Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử

60

CHƯƠNG 4

TÁCH SÓNG

4.1. Khái niệm

Tách sóng là quá trình tìm lại tín hiệu điều chế. Tín hiệu sau khi tách sóng phải

giống tín hiệu điều chế ban đầu.

Thực tế tín hiệu điều chế v_Ssau khi qua điều chế và qua kênh truyền sóng đưa

đến bộ tách sóng đã bị méo dạng thành v’_S. Do méo phi tuyến trong bộ tách sóng nên

sau khi tách sóng ta lại nhận được tín hiệu v”_Skhác với v’_S. do đó v”_Skhác v_Sban đầu.

Vì vậy chống méo phi tuyến là một trong những yêu cầu cơ bản của quá trình tách

sóng.

4.2. Tách sóng biên độ

4.2.1. Các tham số cơ bản

4.2.1.1. Hệ số tách sóng

Tín hiệu vào của bộ tách sóng là tín hiệu đã điều biên :

v_vTS= V_vTS(t) . cos ω_tt = V_Ztcos ω_tt

Trong đó : V_vTS(t) : biến thiên theo qui luật của tin tức.

Tín hiệu ra bộ tách sóng :

V_rTS(t) = K_TS.V_vTS(t)

V_rTS(t)

Với:

K_TS

=

= hệ số tỉ lệ và được gọi là hệ số tách sóng

V_vTS(t)

V_rTS(t), V_vTS(t) gồm có thành phần một chiều và thành phần xoay chiều biến thiên

chậm theo thời gian:

V_rTS(t) = V’_o+ v’_S

V_vTS(t) = V”_o+ v”_s

Chỉ cần quan tâm đến thành phần biến thiên chậm (mang tin tức) → hệ số tách

sóng:

v_s^"

K_TS=

v_s^'

v’_Svà v”_Slà điện áp vào và ra của bộ tách sóng

K_TScàng lớn thì hiệu quả tách sóng càng cao.

Nếu K_TS= Cte thì v’’_Stỉ lệ v’_Svà bộ tách sóng không gây méo phi tuyến, gọi là

bộ tách sóng tuyến tính.

4.2.1.2. Trở kháng vào của bộ tách sóng

V_vTS

I_vTS

Z_vTS

=

Thông thường dòng và áp lệch pha → Z_vTSlà một số phức.

61

4.2.1.3. Méo phi tuyến

I₂²_ZS+ I₃²_ZS+K

Hệ số méo phi tuyến : K =

.100%

I_ZS

I_ZS, I_2ZS, I_3ZS... biên độ thành phần cơ bản và các hài của tín hiệu điều chế.

Ta không quan tâm đến các dòng điện cao tần (tải tần và hai bậc cao của nó), vì

trong mạch điện bộ tách sóng có thể dễ dàng lọc bỏ các thành phần này.

4.2.2. Mạch điện bộ tách sóng biên độ

4.2.2.1. Mạch tách sóng biên độ bằng mạch chỉnh lưu

D

C

D

R

a) Tách sóng nối tiếp

b) Tách sóng song song

Hình 4.1. Mạch tách sóng biên độ bằng mạch chỉnh lưu

Ta phân tích và tính toán đối với sơ đồ tách sóng nối tiếp. Khi tín hiệu vào lớn thì

đặc tuyến Volt - Ampe của diode :

S v

v_D≥ 0

v_D< 0

⎧

⎨

⎩

D

i_D=

(1)

(2)

0

i_D= Sv_D= S (v_đb- v_C)

Với :

v_đb= V_T(1 + m cos ω_St)cosω_tt = V_đbcosω_tt

i_D= S (V_đbcosω_tt – v_C)

⇒

(3)

Khi ω_tt = θ thì i_D= 0, thay vào biểu thức (3) ta có :

0 = S (V_đbcosθ – v_C)

(4)

v_C

⇒ Góc dẫn điện của diode : cos θ =

(4’)

V_db

i_D

62

v_D

E_o

ωt

Hình 4.2. Đặc tuyến của diode và đồ thị của tín

hiệu vào ra khi làm việc ở chế độ C

Khai triển i_Dtheo chuỗi Fourrier :

i_D= I_o+ I₁cosω_tt + I₂cos2ω_tt + ...... + I_ncosnω_tt

(5)

(6)

1 ^θ

⎧

⎪

I =

i_Ddω_tt

o

∫

π ₀

2 ^θ

⎪

Trong đó ĺ I =

i_Dcosω_ttdω_tt

i_Dcosnω_ttdω_tt

⎨

1

∫

π ₀

⎪

2 ^θ

⎪

⎩

I_n=

∫

π ₀

⎪

Tính bằng cách thay thế dần ta được :

S.V

I_o=

^db(sinθ − θcosθ)

(7)

(8)

π

S.V_db

I₁=

(θ − sinθ cosθ)

π

Từ dòng một chiều I_ota tính được điện áp ra trên tải:

R.S

v_c= R.I_o=

V_db(sinθ - θ cosθ)

(9)

π

Thay (9) vào (4’), ta được :

R.S

cosθ =

(sinθ - θ cosθ)

(10)

π

63

π

S.R

⇒ tgθ -θ =

(11)

Từ (11) ta suy ra :

Góc điện dẫn θ chỉ phụ thuộc vào tham số mạch điện (S, R) mà không phụ thuộc

vào tín hiệu vào. Do đó tách sóng tín hiệu lớn là tách sóng không gây méo phi tuyến.

Chú ý : phổ của dòng điện i_Dgồm có các thánh phần : một chiều. ω_t, ω_s, ω_t±ω_s,

nω_t±ω_s. Thông thường ω_t>> ω_sdo đó các thành phần ω_t, ω_t±ω_svà nω_t±ω_sđược loại bỏ

dễ dàng nhờ mạch lọc thông thấp. Chỉ còn thành phần hữu ích :

i_S= mSV_tcosω_st

Để tránh méo, trước khi tách sóng cần phải khuếch đại để tín hiệu đủ lớn để đảm

bảo chế độ tách sóng tuyến tính.

V_C

t

Hình 4.3. Đồ thị theo thời gian của tín hiệu trước và sau tách sóng

τ = RC là hằng số thời gian phóng nạp của tụ điện.

Để điện áp ra tải gần với dạng đường bao của điện áp cao tần ở đầu vào, ta phải

chọn τ = RC đủ lớn. Tuy nhiên, nếu chọn C quá lớn thì điện áp ra không biến thiên kịp

với biên độ điện áp vào gây ra méo tín hiệu.

1

Tổng quát ta chọn

<< RC <<

Trong hai sơ đồ trên, sơ đồ tách sóng nối tiếp

ω_t

ω_s

có điện trở vào lớn hơn sơ đồ tách sóng song song.

Ngoài ra, trên tải của sơ đồ tách sóng song song còn có điện áp cao tần, do đó phải

dùng bộ lọc để lọc nó.

Vì những lý do trên nên sơ đồ tách sóng song song chỉ được dùng trong trường

hợp cần ngăn thành phần một chiều từ tầng trước đưa đến.

4.2.2.2 Tách sóng biên độ dùng phân tử tuyến tính tham số

v_đb

v_r

K

v_t

Hình 4.4. Mạch tách sóng tín hiệu dùng phần tử tuyến tính

v_dB= V_t(1 + m cosω_st)cosω_tt và v_t= V_tcos(ω_tt +ϕ) ⇒ v_r= Kv_dB.v_t

64

KV_t²

1+ m cos ω t

⎛

⎜

⎞

⎟

(1 + m cosω_st) cosϕ + KV ²

cos (2ω t+ϕ)

(1)

s

⇒ v_r=

t

2

⎝

⎠

Dùng mạch lọc thông thấp có thể tách ra thành phần tử hữu ích :

KV_t²

V_S^"=

(1 + m cosω_st)cosϕ

2

Nhận xét :

- Trong phổ điện áp ra không có thành phần tải tần

Muốn tách được tín hiệu thì sóng v_tphải có tần số bằng tần số tải tin của t/h đã

điều biên

-

- Biên độ điện áp đầu ra phụ thuộc vào góc pha ϕ với ϕ là góc lệch pha giữa tín

hiệu cần tách sóng và tải tin phụ.

π

- Khi ϕ = 0 ⇒ V_S^''cực đại, khi ϕ = ± →V_S^''= 0

2

- Bộ tách sóng vừa có tính chọn lọc về biên độ, vừa có chọn lọc về pha gọi là bộ

tách sóng biên độ pha

Để tách sóng có hiệu quả cần phải đồng bộ tín hiệu vào và tải tin phụ về tần số

-

và góc lệch pha. Bộ tách sóng này còn có tên gọi là bộ tách sóng đồng bộ.

4.2.3 Hiện tượng phách và hiện tượng chèn ép trong tách sóng biên độ

Đó là hiện tượng tương ứng với trường hợp trên đầu vào bộ tách sóng biên độ có

hai dao động cao tần: tín hiệu và nhiễu.

4.2.3.1 Hiện tượng phách

→

Tín hiệu :

v₁= V₁cosω₁t

V₂

Nhiễu :

v₂= V₂cosω₂t

ω₂

→

V = V + V₂= V(t) cos [ω₁t+ϕ(t)]

∆ω

1

0^’

Xem V₁đứng yên thì V₂quay quanh 0’ với vận tốc

∆ω = ω₂−ω₁. Vì V₁,V₂có tần số không cố định nên

biên độ vectơ tổng không cố định. Áp dụng hệ thức

lượng trong tam giác thường :

→

V

→

V₁

ϕ(t)

ω₁

V₂²

V₁²

V₂

V(t ) = V₁²+V₂²+ 2V₁V₂cos∆ω =V₁1+

+ 2 cos∆ω

V₁

0

V₂.sin ∆ω

ϕ(t) = arctg

V₁+V₂cos ∆ω

V₂²

V₁²

V

V_rTS= K_TS.V_vTS= K_TS.V₁1+

+ 2 ²cos∆ω

(*)

V₁

65

Vậy điện áp biến thiên theo tín hiệu ∆ω. Gọi là hiện tượng phách.

4.2.3.2 Hiện tượng chèn ép

Trường hợp hai dao động cao tần tác động đồng thời lên bộ tách sóng có biên độ

chênh lệch nhau nhiều gọi là hiện tượng chèn ép.

Tín hiệu lớn chèn tín hiệu bé, biểu hiện tính chọn lọc theo biên độ của bộ tách

sóng.

Chẳng hạn với biểu thức (*) ở trên ta thấy khi biên độ tín hiệu V₁>> so với biên

V₂²

V₁²

V₂

và 2 cos∆ω nhỏ, nghĩa là tác dụng chọn lọc của bộ tách

V₁

độ nhiễu V₂thì lượng

sóng biên độ rất có lợi trong trường hợp này.

4.3 Tách sóng tín hiệu điều tần

4.3.1 Khái niệm

Tách sóng tín hiệu điều tần là quá trình biến đổi độ lệch tần số tức thời của tín

hiệu thành biến thiên điện áp ở đầu ra.

v_S

B

∆f

A

Hình 4.6. Đặc tuyến truyền đạt của bộ tách sóng

Đặc tuyến truyền đạt của bộ tách sóng biểu diễn quan hệ giưã điện áp ra và lượng

biến thiên của tần số ở đầu vào.

Để hạn chế méo phi tuyến, phải chọn điểm làm việc trong phạm vi tương đối

thẳng của đặc tuyến truyền đạt. (đoạn AB).

Hệ số truyền đạt của bộ tách sóng là độ dốc lớn nhất trong khu vực làm việc của

đặc tuyến truyền đạt.

dv_s

S_f=

∆f = 0

d∆f

Tách sóng tần số và tách sóng pha thường được thực hiện theo một trong những

nguyên tắc sau đây :

1. Biến tín hiệu điều tần hoặc điều pha thành tín hiệu điều biên rồi tách sóng biên

độ.

2. Biến điều tần thành điều rộng xung rồi tách sóng nhờ mạch tích phân.

66

3. Làm cho tần số của một bộ dao động bám theo tần số tín hiệu điều tần nhờ hệ

thống vòng giữ pha PLL, điện áp sai số chính là điện áp cần tách sóng.

4.3.2 Mạch điện bộ tách sóng tần số

4.3.2.1 Mạch tách sóng pha cân bằng dùng diode (DISCRIMINATOR)

Gồm hai mạch tách sóng biên độ dùng diode ghép với nhau.

D₁

→

V₁

R

C

→

∆ϕ(t)

-V₁

v_df

v_S

→

v_D1

V₂

D₂

v_D2

v_ch

Hình 4.7. Mạch sóng pha cân bằng dùng diode và đồ thị vector tín hiệu

Biểu thức của tín hiệu điều pha và một dao động chuẩn được biểu diễn :

v_df= V₁.cos [ω₀₁t + ϕ(t) + ϕ₀₁] = V₁cosϕ₁(t)

v_ch= V₂.cos (ω₀₂t + ϕ₀₂) = V₂cosϕ₂(t)

Điện áp đặt trên hai bộ tách sóng biên độ : (diode D₁, D₂)

v_D1= V₁.cos[ω₀₁t + ϕ(t)+ϕ₀₁] + V₂cos (ω₀₂t+ϕ₀₂)

v_D2= - V₁.cos[ω₀₁t + ϕ(t)+ϕ₀₁] + V₂cos (ω₀₂t+ϕ₀₂)

Áp dụng tính chất của hệ thức lượng trong tam giác thường ta tính được điện áp ra

trên hai tải R, C :

V_R1(t) = v_S1= K_TS. v_D1= K_TS. V₁²+V₂²+ 2V₁V₂cos∆ϕ(t)

V_R2(t) = v_S2= K_TS. v_D2= K_TS. V₁²+V₂²− 2V₁V₂cos∆ϕ(t)

K_TS: hệ số truyền đạt của bộ tách sóng biên độ.

V_S

K_TS=

mV_t

∆ϕ(t) : hiệu pha của hai điện áp vào :

∆ϕ(t) = (ω₀₁- ω₀₂)t + ϕ(t) + ϕ_{01 -}ϕ₀₂

Điện áp ra trên bộ tách sóng :

v_s= v_S1- v_s2

67

= K_TS[ V²+ V²+ 2V V cos∆ϕ( t ) - V ²+V ²− 2VV cos ∆ϕ(t ) ]

1

2

1

2

1

2

1 2

⇒ v_S: phụ thuộc vào hiệu pha của tín hiệu điều pha và tín hiệu chuẩn.

Trường hợp ω₀₁= ω₀₂;ϕ₀₁= ϕ₀₂⇒ v_Sphụ thuộc vào ϕ(t)

⇔ ∆ϕ = 0, 2π, 4π

+ v_s: đạt cực đại

+ v_S: đạt cực tiểu

.

⇔ ∆ϕ = π, 3π, 5π

π

2

+ v_S= 0⇔ ∆ϕ = (2n +1) (với n = 0, 1, 2 .....)

4.3.2.2. Bộ tách sóng tần số dùng mạch lệch cộng hưởng

D₁

R

C

C₁

C₂

v_dt

V_S

D₂

Hình 4.8. Bộ tách sóng tần số dùng bộ lệch cộng hưởng

Mạch cộng hưởng 1 : cộng hưởng ở tần số ω₁

Mạch cộng hưởng 2 : cộng hưởng ở tần số ω₂

Gọi ω_o= ω_tlà tần số trung tâm.

ω₁= ω₀+ ∆ω₀

ω₂= ω₀- ∆ω₀

Biên độ V₁, V₂thay đổi phụ thuộc vào sự sai lệch tần sốω so với tần số cộng hưởng

riêng của mạch 1 và 2 (ω_1,ω₂) nghĩa là biến thiên theo điện áp vào :

V₁= Km.V_dt.Z₁

1

K : hệ số quy đổi cho đúng thứ nguyên hai vế, K =

Ω

V₂= Km.V_dt.Z₂

M

m : hệ số ghép biến áp : m =

L

Z₁, Z₂: trở kháng của hai mạch cộng hưởng 1 và 2.

68

R_td1

1+ ( υ₀− υ)²

Z₁=

Z₂=

=

2

⎛

⎞

2Q(ω − ω₁

⎜

⎟

1+

ω₁

⎝

⎠

R_td2

1+( υ₀+ υ)²

=

2

⎛

⎞

2Q( ω− ω₂)

⎜

⎟

ω₂

⎝

⎠

R_td1, R_td2: trở kháng của hai mạch cộng hưởng 1 và 2 tại tần số cộng hưởng ω₁và ω₂

Q₁, Q₂: hệ số phẩm chất.

Chọn hai mạch cộng hưởng như nhau :

⇒ R_td1= R_td2; Q₁= Q₂= Q

ω_o− ω_1,2

υ₀= 2Q

: độ lệch tần tương đối giữa tần số cộng hưởng riêng

ω_o

của mạch điện và tần số trung bình của tín hiệu vào.

ω − ω_o

υ = 2Q

: độ lệch tần số tương đối giữa tần số tín hiệu vào và

ω_o

tần số trung bình.

Khi tín hiệu ω vào thay đổi thì υ thay đổi ⇒ Z₁, Z₂thay đổi ⇒ V₁, V₂thay đổi.

Nghĩa là quá trình biến đổi điều tần thành tín hiệu điều biên. Sau khi qua hai bộ

tách sóng (D, R) ⇒ ta nhận được các điện áp ra :

R_td1

1+( υ_o− υ)²

v_S1= K_TS.V₁= K_TS.m.V_dt.

R_{td 2}

1+( υ_o+ υ)²

v_S2= K_TS.V₂= K_TS.m.V_dt.

Điện áp ra tổng :

v_S= v_S1- v_S2= K_TS.m.R_td.V_dt.Ψ (υ_o, υ)

1

Trong đó : Ψ(υ_o,υ) =

−

1+ (υ_o−υ)²

1+ (υ_o+υ)²

Ψ ⇒ Ψ_maxkhi υ = ±υ₀

1

khi υ = +υ_o⇒ Ψ = 1 -

1 + 4υ_o²

69

1

khi υ = -υ_o⇒ Ψ =

- 1 < 0

1+ 4υ_o²

Độ dốc của đặc tuyến truyền đạt được xác định :

dv_S

dΨ(υ,υ_o)

dυ

S_f=

∆f = 0 = K_TS.m.V_dt.R_td.

υ = 0

d∆f

K_TS.m.R_td.V_td2υ_o

S_f=

(*)

3

f_o

(1+ υ_o²)²

Vậy S_fphụ thuộc vào υ_o. Đạo hàm (*) theo υ_ovà xét cực trị ta thấy S_f= S_{f max}khi

1

υ_o= ±

. Vậy muốn hệ số truyền đạt cực đại phải chọn lượng lệch tần ∆ω_otheo điều

2

kiện sau đây :

ω_oυ_o

2Q

ω_o

Q

1

∆ω_o=

= ±

.

2 2

Nhược điểm của mạch tách sóng cộng hưởng : khó điều chỉnh cho hai mạch cộng

hưởng hoàn toàn đối xứng, nên ít được dùng).

Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 4: Tách sóng