1

Mạch phát FM

MẠCH PHÁT FM
MỤC LỤC
Lời nói đầu......................................................................................................................
Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI..........................................................................3
1.1 Mục đích................................................................................................................3
1.2 Nội dung và nhiệm vụ...........................................................................................3
1.3 Phương pháp..........................................................................................................3
Chương 2. LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ FM.................................................................5
2.1 Điều chế tần số FM................................................................................................5
2.1.1 Dạng sóng của điều chế FM..........................................................................6
2.1.2 Dạng phổ của điều chế FM............................................................................8
2.2 Chỉ số điều biến FM..............................................................................................8
Chương 3. THIẾT KẾ MÁY PHÁT FM.................................................................10
3.1 Giới thiệu linh kiện trong mạch phát FM..............................................................10
3.2 Sơ đồ nguyên lý.....................................................................................................11
3.3 Chức năng từng khối theo sơ đồ nguyên lý..........................................................11
3.3.1 Khối mạch vào.............................................................................................11
3.3.2 Khối mạch lọc..............................................................................................11


2

Mạch phát FM

3.3.3 Khối khuếch đại âm tần...............................................................................13
3.3.4 Khối dao động..............................................................................................14
3.3.5 Antena..........................................................................................................16

3.4 Nguyên lý hoạt động chung...................................................................................16
Chương 4. KẾT QUẢ THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM.........................................18
4.1 Sơ đồ mạch in........................................................................................................18
4.2 Sản phẩm................................................................................................................19
4.3 Kết quả thử nghiệm...............................................................................................19
4.4 Ưu điểm và nhược điểm........................................................................................19
4.5 Cách khắc phục......................................................................................................20
Chương 5. KẾT LUẬN.............................................................................................21
Tài liệu tham khảo......................................................................................................22


3

Mạch phát FM

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Mục đích:
Nhiều ứng dụng tiện ích trở nên không thể thiếu trong cuộc sống con người như:
micro không dây, bộ đàm thoại, điện thoại kéo dài, chuông cửa từ xa, đài radio… Chính
vì thế em xin giới thiệu về mạch phát FM (frequency modulation). Hầu hết các ứng
dụng kể trên đều được phát triển từ một nguyên lý chung của mạch phát FM, tức là
nhận tín hiệu tương tự sau đó đưa vào mạch điều chế FM và cuối cùng phát tín hiệu đó
ra ở một tần số trong dãy FM (64 – 108 MHz). Ở đây, mạch phát FM này sẽ nhận tín
hiệu tương tự là âm thanh ( tiếng nói, nhạc, ... ), phát ra tín hiệu ở tần số trong dải FM
và sử dụng bộ phận thu là máy radio thường dùng trong cuộc sống.
1.2 Nội dung và nhiệm vụ:
-Tìm hiểu kỹ thuật điều chế tần số tương tự FM (frequency modulation).
-Thiết kế mạch phát tín hiệu FM với tín hiệu tin tức là âm thanh ( dải tần 20Hz –
20KHz), tần số sóng mang nằm trong dải tần FM (64MHz – 108MHz).
-Thi công phần cứng : mạch nhỏ gọn, tiện dụng, phát tín hiệu tốt.

1.3 Phương pháp:
-

Hình 1.1 Sơ đồ khối mạch phát FM
Khối mạch vào: nhận tín hiệu âm thanh từ micro để đưa vào mạch điều chế.
Khối mạch lọc: ngăn dòng một chiều từ micro vào mạch và cho tín hiệu xoay chiều
Mạch vào

Mạch lọc

Antena

Khuếch đại âm tần

Điều chế

Dao động

-

đi qua.
Khối khuếch đại âm tần: khuếch đại tín hiệu đã đưa vào từ micro.
Khối dao động: tạo ra tần số dao động riêng chính là tần số sóng mang.
Antena: phát tín hiệu, tăng khả năng bức xạ sóng điện từ ra môi trường xung quanh.


4

Mạch phát FM



5

Mạch phát FM

Chương 2. LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ FM
2.1 Điều chế tần số FM:
Thông tin mà chúng ta truyền đạt (âm thanh..) phần lớn nằm ở khoảng tín hiệu thấp,
nếu không thông qua điều chế trước khi phát bằng sóng vô tuyến , sẽ gặp phải nhiều vấn
đề khó khăn như khoảng cách truyền, tổn hao, nhiễu, giới hạn băng thông, khó khăn
phía thu. ... để khắc phục những vấn đề này , người ta sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau
để đưa tần số của tín hiệu mang tin lên khoảng tần số cao ,phù hợp với hoàn cảnh và
thiết bị . Người ta gọi đó là các kỹ thuật điều chế. Điều chế là quá trình ghi tin tức vào
một dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó ( ví dụ: biên độ, tần số, góc pha,
độ rộng xung, … ) của dao động cao tần theo tin tức.
Trong trường hợp này, tin tức được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần được
gọi là tải tin, còn dao động cao tần mang tin tức được gọi là dao động cao tần đã điều
chế.
Nói chung các phương pháp điều chế rất đa dạng, bao gồm cả điều chế cho tín hiệu
tương tự và cho tín hiệu số , trong đó , một trong những phương pháp đơn giản cho tín
hiệu tương tự là phương pháp điều tần – frequency modulation (FM).
Điều tần là quá trình ghi tín hiệu tin tức ở tần số thấp vào một dao động ở tần số
cao làm biến đổi tần số theo tín hiệu tin tức. Trong điều tần, tín hiệu điều tần thay đổi
quanh tín hiệu tải tin. Phương pháp này khác với phương pháp thay đổi biên độ của
sóng mang hay còn gọi là điều chế biên độ - amplitude modulation (AM) . Trong kỹ
thuật truyền thông tương tự , giá trị của tín hiệu mang tin sẽ ảnh hưởng trực tiếp lên tần
số của sóng mang .
Mục đích của điều chế là chọn một phổ tần thích hợp cho việc truyền thông tin, với
các tần số sóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tần
trên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyền. Xét tín hiệu tải tin : U t(t)

= Umt cos ωt t


6

Mạch phát FM

Nếu ωt thay đổi tương ứng với nguồn thông tin, ta có tín hiệu điều chế tần số (FM).
Một kỹ thuật điều chế tương tự là điều chế pha PM (Φ(t) thay đổi). Trong phạm vi bài
tập này, ta chỉ xét kỹ thuật điều tần.
Xét 2 tín hiệu:
Tin tức

Us(t) = Ums cos ωs t

Tải tin

Ut(t) = Umt cos ωt t

Khi điều chế tần số, tần số của dao động cao tần biến thiên tỉ lệ với tín hiệu điều chế
và được xác định
ωdt = ωt + Kdt .Ums cos ωs t
Trong đó : ωt là tần số trung tâm của tín hiệu điều tần.
∆fmax = Kdt .Ums gọi lượng di tần cực đại
2.1.1 Dạng sóng của điều chế FM:
ωdt = ωt + Kdt .Ums cos ωs
Có ωdt = dφdt(t)/ dt
dφdt(t) = ∫ ωdt(t).dt
= ∫ (ωt + Kdt .Ums cos ωs t).dt
= ∫ ωt(t).dt + ∆fmax ∫ cos ωs t .dt

= ωt.t + (∆fmax / ωs). Sin ωs t
Biểu thức của điều tần :
Udt = Umt cos (ωt.t + (∆fmax / ωs). Sin ωs t)
= Umt cos (ωt.t + mf Sin ωs t)


Tín hiệu âm tần

7

Mạch phát FM

Tín hiệu cao tần

Tín hiệu só

Hình 2.1 Sơ đồ điều chế FM

Với mạch điều chế tần số thì sóng mang có biên độ không đổi, nhưng tần số thay
đổi theo biên độ của tín hiệu âm tần, khi biên độ tín hiệu âm tần tăng thì tần số cao tần
tăng, khi biên độ âm tần giảm thì tần số cao tần giảm. Như vậy sóng mang FM có tần số
tăng giảm theo tín hiệu âm tần.


8

Amplitude

Mạch phát FM


Hình 1.2 Dạng sóng của
tín hiệu đã qua điều chế
Time

2.1.2 Dạng phổ của điều chế FM:
Udt = Umt cos (ωt.t + mf Sin ωs t) có thể biểu diễn dạng chuỗi mà hệ số là các hàm
Bessel loại 1 bậc K.
Udt = Umt cos (ωt.t + mf Sin ωs t)
=Umt + J0(mf) cos ωtt + Umt ∑J2k(mf)[sin(ωt + 2kωs)t + sin (ωt- 2k ωs)t] + Umt ∑
J2k+1(mf)[cos(ωt + (2k+1)ωs)t - cos (ωt- (2k+1) ωs)t] +...
Tín hiệu điều tần có vô số thành phần tấn số, trong diều tần dải hẹp ∆f max << ωs do
đó mf << 1. Nên các thành phần tần số cao bằng 0, còn 3 thành phần tần số ωt, ωt +ωs, ωt
- ωs
Hình 2.2 Dạng phổ của điều chế FM


9

Mạch phát FM

2.2 Chỉ số điều biến FM:
Giống như các ở phương pháp điều chế khác , đối với FM chỉ số điều chế cũng chỉ
ra mức độ thay đổi của tín hiệu đã điều chế so với tín hiệu chưa qua điều chế . Ở trường
hợp này ,đó là mức độ biến thiên của tần số sóng mang :

Trong đó fm là tần số điều biên cao nhất. Nếu h<<1, đây là phương pháp điều chế
giải hẹp với băng thông xấp xỉ 2fm, nếu h>>1 thì đó là phương pháp điều chế FM băng
rộng với băng thông xấp xỉ

. Mặc dù FM băng rộng chiếm nhiều băng thông hơn


nhưng nó cũng có thể nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) một cách đáng kể.


10

Mạch phát FM

Chương 3. THIẾT KẾ MÁY PHÁT FM
3.1 Giới thiệu linh kiện trong mạch phát FM:
Bảng 3.1: Các linh kiện trong mạch
Tên linh kiện
Nguồn

Transistor
2N3904

Tụ điện, điện trở, led
Cuộn cảm

Ghi chú
Pin vuông 9V kèm theo đế nguồn pin.

Vị trí chân của transistor 2N3904:

Tụ 22nF là tụ 223; Tụ 100nF là tụ 104; Tụ 1nF là tụ 102
Dây đồng đường kính 0.4mm.

Micro


Hình ảnh cho micro

Antena

Là sợi dây dẫn hoặc dây đồng.


11

Mạch phát FM

3.2 Sơ đồ nguyên lý:
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch phát FM

3.3 Chức năng từng khối theo sơ đồ nguyên lý:
3.3.1 Khối mạch vào:
Khối mạch vào bao gồm nguồn và micro:
-Nguồn: có thể chế tạo từ nguồn tuyến tính có đầu ra cỡ 9-10V. Ở đây, mạch phát
FM này sử dụng nguồn pin vuông 9V, đảm bảo được sự nhỏ gọn và tiện dụng.
-Micro: dùng để đưa tín hiệu âm thanh từ môi trường bên ngoài vào mạch điều biên
FM. Có thể thay thế micro bằng audio để lấy tín hiệu âm thanh từ các thiết bị âm thanh
như điện thoại, máy tính, đài… để đưa vào mạch điều biên FM.
3.3.2 Khối mạch lọc:
- Mạch lọc ở đây là tụ C 1, C1 vừa là tụ liên lạc vừa có tác dụng ngăn dòng một chiều
từ micro vào Q1 và cho tín hiệu xoay chiều đi qua.


βib

zi


12

Mạch phát FM

io
ib

- Do trở kháng vào của Transistor nhỏ nên để tín hiệu âm tần ít bị sụt áp trên tụ C 1 thì
dung kháng của tụ C1 phải nhỏ hơn nhiều so với trở kháng vào của Transistor. Trong
mạch chọn tụ C1=22nF, khi đó dung kháng của tụ là:
Zc= 1/(2πfC) = 1/(2π.50.22.10-9) ≈ 144686Ω
Giá trị trở kháng vào của Transistor: điện trở R3 cần phải có giá trị lớn để dòng phân
cực cho Q1 nhỏ ( phân cực hồi tiếp âm điện thế ). Chọn R 3= 1MΩ, khi đó dòng phân
cực:
I = IE = IB+ IC = IB(1+β)
VCC = R4I +R3IB + VBE
= R4 IB(1+β) + R3IB + 0,7
IB = = 4,13 ×10-3 mA
IC = βIB = 100 × 4,13 ×10-3 = 0,413mA
I = IE = IB+ IC = IB(1+β) = 0,41713 mA

Xét mạch tín hiệu nhỏ (kiểu mẫu re):


13

Mạch phát FM

Av = vo/vi

io = βib + I’ ≈ βib (do Rb rất lớn)
vo = -Rc.io = -Rc.βib
vi = βre.ib
Av = vo/vi = -Rc/re mà re = 26mV/ ic = 62,95 Ω
Av = -Rc/re = -10000/62,95 = -158,85
Zi =

3.3.3 Khối khuếch đại âm tần:
Transistor Q1 loại NPN được mắc EC. Đây là mạch khuếch đại cực phát chung
phân cực bằng hồi tiếp điện thế. Cách phân cực này giúp ổn định hoạt động của mạch
FM.
Hình 3.2 Khối khuếch đại âm tần

Ib

I
Ic

Ie
Chức năng của khối này là làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ micro và đưa qua tụ
liên lạc C2 để đưa ra tầng sau. Chọn giá trị tụ C 2=100nF ( tụ 104) nhằm góp phần giúp


14

Mạch phát FM

tín hiệu hạn chế nhiễu. XC2 = 31830 Ω ( giá trị dung kháng đủ lớn để không ảnh hưởng
đến mạch).
R4 là điện trở tải, trị số thường dùng trong khoảng 1KΩ đến 10KΩ, trong mạch

chọn 10KΩ. Nếu điện trở tải quá nhỏ, hệ số khuếch đại sẽ nhỏ, nếu điện trở tải quá lớn,
điện áp một chiều sụt trên tải sẽ lớn làm điện áp đưa vào colector sẽ quá nhỏ làm hiệu
suất thấp và tín hiệu ra méo.
R3 là điện trở hồi tiếp, nó dẫn một phần điện áp từ mạch ra về mạch vào để phân
cực cho tiếp xúc phát. R3 phải có giá trị rất lớn để dòng phân cực cho Q1 nhỏ.

Hệ số khuếch đại âm tần:
Av = vo/vi
io = βib + I’ ≈ βib (do Rb rất lớn)
vo = -Rc.io = -Rc.βib
3.3.4 Khối dao

vi = βre.ib
Av = vo/vi = -Rc/re mà re = 26mV/
ic =Khối
62,95
Ω động
Hình 3.3
dao

động:

Av = -Rc/re = -10000/62,95 = -158,85

-

Khung

dao


động L1C5 tạo ra

tần số dao động riêng chính là tần số sóng mang .Khi tín hiệu vào thay đổi, tần số riêng
của mạch cộng hưởng này thay đổi trong một dải tần theo sự biến thiên của tín hiệu. Giá
trị trung tâm của dải này chính là tần số phát của mạch.


15

Mạch phát FM

- Cuộn cảm L1 dùng chặn cao tần ( chặn xoay chiều). Ở đây, cuộn cảm được quấn
bằng dây đồng đường kính d= 0,4mm theo thông số: lõi không khí, bán kính lõi r=3mm.
chiều dài lõi l=1cm, số vòng dây N=5. Công thức tính cuộn cảm cho hình trụ tròn dài:

L = từ dung đo bằng Henry (H)
μ0 = độ từ thẩm của chân không = 4π × 10-7H/m
K = hệ số Nagaoka (phụ thuộc độ co giãn cuộn dây cỡ =1)
N = số vòng
A = thiết diện cuộn dây đo bằng mét vuông (m2)
l = chiều dài cuộn dây (m)
Từ các thông số trên, giá trị L=

4π×10-7×1×52×π×(0,003)2

= 8.88 ×10-8 H.

0,01
Tần số của mạch phát ra ở 84MHz (giá trị thực tế đã đạt được): f
C5= 41pF ≈ C5= 47pF (giá trị đã chọn)

- R5 và R6 tạo điểm làm việc cho Q2. Trong mạch, Q2 được mắc kiểu EC, chọn giá
trị R5= 47KΩ, R6= 100Ω. Khi đó:
VCC = R5IB + VBE + IER6 ( IC = IE = βIB, β = 100)
IB = (VCC - VBE)/( R5 + βR6)
= (9- 0,7)/( 47K + 100. 0,1K)
= 0,1456 mA

IC = IE = βIB = 14,56 mA

- Tụ C4 = 10pF có chức năng hồi tiếp điện áp C-E.
- Công suất phát của mạch:
IC = IE = 14,56 mA


16

Mạch phát FM

VCC = VCE + IER6
VCE = VCC – IER6 = 9 – 14,56 × 0,1 = 7, 544 V
PT = VCE × IC = 7,544 × 14,56 = 109,58 mW
-Cự ly phát của mạch:
Công thức tính cự ly phát của mạch:

c
f2π
Công suất phát Pt = 109,58 mW
Công suất máy thu FM Pr thường trong khoảng 0.1mW
c = 3 × 108
f = 84 MHz

d = 18,8 m
3.3.5 Antena
Làm nhiệm vụ phát tín hiệu có tác dụng tăng khả năng bức xạ sóng điện từ ra môi
trường xung quanh. Cơ cấu và tính chất của antena là một trong những yếu tố quan
trọng quyết định cự ly phát của mạch. Hiện nay trên thị trường đã có nhiều lại antena
với nhiều kích cỡ nhỏ gọn. Ở đây dùng antena là sợi dây dẫn thẳng dài khoảng 30cm.
3.4 Nguyên lý hoạt động chung:
Tín hiệu được đưa vào mạch thông qua một rắc micro. Điện trở R2 nối tiếp với micro
vào nguồn để phân cực cho tín hiệu vào. Âm thanh thay đổi khi qua dây này sẽ được
chuyển thành tín hiệu điện đưa qua tụ C1 vào cực B (bazơ) của transistor Q1 mắc
Emiter chung (EC) và hồi tiếp điện thế, giúp ổn định cực phát. Tín hiệu sau đó được
khuếch đại và đưa vào cực Bazơ của transistor Q2 thông qua tụ C2( nhiệm vụ ngăn 1
chiều và cho xoay chiều đi qua).


17

Mạch phát FM

Transistor Q2 được mắc Emiter chung (EC), hồi tiếp C-E bằng tụ C4. Khi tín hiệu
đưa ra từ chân C của transistor Q1 biến thiên xoay quanh một trị số tĩnh (do điểm làm
việc tĩnh Q của Q1 quyết định) từ đó tần số riêng của mạch dao động biến đổi tạo nên
sự điều biến tần số (FM – Frequence Modulation) cho mạch này. Anten nối với cực
Colector của transistor Q2 giúp tăng khả năng phát xạ của mạch.


18

Mạch phát FM


Chương 4. KẾT QUẢ THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM
4.1 Sơ đồ mạch in:
Hình 4.1 Sơ đồ mạch in được vẽ trên phần mềm protues

Hình 4.2 Sơ đồ mạch in được chuyển sang file pdf


19

Mạch phát FM

4.2 Sản phẩm:
Hình 4.3 Thành phẩm mạch phát FM

4.3 Kết quả thử nghiệm:
Mạch phát FM được thiết kế có các thông số: tần số phát ở 84MHz, nguồn cung cấp
sử dụng là 9V, tầm phát xa gần 20m hoàn toàn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật.
Chất lượng tín hiệu thu được sử dụng đài thu FM thông thường cho tín hiệu tốt,
không có tiếng ồn trong phạm vi phát cho phép của thiết bị.
4.4 Ưu điểm và nhược điểm:
- Ưu điểm: Mạch được thiết kế có kích thước 4cm x 7cm, hàn gọn và chi phí thành
phẩm thấp, sử dụng linh kiện truyền thống. Sóng FM có nhiều ưu điểm về mặt tần số,
dải tần âm thanh sau khi tách sóng điều tần có chất lượng rất tốt, cho âm thanh trung
thực, sóng FM ít bị nhiễu.
- Nhược điểm của sóng FM là cự ly truyền sóng ngắn, dễ bị nhiễu do các tác động
bên ngoài, chỉ truyền được cự ly từ vài chục đến vài trăm Km, do đó sóng FM thường
được sử dụng làm sóng phát thanh trên các địa phương.


20


Mạch phát FM

4.5 Cách khắc phục:
- Với mạch FM đơn giản dùng LC để tránh trôi tần số thì có thể dùng ổn áp nguồn, bọc
kim khối mạch dao động , khuếch đại một số tầng để tăng sự ổn định của tần số.
- Để không bị trôi tần số người ta cũng có thể lắp mạch phát FM sử dụng thạch anh,
thạch anh có phẩm chất cao, tần số ổn định nên bị trôi tần ít, có chất lượng hơn.


21

Mạch phát FM

Chương 5. KẾT LUẬN
Mạch phát tín hiệu trên băng tần FM được thiết kế với mục đích có tính ứng dụng
cao :
- Tín hiệu phát đi có chất lượng tốt, tầm phát xa khoảng 20m.
- Mạch nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí tới mức tối đa.
- Nguồn cung cấp đơn giản và nhỏ gọn.
- Tần số phát là 84MHz.
- Sóng FM có nhiều ưu điểm về mặt tần số, dải tần âm thanh sau khi tách sóng điều tần
có chất lượng rất tốt, cho âm thanh trung thực, sóng FM ít bị nhiễu.
Hướng phát triển:
- Thiết kế thêm mạch thu FM.
- Kỹ thuật điều chế FM được sử dụng phổ biến trong khoảng tần số vô tuyến VHF dành
cho truyền phát âm nhạc và giọng nói độ trung thực cao. Hệ quả là FM gần như trở
thành một loại chuẩn điều chế truyền phát tương tự ở tần số cao và độ trung thực cao –
FM radio. Điều chế FM sử dụng trong truyền phát tín hiệu thông thường được gọi là
điều chế FM giải rộng (W-FM). Trong chuyền phát Radio 2 chiều FM giải hẹp (N-FM)

được sử dụng để tiết kiệm băng thông .
- Trên thực tế, nếu sử dụng các linh kiện dán kích thước nhỏ, ta có thể thu hẹp kích
thước mạch xuống mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật với giá thành cao hơn từ 15%
đến 20%. Linh kiện sử dụng phổ biến, quy trình lắp mạch đơn giản và hiệu chỉnh dễ
dàng. Có thể sử dụng các linh kiện thay đổi tần số như tụ xoay.
- Như vậy, các yêu cầu này đảm bảo cho việc đưa vào thiết bị tai nghe không dây mà
không làm thay đổi nhiều kích thước cũng như khối lượng của tai nghe, có tính khả thi
cao khi áp dụng trong thực tế.


22

Mạch phát FM

Tài liệu tham khảo:
1. www.hocdientu.info
2. www.dientuvietnam.net
3. Phạm Thị Cư, Lý thuyết tín hiệu, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí
Minh - 2009