ELEKTRONSKA VEZJA. Laboratorijske vaje Pregledal: 6. vaja FM demodulator s PLL

Transcript

1 Ime in priimek: ELEKTRONSKA VEZJA Laboratorijske vaje Pregledal: Datum: 6. vaja FM demodulator s PLL a) Načrtajte FM demodulator s fazno sklenjeno zanko za signal z nosilno frekvenco f n = 100 khz, frekvenčno deviacijo f n = 10 khz in frekvenco modulacijskega signala f m = 1 khz. Napajalna napetost naj bo 10 V. Pri delu si pomagajte s priloženimi podatki o integriranem vezju CD4046B. b) Na prototipni ploščici najprej sestavite VCO del načrtovanega vezja in izmerite centralno frekvenco f 0 in območje izhodnih frekvenc VCO 2f L. c) Sestavite celotno vezje in izmerite območje ujetja in sledenja PLL. d) Na vhod načrtovanega vezja priključite FM signal in opazujte demodulirani signal pri različnih oblikah modulacijskega signala (sinusni, trikotni, pravokotni). Za sinusno obliko izračunajte konstanto demodulatorja in maksimalno frekvenčno deviacijo f n max. Opis delovanja fazno sklenjene zanke (PLL): r φr φ VCO vco φvco Fazni primerjalnik Nizkoprepustno sito Napetostno krmiljen oscilator Slika 1: Fazno sklenjena zanka (PLL) V principu je PLL sestavljen iz faznega primerjalnika, nizkoprepustnega sita in napetostno krmiljenega oscilatorja (Voltage Controlled Oscilator VCO). Fazni primerjalnik je v bistvu množilnik dveh signalov (v primeru PLL sta to referenčni in izhodni signal), ki da na izhodu vsoto in razliko njunih frekvenc ( r + vco in r vco ). Z nizkoprepustnim filtrom izsejemo razliko obeh frekvenc r vco in z dobljenim signalom krmilimo VCO tako, da se frekvenca izhodnega signala vco približuje frekvenci r, dokler se ne izenačita. Takrat ostane le konstantna fazna razlika med obema signaloma Φ r Φ vco, ki vzdržuje na izhodu faznega primerjalnika konstantno napetost, katera prek nizkoprepustnega filtra določa izhodno frekvenco VCO.

2 ELEKTRONSKA VEZJA 6. laboratorijska vaja 2 u 1 u 2 1 u out Slika 2: Princip mešanja dveh signalov PLL ima tri stanja delovanja: Prosti tek: Ko ni na vhodu signala, je na izhodu faznega primerjalnika prisotna konstantna napetost, ki je odvisna od tipa faznega primerjalnika. Izhodna frekvenca VCO je takrat enaka frekvenci prostega teka 0. Zajem: Na vhod priključimo izmenični signal frekvence r. Če je razlika frekvenc r vco na izhodu faznega primerjalnika dovolj majhna, da pride signal prek nizkoprepustnega sita, se vhodna napetost VCO časovno spreminja in s tem tudi frekvenca vco, ki se približuje k r. Ujetje: Ko se frekvenci r in vco izenačita, je na vhodu VCO konstantna napetost (pri konstantni fazni razliki Φ r Φ vco ) in s tem je doseženo stacionarno stanje. Če se frekvenca enega signala r ali vco iz katerikoli razloga spremeni, se posledično pojavi sprememba izhodne napetosti faznega primerjalnika, ki prek VCO frekvenci ponovno izenači. Glede na razliko frekvenc signalov = r vco ločimo več frekvenčnih območij, ki so prikazana na sliki 3. obmoèje sledenja obmoèje zajema obmoèje dinamiène stabilnosti obmoèje ujetja stabilno obmoèje pogojno stabilno obmoèje dinamièno nestabilno obmoèje Slika 3: Frekvenčna območja PLL

3 ELEKTRONSKA VEZJA 6. laboratorijska vaja 3 Če se frekvenčna razlika nahaja znotraj območja ujetja, potem se fazna razlika Φ r Φ vco ustali znotraj ene periode signala. S tem vco sledi spremembi r v času ene periode ne glede na hitrost spremembe. Zato to območje ujetja imenujemo tudi stabilno območje PLL. Njegovo velikost določa ojačenje celotne zanke, še posebej nizkoprepustnega sita pri frekvenčni razliki, ki mora zagotoviti dovolj veliko spremembo signala na vhodu VCO, da se njegova izhodna frekvenca ujame že v eni periodi. Ko je PLL ujeta, lahko izhodna frekvenca VCO sledi počasni spremembi referenčne frekvence v območju sledenja, ki je najširše frekvenčno območje PLL. Določa ga le območje izhodne frekvence VCO, saj je takrat izhodni signal faznega primerjalnika enosmeren. Maksimalna hitrost spremembe referenčne frekvence je določena z mejno frekvenco nizkoprepustnega sita. Če se referenčna frekvenca hipoma spremeni (enotina stopnica), potem je obnašanje PLL zelo odvisno od velikosti frekvenčnega skoka. Če je sprememba frekvence manjša od območja ujetja, potem se bo zanka ujela v eni periodi izhodnega signala VCO. Če je sprememba frekvence večja, a se nahaja znotraj območja dinamične stabilnosti, potem preteče več period, da se razlika Φ r Φ vco ustali na novi vrednosti, vendar ostane PLL ves čas ujeta. To pomeni, da frekvenca vco sledi spremembi r, zato je PLL v tem frekvenčnem območju dinamično stabilna. Če pa je še večja, PLL pade iz sinhronizacije (unlock) in vco ni več enaka r. Če je sprememba manjša od območja zajema, se vco počasi približuje r in jo tudi po določenem času doseže in PLL se ujame. V nasprotnem primeru se PLL ne ujame več. Velikost frekvenčnih območij, ki določajo obnašanje PLL pri nenadni spremembi referenčne frekvence, je predvsem odvisno od tipa in parametrov nizkoprepustnega sita in tipa faznega primerjalnika. FM demodulator s PLL: FM demodulator v obliki PLL enostavno sledi spreminjanju frekvence vhodnega signala. Izhodni signal, ki ustreza spreminjanju frekvence PLL je kar analogna napetost u izh na izhodu sita. Območje zajema f c, določeno z nizkoprepustnim sitom in konstanto VCO mora biti večje ali enako maksimalni spremembi frekvence f n, centralna frekvenca VCO f 0 pa mora ustrezati nosilni frekvenci FM moduliranega signala f n. Območje sledenja f L sicer lahko izberemo poljubno, saj je vedno večje od območja ujetja, vendar običajno izberemo območje čim ožje, da dobimo čim večje ojačenje demodulatorja U izh / f c. V tovrstnih aplikacijah največkrat izberemo fazni primerjalnik tipa EXOR, saj omogoča boljšo stabilnost PLL pri šumnem vhodnem signalu. Poleg tega je izhodna napetost v primeru ničelnega vhodnega signala enaka U DD /2, kar pomeni, da je izhodna frekvenca VCO enaka centralni frekvenci f 0. f FM u izh f vco VCO Slika 4: FM demodulatcor s PLL

4 ELEKTRONSKA VEZJA 6. laboratorijska vaja 4 Potek vaje: a) S pomočjo podatkov o integriranem vezju CD4064B in opisa aplikacije PLL za FM demodulator na prejšnji strani narišite vezje FM demodulatorja. Na vhod demodulatorja dodajte kondenzator 100 nf za izločitev enosmerne komponente signala. Elemente izračunajte po načrtovalskih navodilih v podatkovnem listu. Za izhodiščne vrednosti kondenzatorja za določitev frekvence oscilatorja vzemite 1 nf. Območje sledenja f L naj bo 5x večje od območja zajema f c. Elemente sita določite s spodnjo enačbo, kjer sta R in C elementa sita. 1 2πf L 2 f C = π RC b) Na prototipni ploščici najprej sestavite VCO del načrtovanega vezja. Pri tem uporabite kondenzator za glajenje napajanja 100 nf. Centralno frekvenco VCO f 0 izmerite z osciloskopom pri vhodni napetosti U DD /2, območje izhodnih frekvenc VCO (2 f L ) pa pri območju vhodne napetosti od 0 U DD. V primeru, da se razlikujejo od načrtovanih za več kot 10 % ustrezno spremenite vrednosti uporov. c) Sestavite celotno vezje. Izmerite centralno frekvenco VCO f 0 pri ničelnem vhodnem signalu, ki mora biti enaka kot v primeru b). Meritev območja zajema 2 f c in sledenja 2 f L izvedite na sledeči način: Na vhod priključite funkcijski generator z ustrezno amplitudo signala in frekvenco f 0. Opazujte oba signala (vhodnega in izhodnega) na osciloskopu, ki se morata ujemati z neko končno fazno razliko. Počasi povečujte frekvenco vhodnega signala, dokler se signala ne desinhronizirata. Takrat določimo območje sledenja na eni strani f 0 +f L. Nato frekvenco signala počasi zmanjšujte proti f 0, dokler se signala ne sinhronizirata. Takrat določimo zgornjo mejo območja zajema f 0 +f c. Postopek ponovimo še na spodnji strani pod frekvenco f 0. Opazujte fazni kot med signaloma. d) Na vhod načrtovanega vezja priključite FM signal, ki ima modulacijski signal sinusne oblike. Nosilno frekvenco f n nastavite na centralno frekvenco VCO f 0. Za sinusno obliko modulacijskega signala izmerite konstanto demodulatorja ( U izh / f n ). Maksimalno frekvenčno deviacijo f n max izmerite tako, da povečujete frekvenčno deviacijo f n, dokler ne pride do opaznega popačenja oblike demoduliranega signala. Opazujte izhodni signal pri različnih oblikah modulacijskega signala. Obliko FM signala nastavljamo v meniju na naslednji način: Shift Menu 1. Mod menu 1. AM shape 2. AM source 3. FM shape Sine. Square. Triangle..

5 ELEKTRONSKA VEZJA 6. laboratorijska vaja 5 Rezultati: Vprašanja: Kaj je FM? Kaj je VCO in kako ga realiziramo za visoke frekvence?