APR.04.Malhas de Fase Sincrona
-
Upload
tio-marcelino -
Category
Documents
-
view
160 -
download
5
Transcript of APR.04.Malhas de Fase Sincrona
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
1
Malha de Fase Síncrona PLL – Phase Locked Loop
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
2
Evolução Histórica
• Para a recepção de um sinal de rádio modulado em amplitude (AM), é necessário um oscilador local com a frequência da portadora transmitida
• A mistura do sinal do oscilador local com o sinal recebido permite obter uma representação do sinal modulante
• No entanto, pequenos desvios do oscilador local provocam a deterioração do sinal obtido
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
3
Evolução Histórica (cont.)
• A solução consiste em comparar a frequência do oscilador local com a entrada através de um detector de fase
• O sinal de erro gerado pelo detector de fase, é usado para corrigir a frequência do oscilador local
• Sistema com realimentação para gerar localmente um sinal com a frequência exacta do sinal AM de entrada
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
4
Aplicações• Televisão• Rádio telemetria dos satélites• Receptores AM e FM• Descodificadores FSK - Frequency Shift Keying
• Controlo da velocidade em motores• Síntese de frequência• Teclados de telefones (Touch Tone)• Telefones móveis• ...
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
5
Diagrama de blocos
Detector de Fase (DF)Gera um sinal proporcional à diferença de fase dos sinais de entrada. Implementação digital (por exemplo XOR) ou analógica (multiplicador)
Filtro Passa Baixo (FPB)Elimina componentes de frequência superior na saída do DF
Detector de Fase
Filtro Passa Baixo VCO
UE ,fE, φE US ,fS, φSUVCO
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
6
Diagrama de blocos
Oscilador controlado por tensão (VCO)Oscilador local controlado pela tensão UVCO
Gera sinusóides ou sinais com outra forma A frequência de saída (US) é proporcional à tensão de entrada do VCOPara uma situação de sincronismo (fS=fE) em que fEpermanece constante, UVCO=cte
Detector de Fase
Filtro Passa Baixo VCO
UE ,fE, φE US ,fS, φSUVCO
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
7
Detector de faseDigital – XOR
A
BA⊕B
A B A⊕B
0 0 00 1 11 0 11 1 0
A
B
A⊕B
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
8
Detector de faseDigital – XOR
A
B
A⊕B
VE
VS
Funciona com qualquer forma de sinalCom componente contínua ou bipolares?
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
9
Detector de faseDigital – XOR
A
B
A⊕B
A
B
A⊕B
Se a diferença de fase aumenta, a componente DC de saída do filtro também aumenta
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
10
Detector de faseDigital – XOR
∆φ = φE – φS
UFPB
π0
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
11
Detector de faseDigital – XOR com Flip-Flops
A memória introduzida com os flip-flops permite modificar a resposta em fase do DF
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
12
Detector de faseDigital – XOR com Flip-Flops
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
13
Detector de faseAnalógico – Multiplicador
XuE(t) uDF(t)
uS(t)
( ) ( ) ( )
( )
( )
cos 2 cos 2
cos 22
cos 22
DF E E E S S S
E SE S E S
E SE S E S
u t k A f t A f tA Ak f f t
A Ak f f t
×
×
×
= π + φ π + φ
= π − + φ − φ +
π + + φ + φ
E Sf f=
( ) ( )CORTADO PELO FILTRO PASSA BAIXO
cos cos 42 2E S E S
DF E S E E SA A A Au t k k f t× ×= φ − φ + π + φ + φ
0E Sf f f− = ∆ ≈
( ) ( )CORTADO PELO FILTRO PASSA BAIXO
cos 2 cos 42 2E S E S
DF E S E E SA A A Au t k ft k f t× ×≅ π∆ + φ − φ + π + φ + φ
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
14
Detectores de fase
• Para o multiplicador, os sinais de entrada devem ser sinusoidais
• Para os detectores de fase com circuitos lógicos, os sinais de entrada devem ser sinais lógicos
• Se nas entradas estiverem comparadores, então podem ter qualquer forma (sem componente DC)
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
15
Detectores de fase• Existem ainda outros detectores de fase digitais com
esquemas mais complexos que permitem uma saída em três estados (ON, OFF e HI-Z)
• O estado HI-Z permite desligar a entrada do filtro e simplesmente manter a saída anterior
• Também permite efectuar ajustes diferenciais para o filtro
• Um exemplo, é o Detector de Fase II do CMOS 4046
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
16
VCOIdeal Real
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
17
Sincronismo – XOR• Sincronismo é obtido quando fE=fS• Se a frequência de entrada aumentar (fE ↑ ),
a diferença de fase aumenta (DF ↑ ),a tensão à entrada do VCO aumenta (UVCO ↑ ),a frequência de saída do VCO aumenta (fVCO ↑ )
• Ou seja, a frequência de saída tenta compensar a subida da frequência de entrada
• A diferença de fase aumenta!• Mas mantém-se sempre o sincronismo?
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
18
OK
Sincronismo – XOR• Para que a tensão à entrada do VCO aumente
(UVCO ↑ ) quando a diferença de fase aumenta (DF ↑ ) é necessário que dUFPB/d∆φ>0
∆φ = φE – φS
UFPB
π0
Com o XOR, a diferença de fase encontra-se limitada, no sincronismo, entre 0 e π
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
19
Sincronismo – XOR• Quando o DF é o XOR, a tensão de saída do conjunto
DF e filtro encontra-se entre 0 e 5 V (valor de tensão correspondente ao nível lógico 1)
• Como existe uma relação directa entre a tensão de entrada do VCO e a sua frequência de saída, estes níveis de tensão definem os limites de frequência do sincronismo do PLL
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
20
Sincronismo – Bandas• Quando existe sincronismo, a frequência do sinal de
entrada pode variar dentro da banda de seguimento do PLL [(fseguimento)min ; (fseguimento)max] que este consegue acompanhar (seguir) as variações da frequência do sinal de entrada
• Quando não existe sincronismo, a frequência do sinal de entrada tem de entrar dentro da banda de captura do PLL [(fcaptura)min ; (fcaptura)max] para que o PLL adquira sincronismo
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
21
Sincronismo – Bandas
Sincronismo?
De certeza
Sincronismo?
??
Banda de Captura
Banda de Seguimento
f
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
22
Banda de Seguimento – XOR• Como se viu, o funcionamento do PLL está limitado à zona do DF
entre 0 e π (para o XOR)• Estes limites correspondem à banda de seguimento• Mas quais são as frequências?
(fseguimento)min ⇔ VMIN ⇔ DF = 0º(fseguimento)max ⇔ VMAX ⇔ DF = 180º
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
23
Sincronismo – Diferença de Fase
• Com o XOR ou o multiplicador como detector de fase, existe sempre uma diferença de fase entre os sinais de entrada e saída no sincronismo
• Com DF tipo II usado no CMOS 4046, é possível eliminar essa diferença de fase
• Com este detector de fase a banda de captura é quase idêntica à banda de seguimento
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
24
Sincronismo – Harmónicas• Com o XOR existe também sincronismo para as
harmónicas impares dos sinais de entrada.fE = fS fE = 3×fS
• E sincronismo com as harmónicas impares do sinal de saída?
• Com o DF tipo II ou com o multiplicador não é possível sincronismo com as harmónicas impares
UE
US
XOR
UE
US
XOR
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
25
• Como gerar um sinal cuja frequência é submúltipla de um sinal original?
• Utilizando um divisor/contador
• Circuito digital que conta N impulsos de entrada e gera 1 de saída
• Não consegue contar ½ impulso....• N tem de ser inteiro !!
Síntese de frequências
NfIN fOUT IN
OUTffN
=
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
26
• Por exemplo, para N=4
Síntese de frequências
N=4fIN fOUT
VIN
VOUT
Como se gera uma frequência múltipla ??
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
27
Síntese de frequências
N
Detector de Fase
Filtro Passa Baixo VCO
fIN fOUT
fDIV
OUTDIV
ffN
=
OUTDIV IN
ff fN
= =
OUT INf Nf=
N é inteiro !!
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
28
Síntese de frequências (ex.)
N=4
Detector de Fase
Filtro Passa Baixo VCO
fIN fOUT
fDIV
VOUT
VIN
VDIV
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
29
Síntese de frequências• Se usarmos um PLL que, sem divisor, tem como
banda de seguimento [ f1 ; f2 ]• A introdução de um divisor por N na malha de
realimentação, não altera a banda de saída, pois esta é limitada pela gama de funcionamento do VCO
• Assim, a banda de seguimento do sinal de entrada é alterada para [ f1/N ; f2/N ]
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
30
Síntese de frequências 2
1OUT
DIVffN
=
1 2OUTIN
DIV DIVfff f
M N= = =
OUT INNf fM
=
N
Detector de Fase
Filtro Passa Baixo VCO
fDIV2 fOUT
fDIV1
MfIN
2IN
DIVffM
=
N e M são inteiros !!
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
31
Modulação AM
• AM – Amplitude modulation• O sinal a transmitir modula em amplitude
uma portadora• Como se gera um sinal AM ?• Como se efectua a desmodulação do sinal
AM?
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
32
Modulação AM
X
Sinal audio a transmitir
Portadora Sinal AM
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
33
• Gerando localmente um sinal com a frequência da portadora, é possível obter o sinal transmitido (por multiplicação)
• Como garantir a mesma frequência??
• O PLL tem de incluir, na banda de captura, a frequência da portadora
• A banda completa do sinal AM tem de estar dentro da banda de seguimento do PLL
Desmodulação AM
Sinal AM PLL X FPB Sinal audio desmodulado
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
34
Modulação FM
• FM – Frequency modulation• O sinal a transmitir modula em frequência
uma portadora• Como se gera um sinal FM ?• Como se efectua a desmodulação do sinal
FM?
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
35
• O objectivo é mudar a frequência de uma sinusóide de acordo com a variação do sinal a transmitir
• Como se faz?• VCO
Modulação FM
Sinal audio a transmitir Sinal FMVCO
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
36
Desmodulação FM
Detector de Fase
Filtro Passa Baixo VCO
Sinal FM
Sinal audio desmodulado
• Se aplicar o sinal FM a um PLL?• Se a banda do sinal de entrada estiver dentro da banda
de seguimento e incluir a banda de captura• fVCO=fFM
• Então na entrada do VCO, tem de estar um sinal que provoque a mesma variação de frequência no VCO
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
37
PLL integrado
• CMOS 4046• Inclui:
– Dois detectores de fase diferentes– VCO– Malha aberta
• Não inclui:– Filtro passa baixo
• As frequências de funcionamento são determinadas por componentes externos
• Utilizador define: fVCOmin, fVCOmax, fFPB, N
http://www.fairchildsemi.com/ds/CD/CD4046BC.pdf
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
38
PLL integrado
Realimentação Detector de fase
Filtro passa baixo
VCO
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
39
Aplicações
• Recepção de sinais rádio de veículos espaciais
• Efeito de Doppler:– Na aproximação f aumenta
– Quando se afastam f diminui
• Voyager 1 e 2– 1977, quase 30 anos, previsão de funcionamento 2020
– Distâncias: 100 AU e 80 AU (1 AU ≈ 152×106 km)
INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS
40
Aplicações
• Veículos orbitais ou que usam a gravidade da terra para aumentar a velocidade e atingir outras órbitas (ESA SMART-1)
• Nestes casos verificam-se as duas situações...
• Para garantir estabilidade do downlink emitido pelos veículos, estes usam o sinal de uplink para gerar coerentemente o downlink (com um factor multiplicativo)