Blocos Funcionais para Instrumentação

Transcrição

1 1 Instrumentação Electrónica Blocos Funcionais para Instrumentação Malha de Fase Síncrona PLL Phase Lock Loop - PLL

2 2 Canal História - PLL Para a recepção de rádio AM é necessário um oscilador local (receptor) com a mesma requência do sinal emitido. A mistura (produto) do oscilador local com o sinal recebido permite a extracção do sinal modulado. Contudo, pequenas alterações do oscilador local causam degradação signiicativa do sinal demodulado.

3 3 Aplicações - PLL Recuperação e identiicação de sinais de relógio e da portadora em sinais modulados. Sincronização de sinais em sistemas digitais. Sintetizadores de requência. Modulação e desmodulação de requência. Controlo de velocidade.

4 4 Aplicações - PLL Televisão Telemetria por satélite (rádio) (GPS, por ex.). Receptores AM e FM. Descodiicadores FSK - Frequency Shit Keying. Controlo da velocidade de motores. Sintetizadores de requência. Tons de toque em teleones. Telemóveis....

5 Diagrama de blocos - PLL U E, E, E Detector Fase Filtro Passa-Baixo U VCO VCO U S, S, S O objectivo do sistema é ter na saída um sinal cuja requência seja proporcional à requência do sinal de entrada. A variável de controlo é a FASE, não a requência. O sistem requer realimentação negativa para uncionar. 5

6 6 Diagrama de blocos - PLL U E, E, E Phase Detector Low-Pass Filter U VCO VCO U S, S, S Detector de Fase (DF) Gera um sinal cuja média é proporcional à dierença de ase (instantânea) entre as 2 entradas. Implmentação Digital com um XOR ou analógica com o multiplicadormisturador. Filtro Passa-Baixo (FPB) Suprime as requências elevadas (soma) do DF.

7 7 Diagrama de blocos - PLL U E, E, E Detector Fase Filtro Passa- Baixo U VCO VCO U S, S, S Oscilador controlado por tensão (VCO) Oscilador local controlado pela tensão U VCO. Gera ondas sinusoidais ou sinais com outra orma (quadrados, por ex.) Frequência de saída (U S ) é propocional à tensão na entrada do VCO. Sincronizado ( S = E ) na qual E se mantém constante, U VCO =cte.

8 8 Detector de Fase - PLL Digital - XOR A B A B A B AB A A B B

9 9 Detector de Fase - PLL Digital - XOR V E V S A B A B

10 10 Detector de Fase - PLL Digital - XOR A A B B A B A B

11 11 Detector de Fase - PLL Digital - XOR U FPB = E S 0

12 12 Detector de Fase - PLL Analógico - Multiplicador X u E (t) u DF (t) E S u S (t) cos 2 cos 2 u t k A t A t DF E E E S S S AA E S k cos 2 E S E S 2 t AA E S k cos 2 t 2 AE AS AE AS udf t k cos E S k cos 4Et E S 2 2 E S 0 CORTADO PELO FILTRO PASSA BAIXO E S E S AE AS AE AS udf t k cos 2t E S k cos 4Et E S 2 2 CORTADO PELO FILTRO PASSA BAIXO

13 13 VCO - PLL Ideal Real

14 14 Sincronização PLL A sincronização é conseguida quando E = S. Se requência de entrada aumenta ( E ), a dierença de ase também aumenta (DF ), a tensão à entrada do VCO aumenta (U VCO ), a requência de saída do VCO também aumenta ( VCO ). Realimentação negativa a requência de saída altera-se por orma a compensar a variação na entrada, com o intuito de minimizar o erro que é a dierença de ase. A dierença de ase na origem dos tempos entre a entrada e saída não é constante. Muda! Pode a sincronização ser mantida, sempre?

15 15 Sincronização PLL Para a tensão de entrada do VCO aumentar (U VCO ) quando a dierença de ase aumenta (DF ) é necessário que du FPB /d>0 U FPB OK Caso contrário a realimentação seria positiva 0 = E S A dierença de ase no sincronismo está limitada entra 0 e (tanto no XOR como no multiplicador).

16 16 Sincronização PLL Quando o DF é um XOR a tensão de saída do conjunto DF/Filtro Passa-Baixo está entre 0 e 5V (Lógica digital TTL). Como existe uma relação directa entre a tensão de entrada no VCO e a requência da sua saída, este intervalo de tensão deine o intervalo de sincronização máximo da PLL.

17 17 Sincronização PLL Sincronismo? Sincronismo? Banda de Captura Banda de Seguimento De certeza??

18 18 Síntese de Frequência - PLL ENTRADA Detector Fase Filtro Passa- Baixo VCO SAÍDA DIV N DIV DIV SAÍDA SAÍDA N ENTRADA N ENTRADA SAÍDA N

19 19 Síntese de Frequência - PLL ENTRADA M DIV2 Detector Fase Filtro Passa- Baixo VCO SAÍDA DIV1 N DIV 2 DIV1 SAÍDA N ENTRADA DIV1 DIV 2 SAÍDA N M ENTRADA M ENTRADA M SAÍDA N

20 20 AM Modulação/Desmodulação - PLL Portadora X Sinal AM Sinal áudio Sinal AM PLL X FPB Sinal Desmodulado A PLL necessita de ter a requência da portadora AM dentro da banda de seguimento.

21 21 FM Modulação/Desmodulação - PLL Sinal áudio VCO Sinal FM Sinal áudio Sinal FM Detector Fase Filtro Passa- Baixo VCO

22 22 Controlo Velocidade (CAV) - PLL

23 23 Síntese de Frequência- PLL Exemplo: O ormato DVD+RW utiliza uma deormação sinusoidal de elevada requência que é utilizada para sintetizar a requência de escrita.

24 Exemplo de Aplicação Recepção de sinais de satélites Eeito de Doppler (aprox. >, aast. < ). Voyager 1 e , dias, transmissão até Distâncias: 94 AU e 75 AU (*1 AU km). Veículos orbitais ou veículos que utilizam a gravidade dos plantetas (ESA SMART-1). Para garantir a estabilidade do sinal enviado para a Terra, utilizam o sinal emitido por esta para gerar a sua portadora de oma coerente com um actor multiplicativo (with a multiplying actor). * see in 24