phân tích thiết kế và tính toán sơ đồ mạch nguyên lý cho 2 khối chức năng trong bộ thu

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.41 MB, 29 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH </b>

<b>BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN : </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>MỤC LỤC </b>

<small>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ THU ÂM ... 1 </small>

<small>3. Quá trình điều chế AM ( Amplitude Moducation : Điều chế biên độ ) ... 1 </small>

<small>4. Q trình phát tín hiệu ở đài phát ... 3 </small>

<small>5. Băng thơng tín hiệu ... 3 </small>

<small>6.1.1. Tách song đường bao ... 4 </small>

<small>7. Ưu điểm và nhược điểm của tín hiệu AM ... 6 </small>

<small>CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG BỘ THU AM ... 9 </small>

<small>I. Phân tích mô phỏng sơ đồ khối bộ thu AM... 9 </small>

<small>2. Sơ đồ mô phỏng trên AWR environment ... 10 </small>

<small>2.1. Mô phỏng hệ thống khối đầu vào ... 10 </small>

<small>2.2. Mô phỏng hệ thống anten và khối khuếch đại cao tần RF ... 12 </small>

<small>2.3. Mô phỏng hệ thống khối Mixer ... 13 </small>

<small>2.4. Mô phỏng hệ thống khối IF và giải điều chế AM ... 14 </small>

<small>3. Mơ phỏng tín hiệu thu AM lí tưởng ... 14 </small>

<small>Chương 3: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN SƠ ĐỒ MẠCH NGUN LÝ CHO 2 KHỐI CHỨC NĂNG TRONG BỘ THU ... 16 </small>

<small>II. Mạch khuếch đại công suất cao tần RF ... 17 </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ THU ÂM </b>

Tín hiệu âm tần là tín hiệu của sóng âm thanh sau khi được đổi thành tín hiệu điện thơng qua Micro.

Sóng âm thanh là một dạng sóng cơ học truyền trong khơng gian, khi sóng âm thanh va chạm vào màng Micro làm cho màng Micro rung lên, làm cho cuộn dây gắn với màng Micro được đặt trong từ trường của nam châm dao động, hai đầu cuộn dây ta thu được một điện áp cảm ứng => đó chính là tín hiệu âm tần .

Tín hiệu âm tần có giải tần từ 20Hz đến 20KHz và khơng có khả năng bức xạ thành sóng điện từ để truyền trong khơng gian, do đó để truyền tín hiệu âm tần đi xa hàng trăm, hàng ngàn Km. Người ta phải giử tín hiệu âm tần cần truyền vào sóng cao tần gọi là sóng mang, sau đó cho sóng mang bức xạ thành sóng điện từ truyền đi xa với vận tốc ánh sáng

<b>3. Quá trình điều chế AM ( Amplitude Moducation : Điều chế biên độ ) </b>

Có rất nhiều loại điều chế biên độ như AM, DSB, VSSB và điều chế tần số FM. Ở đây chúng ta tập trung vào giới thiệu về điều chế cũng như giải điều chế biên độ AM (Amplitude Modulation).

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Điều chế AM là q trình điều chế tín hiệu tần số thấp( như tín hiệu âm tần, tín hiệu video ) vào tần số cao tần theo phương thức => Biến đổi biên độ tín hiệu cao tần theo hình dạng của tín hiệu âm tần => Tín hiệu cao tần thu được gọi là sóng mang

Tín hiệu âm tần có thể lấy từ Micro sau đó khuếch đại qua mạch khuếch đại âm tần, hoặc có thể lấy từ các thiết bị khác như đài Cassette, Đầu đĩa CD ..

Tín hiệu cao tần được tạo bởi mạch tạo dao động, tần số cao tần là tần số theo quy định của đài phát.

Tín hiệu đầu ra là sóng mang có tần số bằng tần số cao tần, có biên độ thay đổi theo tín hiệu âm tần.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>4. Q trình phát tín hiệu ở đài phát </b>

<i>Hình 3: Q trình phát sóng Radio AM</i>

Tín hiệu sau khi điều chế thành sóng mang được khuếch đại lên cơng xuất hàng ngàn Wat sau đó được truyền ra Anten phát .

Sóng điện từ phát ra từ Anten truyền đi trong không gian bằng vận tốc của ánh sáng, sóng AM có thể truyền đi rất xa hàng ngàn Km và chúng truyền theo đường thẳng, và cũng có các tính chất phản xạ, khúc xạ như ánh sáng.

<b>5. Băng thơng tín hiệu </b>

Băng thơng của tín hiệu sau điều chế bằng 2 lần băng thơng của tín hiệu tin tức:

<i>Hình 4: Băng thơng của tín hiệu AM </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Cơng suất của tín hiệu sau điều chế được xác định bằng biểu thức:

Tóm lại, có ít nhất 50% cơng suất truyền đi ở dạng sóng mang khơng phụ thuộc vào x(t), do đó nó sẽ không mang theo thông tin gì. Tín hiệu AM khơng khả thi để truyền thành phần DC hay các tín hiệu với tần số cực thấp.

<b>6.1.1. Tách song đường bao </b>

<i>Hình 5: Mạch tách sóng đường bao </i>

Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: Tín hiệu AM vào làm thay đổi giá trị điện áp trên diode. Làm cho diode tắt hoặc dẫn

- Khi D dẫn: tụ được nạp bằng giá trị của Vin(t). - Khi D tắt: tụ xả qua điện trở R2.

Đây chính là tín hiệu cần giải điều chế. Kết quả tách sóng hình bao phụ thuộc vào thời

ơ quá lớn tụ xả chậm khơng theo kịp sự suy giảm của tín hiệu AM ngõ vào. Cả hai trường hợp sẽ làm cho tín hiệu giải điều chế bị méo dạng.

Điều kiện tách sóng đường bao khơng méo đối với tín hiệu điều chế sine đơn tần có tần số f<small>m </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<i>Hình 6: Dạng sóng của trước (a), trong khi (b) và sau giải điều chế (c)</i>

Hình 1.2 là bộ chỉnh lưu đỉnh diode đơn giản. Diode được phân cực thuận, để ngăn chặn mất 0,7V đầu tiên của tín hiệu Vin. Ngồi ra diode có thể được thay thế bằng transistor. Đây là một giải pháp tốt hơn nhiều so với mạch dùng diode bởi vì độ lợi dịng điện trong bóng bán dẫn tạo ra đầu ra nhiều gấp β lần, dòng điện góp được lọc để thu được tín hiệu đã được giải điều chế. Tối ưu hóa sự lựa chọn về điện trở và điều kiện sai lệch để thu được tín hiệu lớn nhất có thể với độ méo tối thiểu. Chọn C đủ lớn để làm giảm tín hiệu Vin, nhưng khơng q lớn để làm suy giảm tín hiệu Vout. Lưu ý rằng vì dòng điện trong máy thu nhỏ, ta sẽ dùng điện trở lớn để thu được tín hiệu mạnh.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<i>Hình 8: Mạch giải điều chế thay thế diode bằng transistor </i>

<i>Hình 9:Sơ đồ khối giải điều chế bằng phương pháp tách sóng đồng bộ </i>

Qua PLF cịn thành phần tần số thấp ở ngõ ra:

<b>7. Ưu điểm và nhược điểm của tín hiệu AM </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Ưu điểm:

- Dễ thực hiện và máy thu giải điều chế đơn giản, giá rẻ. - Cơng suất sóng mang khơng tải tin lớn, vơ ích.

- Băng thông lớn gấp đôi cần thiết nên phí và tăng nhiễu. - Hiệu quả sử dụng cơng suất cao tần rất nhỏ.

- Tính chống nhiễu kém Nhược điểm:

- Tín hiệu bị ảnh hưởng bởi bão điện và nhiễu tần số vô tuyến khác.

- Mặc dù các máy phát vơ tuyến có thể truyền sóng âm có tần số lên đến 15 kHz, hầu hết các máy thu chỉ có thể tái tạo tần số tối đa 5kHz trở xuống.

- Sơ đồ khối máy thu khuếch đại trực tiếp

<i>Hình 10: Sơ đồ khối máy thu thanh đơn giản </i>

Anten thu: Có thể thu được tất cả sóng điện từ truyền tới nó.

Mạch khuếch đại dao động điện từ cao tần: Làm cho sóng điện từ cao tần thu được có năng lượng (biên độ) lớn hơn.

Mạch tách sóng: Tách sóng âm tần ra khỏi sóng mang.

Mạch khuếch đại dao động điện từ âm tần: Làm cho dao động âm tần vừa tách ra có năng lượng (biên độ) lớn hơn.

Loa: Biến dao động điện âm tần thành âm thanh (tái tạo âm thanh).

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Máy thu đổi tần đã khắc phục được những nhược điểm của máy thu khuếch đại thẳng với đặc điểm là khuếch đại tín hiệu ở tần số trung gian ở sử dụng các bộ khuếch đại chọn lọc ( tải là các khung cộng hưởng) nên dễ dàng đạt được hệ số khuếch đại lớn kể cả ở những bang tần song ngắn.

- Mạch vào: Thu nhận tín hiệu cần thu và phối hợp trở kháng ở các tầng sau, gồm các khung cộng hưởng và có hệ số phẩm chất cao.

- KĐ cao tần: có nhiệm vụ làm tang tỉ số S/N lên đủ lớn và phối hợp trở kháng với mạch vào và khối trộn tần. Các linh kiện cần có hệ số phẩm chất cao và không cần tận dụng hết công suất linh kiện

- Đổi tần: Gồm mạch tạo dao động nội OSC là mạch trộn tần MIX để tạo ra các

số cố định không đổi. FN thay đổi theo tín hiệu thu, có thể trộn một hoặc nhiều

- KĐ trung tần: Quyết định độ nhạy máy thu

- Tách song: Tách tín hiệu tin tức ra khỏi tín hiệu cao tần và lọc bỏ tín hiệu cao tần gây nhiễu và các thành phần hài. Tùy theo chế độ thu hay tín hiệu thu được mà có mạch tách song phù hợp.

- KĐ âm tần: khuếch đại tín hiệu lên mức đủ lớn để đưa vào bộ chỉ thị. - Chí bảo kết quả: có thể bằng hình ảnh, âm thanh cụ thể như máy in

Tần số trung tần của máy thu giảm nhiều so với tần số cao kết hợp với các mạch cộng hưởng có hệ số phẩm chất lớn đã cho phép vào máy thu nhận tín hiệu có độ chọn lọc và độ nhạy cao và dạng đặc tuyến tần số gần lí tưởng. Các tầng từ phạm vi tần số cao (RF) tới âm tần đều thực hiện khuếch đại tại các tần số khác nhau nên tránh được việc ghép kí sinh giữa các tầng.

Ở một số máy thu vơ tuyến có chất lượng cao( độ nhạy, độ chọn lọc, hiệu suất cao) đặc biệt là các máy thu chuyên dụng người ta thực hiện thay đổi tần từ 2 đến 3 lần

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<b>CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ THU AM I. Phân tích mơ phỏng sơ đồ khối bộ thu AM </b>

Ở trong bài báo cáo này chúng em sử dụng bộ thu AM superheterosyne để làm việc. Máy thu phải hoạt động ổn định, có độ chống nhiễu cao, chất lương âm thanh tương đối.

<i>Hình 12: Sơ đồ mạch AM superheterosyne </i>

- Khối mạch vào: Đây là mạch nối ăng ten với đầu vào của tầng đầu tiên của máy thu.

- Bộ khuếch đại cao tần RF: Bộ khuếch đại RF có nhiệm vụ bước đầu khuếch đại cho tín hiệu cao tần thu được từ anten.

- Bộ đổi tần: Gồm mạch dao động nội tạo ra tần số khơng đổi và bộ trộn tần. Tín hiệu RF và tín hiệu LO được đưa vào máy trộn để tạo ra tín hiệu IF mong muốn. Máy trộn được tìm thấy trong các máy thu AM phổ biến tạo ra tổng,hiệu về tần số của LO và RF. Quá trình trộn được thực hiện ở đây, có tín hiệu nhận được là một đầu vào và tần số dao động cục bộ là đầu vào kia. Đầu ra kết quả là hỗn hợp của hai tần số [(f1 + f2), (f1 - f2)] do bộ trộn tạo ra, được gọi là tần số trung gian (IF). Việc tạo ra tần số IF giúp giải điều chế bất kỳ tín hiệu có bất kỳ tần số sóng mang nào. Do đó, tất cả các tín hiệu được dịch sang một tần số sóng mang cố định để có đủ độ chọn lọc.

- Bộ khuếch đại trung tần IF: Bộ lọc tần số trung gian là bộ lọc thơng dải, nó loại bỏ tất cả các thành phần tần số không mong muốn khác (các kênh liền kề) và chỉ giữ lại thành phần tần số IF. Băng thông BIF=BT nên bộ lọc IF lấy lại được tín hiệu băng gốc.

- Tách song: Từ tín hiệu trung tần đưa ra, ta nhận được tín hiệu đã được truyền đi, bộ tách sóng sẽ tách sóng thơng tin và sóng mang ra và đưa ra sóng thơng tin cần truyền.

- Khuếch đại âm tần: Khuếch đại âm tần tín hiệu tới ngưỡng vừa đủ cho người nghe thấy và qua loa phát ra.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

- Loa: Loa dẫn tín hiệu đầu ra đến với người dùng. Loa thường được kết nối với audio amplifier thông qua một jack tai nghe giúp ngắt kết nối âm thanh của loa khi tai nghe được cắm vào.

<b>2. Sơ đồ mô phỏng trên AWR environment </b>

Dựa vào sơ đồ lý thuyết đã đưa ra ở hình….., chúng ta sẽ lựa chọn các block có sẵn trong phần mềm bao gồm các khối anten vào, khối nhân, khối cộng, khối khuếch đại tín hiệu RF, bộ mixer, bộ dao động, bộ lọc thông dải IF và các khối giải điều chế sau đó đưa ra loa. Chúng ta sẽ lần lượt cài đặt các thông số phù hợp với yêu cầu đề bài.

- Tần số hoạt động RF: 30MHz

- Băng thơng của tín hiệu gốc: 10KHz - Tần số trung tần IF: 500KHz

<i>Hình 13: Sơ đồ mạch hệ thống máy thu AM dạng đổi tần </i>

Trong phần mô phỏng này , để tạo tín hiệu đầu vào là sóng AM đã được điều chế, ta sẽ dựa vào biểu thức sóng sau khi đã điều chế:

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

tồn 100%). Vậy lúc này tín hiệu sau điều chế có dạng:

Vì vậy ở đầu vào, ta thiết lập hệ thống gồm bộ cộng và một bộ nhân. Ta chọn sóng mang tin tức có dạng sóng sine có tần số f=1MHz được trộn với sóng mang có tần số fc=10Mhz

Tín hiệu đưa vào bộ cộng gồm tín hiệu tin tức x(t) có dạng sóng sine và một

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Sóng x(t):

- Sóng đầu vào điều chế AM:

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Đường bao của sóng đầu vào anten có dạng sine trùng với dạng sóng tín hiệu tin tức.

mong muốn, sau đó sẽ qua bộ khuếch đại để khuếch đại cơng suất tín hiệu. - Khảo sát tín hiệu khi đi qua anten và bộ khuếch đại RF

<i>Hình 17: Sóng sau khi đi qua anten </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Sóng khi qua anten sẽ phải gần như sóng mà máy phát phát ra. Tuy nhiên do ảnh hưởng

của các yếu tố ngoài như nhiễu, cộng hưởng tần số hay xuất hiện tần số của các kênh liền kề khơng mong muốn. Tín hiệu đầu vào sau khi đi qua bộ RF ta nhận thấy sẽ được khuếch đại lên về mặt biên độ.

Tín hiệu sau RF và LO sau khi đi qua bộ mixer sẽ trộn tần với nhau, tần số thu được sau khi đi qua bộ mixer sẽ là: 2f<small>C</small>+ f<small>IF-</small> f<small>IF</small>.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<i>Hình 19: Sóng sau bộ mixer </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Tín hiệu sau đó được đưa qua bộ lọc thơng dải IF để dịch tần số trung tâm, bộ

<b>3. Mơ phỏng tín hiệu thu AM lí tưởng </b>

<i>Hình 21: Sơ đồ mạch hệ thống AM lí tưởng </i>

Giải thích hoạt động từng khối

- Ngõ vào của bộ cộng bao gồm 2 dạng sóng: sóng sine và sóng step.

- Ngõ vào của bộ điều chế AM modulation thì bao gồm: ngõ ra của bộ cộng và sóng mang

- Tín hiệu ra từ bộ AM modulation được đưa tới anten và đưa tới bộ đổi sóng đường bao thành sóng AM thực.

- Tín hiệu sau khi đưa tới Anten có sự suy giảm về biên độ nên tín hiệu mà Anten nhận được sẽ được đưa vào bộ khuếch đại tuyến tính và bộ đổi sóng đường bao thành sóng AM thực.

- Tín hiệu từ bộ khuếch đại tuyến tính sẽ được đưa vào dải điều chế AM Demodulation

- Tín hiệu ra từ dải điều chế AM Demolation được đưa vào bộ khuếch đại tuyến tính một lần nữa và sau đó tín hiệu ngõ ra đưa tới loa.

Kết quả mô phỏng

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

<i>Hình 23: Sóng AM được thu vào anten </i>

- Sóng ngõ ra out và ngõ vào ban đầu:

<b>Chương 3: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ CHO 2 KHỐI CHỨC NĂNG TRONG BỘ THU </b>

Nhóm chúng em lựa chọn mạch khuếch đại cao tần RF (bao gồm mạch vào anten) và mạch trộn tần (bao gồm mạch dao động) để mô phỏng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

của máy thu.

Mạch vào là mạch điện nối liền anten với đầu vào của tầng đầu tiên của máy thu. Nó có nhiệm vụ chuyển tín hiệu cao tần nhận được từ anten thu đến tầng đầu tiên và đảm nhiệm một phần độ chọn lọc của máy thu.

Mạch vào bao gồm ba thành phần:

- Hệ thống cộng hưởng (đơn hoặc kép) có thể điều chỉnh đến tần số cần thu. - Mạch ghép với nguồn tín hiệu của mạch vào (anten).

- Mạch ghép với tải của mạch vào (tầng khuếch đại cao tần đầu tiên).

Để điều chỉnh cộng hưởng mạch vào, người ta thường sử dụng các tụ điện có điện dung C biến đổi vì chúng dễ chế tạo chính xác hơn là cuộn dây có điện cảm biến đổi do phạm vi biến đổi của tụ điện lớn Cmax/Cmin, bền chắc, ổn định (do C ít biến đổi theo điều kiện bên ngồi).

Các mạch ghép anten với mạch cộng hưởng vào như: Mạch cộng hưởng ghép với điện dung ngoài anten, mạch cộng hưởng ghép với điện dung trong anten, mạch cộng hưởng ghép với biến áp tự ngẫu với anten, mạch cộng hưởng ghép với biến áp anten,…Trong phần mô phỏng này chúng em lựa chọn mạch cộng hưởng song song ghép một phần qua tụ điện.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<b>II. Mạch khuếch đại công suất cao tần RF </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

Nhóm chúng em chọn mạch dao động Clapp

</div>