1

Detekcja synchroniczna i PLL

Układ mnożący-detektor fazy !

VCC VCC

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

2

Mnożenie dwućwiartkowe

φ

2π

φ

Uwyj średnie

Mnożenie cztero-ćwiartkowe

φ

2π

φ

Uwyj średnie

+1

-1

Mnożenie cyfrowe

1

23

A

ExOR (albo)

2π

φ

φ

Uwyj średnie

3

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

Detekcja synchroniczna

• Detekcja synchroniczna

• Detekcja homodynowa

• Lock-in amplifier

4

Lock-in amplifierprzykład

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

(może być mieszaczem)

5

Detektor synchroniczny scalonynp. AD630

Modulacja DSB-S.C. !!!

Pętla synchronizacji fazowejPLL (Phase Locked-Loop)

( )ϕω += ttAUwej )(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

PLL

• Synchronizuje się do częstotliwości podstawowej lub harmonicznych

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

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

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

6

PLL – schemat blokowy

wyweu ϕϕϕ −∝

Det. fazy

kd[V/rad]

Filtr

H(s)[V/V]

VCO

kf[rad/Vs]fu

Φin(s)

Φout(s)

„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

7

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

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 rzad

gd

gd

in

outzam +

==+

=ΦΦ≡

Rząd układu =

rząd mianownika funkcji transmitancji układu z zamkniętą pętlą

8

Detektory fazyukład próbkująco - pamiętający

WYWE

St

)cos(0 ϕπ

wewyŚy

UU =

2π

φ

Detektory fazybramka EXOR

1

23

A

ExOR (albo)

2π

φ

Detektory fazyklucz (układ mnożący)

)cos(0 ϕπ

wewyŚy

UU =

)sin(0 tUU wewe ω=WYWE

St

φ

2

π

9

Detektory fazyklucz (układ mnożący)

2/0. ϕweśredniewy UU =

WYWE

St

φ

Detektory fazyukład mnożący

VCC

)sin(0 tUU wewe ω=

φ

φ2π

Uwy.średnie

Gdy φ=0

Detektor podwójnie zrównoważonyDouble-balanced mixer

VCC VCC

10

Detektory fazy i częstotliwości z przerzutników D

Detektory fazy i częstotliwości z przerzutników D

Generatory VCO- integrator przerzutnik

11

Generatory VCO- ze sprzężeniem 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 !!!!!

PLL = filtr

CsRR

CsRsH

)(11

)(21

2

+++=

C

R1

R2

CR2

R1 CsR

CsRsH

1

21)(

+=

12

PLL funkcja przenoszenia układu z pętlą otwartą

s

kk

CsRR

CsRsG fd

otw ⋅++

+=)(1

1)(

21

2

C

R1

R2

CR2

R1s

kk

CsR

CsRsG fg

otw ⋅+=1

21)(

Typ pierwszy

Typ drugi

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∆=

13

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

2)( ttin ω∆=Φ3

)(s

Vsin =Φ

PLL zakresy chwytania i trzymania

TCL ωωω <<

tu kG =kf

uf

PLL proces synchronizacji

kf k

uω∆=

uf

tC

14

PLL zastosowania

• Demodulacja AM

• Detekcja synchroniczna

• Modulatory i demodulatory FM i PM

• Synteza częstotliwości

• Synchronizacja systemów telekomunikacyjnych

Pętle scalone4046

4046 detektor fazy I

15

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/wy 90deg dla f 00 do 180 na granicach 2f T

0deg

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

Detektor FM

ktuftf

ftmftf

ftmftf

out

out

in

⋅+=∆⋅+=

∆⋅+=

)()(

)()(

)()(

0

0

0

Det. fazy Filtr VCO

fin(t) fout(t)

)()( tmk

ftu

∆=

)()( tmkf

tu∆=

16

4046 zastosowaniedemodulator FM

Detektor synchroniczny AM

Det. fazy Filtr VCOfin

fout

VCC VCC

4046 zastosowaniedemodulator AM

17

PLL układy scaloneLM565 (do 500kHz)

LM565

NE564

18

NE564 (do 50MHz)

NE567

NE567

19

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)

ADF4360-7(350-1800MHz)

20

ADF4360-7generator 500MHz

Podsumowanie detekcja synchroniczna i PLL

• Zasada detekcji synchronicznej

• Detektor podwójnie zrównoważony

• Detektor kwadraturowy

• Zasada działania PLL

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

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