Đang tải... (xem toàn văn)
Truyền thông (Communication) là tất cả sự trao đổI, vận chuyển thông tin bằng hình thức này hoặc hính thức khác. Ví dụ: Bạn đang đọc tài liệu này, tờ báo đã đọc sáng nay, chuyến tàu chở bạn đi t
71 Chơng Vòng khoá pha PLL điện tử thông tin 6.1 Tổng quan Vòng khoá pha (Phase Locked Loop - PLL) Vòng khoá pha PLL l hệ thống vòng kín hồi tiếp, tín hiệu hồi tiếp dùng để khoá tần số v pha tín hiƯu theo tÇn sè vμ pha tÝn hiƯu vμo Tín hiệu vo có dạng tơng tự hình sine dạng số ứng dụng PLL vo năm 1932 việc tách sóng đồng Ngy nay, nhờ công nghệ tích hợp cao lm cho PLL có kích thớc nhỏ, độ tin cậy cao, giá thnh rẻ, dễ sử dụng Kỹ thuật PLL đợc ứng dụng rộng rÃi mạch lọc, tổng hợp tần số, ®iỊu chÕ vμ gi¶i ®iỊu chÕ, ®iỊu khiĨn tù ®éng v.v Có hng chục kiểu vi mạch PLL khác nhau, số đợc chế tạo phổ thông đa dạng, số đợc ứng dụng đặc biệt nh tách âm (Tone), giải mà Stereo, tổng hợp tần số Trớc đa phần PLL bao gồm mạch số lẫn tơng tù HiƯn PLL sè trë nªn phỉ biÕn 6.2 Sơ đồ khối vi(t), fi Tách sóng pha vd(t) Lọc thông thấp vdc(t) khuếch đại chiều vo(t), fo VCO vdk(t) fN Hình 6.1 Sơ đồ khối vòng giữ pha PLL + Tách sóng pha: so sánh pha tÝn hiƯu vμo vμ tÝn hiƯu cđa VCO ®Ĩ t¹o tÝn hiƯu sai lƯch Vd(t) 72 + Läc thông thấp: lọc gợn điện áp Vd(t) để trở thnh điện áp biến đổi chậm Vdc(t) v đa vo mạch khuếch đại chiều + Khuếch đại chiều: khuếch đại điện áp chiều Vdk(t) để đa vo điều khiển tần số mạch VCO + VCO (Voltage Controled Oscillator): dao động m tần số đợc điều khiển điện áp đa vo 6.3 Hoạt động mạch 6.3.1 Nguyên lý hoạt động Vòng khoá pha hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển m đại lợng vo v l tần số v chúng đợc so sánh với pha Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát v điều chỉnh sai số nhỏ tần số tín hiệu vo v NghÜa lμ PLL lμm cho tÇn sè f o tín hiệu VCO bám theo tần số f i cđa tÝn hiƯu vμo Khi kh«ng cã tÝn hiƯu vi ngõ vo, điện áp ngõ khuếch đại Vdc(t) =0, dao động VCO hoạt động tần số tự nhiên fN đợc ci đặt điện trở, tơ ®iƯn ngoμi Khi cã tÝn hiƯu vμo vi , tách sóng pha so sánh pha v tần số cđa tÝn hiƯu vμo víi tÝn hiƯu cđa VCO Ngõ tách sóng pha l điện áp sai lƯch Vd(t), chØ sù sai biƯt vỊ pha vμ tÇn số hai tín hiệu Điện áp sai lệch Vd(t) đợc lọc lấy thnh phần biến đổi chậm Vdc(t) nhờ lọc thông thấp LPF, khuếch thnh tín hiƯu Vdk(t) ®−a ®Õn ngâ vμo VCO, ®Ĩ ®iỊu khiĨn tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vo §Õn tÇn sè f0 cđa VCO b»ng tÇn sè fi cđa tÝn hiƯu vμo, ta nãi bé VCO ®· bắt kịp tín hiệu vo Lúc sai lệch tín hiệu ny l sai lệch pha m Bộ tách sóng pha tiếp tục so sánh pha tín hiệu ®Ĩ ®iỊu khiĨn cho VCO ho¹t ®éng cho sù sai lệch pha chúng giảm đến giá trị bé nhÊt BL = fmax – fmin B C = f2 – f1 B C = f2 – f1 fN f1 fN f2 a/ Dải bắt fmin f1 f2 b/ Dải khóa Hình 6.2 Dải bắt v dải khóa PLL fmax 73 Dải bắt BC (Capture range): ký hiệu BC=f2- f1, l dải tần số m tín hiệu vo thay đổi nhng PLL đạt đợc khoá pha, nghĩa l VCO bắt kịp tần số tín hiệu vo Nói cách khác, l dải tần số m tín hiệu vo ban đầu phải lọt vo để PLL có thĨ thiÕt lËp chÕ ®é ®ång bé (chÕ ®é khãa) BC phụ thuộc vo băng thông LPF Để PLL đạt đợc khóa pha độ sai lệch tần số (fi - fN) phải nằm băng thông LPF Nếu nằm ngoi băng thông PLL không đạt đợc khóa pha biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh Điện áp sau LPF (fi fN) băng thông LPF đồng đợc (fi fN) ngoi băng thông LPF, không đồng đợc f Hình 6.3 Điện áp sau lọc thông thấp Giả sử mạch PLL đà đạt đợc chế độ khoá, VCO đà đồng với tín hiệu vo Bây ta thay đổi tần số tín hiệu vo theo hớng lớn tần số VCO VCO bám theo Tuy nhiên tăng đến giá trị no VCO không bám theo đợc v quay tần số tự nhiên ban đầu Ta lm tơng tự nh nhng thay đổi tần số tín hiệu vo theo hớng nhỏ tần số VCO Đến giá trị no tần số tín hiệu vo VCO không bám theo đợc v trở tần số tự nhiên Dải giá trị tần số tõ thÊp nhÊt ®Õn cao nhÊt ®ã cđa tÝn hiƯu vo đợc gọi l dải khoá Từ ta định nghÜa: D¶i khãa BL (Lock range): ký hiƯu BL=fmax- fmin, l dải tần số m PLL đồng đợc tần số f0 với fi Dải ny gọi l đồng chỉnh (Tracking range) Các tần số fmax, fmin tần số cực đại v cực tiểu m PLL thực đợc khóa pha (đồng bộ) Dải khóa phụ thuộc hm truyền đạt (độ lợi) tách sóng pha, khuếch đại, VCO Nó không phụ thuộc vo đáp tuyến lọc LPF v× PLL khãa pha th× fi- f0 = Khi PLL ch−a khãa pha: fi ≠ f0 Khi PLL khãa pha: fi = f0 ë chÕ ®é khãa pha, dao động f0 VCO bám đồng theo fi dải tần khóa BL rộng dải tần bắt BC 74 Ví dụ: VCO vòng khoá pha PLL có tần số tự nhiên 12MHz Khi tần số tín hiệu vo tăng lên từ giá trị 0Hz vòng PLL khoá giá trị 10MHz Sau tiếp tục tăng bị khoá pha 16MHz HÃy tìm dải bắt v dải khoá Ta lặp lại bớc nhng bắt đầu với tần số tín hiệu vo có giá trị cao, sau giảm dần HÃy tính tần sè mμ PLL thùc hiƯn kho¸ pha vμ mÊt kho¸ pha BL = fmax – fmin B C = f2 – f1 fN fmin f1 10 f2 12 fmax MHz 14 16 Hình 6.4 Dải bắt v dải khoá PLL Dải bắt: Dải khoá: BC = f2 f1=2(12-10)=4MHz BL = fmax fmin=2(16-12)=8MHz Đáp ứng vòng PLL có tính đối xứng, nghĩa l tần số tự nhiên trung tâm dải khoá v dải bắt Do đó, giảm tần số tín hiệu vo đến 14MHz PLL bắt đầu thực khoá pha (VCO bám đuổi tín hiệu vo) Tiếp tục giảm tần số tín hiệu vo đến giá trị 8MHz PLL bắt đầu khoá pha (VCO không bám bám đuổi tín hiệu vo đợc nữa) 6.3.2 Tính chÊt cđa PLL tun tÝnh Gi¶ sư tÝn hiƯu vμo bé PLL vμ tÝn hiƯu cđa m¹ch VCO lμ tín hiệu hình sine có dạng: vi (t ) = Vi sin ω i t , vo (t ) = Vo sin(ω o t + ϕ o ) ϕ o l pha ban đầu vo(t) (t ) = (ω i − ω o )t − ϕ o : độ lệch pha vi(t) v vo(t) K , K d , K o : lần lợt l hệ số truyền đạt tách sóng pha, lọc thông thấp+khuếch đại chiều v VCO 75 vi(t), i Tách sóng pha vd(t) Lọc thông thấp vdc(t) khuếch đại chiều vo(t), o VCO vdk(t) N Hình 6.1 Sơ đồ khối vòng giữ pha PLL Trong dải khoá, PLL l mạch điều khiển tuyến tính Theo giả thiết trên, ta có điện áp cđa bé t¸ch sãng pha nh− sau: v d (t ) = Kvi (t )vo (t ) = KViVo sin ω i t sin(ω o t + ϕ o ) = = KViVo {cos[(ω i − ω o )t − ϕ o ] − cos[(ω i + ω o )t + ϕ o ] (6.1) Khi tÇn sè giíi hạn lọc thông thấp thấp nhiều so víi (ω i + ω o ) th× cã thĨ bá qua thμnh phÇn tÇn sè tỉng biểu thức (6.1) v ta có điện áp điều khiĨn ®−a ®Õn bé VCO: v dk (t ) = Kvi vo = K d K ViVo G[ j (ω i − ω o )] cos[(ω i − ω o )t − ϕ o ] = VV = K d K i o G[ j (ω i − ω o )] cos ϕ (t ) (6.2) Trong ®ã: G[ j (ω i − ω o )] : Module hm truyền đạt lọc Xung quanh điểm lμm viƯc tÜnh, tÇn sè VCO tØ lƯ tun tÝnh với điện áp điều khiển vdk Do đó, ta có thÓ viÕt: ω o − ω N = K o v dk (6.3) Trong đó: N : l tần số dao động tự nhiên VCO (tơng ứng với vdk=0) Trong dải bắt, i = số hiệu pha vi v vo không thay ®ỉi vμ b»ng ϕ o v× ω i = ω o Do ®ã, tõ (6.2) ta suy ra: 76 v dk = K d K ViVo cos ϕ o (6.4) Điện áp điều khiển vdk l điện áp chiều, lm cho tần số VCO thay đổi Δf = f o − f N = f i − f N (6.5) Δω = ω o − ω N = K o v dk (6.6) l−ỵng: Hay Thay (6.4) vμo (6.6) vμ gi¶ thiÕt ϕ o = ta tính đợc độ lệch tần tối đa: L = K o K d K ViVo (6.7) 2Δω L = K o K d KViVo Suy ra: BL = fmax - fmin B C = f2 - f1 B C = f2 - f1 fN fN f1 fmin f2 f1 f2 fmax Hình 6.2 Dải bắt v dải khãa cđa PLL NghÜa lμ tÇn sè cđa VCO chØ bám theo tần số vo dải o L với điều kiện trớc mạch đà hoạt động (đà dải khoá) Vì 2Δω L hay B L = f − f = 2f L đợc gọi l dải khoá PLL Nó đợc phân bố đối xứng với tần số dao ®éng tù f N cđa VCO vμ nh− đà nói, không phụ thuộc vo dải thông lọc Dải bắt tính đợc nh sau: Nếu tách mạch điều khiển đầu vo VCO tÇn sè lμ f o = f N Điện áp điều khiển cực đại (khi đóng mạch) đa ®Õn VCO ®−ỵc tÝnh theo biĨu thøc (6.2) v dk = K d K ViVo G[ j (ω i − o ) (6.8) Điện áp ny lm tần số VCO thay đổi lợng: * = K o v dk = K o K d K ViVo G[ j (ω i − ω o ) (6.9) 77 Sao cho đầu tách sóng pha cã tÇn sè: ' ω i − ω o = ω i − ω N ± Δω * (6.10) Tõ (6.10) ta có dải bắt PLL tuyến tính: C = 2Δω * ≈ K o K d KViVo G ( jΔω C ) v dk (6.11) Δω C N i L v dk Dải Khoá L N i C Dải bắt Hình 6.5b Cơ chế khoá v bắt PLL Cũng nh lý luận phần trên, theo hình 6.5b tần số PLL bám theo tần số vo i ω o' < Δω L víi ®iỊu kiƯn PLL ®· hoạt động dải bắt V i ω o' < Δω C nÕu tr−íc ®ã PLL ch−a nằm dải bắt Nhờ chế khoá v bắt nên PLL có tính chọn lọc theo tần số 6.3.2 Các thnh phần PLL 6.3.2.1 Bộ tách sóng pha (Phase Detector): gọi l so sánh pha Có ba loại tách sóng pha: 78 Loại tơng tự dạng mạch nhân có tín hiệu tỷ lệ với biên độ tín hiệu vo Loại số thực hiƯn bëi m¹ch sè EX-OR, RS Flip Flop v.v cã tÝn hiƯu biÕn ®ỉi chËm phơ thc ®é réng xung ngâ tøc lμ phơ thc sai lƯch pha hai tín hiệu vo Loại tách sóng pha lấy mẫu 1/ Bộ tách sóng pha tơng tù: vi = Asin(ωit + θi) Vdc(t) Vd(t) X LPF vi = 2cos(0t + 0) Hình 6.5 Nguyên lý hoạt động tách sóng pha tơng tự Bộ đổi tần hay mạch nhân thực nhân hai tín hiệu Ngõ có điện áp: Vd (t ) = A sin[(ωi − ω0 )t + (θ i − θ )] + A sin[(ωi + ω0 )t + (θ i + θ )] Qua bé läc th«ng thấp LPF, thnh phần tần số thấp Khi khóa pha (i=0) có Vd = Asin (i-0) Điện áp ny tỷ lệ với biên độ điện áp vo A vμ ®é sai pha θe=θI- θ0 NÕu θe nhá, hμm truyền đạt tách sóng pha coi nh tuyến tính Dải khóa giới hạn |e| LPF VCO Hình 6.16 Giải điều chế FSK dùng PLL 6.4.4 Đồng tần số ngang v dọc TV fsyn Phase Detector LPF VCO f0 = fsyn Hình 6.17 mạch đồng tần số ngang v dọc 6.4.5 Giải điều chế AM Tín hiệu AM có dạng VAM(t) = Vt[1+mcosst]cos0t Trong tín hiệu âm tần vs(t)= Vscosst đợc giải điều chế cách nhân víi tÝn hiƯu sãng mang VLO(t) =Acos(ω0t + θ0) VAM(t) V(t) × V0(t) LPF VLO(t) = Acos(ω0t + θ0) V(t) = VAM(t).VLO(t) = Vt [1+mcosωst]cosω0t.Acos(ω0t + θ0) 88 V( t ) = Vt A[1 + m cos ωs t ] [cosθ + cos(2ω0 t + θ )] Qua LPF thnh phân tần số thấp ngõ V0 ( t ) = Vt A [1 + m cos ωs t ] cosθ V0(t) tû lƯ víi m(t) tøc lμ tû lƯ víi tÝn hiƯu giải điều chế AM Đây l kiểu tách sóng AM trực tiếp không cần đổi tần, có u điểm không dùng trung tần, không cần chọn lọc tần số ảnh Để biên độ tín hiệu lớn góc pha phải 0, dao động nội VLO(t) phải khóa pha với sóng mang, kiểu giải điều chế ny gọi l tách sóng đồng hay tách sóng quán (coherent Detector), có chất lợng tách sóng không quán tỷ số S/N nhỏ Phase Detector DC Amp LPF VCO vAM(t) × LPF v0(t) H×nh 6.18 Giải điều chế AM 6.4.6 Sử dụng PLL FM Stereo 6.4.6.1 Sơ đồ khối máy phát FM Stereo Thnh phÇn tõng khèi: L+R: FM mono (L-R)DSB: FM Stereo (L-R)DSB đợc điều chế cân triệt sóng mang (điều biªn nÐn SAM) nhê mét sãng mang phơ fsc=38KHz Sãng báo: để thông báo cho máy thu biết đợc chơng trình nhận l Mono hay Stereo Nếu sóng báo chơng trình nhận l FM Mono 89 Nếu có sóng báo chơng trình nhận lμ FM Stereo NÕu chÊt l−ỵng sãng FM Stereo chÊt lợng sóng báo khoá đờng giải mà FM Stereo vμ m¸y thu lμm viƯc nh− thu chơng trình FM Mono Ngời ta thờng sử dụng phơng pháp PLL để tạo đồng fsc máy phát v máy thu để máy thu thực đợc trình giải mà FM Stereo Ngoi có tín hiệu gọi l sóng thuê bao tần số f=67KHz Hoạt động mạch: (L+R) KĐL + (L+R) BPF (L-R) (L-R) KĐ R Đảo pha -R + BPF Đccân (L-R)DSB + fPS=19KHz Dđộg fSC KĐ Tầng điện khg Dđộg Nhân tần AFC Chia KĐ Cao tần Lọc hi Dđộg Chuẩn Hình 6.19 Sơ đồ khối máy ph¸t FM Stereo TÝn hiƯu tõ micro L vμ R đợc tầng khuếch đại micro nâng biên ®é M¹ch céng thø nhÊt céng tÝn hiƯu L vμ R cho tÝn hiƯu L+R dμnh cho m¸y thu FM Mono TÝn hiƯu (L+R) sau ®ã ®i qua mạch lọc băng thông để lọc lấy tín hiệu có dải tần số từ 30Hz đến 15KHz v đa vo mạch cộng tổng hợp Trong cộng thứ sÏ céng tÝn hiÖu L vμ tÝn hiÖu R sau đà đảo pha 1800 để tạo tín hiệu (L-R), sau qua 90 mạch lọc băng thông để lọc lấy tín hiệu dải tần từ 30Hz đến 15KHz Tín hiệu ny đợc đa qua mạch điều chế cân với tần số sóng mang phụ fsc = 38KHz (bằng dao động thạch anh) dùng cho máy thu FM stereo Đồng thời dao động sóng mang phụ fsc = 38KHz đợc chia đôi v hạn biên để tạo thnh sóng báo có tần số fps = 19KHz máy thu biết đợc chơng trình thu lμ FM stereo hay mono Ba tÝn hiÖu (L+R), (L-R)DSB v fps=19KHz đợc cộng thứ tạo thnh tín hiệu tổng hợp Qua tầng khuếch đại v tầng điện kháng nhằm thay đổi điện dung tơng đơng, sau đựoc vo tầng dao động sóng mang để biến đổi thnh tín hiệu FM, qua nhân tần, khuếch đại cao tần, lọc hi để loại bỏ hi bậc cao Cuối đợc đa anten để xạ anten truyền không gian v đến máy thu Bộ AFC nhằm so sánh tần số dao động chuẩn v tần số sóng mang để luôn ổn định tần số sóng mang nhằm nâng cao chất lợng phát 6.4.6.2 Phổ cđa tÝn hiƯu FM Stereo 100% (L-R)DSB (L+R) 50% (L-R)LSB (L-R)USB 10% f 30Hz 19KHz 23KHz 15KHz 37,97KHz 38,03KHz 53KHz 67KHz H×nh 6.20 Phỉ cđa tÝn hiƯu FM Stereo 6.4.6.3 Sơ đồ khối máy thu FM Stereo Mạch AFC có nhiệm vụ tạo tần số dao động fsc = 38KHz v kiểm soát cho dao động chạy tần số v pha phát để đa vo mạch giải mà FM Steero Tín 91 hiệu sóng báo fps=19KHz vừa để báo cho máy thu biết đợc phát l FM Stereo hay mono v gửi đến máy thu để kiểm soát tần số dao động fsc=38KHz máy thu chạy với tần số v pha phát Hoạt động mạch: KĐ Cao tần Trộn tần KĐ TT1 KĐ TT2 KĐ TT3 Tách sóng FM Dao động Lọc Bg thông (L+R) Tiền KĐ L (L-R) Lọc Bg thông (L-R)DSB Giải mà FM Stereo KĐCS L TiỊn K§ R K§CS R 2L Ma trËn 2R Läc dải hẹp X2 fsc 38KHz Lọc 67KHz Hình 6.21 Sơ ®å khèi m¸y thu FM Stereo TÝn hiƯu FM stereo đợc tách sóng FM Mono tách từ tín hiệu trung tần Đó l tín hiệu FM stereo tổng hợp gồm thnh phần: (L+R), (L-R)DSB, 19KHz v 67KHz + Tín hiệu FM stereo tổng hợp sau qua mạch lọc băng thông có tần số từ 30Hz ®Õn 15KHz ®Ĩ t¹o l¹i tÝn hiƯu (L+R) vμ ®−a vμo khèi ma trËn 92 + TÝn hiƯu tỉng hỵp qua mạch khuếch đại băng thông, thờng l mạch cộng hởng để lấy thnh phần(L-R)DSB stereo v đa vo giải mà FM stereo + Tín hiệu sóng báo fps=19KHz đợc tách nhờ tách sóng 19KHz, thờng l mạch lọc dải hẹp cho qua tín hiệu hình sine tần số 19KHz Sau đợc nhân đôi tần số để phục hồi lại sóng mang phụ fsc=38KHz dựa vo nguyên tắc hoạt động vòng khoá pha PLL + Ngoμi tÝn hiƯu sãng b¸o cịng điều khiển đèn báo máy thu biết đợc chơng trình thu l FM stereo hay mono + Bộ giải mà FM stereo nhân hai tín hiệu (L-R)DSB v sóng mang phụ fsc=38KHZ để tạo tín hiệu (L-R) đầu Sau đó, đa vo khối ma trận, kết hợp với tín hiệu (L+R) để tạo tÝn hiƯu L vμ R, qua m¹ch khch đại âm tần v phát loa riêng rÏ, t¹o thμnh tÝn hiƯu FM stereo 6.4.6.4 øng dơng PLL viƯc gi¶i m· FM Stereo VC C Chia Chia Điều khiển VCO 76KHz Tách sóg pha Tách sóng 19KHz Sóng báo fps=19KHz KĐ đệm KĐ L Giải mà FM stereo (L-R) Ma trận (L-R)DSB (L+R) KĐ R Hình 6.22 Sơ đồ khối mạch giải mà FM Stereo sử dụng PLL Khoá K để mở v khoá nguồn cung cấp cho mạch giải mà FM Stereo Trong trờng hợp thu chơng FM Mono chơng trình FM Stereo nhng chất lợng không đạt yêu cầu khoá K khóa không cho nguồn VCC cung cấp điện áp cho mạch giải mà FM Stereo, hạn chế nhiÔu ... ViVo cos o (6. 4) Điện áp điều khiển vdk l điện áp chiều, lm cho tần số VCO thay ®ỉi mét Δf = f o − f N = f i − f N (6. 5) Δω = ω o − ω N = K o v dk (6. 6) lợng: Hay Thay (6. 4) vo (6. 6) v giả thiết... lợng ph¸t 6. 4 .6. 2 Phỉ cđa tÝn hiƯu FM Stereo 100% (L-R)DSB (L+R) 50% (L-R)LSB (L-R)USB 10% f 30Hz 19KHz 23KHz 15KHz 37,97KHz 38,03KHz 53KHz 67 KHz H×nh 6. 20 Phỉ cđa tÝn hiƯu FM Stereo 6. 4 .6. 3 Sơ... vAM(t) × LPF v0(t) Hình 6. 18 Giải điều chế AM 6. 4 .6 Sử dụng PLL FM Stereo 6. 4 .6. 1 Sơ đồ khối máy phát FM Stereo Thμnh phÇn tõng khèi: L+R: FM mono (L-R)DSB: FM Stereo (L-R)DSB đợc điều chế cân