Tài liệu Nghiên cứu và xây dựng các bài thực hành thí nghiệm điều chế và giải điều chế FM trên bộ kít ITF-204B của hãng IWATSU

LỜI MỞ ĐẦU Từ trước đến nay thông tin luôn là nhu cầu thiết yếu không thể thiếu được. Thông tin bao gồm những tin tức đời sống hằng ngày, tin tức giải trí, tin tức thời tiết hay những tín tức về kinh tế , quân sự... Để có thể cung cấp nhu cầu về thông tin ngày một mạnh hơn thì nhiều quốc gia trên thế giới vẫn đặt việc nghiên cứu tìm hiểu và học tập và mở rộng hệ thống truyền thông. Đồng thời việc đào tạo ra những kỹ sư về điện tử truyền thông cũng là điều cần thiết cho sự mở rộng của hệ thống thông tin. Qua quá trình học tập tại trường Hàng hải ngành điện tử viễn thông, dưới sự giúp đỡ tận tình dạy bảo của thầy cô trong trường em đã kết thúc khóa học và có được một phần kiến thức để phục vụ cho quá trình làm việc trong tương lai. Được sự đồng ý của nhà trường cũng như thầy cô hướng dẫn, em được giao đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu và xây dựng các bài thực hành thí nghiệm điều chế và giải điều chế FM trên bộ kít ITF-204B của hãng IWATSU”. Đồ án tốt nghiệp của em gồm ba chương: Chương I: Kỹ thuật thu phát sóng FM ChươngII: Tổng quan về Module thí nghiệm Chương III: Quy trình và kết quả thí nghiệm Đề tài tốt nghiệp này đã giúp em hiểu rõ hơn về một trong những phương pháp phát- thu tín hiệu cơ bản nhất trong cả hệ thống thu phát hiện nay. Trên cơ sở đó có thể mở rộng kiến thức hơn về nhiều hệ thống khác. Sau sự nghiên cứu cũng như hướng dẫn của thầy hưỡng dẫn Trương Thanh Bình, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Do thời gian còn hạn chế nên không thể tránh sự sai sót. Em mông nhận đực những đóng góp ý kiến của các thầy cô đề bài đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn. TP.Hải Phòng, ngày tháng năm 2016 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thu Hà 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng ttooi dưới sự hướng dẫn của Ths. Trương Thanh Bình. Nội dung trong nghiên cứu là chân thực chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu, hình ảnh, bảng biểu, phân tích, nhận xét đánh giá do chính bản thân thu thập và thực nghiệm. Các tài liệu tham khảo được ghi rõ nguồn gốc. Nếu có phát hiện gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trác nhiệm về nội dung đề tài của bản thân. Tôi xin chân thành cảm ơn! TP.Hải Phòng, ngày tháng năm 2016 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thu Hà 2 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 MỤC LỤC ..................................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................ 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...................................................................................... 4 CHƯƠNG I: KỸ THUẬT THU PHÁT SÓNG FM .................................................. 7 1.1. NGUYÊN LÝ Về Hệ THốNG THU PHÁT FM ............................................... 7 1.2. NGUYÊN LÝ Về MÁY PHÁT FM .................................................................. 7 1.3. NGUYÊN LÝ Về MÁY THU FM ................................................................... 11 CHƯƠNGII: TỔNG QUAN VỀ MODULE THÍ NGHIỆM .................................. 17 2.1. NGUồN CUNG CấP ......................................................................................... 17 2.2. MÁY PHÁT FM .............................................................................................. 18 2.2.1. 2.2.2. 2.3. KHốI KHUếCH ĐạI MICRO.............................................................................. 18 KHốI ĐIềU CHế FM ....................................................................................... 21 MÁY THU FM.................................................................................................. 26 2.3.1. 2.3.2. 2.3.3. 2.3.4. KHốI MạCH ĐầU VÀO..................................................................................... 26 KHốI KHUếCH ĐạI TRUNG TầN....................................................................... 26 KHốI TÁCH SÓNG FM ................................................................................... 27 KHốI KHUếCH ĐạI ÂM TầN............................................................................. 32 CHƯƠNG III: QUY TRÌNH VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ................................ 33 3.1. ĐIềU CHế TầN Số ............................................................................................ 33 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.2. ĐIềU CHế TầN Số KHI Sử DụNG TÍN HIệU VÀO MộT CHIềU DC ........................ 33 ĐIềU CHế TầN Số KHI Sử DụNG TÍN HIệU ĐầU VÀO XOAY CHIềU AC ............... 35 ĐIềU CHế TầN Số KHI Sử DụNG TÍN HIệU ÂM TầN. .......................................... 38 TÁCH SÓNG TÍN HIệU ĐIềU TầN ............................................................... 42 3.2.1. TÁCH SÓNG TÍN HIệU ĐIềU TầN CÓ ĐầU VÀO LÀ TÍN HIệU SINE ..................... 42 3.2.2.TÁCH SÓNG TÍN HIệU ĐIềU TầN CÓ ĐầU VÀO LÀ TÍN HIệU ÂM TầN ..................... 50 3.3. THU TÍN HIệU FM .......................................................................................... 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 58 3 DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng 3.1 3.2 Tên bảng bảng giá trị tần số đầu ra thay đổi so điện áp đầu vào bảng giá trị điện áp đầu ra so với tần số đầu vào mách tách sóng Trang 32 48 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống thu phát 7 Hình 1.2 Đều chế FM 8 Hình 1.3 Nguyên lý khối điều hưởng 11 Hình 1.4 Mạch vào máy thu 12 Hình 1.5 Sự phụ thuộc của trở kháng khung cộng hưởng vào tần số đầu vào 14 Hình 1.6 Khung cộng hưởng song song 14 Hình 1.7 Sự thay đổi biên độ tín hiệu ra khung cộng hưởng phụ thuộc vào tần số đầu vào của khung 15 Hình 1.8 Khung cộng hưởng nối tiếp 15 Hình 2.1 Bộ kit ITF- 204B 17 Hình 2.2 Nguồn cung cấp 17 Hình 2.3 Khối khuếch đại micro 21 Hình 2.4 Mạch điều chế tần số dùng varicap 21 Hình 2.5 Mạch điều chế tần số dùng PLL 21 Hình 2.6 Mạch điều chế tần số dùng PLL 22 Hình 2.7 Khối điều chế FM 22 Hình 2.8 DIODE VARICAP 23 Hình 2.9 Mạch dao động sine tần số thấp 23 Hình 2.10 Mạch dao động dịch pha 24 Hình 2.11 Hệ thống hồi tiếp 3 khâu RC 25 Hình 2.12 Đặc tính của diode varicap 25 Hình 2.13 Khối mạch đầu vào 26 4 Hình 2.14 Khối khuếch đại trung tần 27 Hình 2.15 Khối tách sóng FM 27 Hình 2.16 Đồ thị đặc tính( trục hoành là tần số, trục tung là trở kháng 29 Hình 2.17 Mạch tách sóng cầu phương( tách sóng cầu giao). 30 Hình 2.18 Nguyên tắc hoạt động tách sóng pha. 30 Hình 2.19 Mạch lấy tích phân CR. 31 Hình 2.20 Khối khuếch đại âm tần 32 Hình 3.1 Sơ đồ kết nối đo điện áp vào diode D1 và tần số đầu ra mạch điều chế tần số 33 Hình 3.2 Biểu đồ giá trị tần số đầu ra so điện áp đầu vào 35 Hình 3.3 Sơ đồ kết nối điều chế tần số tín hiệu với đầu vào là tín hiệu xoay chiều 35 Hình 3.4 Tín hiệu ra điều tần khi hở mạch đầu vào 36 Hình 3.5 Tín hiệu điều tần chân TP9 37 Hình 3.6 Tín hiệu điều tần tại chân TP9 khi tăng biên độ tín hiệu đầu vào 37 Hình 3.7 Tín hiệu điều tần chân TP9 khi giảm biên độ tín hiệu đầu vào. 37 Hình 3.8 Tín hiệu điều chế tại TP9 khi tăng tần số tín hiệu đầu vào. 38 Hình 3.9 Điều chế tần số tín hiệu âm tần 38 Hình 3.10 Tín hiệu ra điều tần khi hở mạch đầu vào 39 Hình 3.11 Tín hiệu điều tần chân TP5,TP9 40 Hình 3.12 Tín hiệu âm tần tại TP13 41 Hình 3.13 Tín hiệu điều chế tại TP5, TP9 khi tăng âm lượng 41 Hình 3.14 Tín hiệu âm tần chân TP13 khi giảm âm lượng tín hiệu âm tần. 41 Hình 3.15 Tín hiệu điều tần chân TP9 khi giảm âm lượng tín hiệu âm tần. 42 Hình 3.16 Tách sóng tín hiệu điều tần ( đầu vào tín hiệu là tín hiệu sine) 42 Hình 3.17 Tín hiệu ra điều tần khi hở mạch đầu vào 43 Hình 3.18 Tín hiệu điều tần chân TP9 43 Hình 3.19 Tín hiệu vào TP5, tín hiệu tách sóng FM chân TP31 44 Hình 3.20 Tín hiệu tại TP5, TP9 (khi tăng biên độ tín hiệu đầu vào điều chế) 44 Hình 3.21 Tín hiệu tại TP5, TP31 (khi tăng biên độ tín hiệu đầu vào điều chế) 44 5 Hình 3.22 Tín hiệu tại TP23, TP27 45 Hình 3.23 Tín hiệu tại TP5, TP9 (khi giảm biên độ tín hiệu vào điều chế) 46 Hình 3.24 Tín hiệu tại TP5, TP31(khi giảm biên độ tín hiệu vào điều chế) 46 Hình 3.25 Tín hiệu tại TP5, TP9 (khi tăng tần số vào tín hiệu điều chế) 46 Hình 3.26 Tín hiệu vào tách sóng, tín hiệu ra bộ LCR chân TP25 47 Hình 3.27 Tín hiệu vào tách sóng, tín hiệu ra bộ dịch pha chân TP27 47 Hình 3.28 Đặc tính đầu vào đầu ra của mạch tách sóng 49 Hình 3.29 Tín hiệu đầu vào mạch tách sóng FM tại tần số 10.2 MHz 49 Hình 3.30 Tín hiệu đầu vào mạch tách sóng FM tại tần số 10.7 MHz 49 Hình 3.31 Tín hiệu đầu vào mạch tách sóng FM tại tần số 11.2 MHz 49 Hình 3.32 Tách sóng tín hiệu điều tần ( đầu vào tín hiệu là tín hiệu âm thanh) 50 Hình 3.33 Tín hiệu ra điều tần khi hở mạch đầu vào 51 Hình 3.34 Tín hiệu âm tần chân TP13 51 Hình 3.35 Tín hiệu tại TP5, TP31 52 Hình 3.36 Tín hiệu tại TP5, TP31 (khi tăng tín hiệu âm thanh) 52 Hình 3.37 Tín hiệu tại TP5, TP31 (khi giảm tín hiệu âm thanh) 53 Hình 3.38 Tín hiệu tại TP5, TP9 53 Hình 3.39 Tín hiệu tại TP5, TP9(khi tăng tín hiệu âm thanh) 53 Hình 3.40 Tín hiệu tại TP5, TP9(khi giảm tín hiệu âm thanh) 54 Hình 3.41 Thu sóng FM 54 Hình 3.42 Tín hiệu tại TP27 và TP31 55 Hình 3.43 Tín hiệu ở TP31( không bắt được tần số phát FM) 55 Hình 3.44 Tín hiệu ở TP31( không bắt được tần số phát FM, có nhiễu) 55 Hình 3.45 Tín hiệu ở TP31(bắt được tần số phát FM) 56 6 CHƯƠNG I: KỸ THUẬT THU PHÁT SÓNG FM 1.1. Nguyên lý về hệ thống thu phát FM Hệ thống thu phát FM là hệ thống thông tin vô tuyến điện bao gồm phần phát, phần thu và môi trường truyền sóng là không gian. Phần phát có chức năng phát thông tin đi xa dưới dạng sóng cao tần. Phần thu có chức năng chọn lọc tín hiệu và tách tín hiệu tin tức ra khỏi sóng cao tần đã được điều chế sau được đưa tới đầu ra phù hợp. Điều chế Khuếch đại Giải điều chế Tín hiệu Khuếch đại Hình 1.1Hệ thống thu phát 1.2. Nguyên lý về máy phát FM Máy phát gồm các khối: khối điều biến, khối điều chế, khuếch đại và truyền tín hiệu trong không gian qua sử dụng anten. Đầu vào phổ biến của máy phát là các tín hiệu tương tự ở dải cơ sở và đầu ra của nó là tần số cao và nguồn tín hiệu cao đã được điều biến. Để có thể truyền thông tin đi xa thì tín hiệu có tần số càng cao thì truyền đi được càng xa. Trong khi tín hiệu tiếng nói hay một số tín hiệu âm thanh, tin tức khác lại là tín hiệu âm tần hay là có tần số thấp. Chính vì vậy mà ta phải điều chế tín hiệu lên cao tần mà không làm ảnh hưởng đến tin tức mà có thể truyền đi xa. 7 Hình 1.2 Đều chế FM Điều chế là quá trình biến đổi một số thông số sóng mang cao tần theo quy luật của tín hiệu tin tức cần điều chế. Điều chế FM là điều chế tần số, là quá trình biến đổi tần số sóng mang cao tần theo quy luật của tín hiệu tin tức. Việc dùng phương pháp điều chế tần số là thay đổi tần số sóng mang theo quy luật tín hiệu tin tức nên tín hiệu khi truyền đi trong không gian không bị các yếu tố tác động biên độ tin tức làm ảnh hưởng nên ít nhiễu và không biến dạng tín hiệu. Tính chọn lọc cao. Độ tin cậy lớn. Vì có tần số cao nên lượng thông tin truyền tải nhiều hơn. Tần số của điều chế FM cao nên bước sóng của tín hiệu ngắn dẫn đến thông tin truyền đi không xa, theo đường nhìn thấy giữa hai anten, dễ bị chặn bởi các chướng ngại vật. Đường truyền tín hiệu không xa nên cần dựng anten cao. Cấu trúc của mạch điều chế tần số và mạch giải điều chế tần số FM cũng phức tạp hơn mạch điều chế và giải điều chế biên độ AM. Điều chế tần số là một dạng điều chế quan trọng dùng trong thông tin, vì tính chống nhiễu của nó tốt hơn điều chế biên độ AM. Có tín hiệu sóng mang cao tần khi chưa bị điều chế là: 𝑥 𝑐 (𝑡) = 𝑉𝑐 cos(𝜔 𝑐 t + 𝜑0 ) = 𝑉𝑐 cosφ(t) trong đó: φ (t) = 𝜔 𝑐 t + 𝜃0 : pha tức thời của dao động cao tần Tín hiệu tại thời điểm t,𝜔 𝑐 : tần số sóng mang; 𝜑0 : pha ban đầu Mối quan hệ giữa tần số và pha: 𝜔 𝑡 = 𝑑φ(t) 1 𝑑φ(t) => 𝑓 𝑡 = 𝑑𝑡 2𝜋 𝑑𝑡 8 𝜔 𝑡 = 𝜔 𝑡 𝑑𝑡 = 2𝜋 𝑓 𝑡 𝑑𝑡 𝜔 𝑡 là tần số tức thời ở tại thời điểm t Tín hiệu điều chế tần thấp là m(t)làm thay đổi pha tức thời thì ta có điều chế góc. Biên độ của sóng mang là không đổi. Nếu m(t) làm thay đổi tần số 𝜔 𝑐 ta có điều chế tần số FM (Frequency Modulation). 𝑑φ(t) = 𝜔 𝑐 + 𝑘 𝑓 𝑚 𝑡 => φ t = 𝜔 𝑐 𝑡 + 𝑘 𝑓 𝑑𝑡 𝜔 𝐹𝑀 𝑡 = 𝑚 𝑡 𝑑𝑡 Tín hiệu điều chế FM : 𝑦 𝐹𝑀 = 𝑉𝑐 cosφ t = 𝑉𝑐 cos⁡ 𝑐 𝑡 + 𝑘 𝑓 (𝜔 𝑚 𝑡 𝑑𝑡) Cho 𝑚 𝑡 = 𝑉 𝑚 𝑐𝑜𝑠𝜔 𝑚 𝑡 , có pha ban đầu 𝜃0 = 0 Tín hiệu FM có dạng : 𝑦 𝐹𝑀 = 𝑉𝑐 cos = 𝑉𝑐 cos Với 𝑚 𝑓 = 𝑘 𝑓 𝑉𝑚 𝜔 𝑚 = 𝜔𝑐 𝑡 + 𝑘𝑓 𝜔𝑐 𝑡 + 𝛥𝜔 𝜔 𝑚 𝑚 𝑡 𝑑𝑡 = 𝑉𝑐 cos 𝜔𝑐 𝑡 + 𝑘𝑓 𝑉 𝑚 𝑐𝑜𝑠𝜔 𝑚 𝑡𝑑𝑡 𝑘 𝑓 𝑉𝑚 𝑠𝑖𝑛𝜔 𝑚 𝑡 = 𝑉𝑐 cos 𝜔 𝑐 𝑡 + 𝑚 𝑓 𝑠𝑖𝑛𝜔 𝑚 𝑡 𝜔𝑚 (chỉ số điều chế) 𝛥𝜔 = 𝑘 𝑓 𝑉 𝑚 (độ di tần) Trong trường hợp tín hiệu FM dải hẹp, độ di tần nhỏ 𝑚 𝑓 <0.25 thì: 𝑦 𝐹𝑀 𝑡 = 𝑉𝑐 cos 𝜔 𝑐 𝑡 + 𝑚 𝑓 𝑠𝑖𝑛𝜔 𝑚 𝑡 = 𝑉𝑐 { cos 𝑚 𝑓 𝑠𝑖𝑛𝜔 𝑚 𝑡 cos𝜔 𝑐 𝑡 − sin 𝑚 𝑓 𝑠𝑖𝑛𝜔 𝑚 𝑡 sin𝜔 𝑐 𝑡} ≈ 𝑉𝑐 [(1)cos𝜔 𝑐 𝑡 − 𝑚 𝑓 𝑠𝑖𝑛𝜔 𝑚 𝑡 sin𝜔 𝑐 𝑡] = 𝑉𝑐 [cos𝜔 𝑐 𝑡 − 𝑚 𝑓 𝑠𝑖𝑛𝜔 𝑚 𝑡sin𝜔 𝑐 𝑡] Tầng khuếch đại cao tần trong máy phát là tầng khuếch đại công suất, trong máy phát làm việc với tần số cao ( tần số phát của máy) có biên độ tín hiệu vào lớn và là tầng phối ghép với hệ thống anten phát. số phát. Chính vì vậy các phần tử khuếch đại phải dùngcác phần tử cao tần. Đồng thời là tầng khuếch đại công suất do đó các phần tử trong mạch là các phần tử cao tần có công suất lớn. 9 Các mạch chức năng thực hiện cần phải thực hiện khuếch đại trung thực (tín hiệu đã điều chế, có tần số cao và dòng vào lớn), nên thông thường hay sử dụng các mạch khuếch đại công suất đẩy kéo. Trước đây do đặc điểm kỹ thuật và phụ thuộc nhiều vào điều kiện cho phép nên phần khuếch đại công suất cao tần thường rất lớn, cồng kềnh và tiêu tốn năng lượng. Ngày nay sự phát triển của kỹ thuật vi mạch và các linh kiện có công suất lớn, trở kháng vào lớn dựa trên các hiệu ứng trường của linh kiện bán dẫn nên các mạch khuếch đại công suất cao tần ngày một nhỏ gọn và đạt hiệu suất cao, dễ dàng phối hợp trở kháng. Trong máy phát phần quan trọng nhất là tầng khuếch đại công suất cao tần và điều hưởng anten. Trong đó tầng khuếch đại cao tần sẽ quyết định công suất ra tới anten. Tùy thuộc vào khoảng cách ,yêu cấu cự ly thông tin mà công suất của tầng khuếch đại công suất sẽ quyết định rất lớn đến chất lượng thông tin và khoảng cách truyền tin của chúng. Do vậy tầng khuếch đại công suất cần phải quan tâm đánh giá đến các chỉ tiêu kỹ thuật: Công suất ra, hệ số khuếch đại, độ tuyến tính của bộ khuếch đại, tính ổn định, mức điện áp (công suất nguồn cung cấp), công suất tiêu tán, độ méo, hiệu suất, chế độ công tác của tầng KĐCS. Bộ điều hưởng anten quyết định tới chất lượng của máy phát đó là việc phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại công suất và anten. Nếu máy phát sử dụng một tần số thì chỉ cần một anten vì khi đó anten làm việc ở chế độ cộng hưởng “dòng bức xạ của anten là lớn nhất”. Song nếu máy phát sử dụng nhiều tần số hoặc phát trên một đoạn tần số thì theo nguyên tắc máy phát phải sử dụng nhiều anten để phát; do đó gây lãng phí, tốn kém, cồng kềnh. Vấn đề đặt ra là với máy phát sử dụng nhiều tần số hoặc trên một dải tần số nào đó mà chỉ sử dụng một anten duy nhất thì chúng ta cần phải có biện pháp mở rộng dải tần làm việc. “Để làm được việc đó thì việc giải quyết bài toán liên quan đến việc phối hợp trở kháng giữa anten và tầng khuếch đại công suất sẽ là một giải pháp cho vấn đề này”. 10 Hình 1.3 Nguyên lý khối điều hưởng Khi thay đổi tần số phát, mạch cảm biến công suất ra sẽ cảm biến công suất đưa vào anten. Sau đó thông tin từ bộ cảm biến công suất sẽ được đưa tới bộ điều khiển, tại đây sẽ thực hiện so sánh và phân tích và đưa ra tín hiệu điều khiển tới mạch phối hợp trở kháng. Để công suất ra đạt yêu cầu thì mạch phối hợp trở kháng nhận tín hiệu điều khiển sẽ thực hiện đóng mở các tụ điện, cuộn cảm. Quá trình cảm biến công suất và điều khiển được thực hiện đồng thời thông qua mạch điều khiển. “Các kết quả sẽ được nhớ trong bộ nhớ và được so sánh với nhau thông qua CPU. Bộ điều khiển sẽ tiến hành điều khiển cho tới khi kết quả công suất đạt giá trị theo yêu cầu”. Việc kiểm tra công suất có đạt yêu cầu hay không thông qua thiết bị chỉ báo anten. Khi công suất ra đạt yêu cầu thì quá trình đều khiển kết thúc. 1.3. Nguyên lý về máy thu FM Máy thu gồm các khối: mạch vào, khuếch đại cao tần, đổi tần, khuếch đại trung tần, tách sóng, khuếch đại âm tần,khối đầu ra (loa). Tín hiệu cao tần được thu từ anten đưa vào mạch vào. Mạch vào máy thu sẽ chọn lọc tần số thông qua phương thức cộng hưởng tần số. Tín hiệu đã được chọn lọc sau khi loại bỏ nhiễu thì đưa vào khuếch đại cao tần tới biên độ đủ lớn để đưa vào tách sóng hoặc tiếp tục đưa vào khối đổi tần để đưa tần số xuống trung tần mới đưa vào tách sóng. Việc khuếch đại tín hiệu tại tần số trung gian bằng các bộ khuếch đại chọn lọc (khung cộng hưởng) sẽ dễ dàng đạt được hệ số khuếch đại lớn kể cả ở những băng tần sóng ngắn. Tín hiệu thu từ anten có trị số 11 rất nhỏ nên các yếu tố đầu vào có ảnh hưởng lớn đến tách sóng tín hiệu vì vậy khối khuếch đại đầu vào máy thu phải là khối khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA). Khi sử dụng tần số trung gian và sử dụng độ chọn lọc trong khoảng trung tần thì đặc tính tần số của máy không đổi trong toàn bộ dải sóng. Tần số trung tâm của máy thu giảm nhiều so với tần số cao tần nên khi kết hợp với mạch cộng hưởng có phẩm chất lớn thì tín hiệu có được độ nhạy và độ chọn lọc cao. Khối tách sóng nằm giữa trộn tần và khuếch đại âm tần có nhiệm vụ tách tín hiệu âm tần ra khỏi tín hiệu cao tần đã điều chế. “Tín hiệu âm tần thu này phải trung thức với tín hiệu âm tần ở phần phát. Do nhiều yếu tố tác động và đặc điểm phi tuyến của các hệ thống khuếch đại mà tín hiệu sau tách sóng có thể bị méo. Vì vậy bộ tách sóng phải đảm bảo hiệu suất tách sóng và phối hợp trở kháng tốt để ít ảnh hưởng đến tàng sau và hạn chế méo phi tuyến ở mức thấp nhất”. Mạch vào của máy thu là khối đầu tiên trong máy thu thức hiện kết nối giữa anten và tầng khuếch đại cao tần. Cấu trúc gồm khung công hưởng để công hưởng với tần số hoặc dải tần số tín hiệu tần số cần thu và thực hiện phối hợp trở kháng với anten. Tín hiệu vào của tầng này có biên độ rất nhỏ tần số rất lớn nên mạch vào phải đảm bảo một phần độ chọn lọc của máy thu.“Tùy loại máy thu mà chọn lọc tần số cần thu hoặc dải tần số cần thu”. Yêu cầu của mạch vào máy thu linh kiện trong mạch phải có phẩm chất cao, không sinh tạp âm, tần số cộng hưởng ổn định. “Ở tần số cao có thể lợi dụng thành phần ký sinh để thực hiện cộng hưởng trong khung cộng hưởng”. Hình 1.4Mạch vào máy thu Tầng khuếch đại cao tần kết nối giữa mạch vào và tầng đổi tần. Chức năng của tầng này là giảm ảnh hưởng của mạch vào và mạch dao động nội đồng 12 thời khuếch đại tín hiệu lên giá trị đủ lớn để nén tạp âm tầng đổi tần, nâng cao độ nhạy và độ chọn lọc tần số máy thu. Yêu cầu của tầng khuếch đại cao tần là hệ số khuếch đại phải đủ lớn trong cả dải tần mà tín hiệu không bị méo.”Do bộ khuếch đại làm việc ở tần số cao nên năng lượng ở đầu ra có thể hồi tiếp về đầu vào, nếu có hồi tiếp dương và biên độ tín hiệu hồi tiếp bằng với tín hiệu vào thì sẽ xảy ra hiện tượng tự kích gây méo tín hiệu vì vậy phải thực hiện việc ổn định tần số bằng sử dụng mạch khuếch đại hồi tiếp âm. Trong quá trình hoạt động của mạch khuếch đại thì không sử dụng triệt để công suất của linh kiện để nâng cao độ phẩm chất và chèn ép hệ số tạp âm. Tầng này thường sử dụng mạch mắc OB và OE để tăng hệ số khuếch đại trong đó hệ số khuếch đại của mạch OB lớn hơn nên hay được sử dụng”. Tầng đổi tần ở sau khuếch đại cao tần và trước khuếch đại trung tần có chức năng biến đổi tần số sóng điều tần với tần số của bộ dao động nội thành tần số trung tần có tần số nhỏ hơn mà không làm thay đổi quy luật điều chế của tín hiệu. Tín hiệu sau khi trộn sẽ ra thành phần tổng và thành phần hiệu của hai tín hiệu đó. Việc hạ tầng sộ có khả năng nâng cao độ chọn lọc tần số lân cận của máy thu mà không bị méo tín hiệu. Yêu cầu của bộ đổi tần là có tần số trung tần ổn định không bị thay đổi theo tín hiệu đầu vào. Tầng khuếch đại trung tần đặt ngay sau bộ đổi tần có tác dụng khuếch đại tín hiệu trung tần lên đủ lớn để đưa ra tách sóng. Khác với khuếch đại cao tần là ở khuếch đại trung tần chỉ khuếch đại tại một tần số cố định thấp hơn.“Do mạch khuếch đại trung tần làm việc ở tần số cố định nên việc điều chỉnh trung hòa giữa dải thông và độ chọn lọc vẫn đảm bảo hệ số khuếch đại tín hiệu lớn và ổn định điểm làm việc. Mạch cộng hưởng trung tần đẩm bảo độ chọn lọc tần số lân cận. Tuy mạch làm việc ở dải tần số thấp hơn nhưng vẫn trong dải tần dễ xảy ra hiện tượng tự kích, trôi điểm làm việc nên thường sử dụng mạch trung hòa hoặc mạch tải sử dụng điện trở nhỏ để tránh hồi tiếp”. Yêu cầu của mạch khuếch đại trung tần là hệ số khuếch đại lớn K= 10^2: 10^6 . hệ số khuếch đại giảm nhanh khi tần số lệch khỏi dải thông. Băng thông đủ rộng, ít gây méo tín hiệu. 13 Tầng tách sóng có nhiệm vụ tách tín hiệu ra khỏi tín hiệu cao tần đã điều chế. Để có thể lấy được tin tức đã được điều chế và phát đi thì sau khi thu tín hiệu này ta phải thực hiện giải điều chế. Nguyên tắc giải điều chế FM dựa vào tính toán pha ban đầu của tín hiệu thu được sau đó tái tạo lại dạng sóng bằng cách lợi dụng nguyên lý trở kháng của các khung cộng hưởng phụ thuộc vào tần số. Hình 1.5 Sự phụ thuộc của trở kháng khung cộng hưởng vào tần số đầu vào Có hai kiểu khung cộng hưởng là khung cộng hưởng nối tiếp và khung cộng hưởng sông song. Hình 1.6 Khung cộng hưởng song song Khi tần số tín hiệu đầu vào đạt đúng với tần số cộng hưởng của khung thì trở kháng của khung lớn vô cùng lúc này tín hiệu đầu ra là cực đại. Còn khi mà 14 tần số đầu vào mà khác dần so với tần số cộng hưởng riêng của khung cộng hưởng thì lúc này trở kháng của khung bị giảm dần. Nếu tần số tăng thì dung kháng giảm, nếu tần số giảm thì cảm kháng giảm. Chính vì vậy mà mức biên độ của tín hiệu thay đổi theo sự thay đổi của tần số. Hình 1.7 Sự thay đổi biên độ tín hiệu ra khung cộng hưởng phụ thuộc vào tần số đầu vào của khung Hình 1.8 Khung cộng hưởng nối tiếp Khi tần số đầu vào bằng với tần số công hưởng của khung cộng hưởng thì trở kháng của khung bằng 0. Lúc này tín hiệu đầu ra của khung cộng hưởng bằng tín hiệu đầu vào của khung hay tín hiệu đạt cực đại. Còn khi mà tần số đầu vào tăng hoặc giảm thì lúc này trở kháng của khung cộng hưởng tăng làm tín hiệu đầu ra của khung cộng hưởng giảm. Mức biên độ tín hiệu ra cũng thay đổi theo tần số đầu vào. 15 16 CHƯƠNGII: TỔNG QUAN VỀ MODULE THÍ NGHIỆM Hình 2.1 Bộ kit ITF- 204B 2.1. Nguồn cung cấp Hình 2.2 Nguồn cung cấp Nguồn cung cấp ở bộ kit được tích hợp có cấu tạo đơn giản với một chuyển mạch ON/OFF và một chân đầu ra nối đất. Việc cấp nguồn sang các mạch còn 17 lại trong bộ kit là trực tiếp. Điện áp nguồn cung cấp là nguồn AC(100-240V), tần số 50/60Hz, nguồn dòng cung cấp là 15VA hoặc hơn. 2.2. Máy phátFM Máy phát gồm các khối: khối khuếch đại micro, khối điều tần. Mạch thí nghiệm là mạch tích hợp chỉ thực hành việc tạo ra tín hiệu điều tần mà không có quá trình phát tín hiệu ra không gian nên không có khối khuếch đại công suất. Trong trường hợp phát thông tin ra môi trường không gian thì phải đẩm bảo việc máy phát ở xa máy thu tránh gây nhiễu tín hiệu. Ở đây ta không xét phát tín hiệu điều tần mà lấy trực tiếp tín hiệu bằng cách nối day trực tiếp. 2.2.1. Khối khuếch đại micro Mạch khuếch đại là thiết bị hoặc linh kiện bất kỳ nào, sử dụng một lượng công suất rất nhỏ ở đầu vào để điều khiển một luồng công suất lớn ở đầu ra. Trong các ứng dụng thông thường, mạch dùng chủ yếu cho các bộ khuếch đạiđiện tử và thông thường là các ứng dụng thu và tái tạo âm thanh. Mối liên quan giữa đầu vào và đầu ra của một bộ khuếch đại, thường được diễn giải như là một hàm tần số, được gọi là hàm truyền và biên độ của hàm truyền được gọi là độ lợi. Độ lợi của mạch khuếch đại là tỷ số giữa công suất đầu ra và công suất đưa vào điều khiển, được tính trên thang đo decibel (dB). “trị số đo tỷ lệ với quan hệ lôgarít của hai trị số:G (dB) = 10 × lg(Pout/Pin)” Dải động ngõ ra là một dải biên độ, thường sử dụng đơn vị dB, là khoảng cách giữa tín hiệu lớn nhất và tín hiệu nhỏ nhất mà đầu ra có thể phản ánh được. Vì tín hiệu nhỏ nhất thường bị giới hạn bởi biên độ nhiễu, nên người ta lấy luôn tỷ số giữa biên độ tín hiệu lớn nhất và nhiễu làm giải động ngõ ra. Băng thông một mạch khuếch đại được xác định theo sự khác biệt giữa tần số thấp nhất và tần số cao nhất ở điểm mà hệ số khuếch đại giảm còn 1/2. Thông số này còn được gọi là băng thông −3 dB. Trong trường hợp những băng thông ứng với những độ chính xác khác nhau thường phải ghi chú thêm, thí dụ như (−1 dB, −6 dB, v.v.). 18 “Thí dụ như một mạch khuếch đại âm tần tốt phải có đáp ứng bằng phẳng từ 20 Hz đến 20 kHz (dải âm thanh mà người ta nghe được), như vậy đáp ứng tần số của nó phải mở rộng thêm ra bên ngoài dải này từ 1 đến 2 bát độ mỗi bên. Thông thường một mạch khuếch đại âm tần tốt có băng thông từ 10 Hz đến 65 kHz”. Thời gian đáp ứng (còn gọi là thời gian tăng trưởng) của một mạch khuếch đại thời gian cần thiết để nâng mức điện áp ngõ ra từ 10% đến 90% tín hiệu đỉnh khi đặt ở đầu vào một điện áp bước (hàm đơn vị). Nhiều mạch khuếch đại bị giới hạn bởi tốc độ tăng, thường là do trở kháng của mạch dòng điện điều khiển phải chịu hiệu ứng tụ điện ở vài điểm trong mạch. Điều này là cho băng thông ở công suất lớn nhất sẽ thấp hơn so với đáp ứng tần số ỏ mức tín hiệu nhỏ. “Đối với một mạch đơn giản chỉ có RC, còn gọi là đáp ứng Gauss thời gian tăng trưởng được tính gần đúng: Tr × BW = 0,35, Trong đó Tr là thời gian đáp ứng tính bằng giây, và BW là băng thông tính bằng Hz. Tạp âm (còn gọi là tiếng ồn, nhiễu), hiển thị số đo có bao nhiêu tạp âm được tạo ra trong quá trình khuếch đại. Tạp âm là những thành phần không mong muốn, nhưng cũng không tránh khỏi của các linh kiện và các thành phần trong mạch. Nó được đo bằng thang decibel hoặc bằng điện áp đỉnh của nhiễu đầu ra, khi không có tín hiệu đầu vào”. Hiệu suất là một số đo biểu thị mức độ bao nhiêu công suất ở đầu vào đã được chuyển hóa thành năng lượng hữu ích ở đầu ra của mạch khuếch đại. “Các mạch khuếch đại lớp A có hiệu suất rất thấp, trong khoảng từ 10 đế 20%, và hiệu suất tối đa là 25%. Các mạch khuếch đại lớp B hiện đại có hiệu suất trong khoảng 35 đến 55%, với hiệu suất cao nhất theo lý thuyết là 78,5%. Các mạch khuếch đại lớp D tiên tiến sử dụng kỹ thuật điều biến độ rộng xung cho hiệu suất 19 lên đến 97%. Hiệu suất của một mạch khuếch đại giới hạn độ lớn của công suất hữu dụng ở ngõ ra. Lưu ý rằng các mạch khuếch đại có hiệu suất cao sẽ chạy mát hơn, và có thể không cần đến quạt làm mát ngay cả khi thiết kế lên đến nhiều kilowatt”. Một mạch khuếch đại lý tưởng phải là thiết bị tuyến tính hoàn toàn, nhưng những mạch khuếch đại thực tế thường chỉ tuyến tính trong một phạm vi giới hạn nào đó. Khi tín hiệu được đưa đến đầu vào tăng, thì đầu ra cũng tăng theo cho đến khi đạt đến một điểm mà một linh kiện nào đó trong mạch bị bão hòa, và không thể cho thêm tín hiệu ra. Ta nói tín hiệu bị cắt xén, và đây là một trong những nguyên nhân gây ra méo dạng. “Một số mạch khuếch đại được thiết kế để hoạt động theo kiểu chấp nhận giảm bớt độ lợi thay vì phải chịu méo dạng. Kết quả là tín hiệu chịu một hiệu ứng nén, Và nếu là tín hiệu âm thanh, thì hiệu ứng này không làm thỏa mãn người nghe lắm. Đối với các mạch khuếch đại này, điểm nén 1 dB được đặt ra, xác định là độ lợi ở tín hiệu 1 dB sẽ nhỏ hơn độ lợi ở các tín hiệu nhỏ.” Tuyến tính hóalà lĩnh vực nổi bật. Có rất nhiều kỹ thuật được sử dụng để giảm bớt méo dạng do không tuyến tính. Tỉ số: Tín hiệu / Tạp âm = S / N  S: Tín hiệu hữu ích  N: Tạp âm (nhiễu) 20