Αναφορά Εργαστηριακής Άσκησης PLL Μάθημα: Εργαστήριο Αναλογικών VLSI Ομάδα: Αδαμαντίδη Αικατερίνη 1146 Κωνσταντίνος Μουρτζιάπης 867

Αναφορά Εργαστηριακής Άσκησης PLL Μάθημα: Εργαστήριο Αναλογικών VLSI Ομάδα: Αδαμαντίδη Αικατερίνη 1146 Κωνσταντίνος Μουρτζιάπης 867

Εισαγωγή: Ο βρόγχος κλειδωμένης φάσης, ή PLL, είναι ένα απο τα πιο χρήσιμα block στα μοντέρνα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Χρησιμοποιείται σε διάφορες εφαρμογές, απο τηλεπικοινωνίες (διαμόρφωση FM, σύνθεση συχνότητας, συσχέτιση σήματος), συστημάτα ελέγχου(ελεγκτής μηχανών, συστήματα παρακολούθησης, κτλ.), καθώς επίσης και σε εφαρμογές όπως ανάπλαση παλμού και πολλαπλασιασμού συχνότητας. Θεωρία λειτουργιών του PLL Ένα PLL είναι ένα σύστημα κλειστού βρόγχου που σκοπός του είναι να κλειδώσει έναν ταλαντωτή σε μια συχνότητα που θα δίνεται(πολλές φορές ονομάζεται συχνότητα αναφοράς). Με το «κλειστού βρόγχου» εννοούμε ότι υπάρχει ανατροφοδότηση απο την έξοδο στην είσοδο. Στο PLL, χρησιμοποιείται η αρνητική ανατροφοδότηση, που το κάνει να αυτο-διορθώνεται. Το figure 1 δέιχνει το block diagram ενός τυπικού PLL. Ένα PLL έχει έναν ειδικό ταλαντωτή, τον VCO. Ξέρουμε ότι ένας VCO αλλάζει την συχνότητα εξόδου του βασιζόμενος στην τάση εισόδου (καθώς επίσης και απο τις τιμές των R t και C t ). Ο αρχικός στόχος της λειτουργίας του PLL είναι να κάνει την συχνότητα του VCO να ισούται με την συχνότητα αναφοράς. Όταν γίνει αυτό το PLL είναι «κλειδωμένο».

Αυτό επιτυγχάνεται με το να τροφοδοτήσουμε την έξοδο του VCO και την συχνότητα αναφοράς σε έναν ανιχνευτή φάσης. Ο ανιχνευτής φάσης συγκρίνει την φάση μεταξύ των δύο κυμματομορφών και στην έξοδό του παίρνουμε ένα σήμα DC με κύκλο ανάλογο στη φάση της διαφοράς (σφάλμα) μεταξύ των δύο σημάτων. Γιατί συγκρίνουμε φάση και όχι συχνότητα; Η απάντηση είναι ότι αν συγκρίνουμε συχνότητα τότε πάντα θα υπάρχει ένα μικρό σφάλμα συχνότητας στα αποτελέσματά μας. Απο την άλλη, αν συκρίνουμε φάση τότε το σφάλμα συχνότητας μειώνεται στο μηδέν όπου η διαφορά φάσης είναι σταθερή. Αυτό είναι πιο εύκολο στην οπτικοποίηση εαν σκεφτούμε ότι προσπαθούμε να συγχρονίσουμε την ταχύτητα δύο αυτοκινήτων. Δύο αυτοκίνητα δεν υποχρεούνται να έχουν ακριβώς την ίδια θέση (φάση) στον αυτοκινητόδρομο για να έχουν την ίδια ταχύτητα. Ένα αυτοκίνητο μπορεί να ακολουθήσει το άλλο σε μια καθορισμένη απόσταση (καθορισμένη διαφορά φάσης). Όσο δεν επιταχύνουν ή μειώνουν ταχύτητα το ένα σε σχέση με το άλλο, η ταχύτητά τους (συχνότητες) θα είναι ακριβώς οι ίδιες. Αυτό εξηγεί το γιατί χρησιμοποιούμε ανιχνευτή φάσης αν τι συχνότητας στο PLL. Η χρήση του ανιχνευτή φάσης μειώνει το σφάλμα συχνότητας του κλειστού βρόγχου στο μηδέν. Η έξοδος ενός ανιχνευτή φάσης είναι μια DC παλμοειδής με κύκλο που ποικίλει. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά φάσης (με ορισμένα όρια βέβαια), τόσο μεγαλύτερο κύκλο έχω. Όμως ο VCO χρειάζεται μια σταθερή τάση DC στην είσοδό του. Ποιό το αποτέλεσμα της DC στον VCO; Σκεφτείτε ένα αυτοκίνητο που έχει δύο ταχύτητες, wide open, off. Το όριο ταχύτητας είναι 55. Ή μήπως 85; Φανταστείτε πόσο σκληρή θα ήταν η κίνηση του αυτοκινήτου. Το ίδιο συμβαίνει και στον VCO. Θέλουμε η συχνόητα στην έξοδό του να είναι ελαφρώς σταθερή, όσο η συχνότητα στην είσοδο. Αυτό που χρειαζόμαστε να κάνουμε είναι ευθεία μια παλμοειδή DC απο τον ανιχνευτή φάσης σε σταθερή DC μέσης τάσης. Αυτός είναι ο σκοπός του χαμηλοπερατού φίλτρου. Αυτό το φίλτρο λειαίνει τις απότομες διακυμάνσεις στην έξοδο της κυμματομορφής του ανιχνευτή φάσης σε ελαφρώς σταθερή τάση DC για τον VCO. Ο VCO θα είναι ικανός να εντοπίσει την συχνότητα αναφοράς της εισόδου. Περιοχές Λειτουργείας του PLL Ένα PLL έχει τρεις περιοχές λειτουργίας. Αυτές είναι οι free running, capture και locked καταστάσεις. Στην free running κατάσταση δεν υπάρχει συχνότητα αναφοράς στην είσοδο του PLL. Οι περιορισμοί σχεδίασης του συστήματος είναι αυτοί που καθορίζουν σε ποια συχνότητα θα τρέχει ο ταλαντωτής (VCO). Συνήθως δύο από αυτές τις τιμές είναι το R t και το C t, οι χρονικοί παράγοντες του ταλαντωτή.

Η επόμενη περιοχή λειτουργίας είναι η Capture η οποία δεν έχει μεγάλο εύροςδιάρκεια κατά την οποία έχει δοθεί στο PLL μία συχνότητα αναφοράς και είναι στην διαδικασία που προσπαθεί να κλειδώσει πάνω σε αυτή. Το PLL δεν κλειδώνει σε όλες τις συχνότητες, στο εύρος της Capture state είναι κλειδωμένο, αν το PLL είναι αρχικά στην free-running περιοχή λειτουργείας. Η free running συχνότητα είναι συνήθως στο μέσω του capture range. Το εύρος της περιοχής capture εξαρτάται από τις προδιαγραφές σχεδίασης του PLL. Επίσης το χαμηλοπερατό φίλτρο παίζει σημαντικό ρόλο στον καθορισμό αυτού του εύρους. Σε αυτή την φάση το PLL δεν ξεκλειδώνει αν αποσυγχρονίσουμε το κύκλωμα και στην συνέχεια του εφαρμόσουμε μία συχνότητα αναφοράς(ξανά θέσουμε σε λειτουργεία την γεννήτρια συχνοτήτων) η οποία ανήκει στο εύρος του capture range. Τέλος, η τελευταία και επιθυμητή κατάσταση είναι η locked κατά την οποία το PLL έχει περάσει επιτυχώς από το capture range και ο ταλαντωτής είναι κλειδωμένος στην συχνότητα αναφοράς. Το PLL δεν μπορεί να παραμείνει κλειδωμένο για κάθε δυνατή συχνότητα και αν η συχνότητα αναφοράς βγει εκτός των ορίων του lock range (το οποίο συνήθως είναι μεγαλύτερο από το capture range), τότε το PLL θα ξεκλειδώσει. Η εικόνα που ακολουθεί απεικονίζει την σχέση ανάμεσα στην free running συχνότητα, το capture range και το lock range.

Ανάλυση Κυκλώματος: Το PLL στην συγκεκριμένη υλοποίηση είναι πλήρως συνδεδεμένο με ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα, το LM-565. Το μόνο που χρειάζεται να παρέχουμε στο κύκλωμα προκειμένου να υλοποιήσουμε ένα πλήρως λειτουργικό PLL είναι τα στοιχεία χρονισμού (R t, C t ) για τον ταλαντωτή και έναν πυκνωτή για το χαμηλοπερατό φίλτρο(το ολοκληρωμένο LM-565 έχει ενσωματωμένη μία αντίσταση με τιμή 3,6Κ για το χαμηλοπερατό φίλτρο). Στην figure 3 οι χρονικοί παράγοντες του ταλαντωτή καθορίζονται από τα στοιχεία R1, R2 και C2. Η χρονική σταθερά του χαμηλοπερατού φίλτρου (την οποία διαφοροποιούμε) διαμορφώνεται από την εσωτερική αντίσταση 3,6Κ στο pin 7 και τον πυκνωτή C5. Η συχνότητα αναφοράς αντιστοιχεί στο pin 2, μία από τις εισόδους του ανιχνευτή φάσης. Η άλλη είσοδος του ανιχνευτή φάσης στο pin 5 είναι κατευθείαν συνδεδεμένη με την έξοδο του ταλαντωτή στο pin 4 κλείνοντας έτσι το loop.

Κατασκευή κυκλώματος με σύνδεση Σκοπός της συγκεκριμένης εργαστηριακής άσκησης ήταν να δούμε τις τρεις διαφορετικές καταστάσεις στις οποίες μπορεί αν περιέλθει το PLL(Phase locked loop). Για την εκτέλεση της συγκεκριμένης άσκησης χρειαστήκαμε μία γεννήτρια συχνοτήτων, παλμογράφο και γεννήτρια τάσης για να δώσουμε τροφοδοσία στο κύκλωμά μας. 1. Κατασκευή του κυκλώματος που μας δίνεται και χρήση ενός ηλεκτρολυτικού πυκνωτή για το C5=10μF(όπου C5 πυκνωτής για το χαμηλοπερατό φίλτρο). Αξίζει να σημειωθεί ότι λόγω έλλειψης πυκνωτή τιμής 0,022μF χρησιμοποιήσαμε 2 πυκνωτές συνδεδεμένους παράλληλα και τιμή 1nF έκαστος 2. Εφαρμογή τροφοδοσίας στο κύκλωμα αλλά δεν συνδέσαμε συχνότητα αναφοράς προκειμένου να βρούμε την κατάλληλη τιμή της R1 ώστε η συχνότητα του ταλαντωτή στην free running κατάσταση να είναι 1KHz. Απ: Η τιμή της R1 είναι 10KΩ 3. Εφαρμογή της συχνότητας αναφοράς στην είσοδο του κυκλώματος.

4. Στην συνέχεια συνδέσαμε το CH1 στην είσοδο του κυκλώματος και το CH2 του παλμογράφου στην έξοδο του ταλαντωτή. Επίσης συνδέσαμε την γεννήτρια συχνοτήτων στην είσοδο του κυκλώματος ούτως ώστε να μπορούμε να βλέπουμε την συχνότητα αναφοράς (απενεργοποιήστε το CH1 στον παλμογράφο). 5. Αναθέτουμε στην γεννήτρια συχνοτήτων την συχνότητα 600Hz και 1 Vpp ημιτονοειδές σήμα. Παρατηρήστε στο παλμογράφο τις 2 κυμματομορφές. Είμαστε σε κατάσταση κλειδώματος ή όχι? Και γιατί? Απ.: Παρατηρούμε ότι η κυμματομορφή στο CH2 του παλμογράφου δεν είναι σταθερή οπότε συμπεραίνουμε ότι το δεν είμαστε σε κατάσταση κλειδώματος. Μετρήσεις: CH1: 1.32V-1.36V Vpp, frequency= 1.04KHz CH2: 1.04V Vpp, frequency= 600Hz Πηγή τάσης (κάτω) και γεννήτρια συχνοτήτων (πάνω)

6. Αυξάνουμε σιγά σιγά την συχνότητα εισόδου προκειμένου να βρούμε την συχνότητα στην οποία κλειδώνει το PLL(η μικρότερη συχνότητα κατά την οποία οι δύο κυμματομορφές είναι σταθερές). Απ: Η συχνότητα αυτή είναι η 941Hz. (f c (Lower)) Tip: Το PLL είναι σίγουρα κλειδωμένο όταν η συχνότητα αναφοράς και η συχνότητα του ταλαντωτή είναι πανομοιότυπες. Ακόμη, μπορεί να παρατηρηθούν ψεύτικα κλειδώματα κατά την διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Στην περίπτωση αυτή οι 2 παραπάνω συχνότητες δεν θα είναι ίδιες. Προκειμένου να βρούμε αυτήν την συχνότητα για κάθε τιμή που δοκιμάζουμε επαναφέρουμε την συχνότητα στην συχνότητα του ταλαντωτή διότι διαφορετικά κρατείται η προηγούμενη κατάσταση του κυκλώματος, πχ αν από την 941Hz μεταβώ κατευθείαν στην 940Hz το σύστημα δεν θα έχει ξεκλειδώσει ενώ αν από την 941Hz επαναφέρω την συχνότητα στο 1KHz και στην συνέχεια εφαρμόσω την 940Hz το σήμα στο CH2 δεν θα είναι σταθερό γεγονός που αντικατοπτρίζει την πραγματική κατάσταση του κυκλώματος. 7. Όταν το PLL είναι κλειδωμένο ποια είναι η σχέση ανάμεσα στην συχνότητα αναφοράς και στην συχνότητα του ταλαντωτή? Απ: Η είσοδος είναι ημιτονοειδές σήμα ενώ η έξοδος έχει την μορφή παλμού. Όταν βρισκόμαστε σε κατάσταση κλειδώματος και τα δύο αυτά σήματα είναι σταθερά. 8. Στην συνέχεια βρίσκουμε το άνω όριο του lock range. Για να το κάνουμε αυτό αυξάνουμε σταδιακά (χωρίς να επαναφέρω την συχνότητα στην τιμή της συχνότητας αναφοράς στην free running frequency όπως έκανα για να βρω το κάτω όριο του capture range) μέχρις ότου η κυμματομορφή εξόδου να μην είναι σταθερή όπου και συμπεραίνουμε ότι το PLL ξεκλείδωσε. Η συχνότητα αυτή είναι 1,433KHz (F l (upper)). 9. Το PLL είναι πλέον ξεκλειδωμένο και η συχνότητα αναφοράς είναι μεγαλύτερη από το άνω όριο του Capture range. Σιγά σιγά μειώστε την συχνότητα αναφοράς μέχρις ότου το PLL να ξανά κλειδώσει. Η συχνότητα στην οποία το PLL ξανά κλειδώνει είναι το άνω όριο του Capture range (f C (upper)). Τέλος, μειώστε σταδιακά την συχνότητα μέχρις ότου το PLL να ξανά ξεκλειδώσει όπως έγινε για την εύρεση του F l (upper) προκειμένου να βρείτε την F l (lower). Απ: f C (upper)=1,09khz και F l (lower)= 659Hz.

Ξεκλείδωτο PLL κλειδωμένο PLL

10. Παρατηρήστε την έξοδο του χαμηλοπερατού φίλτρου και δείτε τι συμβαίνει όταν η συχνότητα εισόδου αλλάζει. Γνωρίζουμε ότι πρέπει να είναι smooth DC την DC ρύθμιση του παλμογράφου για να δούμε το DC παράγοντα του κυκλώματος. Επίσης ως γνωστόν κανένα φίλτρο δεν είναι τέλειο οπότε κάποιος κυμματισμός AC θα παρατηρηθεί. Θέστε την συχνότητα αναφοράς στο 1KHz και καταγράψτε την έξοδο του χαμηλοπερατού φίλτρου στο pin 7 του ολοκληρωμένου κυκλώματος. 11. Αυξήστε την συχνότητα εισόδου παραμείνετε όμως εντός του lock range. Tι συμβαίνει στην έξοδο του DC φίλτρου?(μετρήστε στο pin 7 με πολύμετρο για πιο ακριβής μετρήσεις) Απ: Επειδή αυξάνει η συχνότητα, θα έχουμε διαφορά στον ανιχνευτή φάσης άρα θα αυξηθέι και η DC έξοδος για να μείνει κλειδωμένο το PLL δηλαδή ο ταλαντωτής να αυξήσει τη συχνότητα ταλάντωσής του βάση της συχνότητας αναφοράς. 12. Το capture range εξαρτάται από το χαμηλοπερατό φίλτρο του PLL. Αντικαταστήστε τον πυκνωτή C5 με τις τιμές του πίνακα και βρείτε τα όρια των capture and lock range σε κάθε περίπτωση. C5 Value f c (Lower) f C (upper) F L (Lower) F L (upper) 10uF 0.941 1.09 0.659 1.433 1uF 0.827 1.203 0.655 1.431 0.1uF 0.659 1.422 0.654 1.435 0.001uF 0.630 1.374 0.630 1.374

13. Μελετήστε τα δεδομένα του παραπάνω πίνακα και περιγράψτε τη σχέση μεταξύ του capture range και του μεγέθους του πυκνωτή του χαμηλοπερατού φίλτρου. Απ: Παρατηρούμε ότι όσο μικρότερη η τιμή του πυκνωτή του χαμηλοπερατού φίλτρου τόσο μεγαλύτερο και το εύρος του capture. 14. Με πυκνωτή μεγέθους 0,001uF θέστε ξανά την συχνότητα αναφοράς στο 1KHz και καταγράψτε την έξοδο του χαμηλοπερατού φίλτρου. Χρησιμοποιείστε την DC ρύθμιση του παλμογράφου. 15. Πως διαφέρουν οι κυμματομορφές στα βήματα 14 και 10 και γιατί; Απ:Παρατηρούμε ότι η μία κυμματομορφή είναι παλμός ενώ η άλλη ημιτονοειδής. 16. Από τα δεδομένα του βήματος 12 ποιο είναι το συμπέρασμα σας σχετικά με την επίδραση του χαμηλοπερατού φίλτρου στο lock range του PLL; Απ: Αν και δεν παρατηρούνται ιδιαίτερα μεγάλες αλλαγές στο lock range παρατηρούμε ότι όσο μικραίνει η τιμή του πυκνωτή τόσο μικραίνουν και τα αντίστοιχα άνω και κάτω όρια του lock range.

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Ποιος ο σκοπός του PLL; 2. Γράψτε τα τρία κύρια μέρη του βρόγχου κλειδωμένης φάσης και δώστε μια σύντομη περιγραφή για το τι κάνει το καθένα. I. II. III. 3. Γράψτε τις τρείς καταστάσεις του βρόγχου κλειδωμένης φάσης. 4. Εξηγήστε πώς χρησιμοποιούμε τον εξοπλισμό για να καθορίσουμε αν ο βρόγχος κλειδωμένης φάσης είναι κλειδωμένος. 5. Τι έχετε μάθει από αυτό το πείραμα;