Introdução teórica

Experiência 10 - PLL – Phase Locked Loop

Prof. Marcos Stefanelli Vieira & Paulo Alves Garcia Laboratório de Comunicações I

1.Introdução teórica

As malhas de sincronismo de fase ( Phase Locked Loops – PLL’s ), apesar de serem já uma tecnologia antiga, cujos primeiros estudos remontam à década de 20, tiveram um grande impulso, após o advento dos Circuitos Integrados. Atualmente são utilizadas em aplicações na área de telecomunicações, instrumentação, sistemas de controle, sistemas de navegação aeroespacial, etc.

As malhas de sincronismo de fase (PLL’s) são dispositivos cujo sinal interno segue o sinal com o qual se pretende estabelecer um sincronismo. Mais precisamente, os PLL’s ajustam a fase e a freqüência do sinal de saída de maneira que os erros entre a fase e a freqüência do sinal de saída e o sinal de entrada sejam reduzidos ao mínimo possível.



PLL’s são sistemas de realimentação, constituídos por 3 elementos: 1 detector de fase (phase detector - PD), 1 filtro passa baixas linear (Low Pass Filter - LPF), 1 oscilador controlado por tensão (Voltage Controlled Oscillator - VCO), interligados conforme a figura abaixo :


Diagrama de blocos de um PLL

• Sem sinal na entrada, a tensão de erro (Vd) é nula e o VCO opera em uma freqüência fixa determinada por componentes externos. Essa é chamada freqüência livre de oscilação. • Quando aplica-se um sinal na entrada do circuito, o detector de fase recebe esse sinal e compara a sua fase com a do sinal fornecido pelo VCO, gerando uma tensão de erro (Vd).

Essa tensão de erro (Vd) é proporcional à diferença das fases dos dois sinais.



1.Introdução teórica• Essa tensão será tanto maior quanto mais afastados em fase estiverem os sinais.• A tensão Vd, depois de filtrada e amplificada, é levada ao terminal de controle do VCO.

A tensão de controle (Vc) força o oscilador a alterar sua freqüência de tal forma a se aproximar da freqüência do sinal de entrada.

Assim, se as freqüências dos sinais se igualam, tem-se na saída uma tensão constante. A tensão constante não é levada em conta pelo circuito.

Com a alteração da freqüência do VCO, em função da tensão Vc, consegue-se a sincronização dos circuitos, ou seja VCO fica sincronizado ao sinal de entrada.

Se o sinal de entrada volta a variar, o circuito gera um novo sinal de erro e o VCO procura corrigir sua freqüência de modo a obter um novo sincronismo.

O filtro passa baixas (Low Pass Filter-LPF) tem por objetivo suprimir o ruído e as componentes de alta freqüência oriundas do detector de fase (PD).



A malha do PLL é um grau superior ao grau do filtro utilizado. Se o filtro for um integrador perfeito (primeira ordem), a equação diferencial que governa a dinâmica do PLL é de segunda ordem.


Faixa de captura A faixa de captura é a faixa de freqüências do sinal externo que determina se há a possibilidade de obtenção de um estado síncrono. A faixa de captura tem por centro a freqüência de livre curso do VCO. É dentro dessa faixa que o PLL pode entrar em sincronismo com o sinal de entrada.

A faixa de retenção é a faixa de freqüências, em que deve se situar o sinal externo, de modo a não tirar o PLL de um dado estado síncrono.

Faixa de retenção

Ordem do PLLPLL’s de segunda ordem são os mais utilizados pois apresentam respostas transitórias adequadas para a maior parte das entradas de excitação. PLL’s de ordem superior podem apresentar melhor resposta transitória mas, para certas combinações dos valores dos parâmetros da malha e do sinal de entrada, mesmo degraus e rampas podem produzir erros periódicos e, até mesmo, erros caóticos.



Equacionamento:1.Introdução teórica

A equação diferencial que rege o funcionamento de um PLL de segunda ordem é:

'' + ' + sen = onde:

(t) = i - o = erro de fase entre o sinal externo de entrada e o sinal gerado pelo VCO. = ganho da malha = velocidade de variação de fase na entrada

Estudando-se a estabilidade da equação acima, verifica-se que ela admite uma situação de equilíbrio, com erro de fase nulo ou constante e erro de freqüência nulo para: (0 ).



2. Parte Prática

Parte 1: PLL - Circuito e Operação

Objetivo:• Descrever um circuito PLL• Determinar a freqüência de oscilação do VCO de um PLL• Definir faixas de retenção e captura de um PLL

Equipamento necessário:• Bastidor F.A.C.E.T.• Placa de Comunicações Analógicas• Osciloscópio duplo canal• Gerador de Sinais • Multímetro Digital



Composição do PLL

2. Parte Prática

O PLL é composto dos seguintes módulos:

- Detector de Fase- Filtro- Amplificador - VCO

O Detector de Fase é um Modulador Balanceado similar ao Detector de Fase do bloco Detector de Quadratura. Realiza o produto do sinal de RF externo com o sinal gerado pelo VCO.

Parte 1: PLL - Circuito e Operação



Procedimento: Parte 1: PLL - Circuito e Operação

1. Você determinará a freqüência de oscilação do VCO. Não coloque ainda, o jumper entre o filtro e o amplificador do PLL. Conectar o canal 2 do osciloscópio à saída do VCO com o sincronismo pelo canal 2.

2. Verificar a forma de onda do canal 2 do osciloscópio. Medir o seu período e freqüência.




3. Conectar o multímetro digital na escala de CC na entrada do VCO e medir a tensão presente.

4. Girar o botão da fonte negativa no sentido anti-horário. Colocar um jumper no VCO-LO na posição 452kHz. Conectar a saída do VCO-LO, OUT (RF) na entrada RF do detector de fase do PLL.




5. Conectar o canal 1 do osciloscópio na entrada RF do PLL.

6. Ajustar o botão do VCO-LO para um sinal de 600mVpp no ponto RF. Verificar os sinais conforme figura abaixo:




7. Enquanto observa os sinais RF e VCO no osciloscópio, aumente a freqüência do sinal RF, atuando no botão da fonte de tensão negativa no sentido horário. Lentamente, vire o botão da fonte negativa para o sentido anti-horário

8. A mudança da freqüência do sinal RF, afetou a freqüência do sinal VCO ? Por que?




9. Colocar um jumper entre a saída do filtro e a entrada do amplificador do PLL para fechar a malha de realimentação.

10. Ajustar o botão da fonte negativa no sentido anti-horário.

11. Enquanto observa os sinais RF e VCO no osciloscópio, aumente a freqüência do sinal RF, atuando no botão da fonte de tensão negativa no sentido horário.




12. Quando o sinal VCO começar a rastrear o sinal RF, pare de girar o botão da fonte negativa no sentido horário. Os sinais deverão se apresentar conforme a figura abaixo:

As freqüências são iguais ?

Faixa de retenção e captura




13. Enquanto observa a tela do osciloscópio, varie a freqüência do sinal RF, atuando no botão da fonte de tensão negativa ligeiramente no sentido horário e anti-horário. A freqüência do sinal VCO, rastreia a freqüência do sinal RF ?

14. Enquanto observa a entrada de tensão CC do VCO, varie a freqüência do sinal VCO, atuando no botão da fonte de tensão negativa, ligeiramente no sentido horário e anti-horário. Quando FVCO rastreia FRF, Vi muda ? Qual é o nome da faixa de freqüências na qual FVCO rastreia FRF ?




15. Enquanto observa os sinais RF e VCO no osciloscópio, aumente lentamente a freqüência do sinal RF, atuando no botão da fonte de tensão negativa no sentido horário. Quando o sinal VCO parar de rastrear o sinal RF, pare de girar o botão. Este ponto é o final da faixa de retenção. Você pode ter que repetir este passo para determinar essa freqüência com exatidão.

16. Comparar as formas de onda dos dois canais. As freqüências são iguais ?




17. No canal 1, medir o período do sinal. Calcular a freqüência do sinal.

18. Enquanto observa os sinais RF e VCO no osciloscópio, diminua lentamente a freqüência do sinal RF, atuando no botão da fonte de tensão negativa no sentido anti-horário. Quando o sinal VCO começar a rastrear o sinal RF, pare de girar o botão.

19. Comparar as formas de onda dos dois canais. As freqüências são iguais ?

20. Girar ligeiramente o botão da fonte negativa no sentido horário e anti-horário. FVCO rastreia FRF ?




21. Enquanto observa os sinais RF e VCO no osciloscópio, diminua lentamente a freqüência do sinal RF, atuando no botão da fonte de tensão negativa no sentido anti-horário.Quando o sinal VCO parar de rastrear o sinal RF, pare de girar o botão.Este ponto é o final da faixa de retenção. Você pode ter que repetir este passo paradeterminar essa freqüência com exatidão.

22. No canal 1, medir o período do sinal. Calcular a freqüência do sinal.

23. Calcular as faixas de retenção e captura do PLL.



Objetivo:

• Explicar como as freqüências de entrada do detector de fase afetam os sinais de saída

• Explicar como o sinal de realimentação aplicado ao VCO, varia com a diferença de fase entre os sinais de entrada.

• Descrever como um PLL demodula um sinal de FM.

Equipamento necessário:

• Bastidor F.A.C.E.T.• Placa de Comunicações Analógicas• Osciloscópio duplo canal• Gerador de Sinais • Multímetro Digital

Parte 2: Demodulação de FM com PLL




Procedimento1. Conectar o bloco PLL conforme a figura abaixo:

Inserir o jumper no VCO-LO para 452kHz e entre o Filtro e o Amplificador no bloco PLL

2. Conectar o canal 2 do osciloscópio na saída do VCO do bloco PLL.



3. Conectar o canal 1 do osciloscópio na entrada RF do bloco PLL.


4. Girar o botão da Fonte Negativa no sentido anti-horário. Ajustar o botão do potenciômetro do VCO-LO para um sinal de RF de 600mVpp



5. Os sinais deverão aparecer conforme figura abaixo:


6. Conectar o multímetro na escala de Vcc na entrada do VCO



7. Lentamente, vire o botão da fonte negativa para o sentido horário, aumentando a freqüência do sinal de RF (fRF).

8. Comparar as freqüências dos canais 1 e 2 do osciloscópio. As freqüências são iguais ?




9. Sincronize o osciloscópio pelo canal 1. Os sinais deverão aparecer conforme a figura abaixo:


10. Quando a freqüência da entrada RF (fRF) é igual à freqüência de saída do VCO (fVCO), quais sinais estão na saída do detector de fase ?



11. Conectar o canal 2 do osciloscópio na saída do detector de fase.




12. Qual a relação entre as duas freqüências (canal 1 e canal 2) ?

13. Conectar o canal 2 do osciloscópio na saída do filtro.




14. Enquanto observa a saída do filtro no canal 2, varie ligeiramente (fRF), atuando no botão da fonte de tensão negativa no sentido anti-horário e em seguida no sentido horário. Quando fRF varia, o nível da tensão de saída CC do filtro muda ?




15. A mudança na tensão de saída do filtro faz Vi mudar ?

16. O que Vi controla ?17. Conectar o canal 2 do osciloscópio na saída do VCO




18. Enquanto observa fVCO no canal 2 e Vi no multímetro varie ligeiramente (fRF), atuando no botão da fonte de tensão negativa no sentido anti-horário e em seguida no sentido horário. Verificar o que ocorre.




19. Conectar a saída do Gerador de Sinais e o canal 1 do osciloscópio na entrada (M) do bloco VCO-LO.

20. Ajustar o Gerador de Sinais para um sinal de 300mV, 3kHz em (M).




21. Conectar o canal 1 do Osciloscópio no ponto RF (entrada do detector de fase) e o canal 2 na entrada do VCO.


22. Ajustar o botão da fonte de tensão negativa no sentido anti-horário . Deverá haver um sinal conforme figura abaixo:



23. Aumentar lentamente fRF, atuando no botão da fonte de tensão negativa no sentido horário. Quando o sinal VCO começar a rastrear o sinal RF e Vi for próximo de –4,0 Vcc, pare de girar o botão. Os 2 sinais devem aparecer conforme a figura abaixo:




24. Conectar o canal 1 do osciloscópio na entrada (M) do VCO-LO e sincronize pelo canal1. Conectar o canal 2 do osciloscópio na saída do detector de fase. Os sinais devem aparecer conforme a figura abaixo:




25. Quais os sinais que compõem o sinal de saída do Detector de Fase no canal 2 ?


26. Conectar o canal 2 do osciloscópio na saída do Filtro do PLL. Manter o sincronismo pelo canal 1.

Ajustar a amplitude do sinal de entrada para mais e para menos até obter um sinal de boa qualidade na saída.



27. Que sinal é obtido na saída do filtro no canal 2 ?

28. Varie ligeiramente a freqüência e a amplitude do sinal do Gerador de Sinais. A freqüência e a amplitude do sinal recuperado variam com o sinal do gerador ?





29. Conectar o canal 2 do osciloscópio na entrada do VCO.

30. O que ocorre com a tensão na entrada do VCO, quando variamos a amplitude e a freqüência do sinal do Gerador de Sinais ?



Não se esqueça de realizar agora o testeSobre este módulo.

Este “Teste do Módulo” deverá ser feito no próprioLaboratório sob a supervisão do professor.

Ao finalizar o “Teste do Módulo” entregue suasrespostas para o professor.

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