วิชา     ระบบสื่อสารแอนะลอก                                                  

หน่วย      3     ชื่อหน่วย    การมอดูเลตความถี่                                       จำนวน    9    คาบ

ใบงาน    4      ชื่องาน      การดีมอดูเลตแบบ FM                                  จำนวน    3    คาบ

 

 

จุดประสงค์ทั่วไป

          เพื่อให้เข้าใจการทำงานการมอดูเลตความถี่

จุดประสงค์เชิงพฤติกรรม

1.    อธิบายการทำงานของ  Faster – Seely FM detector ได้

2.    อธิบายการทำงานของ Ratio FM detector ได้

3.    อธิบายการทำงานของ Quadrature FM detector ได้

4.     วัด Characteristic   curve    ของ  detector ได้

เนื้อหา

 

เพื่อจะ ดีมอดูเลตสัญญาณ ที่ถูกมอดูเลตด้วยความถี่ วงจรมีความสำคัญซึ่งเป็นตัวให้ผลตอบด้วยค่าแรงดันที่เป็นสัดส่วนกับการเบี่ยงเบนของความถี่ของสัญญาณเข้าที่ถูกมอดูเลต คุณสมบัติอุดมคติของเครื่องดีมอดูเลเตอร์ เป็นเส้นตรง ถ้ามันเป็นการเพียงพอเพื่อจะได้ลักษณะเช่นดังรูป 4.1 ซึ่งแสดงลักษณะเส้นตรงสำหรับช่วงความถี่ที่แน่นอนเท่านั้น(ช่วงการทำงานของดีมอดูเลเตอร์)ในรูปจะแสดง

a)    ค่าความถี่ที่ขณะใดขณะหนึ่งของ f ของสัญญาณที่ถูกมอดูเลต แกว่งอยู่ระหว่าง F1 และ F2(Fc เป็นความถี่ของความถี่พาหะ)

b)    กราฟแสดงลักษณะ ค่าแรงดัน/ความถี่ ของเครื่องดีมอดูเลเตอร์

c)   
สัญญาณที่รับได้

 

รูป 4.1

-115-

4.2.2 Sensitivity และ ความไม่เป็นเชิงเส้นของเครื่องดีมอดูเลเตอร์

          Sensitivity และ ความไม่เป็นเชิงเส้น เป็นพารามิเตอร์ ของเครื่องมอดูเลเตอร์ทางความถี่ พารามิเตอร์ทั้งสองนี้สามารถถูกตรวจจับได้โดย  กราฟแสดงลักษณะของเครื่องดีมอดูเลเตอร์ดังแสดงในรูป 4.2 Sensitivity S ถูกนิยามโดย

 

ซึ่ง V(f) เป็นค่าแรงดันผลตอบขณะใดขณะหนึ่ง ฟังก์ชันของค่าความถี่ขาเข้า f ถ้า Sc และ S1  เป็น Senditivity ที่คำนวณได้ตามลำดับ จากความถี่กลางและค่าที่จุด 1 ความไม่เป็นเชิงเส้น N.L. ที่จุด 1: ถูกนิยามโดย

                             N.L. =(Sc-S1)Sc/100

รูปที่ 4.2

 

 

4.2.3 วงจรดีมอดูเลเตอร์ทางความถี่

          สำหรับการตรวจวัดค่าสัญญาณที่ถูกมอดูเลตทางความถี่ วงจรที่แตกต่างออกไปจะถูกนำมาใช้ บางวงจรก็เลิกใช้ไปแล้ว แต่บางวงจรก็ยังคงใช้อยู่ในปัจจุบัน วงจรที่เลิกใช้ไปแล้ว ได้แก่

 

 

 

-116-

·       Travis Discriminator: อาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงทางขนาด,เป็นฟังก์ชั่นของ ความถี่,วงจรเรโซแนนซ์ได้ถูกนำมาใช้ การเปลี่ยนแปลงแอมปลิจูด ถูกวัดได้โดย ไดโอด

·       Foster-Seely Discriminator: อาศัยหลักของ การเปลี่ยนแปลงทางเฟส เป็นฟังก์ชั่นของความถี่ ใช้วงจรเรโซแนนซ์ สัญญาณมอดูเลตแรกเริ่ม และสัญญาณที่ถูกเลื่อนไปจะถูกใส่อย่างเหมาะสม และสัญญาณผลลัพธ์จะถูกวัดโดยไดโอด

สำหรับวิธีมอดูเลเตอร์ที่ยังใช้มาจนถึงปัจจุบัน ได้แก่

·       Ratio discriminator: มีลักษณะที่คล้ายคลึงกับ  Foster-Seely แต่ต่างตรงที่จะไม่ถูกกระทบโดย ค่าแอมปลิจูดของสัญญาณที่ถูกมอดูเลต

·       Quadrature Detector: ถูกใช้ในวงจรผสม(IC) สัญญาณ  FM และสัญญาณที่ถูกเลื่อนไป 90 องศาจะถูกคูณเข้าด้วยกัน สัญญาณผลตอบจะเป็นสัดส่วนกับความถี่ที่เบี่ยงเบนไปของ สัญญาณ FM ขาเข้า

·       PLL Detector: มันได้นำไปสู่การใช้งาน Phase Locked Loop จากการใช้วงจรด้งกล่าวนำไปสู่ Sensitivity ต่อสัญญาณรบกวนที่น้อยลง

 

4.2.4 แอมปลิจูดลิมิตเตอร์

          เครื่องดีมอดูเลเตอร์ทางความถี่โดยทั่วไปจะ ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของขนาดแอมลิจูด ของสัญญาณ FM ขาเข้า เอาท์พุทผลตอบของเครื่องดีมอดูเลเตอร์ ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงทางความถี่ของสัญญาณอินพุท นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงทางแอมปลิจูดที่เกิดขึ้น(เช่นเกิดจากสัญญาณรบกวนหรือจากการรบกวนอื่น ๆ) เพื่อที่จะลดอุปสรรคเหล่านี้ วงจรลิมิเตอร์ถูกนำมาต่อไว้หน้ามัน เพื่อจะลดค่าการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ต้องการ กราฟแสดงลักษณะของเครื่องลิมิเตอร์ในอุดมคติ และลิมิเตอร์จริง ๆ ถูกแสดงในรูป 4.3 ในกรณีแรกขนาดแอมปลิจูดของเอาท์พุทจะคงที่ไม่ว่าสัญญาณแอมปลิจุดขาเข้าจะเป็นเช่นไร ในกรณีที่สองขนาดของเอาท์พุทลัพธ์จะคงที่เพียงช่วงที่สัญญาณขาเข้าเกินค่าค่าหนึ่งไปเท่านั้น

 

รูปที่ 4.3 ลักษณะเฉพาะของลิมิเตอร์ a)อุดมคติb) ในความเป็นจริง

 

 

-117-

 

4.2.5 Foster-Seely Discriminator

 

          รูปที่ 4.4 จะแสดงวงจรทั่วไปของ Foster-seely discriminator. สัญญาณ FM จะถูกคัปเปิลไปยังวงจร

เรโซแนนซ์ L2-C2 และปรับไปยังค่าความถี่กลางของสัญญาณที่ถูกมอดูเลต สัญญาณเดียวกันนี้จะถูกป้อนไปที่ C1 ไปยัง Socket หลักของ  L2 ไดโอด D1 และ D2 และวงจรกรองผ่านต่ำ C-R สร้าง Envelope detectors 2 ชุด Fo เป็นค่าความถี่ที่ วงจร L2- C2 ถูกปรับไว้ หน้าที่ของวงจรถูกวิเคราะห์ใน 3 สถานการณ์

1)   ค่าความถี่ f ขณะใดขณะหนึ่ง ของ สัญญาณ FM ขาเข้าเท่ากับ Fo

2)   ค่าความถี่ขาเข้าขณะใดขณะหนึ่ง ที่สูงกว่า Fo

3)   ค่าความถี่ขาเข้าขณะใดขณะหนึ่งที่ ต่ำกว่า Fo

                   *f= Fo

          ขดลวด 2 ชุด ทางด้านทุติยภูมิของ L2 เราใส่ค่าแรงดันสองค่า (รูปที่ 4.5a ) ค่าหนึ่งคือค่าที่ถูกเหนี่ยวนำโดย L1 โดย สัญญาณ ขาเข้า Vfin อีกค่าหนึ่งคือ สัญญาณขาเข้าถูกคัปเปิ้ลโดยตรงผ่าน C1 ที่ความถี่เรโซแนนซ์ ค่าแรงดันเหนี่ยวนำ V_ind จะถูกเลื่อนไป 90 องศา ตามค่า Vfm ค่าแรงดันที่ถูกคัปเปิ้ลโดยตรงผ่าน C1 สามารถพิจารณาได้ ถ้ารีแอกแตนซ์ ของ C1 มีค่าน้อยที่ความถี่ของสัญญาณ ซึ่งเฟสเดียวกับ Vfm ขาเข้า

 

          ค่าแรงดันที่มาถึง D1และ C2 เป็นผลรวมทางเวคเตอร์ ของ Vfm และ

และมีค่าแอมปลิจุดค่าเดียวกันแต่เครื่องหมายตรงกันข้าม เอาท์พุท V_o ซึ่งเป็นผลรวมของ 2 สัญญาณ ที่ดีเทคได้ ในกรณีนี้จะมีค่าเป็นศูนย์

 

                   *f>Fo

          เมื่อค่าความถี่ขณะใดขณะหนึ่งของสัญญาณ FM ขาเข้าสูงกว่า Fo วงจรเรโซแนนซ์ L2-C2 มีพฤติกรรมเหนี่ยวนำ และ จะได้เวกเตอร์ไดอะแกรม ดังรูปที่ 4.5b ค่าแรงดันของไดโอดมีขนาดแอมปลิจูดที่ต่างกัน และ ผลลัพธ์ที่ได้จะมีค่าเป็นบวก

 

                   *f<Fo

          เมื่อความถี่ขณะใดขณะหนึ่ง ของสัญญาณ FM ขาเข้าน้อยกว่า Fo วงจรเรโซแนนซ์ L2- C2 มี capacity Behavior และ เวกเตอร์ไดอะแกรม ดังรูปที่ 4.5c ค่าแรงดันที่ไดโอดมีขนาดที่แตกต่าง แต่แรงดันผลลัพธ์จะเป็นค่าลบ จุดด้อยหลักของ Foster-Seely Demodulator คือ มันจะตรวจการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณขาเข้า ขณะที่ ค่าแรงดัน V_D1 และ V_D2 ที่ไดโอดขึ้นอยู่กับขนาดของสัญญาณขาเข้าด้วย จุดนี้จะถูกแก้ไขใน Ratio demodulator

 

 

-118-

รูป 4.4 Foster-Seely Discriminator

 

                   a)                                   b)                         c)

 

รูปที่ 4.5 Phase diagram

รูปที่ 4.6 Ratio discriminator

 

-119-

4.2.6 Ratio Discriminator

          รูปที่ 4.6 แสดงไดอะแกรมของวงจร ทั่วไป ของ ratio discriminator

          การทำงานของวงจร เมื่อคำนึงถึงค่าคัปปลิ้งของ สัญญาณ FM ไปยังวงจร Detector ทั้งสอง และ เวกเตอร์ ไดอะแกรม เหมือนกับที่ได้จาก Foster-Seely-Discriminator

 

 

Capacitor C5 ซึ่งมีค่าที่สูงกว่า มีจุดประสงค์เพื่อลดการเปลี่ยนแปลงของ V_ab เนื่องจากค่าแรงดันต่าง ๆ ของสัญญาณขาเข้า ในลักษณะนี้ค่าแรงดันเอาท์พุท V_O จะไม่ถูกกระทบโดยค่าแอมปลิจูดที่ไม่ต้องการ เราสามารถเขียนได้ดังนี้

 

                   V_O =(V_ae +V_eb)/2 – V_eb = ( V_ae –V_eb)/2 =

(V_ab+V_eb)/2 *(V_ae/V_eb)-1/ (V_ae/V_eb)+1 = V_ab/2*(V_ae/V_eb)-1/(V_ae/V_eb)+1

เมื่อ V_aeb คงที่ เอาท์พุท V_O ขึ้นอยู่กับ อัตราส่วนของ V_ad/V_eb เท่านั้น ซึ่งแปรตามค่าต่าง ๆ ของ สัญญาณความถี่ขาเข้า และไม่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางขนาด

4.2.7 Quadrature Detector

          รูปที่ 4.7 แสดง Functional diagram ของ Quadrature Detector เครื่อง Detector จะคูณระหว่าง สัญญาณ FM โดยตรง และ สัญญาณที่ถูกเลื่อนไป โดยวงจรเรโซแนนซ์ LC ที่ความถี่เรโซแนนซ์ สอดคล้องกับค่าความถี่กลางของ สัญญาณ FM และการเลื่อนไป 90 องศา ที่ค่าต่างๆ ของ สัญญาณขาเข้าการเลื่อนไปที่เกิดจาก วงจร LC จะแปรไปผลคูณ ของสัญญาณ FM และ ค่าสัญญาณ FM ที่เลื่อนไป สร้างองค์ประกอบหลายส่วน ท่ามกลางความถี่ที่ต่ำ ซึ่งเป็นอัตราส่วนกับข้อมูล สัญญาณนี้ถูกแยกโดย วงจรกรองผ่านความถี่ต่ำ

 

รูปที่ 4.7

 

 

 

-120-

เครื่องมือและอุปกรณ์

          1.  แผงทดลอง T10A,T10D                            1       ชุด

          2.  แหล่งจ่ายไฟ ±  12 Vdc                     1       ชุด

          3.   ออสซิลโลสโคป                                 1       เครื่อง

          4.    สายต่อวงจร                                               30     เส้น

ลำดับการทดลอง

ตัวอย่างการทดลองที่ 1: Foster-Seely Demodulator

การปรับ Calibration ของ Demodulator

1.    ต่อวงจรของ ชุดทดลอง T10A และ T10D ดังแสดงในรูปที่ 4.8 จ่ายไฟฟ้า ให้กับชุดทดลองด้วย ±12V และทำการตั้งค่าต่อไปนี้

·       VCO1: ปรับระดับประมาณ 1 Vpp;500 kHz

·       ตั้งการมอดูเลตทางความถี่ แบบ Foster-Selly(Jumper อยู่ที่ตำแหน่ง FS)

2.    ต่อเครื่องวัดความถี่ไปที่อินพุตของเครื่องดีมอดูเลตเตอร์(จุดที่ 16)

3.    ต่อโวลท์มิเตอร์(หรือ DC ออสซิโลสโคป)ที่เอาท์พุตของเครื่องดีมอดูเลเตอร์(ระหว่างจุด 20 และ กราวนด์)

4.    ตั้งค่าความถี่ขาเข้าไปที่ 450 kHz และตรวจดูว่าค่าแรงดันเอาท์พุทเป็นศูนย์ ในทางกลับกันปรับค่าความถี่กลางของ discriminator(ปรับค่าตัวเก็บประจุที่ด้านหลังของ อุปกรณ์)

 

รูปที่ 4.8

 

 

 

-121-

การพล็อตแบบ จุดที่ –by- จุดที่ ของกราฟแสดงลักษณะของดีมอดูเลเตอร์

 

ลักษณะกราฟของดีมอดูเลตอร์ ได้จากค่าแรงดันเอาท์พุทของดีมอดูเลเตอร์ ซึ่งเป็นฟังก์ชั่นของความถี่อินพุทขณะใดขณะหนึ่ง (รูปที่ 4.2) มันเป็นไปได้ที่จะพล็อตกราฟดังรูป 4.2 จุดต่อจุดแปรตามความถี่ขาเข้ายัง Discriminator และ วัดค่าแรงดันขาออก

 

5.    เปลี่ยนค่าแรงดันขาเข้าจาก 400 Hz ไปยัง 500 kHz โดยทำขั้นละ 5 kHz และบันทึกค่าแรงดัน และแรงดันทางด้าน ขาออกในตาราง ค่าแรงดันขาออกจะต้องแปรอยู่ในช่วง –200 mV ถึง +200 mV

6.    เติมกราฟด้วยค่าที่วัดได้ คุณจะได้กราฟที่มีลักษณะดังรูปที่ 4.2

ความไวของการดีมอดูเลตและความไม่เป็นเชิงเส้น

7.    จากการวิเคราะห์ของกราฟ จะสังเกตบางส่วนจะมีลักษณะเป็นเส้นตรง ขณะที่ถ้าดูทั้งกราฟจะมีความไม่เป็นเชิงเส้นสูง

8.    พิจารณาว่าคุณใช้งานมอดูเลเตอร์ในช่วงที่อยู่ระหว่าง 445 และ 445 kHz ซึ่งความถี่กลางเป็น 450 kHz จากคำนิยาม 4.2.2 และการวิเคราะห์ของกราฟ มันเป็นไปได้ที่จะคำนวณค่า Demodulation sensitivity S และ ค่าความไม่เป็นเชิงเส้นของดีมอดูเลเตอร์ จะพบว่า ค่า S จะมีค่าประมาณ 100 mV/10 kHz

กราฟแสดงลักษณะของดีมอดูเลเตอร์ ตรวจได้จาก Wobulated generator

9.    ต่อวงจรระหว่าง T10A และ T10C ดังแสดงในรูปที่ 4.10 ใส่ Power ด้วย ±12V และตั้งค่าดังต่อไปนี้

 

·        VCO1: ปรับไปที่ 500 kHz;ปรับแรงดันที่ 1 vpp;ความถี่ประมาณ 450 kHz

·       SWEEP:Depth เกือบน้อยที่สุด

·       การมอดูเลตในโหมดของ Foster-Seely(Jumper อยู่ที่ตำแหน่ง FS)

·       ออสซิโลสโคปอยู่ที่ X-Y Mode (X-Axis ที่ 2Vdiv;Y-Axis ที่ 200mV/div)

 

10.           ต่อ แกน X-Axis ของ ออสซิโลสโคป ไปที่จุด X-Axis ของ Sweep Generator ต่อ Y-AXIS ของ ออสซิโลสโคป ไปยังขาออก ของเครื่องดีมอดูเลเตอร์

11.           ปรับค่าความถี่กลางของ VCO1 และค่าแอมปลิจูดของ Sweep(Depth) เพื่อให้ได้กราฟลักษณะของ เครื่องมอดูเลเตอร์ (รูป 4.9)

 

 

 

 

 

-122-

 

รูปที่ 4.9

 

 

 

 

รูปที่ 4.10

 

 

 

-123-

รูปที่ 4.11

 

12.           ต่อวงจรระหว่างชุดทดลอง T10A และ  T10D ดังแสดงในรูปที่ 4.11 พร้อมทั้งจ่ายไฟ ±12 V และตั้งค่าดังนี้

·       VCO1: ปรับที่ 500 kHz,ระดับ 1 Vpp;ความถี่ประมาณ 450 kHz

·       มอดูเลเตอร์ในโหมด Foster-Seely Mode (Jumperในตำแหน่ง FS)

·       Function Generator: คลื่นรูป sine(J1);ระดับประมาณ 100mVpp;ความถี่ที่ประมาณ 500 kHz

13.           ต่อ ออสซิโลสโคป คร่อมที่จุด 16 ของ T10A(สัญญาณมอดูเลต และ T10D(สัญญาณที่ตรวจรับได้)

14.           ถ้าความถี่กลางของ Discriminator และ ความถี่พาหะของ สัญญาณ FM และ เช็คว่าแอมปลิจูดของสัญญาณที่ได้แปรตามด้วย

15.           เพิ่มค่าของความถี่พาหะและ บันทึกว่าค่าแรงดันค่าบวกถูกเพิ่มเพื่อตรวจสัญญาณ เพิ่มค่าความถี่ ค่าสัญญาณที่วัดได้จะแสดงการเบี่ยงเบนคล้ายคลึงกับรูป 4.13a(ในขณะนี้ คุณใช้งานในย่านไม่เป็นเชิงเส้นของ discriminator)

16.           ลดความถี่พาหะ และ บันทึกลักษณะสมมาตรในทำนองกับกรณีที่แล้ว รูป 4.13b

17.           ปรับค่าความถี่กลับไปที่ค่าที่เหมาะสม(450 kHz). เพิ่มขนาดของสัญญาณมอดูเลต(ระดับของ Function generator) เพื่อจะสร้าง สัญญาณ FM ซึ่งมี Frequency deviation เกิน ช่วงที่เป็นเชิงเส้นของ Discriminator คุณจะได้สัญญาณที่ผิดรูปไปมาก ดังรูปที่ 4.13c

 

 

 

-124-

 

 

รูปที่ 4.12

รูปที่ 4.13

 

 

 

-125-

5.3.2 แบบฝึกหัดที่ 2 : Ratio Demodulator

          ทำการทดลองซ้ำดังบทที่ 4.3.1 ตั้งดีมอดูเลเตอร์ใน Raio mode(Jumper ในตำแหน่ง R) วัดค่าสัญญาณระหว่าง จุด 21 กับ กราวนด์

18.           เมื่อ Wave form ของ สัญญาณที่วัดได้ถูกวิเคราะห์ จะสามารถเช็คการทำงานของ ตัวเก็บ

          ประจุ Electrolithic capacitor(C5 ในรูป 4.6) โดยวิธีต่อไปนี้

·       ตัดตัวเก็บประจุออกจากวงจร(โดย นำ Jumper ออก) เปลี่ยนค่าแอมปลิจูดของ สัญญาณ FM และเช็คว่าขนาดของแอมปลิจูดของสัญญาณที่วัดได้เปลี่ยนแปลงตามด้วย

·       ต่อ ตัวเก็บประจุและเช็คว่า การเปลี่ยนแปลงของขนาดแอมปลิจูดของสัญญาณที่วัดได้ลดลงไปมาก

5.3.3 แบบฝึกหัดที่ 3:Quadrature Detector

19.           ต่อชุดทดลองรุ่น T10Aและ T10D ดังแสดงในรูป4.14

ตั้งค่า VCO1 ดังนี้: ปรับระดับ ประมาณ 0.5 Vpp;

ปรับสวิทซ์ไปที่ ความถี่ 500 kHz;ความถี่ประมาณ 450 kHz

20.           ต่อออสซิโลสโคป (Probe10:1)เข้ากับอินพุทของ Detector(จุด 11 และ12)เช็คว่าสัญญาณทั้งสองถูกเลื่อนไป 90 องศา ถ้าไม่เป็นเช่นนั้นปรับ ค่าความถี่กลางของวงจรเลื่อน(ปรับค่าตัวเหนี่ยวนำที่เปลี่ยนค่าได้ที่หลังชุดทดลอง)

21.           ทำการทดลองซ้ำดังแสดงในหัวข้อที่ 4.3.1

 

5.3.4 แบบฝึกหัดที่ 4 วงจรลิมิเตอร์

22.           ต่อเอาท์พุทของ VCO1(จุดที่ 19 ของ 10A) เข้ากับอินพุทของ ลิมิตเตอร์ (จุดที่ 5 ของ  T10D) ตั้งค่า VCO1 ดังต่อไปนี้ : ปรับค่าความถี่ไปที่ 500 kHz; ความถี่ ประมาณ 450 kHz

-126-

23.           ต่อออสซิโลสโคป เข้ากับอินพุทและเอาท์พุทของลิมิเตอร์(จุดที่ 5 และระหว่าง 6 และ 7) ค่อย ๆ เพิ่มแอมปลิจูดของสัญญาณอินพุท เช็คว่าแอมปลิจูดของสัญญาณเอาท์พุทเพิ่มขึ้นตอนแรก(จนกระทั่งระดับของอินพุทประมาณ 200 mV p-p) และหลังจากนั้นจะคงที่ที่ค่าประมาณ 1.5 Vp-p

24.           พล็อตกราฟ แสดงคุณลักษณะ ของลิมิเตอร์(ดูรูป 4.2.5)

25.          
ต่อลิมิเตอร์ที่ต่ออยู่ก่อน Ratio discriminator หรือ Foster Seely discriminator (รูปที่ 4.15 ตัวอย่างจาก Foster-Seely discriminator) เปลี่ยนค่าแอมปลิจูดของสัญญาณ FM และเช็คว่า แอมปลิจูดมีค่าสูงขึ้นไปจนถึง 200 mVpp, สัญญาณที่ดีเทค(detected) ได้จึงมีค่าคงที่