Điều chế và giải điều chế pam/pwm/ppm

BÀI 1 (Thực tập HTVT – 2) COM 208 ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ PAM/PWM/PPM A. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ XUNG (PAM) 1. Lý thuyết: 1.1 Dạng sóng: 1.2 Biểu thức: Tín hiệu tin tức : x(t)= A cos(2πft) Tín hiệu sóng mang y(t)=B Π(t/T) Tín hiệu PAM g(t)= Ax(t) * By(t) ó G(ω)=A X(ω) x BY(ω) 2. Thực tập 2.1 Sơ đồ khối bộ thực tập và chức năng từng khối : Power supply Audio generator Low pass filter Pam modulator Samp clk Power supply : cung cấp nguồn dc cho các khối khác làm việc. Audio generator : Tạo tín hiệu sóng sin có biên độ thay đổi từ 0 đến 5 Vpp, tần số thay đổi từ 300Hz đến 3,4 KHz. Samp clk : Tạo ra xung lấy mẫu có tần số thay đổi từ 2 đến 40 KHz Pam mudolator : Nhận tín hiệu sóng sin và xung lấy mẫu thực hiện điều chế biên độ xung bằng IC 4053. Low pass filter : Giải điều chế PAM bằng cách lọc bỏ tần số cao (>3,4KHz) thông qua IC 741. 2.2 Nguyên lý hoạt động của từng khối: 2.2.1 Khối tạo tín hiệu tin tức: IC 8038 làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu sóng sin ở chân số 2 để đưa vào chân số 3 của con IC 358 làm nhiệm vụ khếch đại với hệ số khếch đại lớn nhất là 19 lần. 2.2.2 Khối tạo xung mẫu: Mạch tạo xung mẫu hoạt động dựa trên bộ VCO của IC 4046. Tần số của xung được xác định bằng cách điều chỉnh mức áp của bộ VCO ở chân số 9 cuat IC 4046. Tần số của xung được thay đổi từ 2 đến 40kz. Mạch này cũng tạo ra tín hiệu xung răng cưa nhờ mạch tích phân do IC 356 tạo ra. 2.2.3 Khối điều chế PAM: IC 4053 làm nhiệm vụ điều chế PAM nhận tín hiệu tin tức vào chân số 14 và xung mẫu vào chân 10 cho ra tín hiệu PAM chân 13, ở chân 13 có switch chọn lựa tín hiệu PAM. Nếu switch ở vị trí R thì tín hiệu PAM đỉnh phẳng, nếu ở vị trí tụ C thì tín hiệu ra đỉnh không phẳng do quá trình nạp xả của tụ. 2.2.4 Khối lọc thông thấp Nhờ hai mạch lọc thông thấp ở ngõ vào của hai opamp, nó chỉ cho qua tần số thấp hơn 3,4khz và làm loại bỏ tất cả tần số khác. Vì thế nó loại bỏ nhiễu lượng tử tần số cao của tính hiệu PAM. Bộ phận này dựa trên hai IC 741 và mạch R-C. Bằng việc loại bỏ tần số cao chúng ta tái tạo lại được tín hiệu điều chế gốc. Kết quả thực tập 2.3.1 Tín hiệu điều chế hình sin f= 1kz, vpp = 2v, chọn núm xoay vol/div : 0.5V, time/div : 0.2ms 2.3.2 Tín hiều xung clock f= 20kz, vpp= 5v 2.3.3 Tín hiệu PAM 2.3.4 Tín hiệu giải điều chế PAM B. ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG (PWM) 1. Lý thuyết 1.1 Nguyên lý điều chế Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (Pulse Width modulation) là kỹ thuật điều chỉnh các mức điện áp bằng cách thay đổi độ rộng của các xung và không thay đổi chiều cao của xung, tức là không thay đổi điện áp đỉnh của xung (Vpp). Điều chế độ rộng xung sử dụng các sóng xung vuông có độ rộng xung được điều chế và kết quả là sự thay đổi của giá trị trung bình của dạng sóng. Nếu chúng ta xem xét một dạng sóng xung f (t) với một giá trị thấp ymin, giá trị một cao ymax và một hệ số công tác D (hình 1), giá trị trung bình của dạng sóng : Với f(t) là xung vuông, giả sử xung vuông có giá trị ymax trong khoảng thời gian 0 < t < D.T, xung vuông có giá trị ymin trong khoảng thời gian T.D < t < T thì công thức trên trở thành : Nếu ymin=0 thì : Vậy có thể thấy giá trị trung bình của tín hiệu phụ thuộc trực tiếp vào hệ số công tác D. Khi đó việc thay đổi hệ số công tác hay nói cách khác thay đổi độ rộng của xung thì giá trị trung bình của xung sẽ thay đổi. Như vậy ta có thể sử dụng tính chất này để thể hiện các mức điện áp khác nhau của tín hiệu trong việc lấy mẫu tín hiệu. 1.2 Các phương pháp điều chế độ rộng xung Phương pháp giao nhau (intersective) Phương pháp delta Phương pháp delta-sigma Phương pháp Space vector 1.3 Phương pháp sử dụng trong bộ thí nghiệm Trong bộ thí nghiệm sử dụng phương pháp đơn giản nhất trong điều chế PWM là phương pháp giao nhau (intersective method) Nguyên lý : Dùng xung răng cưa đưa vào một ngõ vào của bộ so sánh làm tín hiệu tham chiếu, ngõ còn lại là tín hiệu điều chế. Khi giá trị của tín hiệu điều chế (Trong trường hợp này là tín hiệu dạng sin có màu xanh lá) lớn hơn giá trị của tín hiệu tham chiếu (Màu xanh dương) thì tín hiệu PWM (Màu hồng) ở trạng thái cao (ymax), ngược lại thì tín hiệu này ở trạng thái thấp (ymin) Hình 2 : Nguyên lý điều chế PWM dùng phương pháp giao nhau 2. Thực tập 2.1 Sơ đồ khối bộ thực tập và chức năng từng khối Power supply Audio Generator Low pass filter PWM Modulatorr Saw Tooth Pulse Comparator Audio generator : Tạo tín hiệu điều chế dạng sin cung cấp cho bộ điều chế PWM Saw Tooth Pulse : Xung tín hiệu răng cưa cung cấp cho bộ điều chế PWM làm tín hiệu tham chiếu. PWM Modulator : Tạo ra tín hiệu PWM có V+=15V, V-=-15V Comparator : để giải điều chế tín hiệu PWM Low Pass Filter : Lấy lại tín hiệu tin tức dạng Sin ban đầu bằng cách loại bỏ thành phần tần số cao. 2.2 Nguyên lý hoạt động của khối 2.2.1 Khối điều chế PWM Mạch so sánh được dùng để tạo ra tín hiệu PWM. ở đây IC LM311 được sử dụng như mạch so sánh. Tín hiệu điều chế được đưa vào một ngõ vào của bộ so sánh.Tín hiệu xung mẫu răng cưa đưa đến ngõ vào thứ hai của bộ so sánh. Ngõ ra của bộ so sánh là tín hiệu PWM. 2.2.2 Khối xung răng cưa Xung vuông được tạo ra từ IC 4046 (VCO) được đưa qua mạch tích phân sử dụng IC 356 để tạo thành xung răng cưa. 2.2.3 Khối so sánh Tín hiệu PAM được đưa từ 1 đầu vào của bộ so sánh. Tín hiệu chuẩn 1 volt DC được đưa vào từ ngõ thứ 2 của bộ so sánh. Nó được sinh ra từ IC 741 bằng điện trở 4,7K. Khi đó, tín hiệu ra của bộ so sánh là tín hiệu giải điều chế độ rộng xung. 2.3 Kết quả thí nghiệm 2.3.1 Tín hiệu điều chế hình sin Volt/div : 0.5V, time/div : 0.5ms 2.3.2 Ttín hiệu xung răng cưa 2.3.3 Tín hiệu điều chế PWM 2.3.4 Tín hiệu giải điều chế PWM C. ĐIỀU CHẾ VỊ TRÍ XUNG (PPM) 1. Lý thuyết 2. Thực tập 2.1 Sơ đồ khối bộ thực tập và chức năng từng khối : Power Low pass Saw tooth pluse FREQ.DRIVER Audio PPM modulator Power supply : cung cấp nguồn dc cho các khối khác làm việc. Audio generator : Tạo tín hiệu sóng sin có biên độ thay đổi từ 0 đến 5 Vpp, tần số thay đổi từ 300Hz đến 3,4 KHz. Saw tooth pluse : Tạo ra tín hiệu răng cưa. PPM mudolator :khối điều chế PPM Freq.driver: bộ so sánh. Low pass fiter : bộ lọc thông thấp. 2.2 Sơ đồ các khôi và nguyên lý hoạt động Khối điều chê PPM Tín hiệu audio được đưa qua bộ so sánh với chuỗi xung răng cưa tạo ra tín hiệu ký hiệu là Q0 (thực chất là tín hiệu PWM). Q0 đưa qua flip-flop D để chia đôi tần số (Để ngõ ra có tần số khác với tín hiệu Q0) sau đó ta đưa vào bộ tạo xung đơn ổn tạo ra một chuỗi xung có gồm các xung có độ rộng như nhau như có vị trị không tuần hoàn Q1 (Do tín hiệu kích là chuỗi xung có dạng là PWM). Sau đó lấy tín hiệu Q0 đưa vào chân điều khiển của bộ ghép kênh cón tín hiệu Q1 được đưa vào kênh Y1. Tín hiệu ngõ ra tại chân 15 của IC là tín hiệu PPM. Khối giải điều chế PPM Bộ phận này dựa trên bộ so sánh, bộ chia và lọc thông thấp. Tín hiệu PPM được đưa đến ngõ vào của bộ so sánh. Tín hiệu điện áp chuẩn 1 volt DC được đưa đến ngõ thứ hai của bộ so sánh. Tín hiệu điện áp chuẩn 1 volt được tạo ra bởi IC 741 và điện trở 4,7K. bộ so sánh tín hiệu xung răng cưa ở ngõ ra. Tần số của tín hiệu này được chia bởi hai IC 4013. Sau đó, tín hiệu ở ngõ ra được đưa đến mạch lọc thông thấp bởi hai IC 741. Mạch lọc thông thấp chỉ cho tín hiệu có tần số nhỏ hơn 3,4kz qua và làm giảm tất cả các tần số khác. Do đó loại bỏ tần số cao nhiễu lượng tử của tín hiệu PPM. Việc loại bỏ tần số cao giúp chúng ta phục hồi tín hiệu ban đầu điều chế. 2.3 Kết quả thí nghiệm 2.3.1 Tín hiệu điều chế dạng sin : f = 1kz; vpp = 1 v Chọn núm xoay volt/div là 0.5V, time/div là 0.5ms 2.3.2 Tín hiệu điều chế PPM 2.3.3 Tín hiệu giải điều chế PPM