Báo cáo Dao động tổng hợp tần số: đề tài Thực hiện mạch tổng hợp tần số

Lời cảm ơn Nhóm em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến PGS. TS Hoàng Đình Chiến vì sự tâm huyết đối với sinh viên. Tuy chỉ học với thầy một học kì nhưng thầy đã giúp cho chúng em có cách nhìn đúng đắn hơn về cách dạy cũng như cách học. Học đi đôi với hành. Bây giờ chúng em đã dần quen với cách làm mạch và có thể áp dụng một số kiến thức lý thuyết trong việc phân tích mạch, tuy đôi khi kết quả làm ra không như ý muốn theo lý thuyết và và có cảm giác việc học trở nên thú vị hơn. Em cũng xin cảm ơn thầy vì những kiến thức hết sức bổ ích và thực tế mà thầy đã truyền tải cho chúng em. Em kính chúc thầy luôn khỏe mạnh và có nhiều niềm vui trong công việc cũng như trong cuộc sống. Mục lục Phần 1: Lý thuyết tổng hợp tần số 3 1. Tổng hợp tần số gián tiếp dùng PLL 3 1.1 Giới thiệu 3 1.2 Cơ bản về PLL 3 1.3 Tổng hợp tần số dùng PLL cơ bản: 3 1.4 Các dạng tổng hợp tần số dùng PLL 3 2. Tổng hợp tần số số trực tiếp DDS 3 2.1 Giới thiệu 3 2.2 Hoạt động 3 Phần 2: Điều kiện dao động 3 Phần 3: Các loại mạch dao động 3 1. Giới thiệu về mạch cộng hưởng LC 3 1.1 Dao động LC 3 1.2 Mạch cộng hưởng nối tiếp 3 1.3 Mạch cộng hưởng song song 3 2. Dao động thạch anh 3 2.1 Sơ đồ tương đương của Thạch Anh 3 2.2 Một số mạch dao động Thạch Anh 3 3. Mạch dao động Colpitts 3 4. Mạch dao động Clapp 3 5. Mạch dao động Hartley 3 Phần 4: Thực hiện mạch 3 Phần 1: Lý thuyết tổng hợp tần số Tổng hợp tần số là tạo ra nhiều tần số chuẩn từ một (hoặc vài) tần số chuẩn có độ ổn định cao. Phương pháp tổng hợp tần số cổ điển nhất là tổng hợp tần số trực tiếp sử dụng các tổ hợp dao động thạch anh. Ngày nay nó được thay thế bằng tổng hợp tần số gián tiếp dùng PLL. Và phương pháp mới nhất đó là tổng hợp tần số số trực tiếp có sự hỗ trợ của các chip tích hợp. 1. Tổng hợp tần số gián tiếp dùng PLL

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT PHÁP

Báo cáo

Đề tài: Thực hiện mạch tổng hợp tần số



Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12/2011

Lời cảm ơn!

Nhóm em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến PGS TS Hoàng Đình Chiến vì sự tâm huyết đốivới sinh viên Tuy chỉ học với thầy một học kì nhưng thầy đã giúp cho chúng em có cách nhìnđúng đắn hơn về cách dạy cũng như cách học Học đi đôi với hành Bây giờ chúng em đã dầnquen với cách làm mạch và có thể áp dụng một số kiến thức lý thuyết trong việc phân tích mạch,tuy đôi khi kết quả làm ra không như ý muốn theo lý thuyết và và có cảm giác việc học trở nênthú vị hơn

Em cũng xin cảm ơn thầy vì những kiến thức hết sức bổ ích và thực tế mà thầy đã truyền tảicho chúng em

Em kính chúc thầy luôn khỏe mạnh và có nhiều niềm vui trong công việc cũng như trongcuộc sống

Mục lục

Phần 1: Lý thuyết tổng hợp tần số 3

1 Tổng hợp tần số gián tiếp dùng PLL 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Cơ bản về PLL 3

1.3 Tổng hợp tần số dùng PLL cơ bản: 3

1.4 Các dạng tổng hợp tần số dùng PLL 3

2 Tổng hợp tần số số trực tiếp DDS 3

2.1 Giới thiệu 3

2.2 Hoạt động 3

Phần 2: Điều kiện dao động 3

Phần 3: Các loại mạch dao động 3

1 Giới thiệu về mạch cộng hưởng LC 3

1.1 Dao động LC 3

1.2 Mạch cộng hưởng nối tiếp 3

1.3 Mạch cộng hưởng song song 3

2 Dao động thạch anh 3

2.1 Sơ đồ tương đương của Thạch Anh 3

2.2 Một số mạch dao động Thạch Anh 3

3 Mạch dao động Colpitts 3

4 Mạch dao động Clapp 3

5 Mạch dao động Hartley 3

Phần 4: Thực hiện mạch 3

Phần 1: Lý thuyết tổng hợp tần số

Tổng hợp tần số là tạo ra nhiều tần số chuẩn từ một (hoặc vài) tần số chuẩn có độ ổn địnhcao Phương pháp tổng hợp tần số cổ điển nhất là tổng hợp tần số trực tiếp sử dụng các tổ hợpdao động thạch anh Ngày nay nó được thay thế bằng tổng hợp tần số gián tiếp dùng PLL Vàphương pháp mới nhất đó là tổng hợp tần số số trực tiếp có sự hỗ trợ của các chip tích hợp

1 Tổng hợp tần số gián tiếp dùng PLL

1.1 Giới thiệu

rãi trong các thiết bị thông tin vô tuyến ngày nay từ điện thoại, TV, radio, cácthiết bị thông tin có dây hay không dây…các bộ dao động nội đều sử dụng PLL

- Ưu điểm của tổng hợp tần số dùng vòng khóa pha là tần số tạo ra có độ ổn định vàchính xác cao.Ngoài ra vòng khóa pha còn dễ dàng điều khiển bằng mạch số hoặc

vi xử lý

trong các bộ dao động nội của nhiều ứng dụng Chúng còn được tích hợp trongcác chip sử dụng cho điện thoại, radio, TV…

1.2 Cơ bản về PLL

sử dụng một pha so sánh chuẩn và hoạt động dựa trên thông số này

- Trên sơ đồ ta thấy PLL gồm 3 phần cơ bản :

ứng với sự khác biệt này

- Loop filter : lọc các thành phần khác của tín hiệu ngoại trừ pha khác biệt lấy từ bộ

so pha Đây là thành phần kiểm soát đặc tính và tính ổn định của PLL

sự thay đổi điện áp

- Hoạt động : PLL hoạt động bằng cách so sánh pha của 2 tín hiệu: tín hiệu từ

voltage controlled oscillator và tín hiệu từ reference oscillator bằng bộ so pha Saukhi qua bộ so pha ta thu được pha khác biệt giữa 2 tín hiệu Tín hiệu này qua loopfilter điểu khiển voltage controlled oscillator, làm thay đổi pha của tín hiệu đếnkhi 2 tín hiệu có phase giống nhau

1.3 Tổng hợp tần số dùng PLL cơ bản:

bản của bộ tổng hợp tần số dùng PLL cho bởi hình sau:

- Bộ chia tần số là một mạch logic lấy tín hiệu tần số thấp ở đầu vào và tạo ra tínhiệu tần số cao ở đầu ra.Bộ chia tần số có thể được lập trình để có các tỉ số chiakhác nhau

- Hình sau mô tả dạng xung của tín hiệu vào và ra bộ chia tần số:

- Hoạt động : sau khi thêm bộ chia tần số, hoạt động của PLL có thay đổi: PLL

không so sánh pha của tín hiệu từ voltage controlled oscillator và tín hiệu từreference oscillator nữa mà nó so sánh pha của tín hiệu từ bộ chia tần số và tínhiệu từ reference oscillator.Tín hiệu này qua loop filter trở lại điều khiển voltagecontrolled oscillator.Như vậy tín hiệu ta có được sẽ có tần số gấp n lần tần số củareference oscillator

- Tần số của reference oscillator thực tế hơi cao, cỡ MHz, dẫn đến các tần số tạo rasử dụng các tỉ số chia khác nhau có bước nhảy tần số lớn Ví dụ referenceoscillator có tần số 100MHz với n=1 ta có f=100MHz, n=2 thì f=200MHz vậy

f=200-100=100MHz lớn Thực tế ta muốn tạo được nhiều tần số chuẩn nhỏ hơnnên sơ đồ khối cải tiến như sau:

- Ta thêm một bộ chia tần số cố định cho reference oscillator.Tần số so sánh bâygiờ nhỏ hơn nên khi ta cần tần số ra thế nào chỉ cần chỉnh tỉ số chia của bộ chiatần.

1.4 Các dạng tổng hợp tần số dùng PLL

1.4.1 Tổng hợp tần số dùng PLL analog

- Đối với analog, bộ chia tần số thay thế bằng bộ trộn tần

- Để có tần số ra 25MHz ta có reference oscillator có tần số 10MHz, vì vậy tín hiệuthứ 2 vào bộ trộn tần phải có tần số 15MHz

- Ta thấy sẽ có nhiều vấn đề ở đây: tần số 15MHz ở đây cũng phải là tần số chuẩn

có cùng pha với tín hiệu của reference oscillator, đồng thời muốn có các tần số rakhác thì tần số 15MHz cũng phải thay đổi mà việc có các tần số này không phảidễ

1.4.2 Tổng hợp tần số dùng PLL multi-loop

- Để có bộ tổng hợp tần số tốt hơn ta sử dụng nhiều vòng loop kết hợp cả bộ trộn và

bộ chia tần số Bằng kĩ thuật này ta có thể tạo ra tần số thay đổi trong khoảng rộng

và có khác biệt giữa 2 tần số liên tiếp nhỏ

tế.Tuy nhiên ta sẽ xét mạch 2 loop như trên để minh họa

cho bước nhảy lớn hơn

số của reference oscillator là 1 MHz nên bước nhảy là 1 MHz.Tần số tạo ra bởiPLL này sẽ là tần số đi vào bộ trộn của bộ PLL thứ 2 Tỉ số chia của bộ thứ 2 từ10-19, tần số của reference oscillator được chia nhỏ từ 10-100 để đưa vào bộ sopha, bước nhảy lúc này cũng nhỏ hơn (10-100KHz)

2 Tổng hợp tần số số trực tiếp DDS

2.1 Giới thiệu

- Tổng hợp tần số số trực tiếp DDS (direct digital synthesis) là kĩ thuật tốt để tạo racác tín hiệu có tần số vô tuyền.Nó được ứng dụng rộng rãi trong vài năm trở lạiđây cho các máy thu vô tuyến,bộ tạo tín hiệu…Ưu điểm của DDS là sử dụng côngnghệ mạch tích hợp nên cho đáp ứng nhanh,việc tạo ra các chip tần số cao cũngđơn giản

- Thực tế DDS ngày nay là dạng kết hợp của DDS cơ bản và PLL.Việc kết hợp nàynhằm tận dụng ưu điểm của cả 2 phương pháp.Với công nghệ mạch tích hợp ngàycàng phát triển thì tương lai nó sẽ là phương pháp tối ưu để tổng hợp tần số.

2.2 Hoạt động

chúng ra để tạo dạng sóng mới

sóng.Nếu có càng nhiều vị trí pha ta sẽ có nhiều điểm trên dạng sóng

tăng sau khoảng thời gian phụ thuộc xung clock Như vậy hoạt động của bộ phase

accumulator giống như bộ đếm.Khi có xung clock số đếm tăng lên,khi đầy sẽreset và đếm lại từ 0.Mỗi lần reset ứng với một chu kỳ tín hiệu mới tạo ra.

nhờ bộ waveform map Bộ waveform map là bộ nhớ lưu trữ dạng sóng(sin,vuông…) và vị trí của từng điểm ứng với góc pha Đó có thể là bộ nhớ ROMhoặc bộ nhớ lập trình được EPROM Để có dạng sóng chính xác cao thì số điểmlưu trữ càng nhiều càng cần thiết

- Sau khi có chuỗi nhị phân của vị trí các điểm của dạng sóng ta phải chuyển chúngthành dạng sóng analog thông qua bộ chuyển đổi digital to analog convertor Tínhiệu analog này qua bộ lọc để thu tần số mong muốn và loại các tần số nhiễukhác

Phần 2: Điều kiện dao động

Phần 3: Các loại mạch dao động

1 Giới thiệu về mạch cộng hưởng LC

1.1 Dao động LC

điện.Sau đó chuyển khóa qua bên phải, tụ xả điện tích tạo ra dòng xoay chiềutrong mạch

- (1).(2) => q = Q0.cos(t + )

=> I = Q0.sin(t + )

- Dòng chạy trong mạch là dao động điều hòa hình sin với tần số

1.2 Mạch cộng hưởng nối tiếp

- Gồm tụ điện và cuộn cảm mắc nối tiếp

- Tần số cộng hưởng của mạch là tần số f0 mà tại đó XL = XC

- Thực tế cuộn cảm L luôn có điện trở nội r, do đó tổng trở mạch là :

Z = r + j(XL – XC)

- Tại tần số cộng hưởng : Z0 = r

- Băng thông của mạch cộng hưởng: Bw = f2 – f1

- f1, f2 là các tần số 2 bên tần số cộng hưởng mà tại đó

- Nếu gọi Q = XL / r là hệ số phẩm chất của cuộn dây, ta có:

1.3 Mạch cộng hưởng song song

- Gồm tụ điện và cuộn cảm mắc song song

- Tần số cộng hưởng nối tiếp:

- Hình sau mô tả sự biến đổi của trở kháng tương đương của thạch anh theo tần số:

- Trong khoảng ωs ωp, thạch anh có tính cảm kháng, dùng trong mạch dao động thạch anh kiểu song song.

- Tại ωs, thạch anh coi như thuần trở rT rất nhỏ, dùng trong mạch dao động thạch anh kiểu nối tiếp

- Ta có tỉ số:

2.2 Một số mạch dao động Thạch Anh

3 Mạch dao động Colpitts

- Tại tần số cộng hưởng : ZC1 + ZC2 + ZL = 0

4 Mạch dao động Clapp

động Colpitts được thay bằng mạch LC nối tiếp

Phần 4: Thực hiện mạch

VCO (voltage controlled oscillator): điện áp input đầu vào quyết định tần số dao động

fosc Điện áp ra của VCO Vosc được đưa vào bộ PD.Khi vòng được khóa thì fosc=fin

 Nếu fin còn trong dải fmin và fmax thì PLL vẫn còn có thể khóa được Dải này gọi là dảikhóa của PLL

 Nếu fin nằm ngoài khoàng dải khóa thì VCO sẽ dao động tự do với tần số f0 gọi là tần

số trung tâm

Việc khóa có thể được bắt đầu lại nếu fi tiến tới đủ gần f0.Nếu fin nằm trong khoảng f0

-fc đến f0 + fc thì PLL có khả năng khóa được, dải này gọi là dải bắt

Dải bắt luôn bé hơn dải khóa

Mạch thực hiện sử dụng các IC: CD4060, CD4518 và CD4520.

IC CD4046 chức các khối chức năng phase detector và VCO

IC 4518 và 4520 thực hiện các chức năng chia tần số

 4518: chia tần số với các tỷ lệ 2, 5, 10

 4520: chia tần số với các tỷ lệ 2, 4, 8, 16

Sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại PLL:

Nguồn cung cấp cho mạch: 15VDC qua J5 Tín hiệu tần số fin được đưa vào J7 Tín hiệu rađược lấy tại J6

Bảng các linh kiện sử dụng: