LABORATION I TELEKOMMUNIKATION FREKVENSMODULERING. Med PLL

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "LABORATION I TELEKOMMUNIKATION FREKVENSMODULERING. Med PLL"

Emma Marianne Danielsson
för 7 år sedan
Visningar:

1 LABORATION I TELEKOMMUNIKATION FREKVENSMODULERING Med PLL

2 Målsättning Att förstå principerna för faslåst slinga och kunna tillämpa det vid detektering av frekvensmodulerade signaler. Teori Kursbok, bilaga (data för CD4046). Förberedelseuppgifter 1. Vad menas med fas- och frekvensdeviation? 2. Hur ser ett frekvensspektrum ut, vid smalbandig FM, om bärvågsfrekvensen är f 0 och basbandsfrekvensen är f m? 3. Beskriv funktionen hos en faslåst slinga (PLL). Material Kopplingsdäck Integrerad krets CD4046 (2 st) Resistorer, kondensatorer Oscilloskop Pulsräknare (2 st) Frekvensgenerator Utförande I denna laboration kommer du att använda PLL-kretsen CD4046. Den innehåller 2 st fasjämförare som tillsammans med ett yttre LP-filter bildar fasdetektorn. De två jämförarna har något olika funktion. Phase comparator l är av typen XOR-grind och kräver att ingångarnas pulsförhållande är 50%. Phase comparator 2 har flanktriggad logik och ställer därmed inga krav på symmetri hos ingångssignalerna. Dess utgång, PC2 out är av typen tristate. 1. Dimensionera R 1, R 2 och C 1 så att VCO-frekvensen kan varieras mellan 100 khz och 400 khz. Tips: välj C 1 =220 pf. 2. Koppla upp VCO:n med komponentvärden enligt ovan. Använd matningsspänningen 5V. Observera att inhibit måste kopplas till jord. Anslut oscilloskop och frekvensräknare till oscillatorutgången och mät f min och f max genom att ansluta VCO-ingången till O V resp 5 V. Vid behov, justera komponentvärdena så du får det önskade frekvensområdet.

3 2.1. Mät sambandet mellan VCO:ns frekvens och styrspänning för O 5 V. Rita diagram och bestäm VCO:ns känslighet k o (Hz/V). 3. Du skall med hjälp av din krets generera en FM-modulerad signal. Basbandssignalen skall tas från en generator. Via den anpassning som finns på nästa sida matas signalen till VCO-in. VCO-ut ger då din frekvensmodulerade signal. Studera FM-signalen för olika kurvformer och frekvenser på insignalen. OBS! Riv ej denna koppling då du är klar! +5 V Generator + 10 k U 10 uf 10 k 3.1. Varför används anpassningen? 3.2. Vilken frekvens har din bärvåg? Varför? 4. Koppla upp en ny CD 4046 som faslåst slinga enligt fig. 3 i databladet. Dimensionera R 1, R 2 och C 1 enligt tidigare. Som filter används ett passivt LP-filter med R=10 kω och C=l nf. Den yttre signalanslutningen görs med hjälp av anpassningen nedan. Signalgeneratorn skall ha fyrkantvåg och mätningarna nedan skall utföras både för faskomparator 1 och Mät upp låsområde och infångningsområde genom att variera generatorns frekvens och studera generatorsignalen och VCOutgången på var sin oscilloskopkanal. Anslut gärna en räknare till vardera kanal Vilken/vilka frekvenser har signalen på VCO-utgången då PLL:en ej är låst? 5. FM-signalen från uppgift 2 skall nu demoduleras. Kopplingen från uppgift 3 skall nu användas som demodulator. Den demodulerade basbandssignalen får du efter LP-filtret. För att förbättra kurvformen på oscilloskopet kan du koppla in ett extra LP-filter vid mätningen ( R= 47 k, C=220 pf). ( Kopplas ej in i slingan ).

4 Studera utsignalen då du varierar basbandssignalens frekvens Välj en basbandsfrekvens ( << f o ). Rita en skiss av oscilloskopbilden med in och utsignal på vardera kanal. Ange vald frekvens Vilket bandbreddsbehov har din FM-signal ovan? Motivera! Redovisning 2. Valda komponentvärden 2.1. Diagram. Angivelse av k o 3.1. Svar och motiveringar Svar och motiveringar Lås- och infångningsområden Svar och motiveringar Signalernas utseende och frekvens Svar och motiveringar.

7 2.6 Faslåst slinga En vanligt förekommande byggsten i elektroniska system i allmänhet och kommunikationssystem i synnerhet är den faslåsta slingan (Phase Locked Loop, PLL). Principen beskrevs redan på 1930-talet men kom till allmän användning först när den kunde realiseras i form av billiga integrerade kretsar. Idag finns det en uppsjö varianter från skilda tillverkare. I sin grundform ser en faslåst slinga ut som i figur 2.48, och har den egenskapen att VCO:ns frekvens kan fås att exakt följa frekvensen hos en utifrån inmatad signal, u i. Detta i sin tur medför att den har några andra användbara egenskaper. Låt oss studera funktionen närmare. Utspänningen från en fasdetektor med känsligheten ("förstärkningen") k φ [V/rad] får, efter eventuell förstärkning, styra frekvensen hos en VCO med känsligheten k o [Hz/V]. Slingan sluts genom att VCO:ns utsignal påförs fasdetektorns ena ingång. VCO:ns frekvens styrs på tidigare angivet sätt så att: F o = f fr + k o V d där f fr är oscillatorns egenfrekvens (free running frequency ), dvs dess frekvens när V d = 0. Om kretsen matas utifrån med en signal med frekvensen f i, under f fr, kommer multiplikatorutspänningen att bestå av summa- och skillnadsfrekvens, f fr + f i och f fr - f i, med någon amplitud A. Den höga summafrekvensen spärras av LP-filtret. Med f i långt under f fr blir skillnadsfrekvensen så stor att signalen inte passerar LP-filtret, dvs V d = 0, och VCO:n svänger med f fr. Om f i successivt ökas, minskar skillnadsfrekvensen och den kan så småningom passera LP-filtret och V d räcker till för att ge så stor frekvensändring hos VCO:n att f o = f i. Man säger att VCO:n har fångats in av f i och att slingan är faslåst, med en konstant spänning V d och därmed fasskillnad mellan U i och U 0. Vi befinner oss då i punkt B i figur Om nu f i höjs följer VCO:ns frekvens med genom att fasvinkeln mellan U i och U 0 och därmed V d ändras. När f i = f fr är V d = 0 och därmed fasvinkeln pi/2 (se figur 2.44a). Eftersom maximala utspänningen från fas-

8 detektorn är A kan VCO:n bara följa med upp till någon högsta frekvens i punkten D. Ovanför denna återgår VCO:n till f fr. När f i sedan sänks sker på motsvarande sätt infångning vid C och släppning vid A. För att en frisvängande VCO ska fångas in och låsa måste f i ligga inom frekvensområdet mellan B och C, det så kallade infångningsområdet, (capture range). När den väl har låst kan den följa med i frekvensvariationer inom området mellan A och D, det så kallade låsområdet (lock range). Observera att det efter faslåsning inte existerar någon som helst frekvensskillnad mellan f i och f o, endast en fasskillnad. Låsområdet beror av slingförstärkningen (loop gain) k φ.k 0 och kan ökas med extra spänningsförstärkare i slingan. Infångningsområdet beror av bandbredden i LP-filtret. Om denna är tillräckligt stor blir lås- och infångningsområdena lika stora. Andra viktiga egenskaper är hur snabbt V d och VCO reagerar på en språngändring av f i, dvs PLL-kretsens dynamiska egenskaper. För djupare studium och dimensioneringsregler hänvisas till fabrikanternas databöcker. PLL-kretsar har många användningsområden varav vi ska nämna några. - Alstring av bärvåg till koherenta detektorer. Det torde inses av dess förmåga att exakt följa en frekvens. Figur Utspänningen från fasdetektorn, som ju är proportionell mot insignalens fasavvikelse från bärvågen, varierar kring ett medelvärde som motsvarar bärvågens fas. Detta medelvärde fås genom LP-filtrering av u m i ett LP-filter med mycket låg gränsfrekvens och kan användas för styrning av VCO:n.

9 Figur 2.50 Generering av koherent bärvåg och detektering av PM-signal - FM-detektor. Om kretsen matas med FM-signal med bärfrekvens f o = f fr kommer V d att variera med frekvensen (se figur 2.49). - Digital frekvenssyntes. Slingan i figur 2.51 ser till att f o / N = f ref, dvs f o = Nf ref. Om f ref erhålls från en högstabil kristalloscillator fås samma noggrannhet i f o som i denna. F o kan enkelt ändras genom att ändra N. Mer om detta i del 4, Radiosystem.

Relevanta dokument

Elektronik grundkurs Laboration 6: Logikkretsar

Elektronik grundkurs Laboration 6: Logikkretsar Förberedelseuppgifter: 1. Förklara vad som menas med logiskt sving. 2. Förklara vad som menas med störmarginal. 3. Förklara vad som menas med stegfördröjning.