Thiết kế và thi công FM 2 kênh nhập tần số phần 2

1

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
PHẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay, khoa học kỹ thuật trên Thế Giới có nhiều tiến bộ, nhiều thành tựu
đáng kể. Nhất là lĩnh vực khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin, phát thanh số, phát
hình số… đã và đang phát triển rất mạnh. Các thiết bị điện tử ngày càng tinh gọn, siêu
nhỏ nhưng tính năng và hiệu quả làm việc của chúng thì rất cao và bền.
Ở nước ta truyền thanh được sử dụng rộng rãi trong đờ
i sống người dân. Nhờ
truyền thanh mà đời sống văn hóa, xã hội của người dân được nâng lên, nắm bắt nhiều
thông tin, cập nhật hàng ngày tin tức trong nước và trên thế giới. Đặc biệt, nước ta còn
có rất nhiều vùng dân tộc thiểu số, nhà nước đang ra sức cập nhật thông tin đến người
dân một cách nhanh chóng, thì đài truyền thanh của địa phương sẽ đưa thông tin đến
người dân về mọi phươ
ng diện như dân số, khoa học quân sự, y tế, giáo dục, đời
sống…một cách nhanh chóng và hiệu quả nhất. Từ đó ta thấy truyền thanh là một lĩnh
vực rất cần thiết trong một nước. Do đó ta thấy càng phải nghiên cứu, học hỏi và phát
triển lĩnh vực phát thanh để phục vụ nhu cầu của nhân dân.
Đồng thời từ thực tế công việc thực tập: Chuyên sản xuấ
t thiết bị phát thanh
chuyên dụng, trong đó có máy Thu FM điều khiển tắt mở từ xa theo đơn đặt hàng nên
muốn thử máy thu ở nhiều tần số thì phải làm nhiều máy phát có tần số khác nhau
hoặc một máy phát có các công tắc gạt để chọn tần số hoặc phải dùng tụ xoay nhưng
nhiều khi bị trôi tần số, và rất mất công.
Kết hợp những điều đó, với tấ
t cả những kiến thức được học và tìm hiểu,
nghiên cứu sách vở, tài liệu, các dạng mạch thực tế đã thúc đẩy tôi thực hiện đề tài
“Cài đặt tần số Máy Phát FM bằng bàn phím”, trước mắt là để giải quyết những khó
khăn bất tiện cho nhà sản xuất những thiết bị chuyên dụng này.

2

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM


PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu lý thuyết về mạch phát tín hiệu
Tìm hiểu, nghiên cứu để thiết kế mạch cho mô hình máy phát FM nhập tần số
bằng bàn phím.
Dựa vào tài liệu trên mạng, các luận văn, sách để tham khảo và ứng dụng vào
luận văn.
Thi công máy phát FM cài đặt tần số bằng bàn phím với công suất nhỏ, kiểm tra
IC phát tín hiệu bằng máy thu FM, lập trình điều khiển chọn tần số và hoàn thiệ
n mạch
bằng cách chạy thử nghiệm nhiều lần.

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
Căn cứ vào nội dung đề tài, người thực hiện sẽ tiến hành theo các chương.
Trong quá trình thi công thì cố gắng tìm hiểu, đọc thêm tài liệu có liên quan để
hoàn thành mạch thực tế một cách tốt nhất.
Mỗi chương sau khi hoàn thành sẽ gửi cho giáo viên hướng dẫn xem, góp ý,
chinh sửa.
Cố gắng thực hiện luận văn đúng thời gian quy định.

3

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM









PHẦN NỘI DUNG











4

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM

Chương 1
:
GIỚI THIỆU MÁY PHÁT
VÀ MÁY PHÁT FM CƠ BẢN
1.1. Định nghĩa và phân loại máy phát




Một hệ thống thông tin bao gồm: máy phát, máy thu, và môi trường truyền
sóng. Trong đó máy phát là một thiết bị phát ra tín hiệu dưới dạng sóng điện từ được
điều chế dưới một hình thức nào đó.
Sóng điện từ còn gọi là sóng mang hay tải tin làm nhiệm vụ chuyển tải thông tin
cần phát đi đến nơi thu (máy thu). Thông tin này được lồng vào (gắn vào) tải tin (sóng
mang) bằng hình thứ
c điều chế thích hợp.
Máy phát phải phát đi công suất đủ lớn để cung cấp tỉ số tín hiệu trên tạp âm
(S/N: signal/ noise) đủ lớn cho máy thu. Máy phát phải sử dụng sự điều chế chính xác
để bảo vệ các thông tin được phát đi, không bị biến dạng quá mức. Ngoài ra, các tần số
hoạt động của máy phát được chọn căn cứ vào các kênh và vùng phủ sóng theo qui
định của hiệp hội thông tin quốc tế
. Các tần số trung tâm (sóng mang) của máy phát
phải có độ ổn định tần số cao. Do đó cần quan tâm một số chỉ tiêu kỹ thuật của máy
phát như sau:
¾ Công suất ra của máy phát.
¾ Độ ổn định tần số : ∆f/f0 = 10
-3
- 10
-7

¾ Các chỉ số điều chế : AM (m
AM
) ; FM ( m
FM
) ...
¾ Dải tần số điều chế ...
Phân loại máy phát: Người ta phân loại máy phát dựa chủ yếu theo các điều kiện sau
đây:
a. Theo công dụng: Được phân loại theo sơ đồ miêu tả sau:
5

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM







Hình 1.1: Phân loại máy phát theo công dụng
b. Theo tần số: Cũng phân loại tương tự như máy thu
* Đối với phát thanh:
• Từ (3 ÷ 30) KHz ≈ (100 km ÷ 10 km ): Đài phát sóng cực dài (VLW).
• Từ (30 ÷300) KHz ≈ ( 10km ÷ 1km): Đài phát sóng dài (LW).
• Từ (300 ÷3000) KHz ≈ (1 Km ÷ 100m ): Đài phát sóng trung (AM/MW).
• Từ (3 ÷30) MHz ≈ (100m ÷ 10m ): Đài phát sóng ngắn ( SW).
* Đối với phát hình:
• Từ (30 ÷300) MHz ≈ (10 m ÷ 1m): Đài phát sóng mét.
• Từ (300 ÷3000) MHz ≈ (1 m ÷ 0,1m): Đài phát sóng dm.
* Đối với thông tin viba và rađa:

•
Từ (3÷30) GHz ≈ (0,1 m ÷ 0,01m): Đài phát sóng cm.
• Từ (30 ÷ 300) GHz ≈ (0,01 m ÷ 0,001m): Đài phát sóng mm.
c. Theo phương pháp điều chế:
• Máy phát điều biên (AM).
• Máy phát đơn biên (SSB).
• Máy phát điều tần (FM) và máy phát điều tần âm thanh nổi (FM stereo).
• Máy phát điều xung (PM).
6

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
Ngày nay, máy phát số đang được nghiên cứu để ứng dụng vào tất cả các loại
máy phát thông tin số, phát thanh số, phát hình số …
d. Theo công suất:
• Máy phát công suất nhỏ: P
ra
< 100 W.
• Máy phát công suất trung bình: 100W ≤ P
ra
≤ 10 KW.
• Máy phát công suất lớn: 10 KW ≤ P
ra
≤ 1000 KW.
• Máy phát công suất cực lớn: P
ra
≥ 1000 KW.
Các máy phát có P
ra
nhỏ có thể sử dụng hoàn toàn bằng transistor; còn lại loại khác có
P

ra
vừa và lớn, cực lớn thì phải dùng các đèn điện tử đặc biệt.
1.2. Máy phát FM cơ bản








Hình 1.2: Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần (FM)
+ Khối chủ sóng có nhiệm vụ tạo ra dao động cao tần (sóng mang) có biên độ
và tần số ổn định, có tầm biến đổi tần số rộng. Muốn vậy ta phải dùng mạch dao động
LC kết hợ
p với mạch tự động điều chỉnh tần số (AFC).
+ Khối tiền khuếch đại có thể dùng để nhân tần hoặc khuếch đại dao động cao
tần đến mức cần thiết để kích thích tầng công suất làm việc. Nó còn có nhiệm vụ đệm,
làm giảm ảnh hưởng của các tầng sau đến độ ổn định tần số của khối chủ sóng. Vì vậy
mà khối ti
ền khuếch đại có thể có nhiều tầng: tầng đệm; tầng nhân tần và tầng tiền
khuếch đại cao tần.
7

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
+ Khối khuếch đại công suất cao tần có nhiệm vụ tạo ra công suất cần thiết theo
yêu cầu công suất ra P
ra
của máy phát. Công suất ra yêu cầu càng lớn thì số tầng
khuếch đại trong khối khuếch đại công suất cao tần càng nhiều.

+ Mạch ra để phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại công suất cao tần cuối
cùng và anten để có công suất ra tối ưu nhất (P
ra
tối ưu).
+ Anten để bức xạ năng lượng cao tần (biến đổi năng lượng dao động cao tần
của máy phát thành sóng điện từ truyền đi trong không gian).
Đối với máy phát điều tần thì yêu cầu điện áp âm tần không lớn lắm, nên tín
hiệu âm tần từ micro chỉ cần qua một bộ tiền khuếch đại âm tần rồi đưa tới bộ chủ
sóng. Mặt khác do tín hi
ệu điều tần có tần số làm việc cao hơn nhiều so với tín hiệu
điều biên nên số tầng nhân tần trong bộ tiền khuếch đại công suất nhiều hơn. Đồng
thời dùng nhiều tầng nhân tần thì độ di tần lớn hơn (∆f = ±75 KHz). Độ ổn định tần số
của máy phát điều tần cũng yêu cầu cao hơn (10
-5
÷ 10
-7
), nên hệ thống AFC thường
có cấu tạo phức tạp.

8

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
Chương 2
:
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ
VÒNG KHOÁ PHA (PLL)

Điều chế (tương tự) là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tác động
vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông số nào đó (biên độ, tần số hoặc
góc pha) của tín hiệu cao tần theo tin tức. Trong trường hợp này, tin tức được gọi là tín
hiệu điều chế, dao động cao tần gọi là sóng mang, còn dao động cao tần mang tin tức
gọi là dao
động cao tần đã điều chế. Sóng được điều chế nhằm 2 mục đích:
+Sóng đã điều chế thỏa mãn điều kiện truyền của môi trường truyền tin vì môi
trường này không truyền được tín hiệu gốc. Sóng truyền được tin tức (thông tin) gọi là
sóng mang.
+Tạo điều kiện ghép nhiều kênh truyền tin để truyền qua cùng một môi trường.
Có nhiều kỹ thuật đi
ều chế tùy thuộc vào bản chất của tín hiệu gốc và môi
trường truyền. Trong kỹ thuật phát thanh, tín hiệu gốc là tín hiệu tiếng, môi trường
truyền trong không gian truyền được sóng điện từ. Vào những ngày đầu, kỹ thuật điều
biến biên độ sóng cao tần đã được áp dụng, vài mươi năm sau thì kỹ thuật điều biến
tần số được sử dụng rộng rãi trong kỹ
thuật truyền (phát) thông tin, nhờ nó có đặc tính
chống nhiễu tốt.
Trong thời gian nghiên cứu hạn hẹp, người nghiên cứu xin trình bày về kỹ thuật
điều biến tần số sóng cao tần (FM: Frequency Modulation), cách ổn định tần số trung
tâm của tín hiệu điều tần và tìm hiểu về vòng khoá pha PLL.

2.1 Điều biến tần số sóng cao tần (điều tần)
Về cơ bản đây là mạ
ch dao động LC được tín hiệu điều biến làm biến thiên L
hoặc C để thay đổi tần số f =
LC
π
2
1
của mạch dao động. Mạch thay đổi L gọi là
mạch điều biến cảm kháng, mạch thay đổi C gọi là mạch điều biến điện dung.
Sau đây là phần trình bày một số mạch điều tần trực tiếp:
9

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
2.1.1, Điều tần dùng Transistor điện kháng:
Muốn tần số tải tin (f
c
=
LCπ2
1
) thay đồi theo qui luật của điện áp điều chế ( ký hiệu
là V
Ω
), ta phải dùng 1 phần tử điện kháng (đèn điện tử, transistor,…) được điều khiển
bởi điện áp điều chế V
Ω
.

Hình 2.1: Cách điều tần dung Transistor điện kháng
Ta biết phần tử điện kháng L,C có điện áp và dòng điện lệch nhau 90
0

( jX
L
=
L
L
I
V
và
c
C
C
I
V
jx
1
=
)
Nếu ta dùng 1 mạch transistor mắc theo kiểu EC thì điện áp và dòng điện ra
ngược pha 180
0
(
ϕ
a
=180
0

). Như vậy ta chỉ cần làm cho điện áp ra hoặc dòng điện ra
quay pha đi 90
0
là ta được phần tử điện kháng tương đương (L
tđ
hoặc C
tđ
). Ta có 4
cách mắc phần tử điện kháng như bảng sau:

Cách
mắc
Sơ đồ nguyên lý Đồ thị vecto
Trị số điện
kháng
Tham số
tương đương
Mạch
phân
áp RC

Z=j
ω
RC/S
Với S: hỗ dẫn
I= SV
BE


Mạch

phân
áp RL


S
RC
L
tñ
=
Ls
jR
z
ω
=
R
LS
C
tñ
=
10

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
Mạch
phân
áp CR



Mạch
phân

áp LR




Với mạch phân áp RC, ta tính được:
Z =
cj
S
cj
1
R
VS
V
I
V
BE
ω
ω
+
=≈

Nếu chọn các linh kiện sao cho 1/j
ω
c << R thì trở kháng Z có thể xác định theo biểu
thức gần đúng sau đây:
Z ≈
S
CRj
ω

=jXL =j
ω
Ltđ với Ltd =
.S
CR

Tương tự như vậy, ta có thể chứng minh cho các sơ đồ trong bảng trên. Các
tham số tương đương của các phần tử điện kháng đều phụ thuộc vào hỗ dẫn S. Như
vậy, nếu ta đặt điện áp điều chế V
Ω
vào Base của phần tử điện kháng thì hỗ dẫn của
transistor S sẽ thay đổi theo V
Ω
và có nghĩa là L
td
hay C
tđ
sẽ thay đổi theo V
Ω
. Như
vậy ta đã thực hiện được việc điều tần. Nhưng muốn tín hiệu điều tần không bị méo thì
hỗ dẫn trung bình S
0
phải tỉ lệ tuyến tính với V
Ω
. Nếu đặc tuyến V-A là bậc 2 (FET)
thì ta có :
I
ra
= a

0
+a
1
+ V
Ω.
+a
2
2
V
Ω

Nên S
0
=
Ω
dV
d
ira
= a
1
+2a
2
V
Ω.

Rcs
j
z
ω
−

=
RCSC
tñ
=
Rs
jwL
z
=
RS
L
L
tñ
=
11

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
Ta thấy S
0
tỷ lệ tuyến tính với V
Ω
nên
Δω
cũng tỉ lệ với V
Ω
. Do đó tín hiệu
điều tần không bị méo. Nhưng nếu dùng transistor làm phần tử điện kháng thì có méo
phi tuyến rõ rệt và tương đối lớn do đặc tuyến V-A của transistor có bậc lớn hơn 2. Vì
vậy, muốn dùng transistor để điều tần, người ta thường khống chế các tham số điện
dung ký sinh giữa các tiếp giáp, nhưng các tham số điện dung chỉ đáng kể ở tần số cao
và c

ũng chỉ cho độ di tần rất hẹp:
Δω

≤
15KHz.
Khi tìm hiểu sâu hơn là khi thực hiện điều tần bằng phương pháp điện kháng thường
xuất hiện điều biên ký sinh do:
+ Do điện trở vào của phần tử điện kháng Z
i
mắc song song 1 phần với mạch
cộng hưởng nên làm hệ số phẩm chất Q giảm, biên độ điện áp cao tần giảm và khi V
Ω
.
được đưa vào đầu vào thì Z
i
thay đổi làm Q thay đổi dẫn đến V
Ω
thay đổi làm xuất
hiện điều biên ký sinh.
+ Khi điện áp nguồn cung cấp thay đổi cũng gây ra hiện tượng điều biên ký
sinh nên ta phải ổn định nguồn cung cấp.
Do đó sau bộ điều tần ta phải dùng 1 bộ hạn chế biên độ để giữ cho điện áp tải
tin không đổi (V
vo
= const).
Điều tần dùng làm phần tử điện kháng được dùng ở fc ≤ 50MHz và đặt được
lượng di tần
Δω/ω
o

≤

2%
.
Trong mạch điện trên đây, T1 là phần tử điện kháng cảm tính với L
tđ
=
1
T
S
CR
và
T
2
là phần tử điện kháng dung tính với C
tđ
= CRST
2
. Khi V
Ω
tăng thì S
T1
tăng và ST
2

giảm làm cho L
tđ
và C
tđ
đều giảm, do đó tần số tăng nhanh hơn theo điện áp điều chế

V
Ω
và lượng di tần tăng lên gấp đôi (nếu T1,T2 có tham số giống nhau). Nếu Vcc tăng
→
S
T1
tăng và S
T2
tăng
→
L
tđ
giảm và C
tđ
tăng. Nếu T
1
, T
2
hoàn toàn đối xứng thì
lượng tăng của C
tđ
sẽ bù được lượng giảm của Ltđ, do đó có thể coi tần số trung tâm
ω
0
( fc) không đổi.



12

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
2.1.2, Điều tần bằng Diode Tunel





Hình 2.2: Điều tần bằng Diode Tunel
Người ta có thể đưa điện áp ngược vào 2 đầu Diode để thay đổi điện dung tiếp
giáp của Diode theo tín hiệu điều chế âm tần. Khi đó:

Ñ
Ñ
V
k
C
≈
với k : hằng số (const)
V
Đ

≤
0,8V
Đ
(Đánh thủng)
Nhưng do C
Đ
biến đổi trong 1 phạm vi rất nhỏ và không tuyến tính, nên nó chỉ
được sử dụng trong các mạch tự động điều chỉnh tần số, mà không dùng để tạo nên tín
hiệu điều tần. Để tạo tín hiệu FM ta có thể dùng Diode Tunel như hình trên.

+ R1, R2 tạo phân cực cho Diode Tunel nằm ở đoạn có điện trở âm.
+ C
1
: cho điện áp âm tần đi qua, ngăn điện áp 1 chiều.
+ C
2
: ngắn mạch điện áp cao tần không cho vào nguồn cung cấp Vcc.
Đối với Diode Tunel tần số dao động của mạch biến thiên theo điện áp phân cực.






Hình 2.3: Đặc tuyến V-A
13

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
Nhìn vào sơ đồ đặc tuyến Vôn-ampe và R-, ta nhận thấy chỉ cần 1 sự thay đổi
nhỏ của điện áp phân cực cũng gây nên sự biến thiên lớn của điện trở phân cực cũng
gây nên sự biến thiên lớn của điện trở âm và làm cho tần số dao động thay đổi theo
biểu thức sau.
2
12
2
0
11
2
1
RCCC

CCL
f
K
KK
).(
)(
+
−
+
=
π

Khi V
Ω
tăng
→
V
Đ
tăng và I
Đ
giảm nên R =
D
D
V
I
tăng làm cho f
0
tăng lên.
Khi V
Ω

giảm
→
V
Đ
giảm và I
Đ
tăng nên R =
D
D
V
I
giảm làm cho f
0
giảm xuống.
Mạch điều tần bằng Diode Tunel khá đơn giản và tuyến tính hơn dùng Diode
thường, song độ di tần khá hẹp (
Δω
nhỏ).
Ta thấy tạo tín hiệu điều tần bằng đèn điện kháng, bằng Diode và Diode Tunel
có độ di tần hẹp do chúng không trực tiếp tác động lên tần số dao động f
0
. Từ khi
Varicap ra đời, người ta chủ yếu sử dụng nó làm phần tử điều tần vì điện dung của nó
thay đổi theo điện áp phân cực và trực tiếp làm thay đổi tần số dao động. Ở phạm vi
tần số dao động cao khi C
V
thay đổi làm cho f
0
thay đổi rất nhiều tạo nên độ di tần lớn
và đặc tuyến của Varicap tuyến tính, tính chống nhiễu, không tiêu thụ năng lượng nên

nó được dùng để điều tần rất tốt.
2.1.3, Điều tần bằng Varicap






Hình 2.4: Sơ đồ mắc mạch của Varicap
14

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
Tùy theo cách mắc varicap vào khung cộng hưởng, ta có thể tính gần đúng độ
di tần do varicap gây ra theo V
Ω
(giả thiết đã loại bỏ được điện áp cao tần trên varicap,
lúc đó
Δ
e
= const). Ta có các cách mắc sau:






Hình 2.5:Các cách mắc Varicap
Và có các cách tính gần đúng như sau:
⎥
⎦

⎤
⎢
⎣
⎡
+
=Δ
Ω
PC
a
V
V
n
ϕ
ωω
0
50,

⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
⎥
⎦
⎤
⎢

⎣
⎡
+
=Δ
Ω
pcV
V
b
V
V
CC
C
n
ϕ
ωω
30
0
0
50,

⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
⎥

⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
=Δ
Ω
pcV
c
V
V
CC
C
n
ϕ
ωω
4
50
0
4
0
,

Theo như sơ đồ mắc mạch varicap lúc đầu tiên giới thiệu thì ta thấy điện áp cao
tần trên L
K
, C
K
sẽ phân cực thuận varicap trong một phần chu kỳ làm cho dòng rỉ của

varicap tăng lên. Khi đó dẫn đến hiện tượng là hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng
giảm và tạo nên sóng hài khi varicap được phân cực liên tiếp âm, dương. Để khắc phục
hiện tượng này ta có các phương pháp sau:
Đơn giản nhất là ta tính toán để sao cho Diode luôn luôn phân cực ngược khi trên nó
có cả điện áp cao tần. Điện áp đặt lên Diode:
V
P
= V
0
cos
ω
0
t + V
Ω
Cos
Ω
t - V
pc

V
Dmax
= V
0
+ V
Ω
- V
pc

≤
0

15

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
Nhưng điện áp ngược đặt lên Diode cũng không được vượt quá trị số cho phép,
nó đồng thời phải thỏa mãn công thức sau:
ngPCminD
VVVVV ≤−−−=
Ω0

Ta mắc thêm tụ ghép C
gh
giữa Varicap và mạch dao động. Chọn C
gh
<< CV, nó
sẽ ngăn không cho điện áp cao tần xuất hiện trên varicap. Nhưng như vậy khi V
0
thay
đổi C
V
thay đổi, nhưng
ghv
ghv
CC
CC
C
+
=
.
sẽ thay đổi chưa ít, nên độ đi tần sẽ hẹp.

Hình 2.6: Mắc thêm tụ ghép






Hình 2.7: Cách mắc Varicap đẩy kéo
Để khắc phục cả 2 nhược điểm trên, ta không mắc C
gh
, mà mắc 2 varicap ngược
nhau (hình 2.13). Cách mắc này gọi là mắc đẩy kéo varicap. Hai varicap được phân
cực cùng một lúc. Khi tín hiệu cao tần áp vào 2 varicap giống nhau, nó sẽ lái chúng
đến những giá trị điện dung cao và thấp luôn phiên nhau. Do đó điện dung đóng trong
mạch gần như không thay đổi theo điện áp cao tần, mà chỉ thay đổi theo điện áp âm
tần. Khi đó, để varicap phân cực ngược, ta chỉ cần thỏa mãn điều kiện:
V
Dmax
= V
Ω
– V
pc
≤
0 và V
Dmin
=

⏐
-V
Ω
- V
pc
⏐

≤
V
ng
cho phép.
16

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM

Khi điều tần dùng varicap cần chú ý những đặc điểm sau:
Luôn luôn phân cực ngược cho varicap để tránh ảnh hưởng của Rv đến phẩm
chất của bộ 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 C
v
= f
cv
để
giảm méo phi tuyến. Lượng di tần tương đối khi điều tần dùng varicap đạt khoảng 1%.
Dùng varicap để điều tần thì kích thước bộ điều tần nhỏ, và có thể điều tần ở tần
số siêu cao, khoảng vài trăm MHz.

2.2. Ổn định tần số trung tâm của tín hiệu điều tần
Trong các máy phát điều tần, nếu tần số trung tâm không ổn định thì nó trực
tiếp làm méo và làm sai lệch tín hiệu điều chế vì tin tức chứa đựng trong độ di tần.

Chính vì vậy, người nghiên cứu đưa ra các biện pháp ổn định tần số trung tâm f
0
.
2.2.1, Đối với điều tần trực tiếp bằng thạch anh
Cho thạch anh dao động ở tần số cộng hưởng riêng
ω
làm bộ tạo dao động. Khi
đóng
ω
= Const, thay đổi C
q
theo điện áp điều chế V
Ω
, ta sẽ tạo ra độ di tần.



Hình 2.8: Sơ đồ tương đương của thạch anh.

Thay đổi C
p
bằng cách thay đổi điện dung tiếp giáp của đèn điện tử, transistor
hoặc FET, mắc varicap hay đèn điện kháng song song với thạch anh. Nhưng do độ di
tần tương đối nhỏ (
010
0
,≤
Δ
ω
ω

) nên điều tần trực tiếp bằng thạch anh chỉ được sử
dụng trong các máy phát thoại quốc tế (∆f ≤ 6 Khz).
P
Q
C
C
qp
2
=ω−ω=ωΔ
17

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
2.2.2, Sử dụng thạch anh làm bộ tạo dao động để
ω
0
= Const
Sau đó dùng bộ điều chế pha để tạo tín hiệu điều tần. Khi đó ta đạt được độ méo
phi tuyến nhỏ (Y ≤ 1%), nhưng độ di tần vẫn còn khá nhỏ. Vì vậy, phương pháp này
chỉ dùng trong các máy phát thoại quốc tế có độ di tần nhỏ (∆f ≤ 6KHz) và độ méo phi
tuyến nhỏ (Y ≤1%).
2.2.3, Thay đổi nguồn cung cấp
Trong bộ điều tần sử dụng các nguồn cung cấp được ổn định và được bù nhiệt
bởi các điện trở hoặc các linh kiện có hệ số nhiệt âm (Khi T
0
tăng thì C giảm, R giảm).
Vì khi điện áp nguồn cung cấp thay đổi, làm điện dung ký sinh của Transistor thay đổi,
dẫn tới tần số cộng hưởng trung tâm thay đổi theo hoặc khi điện áp phân cực cho
varicap thay đổi, làm điện dung C
v
thay đổi dẫn đến f

0
thay đổi. Nhưng phương pháp
này chỉ ổn định được tần số trung tâm f
0
khi T
0
thay đổi, còn khi độ ghép hay điện trở
tải thay đổi thì f
0
vẫn thay đổi.
2.2.4, Sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh tần số (AFC)






Hình 2.9: Hệ thống tự động điều chỉnh tần số (AFC)
Để có độ di tần lớn, ta phải dùng bộ tạo dao động bằng LC. Nhưng khi đó độ
mất ổn định sẽ lớn (
ε
LC
≤
10
-3
). Vì vậy ta phải dùng hệ thống AFC để ổn định tần số
trung tâm.
Bộ dao động thạch anh tạo ra f
tg
có độ ổn định cao (

ε

≤
10
-6
).
Nguyên lý hoạt động:
+ Nếu do Vcc thay đổi hay T
0
thay đổi làm cho f
0
thay đổi dẫn đến fra thay đổi
f
ra
= f
0

±

Δ
f
ss
. Tần số ra fra được đưa vào bộ đổi tần để so sánh với tần số chuẩn f
TA
.
18

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
+ Bộ đổi tần dùng để hạ thấp f
ra

để để tách sóng (vì nếu không có nó thì ở tần số
cao, mf nhỏ làm cho I
0
= 0, ta không thể so sánh giữa f
ra
và f
TA
được).
+ Ở đầu ra bộ đổi tần cũng có mạch lọc để chỉ giữ lại thành phần tần số trung
gian: f
tg
= f
ra
– f
TA
= f
0

±

Δ
fss
- f
TA

+ Bộ tách sóng được điều chỉnh cộng hưởng lại:
f
tg0
= f
0

- f
TA

Do đó:
- Nếu f
tg
= f
tg0
thì V
TS
= 0, nghĩa là f
0
= const
- Nếu f
tg
= f
tg0

±

Δ
fss
thì ở đầu ra bộ tách sóng có V
TS
= f (
Δ
fss
).
+ Mặt khác khi điện áp điều chế V
Ω

thay đổi thì fra cũng thay đổi: f
ra
= f
0

±

Δ
f
0
..
Nếu ta thiết kế bộ lọc thông thấp sao cho chỉ cho qua các thành phần tần số biến thiên
chậm: f = (0
÷
20) Hz thì V
ĐC
chỉ thay đổi tỷ lệ với tần số trung tâm (vì sự thay đổi
này thường chậm, còn thành phần tần số điều chế V
Ω
có
Ω

≥
50Hz không qua được
mạch lọc thông thấp).
+ V
ĐC
sau bộ lọc thông thấp tác động varicap làm cho fra thay đổi về đúng tần
số trung tâm f0 (f
ra

Æ
f
0
).
Nếu đem xếp chồng đặc tuyến lại, ta thu được đặc tuyến sau điều chỉnh
Δ
f
còn
= f(V
ĐC
).
Nghĩa là nhờ hệ hệ thống AFC mà sai số ban đầu
Δ
f
đầu
giảm xuống còn
Δ
f
còn
.





(a)

(b) (c)
Hình 2.10: (a) Đặc tuyến tách sóng (VTS = f (

Δ
f
ss
)
(b) Đặc tuyến điều chỉnh ∆f
ĐC
= f (V
ĐC
)
(c) Đặc tuyến tách sóng sau điều chỉnh.
19

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
Hệ số điều chỉnh của AFC:

Với: S
TS
, S
ĐC
là độ dốc của đặc tuyến tách sóng và đặc tuyến điều chỉnh (đặc tuyến của
varicap: SĐC = S
varicap
).
Xét độ bất ổn định của chúng
Trong đó:

: độ bất ổn định tần số của thạch anh thường rất nhỏ (≤10
-6
).
: độ bất ổn định tương đối của bộ tách sóng. Để giảm nhỏ nó ta cần phải

ổn định các tham số của bộ tách sóng. Mặt khác ta chọn f
tg
<< f
ra
để tỷ số
f
tg
/ f
ra
giảm xuống.
: độ bất ổn định tương đối ban đầu của máy phát (
ε≤
10
-3
).
Như vậy , để
ra
coøn
f
fΔ
nhỏ thì k
AFC
phải rất lớn.Trong thực tế k
AFC
≤ 100 vì còn phụ
thuộc hằng số thời gian của mạch thông thấp.

ÑCTSAFC
SS
fcoøn
fñaàu
K .+=
Δ
Δ
= 1
ra
TA
TA
ts
AFC
taTS
AFC
f
f
f
fra
fra
ftg
ftg
f
Kfra
fñaàu
ff
K

fñaàu
frafra
fcoøn
...
Δ
+
Δ
+
Δ
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
Δ+Δ+
Δ
=
Δ
1
1
ra
TA
f
f
Δ
tg
TS
f

fΔ
ra
ñaàu
f
f
Δ
20

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
2.2.5, Sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh tần số pha (AFC - P):










Hình 2.11: Điều tần dùng hệ thống AFC-P

+ Hệ thống này chỉ khác so với sơ đồ AFC tần số ở chỗ có thêm hai bộ chia tần
số và phần tử so sánh ở đây là bộ tách sóng pha. Bộ chia tần số (n
1
) để tạo 1 tín hiệu
FM có chỉ số điều chế không lớn vì khi m
f
nhỏ thì J
0

>> J
n
. Điều đó đảm bảo cho bộ
tách sóng pha làm việc bình thường.
Bộ chia thứ 2 (n
2
) là chia tần số thạch anh vì thạch anh thường có tần số cộng hưởng
riêng cao.
+ Hai tín hiệu sau hai bộ chia n1, n2 được đưa tới bộ tách sóng pha để so sánh.
Nếu hai tín hiệu có (f
ra
/n
1
= f
TA
/n
2
) thì sai pha giữa chúng
Δϕ
= 0 nên V
TS
= 0. Khi f
ra
/
n
1

≠ f
TA
/n

2
thì sai pha giữa chúng
Δϕ

≠
0 và V
TS
= f(
Δϕ
).
+ Mặt khác khi điện áp điều chế V
Ω
thay đổi làm f
ra
thay đổi theo, dẫn đến
Δϕ

≠

0
Æ
V
TS
≠
0, vì vậy ta phải dùng bộ lọc thông thấp chỉ cho qua những sai pha có tần số
biến thiên chậm 0 ÷ 20Hz.
+ V
ĐC
sau bộ lọc thông thấp được đưa tới varicap làm C
v

thay đổi, f
ra
thay đổi
sao cho f
ra
tiến dần tới f
0
. Như vậy ta đã ổn định được tần số trung tâm: f
0
.
21

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
Ưu điểm của hệ thống AFC – P: là chỉ cần một sự thay đổi nhỏ của tần số cũng dẫn
tới 1 sự dịch pha lớn, do đó gây ra V
TS
lớn và V
ĐC
lớn.
VD:
Δ
f
ss
= 1 Hz thì
ϕ
= 2
π
= 360
0
, chính vì vậy mà hệ thống này có thể điều chỉnh tần

số một cách chính xác (
ε
=
ε
m
= 10
-6
). Nhưng sự biến thiên về pha tương đối chậm nên
hệ thống AFC – P chỉ phản ứng rất nhạy với những sai lệch tần số rất nhỏ.
Như vậy ưu điểm của hệ thống AFC – P là khuyết điểm của hệ thống AFC và
ngược lại. Bởi vậy, muốn có dài bắt rộng và độ chính xác cao ta phải dùng vòng giữ
pha (PLL) hoặc phải kết h
ợp cả hai hệ thống AFC và AFC-P.

2.3. Vòng khoá pha PLL (Phase Locked Loops)
Ngày nay, với kỹ thuật phát triển, nhất là sự ra đời của các mạch tích hợp, PLL
đã trở thành 1 hệ thống đa năng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến điện
tử, truyền hình, truyền số liệu, đo lường… cũng như dùng để tổng hợp tần số, đề điều
chế, giải mã hay đồng bộ tín hiệu quét…
2.3.1,Ưu và nhược điểm của vòng khoá pha (PLL)
Sử dụng vòng khóa pha PLL như một hệ thống lọc so với bộ lọc tích cực RC dùng
kỹ thuật hồi tiếp hay những mạch cộng hưởng LC có những ưu điểm sau:
¾
Khả năng hoạt động ở tần số cao:
Vòng khóa pha PLL đơn khối có thể hoạt động ở phạm vi tần số cao (2÷ 160MHz)
trong khi phần nhiều kỹ thuật hồi tiếp RC tích cực bị giới hạn ở dải tần số dưới 100Hz.
¾
Sự độc lập về khả năng chọn lọc và điều hưởng tần số trung tâm:
Tần số trung tâm thì được “tần số chạy tự do” của VCO (Vottage Controlled
Oscillator), còn tính chọn lọc của PLL được xác định bằng bộ lọc thông thấp của vòng

này. Điều này loại trừ được vấn đề đồng chỉnh phức tạp khi dùng nhiều tầng lọc điều
hưởng LC n
ối kết với nhau. Mặt khác việc thay đổi tần số của PLL không làm thay đổi
phẩm chất Q như mạch cộng hưởng LC.


22

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
¾
Dễ dàng trong việc điều hưởng:
PLL có thể được điều hưởng theo 1 tần số yêu cầu nào đấy, bởi sự chọn lọc riêng của
“tần số chạy tự do VCO”. Tần số này thông thường được quyết định bởi phần tử đơn
bên ngoài (tụ điện C) và có thể được điều chỉnh liên tục từ 1Hz đến phạm vi lệch tần
số mong mu
ốn là 50MHz.
Tuy có nhiều ưu điểm như trên, PLL vẫn không thể thay thế hoàn toàn cho những
bộ lọc cộng hưởng LC hay bộ lọc tích cực RC trong tất cả các ứng dụng vì:
¾
Sự thiếu thông tin về biên độ tín hiệu:
PLL chỉ đáp ứng với tần số của tín hiệu vào, mà không đáp ứng với biên độ, miễn là
biên độ vào cao đủ để duy từ khóa. Như vậy, PLL chỉ lọc được những tần số mong
muốn. Trong khi dùng mạch cộng hưởng LC (hay dùng mạch lọc tích cực RC có hồi
tiếp) thì không những lọc được tần số mong muốn mà tại tần số
đó biên độ tín hiệu là
cực đại.
¾
Sự khó khăn trong vấn đề tự động điều chỉnh hiệu số khuếch đại (AGC):
Mặc dù 1 số khuyết đểm như vậy, nhưng PLL dưới dạng vi mạch đơn khối có khả
năng thực hiện nhiều chức năng nhất trong các thiết bị điện tử viễn thông tương tự,

công tác ở nhiều lĩnh vực khác nhau.
2.3.2, Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của PLL





Hình 2.12: Sơ đồ khối PLL

PLL là 1 hệ thống hồi tiếp gồm có 1 bộ so pha thực chất là bộ tách sóng pha, bộ
lọc thông thấp (LTT) và bộ khuếch đại sai số trên đường truyền tín hiệu thuận và bộ
tạo dao động được điều chỉnh bằng điện áp (VCO) trên đường hồi tiếp.
23

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
Thực chất, PLL 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 sót về tần số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra,
nghĩa là PLL làm cho tần số ra
ω
0
của tín hiệu so sánh theo tần số vào
ω
i của tín hiệu
vào. Bộ tách sóng pha sẽ tạo ra 1 điện thế tỷ lệ với sự sai pha giữa tín hiệu vào và tín
hiệu ra của VCO. Tín hiệu sai số này Vp(t) qua bộ lọc thông thấp để loại trừ nhiễu và
những thành phần không mong muốn, sau đó khuếch đại và đưa đến VCO. Tín hiệu
điều chỉnh này sẽ làm thay đổi tần số dao động của VCO sao cho tín hiệu tần số của tín
hiệu vào và tín hi
ệu ra giảm dần và tiến tới 0, nghĩa là :

ω
0
=
ω
i
…
Để hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của hệ thống PLL, ta xét đặc tuyến truyền
đạt tần số – điện áp của vòng khóa pha PLL như sau:
Giả sử ở cửa vào của hệ thống có một tín hiệu hình sin mà tần số của nó biến
thiên chậm trong phạm vi toàn bộ dải tần, còn trên trục trong ghi các giá trị tương ứng
của điện áp tín hiệu sai số.








Hình 2.13:
Đặc tuyến truyền đạt tần số – điện áp của vòng khóa pha PLL
Qua đặc tuyến trên, ta nhận thấy rằng, vòng PLL không đáp ứng với tín hiệu
vào cho tới khi tần số của nó đạt giá trị f
1
= (f
0
- f
c
) với f
c

là tần số cắt của bộ lọc thông
thấp. Tần số f
1
tương ứng với biên giới của dải bắt. Tại f
I
= f
1
, vòng khóa pha PLL
khóa đầu vào một cách đột ngột gây ra một bước nhảy âm của vòng điện áp sai số. Sau
đó khi tần số vào f
I
tăng lên tiếp tục, điện áp khống chế V
d
thay đổi theo tần số với
một độ dốc bằng sự nghịch đảo của độ lợi VCO và tiến đến giá trị “0” tại f
I
= f
0
.
24

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
Vòng còn duy trì đồng bộ đầu vào cho đến khi tần số số đầu vào đến f2, tương
ứng với biên trên của dải đồng bộ hay dải giữ. Khi mà f
I
> f
2
, vòng PLL vượt ra ngoài
dải đồng bộ, tức là PLL hết duy trì sự đồng bộ, điện áp sai số đột ngột trở về giá trị “0”
và VCO trở lại “ chạy tự do” ở tần số dao động của nó.

Nếu tín hiệu đầu vào có tần số biến thiên chậm theo hướng ngược lại, (xét đặc
tuyến b) thì chu trình hoạt động được lặp lại như hình trên (a). Vòng bắt trở lại tín hiệu
tại f3 và giữ nó cho đến tận f
4
với f
3
=
⏐
f
0
+ f
c
⏐
.
Dải tần số giữa (f
1
, f
3
) và giữa (f
2
, f
4
) tương ứng với dải bắt và dải giữ (hay
đồng bộ) của hệ thống PLL:
Dải bắt 2
Δ
f
b
= f
3

– f
1

Dải giữ 2
Δ
f
g
= f
4
– f
2

Ta nhận thấy rằng dải bắt là dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải có tần số
nằm trong phạm vi của nó để PLL có thể thiết lập được chế độ đồng bộ. Còn khi hệ
thống đã ở chế độ đồng bộ thì tần số VCO có khả năng bám theo tần số tín hiệu vào
trong một dải tần số tín hiệu vào trong một dải tần s
ố lớn hơn, đó là dải giữ hay dải
đồng bộ. Như vậy, hệ thống PLL có sự chọn lọc tự nhiên về tần số trung tâm f0 mà tần
số chạy của VCO phải bám theo và hệ thống PLL chỉ đáp ứng với những tín hiệu vào
có tần số cách tần số trung tâm f
0
một khoảng không vượt quá
Δ
f
b
hay
Δ
f
g
(nếu như

tình trạng ban đầu của PLL đã ở trong chế độ đồng bộ).
Sự tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt tần số – biên độ của hệ thống PLL được xác
định duy nhất bởi độ lợi chuyển đổi của VCO. Như vậy, trong nhiều ứng dụng VCO
yêu cầu có đặc tuyến truyền đạt điện áp – tần số tuyến tính cao. Dả
i bắt của PLL phụ
thuộc vào dải thông của bộ lọc (
Δ
f
b
=
Δ
f
g
), còn dải giữ phụ thuộc vào biên độ điện áp
điều khiển V
d (t)
và vào khả năng biến đổi tần số của VCO.
2.3.3, Các khối cơ bản của PLL
2.3.3.1, Bộ tách sóng pha
Bộ tách sóng pha có nhiệm vụ cho ra một tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha (hiệu
tần số) của 2 tín hiệu vào, thường là tín hiệu hình sin hoặc dãy xung chữ nhật. Người
ta phân biệt: tách sóng pha tuyến tính và tách sóng pha phi tuyến (tách sóng pha số).
25

BÁO CÁO NCKH CÀI ĐẶT TẦN SỐ MÁY PHÁT FM BẰNG BÀN PHÍM
Tách sóng pha tuyến tính thường được thực hiện bởi mạch nhân tương tự. Tín
hiệu ra của nó tỷ lệ với biên độ các tín hiệu vào.
Bộ tách sóng pha số được thực hiện bởi các mạch số. Tín hiệu vào của nó là dãy
xung chữ nhật. Tín hiệu ra không phụ thuộc vào biên độ các tín hiệu vào.
Mạch so pha đơn giản nhất thích hợp với tổ hợp đơn khối: là tách sóng pha loại:

“cầu dao chuyển mạch”. Nó vậ
n hành như một cầu dao đồng bộ hóa và được đóng, mở
bằng đầu vào chuẩn. Một cách hiệu quả là nó “chóp” (chops) tín hiệu vào ở cùng chu
kỳ lập lại như sự kích thích chuẩn. Thông thường sự kích thích chuẩn được cung cấp
bằng đầu ra VCO. Nó được mô phỏng như sau:





Hình 2.14: Cầu dao chuyển mạch

Dạng sóng đầu ra tiêu biểu cho bộ so pha loại cầu dao chuyển mạch khi tín hiệu
vào có dạng sin và tín hi
ệu kích thích cầu dao là sóng vuông. Điện áp sai số lọc V
D

tương ứng với giá trị trung bình của dạng sóng đầu ra (được cho bởi vùng sậm trên
dạng sóng). Khi PLL ở điều kiện hoàn toàn khóa:V
D (t)
= 0 thì tín hiệu VCO lệch pha
90
0
so với tín hiệu đầu vào V
i
.