Tìm hiểu tổng quan về các loại máy phát tần số và các thông số kỹ thuật của máy

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 toá