UKŁADY Z PĘTLĄ SPRZĘŻENIA FAZOWEGO (wkładki DA171A i DA171B) WSTĘP Układy z pętlą sprzężenia fazowego (ang. phase-locked loop, skrót PLL) tworzą dynamicznie rozwijającą się klasę układów, stosowanych głównie do modulacji, detekcji, przetwarzania częstotliwości i filtracji sygnałów. Zasada pracy układów PLL jest stosunkowo prosta, natomiast ich realizacja złożona. Dlatego też masowe stosowanie układów PLL stało się możliwe dopiero po wykonaniu ich w formie scalonej. Pętla sprzężenia fazowego jest w ćwiczeniu badana jako pewna całość pod kątem zasady pracy i możliwości zastosowań. Dlatego w ćwiczeniu nie występuje projektowanie fragmentów układów wchodzących w skład pętli, a ich badanie ograniczone jest do charakterystyk zaciskowych, istotnych z punktu widzenia możliwości wykorzystania całej pętli. W trakcie ćwiczenia badane są natomiast układy skonstruowane z użyciem pętli PLL, takie jak: demodulator częstotliwościowy oraz dzielniki i powielacze częstotliwości. Celem ćwiczenia jest zilustrowanie zasady działania pętli sprzężenia fazowego oraz przedstawienie niektórych możliwości jej zastosowań. 1. OPIS TECHNICZNY UKŁADÓW BADANYCH 1.1 Detektor fazy z filtrem dolnoprzepustowym (wkładka DA171A) Wkładka DA171A zawiera koincydencyjny detektor fazy (rys.2) w postaci czteroćwiartkowego układu mnożącego (tranzystory T 3 T 11 ). Tranzystory T 6 T 11 pracują jako klucze prądowe nienasycone. Mogą one być sterowane przebiegami o różnych kształtach; ważne jest jednak, aby napięcia na bazach tranzystorów można było w okolicy poziomu przełączania aproksymować przebiegiem o współczynniku wypełnienia 0,5. Ze względu na nienasycanie tranzystorów przełączających, maksymalna wartość międzyszczytowa napięć wejściowych nie powinna przekraczać 5 V. Detektor fazy DA171A może pracować w zakresie częstotliwości sygnałów wejściowych od 10 khz do 110 khz. Płytę czołową wkładki DA171A pokazano na rys. 1 Rys. 1. Płyta czołowa detektora fazy (wkładka DA171A) Układy Z Pętlą Sprzężenia Fazowego Strona 1 z 7
Rys. 2. Schemat ideowy detektora fazy (wkładka DA171A) Rys.3. Schemat ideowy generatora przestrajanego sygnałem lub ręcznie (wkładka DA171B) Układy Z Pętlą Sprzężenia Fazowego Strona 2 z 7
1.2. Generator przestrajany napięciem (wkładka DA171B) Generator przestrajany napięciem (ang. voltage controlled illator, skrót VCO) jest przerzutnikiem astabilnym z tranzystorami przeciwstawnymi (rys.3.17.3). Generator można przestrajać w zakresie częstotliwości od 10 khz do 110 khz napięciem stałym, o wartościach od 0 V do +10 V, podanym na wejście oznaczone input (rys.3.17.4). Wzrost potencjału bazy tranzystora T 1 powoduje zmniejszenie natężenia prądu emitera tego tranzystora oraz wzrost natężenia prądu emitera tranzystora T 2, a tym samym wzrost częstotliwości generowanych przebiegów. Układ ma dwa wyjścia: jedno impulsów prostokątnych w standardzie TTL oznaczone TTL out oraz drugie, oznaczone lin out - przebiegu liniowego (piłokształtnego). Częstotliwość pracy generatora można również po ustawieniu przełącznika suwakowego VCO man w pozycji prawej regulować w podanym wyżej zakresie, za pomocą pokrętła potencjometru oznaczonego frequency. Rys.4. Płyta czołowa wkładki DA171B 2. SPRZĘT NIEZBĘDNY DO KONANIA ĆWICZENIA 2.1.Cześć pomiarowa ćwiczenia DA171A detektor fazy z filtrem dolnoprzepustowym; DA 171B generator przestrajany napięciem (w ćwiczeniu wykorzystywane są dwa generatory DA171B jeden jako układ VCO a drugi jako źródło sygnału sterującego); SA1321 regulowane źródło napięcia stałego 0-10V; SA9311 dzielnik częstotliwości. generator funkcyjny pełniący rolę częstościomierza (w ćwiczeniu używane są dwa częstościomierze) GFG-8255A; yloskop cyfrowy. 2.2.Cześć obserwacyjna ćwiczenia (punkty 4.4, 4.6, 4.7) DA171A detektor fazy z filtrem dolnoprzepustowym; DA 171B generator przestrajany napięciem (w ćwiczeniu wykorzystywane są dwa generatory DA171B jeden jako układ VCO a drugi jako źródło sygnału sterującego); SA9411 generator szumu z sumatorem; generator funkcyjny (wykorzystywane są dwa generatory) GFG-3015 yloskop cyfrowy. Układy Z Pętlą Sprzężenia Fazowego Strona 3 z 7
2.3.Cześć obserwacyjna ćwiczenia (punkty 4.5) DA171A detektor fazy z filtrem dolnoprzepustowym; DA 171B generator przestrajany napięciem (w ćwiczeniu wykorzystywane są dwa generatory DA171B jeden jako układ VCO a drugi jako źródło sygnału sterującego); DW01 wkładka dydaktyczna wzmacniacza operacyjnego (wykorzystywane są dwie wkładki). generator funkcyjny GFG-3015 yloskop cyfrowy. 3. CZĘŚĆ PROJEKTOWA ĆWICZENIA Zaprojektuj i narysuj w protokole schematy układów pomiarowych niezbędnych dla przeprowadzenia pomiarów wymienionych w punktach 4.1, 4.2, 4.3 opierając się na opisach wkładek i rysunkach płyt czołowych. 4. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA ĆWICZENIA 4.1. Pomiar charakterystyki przestrajania generatora DA171B Zmierz charakterystykę przestrajania generatora DA171B f VCO =F 1 (U S ). Do sterowania generatora użyj źródła napięcia stałego SA1321 (precyzyjnego regulatora napięcia). 4.2. Pomiary charakterystyki pętli sprzężenia fazowego Zmontuj układ pętli fazowej. Zmierz równocześnie charakterystyki: - przestrajania pętli fazowej f VCO =F 2 (f IN ) - zależność napięcia wyjściowego detektora fazy od częstotliwości sygnału wejściowego U D =F 3 (F IN ). Charakterystyki te należy zmierzyć dwukrotnie : przy zwiększaniu i przy zmniejszeniu częstotliwości sygnału wejściowego. 4.3. Badanie dzielnika lub powielacza częstotliwości Zmontuj dzielnik lub powielacz częstotliwości wykorzystując wkładkę SA9311. Sprawdź poprawność działania układu przez pomiar częstotliwości f IN oraz f VCO w stanie synchronizacji. Zagadnienia: a) uzasadnić potrzebę stosowania dzielników częstotliwości z pętlą sprzężenia fazowego, zawierających dzielniki cyfrowe. Czy nie wystarczy sam dzielnik cyfrowy? b) wyjaśnić, od którego układu pętli PLL zależy kształt napięcia wyjściowego pętli? Układy Z Pętlą Sprzężenia Fazowego Strona 4 z 7
4.4. Obserwacja działania pętli fazowej jako demodulatora częstotliwości Zmontuj układ według schematu pomiarowego przedstawionego na rys.5. Rys.5. Demodulator częstotliwości Do obserwacji sygnałów zdemodulowanego użyj kabla BNC-dc. W yloskopie włącz sprzężenie dc. Ustaw następujące parametry sygnałów: nośnego : amplituda U n =2,5 V, częstotliwość f n =40 khz modulującego : amplituda U m =2,5 V, częstotliwość f m =10 Hz Nie zapomnij o załączeniu modulacji FM sygnałem zewnętrznym w generatorze sygnału nośnego. Zaobserwuj wpływ kształtu, amplitudy i częstotliwości sygnału nośnego i modulującego na parametry sygnału zdemodulowanego. 4.5. Obserwacja działania pętli fazowej jako modulatora fazy Zmontuj układ według schematu pomiarowego przestawionego na rys.6 i dobierz częstotliwość sygnału wejściowego tak, aby pętla była w stanie synchronizacji. a) TTL Generator sygnału nośnego GFG-3015 MAIN Detektor fazy DA171A WE1 WE2 Generator sygnału modulującego GFG-3015 MAIN u M u Sumator WE1 3 WE2 u I VCO DA171B LIN TTL WE u VCO Układy Z Pętlą Sprzężenia Fazowego Strona 5 z 7
b) Rys. 6. Modulator fazy: a) schemat układu pomiarowego, b) schemat sumatora. Ustaw następujące parametry sygnału modulującego: amplituda 0,15V (dla prostokąta), 1 V (dla sinusa i trójkąta), częstotliwość: 5-10Hz składowa stała 0V Na ekranie yloskopu obejrzyj przebiegi u I (t), u VCO (t) oraz u M (t), u(t) (ustaw w yloskopie sprzężenie dc). Zbadaj wpływ kształtu sygnału, amplitudy, częstotliwości i składowej stałej sygnału modulującego u M (t) na proces modulacji. 4.6. Obserwacja charakterystyki u D (f IN ) pętli fazowej Zmontuj układ według schematu pomiarowego przedstawionego na rys. 7. Rys. 7. Układ do obserwacji charakterystyki u D (f IN ) pętli fazowej Do podłączenia napięcia wyjściowego detektora fazy u D użyj kabla BNC-dc. W yloskopie włącz sprzężenie i wyzwalanie dc (tryb XY). Ustaw następujące parametry sygnału przemiatającego: Przebieg wyjściowy : sinus Amplituda wyjściowa : 2,5V Charakterystyka przemiatania: liniowa Szybkość przemiatania: 10Hz Częstotliwość początkowa przemiatania : 2kHz Częstotliwość końcowa przemiatania : 110kHz Układy Z Pętlą Sprzężenia Fazowego Strona 6 z 7
Symetria sygnału przemiatania : 50% Nie zapomnij o włączeniu przemiatania częstotliwości. Zaobserwuj wpływ parametrów sygnału przemiatającego na kształt badanej charakterystyki. 4.7. Obserwacja działania pętli fazowej jako eliminatora szumu Zmontuj układ według schematu pomiarowego przedstawionego na rys.8. Dobierz częstotliwość sygnału wejściowego tak, aby pętla była w stanie synchronizacji. Rys.8. Eliminator szumu Na ekranie yloskopu obserwuj przebiegu u S, u S + n, u VCO. Zbadaj wpływ zmian stosunku sygnału do szumu (pokrętło gain ) na pracę układu. Układy Z Pętlą Sprzężenia Fazowego Strona 7 z 7