1

Detekcja synchroniczna i PLL

Układ mnoŜący-detektor fazy !

VCC VCC

2

Detekcja synchroniczna

≠=

=21

211, 0

cos

ωωωωϕ

dla

dlaUU średniewy

Gdy na wejścia podamy przebiegi o różnych częstotliwościach U1cos(ω1t) i U2cos(ω2t+φ) oraz U2

ma dużą amplitudę to:

Gdy na wejścia podamy przebiegi o różnych częstotliwościach U1rec(ω1t) i U2rec(ω2t) to:

≠=−

=21

211, 0

)2/(

ωωωωπϕ

dla

dlaUU średniewy

2π

Uwy.średnie

2π

MnoŜenie dwućwiartkowe

φ

2π

φ

Uwyj średnie

3

MnoŜenie cztero-ćwiartkowe

φ

2π

φ

Uwyj średnie

+1

-1

MnoŜenie cyfrowe

1

23

A

ExOR (albo)

2π

φ

φ

Uwyj średnie

4

Detekcja synchroniczna

)cos( tA ω(+)

R

C

AU średniewy ∝;

VCC VCC

Detekcja synchroniczna

Obiekt fizyczny

Układ mnożący == detektor synchroniczny

R

C

Informacja o reakcji obiektu na wymuszenie

Obiekt fizyczny

Filtr B~1/RC

RC rzędu 10s => B rzędu 0.1Hz

Przesuwnik fazy

5

Detekcja synchroniczna

• Detekcja synchroniczna

• Detekcja homodynowa

• Lock-in amplifier

Lock-in amplifierprzykład

6

Detekcja synchroniczna gdy φ≠0Detektor kwadraturowy lub I&Q

)cos( tA ω

)cos(ϕAI =

AU średniewy ∝.

Obiekt fizyczny

+90o

(+)

(.)2

(.)2

(+ φ)

)sin(ϕAQ =

∗

Detektor synchroniczny scalonynp. NE612 lub NE602

(moŜe być mieszaczem)

7

Detektor synchroniczny scalonynp. AD630

Modulacja DSB-S.C. !!!

Pętla synchronizacji fazowejPLL (Phase Locked-Loop)

( )ϕω += ttAU wej )(sin

Służy do synchronizacji przebiegów

-tzn. na wyj ściu uzyskuje si ę sygnał o „dokładnie” tej samej cz ęstotliwo ści, co sygnał wej ściowy i tej samej fazie (z dokładno ścią do stałej)

PLL

( )0)(sin ϕϕω ++= ttAU wyj

8

PLL

• Synchronizuje się do częstotliwości podstawowej lub harmonicznych

• MoŜe utrzymywać częstotliwość przy zanikach sygnału wejściowego (filtr całkujący)

• Sygnał wejściowy moŜe być mocno zaszumiony lub zakłócany (fazowo lub amplitudowo)

• Z szumu wyławia jeden sygnał (ma charakter filtru selektywnego)

PLL – schemat blokowy

wyweu ϕϕϕ −∝

Det. fazy

kd[V/rad]

Filtr

H(s)[V/V]

VCO

kf[rad/Vs]fu

Φin(s)

Φout(s)

9

„Sygnały fazy”

( )

( ))()(

)(sin

)()(

)(sin

st

ttAU

st

ttAU

outout

outout

inin

inin

ΦΦΦ+=

ΦΦΦ+=

f

f

ω

ω

Całkujący charakter VCO

( ) ( )

( )

)()(

)()()(

)()(

"")()(

)()(

)(sin)(sin

0

0

0

0

0

0

0

sUs

kt

dttuktdttukt

tukdt

td

potrzebyztukt

definicjizdt

tdt

tAttA

f

t

f

t

f

f

f

fϕ

ωω

ω

ωω

ω

ϕω

∫∫ +=+=Φ

+=Φ

+≡

Φ≡

Φ=+

W przekształceniu Laplace’s całkowaniu odpowiada

dzieleniu przez s

10

PLL – schemat blokowy

wyweu ϕϕϕ −∝

( )( ) s

ksHk

s

ssG f

din

outotw )()( =

ΦΦ≡

Det. fazy

kd[V/rad]

Filtr

H(s)[V/V]

VCO

kf[rad/Vs]fu

Φin(s) Φout(s)

Typ układu PLL

))(()(

)()(swielomians

sliczniksH

s

kksG

typ

fd

in

outotw ==

ΦΦ≡

Typ = krotność zerowego bieguna transmitancji otwartej pętli

11

PLL – schemat blokowy

wyweu ϕϕϕ −∝

Det. fazy

kd[V/rad]

Filtr

H(s)[V/V]

VCO

kg[rad/Vs]fu

Φin(s) Φout(s)

)()(

)()(

)(

)()(

sresztas

sLicznik

sMianownik

sLicznik

sHkks

sHkksG

rzadgd

gd

in

outzam +

==+

=ΦΦ≡

Rząd układu =

rząd mianownika funkcji transmitancji układu z zamkniętą pętlą

Detektory fazyukład próbkująco - pamiętający

WYWE

St

)cos(0 ϕπ

wewyŚy

UU =

2π

φ

12

Detektory fazybramka EXOR

1

23

A

ExOR (albo)

2π

φ

Detektory fazyklucz (układ mnoŜący)

)cos(0 ϕπ

wewyŚy

UU =

)sin(0 tUU wewe ω=WYWE

St

φ

2π

13

Detektory fazyklucz (układ mnoŜący)

2/0. ϕweśredniewy UU =

WYWE

St

φ

Detektory fazyukład mnoŜący

VCC

)sin(0 tUU wewe ω=

φ

φ2π

Uwy.średnie

Gdy φ=0

14

Detektor podwójnie zrównowaŜonyDouble-balanced mixer

VCC VCC

Detektory fazy i częstotliwości z przerzutników D

15

Detektory fazy i częstotliwości z przerzutników D

Generatory VCO- integrator przerzutnik

16

Generatory VCO- ze sprzęŜeniem emiterowym

CUI

fBE4

=

Bezpośrednia modulacja częstotliwościVCO- Voltage Controlled Oscillator

VCC

))((

1

2

1

0 tmfV

u

CC

LC

o

+Ω=Ω

−=

=Ωπ

Funkcja mocno nieliniowa !!!!!

17

PLL = filtr

CsRRCsR

sH)(1

1)(

21

2

+++=

C

R1

R2

CR2

R1CsR

CsRsH

1

21)(

+=

PLL funkcja przenoszenia układu z pętlą otwartą

s

kk

CsRR

CsRsG fd

otw ⋅++

+=)(1

1)(

21

2

C

R1

R2

CR2

R1s

kk

CsRCsR

sG fgotw ⋅+=

1

21)(

Typ pierwszy

Typ drugi

18

PLL funkcja przenoszenia układu z pętlą zamkniętą

+=+

=K

KKnn

2

22

121

;τωξ

ττω

22

2

2

2)(

nn

nn

n

zam ss

sK

sGωξω

ωωξω

++

+

−=

fd kkKCRCR === 2211 ττ

C

R1

R2

Rząd drugi

Pulsacja swobodna i stała tłumienie drugi

nL ξωω 2=∆

28nnC K ωξω

πω −=∆

( )2

2

2 nCt ξω

ω∆=

PLL funkcja przenoszenia układu z pętlą zamkniętą

1

2

1 2;

ττξ

τω KK

n ==

22

2

22

)(nn

nnzam ss

ssG

ωξωωξω++

+=

fd kkKCRCR === 2211 ττCR2

R1

Rząd drugi

Pulsacja swobodna i stała tłumienie drugi

nL ξωω 2=∆

28nnC K ωξω

πω −=∆

( )2

2

2 nCt ξω

ω∆=

19

PLL - reakcja na sygnał wejściowy

dt

tdt

st

ssGs

out

outout

inzamout

)()(

)()(

)()()(

Φ=

ΦΦΦ=Φ

ω

f

Skokowa zmiana fazy(np.. PSK impulsowa modulacja fazy)

Skokowa zmiana częstotliwości(np. FSK impulsowa modulacja

częstotliwości)

Liniowa zmiana częstotliwości(np. modulacja „chirp”)

ϕ∆=Φ )(tin ssin

ϕ∆=Φ )(

ttin ω∆=Φ )( 2)(

ssin

ω∆=Φ

3)(

s

Vsin =Φ

3)(

s

Vsin =Φ

PLL zakresy chwytania i trzymania

TCL ωωω <<

tu kG =kf

uf

20

PLL proces synchronizacji

kf k

uω∆=

uf

tC

PLL zastosowania

• Demodulacja AM

• Detekcja synchroniczna

• Modulatory i demodulatory FM i PM

• Synteza częstotliwości

• Synchronizacja systemów telekomunikacyjnych

21

Pętle scalone4046

4046 detektor fazy I

22

4046 komparator fazy II

4046 charakterystyka

Charakterystyka Detektor I (efor) Detektor II

Brak sygnału na wej ściu f wyj=f0 fwyj=fmin

Przesuni ęcie fazy we/wy90deg dla f 0

0 do 180 na granicach 2f T0deg

Syn. Do harmonicznych synchronizuje Nie synchronizuje

Odporno ść na szum duza mała

2fT (trzymanie) fmax - fmin

2fC (chwytanie) f C < fT (zależy od filtru) f C= fT

23

4046 zastosowaniedemodulator FM

4046 zastosowaniedemodulator AM

24

PLL układy scaloneLM565 (do 500kHz)

LM565

25

NE564

NE564 (do 50MHz)

26

NE567

NE567

27

Synteza częstotliwości

n

f

k

f outin =

Det. fazy Filtr VCO:k

:n

fin

foutfin/k

fout/n

inout fk

nf =

ADF4360-7(350-1800MHz)

28

ADF4360-7(350-1800MHz)

ADF4360-7generator 500MHz

29

Podsumowanie detekcja synchroniczna i PLL

• Zasada detekcji synchronicznej

• Detektor podwójnie zrównowaŜony

• Detektor kwadraturowy

• Zasada działania PLL

• Przykłady bloków funkcjonalnych (detektor fazy, VCO, filtr)

• Zastosowania (detektor AM, detektor FM i PM, synteza częstotliwości)