..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐÀO DUY HIẾU

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ
SỬ DỤNG VỊNG KHĨA PHA PLL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS. PHẠM THÀNH CÔNG

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân, được
thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Phạm Thành Công. Các số liệu
cũng như những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là trung
thực và chưa được cơng bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên

Đào Duy Hiếu

1

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..............................................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................8
LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................9
1. CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT VỊNG KHĨA PHA ............................................10
1.1.

Tổng quan về vịng khóa pha ...................................................................10

1.2.

Sơ đồ khối ................................................................................................10

1.3.

Nguyên lý hoạt động ................................................................................11

1.4.

Các khối cơ bản của PLL .........................................................................13

1.4.1.

Bộ tách sóng pha (Phase Detector)....................................................13

1.4.2.

Bộ lọc thông thấp (Low Pass Filter)..................................................15


1.4.3.

Khuếch đại một chiều ........................................................................16

1.4.4.

Bộ tạo dao động được điều khiển bằng điện áp VCO .......................16

1.5.

Ứng dụng của vịng khóa pha PLL ..........................................................17

1.5.1.

Bộ tổ hợp tần số đơn..........................................................................17

1.5.2.

Giải điều chế FM ...............................................................................19

1.5.3.

Giải điều chế FSK .............................................................................20

2. CHƯƠNG 2. BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ ..............................................................21
2.1.

Khái quát chung về các bộ tổ hợp tần số..................................................21


2.1.1.

Vị trí và yêu cầu ................................................................................21

2.1.2.

Phân loại các phương pháp tổ hợp tần số ..........................................22

2


2.2.

Các mạch cơ sở trong các bộ tổ hợp tần số ..............................................22

2.2.1.

Tổ hợp tần số sử dụng các mạch nhân, chia, cộng và trừ .................22

2.2.2.

Các hệ thống tinh chỉnh tự động tần số trong các bộ tổ hợp .............26

2.2.2.1. Hệ thống tự động tinh chỉnh tần số theo pha ....................................27
2.2.2.2. Hệ thống tự động tinh chỉnh tần số theo tần số.................................32
2.3.

Các phương pháp tổ hợp tần số ................................................................35

2.3.1.


Phương pháp tổ hợp tương tự trực tiếp .............................................35

2.3.1.1. Tổ hợp trực tiếp sử dụng nhiều dao động chuẩn...............................36
2.3.1.2. Tổ hợp dải tần rời rạc có bù tần số dao động phụ .............................39
2.3.1.3. Sơ đồ bộ tổ hợp tần số sử dụng 1 dao động chuẩn ..........................41
2.3.2.

Phương pháp tổ hợp gián tiếp............................................................43

2.3.2.1. Bộ tổ hợp tần số gián tiếp với một mạch vòng khóa pha..................43
2.3.2.2. Bộ tổ hợp tần số gián tiếp có điều khiển trước chia biến đổi ...........46
2.3.2.3. Bộ tổ hợp tần số gián tiếp với nhiều mạch vịng khóa pha ...............49
2.3.3.

Phương pháp tổ hợp tần số số trực tiếp .............................................50

2.3.3.1. Tính chất của phương pháp tổ hợp số trực tiếp ................................50
2.3.3.2. Tổ hợp tần số trực tiếp kết hợp vòng lặp khóa pha...........................52
2.3.3.3. Một số ứng dụng của tổ hợp tần số số trực tiếp. ...............................56
2.3.4.

So sánh các phương pháp ..................................................................59

3. CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ ...........................................61
3.1.

Phương án thiết kế ....................................................................................61

3.1.1.


Giới thiệu phương án thiết kế ............................................................61

3.1.2.

Sơ đồ khối thiết kế tổ hợp tần số .......................................................62

3


3.1.3.
3.2.

Thiết kế chi tiết các khối ...................................................................63

Mô phỏng bộ tổ hợp tần số.......................................................................66

3.2.1.

Giới thiệu phần mềm mô phỏng ADIsimPLL ...................................66

3.2.2.

Thực hiện mô phỏng ..........................................................................66

3.2.3.

Kết quả mô phỏng .............................................................................67

KẾT LUẬN ........................................................................................................74

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................75

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ

Tiếng Anh

Ý nghĩa Tiếng Việt

AM

Amplitude Modulation

Điều chế biên độ

CP

Charge Pump

Bơm điện tích

BPF

Band Pass Filter

Bộ lọc thơng dải


DAC

Digital Analog Converter

Bộ biến đổi số sang tương tự

DDS

Direct Digital Synthesis

Tổ hợp tần số trực tiếp

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

FSK

Frequency Shift Keying

Điều chế dịch tần số

LPF

Low Pas Filter

Lọc thông thấp


MSK

Minimum-shift keying

Điều chế dịch pha tối thiểu

PD

Phase Detector

So sánh pha

PFD

Phase Frequency Detector

So sánh pha tần số

PLL

Phase Locked Loop

Vịng khóa pha
Tổ hợp tần số

THTS
VCO

Dao động điều khiển điện áp


Voltage Controled Oscilator

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ khối vịng khóa pha .........................................................................10
Hình 1.2. Dải bắt và dải khóa của PLL .....................................................................11
Hình 1.3. Điện áp sau bộ lọc thơng thấp ...................................................................12
Hình 1.4. Ngun lý hoạt động của bộ tách sóng pha tương tự ................................13
Hình 1.5. Hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha tương tự ........................................14
Hình 1.6. Hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha số ...................................................14
Hình 1.7. Tách sóng pha số EX-OR và đáp tuyến ....................................................15
Hình 1.8. Tách sóng pha số dùng R-S Flip Flop và đáp tuyến .................................15
Hình 1.9. Khuếch đại một chiều................................................................................16
Hình 1.10. Bộ tổ hợp tần số đơn ...............................................................................18
Hình 1.11. Bộ tổ hợp tần số có tần số ra thấp ...........................................................19
Hình 1.12. Giải điều chế FSK dùng PLL ..................................................................20
Hình 2.1. Bộ chia có hồi tiếp.....................................................................................23
Hình 2.2. Bộ chia có hệ số chia biến đổi...................................................................24
Hình 2.3. Sơ đồ bộ chia biến đổi dùng decade..........................................................25
Hình 2.4. Sơ đồ tinh chỉnh tự động tần số.................................................................26
Hình 2.5. Đặc tuyến điện áp vào – tần số ra của VCO .............................................27
Hình 2.6. Đặc tuyến tách sóng pha ...........................................................................29
Hình 2.7. Tần số phách .............................................................................................29
Hình 2.8. Dải khóa và dải bắt của PLL .....................................................................30
Hình 2.9. Hình thành điện áp ra của so pha xung .....................................................31
Hình 2.10. Sơ đồ nội suy có vịng PLL .....................................................................31
Hình 2.11. Đặc tuyến của bộ phân biệt .....................................................................32
Hình 2.12. Sơ đồ điều chỉnh điện tử bộ dao động phụ..............................................35

Hình 2.13. Tổ hợp tần số trực tiếp sử dụng nhiều dao động chuẩn ..........................36
Hình 2.14. Tạo mạng tần số rời rạc bằng tổng hợp trực tiếp ....................................37
Hình 2.15. Phương pháp nội suy ...............................................................................38
Hình 2.16. Tạo mạng tần rời rạc bằng phương pháp decade giống nhau .................39

6


Hình 2.17. Sơ đồ lọc bù trừ .......................................................................................40
Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc tạo mạng tần số bằng phương pháp tổng hợp trực tiếp ...42
Hình 2.19. Sơ đồ điều chỉnh tần số theo pha có bộ chia biến đổi. ............................43
Hình 2.20. Sơ đồ THTS vịng khóa pha có bộ chia biến đổi và cố định..................45
Hình 2.21. Sơ đồ tổ hợp tần số có bộ chia biến đổi và biến tần sơ bộ ......................46
Hình 2.22. Bộ chia có điều khiển trước chia biến đổi...............................................47
Hình 2.23. Giản đồ thời gian của bộ chia có điều khiển trước chia biến đổi............48
Hình 2.24. Sơ đồ tổ hợp tần số hai vịng khóa pha ...................................................49
Hình 2.25. Sơ đồ cấu trúc của DDS ..........................................................................51
Hình 2.26. Tổ hợp tần số theo phương pháp DDS điều khiển PLL ..........................52
Hình 2.27. Sơ đồ khối của mơ hình DDS trộn tần lên với PLL ................................54
Hình 2.28. Sơ đồ khối của mơ hình DDS trộn tần lên với PLL vng pha ..............54
Hình 2.29. Sơ đồ khối của mơ hình sử dụng DDS là một bộ chia ............................55
Hình 2.30. Ứng dụng điều chế tần số FM của DDS .................................................57
Hình 2.31. Điều chế pha với DDS ............................................................................58
Hình 2.32. Điều chế biên độ với DDS ......................................................................59
Hình 3.1.Các kênh WLAN 2,4GHz chuẩn 802.11b/g/n. ..........................................62
Hình 3.2. Sơ đồ khối thiết kế bộ tổ hợp tần số ..........................................................63
Hình 3.3. Sơ đồ các khối chức năng IC ADF4360 . .................................................64
Hình 3.4. Mạch lọc thơng thấp ..................................................................................65
Hình 3.5. Sơ đồ mạch mơ phỏng ...............................................................................67
Hình 3.6. Đồ thị sai số tần số tuyệt đối .....................................................................68

Hình 3.7. Đồ thị sai pha đầu ra..................................................................................68
Hình 3.8. Đồ thị nhiễu pha tại tần số 2,35GHz với tốc độ vịng lặp 80KHz ............72
Hình 3.9. Đồ thị tần số với tốc độ vịng lặp 80KHz..................................................72
Hình 3.10. Đồ thị nhiễu pha tại bộ dao động điều khiển điện áp..............................73

7


1. DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Tần số các tuyến tương ứng với các đảo mạch chọn tần số .....................42
Bảng 3.1. Giá trị nhiễu pha (dBc/Hz) với tốc độ vòng lặp 10KHz. ..........................69
Bảng 3.2. Giá trị nhiễu pha (dBc/Hz) với tốc độ vòng lặp 790KHz. ........................70
Bảng 3.3. Giá trị nhiễu pha (dBc/Hz) với tốc độ vòng lặp 80KHz ...........................71

8


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay trước sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật vi
điện tử đã có ứng dụng rất to lớn trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là lĩnh vực viễn
thông. Trong lĩnh vực phát thanh, truyền hình, các máy thu phát vơ tuyến đóng vai
trị vơ cùng quan trọng. u cầu chung đối với các máy thu phát vô tuyến hiện đại
là phải đảm bảo hoạt động một cách ổn định trong dải tần cơng tác. Bộ tổ hợp tần số
đóng vai trị rất quan trọng để tạo dao động chủ sóng trong các máy phát sóng. Để
xây dựng một bộ tổ hợp tần số người ta có thể tiến hành theo nhiều phương pháp,
mỗi phương pháp đều thể hiện những ưu điểm, khuyết điểm riêng của nó và có
phạm vi ứng dụng khác nhau tùy thuộc vào các chỉ tiêu đã được lựa chọn. Cơng
nghệ tổ hợp tần số dùng vịng khóa pha PLL là công nghệ thông dụng và phổ biến
nhất bởi sự đơn giản, hiệu quả và kinh tế của nó.
Với các kiến thức cơ bản tiếp thu được trong q trình học tập và cơng tác,

cùng với sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầy giáo Phạm Thành Công, tôi đã chọn đề tài
"Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ tổ hợp tần số sử dụng vịng khóa pha PLL”.
Tơi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Thành Công, các thầy cô trong Viện
Điện tử Viễn thông và các thầy cơ trong trường ĐHBKHN đã giúp tơi hồn thành
tốt nhiệm vụ luận văn mà nhà trường và Viện đã giao cho.
Tuy nhiên, với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên luận văn khơng tránh
khỏi cịn tồn tại nhiều thiếu sót, vì vậy tơi rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp
của các thầy cơ và các bạn.
Tơi xin chân thành cảm ơn !

9


1. CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT VỊNG KHĨA PHA
1.1.

Tổng quan về vịng khóa pha

Vịng khóa pha ra đời từ những năm 1930, với ứng dụng tạo xung đồng bộ
dòng và đồng bộ mành trong truyền hình. Sau đó, với sự phát triển của mạch tích
hợp, vịng khóa pha đã trở thành 1 hệ thống đa năng và được sử dụng rộng rãi trong
kỹ thuật vơ tuyến điện tử, truyền hình, truyền số liệu, đo lường… cũng như dùng để
tổng hợp tần số, đề điều chế, giải mã.
Vịng khóa pha (Phase Locked Loop-PLL) là hệ thống vịng kín hồi tiếp,
trong đó tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và
pha tín hiệu vào.

1.2.

Sơ đồ khối


Hình 1.1 Sơ đồ khối vịng khóa pha
PLL là 1 hệ thống hồi tiếp gồm có 1 bộ so pha (bộ tách sóng pha), bộ lọc thơng
thấp và bộ khuếch đại một chiều trên đường truyền tín hiệu thuận và bộ tạo dao
động được điều chỉnh bằng điện áp (VCO) trên đường hồi tiếp.
• Tách sóng pha: so sánh pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của VCO
để tạo ra tín hiệu sai lệch 𝑉𝑉𝑑𝑑 (𝑡𝑡).

• Lọc thông thấp: lọc gợn của điện áp 𝑉𝑉𝑑𝑑 (𝑡𝑡) để trở thành điện áp biến

đổi chậm và đưa vào mạch khuếch đại một chiều.

10


• Khuếch đại một chiều: khuếch đại điện áp một chiều 𝑉𝑉𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝑡𝑡). để đưa

vào điều khiển tần số của mạch VCO

• VCO (Voltage Controled Oscillator): bộ dao động mà tần số ra được
điều khiển bằng điện áp đưa vào.

1.3.

Nguyên lý hoạt động

Vịng khố pha hoạt động theo ngun tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào
và ra là tần số và chúng được so sánh với nhau về pha. Vịng điều khiển pha có
nhiệm vụ phát hiện và điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vào và ra.
Nghĩa là PLL làm cho tần số 𝑓𝑓0 của tín hiệu VCO bám theo tần số 𝑓𝑓𝑖𝑖 của tín hiệu


vào.

Khi khơng có tín hiệu 𝑣𝑣𝑖𝑖 ở ngõ vào, điện áp ngõ ra bộ khuếch đại 𝑉𝑉𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝑡𝑡 ) =

0, bộ dao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên 𝑓𝑓𝑁𝑁 được cài đặt bởi điện trở, tụ
điện ngồi. Khi có tín hiệu vào 𝑣𝑣𝑖𝑖 , bộ tách sóng pha so sánh pha và tần số của tín

hiệu vào với tín hiệu ra của VCO. Ngõ ra bộ tách sóng pha là điện áp sai lệch 𝑉𝑉𝑑𝑑 (𝑡𝑡),
chỉ sự sai biệt về pha và tần số của hai tín hiệu. Điện áp sai lệch 𝑉𝑉𝑑𝑑 (𝑡𝑡) được lọc lấy

thành phần biến đổi chậm 𝑉𝑉𝑑𝑑𝑐𝑐 (𝑡𝑡) nhờ bộ lọc thơng thấp LPF, khuếch đại để thành

tín hiệu 𝑉𝑉𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝑡𝑡) đưa đến ngõ vào VCO, để điều khiển tần số VCO bám theo tần số
tín hiệu vào. Đến khi tần số 𝑓𝑓0 của VCO bằng tần số 𝑓𝑓𝑖𝑖 của tín hiệu vào, ta nói bộ

VCO đã bắt kịp tín hiệu vào. Lúc bấy giờ sự sai lệch giữa 2 tín hiệu này chỉ cịn là

sự sai lệch về pha mà thơi. Bộ tách sóng pha sẽ tiếp tục so sánh pha giữa 2 tín hiệu
để điều khiển cho VCO hoạt động sao cho sự sai lệch pha giữa chúng giảm đến giá
trị bé nhất.

Hình 1.2 Dải bắt và dải khóa của PLL

11


Dải bắt 𝐵𝐵𝐶𝐶 (Capture range): ký hiệu 𝐵𝐵𝐶𝐶 = 𝑓𝑓2 - 𝑓𝑓1 , là dải tần số mà tín hiệu vào

thay đổi nhưng PLL vẫn đạt được sự khoá pha, nghĩa là bộ VCO vẫn bắt kịp tần số

tín hiệu vào. Nói cách khác, là dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải lọt vào để
PLL có thể thiết lập chế độ đồng bộ (chế độ khóa).
𝐵𝐵𝐶𝐶 phụ thuộc vào băng thông LPF. Để PLL đạt được sự khóa pha thì độ sai

lệch tần số (𝑓𝑓𝑖𝑖 - 𝑓𝑓𝑁𝑁 ) phải nằm trong băng thơng LPF. Nếu nó nằm ngồi băng thơng

thì PLL sẽ khơng đạt được khóa pha vì biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh.

Hình 1.3 Điện áp sau bộ lọc thông thấp
Giả sử mạch PLL đã đạt được chế độ khoá, VCO đã đồng bộ với tín hiệu
vào. Bây giờ ta thay đổi tần số tín hiệu vào theo hướng lớn hơn tần số VCO thì
VCO sẽ bám theo. Tuy nhiên khi tăng đến một giá trị nào đó thì VCO sẽ khơng bám
theo được nữa và quay về tần số tự nhiên ban đầu của nó. Ta làm tương tự như trên
nhưng thay đổi tần số tín hiệu vào theo hướng nhỏ hơn tần số VCO. Đến một giá trị
nào đó của tần số tín hiệu vào thì VCO sẽ khơng bám theo được nữa và cũng trở về
tần số tự nhiên của nó. Dải giá trị tần số từ thấp nhất đến cao nhất đó của tín hiệu
vào được gọi là dải khố.
Dải khóa 𝐵𝐵𝐿𝐿 (Lock range): ký hiệu 𝐵𝐵𝐿𝐿 = 𝑓𝑓𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 - 𝑓𝑓𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 , là dải tần số mà PLL

đồng nhất được tần số 𝑓𝑓0 với 𝑓𝑓𝑖𝑖 . Các tần số 𝑓𝑓𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 , 𝑓𝑓𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 , tần số cực đại và cực tiểu mà

PLL thực hiện được khóa pha (đồng bộ). Dải khóa phụ thuộc hàm truyền đạt (độ

lợi) của bộ tách sóng pha, khuếch đại, VCO. Nó khơng phụ thuộc vào đáp tuyến bộ
lọc LPF vì khi PLL khóa pha thì 𝑓𝑓𝑖𝑖 − 𝑓𝑓0 = 0.

12


Khi PLL chưa khóa pha: 𝑓𝑓𝑖𝑖 ≠ 𝑓𝑓0 . Khi PLL khóa pha: 𝑓𝑓𝑖𝑖 = 𝑓𝑓0 . ở chế độ khóa


pha, dao động 𝑓𝑓0 của VCO bám đồng bộ theo 𝑓𝑓𝑖𝑖 trong dải tần khóa 𝐵𝐵𝐿𝐿 rộng hơn dải
tần bắt 𝐵𝐵𝐶𝐶 .

1.4.

Các khối cơ bản của PLL

1.4.1. Bộ tách sóng pha (Phase Detector)
Bộ tách sóng pha cịn gọi là bộ so sánh pha. Bộ tách sóng pha có 2 loại:
Bộ tách sóng pha tương tự: là loại có tín hiệu ra tỷ lệ với biên độ tín hiệu
vào.

Hình 1.4 Ngun lý hoạt động của bộ tách sóng pha tương tự
Bộ đổi tần hay mạch nhân thực hiện nhân hai tín hiệu. Đầu ra của nó có điện
áp:
𝑉𝑉𝑑𝑑 (𝑡𝑡) = 𝐴𝐴 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠[(𝜔𝜔𝑖𝑖 − 𝜔𝜔0 )𝑡𝑡 + (𝜃𝜃𝑖𝑖 − 𝜃𝜃0 )] + 𝐴𝐴 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠[(𝜔𝜔𝑖𝑖 + 𝜔𝜔0 )𝑡𝑡 + (𝜃𝜃𝑖𝑖 + 𝜃𝜃0 )]

Qua bộ lọc thơng thấp LPF, chỉ cịn thành phần tần số thấp. Khi khóa pha

(𝜔𝜔𝑖𝑖 = 𝜔𝜔0 ) và có 𝑉𝑉𝑑𝑑 = 𝐴𝐴 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠[(𝜃𝜃𝑖𝑖 − 𝜃𝜃0 )]. Điện áp này tỷ lệ với biên độ điện áp vào

A và độ sai pha 𝜃𝜃𝑒𝑒 = 𝜃𝜃𝑖𝑖 − 𝜃𝜃0 . Nếu 𝜃𝜃𝑒𝑒 nhỏ, hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha coi
như tuyến tính. Dải khóa giới hạn trong |𝜃𝜃𝑒𝑒 | < 𝜋𝜋�2 . Ta có độ lợi tách sóng pha 𝑘𝑘∅
tính được theo công thức: 𝑘𝑘∅ = 𝐴𝐴(𝑉𝑉/𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟).

13


Hình 1.5 Hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha tương tự

 Bộ tách sóng pha số
Bộ tách sóng pha số dùng mạch số EX-OR, R-S Flip Flop … có đáp tuyến so
sánh pha dạng:

Hình 1.6 Hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha số
Đáp tuyến tuyến tính trong khoảng |𝜃𝜃𝑒𝑒 | ≤ 𝜋𝜋�2.
Độ lợi tách sóng pha : 𝑘𝑘∅ = 𝐴𝐴/(𝜋𝜋/2) = 2A/π

14


Hình 1.7 Tách sóng pha số EX-OR và đáp tuyến

Hình 1.8 Tách sóng pha số dùng R-S Flip Flop và đáp tuyến
Điện áp sai lệch biến đổi chậm 𝑉𝑉𝑑𝑑 tại ngõ ra bộ tách sóng pha số tỷ lệ với độ

rộng xung ngõ ra tức là tỷ lệ độ sai lệch về pha 𝜃𝜃𝑒𝑒 (hay tần số tức thời) của hai tín

hiệu vào.

1.4.2. Bộ lọc thơng thấp (Low Pass Filter)
Trong hệ thống PLL bộ lọc thơng thấp có những chức năng sau:
• Cho tín hiệu tần số thấp qua, nén thành phần tần số cao.
• Bảo đảm cho PLL bắt nhanh và bám được tín hiệu khi tần số thay đổi,
nghĩa là tốc độ đáp ứng của nó đủ cao.
• Vì dải bắt của PLL phụ thuộc vào dải thơng của bộ lọc thông thấp 𝜔𝜔𝑐𝑐

nên yêu cầu dải thông của bộ lọc thông thấp phải đủ lớn để đảm bảo
dải bắt cần thiết cho PLL.


Thông thường trong hệ thống PLL người ta dùng các bộ lọc thông thấp bậc
nhất, vì dùng các bộ lọc bậc cao hơn có thể ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ
thống. Dùng bộ lọc tích cực có thể tăng hệ số khuếch đại của cả hệ thống và cho

15


phép có được dải bắt mong muốn hay dải bám tùy ý khi thay đổi dải thông và hệ số
khuếch đại.
Ngõ ra bộ tách sóng pha gồm nhiều thành phần 𝑓𝑓0 , 𝑓𝑓𝑖𝑖 , 𝑓𝑓𝑖𝑖 − 𝑓𝑓0 , 𝑓𝑓𝑖𝑖 + 𝑓𝑓0 ,…

Sau LPF chỉ còn thành phần tần số rất thấp (𝑓𝑓𝑖𝑖 − 𝑓𝑓0 ) đến bộ khuếch đại để

điều khiển tần số VCO bám theo 𝑓𝑓𝑖𝑖 . Sau vài vịng điều khiển hồi tiếp PLL được
đồng bộ (khóa pha) 𝑓𝑓𝑖𝑖 = 𝑓𝑓0 , tần số phách (𝑓𝑓𝑖𝑖 − 𝑓𝑓0 ) =0. Vịng khóa pha hoạt động

chính xác khi tần số vào 𝑓𝑓𝑖𝑖 , 𝑓𝑓0 thấp khoảng vài trăm KHz trở lại.

1.4.3. Khuếch đại một chiều

Khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm DC sau bộ lọc thông thấp LPF. Độ lợi
khuếch đại 𝒌𝒌𝑨𝑨 .

Hình 1.9 Khuếch đại một chiều

1.4.4. Bộ tạo dao động được điều khiển bằng điện áp VCO
Bộ dao động VCO 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 𝑉𝑉𝑑𝑑𝑑𝑑 (t) và tần số

ra 𝑓𝑓0 (t) phải tuyến tính. Ngồi ra mạch cịn có độ ổn định tần số cao, dải biến đổi


của tần sô theo điện áp vào rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh và thuận lợi cho việc tổ
hợp thành vi mạch (khơng có điện cảm).

VCO là một khối quan trọng nhất trong PLL vì nó quyết định độ ổn định tần
số các đặc trưng giải điều chế tín hiệu điều tần (FM). Để đảm bảo có thể làm việc
tốt nhất và làm nhiều chức năng khác nhau, VCO phải thỏa mãn những yêu cầu cơ
bản sau:

16


• Đặc tuyến truyền đạt điện áp – tần số tuyến tính.
• Độ ổn định tần số cao.
• Tạo được dao động tần số cao.
• Hệ số chuyển đổi điện áp – tần số cao.
• Dải bám rộng.
• Điều chỉnh tần số đơn giản
• Khơng có cuộn cảm để dễ thích hợp với sự tổ hợp đơn khối.

1.5.

Ứng dụng của vịng khóa pha PLL

1.5.1. Bộ tổ hợp tần số đơn
Trong các máy phát hoặc các máy thu đổi tần cần có các mạch dao động có
thể thay đổi tần số để phát hoặc thu các kênh khác nhau. Trước đây, người ta thực
hiện thay đổi tần số mạch dao động LC bằng cách thay đổi giá trị của L hoặc C. Lúc
đó chúng được gọi là các mạch dao động có thể thay đổi tần số VFO (VariableFrequency Oscillators). Tuy nhiên, mạch dao động thường khơng có độ ổn định
cao trong một dải tần số rộng do giá trị của L và C thường thay đổi theo nhiệt độ, độ

ẩm và các tác nhân khác. Đồng thời chúng thường cồng kềnh và giá thành cao.
Việc sử dụng thạch anh trong mạch dao động có thể tăng độ ổn định tần số
dao động lên rất cao, độ di tần tương đối có thể giảm đến vài phần triệu trong
khoảng thời gian dài. Tuy nhiên, tần số của chúng chỉ có thể thay đổi rất nhỏ bằng
cách thay đổi các tụ nối tiếp hoặc song song, nghĩa là nó khơng tạo ra được các tần
số khác biệt nhau.
Một giải pháp khác đo là ta kết hợp các mạch dao động thạch anh có tần số
ổn định với các chuyển mạch để tạo ra các tần số khác nhau cho các kênh. Tuy
nhiên, giải pháp này cũng tốn nhiều linh kiện và giá thành cao.
Hiện nay, việc thiết kế và đưa vào sử dụng các bộ tổng hợp tần số dựa trên
nguyên lý vịng khố pha PLL càng ngày càng phổ biến và được dùng trong hầu hết
các máy thu phát hiện đại do tính gọn nhẹ, khơng u cầu độ chính xác cơ khí cao,

17


ứng dụng các thành quả của công nghệ sản xuất vi mạch để nâng cao tốc độ và tính
chính xác của các IC chế tạo nên PLL. Đồng thời khi kết hợp với thạch anh, nó có
khả năng tạo ra dải tần rộng, độ chính xác cao, giá thành thấp…

Hình 1.10. Bộ tổ hợp tần số đơn
Bộ tổ hợp tần số đơn được thiết kế bằng cách đưa tín hiệu chuẩn từ dao động
thạch anh vào so pha một mạch PLL có bộ chia lập trình được. Khi PLL thực hiện
khóa pha thì ta có 𝒇𝒇𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓 =

𝒇𝒇𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽
𝑵𝑵

. Suy ra 𝒇𝒇𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽 = 𝑵𝑵. 𝒇𝒇𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓 = 𝒇𝒇𝟎𝟎 .


Như vậy, khi ta thay đổi N từ bộ chia thì sẽ nhận được các tần số ra khác

nhau. Hệ số N có thể được chọn giá trị khác nhau bằng cách thay đổi điện áp một
vài chân của IC chia. Do đó bộ tổng hợp tần số này có thể được điều khiển dễ dàng
nhờ máy tính hoặc điều khiển từ xa, giảm được giá thành và độ phức tạp so với các
bộ tổng hợp tần số sử dụng L, C trước đây.
Khuyết điểm của mạch này là nó chỉ tạo ra các tần số bằng bội số của tần số
chuẩn 𝒇𝒇𝟎𝟎 = 𝑵𝑵. 𝒇𝒇𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓 . Bước thay đổi tần số tối thiểu gọi là độ phân giải của bộ tổ

hợp tần số.

Để khắc phục, người ta sử dụng một bộ chia cố định để chia nhỏ tần số
chuẩn trước khi đưa vào bộ tách sóng pha như hình sau vẽ.

18


Hình 1.11. Bộ tổ hợp tần số có tần số ra thấp

1.5.2. Giải điều chế FM
Nếu PLL khóa theo tần số tín hiệu vào, điện áp ngõ vào VCO tỷ lệ với độ
dịch tần số VCO kể từ 𝒇𝒇𝑵𝑵 . Nếu tần số vào thay đổi, điện áp điều khiển VCO dịch
tương ứng trong khoảng dải khóa 𝑩𝑩𝑳𝑳 .

Nếu tín hiệu vào là điều tần, điện áp điều khiển VCO chính là điện áp giải

điều chế FM. PLL dùng để tách sóng FM dải hẹp hoặc dải rộng với độ tuyến tính
cao. Giả sử điện áp ra bộ tách sóng pha cực đại là 𝑽𝑽𝒅𝒅 , điện áp ngõ vào VCO là
𝒌𝒌𝑨𝑨 . 𝑽𝑽𝒅𝒅 , độ di tần cực đại: ∆𝝎𝝎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎 = 𝒌𝒌𝟎𝟎 𝒌𝒌𝑨𝑨 𝑽𝑽𝒅𝒅 với 𝒌𝒌𝟎𝟎 là độ lợi VCO.


Dải khóa 𝑩𝑩𝑳𝑳 = 𝟐𝟐∆𝝎𝝎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎 = 𝟐𝟐𝒌𝒌𝟎𝟎 𝒌𝒌𝑨𝑨 𝑽𝑽𝒅𝒅 . Dải khóa hay cịn gọi là dải đồng bộ

phải lớn hơn độ di tần của tín hiệu vào.

Giải điều chế FM dùng PLL thực hiện bằng cách cài đặt tần số dao động tự
do 𝒇𝒇𝑵𝑵 bằng tần số trung tâm tín hiệu FM ngõ vào có biên độ khơng đổi. Trong

nhiều ứng dụng cụ thể, trước tách sóng pha PLL có mạch khuyếch đại – hạn biên
độ.

19


1.5.3. Giải điều chế FSK
FSK-dạng đặc biệt tín hiệu FM, chỉ có hai tần số điều tần. Giải điều chế FSK
liên quan đến tách (giải mã) tín hiệu quay số điện thoại nút nhấn và truyền tín hiệu
số FSK. Ngõ ra của PLL dùng cho giải điều chế FSK là hai mức điện áp.

Hình 1.12 Giải điều chế FSK dùng PLL

20


2. CHƯƠNG 2. BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ
2.1.

Khái quát chung về các bộ tổ hợp tần số

2.1.1. Vị trí và yêu cầu
Bộ tổ hợp tần số (THTS) là một thành phần cơ bản rất quan trọng trong các

thiết bị thu phát vơ tuyến. Nó có nhiệm vụ tạo ra các tần số dùng làm dao động chủ
sóng cho tuyến phát và dao động ngoại sai cho tuyến thu. Trong kỹ thuật
thông tin hiện đại, để thiết bị thu phát vô tuyến có thể thực hiện thơng tin liên lạc tin
cậy, khi bắt đầu liên lạc khơng phải tìm kiếm và trong q trình liên lạc khơng phải
vi chỉnh tần số, thì bộ THTS phải đạt được những yêu cầu sau:
-

Làm việc trong dải tần rộng thảo mãn được các yêu cầu đề ra với số

lượng thạch anh là ít nhất.
-

Bước tần (độ phân giải tần số) nhỏ đáp ứng được các yêu cầu đối với

từng loại thiết bị trong các dải tần khác nhau.
-

Đảm bảo độ ổn định và chính xác tần số cao.

-

Đảm bảo độ sạch dao động (độ tinh khiết phổ), loại bỏ đến mức thấp

nhất các dao động phụ sinh ra trong quá trình biến đổi tần số: phải rất gần với dao
động đơn điều hồ, khơng có các dao động phụ đáng kể, khơng có sự điều biên,
điều tần hay điều pha rõ rệt bởi các tạp âm, bởi tiếng ù xoay chiều ...
-

Thời gian thiết lập tần số nhanh, chính xác.


-

Có khả năng nhớ và điều chỉnh chuyển tần số tự động.

-

Kích thước, trọng lượng nhỏ, khả năng module hoá cao.

-

Giá thành hạ.

Bộ THTS là thiết bị có khả năng tạo ra một số lượng lớn tần số chính xác từ
một tần số chuẩn. Thuật ngữ THTS (frequency synthesizer) được Finden sử
dụng lần đầu tiên năm 1943 cho việc tạo ra các tần số là hài của tần số chuẩn[10].
Các tiến bộ gần đây trong việc thiết kế các mạch tích hợp cho phép phát triển các bộ
THTS rẻ tiền, nhờ đó có thể áp dụng chúng trong hầu hết các máy thu phát thông
tin.

21


Một bộ THTS có thể thay thế cho nhiều mạch cộng hưởng thạch anh đắt tiền
trong một máy thu vô tuyến nhiều kênh. Bộ dao động sử dụng một thạch anh tạo ra
một tần số chuẩn, cịn bộ THTS thì tạo ra các tần số chuẩn khác. Do chúng khá rẻ
và có thể dễ dàng điều khiển bằng các mạch số, nên các bộ THTS được ứng dụng
nhiều trong thiết kế các hệ thống thông tin mới.

2.1.2. Phân loại các phương pháp tổ hợp tần số
Có nhiều cách phân loại tổ hợp tần số dựa theo nhiều tiêu chí khác

nhau, nhưng hiện nay thơng dụng hơn cả có thể phân chia các bộ tổ hợp tần số
thành ba loại sau: THTS trực tiếp, THTS gián tiếp có sử dụng vịng khoá
pha PLL và THTS số trực tiếp (DDS).
Phương pháp lâu đời nhất được mô tả lần đầu tiên bởi Finden, và được gọi là
THTS trực tiếp, bao gồm các bộ trộn, bộ nhân tần, bộ chia tần và các bộ lọc thơng
dải. Sau đó, trong hầu hết các ứng dụng, THTS trực tiếp đã được thay thế bởi THTS
gián tiếp (kết hợp), sử dụng mạch vịng khố pha PLL tương tự hay PLL số.
Phương pháp THTS mới nhất hiện nay - THTS số trực tiếp, sử dụng máy tính số và
một bộ biến đổi số - tương tự (DAC) để tạo ra tín hiệu. Mỗi phương pháp THTS
có ưu nhược điểm riêng, và có thể cần thiết phải kết hợp cả ba phương
pháp trong khi thiết kế bộ THTS. Trong chương này, cả ba phương pháp THTS trên
sẽ lần lượt được giới thiệu.

2.2.

Các mạch cơ sở trong các bộ tổ hợp tần số

2.2.1. Tổ hợp tần số sử dụng các mạch nhân, chia, cộng và trừ


Hai phép tính đầu cho phép từ tần số 𝑓𝑓0 nhận được các tần số

cao hơn 𝐾𝐾1 . 𝑓𝑓0 và thấp hơn 𝑓𝑓0 /𝐾𝐾2 (𝐾𝐾1 , 𝐾𝐾2 là các số nguyên). Thực hiện liên tiếp hai
phép tính này cho phép nhận được các tần số với hệ số phân số

𝐾𝐾1

𝑓𝑓 .
𝐾𝐾2 0


Các tần số

được hình thành như vậy nếu vẫn chưa thoả mãn yêu cầu thì có thể cộng hoặc trừ
liên tiếp. 𝑓𝑓0 sẽ là thừa số chung trong tất cả phép tính được thực hiện. Bởi vậy ta sẽ
biểu diễn các phép tính bằng một toán tử V. Tần số được tổng hợp 𝑓𝑓 = 𝑉𝑉𝑓𝑓0 .
22


Nếu 𝑓𝑓0 có số gia ∆𝑓𝑓0 thì
Và ∆𝑓𝑓= 𝑉𝑉𝑓𝑓0 suy ra


∆𝑓𝑓
𝑓𝑓

=

∆𝑓𝑓0
𝑓𝑓0

𝑓𝑓 + ∆𝑓𝑓0 = 𝑉𝑉𝑓𝑓0 + 𝑉𝑉∆𝑓𝑓0

Phép nhân tần dựa trên cơ sở hình thành các dao động có dạng khơng

sin song lại tuần hồn (có chu kỳ), hay gặp nhất là dãy xung giàu hài bậc cao và
tách lấy hài cần thiết nhờ bộ lọc (cộng hưởng).


Phép chia tần được thực hiện trên cơ sở sử dụng rộng rãi các vi mạch


tích hợp logic. Những bộ chia xây dựng trên IC thường gọi là bộ chia số. Chúng là
thiết bị đếm, tạo nên dãy xung ở lối ra với tần số nhỏ hơn tần số lặp lại của xung
vào một hệ số chia 𝐾𝐾𝐷𝐷 .

Trigơ có lối vào đếm là bộ chia hai đơn giản nhất. Nối nối tiếp n trigơ cho ta

bộ chia với hệ số chia 𝐾𝐾𝐷𝐷 = 2𝑛𝑛 .

Tần số được chia giới hạn 𝑓𝑓𝑇𝑇 = 1/(𝜏𝜏𝑃𝑃 + 𝜏𝜏 𝑇𝑇 ) với 𝜏𝜏𝑃𝑃 là độ rộng xung vào và

𝜏𝜏 𝑇𝑇 là thời gian chuyển trạng thái của trigơ.

Thường cần bộ chia với hệ số chia thoả mãn điều kiện 2𝑛𝑛−1 < 𝐾𝐾𝐷𝐷 < 2𝑛𝑛 .

Muốn vậy cần nối nối tiếp n trigơ và loại bỏ các trạng thái thừa. Điều này đạt được

bằng cách chuyển mạch cưỡng bức một số trigơ hoặc giữ chúng không chuyển
mạch một cách cưỡng bức. Độ thừa trạng thái được loại trừ bằng việc đưa các hồi
tiếp phụ vào dãy trigơ như hình 2.1.

Hình 2.1. Bộ chia có hồi tiếp
Nếu đưa hối tiếp từ hàng n về hàng đầu tiên thì hệ số chia sẽ giảm đi 1 đơn
vị 𝐾𝐾𝐷𝐷(1) = 2𝑛𝑛 − 20 = 2𝑛𝑛 − 1.

23


Nếu đưa hối tiếp từ hàng n về hàng thứ hai thì
𝐾𝐾𝐷𝐷(2) = 2𝑛𝑛 − 21 = 2(2𝑛𝑛−1 − 1).


Hồi tiếp từ hàng thứ n về hàng thứ i (khi i < n) dẫn tới hệ số chia:
𝐾𝐾𝐷𝐷(𝑖𝑖) = 2𝑛𝑛 − 2𝑖𝑖−1 .

Các bộ chia có hệ số chia biến đổi chiếm một vị trí đặc biệt trong tổng hợp
mạng tần số. Giả sử rằng ta có bộ đếm xung gồm một chuỗi các trigơ nối nối tiếp
với dung lượng bằng hệ số chia yêu cầu 𝐾𝐾𝐷𝐷 . Nếu số xung đi vào lối vào của nó (tính

từ thời điểm bật nguồn bộ đếm) bằng dung lượng thì ở lối ra sẽ xuất hiện một xung.
Ta dùng xung này làm xung ra và đồng thời là xung đưa bộ đếm về trạng thái ban
đầu.
Tần số lặp lại của các xung ở lối ra sơ đồ sẽ nhỏ hơn 𝐾𝐾𝐷𝐷 lần so với ở lối vào.

Để thay đổi 𝐾𝐾𝐷𝐷 cần thay đổi dung lượng bộ đếm. Dung lượng bộ đếm phụ thuộc

vào trạng thái ban đầu của mỗi trigơ. Số tổ hợp có thể các trạng thái của trigơ trừ đi
1 sẽ bằng các hệ số chia có thể.
Ví dụ bộ đếm gồm 4 trigơ thì hệ số chia có thể thay đổi từ 1 đến 15 thể hiện
ở hình 2.2.

Hình 2.2. Bộ chia có hệ số chia biến đổi

24