Zadání: Laboratorní úloha 7 Fázový závěs 1) Změřte regulační charakteristiku fázového závěsu. Změřené průběhy okomentujte. Jaký vliv má na dynamiku filtr s různými časovými konstantami? Cíl měření : 2) Jaký vliv má mezní frekvence filtru na pásmo zachycení fázového závěsu? 3) Navrhněte filtr typu dolní propust a měřením zjistěte funkci demodulátoru. 4) Navrhněte fázový závěs jako násobičku frekvence (násobení 2x, 4x, 8x a 16x). popsat funkci fázového závěsu a jeho aplikace, změřit regulační charakteristiku fázového závěsu, navrhnout, zapojit a změřit obvod frekvenční syntézy. Teoretický rozbor : Co je to fázový závěs? Fázový závěs, v odborné literatuře značený jako PLL Phase Locked Loop v překladu fázově zavěšená smyčka, je zpětnovazební obvod, jehož úkolem je udržovat fázi výstupního signálu se signálem vstupním. Z čeho se skládá fázový závěs? u in (t) f in,ϕ in u pd (t) u f (t) PD F VCO u out (t) f out, ϕ out PD (Phase Detector) fázový detektor F (Filter) filtr typu dolní propust VCO (Voltage Controlled Oscillator) napětím řízený oscilátor Jaká je funkce fázového závěsu? Jakmile je na vstup fázového detektoru přiveden signál u in (t) o určité frekvenci f in a fázi ϕ in bude na výstupu detektoru impulsní signál u pd (t), který je závislý na rozdílu fází signálu u in (t) a u out (t). Ten je poté vyfiltrován na řídící signál u f (t) a přiveden na vstup VCO. Na - 1 -
základě velikosti řídícího signálu u f (t) VCO vygenerovává výstupní signál u out (t) o frekvenci f out a fázi ϕ out (VCO je přelaďován ) tak dlouho, dokud není frekvence a fáze stejná jako u vstupního signálu u in (t). Tímto mechanismem dojde k sfázování ( zavěšení ) signálu. Pokud na vstup fázového detektoru není přiveden žádný signál u in (t), vyhodnocuje detektor pouze signál, který je vygenerován VCO. Signál u pd (t) je pomocí filtru typu dolní propust vyfiltrován a na výstupu je pomalu, nejlépe vůbec, se měnící řídící signál u f (t), který je přiveden na vstup VCO. VCO tedy generuje výstupní signál u out (t) s konstantní frekvenci f 0, která je označena jako vlastní frekvence VCO. Co je to pásmo zachycení a pásmo držení? Pásmo zachycení se značí 2 f C a znamená rozmezí frekvencí vstupního signálu, při nichž smyčka přejde do režimu zavěšení (synchronizace lock), i když v něm předtím nebyla. Pásmo držení se značí 2 f L a znamená rozmezí frekvencí vstupních signálů, v němž je smyčka schopna udržet zavěšení na vstupním signálu. Je dáno prakticky frekvenčním rozsahem VCO (f max - f min ). Jaké je použití fázového závěsu? Používá se jako fázový demodulátor, demodulátor FM, PM a AM signálů, úzkopásmová propust. Nejvýznamější je použití pro kmitočtovou syntézu. Jak vypadá obvod pro násobení frekvence? u in (t) f in u pd u f (t) PD (t) F VCO u out (t) N f out N / f out Dělič 1/N Zařazením čítače, který je funkci děliče, do zpětné vazby dostaneme obvod pro násobení frekvence. Pro obvod frekvenční syntézy by bylo nutno připojit na vstup PD čítač, který má poměr M. Tím bychom dostali velmi široké spektrum frekvencí, které jsou přesně odstupňovány. Popis měření na přípravku : Měření provádějte pro napájecí napětí o velikosti 5,6 V (svorky +U DD a GND) a až poté přepněte přepínač S1 do polohy ON. POZOR NA PŘEPÓLOVÁNÍ!!!!!!!!!! Aby bylo na vstupu jednotlivých obvodů 5 V, změřte velikost napájecího napětí v měřícím bodě označeným +U DDSK. 1.) Měření regulační charakteristika PLL Přepínače S2 a S3 musí být v poloze FIL. - 2 -
Pomocí přepínačů u jednotlivých filtrů (F1 F4) připojujeme dané filtry do obvodu PLL.Připojený filtr může být jen jeden a ne dva najednou! Měřící bod : OSC 1 zobrazení průběhu vstupního signálu z generátoru. OSC 2 zobrazení výstupního signálu z VCO OSC 3 zobrazení průběhu na výstupu z filtru Aby mohlo být provedeno měření regulační charakteristiky stačí vypnout generátor, vhodně nastavit osciloskop a generátor opět zapnout. 2.) Vliv mezní frekvence filtru na pásmu zachycení PLL Výpis hodnot jednotlivých filtrů : FILTR 1 R = 100 Ω, C = 22 nf FILTR 2 R = 1k Ω, C = 22 nf FILTR 3 R = 10k Ω, C = 22 nf FILTR 4 R = 100k Ω, C = 22 nf Nastavení přepínačů je stejné jako u úlohy A. Ovšem je nutno zde pro každý filtr změřit pásmo držení (synchronizace) PLL a vypočíst jeho mezní frekvenci. Pomocí vztahu (1) zjistíme pásmo zachycení : 2 f C 1 = π π 2 f RC L 1 = π π ( f max RC f min ) (1) 3.) Fázový demodulátor Přepnout spínač S3 do polohy DEM. GEN2 a GEN3 vstupní signály jejichž rozdíly demodulátor poté vyhodnocuje Filtr musí být navrhnut samostatně na nepájivém kontaktním poli. vstup filtru nutno připojit na svorku F1A výstup filtru na svorku F1B. svorky GND a demodulátor připojit voltmetr pro měření velikost střední hodnoty napětí získané fázovým rozdílem vstupních signálů 4.) PLL jako frekvenční syntetizátor Přepínač S2 je nutné uvést do polohy FS. GEN1 vstupní signál Čítač navrhněte na nepájivém kontaktním poli. Pro návrh použijte přiloženou literaturu. výstupy čítače Q0 Q3 připojte do svorek, které jsou pojmenovány stejným názvem. Pomocí přepínačů, každý je vždy pro jeden výstup Q, se provádí násobení frekvence, může být přepnut vždy pouze jeden přepínač. Průběhy se zobrazí pomocí bodů OSC 4 a OSC5. - 3 -
Obrázek měřícího modulu : - 4 -
Schéma zapojení: - 5 -