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

Jkk;v ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Anh Tuấn NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ SỬ DỤNG VÒNG KHÓA PHA BĂNG TẦN C CHO MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH L

Jkk;v ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Anh Tuấn

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ SỬ DỤNG VÒNG KHÓA PHA BĂNG TẦN C

CHO MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Anh Tuấn

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ SỬ DỤNG VÒNG KHÓA PHA BĂNG TẦN C

CHO MÁY THU THÔNG TIN VỆ TINH

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã ngành: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Bạch Gia Dương

HÀ NỘI - 2014

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS.Bạch Gia Dương đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp cho em có những kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài của luận văn

Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã luôn nhiệt tình giảng dạy và chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian học tập vừa qua

Em xin cảm ơn các cán bộ Trung tâm Nghiên cứu Điện tử - Viễn thông đã tạo điều kiện tốt nhất và tận tình giúp đỡ, hướng dẫn thực hành, thử nghiệm các thiết bị phụ trợ cho công tác nghiên cứu và thực hiện luận văn này

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, người thân và các bạn của tôi, những người đã luôn bên cạnh động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong thời gian qua

Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian thực hiện luận văn có hạn, vốn kiến thức và kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên luận văn còn nhiều hạn chế Em rất mong nhận được nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô để hoàn thiện hơn đề tài nghiên cứu của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài: “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” là công trình nghiên

cứu của bản thân Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo, các tài liệu tham khảo này đã được liệt kê trong mục “tài liệu tham khảo” ở phần cuối luận văn

Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và kỷ luật từ phía nhà trường

Hà Nội, ngày 17 tháng 4 năm 2014

Học viên

Nguyễn Anh Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I MỤC LỤC II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT IV DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ V

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VÒNG KHÓA PHA VÀ BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ (PHASE LOCKED LOOP - PLL) 2

1.1 Tổng quan về hệ thống thu, phát thông tin vệ tinh 2

1.1.1 Đặc trưng cơ bản của thông tin liên lạc qua vệ tinh 2

1.1.2 H ệ thống thông tin vệ tinh Vinasat 2

1.1.3 C ấu trúc các bộ thu tín hiệu thông tin vệ tinh 3

1.1.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống thu tín hiệu 3

1.1.3.2 Chức năng các module trong hệ thống 3

1.2 Tổng quan về mạch dao động 4

1.2.1 Khái ni ệm: 4

1.2.2 M ạch tạo dao động kiểu ba điểm 6

1.2.3 M ạch tạo dao động ba điểm điện dung 7

1.3 Tổng quan về mạch vòng khóa pha (PLL) 8

1.3.1 PLL 8

1.3.2 S ơ đồ khối 8

1.3.3 Nguyên lý ho ạt động 8

1.4 Các thành phần của PLL 10

1.4.1 B ộ tách sóng pha (Phase Detector): 10

1.4.1.1 Loại tương tự ở dạng mạch nhân có tín hiệu ra tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào.10 1.4.1.2 Loại số thực hiện bởi mạch số EX-OR, RS Flip Flop : 11

1.4.1.3 Loại tách sóng pha lấy mẫu 11

1.4.2 L ọc thông thấp LPF 11

1.4.3 Khu ếch đại một chiều 12

1.4.4 VCO (Voltage controlled oscillator) 12

1.5 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng khóa pha PLL 13

1.6 Một số ứng dụng 13

1.6.1 B ộ tổ hợp tần số đơn 13

1.6.2 B ộ giải điều chế FM, AM, SK v.v… 14

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH DAO ĐỘNG VCO 15

2.1 Nguyên lý mạch VCO: 15

2.3 Thiết kế, chế tạo VCO dùng spf-3043: 16

2.3.1 Nguyên lý: 16

2.3.2 S ơ đồ nguyên lý mạch: 17

2.3.3 Thi ết kế: 19

2.4 Kết quả, nhận xét: 19

CHƯƠNG III : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ BẰNG VI MẠCH ADF 411X 27

3.1 Giới thiệu họ vi mạch ADF411x 27

3.2 Mô tả chức năng các chân 28

3.3 Mô tả chức năng mạch điện 29

3.3.1.T ầng lối vào chuẩn 29

3.3.2 T ầng lối vào RF 29

3.3.3 B ộ chia trước (P/P+l) 30

3.3.4 B ộ chia A và B 30

3.3.5 B ộ chia R 31

3.3.6 B ộ tách sóng pha/tần số và bơm nạp 31

3.3.7 Thanh ghi d ịch 24 bít 31

3.3.8 Bộ ghép bội lối ra và bộ tách xung đồng bộ 32

3.4 Ứng dụng của họ IC ADF411X 32

3.4.1 T ạo bộ dao động tần số cục bộ dùng cho trạm cơ sở BTS 32

3.4.2 Sử dụng chuyển đổi D/A điều khiển chân R SET 33

3.4.3 M ạch ngắt dòng 33

3.4.4 Khóa pha d ải tần (wideband PLL) 34

3.5 Thiết kế chế tạo bộ Tổ hợp tần số 34

3.5.1 Đặt vấn đề 34

3.5.2 S ơ đồ nguyên lý 35

3.5.3 Thi ết kế mạch Loop Filter 37

3.5.4 Quá trình n ạp Code cho PLL 37

3.5.5 B ộ Tổ hợp tần số hoàn chỉnh: 40

3.6 Kết quả: 41

3.7 Nhận xét: 46

KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

điện áp

mạch cao tần

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hinh 1.1 Vệ tinh quỹ đạo tầm thấp

Hình 1.2 Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh

Hình 1.3 Vùng phủ sóng vệ tinh Vinasat 1 băng tần C

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu

Hình 1.5 Bộ trộn tần có dạng mạng 3 cửa

Hình 1.6 Sơ đồ thuật toán bộ tạo dao động

Hình 1.7 Sơ đồ biểu diễn thuật toán theo mã thời gian

Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ dao động tự kích

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

Hình 1.10 Mạch tạo dao động sử dụng transistor

Hình 1.11 Sơ đồ khối PLL

Hình 1.12 Dải bắt và dải khóa

Hình 1.13 Điện áp sau bộ lọc LPF

Hình 1.14 Bộ tách sóng pha

Hình 1.15 Hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha tương tự

Hình 1.16 Hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha số

Hình 1.17 Bộ tách sóng pha số

Hình 1.18 Mạch lọc thông thấp

Hình 1.19 Mạch khuếch đại một chiều

Hình 1.20 Mạch VCO tiêu biểu

Hình 1.21 Sơ đồ khối mạch PLL lập trình được

Hình 1.22 Mạch giải điều chế FM

Hình 1.23 Mạch giải điều chế FSK

Hình 1.24 Mạch giải điều chế AM

Hình 2.1 Mạch VCO và mạch dao động Clapp dùng Diode biến dung

Hình 2.2 Mạch VCO Colpitts điều chỉnh song song

Hình 2.3 Mạch VCO Colpitts điều chỉnh nối tiếp

Hình 2.4 Mạch VCO Colpitts dải rộng

Hình 2.5 Độ lợi của Transistor SPF-3043

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch VCO dùng Transistor SPF-3043

Hình 2.12 Kiểm thử trên máy phân tích phổ

Hinh 2.13 Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =0V tại tần số 3,914GHz Hinh 2.13 Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =0,5V tại tần số 3,982GHz

Hinh 2.13 Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =1V tại tần số 4,031GHz Hinh 2.13 Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =1,5V tại tần số 4,09GHz Hinh 2.13 Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =2V tại tần số 4,139GHz Hinh 2.13 Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =2,5V tại tần số 4,207GHz Hinh 2.13 Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =3V tại tần số 4,246GHz Hinh 2.13 Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =3,5V tại tần số 4,324GHz Hinh 2.13 Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =4V tại tần số 4,351GHz Hinh2.13 Kết quả đo tần số trên máy phân tích phổ khi VDC =4,5V tại tần số 4,4GHz

Hình 3.1 Sơ đồ chức năng họ IC ADF411X

Hình 3.17 Kết quả tính toán các giá trị mạch Loop filter

Hình 3.18 Quá trình nạp Code điều khiển PLL

Hình 3.19 Tín hiệu xung điều khiển PLL

Hình 3.20 Mặt trước Bộ tổ hợp tần số

Hinh 3.21 Mặt sau Bộ tổ hợp tần số

Hình 3.22 Bộ tổ hợp tần số hoàn chỉnh

Hình 3.24 Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,1GHz

Hình 3.25 Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,126GHz

Hình 3.26 Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,139GHz

Hình 3.27 Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,145GHz

Hình 3.28 Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,158GHz

Hình 3.29 Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,165GHz

Hình 3.30 Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,184GHz

Hình 3.31 Kết quả đo trên máy phân tích phổ tại tần số 4,204GHz

MỞ ĐẦU

Hiện này ngành công nghệ thông tin và truyền thông phát triển mạnh mẽ và đạt được nhiều thành tựu quan trọng Trong đó, sự phát triển của thông tin vô tuyến bằng vệ tinh đã cải thiện các nhược điểm của mạng vô tuyến mặt đất, đạt được dung lượng cao hơn, băng tần rộng hơn, nó có ý nghĩa chính trị, kinh tế xã hội to lớn, đem lại dịch vụ mới và thuận tiện với chi phí thấp Ở Việt Nam ngành công nghệ vũ trụ đang được đầu tư nghiên cứu, đây

là hướng đi mới, mở ra nhiều lợi ích to lớn cho đất nước Không ngừng lại với thành công của dự án phóng vệ tinh Vinasat-1, Vinasat-2 mà nhiều dự án thiết kế các vệ tinh và những

hệ thống truyền thông sử dụng sóng siêu cao tần đã, đang được triển khai Đây là hai vệ tinh điển hình của thuộc quyền sở hữu của Việt Nam hoạt động ở băng tần C và Ku Việc chúng

ta có thể làm chủ công nghệ và sử dụng hiệu quả trang thiết bị này là vấn đề rất được quan tâm đầu tư nghiên cứu, phát triển

Trong thông tin vệ tinh các bộ thu, phát đóng vai trò rất quan trọng, việc thu được tín hiêu với chất lượng tốt phụ thuộc vào khả năng hoạt động có tính ổn định cao của thiết bị

Bộ tổ hợp tần số là một trong những thành phần cơ bản của bộ thu, phát vệ tinh Việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Bộ tổ hợp tần số với mục tiêu góp phần vào thiết kế chế tạo hoàn chỉnh bộ thu tín hiệu thông tin vệ tinh và tăng chất lượng tín hiệu thu được

Đề tài “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” với mục tiêu nắm bắt công nghệ, khai thác hiệu quả công nghệ thông tin vệ tinh, tăng chất lượng thu tín hiệu của thiết bị thu thông tin vệ tinh ở tần số cao với Bộ Tổ hợp tần số có độ ổn định tương đương với thạch anh

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

• Nghiên cứu về hệ thống thông tin vệ tinh và kĩ thuật siêu cao tần

• Nghiên cứu nguyên lý mạch tạo dao động, mạch VCO, mạch lọc và mạch PLL

• Thiết kế, chế tạo máy phát dao động VCO băng tần C với dải tần từ 4÷4,4GHz bằng JFET SPF3043

• Thiết kế chế tạo Bộ tổ hợp tần số sử dụng mạch vòng khóa pha (PLL) bằng IC ADF 411X

Trong quá trình thực hiện đề tài, chắc hẳn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất

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

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VÒNG KHÓA PHA VÀ

BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ (PHASE LOCKED LOOP - PLL)

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

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

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

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

có thể nhìn thấy một vùng rộng của trái đất

- Dung lượng thông tin lớn, do sử dụng băng tần 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 cậy và chất lượng thông tin cao, do liên lạc trực tiếp giữa vệ tinh và trạm mặt đất, xác suất hư hỏng trên tuyến liên lạc rất thấp và ảnh hưởng do nhiễu khí quyển không đáng kể

- Tính linh hoạt cao, do hệ thống liên lạc vệ tinh được thiết lập nhanh chóng và có thể thay đổi linh hoạt tùy theo yêu cầu sử dụng

- Có khảng năng ứng dụng trong thông tin di động là thông tin liên lạc toàn cầu

Do có nhiều ưu điểm nổi trội so với các loại hình thông tin khác, nên hệ thống thông tin vệ tinh 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 biển,

dự báo thời tiết, đảm bảo an ninh quốc phòng Với sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ chế tạo, phóng vệ tinh và công nghệ chế tạo các thiết bị thông tin liên lạc, thiết bị đo lường

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

áp dụng nhiều kĩ thuật truyền dẫn tín hiệu mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống

1.1.2 Hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat

Sóng vô tuyến trong thông tin liên lạc vệ tinh cần phải xuyên qua tầng điện li và khí quyển bao quanh trái đất, nên cần phải chọn tần số suy hảo nhỏ nhất trong khoảng “cửa sổ

vô tuyến” từ 1GHz đến 30GHz các băng tần được sử dụng nhiều hơn cả là band C và band

Ku

Band C: Từ 4-8GHz thường sử dụng dải tần 5,85-5,92-7,025GHz cho tuyến phát lên,

và dải tần 3,7-4,2GHz cho tuyến phát xuống

Hình 1.3:Vùng phủ của vệ tinh Vinasat 1 band C

1.1.3 Cấu trúc hệ thống thu tín hiệu thông tin vệ tinh

1.1.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống thu tín hiệu

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu

1.1.3.2 Chức năng các module trong hệ thống

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

Bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LNA): đây là một modul khuếch đại đặc biệt, sử dụng

trong các hệ vô tuyến để khuếch đại những tín hiệu rất yếu được thu từ anten Nó thường được đặt rất gần anten thu để giảm thiểu suy hao Khi sử dụng bộ khuếch đại này ở máy thu thì ồn nhiễu của những tầng sau sẽ được giảm bởi hệ số khuếch đại của nó Trong khi đó, ồn

VCO PLL

nhiễu của LNA lại được cộng trực tiếp vào tín hiệu nhận được Việc sử dụng LNA là cần thiết để tăng công suất tín hiệu mong muốn, còn tạp nhiễu sẽ được xử lý ở những tầng tiếp theo

VCO: Bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp là mạch tạo ra điện áp xoay chiều có

dạng theo yêu cầu là mạch tạo dao động Các mạch tạo dao động được sử dụng trong hệ thống thông tin liên lạc, có dải tần hoạt động từ vài Hz cho tới hàng GHz Để tạo dao động

có hể sử dụng các phần tử tích cực như đèn điện tử, trasistor, các bộ khuếch đại thuật toán…

Bộ tổ hợp tần số : tạo tín hiệu f LO bám theo pha tín hiệu vào f RF

Bộ trộn tần MIXER: Bộ trộn tần số là một thiết bị không tuyến tính hoặc tuyến tính

mà tham số đầu vào là 2 tần số khác nhau và ở đầu ra thu được tín hiệu là các thành phần tổng và hiệu của 2 tần số đầu vào Thông thường một trong hai tín hiệu vào là tín hiệu đơn

âm (có một vạch phổ), được gọi là tín hiệu ngoại sai có tần số là fLO Lối vào còn lại do vị trí của bộ trộn tần quyết định: Nếu bộ trộn được sử dụng ở trong máy phát thì lối vào này sẽ

có tần số trung gian hay trung tần Ngược lại, nếu bộ trộn được dùng ở máy thu thì lối vào này sẽ là tín hiệu cao tần có tần số là fRF

Hình 1.5 Bộ trộn tần có dạng mạng 3 cửa Tín hiệu thu được ở băng tần C sau khi khuếch đại tại LNA được đưa vào bộ trộn dải

rộng MIXER trộn với tín hiệu của bộ dao động ngoại sai (LO) Với yêu cầu tần số f if sau bộ trộn nằm trong khoảng 950÷2150MHz điều này phụ thuộc vào bộ phát tín hiệu LO Để máy

thu thu được tần số f IF với chất lượng cao đòi hỏi phải có bộ phát tần số f LO ổn định và có độ chính xác cao, vậy Bộ Tổ hợp tần số là thiết bị có vai trò quan trọng trong vấn đề này, và mục tiêu đề tài chính là tạo Bộ Tổ hợp tần số có tần số lối ra ổn định tương đương với thạch anh ở tần số cao băng tần C trong thông tin vệ tinh

1.2 Tổng quan về mạch dao động

1.2.1 Khái niệm:

Mạch tạo ra điện áp xoay chiều có dạng theo yêu cầu là mạch tạo dao động Các mạch tạo dao động được sử dụng trong hệ thống thông tin liên lạc, có dải tần hoạt động từ vài Hz cho tới hàng GHz Để tạo dao động có thể sử dụng các phần tử tích cực như đèn điện tử, trasistor, các bộ khuếch đại thuật toán…

Các tham số cơ bản của mạch dao động:

- Tần số dao động

- Biên độ điện áp ra

- Độ ổn định tần số lối ra

- Công suất của mạch

- Hiệu suất của mạch

Có thể tạo dao động điều hòa theo 2 nguyên tắc sau:

- Tạo dao động bằng mạch khuếch đại có hồi tiếp dương

- Mạch tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch

Để tạo được mạch dao động cần thỏa mãn 2 điều kiện là:

- Thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ

- Thỏa mãn điều kiện cân bằng pha

Hình 1.6 Sơ đồ thuật toán bộ tạo dao động

Tỷ lệ tín hiệu lối ra/lối vào:

số để có thể tự kích

Hình 1.7 Sơ đồ biểu diễn thuật toán theo thời gian

Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ dao động tự kích

Một hệ dao động tự kích có quan hệ:

K K

Công thức trên có thể viết cụ thể hơn: K β = 1 ; ϕK +φβ =2kπ (1.4)

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

Về mặt vật lý, hệ tự dao động khi phần tử khuếch đại K bù đủ năng lượng tổn hao trong vòng hồi tiếp (điều kiện cân bằng biên độ) và bù pha (điều kiện cân bằng pha) Nếu điều kiện cân bằng pha chỉ đúng cho một tần số thì dao động tạo ra sẽ dao động hình sin của tần số đó

1.2.2 Mạch tạo dao động kiểu ba điểm

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo mạch dao động ba điểm tổng quát Mạch tạo dao động LC có thể có ba điểm nối giữa hệ thống chọn lọc và phần tử khuếch đại Lúc này phần hồi tiếp dương được thực hiện qua bộ phân áp điện dung hoặc điện cảm Đầu tiên xét nguyên lý chung như sơ đồ hình 1.9 Trong đó Z1, Z2, Z3 là các phần

tử của hệ cộng hưởng nối tiếp theo mạch vòng với

Hệ số khuếch đại của mạch là: K = - S Zt (1.6)

Trong đó Zt là trở kháng mạch tải của mạch khuếch đại :

+ (1.8) Điều kiện của công thức 1.3 và 1.4 sẽ là :

bằng biên độ Từ công thức trên suy ra X2 và X3 phải cùng tính cảm hoặc cùng tính dung và

X1 phải khác dấu với X2 và X3

1.2.3 Mạch tạo dao động ba điểm điện dung

Hình 1.10 Mạch dao động 3 điểm sử dụng transistor Trong mạch tạo dao động 3 điểm điện dung, ta có:

CB BE

Điều kiện (1.12) trở thành:(1+n2)h11e + n2Rtđ - nRtđh21e ≤ 0 (1.13)

Trong biểu thức dấu " < " ứng với giai đoạn quá độ ( khi Kβ > 1 ); dấu " = " ứng với giai đoạn xác lập dao động

Giá trị của n nằm trong khoảng: n2 < n < n1 thì mạch sẽ dao động

Khi dao động đã xác lập thì n nhận giá trị n1 hoặc n2

Tần số của dao động tạo ra sẽ là: dd

1 2

1 2

12

ch

C C L

1.3 Tổng quan về mạch vòng khóa pha (PLL)

1.3.1 PLL

Vòng khóa pha PLL là một hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong đó tín hiệu hồi tiếp dùng

để khóa tần số và pha tín hiệu ra theo tần số và pha tín hiệu vào Tín hiệu vào có thể có dạng tương tự hình Sine hoặc dạng số Ứng dụng đầu tiên của PLL vào năm 1932 trong việc tách sóng đồng bộ Ngày nay, nhờ công nghệ cao làm cho PLL có kích thước nhỏ, độ tin cậy cao, giá thành rẻ, dễ sử dụng Kỹ thuật PLL được ứng dụng rộng rãi trong các mạch lọc, tổ hợp tần số, điều chế và giải điều chế, điều khiển tự động, bộ tạo dao động … Có hàng chục kiểu

vi mạch PLL khác nhau được chế tạo phổ thông như tách âm(Tone), giải mã Stereo, tổ hợp tần số

1.3.2 Sơ đồ khối

Hình 1.11 Sơ đồ khối của PLL

+ Tách sóng pha: so sánh pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của VCO để tạo ra tín

hiệu sai lệch V

d(t)

+ Lọc thông thấp: lọc gợn của điện áp V

d(t) để trở thành điện áp biến đổi chậm và đưa vào mạch khuếch đại một chiều

+ Khuếch đại một chiều: khuếch đại điện áp một chiều V

dk(t) để đưa vào điều khiển tần số của mạch VCO

+ VCO (Voltage Controled Oscillator): bộ dao động mà tần số ra được điều khiển

bằng điện áp DC đưa vào

1.3.3 Nguyên lý hoạt động

Vòng khoá pha hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào và ra là tần số và chúng được so sánh với nhau về pha Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát hiện

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

số f0 của tín hiệu VCO bám theo tần số fi của tín hiệu vào

Khi không có tín hiệu V

dc(t) =0, bộ dao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên f

N được cài đặt bởi điện trở, tụ điện ngoài Khi có tín hiệu vào V

i , bộ tách sóng pha so sánh pha và tần số của tín hiệu vào với tín hiệu ra của

VCO Ngõ ra bộ tách sóng pha là điện áp sai lệch V

d(t) , chỉ sự sai khác về pha và tần số của hai tín hiệu Điện áp sai lệch V

d(t) được lọc lấy thành phần biến đổi chậm V

dc(t) nhờ bộ lọc thông thấp LPF, khuếch đại để thành tín hiệu V

tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vào Đến khi tần số f

i của tín hiệu vào, ta nói bộ VCO đã bắt kịp tín hiệu vào Lúc bấy giờ sự sai lệch giữa 2 tín hiệu này chỉ còn là sự sai lệch về pha mà thôi Bộ tách sóng pha sẽ tiếp tục so sánh pha giữa 2 tín hiệu để điều khiển cho VCO hoạt động sao cho sự sai lệch pha giữa chúng giảm đến giá trị

bé nhất

Hình 1.12 Dải bắt và dải khoa của PLL

Dải bắt B C (Capture range): kí hiệu B

C=f

2- f

1, là dải tần số mà tín hiệu vào thay đổi nhưng PLL vẫn đạt được sự khoá pha, nghĩa là bộ VCO vẫn bắt kịp tần số tín hiệu vào Nói cách khác, là dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải lọt vào để PLL có thể thiết lập chế độ đồng bộ (chế độ khóa)

B

C phụ thuộc vào băng thông LPF Để PLL đạt được sự khóa pha thì độ sai lệch tần số (f

i – f

đạt được khóa pha vì biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh

Hình 1.13: Điện áp sau bộ lọc thông thấp

Giả sử mạch PLL đã đạt được chế độ khoá, VCO đã đồng bộ với tín hiệu vào Bây giờ

ta thay đổi tần số tín hiệu vào theo 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 tần

số tự nhiên ban đầu của nó Ta làm tương tự như trên nhưng thay đổi tần số tín hiệu vào theo hướng nhỏ hơn tần số VCO Đến một giá trị nào đó của tần số tín hiệu vào thì VCO sẽ

không bám theo được nữa và cũng trở về tần số tự nhiên của nó Dải giá trị tần số từ thấp nhất đến cao nhất đó của tín hiệu vào được gọi là dải khoá Từ đó ta định nghĩa:

Dải khóa B L (Lock range): ký hiệu B

L=fmax- fmin, là dải tần số mà PLL đồng nhất đựợc tần số f

0 với f

i Dải này còn gọi là đồng chỉnh (Tracking range) Các tần số f

max, fmin tần

số cực đại và cực tiểu mà PLL thực hiện được khóa pha (đồng bộ) Dải khóa phụ thuộc hàm truyền đạt (độ lợi) của bộ tách sóng pha, khuếch đại, VCO Nó không phụ thuộc vào đáp tuyến bộ lọc LPF vì khi PLL khóa pha thì f

i trong dải tần khóa B

L rộng hơn dải tần bắt B

C

1.4 Các thành phần của PLL

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 tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào

Hình 1.14 Bộ tách sóng pha

Nguyên lý hoạt động của bộ tách sóng pha tương tự

Bộ đổi tần hay mạch nhân thực hiện nhân hai tín hiệu Ngõ ra của nó có điện áp: V d (t)

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

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

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

về pha giữa hai tín hiệu vào

Hình 1.16 Hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha số

Hình 1.17 Bộ tách sóng pha dạng số

Điện áp sai lệch biến đổi chậm V

d tại ngõ ra bộ tách sóng pha số tỷ lệ với độ rộng xung ngõ ra tức là tỷ lệ độ sai lệch về pha θ

e (hay tần số tức thời) của hai tín hiệu vào

1.4.1.3 Loại tách sóng pha lấy mẫu

1.4.2 Lọc thông thấp LPF

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

AC theo yêu cầu LPF có thể ở dạng mạch thụ động hay tích cực

Hình 1.18 Mạch lọc thông thấp

1.4.3 Khuếch đại một chiều

Khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm (DC) sau bộ lọc thông thấp LPF Độ lợi khuếch đại k

A

Hình 1.19 Khuếch đại một chiều

1.4.4 VCO (Voltage controlled oscillator)

Là mạch dao động có tần số được kiểm soát bằng điện áp DC

Yêu cầu chung của mạch VCO là quan hệ giữa điện áp điều khiển V

dk(t) và tần số ra f

o(t) phải tuyến tính Ngoài ra mạch còn có độ ổn định tần số cao, dải biến đổi của tần sô theo điện áp vào rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh và thuận lợi cho việc tổ hợp thành vi mạch (không có điện cảm)

Hình 1.20 Mạch VCO tiêu biểu

1.5 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng khóa pha (PLL)

Bộ tổ hợp tần số dùng vòng khóa pha về nguyên tắc hoạt động hoàn toàn dựa trên nguyên lý của vòng khóa pha nhưng thêm vào hai bộ chia là bộ chia R (dùng để chia tần số của tần số chuẩn fref đầu vào) và bộ chia M (dùng để chia tần số fVCO của bộ VCO bên ngoài) Khi đó, tần số dao động của bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO bên ngoài

1.6.2 Bộ giải điều chế FM, AM, SK v.v…

Hình 1.22 Bộ giải điều chế FM

Hình 1.23 Bộ giải điều chế FSK

Hình 1.24 Bộ giải điều chế AM

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH DAO ĐỘNG VCO

2.1 Nguyên lý mạch VCO:

Bộ tạo dao động siêu cao tần chiếm một vai trò rất căn bản trong các hệ thống thông tin vì nó tạo ra các sóng tham chiếu sử dụng trong việc điều chế và giải điều chế…Do vậy, tính chính xác và ổn định của các bộ tạo dao động luôn phải được quan tâm nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống

Mạch dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) là một máy phát dao động hoạt động bằng cách sử dụng điện áp điều khiển dung kháng của diode biến dung (varicap) để tạo ra thành phần mạch điện điều chỉnh Dung kháng của varicap thay đổi phụ thuộc vào giá trị của điện thế VDC Tần số tạo ra biến đổi phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp điều khiển

VDC

2.2 Một số mạch VCO cơ bản

Sơ đồ một số mạch VCO Colpitts tần số cao:

Hình 2.2 VCO Colpitts điều chỉnh song song

Hình 2.3 VCO Colpitts điều chỉnh nối tiếp

Tần số hoạt động của mạch quy định bởi:

ω2

L = [1/(C2+Cvar)]+(1/C3)+(1/C4) (2.1)

Hình 2.4 Mạch VCO Colpitts dải rộng

2.3 Thiết kế, chế tạo VCO dùng spf-3043:

2.3.1 Nguyên lý:

Mạch tạo dao động theo kiểu ba điểm điện dung, sử dụng FET spf-3403 Đây là linh kiện GaAs có hiệu suất cao, độ ồn thấp; thường được sử dụng chế tạo LNA, ứng dụng trong các hệ thống không dây số và tuyến tính, 3G, thiết bị không dây cố định, máy nhắn tin (Pager system),

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

Để mạch hoạt động trong dải mong muốn cần tính toán giá trị các tụ điện và cuộn dây

để thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ và cân bằng pha, đồng thời triệt tiêu các kí sinh trong mạch vì tổng tất cả các ảnh hưởng này đều có tác động đến dải tần hoạt động của mạch

2.3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch:

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

đồ mạch dao động Colpitts và Transistor SPF-3043 để thiết kế mạch dao động VCO băng tần C

Sử dụng phần mềm AltiumDesigner để vẽ mạch nghuyên lý và thiết kế mạch in

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

LC

Tần số càng cao, giá trị L,C càng nhỏ Với tần số cao từ 4÷4,4GHz, L khoảng vài nH,

C khoảng vài pF Giá trị tụ nhỏ nhất có trong phòng là 1pF Chọn cuộn dây 1,2nH Khi đó xác định được các tụ C, C1, C2, Cvr như sơ đồ dưới đây:

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh

Do bản chất của linh kiện và tính chất của mạch siêu cao tần nên tại chân S của Transistor SPF3043 có thể nối đất mà không cần nối qua một điện trở (VGS=0) Để tăng ảnh hưởng của varicap lên tần số lối ra, tăng giá trị tụ C2 Kết quả cuối cùng tụ C2 là 10pF

Trên hình 2.11 là mạch VCO băng tần C phát ra tần số nằm trong dải 3.9÷4.4GHz có

độ ổn định cao, tác động nhiễu thấp được chế tạo từ Transistor SPF3043