Giáo trình Kỹ thuật truyền thanh - Chương VI: Mạch dao động, phát tín hiệu và tổng hợp tần số

b)
a)
ra
ra
vào
vào
Vo = AVmsinwt
Vi = Vmsinwt
A
Vi = Vmsinwt
H.VI-25
Khác với trường hợp trên, nếu đưa vào một tín hiệu đơn tần Vi = Vmsinwt và nếu mạch khuếch đại không tuyến tính thì tại ngõ ra tín hiệu bằng:
Vo = aVi + bVi2 + cVi3 + ...
Vo = aVmsinwt + bVm2sin2wt + cVm3sin3wt + ...
Vậy tín hiệu ra có thành phần tần số cơ bản, có các hài bậc 2, 3, v.v... tức là các thành phần có tần số 2w, 3w, v.v... 
Nếu đưa vào mạch khuếch đại tuyến tính tín hiệu nhiều tần số, thí dụ là hai tần số khác nhau w1 vàw2 như:
Vi = V1sinw1t + V2 sinw2t.
Tại ngõ ra ta có:
Vo = AVi = a.V1sinw1t + a.V2 sinw2t.
Nếu đưa tín hiệu nhiều tần số vào mạch khuếch đại phi tuyến thì tín hiệu ra bằng:
Vo	= aVi + bVi2 + cVi3 + ...
= a[V1sinw1t + V2sinw2t] + b[V1sinw1t + V2sinw2t]2 + c[V1sinw1t + V2sinw2t]3 +...
= (aV1sinw1t + bV12sin2w1t + cV13sin3w1t + ...) 
 + (aV2sinw2t + bV22sin2w2t + cV23sin3w2t + ...)
 + (2aV1V2sinw1t.sinw2t + 3cV12V2sin2w1t.sinw2t + 3cV1V22sinw1t.sin2w2t + ...)
Các số hạng trong dấu ngoặc trên có tần số w1, 2w1, 3w1, ...
Các số hạng trong dấu ngoặc thứ hai có tần số w2, 2w2, 3w2 ...
Các số hạng trong các ngoặc thứ ba có tần số w1 + w2, w1 – w2, 2w1 + w2, 2w1 – w2 v.v ... là tổng và hiệu của hai tần số nguyên thủy, là tổng và hiệu của hai tần số này với các bội tần của chúng, là tổng và hiệu của các bội tần của chúng. Nếu các thành phần tổng và hiệu các tần số có ngoài ý muốn của chúng ta thì hiện tượng này gọi là hiện tượng méo liên điều biến. Nếu các thành phần này được tạo ra vì các mục đích nhất định thì hiện tượng được gọi là sự điều biến. Các tần số tổng và hiệu mw1 + nw2 gọi là tần số điều biến chéo, m và n là các số nguyên dương. Các đổi tần số và mạch tổng hợp tần số ứng dụng hiện tượng này.
* Mạch tổng hợp tần số nhiều tinh thể thạch anh:
Loại mạch này chọn hai trong nhiều tần số khác nhau đưa vào mạch khuếch đại phi tuyến để có các tần số tổng hay hiệu theo ý muốn.
H.IV-26 là mạch tổng hợp 20 tần số từ 20 tinh thể thạch anh để có 128 tần số khác nhau từ 510KHz đến 1790KHz với độ phân giải là 10KHz, có thể cho ra 106 tần số khác nhau làm sóng mang cho các đài phát thanh AM dải sóng trung bình (từ 540KHz đến 1600KHz). Độ phân giải tần số là khoảng cách tần số thấp nhất giữa hai tần số ra mạch tổng hợp.
180KHz
190KHz
170KHz
150KHz
140KHz
160KHz
120KHz
130KHz
110KHz
100KHz
19
20
17
16
15
18
13
14
12
11
10
9
8
7
6
4
5
3
2
1
700KHz
160KHz
Trộn, cộng, trừ tần số, lọc
Mạch khuếch đại, dao động
tần số ra
700KHz ± 160KHz
Mạch khuếch đại, dao động
1.6MHz
1.5MHz
1.4MHz
1.3MHz
1.2MHz
1.1MHz
1MHz
900KHz
800KHz
700KHz
H.VI-26
2. Mạch tổng hợp tần số một tinh thể thạch anh (H.VI-27):
f1
0 - 900KHz
(bước 1Hz)
(bước 10Hz)
(bước 100Hz)
(bước 1KHz)
(bước 10KHz)
(bước 100KHz)
S4
1Hz
10Hz
10Hz
100Hz
100Hz
1KHz
1KHz
10KHz
10KHz
100KHz
100KHz
f
f¸10
Dao động thạch anh
S3
S1
HG6
HG5
HG4
HG3
HG2
HG1
f7 = f1 + f2
 f1 - f2
f
f¸10
f2
0 - 90KHz
mạch cộng tần số
f10 = f7 + f8
f3
0 - 9KHz
f
f¸10
 f3 – f4
S2
S5
f9 = f5 + f6
f8 = f3 + f4
fo
f5
0 - 90Hz
f4 
0 - 900Hz
f
f¸10
fo = f9 + f10
f
f¸10
H.VI-27
f6
0 - 9Hz
Mạch có tần số chuẩn là 100KHz từ bộ dao động thạch anh duy nhất, do vậy mạch có thể cho ra nhiều tần số có quan hệ liên kết nhau, rất thuận lợi trong kĩ thuật truyền nhiều kênh sẽ nói đến ở các bài sau.
Có năm mạch chia tần số cho 10, sáu mạch phát sóng hài từ HG1 đến HG6 là mạch khuếch đại phi tuyến như đã nói ở trên. Năm mạch trộn phi tuyến để thực hiện kĩ thuật liên điều biến cho ra các tần số tổng. Sau mỗi mạch phát sóng hài là các mạch lọc thông tần không vẽ trong sơ đồ khối.
Mạch phát sóng hài HG1 cho các tần số từ 100KHz đến 900KHz (bước 100KHz) các mạch phát HG2 đến HG6 cho các tần số với khoảng cách ghi ở sơ đồ. Sơ đồ khối đã minh họa được nguyên lí của mạch.
3. Mạch tổng hợp tần số gián tiếp:
Mạch tổng hợp tần số gián tiếp sử dụng một loại vi mạch chức năng đặc biệt gọi là vòng khóa pha hay là vòng giữ pha (Phase Locked Loop). Vòng khóa pha giữ nhiều chức năng quan trọng trong kĩ thuật truyền tin, truyền dữ liệu và đo lường. Nó được dùng trong mạch tổng hợp tần số, tách sóng điều tần, điều biến trong kĩ thuật truyền tin. Sau đây làsơ đồ khối của vi mạch này (H.VI-28):
Vr = K(j i- jo), fi, fo, fo-fi,v.v...
So pha
Lọc qua thấp
Vđk = K(j i- jo)
j i- jo
tần số vào
Khuếch đại đệm
ra điện áp
Vr
tụ điện định thì
Vđk = K(j i- jo)
fv
fra
VCO
mạch dao động điều khiển bằng điện áp
điện trở định thì
H.VI-28
tần số ra
Khối so pha cho ra điện áp một chiều thay đổi từ âm đến dương, tỷ lệ với góc lệch pha giữa hai tín hiệu là tín hiệu vào và tín hiệu ra khối dao động VCO. Có nhiều mạch so pha khác nhau dùng kĩ thuật khác nhau, cá sinh viên có thể tham khảo các sổ tay mạch điện tử hay tài liệu về điện tử cơ bản, kĩ thuật số. Tài liệu này không đề cập đến do thời gian dành cho môn này chỉ có giới hạn. Điện áp ra khối so sánh, ngoài điện áp một chiều ra còn có các thành phần tần số fi, fo do tính phi tuyến của mạch. Do vậy phía sau khối phải có mạch lọc qua thấp loại bỏ các thành phần này đi, fi và fo là tần số đưa vào vi mạch và tần số dao động VCO. Mạch khuếch đại đệm cách ly khối so pha và mạch lọc với phụ tải lấy điện áp khối so pha. Điện áp tỷ lệ góc pha sai biệt điều khiển tần số khối dao động. Đây là mạch dao động đa hài loại như H.VI-22 có tần số phụ thuộc vào tụ điện và điện trở định thì CT và RT. Sóng dao động được chỉnh dạng phù hợp với yêu cầu. Tần số dao động được tự do ftd phụ thuộc vào CT và RT và thay đổi tuyến tính theo điện áp điều khiển Vdk trong phạm vi rộng tuyến tính (H.VI-29).
130
ftd = 80
50
f(KHz)
Vòng khóa pha có nhiều công dụng, tuy nhiên ta chỉ nói công dụng trong mạch tổng hợp tần số liên quan đến ứng dụng này chúng ta cần biết chỉ tiêu vào quan đến tần số vào làm cho vòng khóa pha có tần số ra fo bằng tần số fi là:
-2
0
+2
H.V-29
Phạm vi bắt (Capture Range) (H.VI-30) phạm vi bắt hay dải bắt là phạm vi hay dải tần trong đó vòng khóa pha có thể thiết lập chế độ đồng bộ giữa tần số ra với tần số vào.
Phạm vi giữ hay dải giữ (Hold-in Range) là phạm vi hay dải tần trong vòng khóa pha có thể duy trì chế độ đồng bộ giữa tần số ra với tần số vào khi tần số vào thay đổi.
Hình H.VI-30 minh họa phạm vi bắt và phạm vi giữ của một vòng khóa pha. Lưu ý là tần số dao động tự do của các mạch dao động fid (điểm giữa của hai dải) được xác định bởi tụ điện và điện trở định thì CT và RT.
Lưu ý rằng phạm vi giữ rộng hơn phạm vi bắt. 
Toàn bộ vòng khóa pha là một hệ thống điều khiển vòng kín tần số mạch dao động.
Phạm Vi Giữ
Phạm Vi Bắt
H.VI-30
fb2
fb1
fg2
ftd
fg1
Sau đây là mạch tổng hợp tần số dùng thạch anh và vòng khóa pha khởi đầu từ mạch nhân tần số.
f
f¸n
fc/m
fc
f¸m
f
fc
ra
fo
VCO
Đệm
So pha
fo
fo
fc
fo ¸ n
VCO
Đệm
So pha
tần số ra
f
f¸n
fc: tần số mạch dao động thạch anh
H.VI-31
Hình VI-31 là mạch nhân tần số mạch dao động thạch anh lên n lần. Tại mạch so pha ta có: hay .
Mạch chia tần số mạch dao động thạch anh có sơ đồ khối hình H.VI-32:
f0
fc/m
So pha
fc
f¸m
f
fc
Đệm
VCO
ra
H.VI-32
Nếu dùng hai sơ đồ khối H.VI-31 và H.VI-32 thì tần số mạch dao động thạch anh chỉ nhân hay chia được cho các số nguyên.
Nếu dùng mạch chia tần số tại ngõ vào lẫn ngõ ra vòng khóa pha như H.VI-33 thì có thực sự có mạch tổng hợp cho ra nhiều tần số với độ phân giải cao nếu m > n.
fo/n
H.VI-33
Tại mạch so pha ta có:
 vậy 
Nếu m và n có thể thay đổi được, ta có tần số ra ổn định và thay đổi từng bước nhỏ (độ phân giải cao) dùng trong mạch đổi tần số máy thu thanh thay mạch dao động cổ điển.
Phương pháp thứ hai thay đổi được tần số từng bước ngắn là dùng khối phân giải trước (prescaler) như H.VI-34.
fo
fc
VCO
Đệm
So pha
ra
f
f¸m
Khối phân dải trước chia cho P hoặc cho P+1
f
f¸n
H.VI-34
ghi giá trị n
ghi giá trị m
Khối phân dải trước được dùng vừa để có độ phân giải tần số cao vừa phát được tần số cao hơn 100MHz vì các mạch đếm lập trình không làm việc tốt ở tần số dải này. Khối phân dải trước có hai mode chia: chia cho P + 1 khi mạch đếm m trở về 0. Giá trị m được lập trình trước cho mạch đếm này, khối chia cho P khi mạch đếm m ra giá trị khác 0. Mạch đếm n cũng được lập trình sẵn giá trị n.
Như vậy khởi đầu khối phân giải trước đếm(P + 1)m xung, khi đến xung thứ 
(P +1 )m mạch đếm ngược m trở về 0 thì khối phân giải chỉ còn đếm được đến P. Khi đến xung thứ (n – m)P xung thì mạch đếm n trở về 0.
Vậy khối phân dải trước đếm đến (P + 1)m + (n – m)P thì trở về 0, tức là chia tần số ra fo cho (P + 1)m + (n – m)P.
Tại khối so pha ta có:
Vậy: 
Các mạch tổng hợp gián tiếp được xử dụng trong máy phát và máy thu vô tuyến truyền thanh trong kỹ thuật truyền tin, kỹ thuật đo lường. Chúng ta sẽ còn nói đến mạch này ở phần đổi tần số máy thu và phát vô tuyến truyền thanh.