của tải tin như biên độ, tần số hay góc pha của dao động cao tần theo tin tức. 1. Khái niệm  Ví dụ: thông qua điều chế, tin tức ở miền tần số thấp được chuyển lên vùng tần số cao để bức xạ, truyền đi xa, cụ thể: Dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế.  Điều biên: là quá trình làm cho biên độ của tải tín hiệu biến đổi theo tin tức. Tin tức được gọi là tín hiệu điều chế. Dao động cao tần được gọi là tải tin hay tải tần.  Tách sóng là quá trình lấy lại tín hiệu điều chế.  Điều tần: là quá trình làm cho tần số của tải tín hiệu biến đổi theo tin tức.  Điều pha: là quá trình làm cho pha của tải tín hiệu biến đổi theo tin tức. Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com a) Phổ của tín hiệu điều biên 2. Điều chế biên độ  Để đơn giản, giả thiết tin tức US và tải tin đều là dao động điều hoà và tần số tin tức biến thiên từ , ta có:maxSminS  tUU SSS cos.ˆ tUU ttt cos.ˆ St Với Uđb ttmUttUU ttttSSt  cos).cos.1.(ˆcos).cos.ˆˆ(   Tín hiệu điều biên (biên độ biến đổi theo tin tức): t S U U m ˆ ˆ  là hệ số điều chế, khi m > 1 thì tín hiệu sau tách sóng sẽ bị méo: t Uđb m > 1 Uđb 0 t m < 1 Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com a) Phổ của tín hiệu điều biên 2. Điều chế biên độ  Dùng phép biến đổi lượng giác, ta có: t Um t Um tUU St t St t ttdb )cos(2 ˆ )cos( 2 ˆ cosˆ   )()( maxStminSt  )()( minStmaxSt   Như vậy, ngoài thành phần tải tin, tín hiệu điều biên còn có hai biên tần. Biên tần trên có tần số từ: và biên tần dưới từ: smin smax US 0 Uđb Ut t-Smax t-Smin t+Smaxt+Smint Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com b) Quan hệ năng lượng trong điều biên 2. Điều chế biên độ  Trong tín hiệu điều biên, các biên tần chứa tin tức, còn tải tin không mang tin tức.  Công suất của tải tin là công suất trung bình trong một chu kỳ tải tin: ~P t~ 2 2 1 tU  2 ) 2 ˆ. ( ~ 2 ~ t bt Um P Công suất biên tần:  Công suất của tín hiệu điều biên là công suất trung bình trong một chu kỳ của tín hiệu điều chế: ) 2 m 1(PP2P 2 t~bt~t~ P~db Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com c) Mạch điều biên cân bằng 2. Điều chế biên độ  Điện áp US Uđb Đ1 i1 Đ2 i2 CB CB Ut (a) US T1 (b) Uđb T2 Ut EC - + tUtUU tUtUU ttSS ttSS   cos.cos. cos.cos. 2 1      Dòng điện qua mỗi điốt được biểu diễn theo chuỗi Taylor:  Dòng điện ra: i = i1 - i2 ...... ..... 3 23 2 222102 3 13 2 121101   UaUaUaai UaUaUaai Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com c) Mạch điều biên cân bằng 2. Điều chế biên độ  Dòng điện ra: i = i1 - i2 ]t)2cos(t)2.[cos(D ]t)cos(t).[cos(Ct3cos.Btcos.Ai StSt StStSS   ˆ.ˆ.. 2 3 ˆ.ˆ..2 3 2 tS tS UUaD UUaC   ˆ.. 2 1 ˆ.. 2 1ˆ).32(ˆ 3 3 2 3 2 31 s stS UaB UaUaaUA   Uđb S 3S St - S St + S 2St - S 2St + S  Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com d) Mạch điều chế vòng: thực chất là hai mạch điều chế cân bằng chung tải: 2. Điều chế biên độ Ut Đ1 US Uđb Đ4 CB CB Đ2 Đ3 Dòng qua D1 D2 là iI và D3 D4 là iII. Ta có: )]2cos(t)2.[cos(D]t)cos( t).[cos(Ct3cos.Btcos.Ai StStSt StSSI   ]t)2cos(t)2.[cos(D ]t)cos(t).[cos(Ct3cos.Btcos.Ai StSt StStSSII   ])cos().[cos(.2 ttCii StStIII   Từ đó ta có biểu thức và phổ tương ứng: idb t+St- S 0 t  idb Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com  Phổ của tín hiệu điều biên gồm tải tần và hai biên tần, trong đó chỉ có biên tần mang tin tức. 3. Điều chế đơn biên  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 nên 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. Ưu điểm: 0 Uđb Ut t-Smax t-Smin t+Smaxt+Smint  Độ rộng tải tần giảm một nửa.  Công suất bức xạ yêu cầu thấp hơn.  Tạp âm đầu thu giảm do giải tần của tín hiệu hẹp hơn. Biểu thức: tU m t Stt )cos(.ˆ.2 )(  Udb a) Khái niệm Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 3. Điều chế đơn biên Dùng một bộ biến đổi trung gian để có thể hạ thấp yêu cầu đối với bộ lọc. b) Điều chế đơn biên theo phương pháp lọc ft2+ft1+fSft2(ft1+fS) a b c ĐCB1 Lọc I Lọc IIĐCB2 ft1fS ft1+fSUS d Tạo dao động 1 Tạo dao động 2 ft2ft1 fSmin fSmin fSmax f US 0 fSmin 0 Ub f ft1 ft1 f0 Uc ft1 ft2 ft2+ft1 f 0 Ud a) b) c) d) tf f X D  Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 4. Tách sóng điều biên a) Các tham số cơ bản Hệ số tách sóng: Tín hiệu vào bộ tách sóng: tUU tVTSVTS cos.ˆ Tín hiệu ra bộ tách sóng: VTSTSRTS UKU ˆ.ˆ  KTS là hệ số tỷ lệ và là hệ số tách sóng: VTS RTS TS U U K ˆ ˆ  Trở kháng vào bộ tách sóng: t t VTS VTS VTS I U I U Z   ˆ Méo phi tuyến: %100. ...23 2 2 S SS I II k     Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 4. Tách sóng điều biên b) Mạch tách sóng điều biên Mạch tách sóng điều biên dùng điốt mắc nối tiếp (a): RC D U C = U SUđb (a) R C D U R = U SU đb (b) Tín hiệu vào đủ lớn sao cho điốt làm việc trong đoạn thẳng của đặc tuyến:      0 0 0 D DD Ukhi UkhiSU iD = Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 4. Tách sóng điều biên b) Mạch tách sóng điều biên Quá trình tách sóng tín hiệu lớn nhờ mạch chỉnh lưu dùng điốt: id id Ud Uđb t  0 0 t 2 U c t 0 St CR    1 . 1  Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 4. Tách sóng điều biên b) Mạch tách sóng điều biên Hiện tượng méo tín hiệu tách sóng do tải điện dung quá lớn St CR    1 . 1  max 1 . 10 St CR   maxSt 100 Uc Uđb 0 t UC Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 5. Điều tần và điều pha Quan hệ giữa pha và tần số của tín hiệu: ( ) ( ) d t t dt    0 0 ( ) ( ) t t t dt   hay Xét tải tin và tín hiệu điều chế: 0 ( ) ( ) ( ) 0 ˆ.cos( ) .cos .cos[ ] t t t t t t t t tU U t U U dt           tUU SSS cos.   Tần số (pha) của tín hiệu điều tần (pha) là: ( ) dt ˆk cost t S SU t    ( ) 0 dp ˆk cost S SU t    dt ˆkm SUD  dt ˆkm SUD Đặt và tcos.)t( Smt D tcos.)t( Sm0 D Ta có: 0 ˆ .cos( .sin )mdt t t S S U U t t      D    0.cos( .cos )dp t t m SU U t t     D   Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 5. Điều tần và điều pha Lượng di tần cực đại khi điều pha: Lượng di pha cực đại khi điều tần: Lượng di tần khi điều pha: Lượng di pha khi điều pha: tcos. Sm DD tsin.. dt )(d SSm D D D . .m S m S dp Sk U   D  D   dt ˆkm SUD  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. Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 6. Mạch điều tần và điều pha a) Mạch điều tần: Mạch điều tần trực tiếp được thực hiện bởi các mạch tao dao động mà tần số dao động riêng của nó được điều khiển bằng điện áp hoặc các mạch biến đổi điện áp-tần số. Mạch điều tần trực tiếp dùng điốt biến dung (điện dung mặt ghép biến đổi theo điện áp đặt vào): E0 L3 C D RD CD +E1 L1 C1 R1 R2 R3 R4 C2 C3 L2 US +E2 C4 L5 L4 R5 C5   )U( k C kD D dd 3 1 2 . .( )D f L C C   0ˆˆ 0  EUUUU StDMaxD 00 cos.cos. EtUtUEUUU SSttStD    min 0D D t S ngcpU U U U E U        Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 6. Mạch điều tần và điều pha a) Mạch điều tần: 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 điốt biến dung để giảm méo phi tuyến. Thiết bị điều tần có kích thước nhỏ và có thể dùng điốt bán dẫn để điều tần ở tần số siêu cao, khoảng vài trăm MHz nhưng độ tạp tán tham số bán dẫn lớn và kém ổn định. CD CD 0 UD US t E0 t CDmax CDmin 0 Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 6. Mạch điều tần và điều pha b) Mạch điều pha: Tổng dao động đã điều biên U = Uđb1+ Uđb2 là một dao động điều chế về pha và biên độ. Điều biên ở đây là điều biên ký sinh. Để hạn chế mức điều biên ký sinh chọn D nhỏ. Để có điều biên ký sinh nhỏ hơn 1% thì D < 0,35 nên mạch có nhược điểm là lượng di pha nhỏ. ĐB1 ĐB2Di pha 900 TổngUS Uđb2 Uđb1 Tín hiệu điều pha 1 1 1 1 ˆ.ˆ ˆ.(1 .cos ).cos .cos .[cos( ) cos( ) ] 2 t db t S t t t t S t S mU U U m t t U t t t             2 2 2 2 ˆ.ˆ ˆ.(1 .cos ).sin .sin .[sin( ) sin( ) ] 2 t db t S t t t t S t S mU U U m t t U t t t             D 1dbU  2dbU  1 ˆ. tUm 2 ˆ. tmU 2 ˆ. tmU 1 ˆ. tUm D  U 2 ˆ tU 1 ˆ tU Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 6. Tách sóng điều tần và điều pha a) Nguyên tắc 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. Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 6. Tách sóng điều tần và điều pha b) Tách sóng điều tần 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 1, và 2. D1 D2 C C R R 2 1 US1 US2 US Uđt M Với 0 = t D 01 D 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 (Z1, Z2 là trở kháng của hai mạch cộng hưởng): 2dt2 1dt1 Z.Uˆ.mUˆ Z.Uˆ.mUˆ   2 0 1td 2 1 1 1 1td 1 )(1 R ] )( .Q.2[1 R Z       2 0 2td 2 2 2 2 2td 2 )(1 R ] )( .Q.2[1 R Z       Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 6. Tách sóng điều tần và điều pha b) Tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng D1 D2 C C R R 2 1 US1 US2 US Uđt M Chọn: td2td1td RRR  QQQ 21  0 2,10 0 Q.2    0 0Q.2    Đặt: 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. độ lệch lệch số tần số tương đối giữa tần số tín hiệu vào và tần số trung bình.  Khi tần số tín hiệu vào  thay đổi thì Z1, Z2 thay đổi kéo theo sự thay đổi của biên độ điện áp vào 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: 2 0 1td dtTS1TS1S )(1 R .Uˆ.m.KUˆ.Ku    2 0 2td dtTS2TS2S )(1 R .Uˆ.m.KUˆ.Ku    ),.(.Uˆ.R.m.Kuuu 0dttdTS2S1SS   Nhược điểm của tách sóng dùng mạch lệch cộng hưởng là khó điều chỉnh cho hai mạch cộng hưởng hoàn toàn đối xứng nên ít được dùng. Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 6. Tách sóng điều tần và điều pha c) Tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép  Nguyên tắc: chuyển biến thiên tần số thành biến thiên về pha, sau đó thực hiện tách sóng pha nhờ tách sóng biên độ:  Khi tần số tín hiệu vào f = f0 (f0 là tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng sơ cấp và thứ cấp): Uđt C1 Cg h L1 L2 U2 1 U2 2 D1 D2 C CR R Us C 2 L C 1 1 21 2 1 22;D DU U U U U U    I, L  E M 1 1 2 U1 21U 22U 1DU 2DU 2I1I 1 1 L1 L..j U I   2 M 2 r E I L1M I.M..jE  0)UU.(KU 2D1DTSS   Khi tần số tín hiệu vào f > f0: Tần số tín hiệu vào càng lệch khỏi tần số cộng hưởng trung tâm f0 thì biên độ càng lớn hơn biên độ , do đó trị số điện áp ra US càng lớn. 1DU 2DU  Khi tần số tín hiệu vào f < f0: Tần số tín hiệu vào càng lệch khỏi tần số cộng hưởng trung tâm f0 thì biên độ càng nhỏ hơn biên độ , do đó trị số điện áp ra US càng âm.1DU 2DU  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 nên sinh ra nhiễu biên độ. Để khắc phục nhược điểm này, phải đặt trước mạch tách sóng một mạch hạn chế biên độ. Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 6. Tách sóng điều tần và điều pha d) Mạch tách sóng tỷ số:  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 khá lớn nên điện áp trên C1 biến thiên rất chậm làm cho nhiễu biên độ giảm: D1Uđt D2 C C US1 US2 C 1 R R U0 US )2,01,0(C.R 1  US = US1 - UR 22 210 SS R UUU U   21 21021 . 22 SS SSSS S UU UUUUU U      1/ 1/ . 2 21 210    SS SS S UU UUU U  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. Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 6. Tách sóng điều tần và điều pha e) Mạch tách sóng pha cân bằng dùng điốt: U S2 U®p US Uch R R C CĐ2 Đ1 US1 + _ + _ + _ a) U2   b) 1 01 01 1 1.cos[ ( ) ] .cos ( )dpU U t t U t         )(cos.]cos[. 2202022 tUtUU ch    1 1 01 01 2 02 02.cos[ ( ) ] .cos[ ]DU U t t U t           2 1 01 01 2 02 02.cos[ ( ) ] .cos[ ]DU U t t U t            )(cos...2.. 21 2 2 2 1222 tUUUUKUKUU TSDTSSt D  t S TS Um U K .  hệ số truyền đạt của bộ tách sóng biên độ )()()( 0201)(0201  D ttt )(tD là hiệu pha của hai điện áp vào 2 2 1 2 1 2 1 2 ( ) 1 2 1 2.[ 2. . .cos 2. . .cos ( )]S S S TS tU U U K U U U U U U U U t      D    D          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 và thì điện áp ra chỉ còn phụ thuộc vào pha của tín hiệu vào (t). )(cos...2.. 21 2 2 2 1111 tUUUUKUKUU TSDTSSt D  Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 7. Trộn tần a) 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).  Để thực hiện trộn tần phải dùng phần tử phi tuyến hoặc dùng phần tử tuyến tính tham số. Mạch trộn tần f1 f2 f1±f2 b) Nguyên lý: Phân tử phi tuyến: ......... 2210  n n uauauaai Với U = Uns + Uth tUU nsnsns cos.   tUU ththth cos.   2 22 0 1 2 22 2 .( .cos .cos ) .( ) 2 .( .cos 2 .cos2 ) 2 . . .[cos( ) cos( ) ] ... ns ns th th ns th ns ns th th ns th ns th ns th a i a a U t U t U U a U t U t a U U t t                              Từ biểu thức đó ta thấy xuất hiện các thành phần tần số theo yêu cầu. Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 7. Trộn tần c) Mạch trộn tần dùng điốt Mạch ngoại sai và mạch trung trung tần mắc nối tiếp nhau. + - itt1 itt2 + - + - b) thU Utt nsU Utt a) thU nsU . 0 0 0D S U khi U i khi U     i i G Rdu di S  1  Biểu thức dòng điện qua điốt: Trong đó: Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 7. Trộn tần c) Mạch trộn tần dùng điốt /2 S S S 0 0 i U i nst 0  Uns nst 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 . Với điểm tĩnh chọn ở gốc toạ độ thì:  2 )90( 0    Theo Furiê khi đó ta tính được biên độ sóng cơ bản là:  S S .2 1    S SS tt  1.2 1  2 S GG ioitt  Để chống tạp âm ngoại sai, dùng sơ đồ trộn tần cân bằng, ở đây 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 cos.1   )cos(.2   tUU thththD  nsnsDnsD UUU  21 Do đó dòng điện trung tần qua các điôt do Uth tạo ra: 1 1.cos( )tt tt ns thi I t    2 2 2.cos[( ) ] .cos( )tt tt ns th tt ns thi I t I t            1 2 .tt tt tt tt thI I I S U       Với: 1 2 2. .costt tt tt tt tti i i I t   Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 7. Trộn tần d) Mạch trộn tần dùng Tranzito  Ưu điểm của mạch trộn tần kiểu này là có 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. Uns R1 R2 R3 C2 C1 Uth Utt +E C Utt Uth Uns R1 R2 R3 C2 C1 +E C C3 +EC R1 R2 R3 C4 C2 C1 C3 Utt Uth Uns Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com 8. Mạch nhân, chia tần số UV fV VCOLTT và KĐ Ud=KdUVUr (fV- fr) (fV+ fr) Tín hiệu so sánh Ur ('r= r/n Ur fr Tần số ra fr = nfv TSP LTT và KĐ VCO CT n:1 Tần số chuẩn fV TSP LTT và KĐ VCO CT2 n:1 fv CT1 1:m fv/m PLL Tel: 0912562566 – Email: thanhqn80@gmail.com