Luận văn nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ tổ hợp tần số sử dụng vòng khóa pha pll băng tần c cho máy thu thông tin vệ tinh

Việc nghiên cứu, thiết kẻ, chế tạo Bộ tổ hợp tản số với mục liêu góp phân vào thiết kế chẻ tạo hoàn chỉnh bộ thu tín hiệu thông tỉn vệ tỉnh và lăng chất lượng tín hiệu thu được.. tê tài

ĐẠI HỌC QUOC GIA HA NOT

'TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Anh Tuần

NGHIÊN CỨU, THIẾT KE, CHE TAO BO TO HOP TAN SO SU DUNG VONG KHOA PHA BANG TAN C

CHO MAY THU THONG TIN VE TINH

LUAN VAN THAC SY CONG NGHE DIEN TU VIEN THONG

HÀ NỘI - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIÁ HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Anh Tuấn

NGHIÊN CỨU, THIẾT KE, CHE TAO BO TO HOP

TAN SO St! DUNG VONG KHOA PHA BANG TAN C

CHO MAY THU THONG TIN VE TINH

Ngành: Công nghệ Diện tử - Viễn thong Chuyên ngành: Kỹ thuật diện tử

Mã ngành: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Cần bộ hướng dẫn: PGS.1S Bach Gia Duong

HÀ NỘI - 2014

LOLCAM ON

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Bach Gia Dương đã tận tình

chỉ bảo, bưởng dẫn và giúp cho em có những kiến thúc cũng như kinh nghiệm quý bầu trong quá trình nghiên cứu, thực hiện đẻ tài của luận văn

Em xin tỏ lòng biết en sâu sắc tới các thấy cô giáo trường Đại Học Công Nghệ, Đại

Học Quốc Gia Hà Nội đã luôn nhiệt nh giáng đạy và chỉ bảo chúng em trong suối thời gian

Em xin căm ơn các cần bộ Trung, tâm Nghiên cửu Điện tử - Viễn thông di tan d

kiện tốt nhái và lận tình giúp đỡ, hướng dẫn thục hành, thử nghiệm các thiết bị phụ trọ cho công tác nghiên cứu và thục hiện luận văn này

Cuối cùng, xin cảm ơn gia dình, người thân và các bạn của tôi, những người đã luôn

bên cạnh đông viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong thời gian qua

Mặc dù có nhiều cổ gắng, sang thời gian thực hiện luận văn có hạn, vốn kiến thúc và

kinh nghiệm thực lẻ chua nhiêu nên luận văn còn nhiêu hạn chế Em rất mong nhận được

nhiều sự góp ý, chỉ bảo của cdc thay, c dé hoan thiện hơn dẻ tài nghiên cứu của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 17 tháng 4 năm 2014

Học viên

Nguyễn Anh Tuấn

LOI CAM DOAN

xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứn, thiết kế chế tạn bộ tổ hựp tần

vòng khóa pha (PLL) băng tân C cho máy thu thông lin vệ tinh” là công trình nghiên

cửu của bản thân Trong luận văn có sử dụng một so tài liệu tham khảo, các tài liệu tham

khảo này đã được liệt kê trong mục “tài liệu tham khảo” ở phan cudi

Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toần trung thục, nên sai t6i xin

chịu hoàn toàn trách nhiệm và kỷ luật từ phía nhà trường

1.1 Tang quan vé hé thing thu, phat thông tin vệ tĩnh

1.1.1 Đặc trưng cơ bản của thông tìn liên lạc qua vệ tinh

1.L2 Hệ thông thông tin vé tinh Vinasat

1.1.3 Cầu trúc các bộ thu tít hiện thông tin vệ tỉnh

1.1.3.1 Sơ để khối của hệ thẳng thu tín hiệu

1.1.3.2 Chúc năng các mudule trang bệ thông

1.2 Tổng quan về mạch dao động

1.3.1 Khái niệm

1.3.2 Mạch tạo dao động kiểu ba điễm

1.3.1 Mạch tạo dao động ba điễm điện dung

LAL, BG tach sing pha (Phase Detector):

14.11, Loai tong tu ỡ dụng mạch nhân có tín hiệu ra tÿ lệ với biên độ tín hiệu vàa,{U

1.4.1.2 Luại sẽ thực hiện bối mạch sỗ EX-0R, RS Flin Flng - HT

14.1.3, Logi tich sông pha lay mi

1.42, Lọc thông thấp LPF

143, Khuốch đụi một chiêu

1.4.4 VCO (Voltage controlled oscillator)

CHƯƠNG 1I: THIẾT KÉ CHẺ TẠO MẠCH DAO ĐỌNG VCO

2.1, Nguyén lý mgch VCO:

2.3, Thiét ké, ché tao VCO ding spf-3043:

3.3.1 Nguyên lý:

3.2 Mô tá chức năng các chân

3.3 Vô tá chức năng mạch điện

Tầng lái nàa chu ẫu 3.3.2 Tang [Ái ràu RE

3.3.3 BG chía trước (PIP)

3.3.6 BG tich sing phattdn sé vé bom ng

3.3.7 Thanh phi dich 24 bit

3.3.8 Bộ ghép bội lỗi ra về bộ tách xung đẳng bộ

3.4 Ứng dụng của họ IC ADE41IX

3.4.1 Tạo bộ dao động tân số cục bộ dùng cho trạm cơ sử B15

3.4.2, Sử dụng chuyển dỗi DỰA diễu khiển chân Reer

3.5.2, Sơ đễ nguyên lý

5.1 Thiết kế mạch 1.anp IiMer

3.5.4 Oud trinh ngp Code cho PLL

3.5.5 46 Té hop tân số hoàn chính:

VCO Voltage Controlled Oscillator hàpi đông diễn khiến bang

LÔ Local Oscillato Bộ dao động chuẩn

LNA Low-nvise amplificr Khuéch đại tạp âm thấp

PFD phase frequency detector Bộ tích sóng pha

LPF Low pass filter Loc théng thấp

RE Radio frequency ‘Tan só sóng vô tuyến

ADS ‘Advanced Design System Pin men ane ke, m6 phong

CDMA Code Division Multiple Access | Da truy nhập phân chia theo mã

GSM Global System for Mobile Hệ thẳng truyền thông đi động

EM Frequency modulation Điều chế theu tần số

AM Amplitude modulation Điều chế then biên độ

BTS Base Transcciver Station Tram thu phát gốc

v

DANH MUC CAC HINH VE

Tlinh 1.1 Vé tinh quy dao tim thdp

Hinh 1.2 Vé tinh qu} dao dia tĩnh

ng vé tinh Vinasat | bang tin C

ơ đỗ khối hệ thống thu tin hid Hình 1.5 Bộ trộn tấn có dạng mạng 3 cửa

Hình L6 Sơ đề thuật toán bộ lạo đáo động

Hình L.7 Sơ đề biểu điễn thuật toán theo mã thời gian

Tinh 1.8 So dé khối hệ dao động tự kích

Tình 1.9 Sơ đồ cấu tạo mạch dao động 3 điểm tổng quát

Hình 1.10 Mạch tạo đao động sử dụng transistor

Hình 1.11 Sơ đỏ khói PLL

Hình 1.12 Dãi bắt và dải khóa

Hình 1.13 Điện áp sau bộ lọc LPE

Hình L.14 Bộ lách sóng pha

Hình 1.15 Hàm truyên đạt của bộ lách sóng pha tương lr

Tình 1.16 Ilàm truyền đạt của bộ tách sóng pha số

Tinh 1.17 Bé tach sng pha số

Minh 1.18 Mach loc thong thép

Hinh 1.19 Mach khuéch dai mét chiéu

Hin 1.20 Mạch VCO tiêu biểu

Hình 1/21 Sơ dé khối mạch PLL lập trình dược

Hình L.22 Mạch giải điêu chế EM

Hình 1.23 Mạch giải điêu chế FSK

Tinh 1.24 Mạch giải điều chế AM

Tinh 2.1 Mach VCO và mạch đao động Clapp dùng Diode bién dung

Mạch VCO Colpitts điều chính song song Mạch VCO Colpitts điều chỉnh nổi tiếp

Mạch VCO Colpitts dai réng

Độ lợi của Transistor SPE-3043 Hình 246 Sơ đồ nguyên lý mạch VCO dùng Transistor SPF-3043

Hình 2.7 Khung dao động LC

Hình 2.8 Sơ đô nguyên lý hoàn chỉnh

Tinh 2.9 Bé tei PCB thông thường

Tinh 2.10 Mach in PCB cia VCO

Hình 2.11 Mach VCO hoàn chính

Hình 2.12 Kiểm thử trên máy phân tích phỏ

Hinh 2.13 Kết quả do tằn sẻ trên máy phân tích phê khi Vụ =0V tại tần số 3,914GHz Hình 2,13 Kết quả do tằn sẻ trên máy phân tích phê khi Vpc =0,5V tại tẫn só 3,982GHz

vi

Hinh 2.13 Kết quả đo tân sẻ trên máy phân tích phổ khi Vục =1V tại tằn số 4,031GHz Tĩnh 2.13 Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi Vp; =1,5V tại tân số 4,09GHz Hình 2.13 Kết quả do tàn sẻ trên máy phân tích phô khi Vpc =2V tại tằn số 4,139GHz Hình 2.13 Kết quá do tân sẻ trên máy phân tích phé khi Vpc =2,5¥ tai tin so 4,207GHz Hinh 2,13 Kšt quả do tân sẻ trên máy phân tích phô khi Vix, =3¥ tai tin sé 4,246GHz

Hình 2.13 Kết quả đo tân số trên máy phân tích phổ khi Vục =3,5V tại tấn số 4,324GHz Hình 2.13 Kết quả đo tản số trên máy phân tích phổ khi Vpc =4V tụ 351GHz 'Hinh2.13 Kết quả đo tân số trên máy phân tích phổ khi Vpc =4,SV tại AGH, Tinh 3.1 So 46 chute ning ho IC ADP411X

Tình 3.2 Câu trúc IC ADF411X

Hinh 3.3 Tằng lỗi vào chuẩn

Hinh 3.4 Lỗi vào RF

Hình 3.5 Bộ chia A-B

Hình 3.6 Sơ đỗ nguyên lý đã được tối giãn của PEI2 và giản đỗ xung của bộ tách sóng

pha/tân số

Hình 3.7 Bảng chân lý cho các bít điểu khiển

Tinh 3.8 Sơ đồ khỏ MUXOUT

Tinh 3.16 Mach loc Luop Filter

Tinh 3.17 Kat qua tính toán các giá trị mạch Loop filler

Tinh 3.18 Qué win nap Code điêu khiẩn PLL

Hinh 3.19 Tin higu xung digu khién PLL,

Hình 3.20 Mặt trước Bộ tả hợp tan sd

Hinh 3.21 Mặt sau Bộ tỏ hợp tân số

Hình 3.22 Bộ tổ hợp tần số hoàn chỉnh

Hình 3.24 Kết quả đo trên máy phân tích phỏ tại tần số 4,IŒGHz

Hình 3.25 Kết quả đo trên máy phân tích phổ lại tn sé 4,126GHz

Hình 3.26 Kết quả đo trên máy phân tích phổ lại in sé 4,139GHz

11nh 3.27 Kẻt quả đo trên máy phân tích phỏ lại lần sề 4,145GI1z

Hinh 3.28 Kết quá đo trên máy phân tích phê tại tần số 4,158GHz

Hình 3.29 Kết quá đo trên máy phân tích phê tại tần số 4,165GHz

Hình 3.30 Kết quả do trên máy phân tích phố tại tần số 4,184GHz

quả đo trên máy phân tích phố tại tản số 4,204GHz

1

MỞ ĐẢU

Hiện này ngành công nghệ thông tin và truyền thông phát triển mạnh mẽ và dạt được nhiều thành tựu quan trọng Trong dó, sự phát triên của thông tin vô tuyến bằng vệ tỉnh dã cải thiện các nhược diễm của mạng vô tuyến mặt dát, đạt được dung lượng cao hơn, băng

tân rộng hơn, nó có ý nghĩa chính trị, kinh tế xã hội to lớn, đem lại dịch vụ mới và thuận

tiên với chỉ phí tháp Ở Việt Nam ngành công nghệ vũ trụ đang được đầu tư nghiên cứu, đây

là hưởng đi mới, mở ra nhiều lợi ích to lớn cho đất nước Không ngững lại với thành công

của dự án phóng vệ tinh Vinasal-1, Vinasal-2 mà nhiêu chy án thiểt kể các vệ linh và những

hệ thống Iruyền thông sử dụng sống siêu cao lần đã, đang được triển khai Dây là 8 tinh điển hình của thuộc quyền sở hữu của Việt Nam hoạt động ở bang tin C va Ku Việc chúng

ta có thê làm chú công nghệ và sử dụng hiệu quả trang thiết bị này là vẫn dễ rất dược quan tâm dầu tư nghiên cứu, phát triển

“Trong thông tin vệ tính các bộ thu, phát đúng vai trồ rất quan trọng, việc thu được tín

hiêu với chất luợng tốt phụ thuộc vào khả năng hoạt động có tính ôn định cao của thiết bi

Bộ tô hợp tần số là một trong những thành phân cơ bản của bộ thu, phát vệ tỉnh Việc

nghiên cứu, thiết kẻ, chế tạo Bộ tổ hợp tản số với mục liêu góp phân vào thiết kế chẻ tạo hoàn chỉnh bộ thu tín hiệu thông tỉn vệ tỉnh và lăng chất lượng tín hiệu thu được

tê tài “Nghiên cửu, thiết kẻ chế tạo Bộ Tổ hợp tan sé sit dung vòng khóa pha (PLL) băng tần C cho máy thu thông tin vệ tỉnh” với mục tiêu nằm bắt công nghệ, khai thác hiệu quả công nghệ thông tin vệ tỉnh, tăng chất lượng thu tín hiệu của thiết bị thu thông tin vệ tỉnh ö tần số cao với Bộ Tả họp tần số có độ ồn định tương đương với thạch anh

Bang lý thuyết và thục nghiệm, đề tài thực hiện các nội dung sau:

© Nghién cau vẻ hệ thông thông tin vệ tỉnh và kĩ thuật siêu cao tần

« Nghiên củu nguyên lý mạch tạo dao động, mạch VCO, mach loc va mach PLL

e Thiết kế, chế tạo mây phát dae déng VCO bang tan C voi dai tan từ 4+4,4GHz bằng

IFET SPF3043

* Thiết kế chẻ tạo Bộ tổ hợp tần số sử dụng mạch vòng khóa pha (PLL) bang IC ADF

4LHX

Trong quá trình thực hiện dễ tài, chắc hắn không thẻ tránh khỏi những thiếu sót, rất

mong được sự chỉ bão, nhận xét tận tình của các thẩy cô Em xin chân thành cảm ơn!

2

CHUONG I: CO SO LY THUYET VE VONG KHOA PHA VÀ

BO TO HOP TAN SO (PHASE LOCKED LOOP - PLL)

1.1 Tổng quan về hệ thống thu, phát thông tin vệ tỉnh

1.1.1 Đặc trưng cơ bản của thông tin liên lạc qua vệ tỉnh

Hệ thông thông tin liên lạc qua vệ tỉnh có những ưu điểm chủ yếu như sau:

~ Vùng phủ sóng rộng, do quỹ đạo của vệ tỉnh có độ cao lớn so với trái đất, các vệ tỉnh

có thẻ nhìn thây một vùng rộng của trái đất

~ Dung lượng thông tin lớn, do sử dụng băng tân công tác rộng và kĩ thuật đa truy nhập cho phép đạt dung lượng lớn trong thời gian ngắn mà ít loại hình thông tin khác có được

~ Độ tin cây và chất lượng thông tin cao, do liên lạc trực tiếp giữa về tỉnh và trạm mặt đất, xác suất hư hỏng trên tuyến liên lạc rất thấp và ảnh hưởng do nhiễu khí quyền không dang ke

- Tinh linh hoat cao, do hé théng lién lac vé tinh duge thiét lập nhanh chóng và có thẻ

thay đổi linh hoạt tùy theo yêu câu sử dụng

~ Có khảng năng ứng dụng trong thông tin di động là thông tin liên lạc toàn câu

Quỹ đạo địa tỉnh

Hình 1.1 Vệ tính quỹ đạo thắp Hình 1.2 Vệ tình quỹ đạo địa tình:

Do có nhiều ưu điềm nỗi trội so với các loại hình thông tin khác, nên hé thong thông

tin vệ tỉnh có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, như thoại, truyền hình, thông tin di động,

truyền số liệu, Internet, các dịch vụ đào tạo và y tế từ xa, truyền tin cho ngư dân trên biẻn,

dự báo thời tiết, đảm bảo an ninh quốc phòng Với sự tiến bỏ nhanh chóng của công nghệ

chế tạo, phóng vệ tỉnh và công nghệ chẻ tạo các thiết bị thông tin liên lạc, thiết bị đo lường

và điều khiển từ xa, nguồn điện cho vệ tỉnh đã cho phép tăng dung lượng bộ phát đáp và

áp dụng nhiều kĩ thuật truyền dẫn tín hiệu moi đẻ đáp ứng nhu câu ngày càng cao của cuộc

sống

1.1.2 Hệ thống thông tin vệ tỉnh Vinasat

Sóng vô tuyên trong thông tin liên lạc vệ tỉnh cần phải xuyên qua tảng điện li và khí

quyên bao quanh trái đất, nên cản phải chọn tần sỏ suy hảo nhỏ nhất trong khoảng “cửa số

vô tuyến” từ IGHz đến 30GHz các băng tần được sử dụng nhiêu hơn cả là band C va band

Ku

3

Band C: Tir 4-8GHz thường sử dụng dai tan 5,85-5,92-7,025GHz cho tuyén phát lên,

va dai tan 3,7-4,2GHz cho tuyén phat xuéng

Hình I.3:Vùng phủ của vệ tinh Vinasat | band C

1.1.3 Câu trúc hệ thống thu tín hiệu thông tin vệ tỉnh

1.1.3.1 Sơ đồ khối cña hệ thẳng thu tín hiệu

Hình 1.4: Sơ đỏ khói hệ thống thu tín hiệu

1.1.3.2 Chức năng các module trong hé thong

Anten thu: thu tín hiệu thông tin từ vệ tỉnh xuống, đải tần số nằm trong băng C

Bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LNA): đây là một modul khuẻch đại đặc biệt, sử dụng trong các hệ vô tuyên đẻ khuếch đại những tín hiệu rất yêu được thu từ anten Nó thường duoc dat rat gan anten thu đẻ giảm thiêu suy hao Khi sử dụng bộ khuếch đại này ở máy thu

fHì ên nhiễu của những tâng sau sẽ được giảm bởi hệ số khuếch đại của nỗ; Trong khi đổ, ễn

của LNA lại được cộng trực tiếp vào tín hiệu nhận được Việc sử dụng L.NA là cần

VCO: Bộ lạo dao động điều khiển bằng điện áp là mạch (ạo ra điện áp xoay chiêu có

dang theo yêu câu là mạch tạo dao động Các mạch tạo dao động được sử dụng trong hệ

thống thông tin liên lạc, có đải tần hoạt động từ vài Hz cho tới hàng GHz Để tạo dao động

có hệ sử dụng các phân tử tích cực như đèn điện tủ, trasistor, các bộ khuếch đại thuật toán

Bộ tô hợp tần số : tạo tín hiệu f,o bám theo pha tin higu vao far

BG tron tan MIXER: Bộ trên tần số là một thiết bi không tuyến tính hoặc tuyến tính

mà Iham số đầu vào là 2 tần số khác nhau và 6 dau ra thu được tín hiệu là các (hành phân

tang va hiệu của 2 lần số đầu vào Thông Ihường môi trung hai tín hiệu vào là lín hiệu đơn

âm (có một vạch phổ), được gọi là tín hiệu ngoại sai có lần số là lụg Lối vào cồn lại do vị

trí của bộ trộn tân quyết định: bộ trộn được sử dụng ở trong máy phát thì lối vào này sẽ

có tản số trung gian hay trung tần Ngược lại, nêu bộ trộn được dùng ở máy thu thì lỗi vào

này sẽ lä tín hiệu cao tân có tàn số là fuy

xông MIXER trên với lín hiệu cũa bê dao động ngoại sai (LÒ) Với yêu câu tần số fy sau bộ

trộn nằm trong khoảng 950+2150MITz điều này phụ thuộc vào bộ phát tín hiệu LO Dé may

thu thu được tần số f với chất lượng cao đồi hói phải có bộ phát tân số fLo ồn định và có độ

chính xác cao, vậy Bộ Tế hợp tản só là thiết bị có vai trò quan trong tong van dễ này, và Tục tiêu dễ tài chính là tạo Bộ Tổ hợp tần só có tân só lối ra ổn định tương đương với thạch anh ở tân số cao băng tan C trong thông tin vẻ tỉnh

- Độ én dinh tan số lỗi ra

- Công suất của mạch

- Hiệu suất của mạch

Có thể tạo dao động điều hòa (heo 2 nguyên tắc si

- Tạo dao động bằng mạch khuắch đại có hải tiếp đương

- Mạch tạo đao động bằng phương pháp tổng hợp mạch

Đổ tạo được mạch dao động cản thỏa mãn 2 điều kiện là:

- Thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ

- Thỏa mãn điều kiên cân bằng pha

His)

+ Vota Your

lĩnh 1.6 Sơ đỏ thuật toán bộ tạo đao động,

Ty lệ tín hiệu lếi ra/lối vao; You -_ 7 a.)

14H,

Các tín hiệu được qua bộ khuếch đại, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào San khi

dưa về hỏi tiếp, 2 tín hiệu dồng pha sẽ tiếp tục dược khuếch dại lớn cho tới khi thỏa mãn hệ

Công thúc trên có thề viết cụ thể hơn: |K||@ —1 : Ø, +ú; =2kZ day

Hai diều kiện trên tương ứng là điều kiện cân bằng biên dộ và cân bằng pha

Về mặt vật lý, hệ tư dao đông khi phần tả khuếch đại K bù đũ năng lượng tốn hao trong ving hỏi Bếp (điền kiện cân bằng biên độ) và bù pha (điều kiện cân bằng pha)

điều kiện cân bằng pha chỉ đúng cho một tân số thì dao động tạo ra sẽ dao đông hình sin của

- điện tra tn hav ofa (ng tra Z,, X; e6 thé âm hoặc dương tùy (hco lính chất

của Z¡ và luôn thuả mãn: r, << X;

Tle sé khuéch đại của mạch là: K = - § Z, (1.6)

Trong đó Zt là trơ kháng mạch tái của mạch khuếch đại :

Dx LINZ,+Z,) 22, = at) q2)

zy

Tg sé 0 lệ số ruyền của mạc! li h hồi tiếp: sp: B= ce B=—# = Z+Z, (1.8) 18

Điều kiện của công (hức 1.3 và L.4 sẽ là :

ZAZ+Z,Z42Z, Z,4Z,+Z,

Như vậy: X,tX;LX; =0 và — 2: ~| lân lượt là điều kiện cân hằng pha và cân

n†+ th

bằng biên độ Từ công thúc trên suy ra X; và X; phải cùng tính cảm hoặc cùng tính dung và

X, phai khác dẫu với X; và X;

Khi dao dệng dã xác lập thì n nhận giá trị nị hoặc n:

Tân số của đao động tạo ra sẽ là: fa — ƒ+„ errr (1.16)

2H |2

y aqic,

8

1.3 Tổng quan về mạch vùng khóa pha (PLL)

1.3.1, PLL

Vòng khóa pha PLL là một hệ thông vòng kín hải tiếp, trong dó tín hiệu hỏi tiếp đùng

để khóa tắn số và pha tín hiệu ra theo tấn số và pha ứn hiệu vào Tín hiệu vào có thế có dạng tương tự hình Sinc hoặc dạng số Ứng dụng đảu tiên của PLL vào năm 1932 trong việc tách sóng đẳng bộ Ngày nay, nhờ công nghệ cao làm cho PLL có kích tóc nhỏ, độ Lỉn cậy cao,

giá thành rẻ, để sử dụng Kỹ thuật PLL được ứng dung rộng rãi trong các mạch lọc, tế hợp

tân sẻ, điều chế và giải điển ché, điều khiển tự động, bộ tạo dao động Có hàng chục kiểu

vi mạch PLL khác nhau được chẻ tạo phổ thông như tách Am(Tone), giai ma Stereo, 16 hop tân số

1.3.2 Sơ đỗ khối

Hình 1.11 Sơ đỗ khói của PLL

+ Tách sống pha: so sánh pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của VCO dé tao ra tin

¡ lệch V0)

+ Lạc thông thấp: lọc gợn của điện áp V (Ù để trở thành điện áp biến đỗi chậm và

hid

dưa vào mạch khuéch dại một chiều

+ Khuếch dại một chiều: khuếch dại diện áp một chiều V (C) dễ dưa vào diễu khiển

tân số của mạch VCO

+ VCO (Voltage Controled Œscillator): bộ đao động mà tản số ra được điêu khiển bằng điện áp DC đưa vào

1.3.3 Nguyên lý heat động

Vòng khoá pha hoạt dộng theo nguyên tắc vòng diều khiển mà đại lượng vào và ra là tân số và chúng dược so sánh với nhau vẻ pha Vòng diều khiển pha có nhiệm vu phát hiện

và diều chỉnh những sai số nhỏ vẻ tần số giữa tín hiệu vào và ra Nghĩa là PLL làm cho tần

số fo của tín hiệu VCO bam theo tần số f; của tín hiệu vàn

Khi không có tín hiệu Vv, ở ngõ vào, điện áp ngõ ra bộ khuếch đại VO =0, bé dao động VCO hoat dong 6 tin sé tự nhién f, duoc chi đặt bới điện trớ, tụ điện ngoài Khi có tín hiệu vào V,, bộ tách sóng pha so sánh pha và tân số của tín hiệu vào với tín hiệu ra của

9

VCO Ngõ ra bộ tách sóng pha là điện dp sai léch V(t) , chi sự sai khác về pha và tin số của hai tín hiệu Diện áp sai lệch V () được lọc lấy thành phản biên đổi cham V, (1) nhỏ bộ lọc

thông tháp l.PE, khuêch dại đẻ thành tín hiệu V0 dua đến ngõ vào VCO, dễ diễn khiến

tân số VCO bam theo tan sd tín hiệu vào Đền khi tan số f, của VCO bằng tần số f của tín hiệu vào, ta nói bệ VCO đã bắt kịp tín hiệu vào Lúc bấy giờ sự sai lệch giữa 2 tín hiệu này

chỉ còn là sự sai lêch vẻ pha mà thôi Bộ tách sóng pha sẽ tiệp tục so sánh pha giữa 2 tín

hiệu để điều khiển cho VCO hoạt động sao chơ sự sai lệch pha giữa chúng giảm dẻn giá trị

Hình 1.12 Dâi bắt và dải khoa của PLI,

Dai bat B, (Capture range): ki higu B_=f,- f,, 1a dai tan số mà tín hiệu vào thay đi nhumng PLL van dat được sự khoá pha, nghĩa là bộ VCO vẫn bắt kịp tấn số tín hiệu vào Nói

cách khác, là dãi tần số mà tín hiệu vàn ban dâu phải lạt vào dé PLI có thể

đồng bộ (chế độ khóa)

B plu thuée vào băng thông LPE Đề PLL đạt được sự khóa pha thì độ sai lệch lân số

(£ — ï} phải năm trong băng thông LPT Nếu nó nằm ngoài băng thông thì PLL sẽ không

đạt dược khóa pha vì hiển độ điện áp sau [.PE giảm nhanh

Điện áp sau LPF (f~ fy) trong bang

Giả sử mạch PL đã đạt được chế đỏ khoá, VCO đã đẳng bộ với tín hiệu vào Bây giờ

ta thay đổi lân số lín hiệu vào Lheo hướng lớn hơn tần số VCO thì VCO sẽ bám theo Tuy nhiên khi tăng đến một giá trị nào đó thì VCO sẽ không bám theo được nữa và quay về lần

số tự nhiên ban dau của nó Ta làm tương tự như trên nhưng thay déi tan sé tin higu vào theo hưởng nhỏ hơn tản số VCO, Đến một giá trị nào đó của tần số tín hiệu vào thi VCO sé

10

khéng bam theo duoc nita va ciing trd vé tan so ty nhién cia n6 Dai gid tri tần sỏ từ tháp nhất đến cao nhát đó của tín hiệu vào được gọi là dải khoá Từ đó ta định nghĩa:

Dải khóa B, (Lock range): ký hiệu B,=f, -f _ là dài tản số mà PLL đồng nhất

được tân sỏ f, với f Dài này còn gọi 1a dong chinh (Tracking range) Các tần sof f,,, tan

số cực đại và cực tiêu mà PLL thực hiện được khóa pha (đồng bộ) Dải khóa phụ thuộc hàm

truyền đạt (độ lợi) của bộ tách sóng pha, khuêch đại, VCO Nó không phụ thuộc vào đáp

tuyển bộ loc LPF vì khi PLL khóa pha thi f- f, = 0

Khi PLL chưa khóa pha: f,# ï, Khi PLL khóa pha: f,= f, Ở chế độ khóa pha, dao động f, của VCO bám đỏng bộ theo f trong dải tản khóa B, rông hơn dải tằn bắt B,

1.4 Các thành phần của PLLI,

1.4.1 Bộ tách sóng pha (Phase Detector):

Còn gọi là bộ so sánh pha Có ba loại tách sóng pha

1.4.1.1 Loại tương tự ở dạng mạch nhân có tín hiệu ra tỹ lệ với biên độ tín hiệu vào

v,= Asin(6/ + 8) van Vit)

'cos( oy + đọ)

Hình I.14 Bộ tách sóng pha

Nguyên lý hoạt động của bộ tách sóng pha tương tự

Bộ đổi tàn hay mạch nhân thực hiện nhân hai tín hiệu Ngõ ra của nó có điện áp: V„(/)

=Asin[(oi-os)t + (6¡- 6;)] + Asin[(i-ou)t + (8,+ 8;)]

Qua bộ lọc thông thấp LPE, chỉ còn thành phản tần số tháp Khi khóa pha (ö,=@,) có

V, = Asin (0,- 6;, Điện áp này tỷ lệ với biên độ điện áp vào A và độ sai pha 0 =0,-9,, Nêu 0

nhỏ, hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha coi như tuyển tính Dải khóa giới hạn trong

10 l<n/2, Ta có độ lợi tách sóng pha k, tính được theo công thúc: k = A (V/radian)

11

1.4.1.2 Loại số thực hiện bởi mạch sé EX-OR, RS Flip Flop:

Có tín hiệu ra biên đổi chậm phụ thuộc độ rộng xung ngõ ra tức là phụ thuộc sai lệch

vẻ pha giữa hai tín hiệu vào

Hinh 1.16, Hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha so

"ách sóng pha số đùng R-S Flip Flop va đáp tuyến:

Hinh 1.17 Bộ tách sóng pha dạng số

Điện áp sai lệch biến đổi châm V, tại ngõ ra bộ tách sóng pha số tỷ lệ với độ rộng

xung ngõ ra túc là tỷ lệ độ sai lệch vẻ pha 9, (hay tân số tức thời) của hai tín hiệu vào

1.4.1.3 Loại tách sóng pha lay mau

1.4.2 Lọc thông thap LPF

LPF thường là mạch lọc bậc 1, tuy nhiên cũng dùng bậc cao hơn đẻ triệt thành phản

AC theo yêu cảu LPF có thẻ ở dạng mạch thụ động hay tích cực

Ngõ ra bộ tách sóng pha gỏm nhiều thành phản f,, f,, f-f,, f +f,„ v.Y

Sau LPF chi cin thanh phân tân số rá i -f,) 4 ến bộ khuếch đại để điều khiển tan

số VCO bám theo f Sau khí qua vòng điều khiển hồi tiếp PLL được đồng bộ (khóa pha)

#=f,, tấn số phách (f-f.}=0 Vòng khóa pha hoạt động chính xác khi tần số vào f„ †, thấp

khoảng vài trăm KHz trở lại

Hình 1.18 Mạch lọc thông thấp

1.4.3 Khuẩch đại một chiều

Khuếch đại tín hiệu biển đổi cham (DC) sau bộ lọc thông thấp LPT Dộ lợi khuếch đại

ys RAR tg ks RR,

Hình 1.19 Khuếch đại một chiều

1.4.4 VCO (Voltage controlled ascillator)

Là mạch dao động có tân số được kiếm soát mg điện áp DC

Yeu cau chung cũa mạch VCO là quan hệ gitta điên áp điều khiên V, (1) và lần sổ ra

† (Ð phải tuyên tính Ngoài ra mạch còn có độ ôn định tản số cao, dải biển đổi của tản sô

theo điện áp vào rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh và thuận lợi cho việc tố hợp thành vỉ mạch (không có điện cảm).

Bộ tế hợp tần số dùng vòng khóa pha về nguyên tắc hoại động hoàn loàn dựa trên

nguyên lý của vòng khóa pha nhưng thêm vào hai bộ chỉa là bộ chia R (dùng để chia tần số của tin số chuẩn f„: đầu vào) và bộ chia M (đừng để chia tần số fyco của bộ VCO bên ngoài), Khi đó, tần số dao dòng của bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO bên ngoài

sau khi giữ chập sẽ là: f=“ he (119

Bộ chúa lập trình được Hình L21 Sơ đề khối bộ tổ hợp tần số sử dụng bổ chỉa lập trình được

1.6 Một số ứng dụng

1.6.1 Bộ tô hợp (ân số đơn

Bộ tổ hop tan sé don được thiết kế bằng cách đưa tín hiệu chuẩn từ dao động thạch

anh vào so pha một mạch PLL có bộ chia lập trình được Khi PLL thực hiện khoá pha, thì ta

15

CHUONG II: THIET KE CHE TAO MACH DAO DONG VCO

2.1 Nguyén ly mach VCO: - |

Bộ tạo dao động siêu cao tân chiếm một vai trò rất căn bản trong các hệ thống thông

tin vì nó tạo ra các sóng tham chiêu sử dụng trong việc điều chẻ và giải điều chẻ Do vậy, tính chính xác và ỏn định của các bộ tạo dao động luôn phải được quan tâm nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thông

Mạch dao động điều khiên băng điện áp (VCO) là một máy phát dao động hoạt đồng bằng cách sử dụng điện áp điều khiển dung kháng của diode biến dung (varicap) dé tao ra

thành phản mạch điện điều chỉnh Dung kháng của varicap thay đổi phụ thuộc vào giá trị

của điện thể Vọc Tần số tạo ra biến đỏi phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp điều khiển

Hình 2.1 VCO va mach dao đông Colpitts , Clapp ding diode bién dung

Sơ đỏ một số mạch VCO Colpitts tân số cao:

50 chas

16Hz ~ 1.2GHz series tuned Colpitts VCO (Ciapp VCO)

Hinh 2.3 VCO Colpitts diéu chinh ndi tiép

Tân số hoạt động của mạch quy định bởi:

V-varicap

"20V

50 ohms

950ERz-22D0NHE Colpitts VCO

Hình 2.4 Mạch VCO Colpitts dải rộng

2.3 Thiết kế, chế tạo VCO dùng sp†-3I43:

2.3.1 Nguyên lý:

Mạch tạo dao động theu kiếu ba điểm điện dung, sứ dụng EET sp[-3403 Đây là linh

kiện GaAs có hiệu suất cao, độ ôn thấp; thường được sử dựng chế tạo LNA, ứng dụng trung các hệ thông không đây số và tuyến tính, 3G, thiết bị không dây cố định, máy nhắn tin (Pager sysiem),

để thỏa mãn điều kiện cân bằng biên đô và cả

trong mạch vì tông tất cả các ảnh hưởng này đều có tác động đến dải tân hoạt động của

Hình 2.5 Độ lợi đạt được thông thường cua spf-3043

Để mạch hoạt đông trong đäi mong muôn cân tính toán giá trị các tụ điện và cuôn dây

Từ lý thuyết tìm hiểu được đưa ra giải pháp thực hiện bài toán bằng cách sử dụng sơ

đồ mạch dao động Colpitts va Transistor SPF-3043 dé thiét ké mach dao déng VCO bang

tân C

Sử dụng phan mem AlúumDesigner để vẽ mạch nghuyên lý và thiết kẻ mạch in

tối ra của tín hiệu VCO

Hình 2.6 Sơ đỏ nguyên lý mạch VCO sử dụng spf-3043

'Ta cần xác định giá trị của L.C đẻ có tân sô mong muốn: ø= Te ° (2.2)

“Tân só càng cao, giá trị L,C càng nhỏ Với tân số cao từ 4+4.4GHz, L khoảng vai nH,

C khoảng vai pF Giá trị tụ nhỏ nhất có trong phòng là IpE Chọn cuôn dây 1,2nH Khi 46

xác định được các tụ C, C¡, Cạ, Cvr như sơ đỏ dưới đây:

tối ra tín hiệu VCO Men

19

Do bản chất của linh kiện và tính chất của mạch siêu cao tản nên tại chân S của

TTransistor SPF3043 có thể nói đất mà không cản nỏi qua một điện trở (Vos=0) Đề tăng ảnh hưởng của varicap lên tân số lồi ra, tăng giá trị tụ C› Kết quả cuồi cùng tụ C; là I0pE

Trên hinh 2.11 12 mach VCO bang tin C phat ra tin s6 nim trong dai 3.9+4.4GHz có

độ ôn định cao, tác động nhiéu thap duoc ché tao tir Transistor SPF3043