Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 6: Vòng khóa pha

Nội dung text: Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 6: Vòng khóa pha

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CễNG NGHỆ THễNG TIN CHƯƠNG 6 VềNG KHểA PHA (PHASE LOCKED LOOP PLL)
2. NỘI DUNG 1. Giới thiệu 2. Bộ tỏch pha 3. Bộ dao động điều khiển bằng điện ỏp 4. Bộ lọc – khuếch đại của vũng 5. Nguyờn lý hoạt động 6. Cỏc ứng dụng vũng khúa pha 7. Vũng khúa pha số 8. Mạch vũng khúa pha mạch tớch hợp
3. 1. Giới thiệu Phase Locked Loop - PLL  Vũng khoỏ pha/vũng giữ pha/vũng chốt pha  là hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong đó tín hiệu hồi tiếp dùng để khoá tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và pha tín hiệu vào.  Ứng dụng đầu tiên của PLL vào năm 1932 trong việc tách sóng đồng bộ.  Kỹ thuật PLL được ứng dụng rộng rãi trong các mạch lọc, tổng hợp tần số, điều chế và giải điều chế, điều khiển tự động, tách âm (Tone), giải mã Stereo, tổng hợp tần số.  Trước đây đa phần PLL bao gồm cả mạch số lẫn tương tự. Hiện nay PLL số trở nên phổ biến.
4. Sơ đồ khối của PLL
5. 2. Bộ tỏch pha (Phase Detector)  Bộ tỏch pha /bộ so sánh pha: tạo ra tín hiệu phụ thuộc vào hiệu pha của 2 tín hiệu vào, tín hiệu vào thường là hình sin hoặc xung vuông.  Có ba loại tách sóng pha: Bộ tách sóng pha tương tự Bộ tách sóng pha số Bộ tách sóng pha lấy mẫu
6. 2. Bộ tỏch pha (Phase Detector) 1/ Bộ tách sóng pha tương tự: có tín hiệu ra tỷ lệ với biên độ tín hiệu vào, là tách sóng pha tuyến tính(tín hiệu vào là sin). 2/ Bộ tách sóng pha số: có tín hiệu ra biến đổi chậm phụ thuộc độ rộng xung ngõ ra tức là phụ thuộc sai lệch về pha giữa hai tín hiệu vào (tín hiệu vào là xung vuông), thực hiện bởi mạch số EX-OR, RS Flip Flop v.v
7. 3. Bộ dao động điều khiển bằng điện ỏp VCO (Voltage controlled oscillator) Đặc tuyến truyền đạt fo(Vdk) tiêu biểu của VCO Mạch VCO tiêu biểu
8. 3. Bộ dao động điều khiển bằng điện ỏp VCO (Voltage controlled oscillator) - Là mạch dao động có tần số được kiểm soát bằng điện áp . - Yêu cầu chung của mạch VCO là quan hệ giữa điện áp điều khiển Vdk(t) và tần số ra fo(t) phải tuyến tính. - Ngoài ra mạch còn có độ ổn định tần số cao, dải biến đổi của tần số theo điện áp vào rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh và thuận lợi cho việc tổ hợp thành vi mạch (không có điện cảm). - Trong phạm vi tần số : 1Mhz -100 Mhz, thường dùng các bộ dao động tạo xung chữ nhật; trong phạm vi tần số: 1Mhz -50 Mhz, thường dùng các bộ dao động đa hài (tích thoát, mạch đa hài ghép Emitter ). - Các bộ dao động được điều khiển bởi dòng điện(CCO), ưu việt hơn các bộ dao động bởi điện áp (VCO), vì có phạm vi tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt rộng hơn.
9. 4. Bộ lọc – khuếch đại của vũng * Thực hiện các chức năng: + Cho qua tín hiệu tần số thấp ωv-ω’r , nén tần số cao ωv+ω’r + Đảm bảo cho vũng khoá pha PLL bắt nhanh và bám được tín hiệu vào khi tần số thay đổi, nghĩa là nó phải có tốc độ đáp ứng thoả mãn. + Dải thông của bộ lọc phải đủ lớn để đảm bảo dải bắt cần thiết. * LPF thường là mạch lọc bậc 1, tuy nhiên cũng dùng bậc cao hơn để triệt thành phần AC theo yêu cầu. LPF có thể ở dạng mạch thụ động hay tích cực.
10. 4. Bộ lọc – khuếch đại của vũng -Ngõ ra bộ tách sóng pha gồm nhiều thành phần f0, fi, fi-f0, fi+f0, v.v - Sau LPF chỉ còn thành phần tần số rất thấp (fi-f0) đến bộ khuếch đại để điều khiển tần số VCO bám theo fi. Sau vài vòng điều khiển hồi tiếp PLL được đồng bộ (khóa pha) fi=f0, tần số phách (fi-f0)=0. - Vòng khóa pha hoạt động chính xác khi tần số vào fi, f0 thấp khoảng vài trăm KHz trở lại.
11. 5. Nguyờn lý hoạt động  Khi khụng cú tớn hiệu vào thỡ VCO dao động tự do với tần số riờng của nú là 0, điện ỏp điều khiển VCO là U’d=0 vỡ ở đầu ra của bộ tỏch súng pha (tức là đầu vào của khối khuếch đại-lọc thụng thấp) khụng cú điện ỏp Ud= Kd.Uv.U’r=0.  Khi cú tớn hiệu vào mạch so pha sẽ so sỏnh pha của tớn hiệu vào (tần số v) và pha của tớn hiệu tại chỗ (tần số ’r lấy từ VCO qua bộ chia tần ’r=r/N).  Mạch so pha cú thể sử dụng mạch nhõn analog để tỏch súng pha (nếu tớn hiệu là tương tự).  Đầu ra của bộ so pha nhận được một tớn hiệu Ud tỷ lệ với hiệu số pha = v- r. Vỡ Ud =Kd.Uv.U’r nờn trong đú cú cỏc tần số tổng và hiệu v-’r, v+’r.
12. 5. Nguyờn lý hoạt động  Mạch lọc thụng thấp lọai bỏ tần số tổng, lọc lấy tần số hiệu v-’r rồi khuếch đại lờn để điều khiển VCO. VCO sẽ phải thay đổi tần số cho đến khi hiệu v-’r khụng, nghĩa là =0.  Như vậy VCO luụn thay đổi tần số để bỏm theo tần số đầu vào. Nếu tần số của tớn hiệu vào lệch quỏ xa tần số của tớn hiệu so sỏnh làm cho tần số tổng và tần số hiệu lệch ra ngoài vựng thụng của bộ lọc thỡ sẽ khụng cú tớn hiệu điều khiển.VCO sẽ dao động tự do với tần số 0. PLL khụng hoạt động.
13. 5. Nguyờn lý hoạt động  Khi cho v và ’r xớch lại gần nhau sao cho hiệu của chỳng lọt vào trong dải thụng của bộ lọc thụng thấp thỡ PLL bắt đầu hoạt động,  PLL làm việc trong “dải bắt”. “Dải bắt” quyết định bởi dải thụng của lọc thụng thấp, đú là dải tần số thiết lập được chế độ đồng bộ .  “Dải giữ“ là dải tần số mà PLL giữ được chế độ đồng bộ khi thay đổi tần số của tớn hệu vào.Dải giữ khụng phụ thuộc vào lọc thụng thấp mà phụ thuộc vào biờn độ của điện ỏp điều khiển và khả năng thay đổi tần số của VCO. Dải giữ Dải bắt
14. 6. Cỏc ứng dụng vũng khúa pha a. Tỏch súng tớn hiệu điều tần Muốn dựng PLL để tỏch súng tần số thỡ phải chọn tần số dao động tự do 0 của VCO trựng với tần số trung tõm của tớn hiệu điều tần (tớn hiệu trung tần). Như vậy khi tần số của VCO bấm theo tần số của tớn hiệu điều tần ở đầu vào thỡ ở đầu ra của mạch lọc thụng thấp -khuếch đại nhận được tớn hiệu U’d tỷ lệ với =v-0, đú chớnh là tớn hiệu õm tần được tỏch ra.
15. 6. Cỏc ứng dụng vũng khúa pha b. Điều chế tần số: Để truyền cỏc cỏc tớn hiệu số trờn cỏc đường điện thoại (trong cỏc modem) hoặc để cất giữ cỏc tớn hiệu số, thường dựng cỏc tớn hiệu logic nhị phõn 1 và 0 mó hoỏ theo hai tần số khỏc nhau (vớ dụ “0” ứng với 950 Hz, “1” ứng với 1050 Hz ). Phương phỏp này gọi là đảo tần số (FSK-frequency shift keying). PLL được kết cấu sao cho tần số 0 nằm giữa hai tần số đú, để nú bỏm theo một trong hai tần số đú.
16. 6. Cỏc ứng dụng vũng khúa pha  Điện ỏp ra Ud sẽ cú hai mức biểu thị tớn hiệu nhị phõn đó được tỏch súng. Tớn hiệu này sẽ được truyền đi hoặc được cất giữ dưới dạng số.
17. 6. Cỏc ứng dụng vũng khúa pha c. Tổ hợp tần số: Ứng dụng PLL để thực hiện tổ hợp tần số nhằm tạo ra một hệ cỏc tần số rời rạc từ một tần số chuẩn (chủ súng) cú độ ổn định rất cao. i)Nhõn với số nguyờn: Chế độ đồng bộ, tần số VCO đem chia cho N để đồng bộ với dao động chuẩn fC Tần số này bỏm theo fC để cú U’d=0. Đầu ra nhận được fra=NfC.
18. 6. Cỏc ứng dụng vũng khúa pha ii) Lấy ra tần số khụng phải là bội của tần số chuẩn : Để lấy ra tần số khụng phải là bội của tần số chuẩn fc sử dụng sơ đồ hỡnh 7.26. Tần số chuẩn fc được đưa qua bộ chia tần chia thành fc/M. Tần số của dao động ra f0 qua mạch chia tần chia thành f0/N. Khi đồng bộ thỡ fC/M=f0/N nờn tần số lấy ra là fra=f0= (N/M).fC
19. 6. Cỏc ứng dụng vũng khúa pha  Bằng cỏch thay đổi N,M (chương trỡnh hoỏ) cú thể tạo ra một mạng tần số rời rạc cú độ chớnh xỏc và ổn định như dao động chuẩn. iii) Đồng bộ húa tần số: Với nguyờn lý làm việc như trờn đó phõn tớch cú thể thấy mạch PLL hỡnh dưới là mạch đồng bộ tần số fC và tần số của dao động VCO.
20. 7. Vũng khúa pha số (xem phần mục 2 phần 2.Bộ tỏch súng)
21. 8. Mạch vũng khúa pha mạch tớch hợp