Các mạch biến đổi tần số

u pha là ghi tin tức vào tải tin làm cho tần số hoặc pha tức thời của tải tin
biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế.
Các mạch biến đổi tần số
8/20
Khi điều chế tần số hoặc điều chế pha thì tần số hoặc góc pha của dao động cao tần biến
thiên tỷ lệ với tín hiệu điều chế và chúng được xác định lần lượt theo biểu thức:
Trong đó: ωt là tần số trung tần của tín hiệu điều tần
kđt ÛS =Δωm và gọi là lượng di tần cực đại.
kđp ÛS =Δωm và gọi là lượng di pha cực đại.
Biểu thức của dao động điều tần:
Biểu thức dao động điều pha khi ω = ωt = const.
Lượng di pha đạt được khi điều pha Δφ=Δφm. Cos ωSt tương ứng có lượng di tần là:
Như vậy ta thấy điều tần và điều pha đều làm cho góc pha thay đổi nên thường gọi chung
là điều chế góc. Điểm khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là lượng di tần khi
điều pha tỷ lệ với biên độ của tín hiệu điều chế và tần số điều chế, còn lượng di tần của
tín hiệu điều tần tỷ lệ với tín hiệu điều chế mà thôi.
MẠCH ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA
Mạch điều tần
Có thể dùng mạch điều tần trực tiếp hay điều tần gián tiếp.
Mạch điều tần trực tiếp thường được thực hiện bởi các mạch tao dao động mà tần số dao
động riêng của nó được điều khiển bằng điện áp (VCO) hoặc bởi các mạch biến đổi điện
áp - tần số. Nguyên tắc thực hiện điều tần trong các bộ tạo dao động là làm biến đổi trị
Các mạch biến đổi tần số
9/20
số điện kháng của bộ tạo dao động theo điện áp đặt vào. Phương pháp phổ biến nhất là
dùng điốt biến dung (varicap) và tranzito điện kháng.
Mạch điều tần trực tiếp dùng điốt biến dung.
Điốt biến dung có điện dung mặt ghép biến đổi theo điện áp đặt vào. CD được xác định
theo biểu thức:
trong đó k - hệ số tỷ lệ.
φk - hiệu điện thế tiếp xúc mặt ghép, với điốt Silic φk≈ 0,7V
y - hệ số phụ thuộc vật liệu.
Mắc điốt song song với hệ tạo dao động của bộ tạo dao động, đồng thời đặt điện áp điều
chế lên điốt thì CD thay đổi theo điện áp điều chế, do đó tần số cộng hưởng riêng của
bộ tạo dao động cũng biến đổi theo. Trên hình 6-6b là mạch điện bộ tạo dao động điều
tần bằng điốt biến dung. Trong mạch điện này điốt được phân cực ngược bởi nguồn E2.
Tần số dao động của mạch gần bằng tần số cộng hưởng riêng của hệ dao động và được
xác định như sau:
Điện áp đặt lên điốt:
Để điốt luôn được phân cực ngược cần thoả mãn điều kiện:
Nguyên lý hoạt động chính của mạch là khi có điện áp tin tức us tác động vào nó sẽ tác
động một điện áp ngược lên điốt biến dung D và từ đó giá trị điện dung của điốt sẽ thay
đổi làm cho tần số cộng hưởng của mạch thay đổi.
Các mạch biến đổi tần số
10/20
Khi điều tần bằng điốt biến dung phải chú ý những đặc điểm sau:
- Chỉ phân cực ngược cho điốt để tránh ảnh hưởng của RD đến phẩm chất của hệ tạo dao
động nghĩa là đến độ ổn định tần số của mạch.
- Phải hạn chế khu vực làm việc trong đoạn tuyến tính của đặc tuyến CD = f(ud) của
điốt biến dung để giảm méo phi tuyến. Lượng di tần tương đối khi điều tần dùng điốt
biến dung đạt được khoảng 1%.
- Vì dùng điốt điều tần nên thiết bị điều tần có kích thước nhỏ. Có thể dùng điốt bán dẫn
để điều tần ở tần số siêu cao, khoảng vài trăm MHz. Tuy nhiên độ tạp tán của tham số
bán dẫn lớn, nên kém ổn định.
Điều tần dùng tranzitođiện kháng.
Phần tử điện kháng dung tính hoặc cảm tính được mắc song song với hệ dao động của
bộ tạo dao động làm cho tần số dao động thay đổi theo tín hiệu điều chế. Phần tử điện
kháng được thực hiện nhờ một mạch di pha mắc trong mạch hồi tiếp của một tranzito.
Các mạch biến đổi tần số
11/20
Phần tử điện kháng là phân áp RC. Trong đó T1 là tranzito điện kháng, T2 là tranzito
dao động. Tranzito điện kháng được mắc một phần (trên L1) với hệ dao động. Cũng có
thể mắc hai tranzito điện kháng thành một mạch đẩy kéo để tăng lượng di tần.
Mạch điều pha
Mạch điều chế pha theo ArmStrong ở hình 6-8 được thực hiện theo nguyên lý: tải tin
từ bộ tạo dao động thạch anh được đưa đến bộ điều biên 1 (ĐB1) và điều biên 2 (ĐB2)
lệch pha nhau 900, còn tín hiệu điều chế uS đưa đến hai mạch điều biên ngược pha.
Điện áp đầu ra trên hai bộ điều biên là:
Các mạch biến đổi tần số
12/20
Điện áp uđp = uđb1 + uđb2. Điều đó được giải thích bằng đồ thị vectơ.
TÁCH SÓNG
Khái niệm
Tách sóng là quá trình lấy lại tín hiệu điều chế. Tín hiệu sau tách sóng phải giống dạng
tín hiệu ban đầu. Thực tế tín hiệu điều chế uS sau khi qua điều chế và qua kênh thông tin
đưa đến bộ tách sóng đã bị méo dạng thành uS'. Do méo phi tuyến trong bộ tách sóng,
nên sau khi tách sóng ta lại nhận được uS" khác dạng uS'. Như vậy tín hiệu sau tách sóng
thường khác dạng tín hiệu nguyên thuỷ uS'. Vì vậy một trong những yêu cầu cơ bản của
quá trình tách sóng là méo phi tuyến nhỏ.
Tương ứng với các loại điều chế, ta cũng có các mạch tách sóng sau đây: tách sóng điều
biên, tách sóng điều tần, tách sóng điều pha.
Tách sóng biên độ
Các tham số cơ bản
• Hệ số tách sóng
Trong đó :
Đều gồm có thành phần một chiều và thành phần biến thiên chậm theo thời gian:
- Thực tế, đối với quá trình tách sóng chỉ cần quan tâm đến thành phần biến thiên chậm
(mang tin tức) mà thôi, do đó thường xác định hệ số tách sóng như sau:
Các mạch biến đổi tần số
13/20
• Trở kháng vào bộ tách sóng:
• Méo phi tuyến:
Ở đây không quan tâm đến các sóng hài dòng điện cao tần vì dễ dàng lọc bỏ chúng.
Mạch điện bộ tách sóng biên độ
Xét mạch tách sóng biên độ dùng mạch chỉnh lưu mắc nối tiếp hình 6-10. Nếu tín hiệu
vào đủ lớn sao cho điốt làm việc trong đoạn thẳng của đặc tuyến như trên hình 6-11 ta
có quá trình tách sóng tín hiệu lớn.
Trong các sơ đồ hình 6-9 điốt chỉ thông đối với nửa chu kỳ dương của dao động cao tần
ở phần đầu vào. Hình bao của dao động nhận được nhờ sự phóng nạp của tụ C (hình
6-10).
Các mạch biến đổi tần số
14/20
Trong các sơ đồ hình 6-12 phải chọn hằng số thời gian τ = RC đủ lớn sao cho dạng điện
áp ra tải gần với dạng hình bao của điện áp cao tần ở đầu vào. Thông thường biên độ
điện áp vào lớn hơn 1 vôn hiệu dụng và R >>Ri, RV thì có thể tách sóng được điện áp
đỉnh. Tuy nhiên cũng không được chọn τ quá lớn để tránh méo do điện dung tải gây ra.
Điều kiện tổng quát để chọn τ là:
Trường hợp chọn C lớn quá sẽ gây méo tín hiệu như ở hình 6-13.
Các mạch biến đổi tần số
15/20
Thực tế thường chọn RC theo điều kiện:
Muốn dễ dàng thoả mãn cần
TÁCH SÓNG ĐIỀU TẦN VÀ ĐIỀU PHA
Tách sóng điều tần và điều pha thường được thực hiện theo một trong những nguyên tắc
sau:
• Biến đổi tín hiệu điều tần hoặc điều pha thành tín hiệu điều biên rồi thực hiện
tách sóng biên độ.
• Biến đổi tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều chế độ rộng xung rồi thực hiện
tách sóng tín hiệu điều chế độ rộng xung nhờ mạch tích phân.
• Làm cho tần số tín hiệu cần tách sóng bám theo tần số của một bộ tạo dao động
nhờ hệ thống vòng giữ pha PLL, điện áp sai số chính là điện áp cần tách sóng.
Ta xét một số mạch cụ thể:
Mạch tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng
Hình 6-14 là sơ đồ mạch tách sóng điều tần số dùng mạch lệch cộng hưởng. Đầu vào hai
bộ tách sóng biên độ (D1D2) là hai mạch cộng hưởng được điều chỉnh tại các tần số ω1
và ω2. Nếu gọi tần số trung tâm của tín hiệu điều tần đầu vào là :
Các mạch biến đổi tần số
16/20
Sự điều chuẩn mạch cộng hưởng lệch khỏi tần số trung bình của tín hiệu vào làm biên
độ điện áp vào của hai bộ tách sóng biên độ (U1, U2) thay đổi phụ thuộc vào tần số điện
áp vào.
Tách sóng dùng mạch lệch cộng hưởng có nhược điểm là khó điều chỉnh cho hai mạch
cộng hưởng hoàn toàn đối xứng nên ít được dùng.
Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép
Mạch tách sóng điều tần dùng mạch cộng hưởng ghép ở hình 6-15. Mạch điện làm việc
theo nguyên tắc chuyển biến thiên tần số thành biến thiên về pha, sau đó thực hiện tách
sóng pha nhờ tách sóng biên độ.
Tách sóng dùng mạch cộng hưởng ghép ít gây méo và dễ điều chỉnh vì cả hai mạch đều
cộng hưởng ở tần số f0. Tuy nhiên điện áp ra trong bộ tách sóng này vừa phụ thuộc tần
số vừa phụ thuộc biên độ tín hiệu vào |U1| nên nó sinh ra nhiễu biên độ. Để khắc phục
nhược điểm này, phải đặt trước mạch tách sóng một mạch hạn chế biên độ.
Các mạch biến đổi tần số
17/20
Mạch tách sóng tỷ số
Mạch tách sóng điều tần tỷ số có sơ đồ ở hình 6-16. Các điốt tách sóng được mắc nối
tiếp nhau. Mạch vừa làm nhiệm vụ tách sóng vừa làm nhiệm vụ hạn chế biên độ.Bộ tách
sóng tỷ số không có phản ứng với các biến thiên về biên độ ở đầu vào nên tránh được
nhiễu biên độ.
Mạch tách sóng pha cân bằng dùng điốt
Mạch tách sóng pha cân bằng là hai mạch tách sóng biên độ dùng điốt ghép với nhau
hình 6-17. Tín hiệu cần tách sóng chính là tín hiệu đã điều pha, udp được so sánh về pha
với một dao động chuẩn uch. Biểu thức udp và uch như sau:
Điện áp đặt lên hai bộ tách sóng tương ứng là:
Thay vào ta có:
Các mạch biến đổi tần số
18/20
Điện áp ra trên bộ tách sóng: uS = uS1 - uS2
Vậy trị số tức thời của điện áp ra trên bộ tách sóng phụ thuộc hiệu pha của tín hiệu điều
pha và tín hiệu chuẩn. Trường hợp ω01 = ω02 và φ01 = φ02 thì điện áp ra chỉ còn phụ
thuộc vào pha của tín hiệu vào φ(t).
MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG
Điều chế xung thực hiện khi tách sóng mang ut là các xung cao tần. Trong điều chế xung
có thể thực hiện điều biên xung, điều chế độ rộng xung, điều pha xung, nhưng điều biên
xung ít dùng vì tính chống nhiễu kém. Sơ đồ khối mạch điều chế xung được mô tả ở
hình 6-18. Tín hiệu điều rộng xung (ĐRX) và tín hiệu điều pha xung (ĐPX) ở hình 6-19.
Các mạch biến đổi tần số
19/20
Cho ut là dãy xung tam giác cao tần còn uS là tin tức. Sau mạch tổng ta được điện áp ua
là dãy xung tam giác biến đổi theo uS. Qua mạch hạn chế hai phía mức không và mức
+E cho dãy xung hình thang vuông có độ rộng thay đổi theo uS(ub). Dãy xung này qua
mạch sửa xung được dãy xung vuông có biên độ không đổi, độ rộng thay đổi theo uS,
đó là tín hiệu điều rộng xung uĐRX. Để có tín hiệu điều pha xung cho dãy xung vuông
trên qua mạch vi phân và hạn chế dưới ta được dãy xung có biên độ, độ rộng không đổi
xuất hiện sớm muộn theo uS, đó là tín hiệu điều pha xung uĐRX.
Các mạch biến đổi tần số
20/20