Thiết kế & chế tạo máy phát tần số 20MHz

giá thành thấp hơn nhiều. Xuất phát từ thực tế này, trong khuôn khổ của một đồ án tốt nghiệp, dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Phạm Văn Bình, nhóm chúng em mạnh dạn thiết kế và chế tạo máy phát tần số hay còn gọi là máy tổ hợp tần số. Đây là một thiết bị được dùng nhiều trong công tác học tập, nghiên cứu của cán bộ, sinh viên ngành Điện tử- Viễn thông nói riêng và các ngành kỹ thuật nói chung. Nó tạo ra các dạng sóng khác nhau, các tần số khác nhau với biên độ điện áp có thể thay đổi được. Thiết bị này được dùng vào nhiều mục đích học tập và nghiên cứu khác nhau. Do thời gian thực hiện đề tài có hạn, cùng với điều kiện làm việc còn nhiều thiếu thốn, thị trường linh kiện trong nước hạn hẹp cũng như kinh nghiệm làm việc, kiến thức còn hạn chế nên sản phẩm của chúng em chế tạo còn có rất nhiều thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự quan tâm, đóng góp ý kiến của các thầy cô, các nhà chuyên môn và bạn bè để sản phẩm của chúng em ngày càng hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cám ơn! Thiết kế và chế tạo máy phát tần số 20MHz TÓM TẮT ĐỒ ÁN Tìm hiểu tổng quan về các loại máy phát tần số và các thông số kỹ thuật của máy, phân loại được các loại máy phát, nghiên cứu các kiến thức cơ bản về kỹ thuật xung: mạch dao động và mạch nguồn ổn định là các nhân tố cơ bản để thiết kế máy phát tần. Tìm hiểu các công nghệ được sử dụng trong việc thiết kế máy phát tần số. Từ đó lựa chọn các thông số và tìm linh kiện cho phù hợp để thiết kế và chế tạo máy phát với các chỉ tiêu đặt ra. Xây dựng các modul phần cứng, phần mềm và ghép nối chúng với nhau để hoàn thiện sản phẩm. ABSTRACT Introduction to function generator overview in the market, the parameters of its, the basic to divide its to other one. Researching about oscillolator circuit and switching circuit. There for, we know the structure of function generator Researching about technologies used for designed its. So we select the parameters and divices for designing and making function generator. Designing the hardware and solfware, combining them to complete the function generator. CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Hình1. 1 Chuyển mạch pha trong trạng thái tạm thời 11 Hình 1.2 Sự nhiễu pha 13 Hình 1.3 Nhiễu pha được tích hợp S/N tỷ số tín hiệu trên tạp âm trong 30Khz( ngoại trừ 2Hz quanh sóng mang) 14 Hình 1.4 Sơ đồ khối của mạch tạo dao động 16 Hình 1.5 Sơ đồ khối máy phát tín hiệu âm tần 21 Hình 2.1 Nguyên lý chung của PLL 24 Hình 2.2 Sơ đồ khối phép nhân tần số với hệ số nhân N nguyên ở chế độ đồng bộ 25 Hình 2.3 Sơ đồ khối tổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số chuẩn 25 Hình 2.4 DA sử dụng nhiều tần số tham chiếu 26 Hình 2.5 Tạo các tần số tham chiếu cho thiết kế DA 27 Hình 2.6 Sơ đồ khối DDS và dạng sóng 28 Hình 2.7 Biến thiên điện áp theo thời gian 30 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi DA theo phương pháp thang điện trở 31 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DA theo phương pháp mạng điện trở 32 Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi DA theo phương pháp mã hóa Shannon Rack 32 Hình 2.11 Sơ đồ khối của OP- AMP 34 Hình 2.12 Sơ đồ khối bộ khuếch đại vi sai 34 Hình 2.13 Bộ khuếch đại vi sai liên kết emitơ đối xứng 36 Hình 2.14 Kỹ thuật cân bằng thế offset tổng hợp 37 Hình 3. 1 Sơ đồ chân MAX 038 39 Hình 3. 2 Mô tả các chân MAX 038 40 Hình 3. 3 Các đặc tính về điện áp và tần số của IC MAX038 45 Hình 3. 4 Phổ của tín hiệu hình sin ở dải tần thấp và cao 46 Hình 3. 5 Sơ đồ khối bên trong của IC MAX 038 47 Hình 3. 6 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh tần số 50 Hình 3. 7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh độ rộng xung 51 Hình 3. 8 Mạch khuếch đại điện áp đầu ra 52 Hình 3. 9 Sơ đồ chân OPA 2677U 53 Hình 3. 10 Các đặc tính kỹ thuật của OPA 2677U 54 Hình 3. 11 Sơ đồ chân IC ACT4065 55 Hình 3. 12 Mô tả các chân linh kiện ACT4065 55 Hình 3. 13 Các thông số đặc tính của ACT4065 56 Hình 3. 14 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 57 Hình 3. 15 Sơ đồ mạch in khối nguồn 58 Hình 3. 16 Khối điều khiển MAX505 59 Hình 3. 17 Trạng thái logic của MAX 505 59 Hình 3. 18 Sơ đồ kết nối MAX 505 và PIC 60 Hình 3. 19 Lưu đồ thời gian thực hiện chốt điện áp đầu ra 60 Hình 3. 20 Sơ đồ cấu tạo MAX232 62 Hình 3. 21 Sơ đồ nguyên lý ghép nối PIC16F877A với máy tính 62 Hình 3. 22 Sơ đồ chân LCD1602 63 Hình 3. 23 Sơ đồ nguyên lý kết nối 16F877A với LCD 64 Hình 3. 24 Thời gian thực hiện TIMER0 và TIMER1 65 Hình 3. 25 Sơ đồ thiết kế mô phỏng 67 Hình 3. 26 Thuật toán máy phát tần số 69 Hình 3. 27 Nhận và xử lý dữ liệu từ máy tính 71 Hình 3. 28 Mô hình ghép nối giữa máy tính và vi điều khiển 72 Hình 3. 29 Thiết kế giao diện trên Visual Basic 6.0 73 Hình 4. 1 Giao diện mặt máy máy phát tần số 74 Hình 4. 2 Giao diện mặt máy 76 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT FG: Function Generator PLL: Phase Loocked Loop DA: Direct Analog DDS: Digital Direct Synthesis VCO: Voltage Control Oscillator CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT TẦN SỐ 1.1 Khái niệm, phân loại, các yêu cầu kỹ thuật cơ bản và các tham số cơ bản của máy phát tần số 1.1.1 Khái niệm Trong lĩnh vực điện tử viễn thông các nguồn tín hiệu được sử dụng rộng rãi trong công tác học tập và nghiên cứu khoa học. Nói chung một nguồn tín hiệu chuẩn phải đạt được các yêu cầu cơ bản sau: tần số, điện áp, dạng tín hiệu phải thay đổi được. Máy phát tần số là một thiết bị điện tử tạo ra các dạng tín hiệu có dạng khác nhau với các tần số khác nhau và có biên độ điện áp thay đổi được. Riêng với các nguồn tín hiệu đo lường cần có độ chính xác và độ ổn định cao. Có thể định nghĩa máy phát tần số là một thiết bị tạo ra các tín hiệu có dạng khác nhau, tần số khác nhau và có biên độ điện áp thay đổi được 1.1.2 Phân loại Trong khi sử dụng nguồn tín hiệu có dải tần rộng từ vài Hz đến hàng chục GHz. Do tính chất của các dải tần khác nhau mà máy phát tần số được chia thành: Máy phát tín hiệu âm tần Máy phát tín hiệu cao tần Máy phát tín hiệu siêu cao tần Tuỳ theo công nghệ sản xuất mà có các máy phát tín hiệu cao tần với tần số tới hàng trăm MHz, máy phát tín hiệu siêu cao tần với dải tần tới hàng chục GHz hoặc cao hơn nữa. Phân loại theo dạng tín hiệu Căn cứ vào dạng tín hiệu thì máy phát tần số trong đo lường được chia thành các loại sau: Máy phát tín hiệu hình sin Máy phát tín hiệu xung Máy phát tín hiệu nhiễu Máy phát tín hiệu có dạng tuỳ ý Máy phát tín hiệu điều biên Máy phát tín hiệu điều tần Máy phát tín hiệu điều xung Phân loại theo mục đích sử dụng Căn cứ vào mục đích của người sử dụng, máy phát tần số được chia thành 2 loại cơ bản: Máy phát tín hiệu chuẩn Máy phát tín hiệu đo lường 1.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản Yêu cầu cơ bản của máy phát tần số là: tín hiệu phát ra phải có tần số ổn định và cao, chính xác, không phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn cung cấp. Thông thường các máy phát tần số cần phải có các đặc tính kỹ thuật cơ bản sau: Sai số thiết lập tần số Sai số cơ bản thiết lập mức điện áp ra Sai số cơ bản thiết lập mức điều chế Độ ổn định tần số thiết lập Độ ổn định mức điện áp ra Sai số độ sâu điều chế Sai số méo phi tuyến Ngoài các tham số về sai số cơ bản, máy phát tần số còn có các tham số khác như: sai số thiết lập tần số, sai số phụ khi thiết lập mức điện áp ra. 1.1.4 Các tham số của máy phát tần số Cũng như các sản phẩm điện tử khác, máy phát tần số cũng có các tiêu chuẩn kỹ thuật tuân theo các quy ước chuẩn. Hiển nhiên, các ứng dụng khác nhau, thì sự quan trọng của các tiêu chuẩn kỹ thuật cũng khác nhau và phụ thuộc vào người thiết kế để thiết kế sao cho có hiệu quả và kinh tế. Trong khi một máy phát tần số cho một radio cho xe hơi cần độ chính xác vừa phải, độ tin cậy cao, rất nhỏ, đơn giản, không đắt thì một máy phát tần số sử dụng trong máy chụp cộng hưởng từ MRI phải có độ chính xác cao, có phổ tập trung cao, phải có khả năng chuyển từ một tần số này đến tần số khác rất nhanh. Do đó, người thiết kế cần so sánh các tiêu chuẩn kỹ thuật của chúng để tìm ra cách giải quyết kinh tế và khả thi nhất. 1.1.4.1 Dải tần số Tiêu chuẩn này chỉ ra dải tần số đầu ra, là giá trị tần số mà máy có thể phát ra từ tần số thấp nhất đến tần số cao nhất có thể. Đơn vị của tần số là Hert ( Hz). 1.1.4.2 Độ phân giải tần số Tham số này cũng được xem như là kích thước bước nhảy, nó chỉ ra bước nhảy tối thiểu tần số. Chẳng hạn nếu một FG tạo ra một tần số từ 10Hz đến 100 MHz và có kích thước bước nhảy 10Hz, nó có khả năng tạo ra bất kỳ một tần số nào giữa 10Hz và 100Mhz với bước nhảy 10Hz. Trong rất nhiều ứng dụng, bước nhảy là không cố định. Điều này xảy ra khi tần số của máy phát được tạo ra bằng cách chia một tần số cố định cho một dải các số. 1.1.4.3 Mức đầu ra Mức công suất đầu ra thường được tính bằng dB( 0dBm hoặc 1mW). Công suất đầu ra hoặc có thể cố định 10dBm, hoặc có thể thay đổi trong phạm vi -120dBm đến 15dBm. Tiêu chuẩn này cũng bao gồm độ phân giải công suất đầu ra, ví dụ độ phân giải có thể là 1dB hay 0.1dB. 1.1.4.4 Điều khiển và giao tiếp Tham số này chỉ phương pháp điều khiển và giao tiếp với FG.Việc điều khiển có thể là mã BCD hay là mã nhị phân, có thể là song song hay bus 8 bit hoặc nối tiếp. Hầu hết các chip đơn tổ hợp tần số, đặc biệt PLL, sử dụng giao diện nối tiếp để cho phép đóng gói nhỏ, các chức năng tích hợp cao. 1.1.4.5 Độ phẳng đầu ra Thông số này nêu lên độ bằng phẳng của công suẩt đầu ra và được đo bằng dB. Ví dụ công suẩt đầu ra là 10 dBm1 dB. 1.1.4.6 Trở kháng đầu ra Tham số này chỉ rõ trở kháng đầu ra danh định của máy phát tần số và thường bằng trở kháng tải. Trong các thiết bị siêu cao tần và tần số radio thì trở kháng tải thường là 50, trong video là 75, còn trong thiết bị audio là 600. 1.1.4.7 Tốc độ chuyển mạch Đó là tốc độ tại đó FG có thể nhảy từ tần số này đến tần số khác.Có rất nhiều khái niệm cho tham số này. Giả sử rằng tiêu chuẩn kỹ thuật này là để trải từ 10Hz đến 100MHz và chuyển tới trong khoảng từ 1 KHz ít hơn 100s. Để đo tham số này, một bộ đếm được thiết lập để đo tần số mới ( FG được yêu cầu để nhảy giữa 10Hz và 100MHz một cách có chu kỳ) và được xác định thời gian để bắt đầu đo duy nhất 10s sau khi bít lệnh được kích hoạt( khoảng 5s , bởi vì thời gian cho phép phải tương đối ngắn so với thời gian tiêu chuẩn kỹ thuật). Nếu việc đo là 10Hz hay 100MHz ( tuỳ thuộc vào câu lệnh kích hoạt bộ đếm để đo) trong khoảng 1 KHz thì tiêu chuẩn này đã được thoả mãn. Rõ ràng rằng, trong phép đo như thế một bộ đếm được kích hoạt xung phải được sử dụng. Một tiêu chuẩn thông dụng khác để định nghĩa tốc độ chuyển mạch đó là thời gian để pha đầu ra thiết lập thành 0.1 rad của pha cuối cùng. Nếu FG tạo ra một xung Acos(1t+1) và được điều khiển tới một tần số mới Acos(2t+2), pha của tín hiệu sẽ chuyển đổi từ 1t+1 đến 2t+2. Tốc độ chuyển mạch là thời gian chuyển mạch tạm thời để đạt được một pha đầu ra là 2t+20.1 rad ( xấp xỉ 5.70). Trong hầu hết các trường hợp 1, 2 không phải là các tham số đo, bởi vì giá trị của chúng không phải là một tham số trong toàn bộ hệ thống và người sử dụng không quan tâm đến giá trị của chúng. 1.1.4.8 Sự tạm thời của pha Trong hầu hết các ứng dụng, pha không được định nghĩa khi ở trạng thái tạm thời Hình1. 1 Chuyển mạch pha trong trạng thái tạm thời Tuy nhiên, rất nhiều ứng dụng cần định nghĩa các đặc tính tạm thời cẩn thận. Hai yêu cầu điển hình được nói đến sau đây: Chuyển mạch pha liên tục Điều này có nghĩa trong suốt quá trình chuyển mạch, sự chuyển đổi tạm thời của pha sẽ không được chỉ ra như ở phần (b) hình 1.1. Chuyển mạch bộ nhớ pha Điều này có nghĩa là FG đang chạy ở tần số ¦1 và sau đó được chuyển tới ¦2, ¦3 , ¦4…và quay lại ¦1, sau đó nó sẽ phục hồi pha ban đầu khi đang chạy ở tần số ¦1, như được chỉ ra ở phần (c) hình 1.1. Sự yêu cầu này dễ dàng đạt được nếu tất cả tần số đầu ra cụ thể (¦1, ¦2 , ¦3…) tuỳ thuộc vào câu lệnh. Trong trường hợp như thế, mỗi một máy phát sẽ tiếp tục dao động thậm chí khi nó không được sử dụng. Do đó, khi nó được nối lại, nó sẽ duy trì pha của nó. 1.1.4.9 Sự điều hòa Tham số này chỉ ra mức độ điều hoà của tần số đầu ra và phụ thuộc vào rất nhiều thành phần bên trong của FG. 1.1.4.10 Nhiễu pha Tất cả các tín hiệu thực tế đều là các nhiễu dải hẹp. Mỗi một tín hiệu chúng ta tạo ra đều đạt được từ một bộ dao động. Các bộ dao động là các bộ khuếch đại hồi tiếp dương có một mạch cộng hưởng ở trong đường hồi tiếp của chúng. Bởi vì nhiễu luôn luôn tồn tại trong mạch, khi bật nguồn nhiễu này sẽ được khuếch đại trong dải cộng hưởng cho đến khi mức độ bão hoà đạt được. Sau đó bộ dao động sẽ chuyển từ trạng thái tạm thời thành trạng thái ổn định. Do đó chất lượng tín hiệu chủ yếu được xác định bởi phẩm chất cộng hưởng Q. Tín hiệu mà chúng ta thường coi là tín hiệu hình sin thực chất là nhiễu dải hẹp. Chất lượng của tín hiệu được xác định bởi bao nhiêu năng lượng của nó được chứa đựng gần với sóng mang. Tần số trung tâm thực sự là tần số nhiễu trung bình. Nhiễu pha theo cách nào đó là độ lệch của nhiễu chuẩn. Trong các tín hiệu chất lượng rất cao, giống như dao động thạch anh (Q có dải từ 20,000 –200,000) 99,99% năng lượng tín hiệu có thể được giữ trong khoảng 0.1Hz của tần số trung tâm. Tham số này chỉ ra nhiễu pha của sóng mang đầu ra so với một đầu ra lý tưởng. Đầu ra lý tưởng của một bộ phát xung sin là: Asin(w0t+ j) và nó được thể hiện trong miền tần số là hàm delta(Dirac) tại tần số đơn w0 và có băng thông lý tưởng bằng 0. Tín hiệu như thế phải liên tục(Nếu không phổ của nó phải có độ rộng vô tận lớn hơn 0) và công suất rời rạc. Tuy nhiên việc tham chiếu tới hàm delta rất thuận lợi cho việc đánh giá theo lý thuyết. Các máy tổ hợp tần số chất lượng cao tạo ra các tín hiệu chứa 99.99% năng lượng của chúng trong khoảng nhỏ hơn 1Hz băng thông xung quanh sóng mang. Các bộ dao động thạch anh có thể chứa 99.99% năng lượng của chúng trong khoảng nhỏ hơn 0.01Hz băng thông. Rõ ràng rằng, trong thực tế tín hiệu duy nhất chúng ta có thể tạo ra là: A[1+n1(t)]sin[w0t+ n2(t) + j] Ở đây n1(t) thể hiện sự không ổn định của biên độ và n2(t) thể hiện sự thay đổi pha. Những hàm nhiễu này là ngẫu nhiên và thể hiện một phổ mà phải được thiết kế để thoả mãn một tiêu chuẩn kỹ thuật. Trong hầu hết các máy tổ hợp tần số sự nhiễu biên độ thấp hơn nhiều so với nhiễu pha và không được tách ra một cách cụ thể. Tuy nhiên nhiễu pha là một tham số chính và được tính theo một vài cách. Phương pháp thông dụng nhất để xác định rõ độ nhạy nhiễu trong băng thông 1Hz tại gá trị lệch ¦m khỏi sóng mang như được chỉ trong hình 1.2. Đối với các tín hiệu lý tưởng sẽ không có năng lượng tại bất kỳ vị trí lệch nào khỏi sóng mang. Hình 1.2 Sự nhiễu pha Một phương pháp khác để định nghĩa nhiễu pha là đo nhiễu tích hợp trong trong một băng thông cho sẵn xung quanh sóng mang nhưng chỉ bao gồm ±1Hz xung quanh sóng mang như được chỉ ra trong hình 1.3. Hình 1.3 Nhiễu pha được tích hợp S/N tỷ số tín hiệu trên tạp âm trong 30Khz( ngoại trừ 2Hz quanh sóng mang) Phương pháp này có liên quan đến phương pháp trước bởi sự tích hợp năng lượng nhiễu dưới đường cong nhiễu pha. Tuy nhiên khi so sánh với đo nhiễu pha, thì nó đơn giản hơn. Trong phương pháp này tổng năng lượng nhiễu vẫn được đo thậm chí dạng phổ chi tiết của nó bị mất. Băng thông nhiễu được đo giữa 1Hz và 15KHz. Do đó việc đo là tỷ số giữa công suất tín hiệu với nhiễu từ 1tới 15KHz so với sóng mang(băng thông nhiễu là 30KHz). 1.1.4.11 Tần số tham chiếu chuẩn Tất cả các bộ tổ hợp tần số đều sử dụng một tần số tham chiếu chuẩn (thường thường bằng 5MHz hay 10MHz hoặc tần số khác) tần số này phải có tham số thoả mãn sự ổn định, nhiễu pha, tín hiệu điều hoà. 1.1.4.12 Các tham số phụ Những tiêu chuẩn này liên quan đến việc thực hiện của một máy tổ hợp tần số cụ thể. Chúng thường bao gồm các thông số như kích thước, nguồn cung cấp yêu cầu, chất lượng, và độ tin cậy. 1.2 Các mạch tạo dao động 1.2.1 Vấn đề chung về mạch tạo dao động Mạch tạo dao động điều hoà tạo ra tín hiệu hình sin có dải tần làm việc từ vài Hz đến hàng nghìn MHz. Các mạch tạo dao động điều hoà thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin, trong các máy đo, máy kiểm tra, trong các thiết bị y tế… Trong các mạch dao động điều hoà, để tạo ra dao động thường dùng các phần tử: đèn điện tử, transistor lưỡng cực, Fet, mạch khuếch đại thuật toán hoặc các phần tử đặc biệt như: điốt tunnel, điốt Gunn… Mạch dao động dùng đèn điện tử có thể làm việc từ phạm vi tần số thấp sang phạm vi tần số cao. Các đèn điện tử được dùng khi yêu cầu công suất ra lớn. Ở phạm vi tần số thấp và trung bình thường dùng mạch khuếch đại thuật toán để tạo dao động, còn ở phạm vi tần số cao thì dùng transistor lưỡng cực hoặc Fet. Khi dùng mạch khuếch đại thuật toán để tạo dao động thì không cần mạch bù tần số, vì khi dùng mạch bù tần số sẽ làm giảm dải tần công tác của bộ tạo dao động. Các tham số của bộ tạo dao động gồm: tần số ra, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số( nằm trong khoảng từ 10-2 đến 10-6), công suất ra, hiệu suất. Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng, khi thiết kế có thể đặc biệt quan tâm đến một vài tham số nào đó hoặc hạ thấp yêu cầu đối với tham số khác, nghĩa là tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng mà cân nhắc và xác định tham số một cách hợp lý trong quá trình thiết kế một máy tạo dao động. Có thể tạo mạch dao động điều hoà theo hai nguyện tắc cơ bản sau: Tạo dao động bằng hồi tiếp dương Tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch 1.2.2 Điều kiện và đặc điểm của mạch tạo dao động Xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động theo nguyên tắc hồi tiếp theo sơ đồ khối hình 1.4 trong đó: Xv: tín hiệu vào của mạch khuếch đại Xr: tín hiệu ra của mạch khuếch đại Xr: tín hiệu ra của mạch khuếch đại hồi tiếp (1): là khối khuếch đại có hệ số khuếch đại (2): là khối hồi tiếp có hệ số truyền đạt là Khối (1) Xv Xr Khối (2 ) Xr Hình 1.4 Sơ đồ khối của mạch tạo dao động Trong sơ đồ này chỉ có dao động và tần số của nó thoả mãn điều kiện: Vì và đều là số phức, ta có: . ht = K.Kht.eJ(k+ht)=1( phương trình 1.1) Trong đó: K: mođun hệ số khuếch đại Kht: môđun hệ số hồi tiếp k: góc di pha của bộ khuếch đại ht: góc di pha của mạch hồi tiếp Từ phương trình 1.1 ta có: K.Kht =1 = k + ht = 2n( với n=0, 1,2…) được gọi là điều kiện cân bằng biên độ, là tổng dịch pha của bộ khuếch đại và của mạch hồi tiếp. Điều kiện cân bằng biên độ cho thấy : mạch chỉ có thể dao động được khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có thể bù được tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra. Còn điều kiện cân bằng pha cho thấy dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu đồng pha với tín hiệu vào. Các đặc điểm cơ bản của mạch tạo dao động: Mạch dao động cũng là mạch khuếch đại, nhưng là mạch khuếch đại tự điều khiển bằng hồi tiếp dương từ đầu ra về đầu vào. Năng lượng tự dao động lấy từ nguồn cung cấp một chiều. Mạch phải chứa ít nhất một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để đảm bảo cho dao động không đổi ở trạng thái xác lập K.Kht=1 1.2.3 Ổn định biên độ dao động và tần số dao động 1.2.3.1 Ổn định biên độ dao động Trong mạch dao động, biên độ của dao động không đổi ứng với K.Kht=1. Để đảm bảo trạng thái ổn định biên độ ở trạng thái xác lập, có thể thực hiện các biện pháp sau: Hạn chế biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp một chiều thích hợp. Biết rằng biên độ điện áp xoay chiều cực đại trên đầu ra mạch khuếch đại luôn nhỏ hơn giá trị điện áp cung cấp một chiều cho phần tử khuếch đại. Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc phần tử điều chỉnh:( ví dụ: điện trở nhiệt, điện trở thông của điốt). 1.2.3.2 Ổn định tần số Việc ổn định tần số liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng pha. Khi dịch pha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu thay đổi thì sẽ dẫn đến việc thay đổi tần số dao động. Trong điều kiện cân bằng pha chọn n=0, ta có: = k + ht=0 Mà góc pha k và ht phụ thuộc vào các phần tử của mạch và phụ thuộc vào các tần số. Nên ta viết lại điều kiện cân bằng pha với n= 0 như sau: ( phương trình 1.2) Trong đó: m: đặc trưng cho tham số của các phần tử trong mạch khuếch đại. n: đặc trưng cho tham số của các phần tử trong mạch hồi tiếp. Vi phân toàn phần và biến đổi phương trình 1.2 ta có biểu thức sau: ( phương trình 1.3) Từ phương trình 1.3 ta có các biện pháp nâng cao độ ổn định tần số: Giảm sự thay đổi tham số dm của mạch khuếch đại và dn của mạch hồi tiếp bằng cách: Dùng nguồn ổn áp Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ giảm ảnh hưởng của tải đến mạch dao động bằng cách mắc thêm tầng đệm ở đầu ra tầng tạo dao động. Giảm tốc độ thay đổi góc pha theo tham số của mạch, nghĩa là giảm và bằng cách chọn mạch dao động thích hợp( ba điểm điện cảm, ba điểm điện dung, ghép biến áp). Giảm tốc độ biến đổi của các góc pha theo tần số ( tức là tăng và xung quanh tần số dao động ) bằng cách sử dụng các phần tử có phẩm chất cao và phần tử tích cực có hệ số khuếch đại lớn. Thông thường, nếu không dùng các biện pháp ổn định đặc biệt thì độ ổn định tần số của bộ dao động điều hoà có thể đạt trong khoảng 10-2 đến 10-3. Khi dùng các biện pháp trên đây có thể tăng độ ổn định tới 10-4 hoặc cao hơn nữa, trong trường hợp dùng thạch anh có thể đạt được độ ổn định tần số từ 10-6 đến 10-8. 1.2.3.4 Tính toán mạch dao động Để tính toán mạch dao động, ta chỉ xét mạch dao động thông dụng đó là mạch dao động theo phương pháp bộ khuếch đại có hồi tiếp. Và trong phần này ta chỉ tính toán đối với các mạch dao động điện cảm- điện dung(LC). Để tính toán mạch dao động xuất phát từ điều kiện cân bằng biên độ, điều kiện cân bằng pha không cần quan tâm đến vì điều kiện này do kết cấu của mạch đảm nhiệm. Khi tính toán cần căn cứ vào mạch điện cụ thể để xác định hệ số khuếch đại K và hệ số hồi tiếp Kht rồi cho tích của chúng bằng 1, từ đó tìm được các thông số của mạch. 1.3 Các mạch cung cấp nguồn 1.3.1 Khái niệm Nhiệm vụ của mạch cung cấp là tạo ra năng lượng cần thiết kế để cung cấp cho các thiết bị điện hoặc điện tử làm việc. Thông thường nguồn năng lượng do nó tạo ra là nguồn điện áp một chiều lấy từ mạng điện xoay chiều hoặc từ pin, ắc quy. Đai lượng vào và ra của mạch cung cấp có thế là xoay chiều hay là một chiều . Nhưng quan trọng hơn cả là nguồn một chiều . Nó biển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều thông qua biến áp. Yêu cầu đối với loại nguồn này là điện áp ra ít phụ thuộc vào sự biến thiên của điện áp mạng, của tải và của nhiệt độ. Để đạt được các yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổn định( ổn áp, ổn dòng). Yêu cầu về độ ổn định của các điện áp cung cấp rất khác nhau. Đối với một số thiết bị chỉ cần cung cấp điện áp thông thường( không ổn áp), ngược lại với một số thiết bị khác như thiết bị đo thì điện áp cung cấp chỉ cho phép dao động trong khoảng vài ‰ xung quanh giá trị trung bình của nó. Đối với các thiết bị số, điện áp cung cấp được cho phép dao động trong khoảng vài %, còn với các thiết bị tự động hóa thì mức độ dao động cho phép từ 10% đến 15%. Khi dùng pin hay ắc quy thì mức độ dao động này còn lớn hơn. Các tham số cơ bản của một mạch nguồn là mức điện áp và dòng điện ra, công suất ra cực đại, độ ổn định điện áp ra, điện trở trong, hệ số nhiệt của điện áp ra, mức gợn sóng ở đầu ra, khả năng chịu đựng ngắn mạch, dải nhiệt độ, kích thước và giá thành. 1.3.2 Nguồn ổn áp xung Nguồn ổn áp xung có ý nghĩa đặc biệt khi cần lấy ra điện áp nhỏ từ một điện áp vào lớn với hiệu suất cao hoặc khi điện áp vào thay đổi nhiều. Nguyên lý cơ bản của nguồn ổn áp xung gồm 4 khâu: - Chuyển mạch công suất là một transitor công suất - Mạch lọc và chống điện áp cảm ứng ngược - Mạch so sánh ra với điện áp chuẩn - Mạch điều khiển thời gian đóng mở chuyển mạch công suất Khi mở, transitor khóa dẫn năng lượng từ nguồn vào đến một phần tử tích lũy năng lượng ( thường là cuộn cảm và tụ điện). Trong thời gian khóa ngắt thì phần tử tích lũy năng lượng cung cấp năng lượng cho mạch sao cho trên tải luôn có điện áp ra. Tần số đóng mở của khóa thường nằm trong phạm vi 16 KHz đến 50 KHz để tránh nhiễu âm thanh. Trong khu vực này dùng cuộn cảm có lõi ferit là thích hợp. Tần số càng cao thì phần tử tích lũy năng lượng có kích thước càng nhỏ, nhưng hiệu suất giảm do thời gian đóng mở tăng. Để tăng hiệu suất của mạch cần dùng các transistor có thời gian đóng mở ngắn. Nguồn ổn áp xung cho hiệu suất cao và có dải ổn định điện áp rộng, nhưng tốc độ điều khiển thấp, điện áp ra có độ gợn sóng lớn. 1.4 Các máy phát tín hiệu 1.4.1 Máy phát tín hiệu âm tần Máy phát tín hiệu tạo ra các tín hiệu dao động âm tần trong dải âm tần. Dải tần số này có tần số trong khoảng 20Hz đến 200.000KHz( gọi là dải tần số âm thanh), và dải tần này được chia thành 3 dải nhỏ: dải tần số rất thấp:dưới 20Hz dải tần số âm thanh: từ 20Hz đến 20Khz dải tần số siêu âm: từ 20KHz trở lên Máy phát tín hiệu âm tần thường được dùng để thử các bộ khuếch đại âm tần, các bộ điều chế,các loa, tai nghe và các thiết bị âm tần khác. Máy phát tín hiệu âm tần gồm: bộ tạo dao động âm tần, bộ khuếch đại công suất, bộ suy giảm, bộ chỉ thị, khối nguồn. Ta có sơ đồ khối của máy phát tín hiệu âm tần Bộ khuếch đại Bộ chỉ thị Bộ tạo dao động Khối nguồn Bộ suy giảm Hình 1.5 Sơ đồ khối máy phát tín hiệu âm tần Các máy phát tín hiệu âm tần thường sử dụng các mạch tạo dao động: Mạch dao động điện cảm- điện dung Mạch dao động điện trở- điện dung Mạch dao động cầu Viên Mạch dao động phách Mạch dao động điện cảm- điện dung(LC) thường dùng trong các máy phát tín hiệu cao tần. Trong máy phát tính hiệu cao tần mạch này thường để tạo ra các tần số cố định 400Hz hay 1000Hz dùng để điều chế tín hiệu cao tần. Mạch dao động điện trở- điện dung(RC) được dùng phổ biến trong máy phát tín hiệu âm tần, vì mạch này đơn giản không cần sử dụng các cuộn dây, biến áp. Mạch dao động RC có khả năng cho ra một khoảng tần số khá hẹp, có độ ổn định cao, dạng tín hiệu ra tốt, máy nhỏ và nhẹ. Mạch này có thể cho ta dải tần số đến hàng MHz, nhưng tần số ở dải MHz không ổn định do điện dung tạp tán của mạch trở thành đáng kể so với điện dung của mạch xoay pha. Cho nên mạch RC thường được dùng cho máy phát tín hiệu âm tần đơn giản, và tạo ra tần số âm tần cố định trong các maý đo trở kháng đơn giản. Mạch dao động cầu Viên thực chất là mạch dao động RC có hai tầng khuếch đại, nên không cần đến mạch xoay pha. So với mạch RC thì mạch dao động này cho ra dạng tín hiệu tốt hơn, độ ổn định tần số cao hơn, dải tần rộng hơn. Phần lớn các máy phát tín hiệu âm tần chuyên dụng đều sử dụng mạch này. Mạch dao động phách có ưu điểm cho ra một dải tần rộng và liên tục, từ 0Hz đến 20KHz và có thể rộng hơn nữa, khi thay đổi liên tục tần số mà không cần phải dùng đến chuyển mạch băng tần. Nhưng nó lại có nhược điểm là mạch phức tạp. Vì vậy mạch dao động phách này chỉ trong máy phát tín hiệu âm tần chuyên dụng (dùng phối hợp với máy hiện sóng vẽ tự động toàn bộ đặc tuyến của một bộ khuếch đại). 1.4.2 Máy phát tín hiệu cao tần Máy phát tín hiệu cao tần là nguồn tín hiệu dùng để điều chỉnh và thử nghiệm các thiết bị thu sóng vô tuyến điện, các bộ suy giảm, dùng làm các nguồn ngoại sai cho các phép đo, dùng để điều chỉnh tần số của các bộ lọc, bộ khuếch đại. Các máy phát tín hiệu cao tần tạo ra các tín hiệu hình sin với dải tần từ 10KHz đến 3000MHz, dải tần này có thể mở rộng cao hơn nữa tuỳ theo công nghệ chế tạo. Dải tần này được gọi là dải tần vô tuyến và được chia là 3 dải: Dải tần số cao: 10Khz đến 30Mhz. Dải tần số siêu cao: 30 MHz đến 3000MHz. Dải tần số cực siêu cao: trên 3000 Mhz Máy phát tín hiệu cao tần đơn giản bao gồm: bộ tạo dao động cao tần, bộ khuếch đại điều chế, bộ dao động âm tần hình sin, bộ khuếch đại công suất, bộ suy giảm, bộ chỉ thị công suất ra, bộ chỉ thị độ sâu điều chế, khối nguồn. Bộ tạo dao động cao tần Bộ tạo dao động cao tần là bộ phận quan trọng nhất trong máy phát tín hiệu cao tần, thông thường được thiết kế trên cơ sở các mạch tạo dao động chất lượng cao có tần số và biên độ ổn định. Mạch dao động của máy phát tín hiệu cao tần thường dùng các loại mạch 3 điểm, nên trong mạch dao động sử dụng các linh kiện có tham số L và C tập trung. Chính vì vậy việc thay đổi các băng tần được thiết lập bằng cách thay đổi các cuộn dây điện cảm L, tần số dao động thì được điều chỉnh bởi điện dung C. Trong máy phát tín hiệu cao tần, mạch dao động cao tần thường sử dụng là: Mạch dao động ba điểm điện cảm Mạch dao động ba điểm điện dung Mạch dao động ghép biến áp Bộ khuếch đại điều chế: làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đã được điều chế. Tín hiệu điều chế có thể là điều biên, điều tần hoặc điều pha. Bộ dao động âm tần: tạo ra tần số âm tần có độ méo phi tuyến nhỏ dùng để điều chế tín hiệu dao động cao tần. Bộ dao động âm tần thường được thiết kế có tần số cố định là 1000Hz hoặc 400Hz. Bộ khuếch đại công suất: có nhiệm vụ điều chế tín hiệu của bộ dao động cao tần với tín hiệu của bộ dao động âm tần và khuếch đại tín hiệu sau điều chế đủ lớn theo yêu cầu. Dải thông của bộ khuếch đại phải phủ toàn bộ dải tần làm việc của máy. Các thiết bị chỉ thị: là các Vônmet điện tử dùng để chỉ thị điện áp ra, độ sâu điều chế hay điều tần. Bộ suy giảm: dùng để thay đổi các mức của tín hiệu ra. Khối nguồn: tạo ra các nguồn điện áp một chiều ổn định Đầu ra của máy tạo dao động cao tần thường được đưa ra hai đầu: một đầu cố định 1V còn đầu kia được đưa qua bộ suy giảm và bộ chia ngoài với hệ số chia 1:10 hay 1:100. Tín hiệu sau khi đi qua bộ chia ngoài và bộ suy giảm sẽ có giá trị cỡ vài V. CHƯƠNG 2. CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG MÁY PHÁT TẦN SỐ 2.1 Công nghệ tổ hợp tần số Tổ hợp tần số là một công nghệ bao gồm cả công nghệ số và công nghệ tương tự. Để thiết kế được một máy tổ hợp ._.tần số thì phải áp dụng rất nhiều các kiến thức như: các bộ dao động, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO, bộ khuếch đại, bộ lọc, bộ dò pha, khuếch đại một chiều (DC) nhiễu thấp và lọc. Có ba công nghệ tổ hợp tần số chính ngày nay được sử dụng rất rộng rãi để tạo ra các máy tổ hợp tần số: công nghệ tổ hợp tần số dùng PLL, công nghệ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp, công nghệ tổ hợp tần số số trực tiếp. 2.1.1 Công nghệ tổ hợp tần số dùng vòng khóa pha (PLL) Công nghệ tổ hợp tần số dùng PLL là công nghệ thông dụng và phổ biến nhất bởi sự đơn giản, hiệu quả và kinh tế của nó. Ta có thể tìm thấy các máy tổ hợp tần số dùng PLL trong các ứng dụng radar, vệ tinh, trong các hệ thống đo lường ... Các ứng dụng của nó chung quy lại là đều là nhằm biến đổi tần số , di chuyển tần số từ miền tần số thấp sang miền tần số cao và ngược lại .Tổ hợp tần số là một trong những ứng dụng quan trọng của PLL, nó tạo ra một mạng tần số rời rạc từ một tần số chuẩn có độ ổn định cao. Do PLL thực hiện được chế độ khoá pha, nên các đặc tính ổn định và trôi nhiệt cũng giống như của tần số chuẩn. Hình 2.1 Nguyên lý chung của PLL PLL hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển. Khác với các vòng điều khiển thường dùng trong kỹ thuật điện tử, trong đó điện áp hoặc dòng điện là các đại lượng vào ra, trong PLL đại lượng vào và đại lượng 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 số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra , nghĩa là PLL làm cho Wr của tín hiệu so sánh bám theo tần số Wv của tín hiệu vào. Tần số của tín hiệu so sánh bằng tần số của tín hiệu ra hoặc tỷ lệ với tín hiệu ra theo một tỷ lệ nào đó Wr=Wv/N. Để có tín hiệu điều chỉnh ud (hoặc id) tỷ lệ với hiệu pha ta phải dùng bộ tách sóng pha (với PLL tuyến tính thì dùng mạch nhân tương tự để tách sóng pha, với PLL số thì dùng mạch AND hoặc trigơ để tách sóng pha). Ở đầu ra của mạch tách sóng pha là tín hiệu điều chỉnh được đưa đến bộ tạo dao động khống chế bằng điện áp (VCO) hoặc bộ tạo dao động khống chế bằng dòng điện (CCO) làm thay đổi tần só dao động của nó sao cho hiệu tần số của tín hiệu vào và tín hiệu ra giảm dần và tiến tới không nghĩa là Wr=Wv. Những phép biến đổi cơ bản trong tổng hợp tần số là nhân và chia tần số: Phép nhân tần số với hệ số nhân N nguyên ở chế độ đồng bộ, tần số chuẩn fc=f0/N hay tần số ra : f0=fr=Nfc Hình 2.2 Sơ đồ khối phép nhân tần số với hệ số nhân N nguyên ở chế độ đồng bộ Tổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số chuẩn Hình 2.3 Sơ đồ khối tổng hợp tần số với tần số ra không phải là bội của tần số chuẩn Tần số chuẩn trước khi vào bộ tách sóng pha được đưa qua mạch chia tần, trên đầu ra mạch chia tần có tần số fc/M. Tần số ra qua mạch chia N là fo/N. Khi đồng bộ: Fc/M=F0/N do đó F0=Fr= Fc*N/M Nếu dao động chuẩn là một dãy xung có tần số cơ bản fc và các hài bậc cao nfc và cho tần số của VCO bám theo một hài bậc cao nào đó của fc thì có thể có được tần số ra fr = Nfc. Hoặc VCO làm việc ở chế xung, tín hiệu chuẩn là tín hỉệu sin thì fc = Mf0. Do đó f0=fr=fc/m(m là bậc sóng hài của f0). Như ở hình 2.3 bằng cách thay đổi M, N ta có thể nhận được một mạng tần số rời rạc tùy ý có độ ổn định cao như tần số chuẩn. 2.1.2 Công nghệ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp (DA) Một công nghệ tổ hợp khác đó là công nghệ tổ hợp tần số tương tự trực tiếp direct analog (DA). Trong công nghệ này một nhóm các tần số tham chiếu được tạo ra từ một tần số chính và các tần số này được trộn, lọc, cộng, trừ, hoặc chia theo đầu ra được yêu cầu. Không giống như PLL, công nghệ DA sử dụng nguyên tắc số học trong miền tần số ( không có cơ chế hồi tiếp vòng lặp khép kín) để chuyển đổi tín hiệu tham chiếu đầu vào thành tín hiệu đầu ra yêu cầu. Công cụ chính trong công nghệ DA là bộ phát dao động, bộ nhân, bộ trộn, lọc và bộ chia tần. Hình 2.4 DA sử dụng nhiều tần số tham chiếu Để mô tả các thành phần của công nghệ DA chúng ta thiết kế một bộ tổ hợp tần số có dải tần số ra từ 16 đến 16.99MHz với độ phân giải 10KHz và tần số tham chiếu 10MH. Trên hình 2.4 yêu cầu các tần số tham chiếu sau: 14, 16, 18, 20, 22, 130 và 131 MHz. Đầu ra tầng thứ nhất là đầu vào của tầng thứ hai và ở đầu ra của tầng thứ nhất 10 tần số sẽ được tạo ra từ 16 đến 16.9 MHz, nhưng tất cả đầu ra của tầng thứ 2 sẽ có dải đầy đủ từ 16 dến 16.99 MHz (100 tần số). Nếu thêm các tầng tương tự tiếp theo thì độ phân giải sẽ được tăng tới bất kì mức yêu cầu nào. Các tần số tham chiếu được tạo ra theo công nghệ DA bằng các bộ phát comb, bộ lọc trộn tần và bộ chia. Ví dụ một phương pháp được mô tả trong hình 2.5: Hình 2.5 Tạo các tần số tham chiếu cho thiết kế DA Kiến trúc này thường được sử dụng để mô tả nguyên tắc hoạt động của DA. Có thể có rất nhiều sự thay đổi nhưng đây là một thiết kế điển hình và hiệu quả. Các thành phần cơ bản của DA là các bộ trộn tần và lọc. 2.1.3 Công nghệ tổ hợp tần số trực tiếp số ( DDS) DDS là một công nghệ tạo tín hiệu đang nổi bật hiện nay. Cách đây 10 năm đây còn là một công nghệ mới mẻ và bị giới hạn ở nhiều ứng dụng. Tuy nhiên do cuộc cách mạng về công nghệ số ( tốc độ , độ tích hợp, công suất, chi phí ) xử lý tín hiệu số DSP và các thiết bị chuyển đổi dữ liệu đang trở nên phổ biến. Có sự khác nhau cơ bản giữa DDS và DA hay PLL. Mặc dù cả PLL và DA đều sử dụng các thiết bị số, như bộ chia, bộ dò pha, công nghệ PLL và DA vẫn cơ bản là công nghệ tương tự. Bộ tạo tín hiệu cơ bản của cả hai công nghệ là một bộ tạo dao động oscillator, đó là một bộ khuếch đại được hồi tiếp để hoạt động ở một điều kiện cụ thể. Bộ dao động được điều khiển để cho phép tạo ra các tần số. Trong DDS tín hiệu đựơc tạo ra và được điều khiển số , sau khi tất cả các thao tác số được hoàn thành, nó sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự thông qua bộ chuyển đổi số tương tự DAC. Nguyên tắc cơ bản nhất của DDS là dựa trên thuyết lấy mẫu Shannon. Hình 2.6 Sơ đồ khối DDS và dạng sóng Ở hình trên có 4 thành phần cơ bản: bộ accumulator, một bảng tra sine , DAC và bộ lọc thông thấp LPF. Một xung sin có biên độ không đổi, tần số không đổi, và pha không đổi có công thức : Asin(wt+j) Chúng ta có thể xem quá trình tạo tín hiệu như sau: Pha tín hiệu là một hàm tuyến tính, như được chỉ ra trong hình 2.6. Gradient hay độ dốc của pha dj/dt là tần số góc w. Để tạo ra biên độ của dạng sóng đầu ra thì cần phải chuyển đổi pha j(t) thành sin[j(t)] điều này được thực hiện bằng bộ nhớ chỉ đọc ROM, bởi vì sự chuyển đổi không tuyến tính và ROM hay RAM là một công cụ tiên lợi. Đầu ra của ROM là sự thể hiện số của biên độ tín hiệu sóng sine , mẫu , và DAC chuyển đổi nó thành tín hiệu sine tương tự. Bộ lọc thông thấp LPF sẽ lọc bỏ các tần số cao làm cho cho tín hiệu mịn hơn. 2.1.4 So sánh các phương pháp Việc chỉ rõ các ưu điểm và nhược điểm khác nhau của các công nghệ trên là hết sức cần thiết. Công nghệ PLL có dải rất rộng có thể hoạt động từ tần số audio đến tần số sóng millimeter và phụ thuộc vào tần số cuả bộ dao động. Bộ tổ hợp tần số PLL là tương đối đơn giản, tốc độ chuyển mạch có thể đạt được từ tốc độ trung bình đến nhanh; và chúng có chi phí thấp dễ dàng áp dụng trong các ứng dụng điều chế tương tự. Các chip PLL đơn có mức tích hợp cao và chi phí thấp. Tuy nhiên độ phân giải rất phức tạp, các bộ dao động chất lượng tốt rất cồng kềnh, và điều chế số rất phức tạp để áp dụng với hiệu quả chính xác cao. DA là một công nghệ dải rộng, qua các đa ứng dụng, tín hiệu có thể được tạo ra lên tới 100GHz, và có thể tiến xa hơn thành công nghệ sóng siêu cao tần sóng millimeter. Công nghệ này có tốc độ chuyển mạch rất cao, độ tập trung phổ cao, đặc biệt gần với sóng mang. Tuy nhiên, tổ hợp tần số DA rất phức tạp, đồ sộ, yêu cầu rất nhiều phần cứng và rất đắt, các điều chế số và tương tự rất phức tạp để áp dụng. Công nghệ tổ hợp tần số trực tiếp số có băng thông bị giới hạn, xấp xỉ 400MHz. Chúng rất đơn giản và gọn nhẹ, độ phân giải có thể đạt được tuỳ ý. Chúng có tốc độ chuyển mạch rất cao . Tuy nhiên băng thông vẫn bị hạn chế. Một điều đáng chú ý là 3 công nghệ tổ hợp tần số trên chúng bổ sung cho nhau, và đây là lý do chính để sự liên kết giữa chúng ngày càng nhiều, sự lai ghép giữa PLL và DDS để đạt được băng thông rộng và độ phân giải tốt hơn. Tổ hợp tần số DA và DDS được tích hợp để đạt được tốc độ, độ phân giải, và khả năng điều chế số tốt hơn. Chính xác mà nói thì cả PLL và DA đã là các công nghệ thông dụng từ lâu, trong khi DDS lại là một công nghệ đang nổi. PLL vẫn thu hút đựơc sự chú ý lớn nhất trong lĩnh vực công nghiệp. Các dụng cụ DA cũng được cải tiến, nguyên tắc hoạt động của chúng không thay đổi nhiều, việc cải tiến chủ yếu là do việc phát triển của các thành phần siêu cao tần. Trong công nghệ PLL việc phát triển nhất là sự giới thiệu công nghệ phân số N fractional-N.Còn sự phát triển công nghệ DDS là do sự ra đời của các mạch tích hợp chi phí thấp, và sự phát triển của các thiết bị chuyển đổi dữ liệu đặc biệt là công nghệ DAC. Như vậy 3 công nghệ trên vừa cạnh tranh nhau vừa hỗ trợ nhau và hầu hết các thiết kế hiện đại sử dụng sự kết hợp của chúng để đạt được khả năng hoạt động cao hơn, và kinh tế hơn chẳng hạn chip đơn Max038. 2.2 Công nghệ chuyển đổi số- tương tự Chuyển đổi DAC là qúa trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N bit) đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử tức 1LSB. UA UM t Hình 2.7 Biến thiên điện áp theo thời gian Tín hiệu đầu ra là tín hiệu rời rạc theo thời gian, tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông thấp lý tưởng. Trên đầu ra của bộ lọc có tín hiệu UA biến thiên theo thời gian là tín hiệu nội suy của UM. Ở đây bộ lọc thông thấp đóng vai trò như một bộ nội suy. 2.2.1 Chuyển đổi số - tương tự bằng phương pháp thang điện trở Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi DA theo phương pháp thang điện trở Trên đầu vào bộ khuếch đại thuật toán là một thang điện trở mà trị số của chúng phân bố theo mã nhị phân: Các điện trở lân cận nhau có trị số kém hơn nhau 2 lần. Tín hiệu điều khiển chính là tín hiệu số cần chuyển đổi. Trong chuyển đổi DA theo phương pháp này yêu cầu trị số của các điện trở phải rất chính xác. 2.2.2 Chuyển đổi số - tương tự bằng phương pháp mạng điện trở Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi DA theo phương pháp mạng điện trở Trong mạch này các nguồn dòng điện tạo ra bởi nguồn điện áp Uch . Dòng điện của chúng bằng nhau và bằng I0. Tín hiệu cần chuyển đổi được đưa đến chuyển mạch K. Khi một tín hiệu nào đó của tín hiệu điều khiển là 0 thì I0 tương ứng với bit đó bị ngắn mạch qua khoá xuống đất. Ngược lại, nếu tín hiệu điều khiển là 1 thì I0 tương ứng với bit đó được dẫn đến đầu vào bộ khuếch đại thuật toán thông qua mạng điện trở. Trong sơ đồ này mạng điện trở làm nhiệm vụ phân dòng, qua đó các dòng điện ở cửa vào bộ khuếch đại thuật toán có trị số tương ứng với bit mà nó đại diện. Chúng có giá trị giảm dần từ MSB đến LSB theo mã nhị phân. Theo phương pháp này thì phải dùng một số lượng điện trở lớn, nếu phải chuyển đổi N bit thì số điện trở phải dùng là 2(N-1). 2.2.3 Chuyển đổi tương tự số bằng phương pháp mã hóa Shanon- Rack Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi DA theo phương pháp mã hóa Shannon Rack Đây là quá trình chuyển đổi nối tiếp từng bit một. Tín hiệu được đưa lần lượt từ LSB đến MSB đến điều khiển K1. Gọi thời gian chuyển đổi 1bit là T, thì trong khoảng thời gian đầu T/2, K2 mở, K1đóng. Nếu tín hiệu là 1 và mở khi tín hiệu điều khiển là 0. Nếu cần chuyển đổi N bit thì thời gian chuyển đổi là NT. Sau thời gian NT điện áp còn lại trên tụ chính là điện áp tương tự cần tìm. Để có điện áp UC sau mỗi bit ( sau khoảng thời gian T ) tỷ lệ với bit tương ứng , phải chọn thời gian phóng của tụ qua điện trở R theo điều kiện sao cho điện áp trên tụ là U0 thì sau khi phóng, điện áp còn lại là: UC = U0e-t/\RC = U0e-0.7 = 0.496 U0 Ứng dụng trong máy phát tần số: Sử dụng IC tích hợp chuyển đổi DAC là Max505 . IC này bao gồm có 4 đầu ra tương tự , 8 bit số điều khiển DAC được chuyển đổi mạng thang điện trở R-2R, chuyển đổi 8 bit mã số thành điện áp tương tự đầu ra tỷ lệ với điện áp tham chiếu cung cấp. Max 505 có thể sử dụng cả điện áp xoay chiều và điện áp một chiều. Điện áp ở mỗi đầu vào VREF được chia tuyến tính ( full scall ) ở điện áp đầu ra theo số của DAC tương ứng. Trở kháng đầu vào VREF tuỳ thuộc vào mã, gía trị thấp nhất ứng với mã 55 Hex (16KΩ), và giá trị lớn nhất (∞) ứng với mã 00 Hex. Trở kháng đầu ra thấp ( 32 Ω ) đảm bảo cho độ phẳng đầu ra. Điện dung đầu vào VREF cũng thay đổi tuỳ theo mã và giá trị lớn nhất là 15pF. Các đầu vào số tương thích với cả hai chế độ logic TTL và CMOS. Ta có thể ứng dụng những ưu điểm này của MAX505 vào điều khiển điện áp và dòng điện đầu vào MAX038. Từ đó ta có thể thực hiện giao diện với máy phát tần số hoàn toàn bằng số, dễ dàng kết hợp với thiết bị điều khiển số bên ngoài. 2.3 Công nghệ khuếch đại điện áp dải rộng dùng phần tử khuếch đại thuật toán Bộ khuếch đại hoạt động ( Op Amp ) là một trong những thiết bị điện tử được dùng phổ biến và đa dạng nhất cho các ứng dụng tuyến tính. Trong bộ khuếch đại này, mạch phản hồi điều khiển toàn bộ các đặc trưng của nó. Các Op Amp phổ biến bởi vì giá của chúng thấp, dễ sử dụng và khá hấp dẫn khi làm việc với chúng. Cấu tạo các mạch hữu ích không cần phải biết về mạch bên trong vô cùng phức tạp của chúng. Thuật ngữ “ hoạt động” trong bộ khuếch đại hoạt động thay thế cho các phép tính toán học, những phép tính này phù hợp cho các máy tính kỹ thuật số do bởi tốc độ, độ chính xác và tính đa dạng của chúng. 2.3.1 Các khối của OP - AMP Tầng xuất Tầng dịch mức Tầng trung gian Tầng nhập Ngõ vào đảo Ngõ vào không đảo Tín hiệu ra Hình 2.11 Sơ đồ khối của OP- AMP Tầng nhập: bao gồm 2 ngõ vào hoạt động theo kiểu khuếch đại vi sai, ngõ ra cân bằng. Tầng này cung cấp hầu như toàn bộ độ lợi về điện áp và quyết định trở kháng vào của OP-AMP. Tầng trung gian: là một mạch khuếch đại vi sai khác được điều khiển bởi ngõ ra của tầng đầu tiên, có ngõ ra không cân bằng, hai ngõ vào. Do ghép trực tiếp nên ngõ ra của tầng trung gian là một mức DC nào đó. Tầng dịch mức: dời mức DC của tầng trung gian đưa tới gần bằng 0V. Tầng xuất: làm tăng độ dao động của điện áp và khả năng cấp dòng của OP-AMP. 2.3.2 Bộ khuếch đại vi sai Chức năng của bộ khuếch đại vi sai là để khuếch đại hiệu giữa hai tín hiệu lối vào. Bộ khuếch đại này được sử dụng trên một dải tần số tương đối rộng từ tín hiệu không đổi ( DC ) cho đến dải biến đổi ( hàng MHz ). Nó cũng là một tầng cơ sở của bộ khuếch đại thuật toán vi mạch với các lối vào vi sai. Thiết bị hoạt động tuyến tính V1 V2 V0 = Ad (V1 – V2) Hình 2.12 Sơ đồ khối bộ khuếch đại vi sai Hình 2.12 mô tả một thiết bị hoạt động tuyến tính với hai tín hiệu vào v1, v2 và một tín hiệu lối ra v0 ( mỗi cái được đo so với đất ). Đối với bộ khuếch đại lý tưởng thì tín hiệu lối ra v0 phải được biểu diễn bằng: v0 = Ad( v1-v2) Trong đó Ad là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại vi sai. Như vậy có thể thấy rằng bất kỳ một tín hiệu nào tác động chung lên cả hai lối vào sẽ không có mặt ở lối ra. Tuy nhiên, trên thực tế, bộ khuếch đại vi sai không được biểu thị bởi phương trình trên bởi vì tính hiệu lối ra phụ thuộc không chỉ vào hiệu của các tín hiệu vào vd mà còn phụ thuộc vào mức trung bình hay còn gọi là tín hiệu mốt chung vc : vd ≡ v1 và vc ≡ (1/2) (v1 + v2) Chẳng hạn, nếu tín hiệu là +50 uV và tín hiệu thứ hai là -50uV, thì lối ra sẽ không phải hoàn toàn chính xác như v1 = 1050uV và v2 = 950uV, mặc dù vd = 100uV là như nhau trong hai truờng hợp. Đặc trưng cho độ tin cậy của một bộ khuếch đại vi sai, người ta dùng một đại lượng gọi là “ tỷ số thoát mốt - cộng “. Ad hệ số khuếch đại thế đối với tín hiệu vi sai. Ac hệ số khuếch đại thế đối với tín hiệu mốt – công Người ta có thể đi Ad một cách trực tiếp bằng cách cho v1 = - v2 = 0.5V, như vậy vd = 1V và vc bằng 0V. Dưới điều kiện này thế lối ra v0 đo được chính là hệ sô khuếch đại Ad cho tín hiệu vi sai. Tương tự v1 = v2 =1V khi đó vd =0V và vc = Ac. Thế lối ra bây giờ là số đo trực tiếp của hệ số khuếch đại mốt - cộng Ac. Với định nghĩa trên, thế lối ra của bộ khuếch đại vi sai được biểu diễn dưới dạng: Từ biểu thức trên ta thấy đối với bộ khuếch đại vi sai phẩm chất cao thì hệ số thoát mốt cộng phải có giá trị lớn. Chẳng hạn, nếu ρ =1000, vc = 1mV, vd = 1uV, thì số thoát mốt - cộng bằng 1000, hiệu thế = 1 V giữa hai lối vào sẽ cho cùng một thế lối ra như khi một tín hiệu = 1mV tác động vào cả hai lối vào với cùng chiều phân cực. 2.3.3 Bộ khuếch đại vi sai liên kết emitơ Bộ khuếch đại thuật toán hoạt động cả ở tần số bằng không, do vậy các bộ khuếch đại liên kết trực tiếp không thể sử dụng tụ điện được. Hơn nữa trong vi mạch việc thực hiện các tụ điện có điện dung lớn là điều khó khăn. Vì vậy trong bộ khuếch đại liên kết trực tiếp, bất kỳ sự thay đổi nào về giá trị các thông số của mạch, đều dẫn đến sự thay đổi lối ra, thậm chí ngay cả khi thế lối vào được giữ không đổi. Có rất nhiều kỹ thuật để giảm thiểu những sự thay đổi như vậy ở lối ra, trong đó có bộ khuếch đại vi sai liên kết emitơ ở lối vào của các bộ khuếch đại thuật toán có độ trôi dịch ở lối ra rất thấp vì tính chất đối xứng trong cấu trúc của các mạch IC. Ngoài ra bộ khuếch đại này còn cho một điện trở vào có giá trị khá cao và nhiều tính chất khác gần giống với các đặc trưng lý tưởng. Hình 2.13 Bộ khuếch đại vi sai liên kết emitơ đối xứng Trong sơ đồ này điện trở RE có giá trị lớn, do vậy tỉ số thoát mốt - cộng có giá trị cao. Điều này được kiểm chứng bằng cách sau: Nếu Vs1 = Vs2 = Vs, khi đó Vd =Vs1 – Vs2 =0 và V0 = AcVs. Nhưng nếu Rc = ∞ , I0 ≠ 0 và do tính chất đối xứng , ta thu được : Ic1 = Ic2 = 0. Nếu Ib2 << Ic2 thì Ic2 gần bằng Ie2 do đó suy ra rằng V0 = 0. Vì vậy hệ số khuếch đại mốt - cộng Ac sẽ rất nhỏ nên tỉ số thoát mốt - cộng rất lớn đối với các giá trị Re lớn và mach đối xứng tốt. 2.3.4 Dòng và thế sai số offset Do sự không đồng nhất của các tranzito lối vào đã dẫn đến sự không đồng đều dòng phân cực đi qua các đầu vào bộ khuếch đại thuật toán và do vậy đòi hỏi một thế offset lối vào tác động vào hai lối vào để cân bằng lối ra của bộ khuếch đại. Trong phần này, ta đề cập đến các dòng và thế sai số có thể đo được ở lối vào và ở lối ra. Kỹ thuật cân bằng tổng hợp được áp dụng để cân bằng thế offset. Có nghĩa là ta phải tác dụng một thế một chiều (DC) nhỏ ở lối vào để sao cho thế lối ra DC bằng 0. Kỹ thuật thiết kế ở đây không phải liên quan đến các mạch ở bên trong bộ khuếch đại . Hình 2.14 Kỹ thuật cân bằng thế offset tổng hợp Hình a) nạp thế nhỏ nối tiếp với lối vào không đảo, Nạp thế nhỏ nối tiếp với lối vào không đảo trong một vùng ± V [R2/(R2+R3) ] = ±15mV nếu thế nguồn nạp ±15V được sử dụng và R3 = 100 Ω. Mạch này rất hiệu dụng để cân bằng các bộ khuếch đại đảo ngay cả khi yếu tố phản hồi R’ là một tụ điện hoặc là một phần tử phi tuyến. Nếu bộ khuếch đại thuật toán được sử dụng như một bộ khuếch đại không đảo, thì sơ đồ hình b) được sử dụng để cân bằng thế offset. Công nghệ khuếch đại điện áp dải rộng dùng phần tử khuếch đại thuật toán được sử dụng rộng rãi trong công nghệ điện tử hiện nay với ưu điểm có khả năng tích hợp cao. Máy phát tần số mà chúng em chế tạo cũng dựa vào công nghệ này, chọn OPA2677 làm phần tử khuếch đại điện áp đầu ra. CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHÁT TẦN SỐ 3.1 Thiết kế phần cứng cho máy phát tần số Để thuận lợi cho việc thiết kế, chúng em chia thành các modul nhỏ, sau đó ghép lại thành cả khối của máy phát. Với việc sử dụng công nghệ tổ hợp tần số kết hợp được tích hợp sẵn trong IC tạo dạng sóng tần số cao MAX 038, đồng thời với ý tưởng dùng phương pháp điều khiển số và hiển thị số , chúng em quyết định lựa chọn thiết kế và chế tạo máy phát theo các khối sau: - Khối mạch chính - Khối mạch khuếch đại điện áp đầu ra - Khối nguồn 3.1.1 Khối mạch chính 3.1.1.1 Chức năng của khối mạch chính . Đây là khối mạch quan trọng nhất của máy tạo dao động . Nó có các chức năng sau : - Tạo ra các dạng xung:,sin, vuông, tam giác . - Điều khiển tần số của xung phát ra . - Điều khiển độ rộng xung . Để thực hiện được các chức năng trên, sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu các phương tiện, công cụ để có thể đáp ứng được các yều cầu trên chúng em đã quyết định lựa chọn sử dụng IC Max 038 của hãng MAXIM với các tính năng như sau : * Các đặc điểm cấu tạo và hoạt động của IC Max 038: - Là một IC tạo dao động tần số cao, có khả năng tạo ra các dạng sóng như: tam giác, sin, xung vuông. - Các loại tín hiệu đầu ra được lựa chọn bởi 2 bit Select TTL -Tần số đầu ra trong dải từ: 100Hzà20MHz bằng điện áp tham chiếu 2,5V - Tần số độc lập và có thể điều khiển được độ rộng xung của tín hiệu trong khoảng từ 15%--> 85% -Trở kháng đầu ra thấp = 0,1Ω *Ứng dụng - Tạo dạo động một cách chính xác - Bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp - Ứng dụng điều chế FM (Frequency Modulaytion) - Vòng khóa pha - Đồng bộ tần số - Tạo ra FSK của tín hiệu xung vuông và xung sin *Sơ đồ cấu tạo các chân: Hình 3. 1 Sơ đồ chân MAX 038 Hình 3. 2 Mô tả các chân MAX 038 * Các đặc tính về điện áp và tần số của IC MAX 038 Hình 3. 3 Các đặc tính về điện áp và tần số của IC MAX038 *Phân tích phổ của tín hiệu hình sin ở dải tần thấp và cao như sau: Hình 3. 4 Phổ của tín hiệu hình sin ở dải tần thấp và cao * Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ khối bên trong của IC MAX 038 như hình sau: Hình 3. 5 Sơ đồ khối bên trong của IC MAX 038 *Lựa chọn dạng sóng đầu ra: - Max 038 tạo ra các dạng sóng đầu ra nhờ vào 2 chân A0,A1 ở các mức TTL/CMOS * Hoạt động của Max 038 - IC này hoạt động với điện áp = ±5V±5% - Cở sở để tạo ra dao động là dựa vào sự phóng nạp của tụ CF với một dòng điện cố định. - Dòng phóng và dòng nạp được chảy vào chân I_In và được điều chế với điện áp cung cấp cho FADJ và DADJ. Dòng chảy vào chân I_In có thể từ 20A đến 750A. - Cung cấp điện áp ±2,4V đến FADJ để thay đổi tần số một cách bình thườngg (với VFADJ = 0V). -Có thể điều khiển tần số đầu ra bằng cách điều chỉnh tụ CF, giá trị của CF được lựa chọn để tạo ra được tần số trên 20MHz. * Tần số đầu ra Tần số đầu ra được xác định bằng dòng chảy vào chân I_In, tụ ở chân COSC (nối với đất), và điện áp chuẩn FADJ -Khi chân VFADJ=0V, tần số đầu ra F0 được xác định bởi biểu thức: F0(MHz)=IIN(mA) / CF(pF) ( phương trình 3.1) -Thời gian t0 được xác định như sau: t0(ms) = CF(pF) / IIN(mA) ( phuơng trình 3.2) Trong đó: IIN là dòng chảy vào chân I_In ( trong khoảng từ 2mA đến 750mA ) CF tụ nối giữa chân COSC và GND (trong khoảng từ 20pF đến 100mF) Ví dụ: 0.5MHz = 100mA / 200pF 2ms = 200pF / 100mA Tốt hơn hết là điều chỉnh IIN trong khoảng 10mA - 400mA mặc dù khoảng tuyến tính là 2mA đến 750mA, ngoài dải này chúng ta sẽ không đề cập đến. - Với một tần số cố định chúng ta điều chỉnh dòng chảy vào chân IIN vào khoảng 100mA và lựa chọn giá trị cuả tụ cho phù hợp, dòng này sẽ làm giảm nhiệt độ đến mức thấp nhất và tạo ra sự dịch của tần số là ít nhất khi điều chỉnh độ rộng xung - Tụ có thể từ 20pF đến hơn 100mF nhưng tụ này phải nhỏ, có dây nối ngắn, đồng thời xung quanh chân COSC phải phủ đất. Max 038 có thể tạo ra dạo động trên 20 MHz, nhưng dạng sóng có thể bị méo dạng đôi chút tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể. - Ở tần thấp, hệ thống hoạt động tốt nhất với giá trị của tụ là 10mF hoặc là tụ có giá trị lớn hơn nhưng không phân cực. - Với mức điện áp điều chỉnh ±2mV, chân I_In có thể đưa vào điện áp (VIN) hoặc dòng điện (IIN) với chuỗi các điện trở nối tiếp RIN (một điện trở ở giữa REF và I_In là một phương pháp tạo ra dòng điện IIN = VREF / RIN) - Khi sử dụng điện áp đưa vào các chuỗi điện trở, biểu thức tần số được tính như sau: F0(MHz) = VIN()/ [RIN x CF(pF)] ( phương trình 3.3) t0(ms)= CF(pF) x RIN / VIN ( phương trình 3.4) Khi tần số của Max 038 được điều khiển bởi điện áp VIN vào chuỗi các điện trở cố định RIN, tần số đầu ra là một chức năng trực tiếp của Max 038 được đưa ra ở trên. Ví dụ : sử dụng điện trở RIN = 10kΩ, điều khiển VIN từ 20mV đến 7.5V tạo ra sự chênh lệch tần số, lựa chon RIN sao cho dòng IIN trong khoảng từ 2mA đến 750mA, băng thông của các bộ khuếch đại sẽ bị giảm khi ở tần số cao. 3.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của khối mạch chính Như đã trình bày trong phần đặc điểm cấu tạo và hoạt động của IC Max 038, tần số xung do IC này phát ra phụ thuộc vào giá trị của tụ điện đưa vào chân số 5, và giá trị dòng điện đưa vào chân số 10 được tính theo công thức: F0(MHz) = IIN(uA) : CF(pF) . Như vậy là muốn thay đổi tần số của xung phát ra ta chỉ việc thay đổi cường độ dòng điện IIN và thay đổi giá trị của tụ CF. Việc thay đổi này được thực hiện như sau: Sử dụng chuyển mạch 5 mức với 5 tụ đầu vào có giá trị khác nhau lần lượt là 104, 103, 102, 3,3nF, 33pF để chia tần số phát ra thành dải: - Dải Hz tương ứng với tụ 104 - Dải Khz tương ứng với tụ 103, 102 - Dải MHz tương ứng với tụ 3,3nF; 33pF Trong mỗi dải tần số như vậy, việc tinh chỉnh tấn số được thực hiện bằng bộ đếm 8 bít nhị phân, với mỗi giá trị của 8 bít này thì Max505 sẽ cho ra một giá trị điện áp tương ứng, các giá trị điện áp này qua mạch điện trở sẽ cho ta các giá trị dòng IIN tương ứng. Việc chỉnh tần số gồm 2 giai đoạn chỉnh thô và chỉnh tinh theo sơ đồ sau: Hình 3. 6 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh tần số Quá trình chỉnh thô được điều khiển bởi chân ra VoutD thay đổi làm thay đổi dòng I_In, do đó sẽ thay đổi tần số. Quá trình chỉnh tinh khi quá trình chỉnh thô đã thiết lập xong, khi đó ta chỉ thay đổi tần số trong khoảng rất nhỏ của thang tần số đang dùng, quá trình này được điều khiển bởi chân VoutC. Để tần số phát ra có độ rộng xung thay đổi được ta cần chỉnh độ rộng xung bằng mạch chỉnh độ rộng xung. Bình thường xung phát ra có độ rộng xung là 50% khi chân số 7 của MAX 038 được nối với đất, ta thay đổi độ rộng xung theo mạch sau: Hình 3. 7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh độ rộng xung Bản chất của mạch thay đổi độ rộng xung là một mạch so sánh điện áp cho ra điện áp nằm trong khoảng từ 0V đến 2.5V, muốn có điện áp khác nhau ta chỉ việc vặn biến trở. Như vậy khi vặn biến trở R2_u2 thì độ rộng xung sẽ thay đổi trong khoảng từ 50% đến 85%. 3.1.2 Mạch điều khiển điện áp ra 3.1.2.1 Chức năng của khối mạch điều khiển điện áp ra Khối này có chức năng điều chỉnh điện áp ra từ 2V đến 8V với 4 thang chia tương ứng hệ số khuếch đại là x1, x2, x3, x4. Ngoài chức năng thay đổi điện áp ra, khối này còn có tác dụng phối hợp trở kháng đầu ra. 3.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của khối mạch điều khiển điện áp ra Mạch này dùng phần tử khuếch đại thuật toán mắc theo sơ đồ khuếch đại đảo như sau Hình 3. 8 Mạch khuếch đại điện áp đầu ra Điện áp ra được tính theo công thức: Ura= -(Rht/ Rv).Uvao Việc cố định điện trở đầu vào và chỉ thay đổi điện trở hồi tiếp cho ta các thang có hệ số khuếch đại khác nhau. Trong mạch này cần lưu ý đến một vấn đề là phải lựa chọn được phần tử khuếch đại có độ tuyến tính cao và đặc biệt là phải hoạt động được ở dải tần rộng từ 100Hz đến 20MHz. Những IC khuếch đại thuật toán đáp ứng được nhu cầu này tương đối hiếm ở Việt Nam. Qua quá trình tìm hiểu chúng em đã sử dụng OPA 2677 của hãng TI với các đặc tính nổi bật như sau: OPA 2677 tạo ra một sự liên kết chưa từng có giữa băng thông , tốc độ quay và dòng điện đầu ra. Bộ khuếch đại này có thể trực tiếp đưa tới tụ tải 100pF mà không tạo dao động và tín hiệu 10V vào trong một hệ thống cáp đồng trục 50W. Đây là sự cải tiến căn bản trong việc điều khiển đầu ra đối với các bộ khuếch đại tốc độ cao DIP 8 chân, do đó rất lý tưởng đối với các ứng dụng video. OPA 2677 sử dụng hồi tiếp dòng điện để cung cấp băng thông mà không thay đổi đáng kể với hệ số khuếch đại điện áp, 200MHz với G= 4 và 220MHz với G=1. Với tốc độ quay là 1800V/ms , thời gian thiết lập là 50ns. Các đặc điểm của OPA 2677U: - Tốc độ quay slew rate 1800V/ms - Thời gian thiết lập 50ns - Đặc tính dải điện áp cung cấp ±5V và ±6V, điều khiển điện áp nguồn cung cấp một cách linh hoạt - Hệ số khuếch đại vi phân thấp - Băng thông đảm bảo * Các ứng dụng của OPA 2677 - Khuếch đại video - Ứng dụng rộng rãi cho các bộ điều khiển trong đường kết nối ADSL * Sơ đồ chân OPA 2677 : Hình 3. 9 Sơ đồ chân OPA 2677U Các đặc tính kỹ thuật của OPA 2677 được mô tả như hình sau: Hình 3. 10 Các đặc tính kỹ thuật của OPA 2677U 3.1.3 Khối nguồn 3.1.3.1 Mô tả chức năng Một yêu cầu cơ bản nhất của máy phát tần số là nguồn cung cấp cho nó hoạt động cần có độ ổn đinh cao. Qua tìm hiểu chúng em đã thiết kế nguồn riêng cho máy phát dùng IC tích hợp ACT 4065 của h._.