Bài giảng thiết bị đầu cuối viễn thông - Chương 1 MÁY THU THANH

Máy thu thanh là một thiết bị điện tử hoàn chỉnh dùng để thu nhận sóng radio mang thông tin, phục hồi lại tín hiệu thông tin ban đầu va khuếch đại đến giá trị yêu cầu và đưa ra loa.

Chương I MÁY THU THANH

Máy thu thanh là một thiết bị điện tử hoàn chỉnh dùng để thu nhận sóng radio mang thông tin, phục hồi lại tín hiệu thông tin ban đầu va khuếch đại đến giá trị yêu cầu và đưa ra loa

Khi nghiên cứu về máy thu thanh, người ta thường để ý đến các thông số kỹ thuật sau:

- Độ nhạy : là sức điện động nhỏ nhất trên Anten EA để máy thu làm việc bình thường Những máy thu có chất lượng cao thường có độ nhạy EA nằm trong khoảng 0,5µV→10µV Ngoài ra máy thu còn phải có khả năng chọn lọc và nén tạp âm, tức là đảm bảo tỷ số S/N ở mức cho phép Thông thường thì để thu tốt thì biên độ tín hiệu phải lớn hơn tạp âm ít nhất 10 lần ( tức 20 dB)

- Độ chọn lọc: là khả năng chọn lọc các tín hiệu cần thu và tín hiệu cần loại bỏ cũng như các tạp âm tác động vào Anten Độ chọn lọc thường được thực hiện bằng những mạch cộng hưởng, phụ thuộc vào số lượng, chất lượng cũng như

độ chính xác khi hiệu chỉnh

- Dải tần của máy thu: là khoảng tần số mà máy thu có thể điều chỉnh để thu được các sóng phát thanh với các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu Máy thu thanh thường có các dải sóng sau:

+ Sóng dài: LW 150KHz→408KHz

+ Sóng trung: MW: 525KHZ→1605KH

+ Sóng ngắn: SW: 4MHz → 24MHz

Băng sóng ngắn thường được chia làm 3 loại sóng

• SW1: 3,95MHz → 7,95MHz

• SW2: 8MHz →16MHz

• SW3: 16MHz →24MHz

+ Sóng cực ngắn: FM: 65,8 → 73MHz

- Méo tần số: là khả năng khuếch đại ở những tần số khác nhau sẽ khác nhau do trong sơ đồ máy thu có các phần tử L, C Méo tần số có thể đánh giá bằng đặc tuyến tần số Ở các máy thu điều biên AM thì dải tần âm thanh chỉ vào khoảng

40Hz → 6KHz; còn với máy thu điều tần FM thì dải tần âm thanh có thể từ 30Hz →15KHz

Ngoài ra người ta còn quan tâm đến các thông số khác như méo phi tuyến và công suất ra của máy thu thanh

I PHÂN LOẠI MÁY THU THANH VÀ SƠ ĐỔ KHỐI CỦA MÁY THU THANH

Căn cứ vào cấu trúc sơ đồ mà người ta chia máy thu thanh thành 2 loại:

- Máy thu thanh khuếch đại thẳng : tín hiệu cao tần từ Anten được khuếch đại thẳng và đưa đến mạch tách sóng, mạch khuếch đại âm tần mà không qua mạch đổi tần Đối với dạng này, cấu trúc sơ đồ của máy đơn giản nhưng chất lượng thu sóng không cao, độ chọn lọc kém, không ổn định và khả năng thu không đồng đều trên cả băng sóng Vì vậy, hiện nay loại máy thu này gần như không còn được sử dụng

- Máy thu đổi tần : tín hiệu cao tần được điều chế do Anten thu được được khuếch đại lên và biến đổi về một tần số trung gian không đổi gọi là trung tần Trung tần thường được chọn thấp hơn cao tần Tín hiệu trung tần sau khi đi qua vài bộ khuếch đại trung tần sẽ được đưa đến mạch tách sóng, mạch khuếch đại

âm tần và đưa ra loa Sơ đồ khối của một máy thu đổi tần có dạng như sau:

Máy thu đổi tần có những ưu điểm sau:

- Độ khuếch đại đồng đều hơn trên cả băng sóng vì tần số trung tần tương đối thấp và ổn định khi tín hiệu vào thay đổi

Mạch vào

Mạch KĐCT

KĐ trung tần

KĐ

âm tần Mixer

Dao động nội

Hình 1.1 Sơ đồ khối máy thu đổi tần

- Mạch vào làm nhiệm vụ chọn lọc các tín hiệu cần thu và loại trừ các tín hiệu không cần thu cũng như các nhiễu khác nhờ có mạch cộng hưởng, tần số cộng hưởng được điều chỉnh đúng bằng tín hiệu cần thu f0

- Khuếch đại cao tần : nhằm mục đích khuếch đại bước đầu cho tín hiệu cao tần thu được từ Anten

- Bộ đổi tần: gồm mạch dao động nội và mạch trộn tần Khi trộn 2 tần số dao động nội fn và tín hiệu cần thu f0 ta được tần số trung gian hay còn gọi là trung tần, giữa tần số dao động nội và tần số tín hiệu cần thu

0

f tt = f n− f =const

Khi tần số tín hiệu từ đài phát thay đổi từ f0min →f0max thì tần số dao động nội cũng phải thay đổi từ fnmin →fnmax để đảm bảo hiệu số giữa chúng luôn là hằng số

Đối với máy thu điều biên ( AM ): f tt= 465KHZ hay 455KHz

Đối với máy thu điều tần ( FM ): f tt= 10,7MHz

- Bộ khuếch đại trung tần: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu trung tần đến một giá trị đủ lớn để đưa vào mạch tách sóng Đây là một tần khuếch đại chọn lọc, tải là mạch cộng hưởng có tần số cộng hưởng đúng bằng trung tần

- Tần tách sóng: có nhiệm vụ tách tín hiệu âm tần ra khỏi tín hiệu sóng mang cao tần, sau đó đưa tín hiệu vào mạch khuếch đại âm tần

• SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MÁY THU AM VÀ FM STEREO

Hầu hết các máy thu thanh hiện nay đều có 2 chức năng: thu sóng điều biên

AM và thu sóng cực ngắn FM Stereo Sơ đồ khối của máy thu có dạng như sau:

Mạch

Stereo

âm tần

Mạch đổi tần

KĐ trung tần

Hình 1.2 Sơ đồ khối máy thu AM, FM Stereo

Tách sóng

FM

Tách sóng

AM

Mạch đổi tần

Mạch KĐCT

Mạch

vào

Kênh AM

Kênh FM

Trong máy thu thanh hai băng sóng AM & FM có 2 đổi tần riêng biệt, 2 khối khuếch đại trung tần và âm tần được dùng chung Dải tần của bộ khuếch đại trung tần

FM rộng hơn vì tần số trung tần FM là 10,7M

Đối với mạch tách sóng tần số: thường sử dụng sơ đồ tách sóng tỉ lệ vì có độ nhạy cao và giảm được đầy biên ký sinh

Khối giải mã stereo: có nhiệm vụ giải mã tín hiệu tổng R+L và hiệu R-L từ ngõ

ra của mạch tách sóng để phục hồi lại tín hiệu hai kênh riêng biệt R & L

II.MẠCH VÀO:

Là mạch mắc giữa Anten và tần đầu tiên của máy thu, có nhiệm vụ chủ yếu là nhận tín hiệu từ Anten, chọn lọc các tín hiệu cần thu, do vậy mạch vào thường là mạch cộng hưởng Những yêu cầu cơ bản đối với mạch vào:

- Hệ số truyền đạt lớn và ổn định trên toàn băng sóng :

V

K = V

A

U E

UV: điện áp đưa đến máy thu

EA: suất điện động cảm ứng trên Anten

- Đảm bảo điện độ chọn lọc: chọn lọc tần số lân cận, tần số ảnhf a= f0+ 2f tt, và chọn lọc tần số lọc thẳng

- Đảm bảo độ méo tần số cho phép trong dải tần số làm việc từ fomin →fomax

II.1) Mạch vào ghép điện dung:

Sơ đồ mạch và và đáp ứng tần số

Hình 1.3 Sơ đồ mạch ghép nối điện dung & đáp ứng tần số

K0

to

f 0 min f 0 max

CE

Cgh(5p-20pF)

Q1

CX

VCC

R1

R2

CT

L2 L1

Anten được nối với mạch cộng hưởng thông qua điện dung ghép Cgh Mạch cộng huởng là một khung cộng hưởng LC, gồm một tụ xoay Cx, một tụ tinh chỉnh CT

và một cuộn dây L1 Tần số cộng hưởng được điều chỉnh bằng đúng bằng tần số tín hiệu cần thu fo Qua cuộn ghép cao tần L1: L2, tín hiệu thu được được đưa đến cực Base của mạch khuếch đại cao tần

Trị số của điện dung ghép Cgh= 5 →30pF

Nhược điểm : Hệ số truyền đạt không đồng đều trên cả băng sóng

II.2) Mạch vào ghép điện cảm với Anten

Sơ đồ mạch và đáp ứng tần số:

Tín hiệu từ Anten qua cuộn ghép Lgh cảm ứng qua mạch cộng hưởng gồm tụ

Cx, CT và cuộn dây L1 Mạch cộng hưởng được điều chỉnh để chọn lọc lấy tín hiệu cần thu và cảm ứng sang cuộn L2 để đưa đến cực Base của mạch khuếch đại cao tần

Hệ số truyền đạt của mạch vào dạng này tỉ lệ với hệ số phẩm chất của khung cộng hưởng LC Muốn tăng độ nhạy của mạch phải tăng L1 và giảm Lgh, nhưng

L1cũng không thể tăng quá lớn mà phải chọn dung hòa hai giá trị này để tránh ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của mạch

Nhược điểm của mạch ghép điện cảm là hệ số truyền dẫn cũng không đồng đều trên toàn băng sóng Tuy nhiên so với mạch ghép điện dung thì mạch này có độ chọn

Hình 1.4 Sơ đồ mạch ghép nối điện cảm & đáp ứng tần số

to

K0

f0min f0max

VCC

Q1

R2

L2 Lgh

L1

R1

CT CX

lọc cao hơn và hệ số truyền dẫn cũng đồng đều hơn nên được sử dụng rộng rãi trong thực tế

II.3) Mạch ghép hổn hợp điện cảm – điện dung:

Sơ đồ mạch và đáp ứng tần số :

Đây là dạng mạch vào sử dụng đồng thời cả tụ Cgh, và điện cảm Lgh do đó tận dụng được các ưu điểm và bù trừ được hệ số truyền đạt trên toàn băng sóng cho nên

hệ số truyền đạt của toàn mạch sẽ phẳng hơn đối với các máy thu có nhiều băng sóng, khi chuyển băng sóng phải thay đổi cả cuộn cộng hưởng L1C và cuộn cảm ứng L2

tương ứng Một số máy thu chất lượng cao ở mạch vào còn có thêm bộ lọc khử nhiễu lọt thẳng, tức là nhiễu có tần số đúng bằng trung tần

III.MẠCH 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 để đưa cho bộ đổi tần, các mạch khuếch đại cao tần thường được mắc kiểu CE hoặc CB Đối với băng sóng AM thì kiểu mắc CE là thích hợp vì tận dụng được hệ số khuếch đại cao của dạng ghép này, còn đối với băng sóng FM thì kiểu ghép CB là thích hợp hơn vì có băng thông làm việc rất rộng Tầng khuếch đại cao tần cũng có thể là tầng khuếch đại không cộng hưởng với tải là điện trở, điện cảm hoặc R-L hay biến áp nhưng phổ biến hơn cả vẫn là tải cộng hưởng tại một tần số nào

đó

Hình 1.5 Sơ đồ mạch ghép nối hỗn hợp điện cảm-điện dung

to

K0

f0min f0max

L-C

Q1

CX Cgh

R2

VCC

CT

L1

Lgh

• Sơ đồ mạch khuếch đại cao tần với tải là điện trở:

Đây là bộ khuếch đại dải rộng, có hệ số khuếch đại tương đối đồng đều trong một dải rộng từ vài chục đến vài MHz, tuy nhiên mạch không có khả năng chọn lọc tần số Điện trở tải R1 thường được sử dụng trong khoảng vài kΩ

• Sơ đồ mạch khuếch đại cao tần với tải là cuộn cảm mắc nối tiếp với điện trở R

Đối với dạng mạch này thì khi tần số tín hiệu thu tăng thì XL sẽ tăng theo ⇒Z= R+XL tăng điều này sẽ làm tăng hệ số khuếch đại của toàn mạch

Trong thực tế mạch khuếch đại cao tần với tải cộng hưởng là dạng mạch được

sử dụng rộng rãi hơn cả, mạch này đảm nhận cả nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu và chọn lọc tần số

Tải của mạch khuếch đại cao tần có thể là mạch cộng hưởng đơn hoặc mạch cộng hưởng kép với tần số cộng hưởng cố định hoặc có thể điều chỉnh được

Hình 1.6 Mạch khuếch đại cao tần tải điện trở

VCC

R2

Q1 R1

Vin

Vout

Hình 1.7 mạch khuếch đại cao tần với tải là

cuộn cảm mắc nối tiếp với điện trở R

R

L

Q1 VCC

K3 CT2

K2 CT1

1

K1

Xem sơ đồ mạch khuếch đại cao tần với tải là mạch cộng hưởng đơn:

Tải của mạch là khung cộng hưởng L1C, cực C của transistor được mắc vào một phần của cuộn L1 Tại tần số cộng hưởng fo, hệ số khuếch đại của mạch là lớn nhất, khi lệch ra khỏi tần số cộng hưởng hệ số khuếch đại của mạch giảm nhanh chóng, vì vậy mạch có tính chọn lọc với tần số tín hiệu cần thu và loại bỏ các tín hiệu tần số khác và nhiễu

Bộ khuếch đại cao tần làm việc ở một dải tần rộng nên khó đảm bảo được hệ số khuếch đại đồng đều, cho nên trong các máy thu chất lượng cao thường dùng mạch khuếch đại cao tần có mạch cộng hưởng điều chỉnh liên tục, tần số cộng hưởng được điều chỉnh đồng bộ với tần số tín hiệu cần thu ở mạch vào nhờ tụ xoay đồng trục

Ở băng sóng 1, các chuyển mạch K1, K2, K3 đều ở vị trí 1, ở băng sóng 2 các chuyển mạch này sẽ được nối vị trí 2

IV.MẠCH ĐỔI TẦN

f0

Hình 1.8mạch khuếch đại cao tần với tải là mạch cộng hưởng đơn

C3

VCC

CX1

Q1

L2

L1

Mạch đổi tần là mạch biến đổi tín hiệu cao tần điều chế thành các tín hiệu có tần số thấp hơn và không đổi gọi là trung tần

Dạng của tín hiệu điều chế sau khi đổi tần không thay đổi mà chỉ thay đổi tần

số sóng mang

Mạch đổi tần gồm 2 phần: Mạch tạo dao động nội và mạch đổi tần ( trộn tần ) Xem sơ đồ sau:

Người ta đã chứng minh rằng nếu trộn 2 tín hiệu có tần số khác nhau là f1 và f2

trên một phần tử phi tuyến thì sẽ nhận được ở đầu ra ngoài thành phần f1, f2 còn xuất hiện các thành phần tổng f1+f2 và hiệu f1-f2 Nếu dùng mạch lọc cộng hưởng ta dễ dàng nhận được tín hiệu có tần số hiệu f1-f2, và tần số hiệu này cũng chính là trung tần

Để tín hiệu trung tần có tần số cố định khi tín hiệu thu từ Anten có tần số fo

biến đổi thì tần số dao động nội cũng phải thay đổi tương ứng, trong máy thu thanh người ta giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng các tụ xoay đồng trục ở mạch vào

và mạch dao động nội

Ở máy thu AM, f tt = 465KHz hoặc 455KHz và người ta thường chọn fn > f0 đúng bằng 1 trung tần Ngược lại ở máy thu FM do tần số sóng mang cao nên người ta thường chọn fn < f0 đúng bằng 10,7 MHz = ftt FM

Có 2 dạng mạch đổi tần thông dụng: dạng dùng 1 transistor vừa làm nhiệm vụ tạo dao động nội vừa làm nhiệm vụ trộn tần, dạng thứ 2 là dùng 2 transistor riêng biệt

để làm 2 nhiệm vụ trên

Trong hầu hết các sơ đồ mạch, mạch dao động nội thường dùng là khung cộng hưởng LC Tần số dao động nội được xác định theo công thức:

n

f = 1

2π LC Hz và để thay đổi tần số này người ta thường thay đổi tụ C

Mixer

fn

ftt f0

- +

Hình 1.9 Tín hiệu trước và sau trộn tần

CT

R1

CT

L2 L1

VCC

CX L3

R2 T1

R2

L4

Vout

CX

C2

C1

L5

Xem sơ đồ mạch điện:

Trong sơ đồ trên T1 vừa làm nhiệm vụ dao động vừa làm nhiệm vụ trộn tần Điện áp tín hiệu được đưa vào cực B, điện áp dao động nội được đưa vào cực E

Khi tạo dao động thì C1 được xem như nối mass cho cực B, mạch trở thành ghép BC và thành phần quyết định dao động là khung L4C2, tín hiệu dao động nội được đưa đến cực E bằng tụ C2, đây chính là thành phần hồi tiếp dương để trộn với tín hiệu cần thu

Khi làm nhiệm vụ trộn tần thì C2 và L4 xem như nối mass cho E và T1 là mạch ghép CE Tín hiệu trộn tần được đưa vào cực B và lấy ra từ cuộn cảm ứng trên khung cộng hưởng từ cực C

Nhược điểm của mạch này là độ ổn định kém do transistor đảm nhận cùng lúc

2 nhiệm vụ dao động và trộn tần

Hình 1.10 Mạch trộn tần

Mạch đổi tần dùng 2 transistor:

Trong sơ đồ mạch trên T1 đóng vai trò mạch trộn tần, T2 đóng vai trò mạch dao động nội, tần số dao động nội được quyết định bởi L4, C7 và C8

Hoạt động của mạch như sau: tín hiệu cao tần từ khung CL1 cảm ứng qua L2

kết hợp với tín hiệu từ mạch dao động nội cảm ứng trên cuộn L3, được đặt vào cực B của T1 T1 thực hiện việc trộn lẫn 2 tín hiệu và khuếch đại chọn lọc để lọc lấy tín hiệu trung tần nhờ khung cộng hưởng CL6 mắc ở cực C của T1 Tín hiệu trung tần này được cảm ứng qua L7 để đi đến các tầng tiếp theo

Việc phân cực ( chọn giá trị cho R1, R2 ) là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến khả năng trộn tần và khuếch đại của mạch

Trong các máy thu hiện đại, thường người ta dùng 1 IC để thực hiện các chức năng: khuếch đại cao tần, tạo dao động nội, trộn và đổi tần Xem mạch sau ( áp dụng thu sóng FM )

Hình 1.11 Mạch đổi tần dùng 2 transistor

C1

T1 C3

L5

L2 L1

0

C2

VCC

R1

L7 L6

C7

VCC

T2

L4 L3

C8

VCC

R2

Tín hiệu thu được từ Anten qua mạch ghép đưa vào chân 10 của IC để khuếch đại và trộn tần

Chân 10 IC được mắc với khung L2C2 để tạo dao động nội cung cấp cho mạch trộn tần tại ngõ vào chân 1 nhờ tụ C4

L3 và C5 là mạch cộng hưởng nối tiếp để chọn lọc tín hiệu trung tần

V MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN

Khối khuếch đại trung tần là một mạch khuếch đại cộng hưởng có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu trung tần đến một giá trị đủ lớn để đưa vào mạch tách sóng, bộ khuếch đại trung tần quyết định phần lớn độ chọn lọc và độ nhạy của máy thu

Nếu dùng transistor rồi, khối trung tần có thể gồm 1, 2 hoặc 3 tầng khuếch đại ghép, còn nếu dùng IC thì mạch khuếch đại trung tần thường được tích hợp chung với mạch tách sóng

Hình 1.12Mạch đổi tần dùng IC

VCC C5

12 9 7

VCC

C2

L4 L5

3

C1

11

L2

L3

CA3005

L1

VCC

1

C4

10

Xem sơ đồ mạch khuếch đại trung tần cộng hưởng đơn:

• C4L2: khung cộng hưởng tại tần số trung tần

• R1R2: phân cực cho mạch khuếch đại trung tần

• R3: điện trở ổn định nhiệt và đóng vai trò mạch hồi tiếp dòng nối tiếp

• C2: tụ thoát cao tần ( loại bỏ hồi tiếp áp nối tiếp )

• Tụ C3: hồi tiếp áp song song để ổn định tín hiệu ra

Mạch có hệ số khuếch đại rất lớn tại tần số trung tần, tại các tần số khác hệ số khuếch đại giảm nhanh chóng

Ưu điểm: hệ số khuếch đại khá lớn, độ chọn lọc cao

Nhược điểm:

• Dải thông hẹp, độ trung thực kém

• Muốn tăng độ nhạy của máy thu thường người ta chọn phương pháp tăng độ khuếch đại của mạch khuếch đại trung tần, tuy nhiên trong mạch trên, khi tăng

hệ số khuếch đại → hiện tượng tự kích Vì vậy người ta thường mắc thêm tụ

C3 để tạo mạch hồi tiếp âm áp song song cho mạch

Hình 1.13 Mạch khuếch đại trung tần

ftt

C2 C4

R2

VCC

Q1

R1

C3

L1

VCC

C1

R3

L3 L2