Tài liệu Thiết kế bộ bảo mật điện thoại, chương 11 docx

Chương 11: THIẾT KẾ MẠCH
1. THIẾT KẾ MẠCH DAO ĐỘNG CHUẨN:
Để điều chế hay giải điều chế đòi hỏi phải có sóng mang. Sóng
mang được tạo bởi mạch dao động. Việc tạo ra mạch dao động có thể thực hiện
bằng nhiều phương pháp. Ở đây, người thiết kế chọn mạch dao bằng thạch anh
để tạo ra sóng vuông chứ không tạo ra sóng sin vì sóng vuông dễ tạo, dễ kiểm
soát biên độ, dễ chia tần số và cũng vì mạch dao động bằng thạch anh có nhiều
ưu điểm hơn các mạch dao động khác sẽ được nói ở phần phụ lục.
Xét mạch dao động dùng cổng đảo:

HÌNH 2
Tần số dao động được quyết đònh bởi thạch anh.
Trong thiết kế, người thiết kế chọn:
Thạch anh có tần số 4,43Mhz vì dễ tìm thấy trên thò trường.
Mạch dao động sử dụng cổng đảo CMOS là IC 4049 (Inverting
Buffer)
Điện trở R
1
đóng vai trò là điện trở hồi tiếp âm từ ngõ ra đến ngõ
vào của tầng đảo CMOS.
Để mạch hoạt động ổn đònh thì:
5M
  R
1
 100M
Chọn R
1
= 10M
Cổng đảo CMOS có độ lợi 10
4
. Độ lợi này được điều chỉnh với biến

trở R
2
.
R
2
= (2  10) R
thạch anh
Chọn R
2
= 2K
C
1
C
2
R
1
R
2





Tụ C
1
, C
2
dùng để điều chỉnh nhỏ trong tần số và dùng ngăn cản
thạch anh dao động với tần số khác tần số cơ bản.
Thường chọn C

1
= C
2
= 60 pF
Trong thiết kế mạch dao động tạo sóng mang đòi hỏi tần số
f
0
=4,3KHz. Thạch anh dao động tạo ra tần số 4,43MHz. Vì vậy phải đưa qua
mạch chia tần số sử dụng IC CD4040. Ngõ ra là Q
10
, như vậy tần số sẽ là:
Mạch dao động thạch anh tạo sóng mang:

HÌNH 3 : MẠCH DAO ĐỘNG THẠCH ANH

2. THIẾT KẾ MẠCH HYBRID:
Sơ đồ mạch :

KHzf 3,4
2
1043,4
10
6
0



16
16
14






CLK Q
10
CD 4040
60 pF
10M

2K

60 pF
+ 6V
OUT
IC 4049
IC 4049
+
-
V
3
R
1
R
2
R
3





V
1
V
2
R
0
HÌNH 4 :MẠCH HYBRID
Yêu cầu thiết kế cho mạch Hybrid trên:
- Tín hiệu từ 1 sang 2 mà không sang 3.
- Tín hiệu từ 2 sang 3 mà không sang 1.
Xây dựng hàm truyền của mạch:
 Tính V
3
khi chỉ có V
1
(nối tắt V
2
):
Ta có :
 Tính V
3
khi chỉ có V
2
(nối tắt V
1
):
Ta có:
 Khi có cả V

1
và V
2
:
Ta có :
1
2
1
1
21
30
0
3
3
1
2
1
21
1
30
0
1
1
3
122
1
1
3
2
1

30
0
1
1
11
V
R
R
R
RR
RR
R
V
V
R
R
R
RR
V
RR
R
V
R
V
RR
V
R
V
R
VV

R
VV
RR
R
VVV





































2
2
21
30
3
3
2
21
3
1
3
12
1
3
2
2
3
3
V

R
RR
RR
R
V
V
R
RR
V
R
V
R
V
R
V
R
VV
R
V
V
RR
R
VV
o

















2
2
21
30
3
1
2
1
1
21
30
0
3
1 V
R
RR
RR
R
V
R

R
R
RR
RR
R
V


























Để tín hiệu từ 1 không sang 3, ta phải có:
Thay (*) vào biểu thức V
3
ta được:
V
3
= V
2
Ta thấy nếu điều kiện trên được thõa mãn thì tín hiệu từ 2 không sang
1
Vì biến áp phối hợp trở kháng 600
:600 (R
0
= 600) nên ta chọn:
R
1
= R
2
=10K
Suy ra :

Chọn : R
3
= 560
3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU CHẾ – GIẢI ĐIỀU CHẾ CÂN BẰNG
(DSB):

Điều chế – giải điều chế DSB được thực hiện bằng vi mạch LM
1496 (LM1596) và MC 1496. Tất cả đều như nhau. Ứng dụng là điều chế cân

bằng triệt sóng mang, điều chế tách đồng bộ, tách FM, PM, hay nhân tần dải
rộng.
Các giá trò danh đònh:
 P tiêu tán : 500mW
 Điện áp nguồn : 30V
 Tín hiệu vào vi sai(V
7
– V
8
) :  5V
 Tín hiệu vào vi sai(V
4
– V
1
) :  (5+I
5
R
0
)V
 Tín hiệu vào (V
2
– V
4
, V
3
– V
4
) : 5V
   
 








3
2
1
0
3120
301210
1
21
30
0
0
01
R
R
R
R
RRRR
RRRRRR
R
RR
RR
R
 600

1000
1000
600
1
2
03
R
R
RR
 Dòng thiên áp (I
5
) : 12mA
 Nhiệt độ sử dụng : 0
0
- 70
0
Cấu tạo bên trong LM1496:

Chức năng các chân:
1 : signal in (+) 8 : carrier in (+)
2 : gain adjust 9 : NC
3 : gain adjust 10 : carrier in (-)
4 : signal in (-) 11 : NC
5 : bias 12 : output (-)
6 : output (+) 13 : NC
7 : NC 14 : -V
EE
Sơ đồ mạch điều chế :
+
 

1
4 8 10
LM 1496
4 5 2 3 12
+
 















SÓNG MANG
TÍN HIỆU
TÍN HIỆU DSB
1K

1K

1K


1K

51

6,8K
3,9K
51

R
E
6V
6V
-
6V
-
6V
1
6
3,9K

HÌNH 5 :MẠCH ĐIỀU CHẾ DSB

Tính các giá trò linh kiện phân cực cho IC đã chọn :

 V
5
= - 0,7266,8= - 4,9V
Dòng cực phát Q
7
:

Dòng cực phát Q
5
, Q
6
,Q
8
:
I
Ẹ5
= I
E6
= I
E8
= I
E7
= 0,8mA
Dòng cực thu Q
1
, Q
2
, Q
3
, Q
4
:
I
C1
= I
C2
= I

C3
= I
C4
= I
E7
/2 = 0,4mA
Dòng chân 6 và chân 12 :
I
6
= I
12
= 2I
C1
= 0,8mA
p chân 6 và chân 12 :
V
6
= V
12
= 6 – 0,8 3,9 = 2,88V
p chân 1 và chân 4 :
V
1
= V
4
= -6/2 = -3V
p chân 2 và chân 3 :
V
2
= V

3
= V
1
– 0,7 = - 3,7V
p chân 8 và chân 10 :
V
8
= V
10
 0V

Nhà sản xuất khuyến cáo nên sử dụng mức sóng mang đưa vào là
300mV. Vì ở mức biên độ này tạo ra độ triệt sóng mang tốt.
Độ lợi của mạch được đònh bởi:
Trong đó:
R
E
: điện trở điều chỉnh độ lợi
mAI 726,0
5,08,6
7,06
5




mAI
E
8,0
5,0

7,09,46
7




 
eE
LC
m
rR
q
KT
RV
K
222 



36
726,0
2626
26
5
mA
mV
I
mV
r
mV

q
KT
e
V
C
: biên độ sóng mang
R
L
: điện trở chân 6
Độ lợi này đạt giá trò tối đa khi nối tắt R
E
:
Khuyến cáo của nhà sản xuất: K
m
= 10  15
Chọn K
m
= 15, ta tính được R
E
= 1K
Mạch giải điều chế được thực hiện ngược lại, nghiã là khi cho tín hiệu
SSB vào chân 1 thì nhận được tín hiệu AF ở chân 6.

4. THIẾT KẾ MẠCH LỌC TẦN THẤP:

Tín hiệu điện thoại có tần số từ 300Hz – 3400Hz, tần số sóng mang
đưa vào mạch điều chế cân bằng là 4300Hz nên sau khi điều chế có biên tần:
Biên tần dưới : 900Hz
 4000Hz
Biên tần trên : 4600Hz

 7700Hz
Trong bộ Telephone Scrambler này sử dụng biên tần dưới nên dùng
mạch lọc tần thấp nối ở đầu ra của mạch điều chế và giải điều chế. Tần số cắt
trên của mạch lọc tần thấp này là 4000Hz, chất lượng tín hiệu càng tốt nếu sử
dụng bậc của mạch lọc càng cao, nhưng mạch lọc có bậc càng cao sẽ gặp rất
nhiều khó khăn trong việc thiết kế tính toán, hơn nữa trong thông tin điện thoại
thì chỉ tiêu nghe rõ là hàng đầu, Còn chất lượng thì yêu cầu vừa phải cho nên ở
đây sẽ chọn mạch lọc tần thấp bậc 3.
Mạch lọc gồm có hai loại là mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực.
Mạch lọc thụ động đơn giản nhưng nhược điểm là làm suy giảm năng lượng
qua nó mà không có khả năng khuếch đại, khó phối hợp trở kháng với các
mạch ghép. Cho nên người thiết kế chọn mạch lọc tích cực do những ưu điểm
là hệ số truyền đạt tăng, ảnh hưởng với tải không đáng kể.
Mạch lọc tích cực có nhiều loại. Ở đây người thiết kế chọn mạch lọc
Butterworth vì mạch điện đơn giản, còn các tính năng của nó gần như thỏa mãn
các tính ưu việt của mạch lọc Bessel và Chebyshev.
Thực hiện mạch lọc tần thấp bậc 3 bằng cách ghép nội liên tiếp hai
mạch lọc tần thấp bậc 2 và bậc 1 để có được bộ suy giảm –60dB/D
Mạch điện :
221
362102622
109,33,0
222
3
3
max





e
LC
m
r
q
KT
RV
K
HÌNH 6 : MẠCH LỌC TẦN THẤP BẬC 3
HÌNH 7 : ĐẶC TUYẾN BIÊN ĐỘ CỦA MẠCH LỌC BUTTERWORTH
TẦN THẤP BẬC 3
V
01
+
-




R
1
R
2
R
3
R
NF1
C
1
C

2
V
I

+
-

V
0
R
NF2
C
3
0,707
-
60

A
V

dB

A
V



c
10


c
1
0
-
3
Hàm truyền của mạch lọc này bằng tích số hệ số truyền đạt của 2
mạch lọc tần thấp : bậc 2 và bậc 1 nên ta có:
A
(P)
= A
1(P)
 A
2(P)
Mạch lọc tần thấp bậc 1:
Hệ số truyền đạt 1 chiều A
02
= 1
Dựa vào bảng 1 ta có a
2
= 1
a
2
= 
C
R
3
C
3
Tần số cắt f
C

= 4KHz
Chọn R
3
= 18K

C
3
= 0,0022 ( F )
Mạch lọc tần thấp bậc 2:
Dựa vào bảng 1 ta có : a
1
= b
1
= 1
Hệ số truyền đạt 1 chiều A
01
= 1
a
1
= 
c
C
1
(R
1
+ R
2
)
b
1

= 
c
2
C
1
C
2
R
1
R
2
Để dễ cho việc tính toán ta chọn :
II
V
U
U
U
U
U
U
A
01
01
00

 
 
PCR
A
A

Pa
A
A
C
P
P
33
02
2
2
02
2
1
1





3
3
33
33
2
1
1
2
1
Rf
C

CR
f
CR
C
C
C






 
 
 
2
2121
2
211
01
1
2
11
01
1
1
1
PCCRRPRRC
A
A

PbPa
A
A
CC
P
P





R
1
= R
2
= R
3
= R = 18K
Thường chọn điện trở hồi tiếp R
NF
bằng với điện trở ngõ vào (R
NF
:
điện trở bù dòch pha lúc tần số bằng 0)
R
NF1
= R
1
+ R
2

= 36K
R
NF2
= R
3
= 18K
Vậy :
R
1
= R
2
= R
3
= 18K
C
1
= 0,001F = 102
C
2
= 0,0047F = 472
C
3
= 0,0022F = 222
R
NF1
= 39K
R
NF2
= 18K
5. MẠCH ĐIỀU KHIỂN RELAY:

HÌNH 8: MẠCH ĐIỀU KHIỂN RELAY
Nguồn cung cấp V
CC
=  6V
 
 
FC
RC
C
RCC
FC
R
C
RC
C
C
C
C






0044,02
1
1
0011,0
2
1

2
1
12
3
2
1
2
2
2
21
2
31
1





-
V
CC

D
1
D
2
R
C
R
B

R
L
C
SCR
Q
OPTRON
+V
CC









SCRAMBLER
Chọn Relay OMRON G2R-2 có :
- Giá trò sử dụng : 12VDC , 120VAC
- Giá trò đònh mức : 5A 250VAC
5A 30VDC
Đo nội trở của cuộn dây ta có : R
L
= 250
Dòng sử dụng qua Relay:
Từ sổ tay tra cứu, diode có độ trôi nhiệt tối thiểu 10mA nên ta chọn
dòng qua Led là I
D2
= 10mA.

 I
C
= I
RL
+ I
D2
= 48 + 10 = 58mA
Khi chọn Q thì chọn thông số lớn hơn K lần thông số tính toán.
K : hệ số an toàn
K = 1,5
 3
I
C
= 58mA  3 = 174mA
Từ dòng I
C
ta chọn Q là D468
D468 có :
- P
max
= 900mW
- V
CE
= 30V
- I
C
= 1A
-  = 60
Q hoạt động ở chế độ đóng ngắt (bão hoà) nên cách tính I

B
I
B
= aI
B
’
a : hệ số bảo hoà
a = 4  10 (thường chọn a = 6)
Dựa vào I
B
ta chọn OPTRON là CNY 17
Thông số CNY 17:
 Emitter (GaAs IRED ):
Điện áp ngược : 6V
Dòng thuận : 60mA
Dòng tăng vọt : 2.5A
Công suất : 100mW
 
A
R
V
R
L
CC
L
048,0
250
12
2


mAmAaII
mAmAO
mAI
I
BB
C
B
616
197,
60
58
'
'



 Detector (Phototransitor):
Điện áp ngược V
CE
: 70V
Điện áp ngược V
BE
: 7V
Dòng I
C
: 50mA
Công suất : 150mW
Dòng cung cấp cho Led hồng ngoại từ tổng đài chọn 10mA mà
CNY17 có Led hồng ngoại dòng cực đại đến 60mA nên có thể chòu đựng
được.

I
E
= I
B
+ I
C
= 6mA + 58mA = 64mA
Dựa vào I
E
ta chọn SCR là 2N2009
2N2009 có :
- Điện áp ngược lớn nhất là 25V
- Dòng kích là 20mA
- Điện áp kích là 1V
- Sụt áp chiều thuận là 1,2V
- Dòng thông dẫn lớn nhất là 1A
Chọn R
C
= 1K / 0,25W

V
CEOT
: điện áp V
CE
của OPTRON
Chọn R
B
= 1,8K / 0,25W
Để tụ nạp xả hoạt động tốt ở tần số 3400Hz với chu kỳ
T = 1/ f = 0,03ms

Nên chọn thời hằng nạp xã của tụ C và R
B
nhỏ hơn T rất nhiều

 = 0,01ms

 = R
B
.C
 C =  / R
B
= 0,0056F
Chọn C = 472

6. THIẾT KẾ NGUỒN CUNG CẤP :
Khối nguồn đóng vai trò rất quan trọng trong các mạch điện. Trong
kỹ thuật điện tử đòi hỏi giá trò điện áp nguồn cung cấp phải ổn đònh. Do vậy,
người thiết kế sử dụng nguồn ổn áp.
Yêu cầu đòi hỏi đối với nguồn ổn áp DC:
- Điện áp ở ngõ ra phải luôn luôn ổn đònh khi ngõ vào thay đổi.
- Dộ miễn nhiễu cao.
Trước khi thiết kế nguồn ổn áp ta phải xét dòng tiêu thụ cho toàn
mạch. Sau khi tính toán các linh kiện tiêu thụ người thiết kế thấy dòng tiêu thụ
khoảng vài trăm mA nên có thể chọn IC ổn áp họ 7800 và 7900.
HỌ Dung sai điện Điện áp sai Dòng đònh Điện áp ra


 
 
WIRP

KR
I
VVVVV
R
DCR
C
D
CCGKDCEQCC
C
C
1,0101010
110
1010
2,16,02,012
2
332
2
3
3
2
2















 
 
WIRP
KR
I
VVVVV
R
BBR
B
B
CCGKBEQCEOTCC
B
B
06012,010.610.67,1.
67,110.67,1
10.6
2,16,02,012
2
332
3
3












áp ra biệt MIN mức khã dụng
A7800 4% 2V  3V 1,5A 5V  24 V
A7900 5% 2V  3V 1,5A 5V  24 V
Trong thiết kế đòi hỏi nguồn đôi  6V nên dùng 2 IC: A7806 và
A7906 để có được nguồn DC ổn đònh cho mạch hoạt động.
Sơ đồ mạch điện:
HÌNH 9 : MẠCH NGUỒN CUNG CẤP
C
1
= C
2
=1000F/16V
C
3
= C
4
= 0,1F
0V
7806
7906
C
1
C

2
C
3
C
4
+ 6V
-
6V
AC
220V









+
+