Thiết kế và mô phỏng một máy thu FM sử dụng AWR

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC MẠCH ĐIỆN TỬ THÔNG TIN LỚP L01 – NHÓM 16 Đề tài 8 Thiết kế và mô phỏng một máy thu FM GVHD TS Hoàng Mạnh Hà TP Hồ Chí Minh,.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN HỌC: MẠCH ĐIỆN TỬ THÔNG TIN

LỚP L01 – NHÓM 16

Đề tài 8: Thiết kế và mô phỏng một máy thu FM

GVHD: TS Hoàng Mạnh Hà

STT Sinh viên thực hiện Mã số sinh viên

Mục Lục

1 Yêu cầu 3

2 Sơ đồ khối 3

2.1 Sơ đồ khối máy thu khuếch đại trực tiếp 3

2.2 Sơ đồ khối máy thu FM 3

3 Lý thuyết 4

3.1 Bộ khuếch đại cao tần 4

3.2 Bộ trộn tần 7

3.3 Mạch trung tần và tách sóng 10

3.4 Bộ khuếch đại âm tần 11

3.5 Mạch vào máy thu 13

4 Thiết kế 15

4.1 Bộ khuếch đại cao tần 15

4.2 Bộ trộn tần 15

4.3 Mạch dao động CLAPP mắc BC 16

4.4 Bộ khuếch đại âm tần 17

4.5 Mạch vào máy thu 17

4.6 Toàn bộ sơ đồ mạch 18

1 Yêu cầu đề tài

− Kiểu điều chế: FM

− Tần số hoạt động: 90 MHz

− Băng thông: 75 KHz

− Tần số IF: 10 MHz

− Trở kháng vào (từ anten): 75 Ohm

− Công suất khả dụng từ anten: > - 90 dBm

− Trở kháng và công suất loa: 8 Ohm, 1W

a) Thiết lập sơ đồ khối chức năng

b) Mô phỏng ở cấp độ hệ thống (sử dụng AWR)

c) Thiết kế và mô phỏng ở cấp độ mạch nguyên lý và/hoặc PCB cho ít nhất 02 khối chức năng (liên quan tần số RF và IF)

2 Sơ đồ khối

2.1 Sơ đồ khối máy thu khuếch đại trực tiếp

Nguyên tắc cơ bản của một máy thu khuếch đại là: thu nhận tín hiệu, lọc tín hiệu, khuếch đại cao tần, giải điều chế, khuếch đại âm tần Từ đó ta có sơ đồ khối tổng quát như sau:

Hình 1: Sơ đồ khối máy thu

2.2 Sơ đồ khối máy thu FM

Tín hiệu cao được điều chế (AM, FM, PM) nhận được từ anten qua mạch vào qua

bộ khuếch đại cao tần RF được đưa vào bộ đổi tần để biến thành tần số tín hiệu khác gọi là tần số trung gian, nhưng quy luật điều chế vẫn không thay đổi

Hình 2: Sơ đồ khối máy thu FM

• Mạch vào: nối anten với đầu vào của tầng đầu tiên của máy thu, chuyển tín hiệu

cao tần nhận được từ anten thu đến tầng đầu tiên và có một phần như bộ chọn

lọc của máy thu Bao gồm hệ thống cộng hưởng có thể điều chỉnh tần số cần thu,

mạch ghép với anten, mạch nối với tải

• Bộ trộn tần (mixer): đầu ra là các thành phần tần số tổng và hiệu của 2 tín hiệu

đó

3 Lý thuyết

3.1 Bộ khuếch đại cao tần

Bộ khuếch đại cao tần có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều chế cao tần đến một giá trị nhất định Khối khuếch đại cao tần có một số loại như tải là điện trở,

cuộn cảm hoặc mạch cộng hưởng

• Tải là điện trở:

Hình 3: Sơ đồ mạch bộ khuếch đại cao tần tải điện trở

Hệ số khuếch đại tương đối đồng đều đối với mọi tần số Tần số càng cao thì

hệ số khuếch đại càng giảm nhưng không nhiều Tiến tới tần số cắt thì hệ số khuếch đại sẽ giảm nhanh

• Tải là cuộn cảm:

Hình 4: Sơ đồ mạch bộ khuếch đại cao tần tải cuộn cảm

Khi tần số càng cao, hệ số khuếch đại càng tăng, nhưng không thể vượt quá tầnsố cắt Vẫn còn bị hạn chế bởi điện dung của cuộn cảm

• Tải là mạch cộng hưởng:

Hình 5: Sơ đồ mạch bộ khuếch đại cao tần tải điện trở

Hệ số khuếch đại sẽ lớn nhất ở tần số cộng hưởng của mạch, còn ở các tần số khác không được khuếch đại Tần số cộng hưởng có thể điều chỉnh được hoặc đã

cố định ở một tần số Mạch cộng hưởng có hệ số khuếch đại lớn hơn nhiều lần so

với tải điện trở hay cuộn cảm

3.2 Bộ trộn tần

Khối Mixer (trộn tần) có nhiệm vụ là nhận tín hiệu cao tần từ khối khuếch đại

cao tần và kết hợp với các sóng ngõ ra của bộ dao động nội để tạo một tín hiệu trung

tần IF Tần số của LO (Local Oscillator) có thể điều chỉnh một cách linh hoạt để tạo

ngõ ra của khối Mixer là một tín hiệu trung tần với tần số cố định (thường là

10.7MHz)

Ngõ ra sau khi trộn tần sẽ gồm các tần số fi (ngõ ra bộ RF Amplifier), f (ngõ

ra bộ dao động nội), fs+fo và f-fo

Ví dụ để chuyển tần số 107.1 MHz về tần số trung tần IF 10.7MHz cho bộ giải

điều chế ta sẽ điều chỉnh bộ dao động nội có tần số 96.4MHz Từ đó ngõ ra sẽ gồm

các tần sốfs=107.1MHz, fo = 96.4MHz, fs+fo = 203.5MHz, và fs-fo = 10.7MHz

Sau đó ta dùng một bộ lọc thông dải để loại bỏ các tần số không mong muốn

Hiện nay có khá có nhiều loại mạch Mixer, một số loại phổ biến như:

- Mixer dùng một diode

Diode Mixer

Tín hiệu RF ngõ vào được đưa vào một bộ biến áp và sao đó được nối thẳng với bộ LO và đi qua một diode không tuyến tính Kết quả sẽ được tín hiệu với các tần số khác nhau được trộn lại, sau đó tín hiệu sẽ được cho qua một

bộ BPF để thu được vùng tần số mong muốn

- Mixer dùng cầu Diode

Ở mạch này, cả tín hiệu RF và LO đều được đưa qua bộ biến áp do đó tín hiệu sau khi trộn sẽ có biên độ lớn hơn làm cho việc BPF trở nên dễ dang

và hiệu quả hơn

- Mixer dùng FET

JFET Mixer

Để tạo một Mixer có chất lượng tốt hơn người ta thường dùng FETs FETs

là một linh kiện cung cấp độ lợi lớn, ít nhiễu và trộn tần với độ chính xác cao hơn

- Ngoài ra, với sự phát triển của công nghệ IC các mạch Mixer cũng được đưa vào trong các mạch tích hợp nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng hơn Một số

IC Mixer phổ biến hiện nay như NE602, SA612

NE602/SA612IC Mixer

3.3 Mạch trung tần và tách sóng

Khuếch đại trung tần nằm ở sau bộ đổi tần, có nhiệm vụ:

- Khuếch đại tín hiệu nhỏ sau bộ đổi tần (Rx) đến mức cần thiết giải điều chế

- Có độ chọn lọc cao nhờ các bộ lọc ÌE hiệu mong muốn và loại bỏ nhiễu ngoài băng thông

- Có AGC (automatic gain control) tránh quá tải cho giải điều chế

- Giảm méo giải điều chế trong hệ thống FM (frequency modulation) Mức tín hiệu sau đổi tần khoảng <1mV, trong khi hầu hết các bộ giải điều chế

AM, FM, PM yêu cầu mức tín hiệu khoảng 1V

Độ lợi khuếch đại điện điện áp trung tần (60÷100)dB, có 2 hoặc 3 tầng khuếch đại IF dùng BJT, FET, MOSFET cho phép đạt được giá trị này

Ngày nay, công nghệ vi mạch hiện đại hầu như đã chuẩn hóa vi mạch sau đổi tần

Bộ tách sóng dời phổ từ miền tần số cao về miền tần số thấp đồng thời làm biến đổi cơ cấu của phổ tín hiệu Dùng các phần tử phi tuyến (diode, transtor…) và các phần tử tuyến tính có tham số biến đổi tuần hoàn theo thời gian

→Tách tín hiệu âm tần ra khỏi tín hiệu điều chế và khôi phục lại tín hiệu âm tần ban đầu

3.4 Bộ khuếch đại âm tần

AF ampliíier (Audio frequency ampliíier) là khối có nhiệm vụ khuyếch đại các tín hiệu âm thanh con người có thể nghe được Khối khuyếch đại này thường được điều chỉnh bởi người dùng

Vì các tín hiệu âm thanh ở tần số thấp nên, mạch khuếch đại có thể dùng các loại BJT thường được sử dụng để khuếch đại

Mạch khuếch đại âm thanh dùng 1 BJT đơn giản

Mạch khuếch đại âm thanh dùng nhiều BJT ghép Cascade

Mạch khuếch đại âm thanh dùng IC LM368

Các mạch AF ampliíier ngày càng được đầu tư phát triển và tích hợp trong các con IC cho ra chất lượng âm thanh và hệ số khuếch đại khác nhau phù hợp với nhu cầu của người dùng

3.5 Mạch vào máy thu

Để điều chỉnh cộng hưởng mạch vào, người ta thường sử dụng các tụ điện có điện dung C biến đổi vì chúng dễ chế tạo chính xác hơn là cuộn dây có điện cảm biến đổi Các mạch ghép anten với mạch cộng hưởng vào:

• Mạch cộng hưởng ghép điện dung ngoài với anten:

Hình 6: Sơ đồ mạch mạch cộng hưởng ghép điện dung ngoài

Mạch rất đơn giản nhưng ít được sử dụng do còn mang một số khuyết điểm

Ap và Av thấp phụ thuộc nhiều vào tần số Để khắc phục ta thường chọn cách ghép với tụ C có giá trị 0 - 10 pF

• Mạch cộng hưởng ghép điện dung trong với anten:

Hình 7: Sơ đồ mạch mạch cộng hưởng ghép điện dung trong

Mạch rất đơn giản nhưng ít được sử dụng do còn mang một số khuyết điểm

Ap và Av thấp phụ thuộc nhiều vào tần số Để khắc phục ta thường chọn cách ghép với tụ C có giá trị 0 - 10 pF

• Mạch cộng hưởng ghép biến áp tự ngẫu với anten:

Hình 8: Sơ đồ mạch mạch cộng hưởng ghép biến áp tự ngẫu

Mạch này có độ ghép cố định (Ap ≈ 1), nên đối với siêu cao tần thì hệ số tạp

âm rất nhỏ Vì vậy cách ghép này thường dùng ở tần số siêu cao, ngoài ra còn dùng với bộ khuếch đại dùng Transistor để tổn hao công suất mạch vào ít

4 Thiết kế

4.1 Bộ khuếch đại cao tần

Thiết kế đầy đủ của bộ khuếch đại công suất cao tần RF như sau:

Hình 9: Bộ khuếch đại công suất cao tần

4.2 Bộ trộn tần

Thiết kế đầy đủ của bộ trộn tần như sau:

Hình 10: Bộ trộn tần

4.3 Mạch dao động CLAPP mắc BC

Hình 11: Mạch dao động CLAPP mắc BC

4.4 Bộ khuếch đại âm tần

Hình 12: Bộ khuếch đại âm tần

4.5 Mạch vào máy thu

Hình 13: Mạch vào máy thu

4.6 Toàn bộ sơ đồ mạch

Hình 14: Toàn bộ sơ đồ mạch