Đồ án Thiết kế và thi công mạch điều khiển thiết bị bằng máy tính dùng sóng vô tuyến

Chương 1 MÁY PHÁT I.1 Định nghĩa và phân loại: I.1.1 Định nghĩa: Một hệ thống thông tin bao gồm : máy phát, máy thu và môi trường truyền sóng. Trong đó máy phát là một thiết bị phát ra tín hiệu dưới dạng sóng điện từ được điều chế dưới một hình thức nào đó. Sóng điện từ còn gọi là sóng mang hay tải tin : làm nhiệm vụ chuyển tải thông tin bằng hình thức điều chế thích hợp. Máy phát phải phát đi công suất đủ lớn để cung cấp tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) đủ lớn cho máy thu. Máy phát phải sử dụng sự điều chế chính xác để bảo vệ các thông tin được phát đi, không bị biến dạng quá mức. Ngoài ra, các tần số hoạt động của máy phát được chọn căn cứ vào các kênh và vùng phủ sóng theo quy định của hiệp hội thông tin Quốc tế (ITV). Các tần số trung tâm (sóng mang) của máy phát phải có độ ổn định tần số cao. Do đó một số chỉ tiêu kỹ thuật của máy phát là: Công suất ra của máy phát Độ ổn định tần số . Chỉ số điều chế AM(mAM) và chỉ số điều tần FM(mFM). Dải tần điều chế I.1.2 Phân loại: a. Theo công dụng:Máy phát Phát thông tin Phát chương trình Phát ứng dụng Cố định Di động Phát thanh Phát hình Đo khoảng cách Rada Hình 1.1 – Phân loại máy phát theo công dụng Máy phát thông tin, máy phát chương trình và máy ứng dụng như hình I.1 b. Theo tần số: Phát thanh: 3÷30 KHz ~ (100 Km ÷ 10 Km): đài phát sóng cực dài (VLW). 30÷300 KHz ~ (10 Km ÷ 1 Km): đài phát sóng dài (LW). 300÷3 MHz ~ (1 Km ÷ 100 m): đài phát sóng trung (MW). 3÷30 MHz ~ (100 m ÷ 10 m): đài phát sóng ngắn (SW). Phát hình: 30÷300 MHz ~ (10 m ÷ 1 m): đài phát sóng mét. 30÷300 MHz ~ (1 m ÷ 0.1 m): đài phát sóng dm. Thông tin VIBA và Rada: 3÷30 GHz ~ (0.1 m ÷ 0.01 m): đài phát sóng cm. 30÷300 GHz ~ (0.01 m ÷ 0.001 m): đài phát sóng mm. c. Theo phương pháp điều chế: Máy phát điều biên (AM). Máy phát đơn biên (SSB). Máy phát điều tần (FM) và Máy phát điều tần âm thanh nổi (FM Stereo). Máy phát điều xung (PM). Ngày nay máy phát số đang được nghiên cứu ở ứng dụng vào tất cả các loại máy phát thông tin số, phát thanh số, phát hình số … d. Theo công suất : Máy phát công suất nhỏ Pra < 100W. Máy phát công suất trung bình 100W ≤ Pra ≤ 100W. Máy phát công suất lớn 10KW ≤ Pra < 1000 KW. Máy phát công suất cực lớn Pra ≥ 1MW. Ngày nay các máy phát có Pra nhỏ và trung bình người ta có thể sử dụng hoàn toàn bằng Transistor, còn các máy phát có Pra lớn và cực lớn vẫn phải dùng các đèn điện tử đặc biệt. I.2 Sơ đồ khối tổng quát của các loại máy phát : I.2.1 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều biên (AM): AFC Chủ sóng (DĐ) Tiền KĐ CSCT KĐCSCT Mạch ra KĐCSÂT Tiền KĐ ÂT Thiết bị an toàn và làm nguội Nguồn cung cấp Điều chế Micro Hình 1.2 – Sơ đồ khối tổng quát của máy phát AM Khối chủ sóng có nhiệm vụ tạo ra dao động cao tần (sóng mang) có biên độ và tần số ổn định, có tầm biến đổi tần số rộng. Muốn vậy ta phải dùng mạch dao động LC kết hợp với mạch tự động điều chỉnh tần số (AFC). Khối tiền khuếch đại công suất cao tần có thể dùng để nhân tần hoặc khuếch đại dao động cao tần đến mức cần thiết để kích thích tầng công suất làm việc. Nó còn có nhiện vụ đệm, làm giảm ảnh hưởng của các tần sau đến độ ổn định tần số của khối chủ sóng. Vì vậy khối tiền khuếch đại có thể có nhiều tần: tầng đệm, tầng nhân tầng và tầng tiền khuếch đại cao tần. Khối khuếch đại công suất cao tần (KĐCSCT) có nhiệm vụ tạo ra công suất cần thiết theo yêu cầu công suất ra Pra của máy phát. Công suất ra yêu cầu càng lớn thì số tầng khuếch đại trong khối KĐCSCT càng nhiều. Mạch ra để phối hợp trở kháng giữa tầng KĐCSCT cuối cùng và Anten để có công suất ra tối ưu nhất (Pra tối ưu). Anten để bức xạ năng lượng cao tần (biến đổi năng lượng dao động cao tần của máy phát thành sóng điện từ truyền đi trong không gian). Bộ điều chế để điều khiển dao động cao tần. Đối với máy phát AM thì biên độ điện áp âm tầm yêu cầu lớn để có độ điều chế sâu (m lớn) nên tín hiệu âm tần từ Micro phải đưa qua bộ tiền khuếch đại âm tần (KĐÂT) và bộ khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT). Tín hiệu âm tần được đưa đến collector của tầng KĐCSCT cuối cùng hoặc được đưa tới cả collector của tầng KĐCSCT trước cuối để thực hiện điều chế collector phụ. Nguồn cung cấp điện áp thường phải có công suất lớn để cung cấp cho Transistor công suất hoặc đèn điện tử. Ngoài ra máy phát phải có thiết bị an toàn và thiết bị làm nguội. Thiết bị an toàn bao gồm các thiết bị bảo vệ bảo hiểm, thiết bị đóng mở, thiết bị kiểm tra chế độ làm việc của máy phát. Thiết bị làm nguội cho các Transistor công suất là các phiến tản nhiệt cực lớn và làm nguội các đèn điện tử công suất bằng phương pháp thổi không khí bằng quạt gió vào Anode, dùng nước bơm vào Anode theo một chu trình kín, phương pháp bốc hơi … I.2.2 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát đơn biên (SSB): Ngoài các yêu cầu kỹ thuật chung của máy phát, máy phát đơn biên (SSB) phải có thêm một số chỉ tiêu kỹ thuật như sau: Mức méo phi tuyến -35dB Bề rộng của mỗi kênh thoại và tổng số kênh thoại. Dải tần số làm việc 3,5,…30 MHz. Việc xây dựng sơ đồ khối của máy đơn biên có một số đặc điểm riêng so với máy phát điều biên (AM). Các bộ điều biên cân bằng và bộ lọc dải hẹp được sử dụng để tạo nên tín hiệu đơn biên (SSB), nhưng công suất ra bị hạn chế chỉ vài mW. Nếu sóng mang ở dải tần số cao (sóng trung, sóng ngắn) thì không thể thực hiện được bộ lọc với các yêu cầu cần thiết (dãi thông hẹp, sườn dốc đứng …) như vậy sẽ có nhiễu xuyên tâm giữa các kênh, làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N). Bởi vậy đối với máy phát đơn biên thì tần số sóng mang cơ bản để tạo tín hiệu đơn biên ở khoảng tần số trung gian (100 ÷ 500 KHz) sau đó nhờ một vài bộ đổi tần để chuyển đến phạm vi tần số làm việc (1 ÷ 30 MHz), rồi nhờ bộ khuếch đại tuyến tính để khuếch đại đến một công suất cần thiết như hình 1.3. Thiết bị đầu vào Bộ điều chế đơn biên Bộ đổi tần Bộ Lọc 1 KĐDĐ điều chế Hệ thống DĐ tần ra Bộ Lọc 2 Bộ tổng hợp tần số Suy giảm Nguồn cung cấp f1 f2 Bộ kích thích đơn biên Hình 1.3 – Sơ đồ khối tổng quát của máy phát đơn biên (SSB) Thiết bị đầu vào thường làm nhiệm vụ khếch đại tín hiệu âm tần, nếu tín hiệu này còn bé hoặc hạn chế tín hiệu âm tần, nếu tín hiệu âm tần quá lớn. Bộ điều chế đơn biên trong máy phát công suất lớn thường được xây dựng theo phương pháp lọc tổng hợp. Trong các máy phát công suất nhỏ do yêu cầu kỹ thuật không cao nên đôi khi có thể xây dựng bộ điều chế đơn biên tín hiệu đơn phương được thực hiện ngay ở tần số làm việc điều chế tín hiệu đơn biên được thực hiện ngay ở tần số làm việc nên không cần có bộ đổi tần và bộ lọc. Bộ tổng hợp tần số của máy phát đơn biên là một thiết bị chất lượng cao và phức tạp. Nó phải đảm bảo tần số sóng mang gốc (f1) và các tần số khác (f2 …) có độ bất ổn định tần số rất nhỏ (10-7 ÷ 10-9) vì vậy ta phải dùng thạch anh để tạo các tần số gốc. Ở sơ đồ khối trên bộ tổng hợp tần số phải tạo ra 2 tần số f1 và f2. Trong đó f1 là tần số sóng mang gốc, không đổi (100 ÷ 500 KHz). Còn tần số f2 là tần số làm việc của máy phát ( tần số ở đầu ra). Bộ đổi tần thực chất là bộ khuếch đại cộng hưởng để lấy thành phần hài nf1 (f2 = nf1). Chính nhờ bộ đổi tần mà độ ổn định tần số của máy phát tăng lên. Bộ lọc 1 có nhiệm vụ lọc các sản phẩm của quá trình đổi tần. Bộ khuếch đại dao động điều chế (KĐDĐ) phụ thuộc vào công suất ra mà có số tầng từ 2 ÷ 4. Để điều chỉnh đơn giản một, hai tầng đầu là bộ khuếch đại dải rộng không điều hưởng. Còn một, hai tầng sau là khuếch đại cộng hưởng. Hệ thống dao động tầng ra dùng để triệt các bức xạ của các hài và cũng để phối hợp trở kháng. Trong các máy phát đơn biên bộ lọc đầu ra thường là một hay hai mạch lọc hình , ghép với nhau và giữa chúng thường có phần tử điều chỉnh độ ghép để nhận được tải tốt nhất của máy phát. Tầng KĐDĐ điều chế đơn sử dụng đơn giản hơn so với tầng đẩy kéo. Song sử dụng tầng đơn thì gặp khó khăn là không phối hợp trở kháng với Anten sóng ngắn đối xứng. Đối với máy phát công suất ra Pra = 20 ÷ 40 KW người ta dùng biến áp đối xứng có lõi Ferit. Còn đối với máy phát công suất ra Pra = 100 KW thì người ta dùng biến áp đối xứng không có lõi. Các máy phát đơn biên thường có dạng đẩy kéo ở tầng KĐDĐ điều chế (còn gọi KĐCSCT). Bộ lọc 2 dùng để triệt tiêu các thành phần tần số cao tần xuất hiện trong dải tần số truyền hình, nên còn gọi là “bộ lọc tín hiệu truyền hình”. Đối với máy thu đơn biên ta phải đổi tín hiệu đơn biên (AM) để thực hiện tách sóng trung thực. Muốn vậy ta phải phục hồi tần số sóng mang. Nhưng nếu do một lý do nào đó mà tần số sóng mang của máy phát khác với tần số sóng mang của máy thu tín hiệu đầu ra của máy thu sẽ bị méo. Do vậy ở máy phát không triệt tiêu hoàn toàn tần số sóng mang, mà dữ lại một phần tần số sóng mang có biên độ bằng 5 ÷ 20% biên độ sóng mang. Tần số này còn được gọi là tần số lái được phát đi cùng tín hiệu đơn biên. Nhờ có tần số lái nên máy thu đơn biên có thể khôi phục một cách chính xác nhờ hệ thống AFC (tự động điều chỉnh tần số). Để tạo tần số lái thì từ tần số sóng mang gốc f1 một phần sóng mang được qua bộ suy giảm định trước đến thẳng đầu ra bộ điều chế tín hiệu đơn biên. I.2.3 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần (FM): Chủ sóng (DĐ) Tiền KĐ âm tần Pre-emphasic AFC Tiền KĐ cao tần KĐCSCT Mạch ra Micro Hình 1.4 – Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần (FM) Các khối trong hình 1.4 có nhiệm vụ giống như các khối trong hình 1.2. Nhưng đối với máy phát điều tần (hay máy phát điều pha) yêu cầu điện áp âm tần không lớn lắm, nên tín hiệu âm tần từ Micro chỉ cần đưa qua một bộ tiền khuếch đại âm tần rồi đưa tới bộ chủ sóng. Mặt khác do tín hiệu điều tần có tần số làm việc cao hơn nhiều so với tín hiệu điều biên nên số tầng nhân tần trong bộ tiền KĐDĐ nhiều hơn. Đồng thời dùng nhiều tầng nhân tần thì độ di tần lớn hơn (Df = ± 75 KHz). Độ ổn định tần số của máy phát điều tần cũng yêu cầu cao hơn (10-5 ÷ 10-8), nên hệ thống AFC thường có cấu tạo phức tạp hơn. I.2.4 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát FM Stereo: Bộ điều chế cực Máy phát FM Máy thu Stereo L L R R Hình 1.5 – Sơ đồ khối máy phát và máy thu FM Stereo Phương pháp đơn giản nhất để truyền tín hiệu FM Stereo là sử dụng 2 máy phát riêng lẻ. Tín hiệu kênh phải R điều chế sóng mang của một máy phát, tín hiệu kênh trái L điều chế tần số sóng mang của máy phát thứ 2. Như vậy ở phía thu, người thu phải có 2 máy thu riêng lẻ. Như thế là không kinh tế vì yêu cầu chi phí tăng gấp đôi. Vì vậy người ta thường truyền cả 2 tín hiệu Stereo qua một máy phát chung và chỉ sử dụng một tần số sóng mang như hình 2.2. Như vậy người nghe chỉ cần sử dụng một máy thu để nhận tín hiệu Stereo giống như nhận tín hiệu Mono. Một trong những phương pháp đơn giản và phổ biến nhất là hệ thống truyền tín hiệu Stereo với bộ điều chế phân cực – tần số sóng mang phụ hình 1.6. Tên của hệ thống nhận được là nhờ sử dụng cực – điều chế 2 phía tần số sóng mang siêu âm phụ : f0phụ = 38 KHz. Theo tiêu chuẩn châu Âu, dạng và phổ của tín hiệu Stereo có 2 kênh phải, trái như trình bày trên hình 1.5. + – Máy phát FM Điều biên cân bằng 38 KHz Bộ nhân 2 Dao động chuẩn 19 KHz L + R L - R L R VR Hình 1.6 – Sơ đồ tạo mã âm thanh lập thể với bộ điều chế cực Trong bộ điều chế cực, ngoài thành phần tín hiệu tổng R+L (máy thu Mono chỉ thu được thành phần này), còn có thành phần hiệu R-L. Thành phần hiệu R-L được đưa vào bộ điều chế cân bằng, nghĩa là tần số sóng mang phụ 38 KHz bị nén. Để giúp bên thu tách sóng được chính xác, người ta phát đi tín hiệu đánh dấu 19 KHz. Như vậy muốn thu được tín hiệu của 2 kênh riêng biệt, bộ giải mã phải tách được tín hiệu (R-L) rồi đem vào ma trận để cộng trừ với tín hiệu (R+L) ta sẽ thu được tín hiệu 2 kênh riêng lẻ: (R+L) + (R-L) = 2R và (R+L) - (R-L) = 2L. I.3 Các mạch ghép trong máy phát: Ghép biến áp (ghép hỗ cảm). Ghép biến áp tự ngẫu (ghép tự biến áp). Mạch ghép có 2 mạch cộng hưởng. Mạch ghép để ghép giữa các tầng và ghép giữa các tầng ra của máy phát với Antenna. Yêu cầu chung đối với các mạch ghép đó là: a. Phối hợp trở kháng: Làm sao cho trở kháng vào của tầng kế tiếp phản ánh về cùng trở kháng ra của bộ cộng hưởng trước tạo thành trở kháng phát sóng tối ưu, đảm bảo công suất ra và hiệu suất của tầng trước là lớn nhất. Phối hợp trở kháng của Antenna và tầng ra của bộ khuếch đại công suất cao tần cuối để đạt được công suất ra yêu cầu. b. Đảm bảo dải thông: Mạch lọc đầu ra phải đảm bảo sao cho ngoài biên biên độ không giảm quá 3dB. Mặt khác dải thông lại tỷ lệ nghịch với hệ số phẩm chất của khung cộng hưởng (D = fo/Q). Vì vậy để đảm bảo cả dải thông và hệ số phẩm chất ta phải dùng nhiều bộ lọc ghép với nhau. c. Đảm bảo hệ số lọc hài cao: Đối với những máy phát có công suất lớn yêu cầu các thành phần hài rất nhỏ. Mạch ghép phải đảm bảo độ suy giảm yêu cầu ở những tần số mong muốn. d. Điều chỉnh mạch ghép: Trong một dải tần số rộng và thay đổi độ ghép với tải để có tải tối ưu. Nói chung không thể đồng thời thỏa mãn các yêu cầu trên mà tùy từng trường hợp cụ thể để xét yêu cầu nào là quan trọng, yêu cầu nào là thứ yếu. Đối với tầng tiền khuếch đại, yêu cầu phối hợp trở kháng là chính, không yêu cầu độ chọn lọc cao, không cần hiệu suất cao nên chỉ cần dùng mạch cộng hưởng đơn. Đối với tầng ra yêu cầu hiệu suất cao, độ lọc hài cao nên dùng mạch cộng hưởng phức tạp.