Bµi 10
c¸c s¬ ®å ®iÒu biªn & ®iÒu tÇn
Môc ®Ých : Nghiªn cøu, ph©n tÝch ho¹t ®éng vµ kh¶o s¸t thùc nghiÖm c¸c m¹ch
®iÒu biªn (AM) dïng diode, dïng transistor vµ c¸c m¹ch gi¶i ®iÒu chÕ biªn ®é.
§ång thêi còng nghiªn cøu vµ kh¶o s¸t c¸c m¹ch ®iÒu tÇn dïng transistor vµ vi
m¹ch IC-555.
phÇn lý thuyÕt
1. §iÒu biªn
1.1. M¹ch ®iÒu chÕ biªn ®é sö dông diode
Diode lµ phÇn tö phi tuyÕn cã thÓ ®−îc sö dông trong m¹ch ®iÒu biªn (xem
h×nh 10-1). Hµm sè ®Æc tr−ng cho phÇn tö phi tuyÕn diode xung quanh ®iÓm lµm
viÖc ®−îc biÓu diÔn theo chuçi Taylor:
...
3
3
2
21 +++= DDDD UaUaUai
tUtUU VVmmD
ω
ω
coscos
+
=
U
m vµ ωm lµ biªn ®é cùc ®¹i vµ tÇn sè cña sãng mang.
U
V vµ ωV lµ biªn ®é cùc ®¹i vµ tÇn sè cña tÝn hiÖu.
VËy ta cã:
+
+= )coscos(
1tUtUai VVmmD
ω
ω
++ 2
2)coscos( tUtUa VVmm
ωω
...)coscos( 3
3++ tUtUa VVmm
ωω
khai triÓn vµ bá qua c¸c sè h¹ng bËc cao ta sÏ cã ®−îc phæ tÝn hiÖu ®−îc
biÓu diÔn trªn h×nh 10-2. Phæ nµy cã chøa thµnh phÇn
4≥n
)( Vm
ω
ω
±
vµ c¸c thµnh
phÇn phô kh«ng muèn (c¸c thµnh phÇn nµy sÏ b»ng kh«ng khi a4 = a5 = ... = 0).
§Ó kh¶o s¸t thùc nghiÖm m¹ch ®iÒu biªn dïng diode ta h·y xem h×nh vÏ
h×nh A10-1 (phÇn thùc nghiÖm). TiÕn hµnh tõng b−íc vµ sö dông dao ®éng ký ®Ó
quan s¸t d¹ng tÝn hiÖu vµo, tÝn hiÖu sãng mang vµ tÝn hiÖu ®iÒu biªn. VÏ l¹i c¸c
d¹ng tÝn hiÖu nµy víi sù ®iÒu chØnh tÇn sè vµ biªn ®é cña m¸y ph¸t tÝn hiÖu.
191
D
(a)
o
o
oo
m
ω
CB
+−
Eo
V
ω
••
U
iD
0
UD
UD
iD
0
0
t
Eo
(b)
H×nh 10.1: §iÒu biªn ë chÕ ®é A.
a) M¹ch ®iÖn dïng diode.
b) §Æc tuyÕn cña diode, ®å thÞ thêi gian cña tÝn hiÖu vµo vµ tÝn hiÖu ra.
ωm
ωV
0
ωm+2ωV
ωm+ωV
ωm+3ωV
ωm-ωV
ωm-2ωV
ωm-3ωV
2ωm
2ωm-2ωV
2ωm-ωV2ωm+ωV
2ωm+2ωV
2ωV
3ωV
ω
H×nh 10.2: Phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn khi m¹ch lµm viÖc ë chÕ ®é A.
192
1.2. M¹ch ®iÒu chÕ sö dông phÇn tö tuyÕn tÝnh cã tham sè thay ®æi
M¹ch nµy dïng phÇn tö tuyÕn tÝnh cã tham sè thay ®æi. Thùc chÊt cña qu¸
tr×nh ®iÒu biªn nµy lµ qu¸ tr×nh nh©n tÝn hiÖu. (Xem h×nh 10.3).
∼
∼
o
o
ECUV
Um
o
U®B
U®B
Um
US1
US2
US3
(a): M¹ch ®iÖn (b): §Æc tÝnh truyÒn ®¹t
H×nh 10.3
Trong m¹ch ®iÖn nµy, quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p U®B vµ ®iÖn ¸p Um lµ quan hÖ
tuyÕn tÝnh. Nh−ng khi UV biÕn thiªn th× ®iÓm lµm viÖc cña transistor (yÕu tè nh©n)
chuyÓn tõ ®Æc tuyÕn nµy sang ®Æc tuyÕn kh¸c lµm cho biªn ®é tÝn hiÖu ra thay ®æi
theo UV.
Ta cã biÓu thøc sau:
U®B = tUtUE mmoVVoC
ω
ω
cos).cos( +
= ++
⎢
⎣
⎡
+t
UU
tUE Vm
moVo
mmoC )cos(.
2
cos.
ωωω
⎥
⎦
⎤
−t
UU
Vm
moVo )cos(.
2
ωω
Nh− vËy phæ cña tÝn hiÖu ra cã chøa c¶ thµnh phÇn sãng mang vµ tÝn hiÖu
vµo mong muèn.
§Ó kh¶o s¸t m¹ch ®iÒu chÕ nµy ta xem h×nh A10-2 (phÇn thùc nghiÖm). Ta
nhËn thÊy lµ víi m¹ch ®iÒu chÕ nµy th× tÝn hiÖu sãng mang cßn ®−îc khuÕch ®¹i
lªn do vËy biªn ®é m¸y ph¸t ®−a vµo lµ nhá (500mV).
1.3. M¹ch gi¶i ®iÒu chÕ biªn ®é
M¹ch gi¶i ®iÒu chÕ gåm 2 phÇn chÝnh lµ:
- Bé phËn t¸ch sãng sö dông diode vµ yÕu tè läc th−êng dïng lµ tô ®Ó lo¹i
bá thµnh phÇn sãng mang cao tÇn. TÝn hiÖu sau khi qua m¹ch gi¶i ®iÒu chÕ sÏ lµ:
tUU VVoV
ω
cos=
193
H×nh A10-3a lµ s¬ ®å mét m¹ch gi¶i ®iÒu chÕ toµn phÇn (xem phÇn thùc
nghiÖm). GhÐp nèi m¹ch nµy víi m¹ch ®iÒu chÕ dïng transistor cho ta m¹ch ®iÒu
chÕ vµ gi¶i ®iÒu chÕ AM (xem h×nh A10-3b - phÇn thùc nghiÖm).
2. §iÒu tÇn
2.1. Kh¸i niÖm vÒ ®iÒu tÇn
§iÒu tÇn lµ qu¸ tr×nh lµm cho tÇn sè sãng mang thay ®æi theo biªn ®é tÝn
hiÖu.
Ta cã biÓu thøc:
U
®t(t) ⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛++= ot
t
m
mo ttU
ϕω
ω
ω
ω
sin.
∆
cos
víi m
ω
: lµ tÇn sè sãng mang khi ch−a ®iÒu tÇn.
t
ω
: lµ tÇn sè tÝn hiÖu tin tøc
Ký hiÖu
t
m
A
ω
ω
∆
=: lµ chØ sè ®iÒu tÇn.
vµ ttt mot
t
m
ωϕω
ω
ω
ϕ
++
∆
=sin.)(
do vËy mtm t
dt
td
ωωω
ϕ
ω
+== cos∆
)(
lµ tÇn sè cña tÝn hiÖu ®· ®iÒu tÇn thay ®æi theo quy luËt h×nh sin.
m
ω
∆lµ ®é di tÇn tØ lÖ víi biªn ®é cña tÝn hiÖu h×nh sin mang th«ng tin.
D¹ng tÝn hiÖu ®iÒu tÇn: (H×nh 10.4)
H×nh 10.4: D¹ng tÝn hiÖu ®iÒu tÇn
Cã mét sè ph−¬ng ph¸p ®iÒu tÇn th«ng dông nh−: §iÒu tÇn dïng diode biÕn dung,
®iÒu tÇn dïng transistor ®iÖn kh¸ng. Trong ph−¬ng ph¸p ®iÒu tÇn dïng transistor
®iÖn kh¸ng th× biªn ®é cña tÝn hiÖu tin tøc lµm thay ®æi ®é dÉn cña transistor m¾c
song song víi c¸c yÕu tè ®iÖn kh¸ng (vÝ dô nh− L, C; R, C; L, C ...). H×nh A10- 4
(xem phÇn thùc nghiÖm) lµ mét m¹ch ®iÒu tÇn sö dông transistor. TÝn hiÖu tin tøc
lµm thay ®æi ®é dÉn cña T2 dÉn ®Õn lµm thay ®æi tham sè gi¸ trÞ cña L1, L2 vµ lµm
thay ®æi gi¸ trÞ cña khung céng h−ëng cña m¸y ph¸t T3.
194
2.2. §iÒu tÇn vµ ®iÒu pha
2.2.1. C¸c c«ng thøc c¬ b¶n vµ quan hÖ gi÷a ®iÒu tÇn vµ ®iÒu pha
V× gi÷a tÇn sè vµ gãc pha cña mét dao ®éng cã quan hÖ (1.a) nªn dÔ dµng
chuyÓn ®æi sù biÕn thiªn tÇn sè thµnh biÕn thiªn vÒ pha vµ ng−îc l¹i.
dt
d
ψ
ω
= (1.a)
§iÒu tÇn vµ ®iÒu pha lµ qu¸ tr×nh ghi tin tøc vµo t¶i tin, lµm cho tÇn sè
hoÆc pha tøc thêi cña t¶i biÕn thiªn theo d¹ng cña tÝn hiÖu ®iÒu chÕ. Víi t¶i tin
cña dao ®éng ®iÒu hßa:
)(cos
ˆ
)cos(
ˆ
)( tUtUtu tott
ψϕω
=+= (1b)
Tõ (1.a) suy ra:
∫+=
t
tdttt
0
)()()(
ϕω
ψ
(2)
Thay (2) vµo (1) ta nhËn ®−îc biÓu thøc:
[
]
∫+= )()(cos
ˆ
)( tdttUtu t
ϕω
(3)
Gi¶ thiÕt tÝn hiÖu ®iÒu chÕ lµ tÝn hiÖu ®¬n ©m:
tUU sss
ω
cos
ˆ
= (4)
Khi ®iÒu chÕ tÇn sè hoÆc ®iÒu chÕ pha th× tÇn sè hoÆc gãc pha cña dao
®éng cao tÇn biÕn thiªn tØ lÖ víi tÝn hiÖu ®iÒu chÕ vµ chóng ®−îc x¸c ®Þnh lÇn l−ît
theo c«ng thøc (5a) vµ (5b):
(5a) tUkt ssdtt
ωωω
cos
ˆ
)( +=
tUkt ssdfo
ωϕϕ
cos
ˆ
)( += (5b)
Trong tr−êng hîp nµy gäi
t
ω
lµ tÇn sè trung t©m cña tÝn hiÖu ®iÒu tÇn.
§Æt gäi lµ l−îng di tÇn cùc ®¹i.
msdtUk
ω
∆=
ˆ
msdf Uk
ϕ
∆=
ˆ gäi lµ l−îng di pha cùc ®¹i.
C¸c biÓu thøc 5a vµ 5b viÕt l¹i nh− sau:
tt smt
ω
ω
ω
ω
cos)(
∆
+
= (6a)
tt smo
ω
ϕ
ϕ
ϕ
cos)(
∆
+
= (6b)
Khi ®iÒu chÕ tÇn sè th× gãc pha ®Çu k«ng ®æi, do ®ã o
t
ϕ
ϕ
=)( . Thay 6 vµo
3 vµ tÝch ph©n lªn, ta nhËn ®−îc biÓu thøc cña dao ®éng ®· ®iÒu tÇn:
)sincos(
ˆ
)( os
s
m
ttdt ttUtu
ϕω
ω
ω
ω
+
∆
+= (7)
195