Mạch giải điều biến PLL, bộ tách sóng biến điệu tần số Foster seeley và bộ tách sóng tỷ lệ tất cả đều là một dạng của mạch tách sóng biến điệu tần số điều hưởng được chuyển đổi FM thành
Trang 1CHƯƠNG 14 HỆ THỐNG MÁY THU SÓNG ĐIỀU BIẾN GÓC
I- GIỚI THIỆU CHUNG:
Máy thu sử dụng điều biến góc cũng giống như máy thu được sử dụng đối với sự quy ước AM hoặc máy thu SSB; ngoại trừ phương pháp khai thác thông tin âm tần từ sóng IF toàn phần Trong máy thu FM điện áp tại ngõ ra của mạch tách sóng âm thanh tỷ lệ thuận với độ lệch tần số tại ngõ vào Đối với máy thu PM, điện áp tại ngõ ra của mạch tách sóng âm thanh tỷ lệ thuận với độ lệch pha tại ngõ vào của nó Vì cả hai dạng sóng điều biến pha và tần số đều là một dạng của hệ thống điều biến góc Những tín hiệu của máy thu
FM có thể được giải điều biến bởi máy thu PM và ngược lại
Đối với máy thu sóng AM thương mại, tín hiệu điều biến được chở trên sóng mang là một dạng của biến điệu biên độ Tuy nhiên nhiễu xảy ra trong hệ thống cũng làm thay đổi biên độ của hình bao Cho nên nhiễu không thể bị loại bỏ từ dạng sóng toàn phần trong mạch loại trừ ở phần trước của tín hiệu thông tin Đối với hệ thống điều biến góc, tín hiệu thông tin được chở trên sóng mang là dạng mạch biến điệu tần số và pha Với máy thu sóng điều biến góc, sự cải tiến tỷ số S/N được thực hiện trong suốt quá trình giải điều biến Vì vậy chất lượng của hệ thống được cải tiến rất đáng kể so máy thu AM
Trang 2Hình (5-1) Sơ đồ khối của máy thu đổi tần kép.
Mục đích của chương này là giới thiệu những dạng máy thu và những mạch điện cơ bản để thu và giải điều biến tín hiệu FM và PM Mô tả cách vận hành của máy và sự khác nhau cơ bản giữa máy thu FM và AM thương mại hoặc máy thu dải biên đơn
II- MÁY THU FM :
Hình 5-1 trình bày sơ đồ khối giản lược của máy thu FM đổi tần kép Nó cũng giống như máy thu AM thương mại chuyển đổi kép Tầng RF, mạch trộn và tầng IF hầu như cũng giống như máy thu AM, mặc dù máy thu FM có rất nhiều mạch khuếch đại trung tần hơn Do đặc tính loại trừ nhiễu vốn có trong máy thu FM nên không yêu cầu nhiều mạch khuếch đại RF Tuy nhiên, tầng tách sóng âm thanh trong máy thu AM Mạch tách sóng hình bao máy thu
AM đươcï thay bằng mạch giới hạn, mạch giải điều tần và mạch tiền nhấn Mạch giới hạn và mạch tiền nhấn đưọc phân bố để cải tiến tỷ số S/N nó được đặt trong tầng giải điều biến
Trong máy thu sóng FM, tầng IF đầu tiên có tần số tương đối cao khoảng 10,7Mhz để loại bỏ tần số ảnh và tầng IF thứ hai có tần số tương đối
Mạch tiền
lựa chọn
Mạch KĐ RF
hạn
Mạch nhận dạng
Mạch trộn thứ hai
Mạch trộn
thứ nhất
Mạch đệm
Mạch KĐ âm thanh
Mạch giải nhấn Mạch đệm
Mạch dao động nội thứ hai
Mạch dao
động nội thứ
nhất
Tầng tách sóng âm thanh AGC
Antena thu
Loa ù2ndIF
ù1stIF
Trang 3thấp (thường là 455Khz) để cho phép mạch khuếch đại IF làm việc với độ lợi tương đối cao mà không ảnh hưởng đến mạch dao động
1 Mạch giải điều tần FM:
Mạch giải điều tần FM có mạch điện phụ thuộc vào tần số để tạo ra điện áp ra tỷ lệ thuận với tần số trung tần tại ngõ vào của nó (Vout = f K) Trong đó K là hàm truyền của mạch giải điều tần tính bằng Volt/Hz, f là hiệu số giữa tần số vào và tần số trung tâm của mạch giải điều tần Mạch điện tổng quát được dùng để giải điều tần tín hiệu FM thông thường là mạch tách sóng độ dốc, bộ tách sóng biến điệu tần số Foster - seeley, bộ tách sóng tỷ lệ Mạch giải điều biến PLL, bộ tách sóng biến điệu tần số Foster seeley và bộ tách sóng tỷ lệ tất cả đều là một dạng của mạch tách sóng biến điệu tần số điều hưởng được chuyển đổi FM thành AM và sau đó giải điều biến hình bao AM theo quy định của bộ tách sóng đỉnh Hầu hết mạch tách sóng biến điệu tần số yêu cầu dịch pha 1800
Mạch tách sóng độ dốc:
Hình (5-2a) trình bày sơ đồ nguyên lý của mạch tách sóng độ dốc hoàn toàn điều chỉnh được Đây là dạng mạch đơn giản nhất của bộ tách sóng biến điệu tần số điều hưởng được Bộ tách sóng độ dốc (single - ended) có dạng đặc tuyến điện áp tần số gần như là không tuyến tính và vì thế nó ít được sử dụng Tuy nhiên hoạt động của mạch này là nền tảng cho tất cả những mạch biến điệu tần số khác
Vout
f
V
f 0
f 1
(b)
f
f
Vout
D1
La
Ngõ vào
(a)
Trang 4Hình 5-2 : Mạch tách sóng độ dốc
(a) Sơ đồ nguyên lý (b) Đường đặc tuyến điện áp tần số.
Ở hình (5-2a), mạch điều hưởng bao gồm La, Ca tạo ra một điện áp tại ngõ ra, Vout tỷ lệ với tần số vào Điện áp ngõ ra đạt cực đại tại tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng Mạch điện được tính toán sao cho tần số trung tâm của IF rơi vào giữa đường đặc tuyến điện áp - tần số như hình (5-2b) Khi độ lệch tần số trung tần IF lớn hơn fc, điện áp ngõ ra sẽ tăng và ngược lại khi độ lệch tần số trung tần nhỏ hơn fc điện áp ngõ ra sẽ giảm Cho nên mạch chuyển đổi tần số điều hưởng được làm thay đổi biên độ điều biến (chuyển từ
FM sang AM) D1, C1, R1 tạo thành mạch tách sóng đỉnh đơn giản để chuyển đổi biên độ điều biến thành điện áp ngõ ra, thay đổi theo tỷ lệ bằng với sự thay đổi tần số ngõ vào và biên độ tỷ lệ với giá trị của tần số bị thay đổi
Mạch tách sóng độ dốc cân bằng
Mạch tách sóng độ dốc “ single - ended” là một dạng của mạch tách sóng biến điệu tần số điều hưởng được và mạch tách sóng độ dốc cân bằng là hai mạch tách sóng độ dốc “ 2 single - ended” đơn giản được kết nối song song với nhau và lệch pha 1800 Sự đảo pha được thực hiện bằng cách lấy đầu ra ở giữa cuộn thứ cấp điều hưởng được của biến áp T1 Trên hình (5-3a), mạch điều hưởng gồm, La, Ca và Lb, Cb để chuyển đổi FM thành AM và bộ tách sóng đỉnh cân bằng gồm D1, C1, R1 và D2, C2, R2 để loại tín hiệu thông tin từ hình bao AM Phần trên của mạch điều hưởng gồm La, Ca được điều chỉnh đến một tần số fa mà tần số fa này lớn hơn tần số trung tâm fc của IF và gần bằng 1,33
xf ( Đối với băng sóng FM = 1,33 x 75Khz) Mạch điều hưởng phần dưới gồm Lb, Cb đươcï điều chỉnh ở tần số fb , fb nhỏ hơn tần số trung tâm fc của IF
D1
Vout
T1
La
D1 (a)
Ngõ vào
FM
Trang 5Hình 5-3: Mạch tách sóng độ dốc cân bằng.
(a) Sơ đồ nguyên lý
(b) Đặc tuyến điện áp tần số
Hoạt động của mạch này đơn giản, điện áp tại ngõ ra của mỗi mạch điều hưởng thì tỷ lệ với tần số vào, mỗi ngõ ra được chỉnh lưu bởi mạch tách sóng đỉnh, mạch ngắt tần số vào là mạch cộng hưởng tần số, điện áp ngõ ra mạch cộng hưởng lớn hơn Tần số trung tâm của IF điện áp ngõ ra của mạch điều hưởng bằng về biên độ nhưng ngược nhau về cực tính Điện áp ngõ ra được chỉnh lưu thông qua R1 và R2, nên khi cộng hưởng lại sẽ tạo nên sự bù trừ khi điện áp tại ngõ ra Vout = 0V Khi độ lệch tần số trung tâm của IF lớn hơn tần số cộng hưởng, mạch điều hưởng phần trên sẽ tạo ra điện áp Vout lớn hơn Vout của mạch điều hưởng phần dưới và điện áp ra Vout mang giá trị dương Ngược lại, khi độ lệch tần số trung tâm của IF nhỏ hơn tần số cộng hưởng điện áp ra của mạch điều hưởng mang giá trị âm Đặc tuyến điện áp tần số được vẽ trên hình (5-3b)
Mạch tách sóng độ dốc cân bằng được điều chỉnh bằng cách thêm vào một tần số bằng với tần số trung tâm fc của IF và điều chỉnh Ca, Cb đạt 0V tại ngõ ra sau khi tần số bằng fa và fb thì Ca, Cb tiếp tục được điều chỉnh sao cho điện áp ra cực đại và bằng với điện áp cực đại theo chiều ngược lại
f
Vout
f b
f a
(b)
f c
Trang 6 Bộ tách sóng biến điệu tần số Foster - seeley:
Hình 5-4 :Bộ tách sóng biến điệu tần số Foster - seeley:
(a) Sơ đồ nguyên lý
(b) Sơ đồ vector fin = fo (c) Sơ đồ vector fin > fo (d) Sơ đồ vector fin < fo Bộ tách sóng biến điệu tần số Foster - Seeley là một dạng mạch của mạch tách sóng điều biến tần số điều hưởng được mà hoạt động của nó cũng tương tự như mạch tách sóng độ dốc cân bằng Giá trị điện dung của Cc, C1,C2
được chọn sao cho chúng ngắn mạch đối với tần số trung tâm của IF Cho nên tín hiệu IF đưa trực tiếp ngang qua L3
Tại đầu vào của IF được biến đổi đảo pha 1800 bằng biến áp T1 và chia đều cho La, Lb Tại tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng bên thứ cấp (tần số trung tâm IF) dòng thứ cấp Is cùng pha với điện áp tổng thứ cấp Vs và lệch pha 1800 so với VL3
Do tính chất ghép lỏng, sơ cấp của T1 hoạt động như một cuộn cảm và dòng sơ cấp Ip lệch pha 900 so với Vin Vì cảm ứng từ phụ thuộc vào dòng sơ
V in
V in
V in
V D2
V D2
V D2
V D1
V D1
V D1
V Lb
V La
V La
V La
I s
I s
I s
V s
V s
V s
(d) (c)
(b)
(a)
Vout
+ Vp
D1
T1
Cc
Ca Cp
I2
R1 La
D2
Ngõ vào
FM
L3
Trang 7cấp Ip nên điện áp bị giảm trong cuộn thứ cấp và lệch pha 900 so với Vin Cho nên VLa và VLb lệch pha 1800 so với những thành phần khác hoặc lệch pha 900
so với VL3
Điện áp rơi trên D1 là tổng vector của VL3 và VLb Đặc tuyến sơ đồ vector được vẽ trên hình (5-4b), điện áp của D1 và D2 bằng nhau Vì vậy tại tần số cộng hưởng I1 và I2 bằng với điện tích của C1 và C2 và giá trị điện áp rơi trên chúng bằng nhau nhưng trái dấu nhau Vout = Vc1-Vc2 = 0V
Khi tần số trung tâm IF lớn hơn tần số cộng hưởng thì trở kháng của mạch cộng hưởng trở thành cảm kháng và dòng thứ cấp trễ hơn điện áp thứ cấp một góc là , tỷ lệ với độ lệch tần số Đặc tuyến sơ đồ pha vẽ trên hình (5-4c): cho thấy vecter tổng của VD1 lớn hơn vecter tổng VD2 C1 nạp điện khi C2
xả điện nên Vout mang giá trị dương Khi tần số trung tâm IF nhỏ hơn tần số cộng hưởng thì dòng thứ cấp sớm pha hơn điện áp thứ cấp một góc , cũng tỷ lệ với sự thay đổi tần số
Hình 5-5: Đường cong đáp ứng tần số điện áp của mạch tách sóng biến điệu tần số
Đặc tuyến pha vẽ trên hình (5-4d) cho thấy vector tổng của VD2 C1 xả điện C2 nạp điện nên Vout mang giá trị âm Mạch tách sóng biến điệu tần số Foster - Seeley được điều hưởng bằng cách thêm vào một tần số bằng với tần số trung tâm IF và điều chỉnh C0 sao cho ngõ ra đạt 0V Qua quá trình phân tích trên hình (5-4) ta có thể thấy rằng điện áp tại ngõ ra của mạch tách sóng biến điệu tần số tỷ lệ thuận và cùng chiều với độ lệch tần số Hình (5-5) biểu diễn đặc tuyến điện áp - tần số của mạch tách sóng biến điệu tần số Foster-Seeley tiêu biểu nó được gọi là dạng sóng cong “S” Đặc tuyến điện áp tần số ra tuyến
f
Vout
f 1
f 2
BW f1 f2
f
f
f 0
Trang 8tính hơn đặc tuyến của mạch tách sóng độ dốc Vì chỉ có một mạch cộng hưởng nên nó dể dàng điều chỉnh hơn
Để cho quá trình điều biến không bị méo dạng, độ lệch tần số được giới hạn đến mức trở thành đoạn thẳng trên đường cong đáp ứng tần số của mạch điều hưởng thứ cấp Đối với mạch tách sóng độ dốc, mạch tách sóng biến điệu tần số Foster Seeley đáp ứng biên độ càng tốt càng làm thay đổi tần số Như vậy trước nó phải có một mạch giới hạn riêng biệt
Mạch tách sóng tỷ lệ:
Hình 5-6: Mạch tách sóng tỷ lệ
(a) Sơ đồ nguyên lý
(b) Đường cong đáp ứng tần số điện áp
Mạch tách sóng tỷ lệ có một ưu điểm so với mạch tách sóng độ dốc và mạch tách sóng biến điệu tần số Foster Seeley trong giải điều biến FM là loại trừ được sự thay đổi biên độ trong tín hiệu vào của nó
Cc
Điện áp dương cực đại
Điện áp dương trung bình
0V
f m < f 0
f m >f 0
f
f
f 0
(b)
+ L
D1
T1
C0
Vout
C1
Cs
Rs La
D2 (a)
Ngõ vào
FM
Trang 9Hình (5-6a) là sơ đồ nguyên lý của mạch tách sóng tỷ lệ, cũng giống như mạch tách sóng biến điệu tần số Foster Seeley, mạch tách sóng tỷ lệ cũng có mạch điều hưởng đơn bên thứ cấp của biến áp Cho nên, hoạt động của nó cũng giống như mạch Foster Seeley
Tuy nhiên trong mạch tách sóng tỷ lệ có một diode mắc ngược (D2) và dòng Id chỉ có thể chạy ở vòng ngoài của mạch Vì thế sau nhiều chu kì của tín hiệu vào, tụ Cs nạp điện đến một giá trị gần bằng điện áp đỉnh thông qua cuộn thứ cấp của T1
Điện kháng của Cs và Rs tạo đường dẫn DC cho dòng của diode Cho nên thời hằng của Rs và Cs vừa đủ lớn để tụ nạp nhanh chóng đến giá trị gần bằng với biên độ vào Nhiễu nhiệt độ hoặc các nhiễu khác được nối đất nên không ảnh hưởng đến điện áp trung bình của Cs C1 và C2 nạp xả tỷ lệ với sự biến thiên tần số tín hiệu vào và không bị ảnh hưởng đến sự thay đổi biên độ Tại tần số cộng hưởng điện áp ra Vout được chia đều cho C1 và C2 đồng thời phân phối lại tần số và sao cho phù hợp, có thể lớn hoặc nhỏ hơn tần số cộng hưởng Cho nên Vout thay đổi là do sự thay đổi tỷ số điện áp của C1 và C2 trong khi điện áp tổng được ghim bởi tụ Cs
Hình (5-6b) biểu diễn đường cong đáp ứng tần số ngõ ra của mạch tách sóng tỷ lệ Tại tần số cộng hưởng Vout 0V và bằng 1/2 điện áp trên cuộn thứ cấp của T1 Bởi vì mạch tách sóng tỷ lệ không ảnh hưởng đến sự thay đổi biên độ, nó thường được chọn lớn hơn mạch tách sóng Foster Seeley Tuy nhiên mạch tách sóng biến điệu tần số tạo ra đường cong đáp ứng tần số điện áp tuyến tính hơn
Mạch giải điều tần FM dùng vòng khoá pha PLL:
Mạch tách pha
Mạch VCO
Ngõ vào
d
f 0
Vout
(a)
Trang 10Hình 5-7 :
(a) Sơ đồ khối mạch giải điều tần dùng PLL
(b) Mạch giải điều tần FM PLL sử dụng vòng khóa pha XR-2212
Điện trở phản hồi
Tụ điện định thời C0
Ngõ vào mạch tách pha
Điện trở định thời C0
R0 Rx Cpb
16 15 14 13 12 11 10 9
1 2 3 4 5 6 7 8
Mạch tách pha
Mạch lấy mẫu
Vcc
Ngõ vào t/h FM
XR-2212
VCO out
GND VCO
out
Pre amp
amp
op-amp
Điện trở định thời C0
V +
Vref
Ngõ ra mạch tách pha
30pF
R F
-R
+
0,1F
R1
Cpb
0,1F
Cpb
Ngõ ra op-amp
Ngõ ra tín
hiệu giải điều
tần
Trang 11Từ sự phát triển của vi mạch tổ hợp tuyến tính LSI, quá trình giải điều tần FM được thực hiện khá đơn giản với mạch vòng khoá pha PLL Mặc dù hoạt động của mạch PLL khá phức tạp nhưng bù lại hoạt động của mạch giải điều tần FM sử dụng PLL dễ hiểu và đơn giản hơn Mạch giải điều tần FM sử dụng PLL không yêu cầu mạch điều hưởng và mạch bù tự động khi tần số sóng mang biến đổi vì tính bất ổn ở mạch dao động phần phát Hình (5-7a) là sơ đồ khối giản lược của mạch giải điều tần FM sử dụng PLL
Mạch PLL được đặt sau khóa tần số để tạo ra mạch VCO làm biến thiên những khe tần số của tín hiệu vào bằng cách duy trì sự sai pha tại ngõ vào mạch so pha Vì vậy, nếu ngõ vào PLL bị sai lệch so với tín hiệu FM và tần số dao động của VCO bằng với tần số trung tâm IF thì sẽ phát sinh một giá trị điện áp thích hợp tại ngõ ra mạch so pha và phản hồi về ngõ vào mạch VCO, đồng thời tỷ lệ với độ lệch tần số và như vậy tín hiệu thông tin đã được giải điều biến Nếu biên độ của IF được giới hạn vừa đủ trước khi đưa tới mạch PLL và được bù hoàn toàn thì độ lợi vòng PLL là hằng số Kv Cho nên tín hiệu được giải điều biến được lấy trực tiếp từ ngõ ra của mạch đệm ở bên trong Công thức toán học được mô tả như sau:
Vout =fK K D V (5-1) Hình (5-7b) trình bày sơ đồ nguyên lý của mạch giải điều biến FM sử dụng XR-2212 R0 và C0 điều chỉnh tần số làm việc tự do của mạch VCO Rx
dùng để điều chỉnh đài, RF và Rc dùng để cài đặt độ lợi áp của op-amp bên trong (Ka) Đáp ứng tần số của vòng khóa pha PLL được bù vào sự suy giảm cho phép của mạch giải điều biến sao cho phù hợp với băng thông của tín hiệu thông tin Mạch đệm op -amp của mạch PLL cung cấp độ lợi áp và dòng điều khiển tính ổn định của mạch
.Mạch giải điều tần dạng cầu phương :
L0
Khối tách sóng
Rx Ci
C0 R0
Ngõ ra mạch giải điều tần
