Generatori di segnale. Generatore sinusoidale BF. Generatori di funzione. Generatori sinusoidali a RF. Generatori a battimenti. Oscillatori a quarzo

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1 Generatori di segnale Generatore sinusoidale BF Generatori di funzione Generatori sinusoidali a RF Generatori a battimenti Oscillatori a quarzo Generatori di segnale sintetizzati Politecnico di Torino 1

2 Obiettivi della lezione Metodologici come generare una frequenza agganciandola in fase ad un oscillatore di elevata qualità applicazione di un PLL (Phase Locked Loop) esigenze di avere un oscillatore con il comportamento di un quarzo a frequenza variabile Progettuali analisi di sistemi circuitali di complessità medio alta applicazione di un circuito ad aggancio di fase stima delle prestazioni Politecnico di Torino 2

3 Prerequisiti per la lezione Sistemi elettronici: funzionalità di un PLL comparatore di fase divisori numerici di frequenza oscillatore controllato in tensione (VCO) Fondamenti di controlli automatici: sistemi controreazionati 5 Bibliografia per la lezione Phase-Locked Loop Basics" W. Egan, Wiley InterScience, July 1998 Frequency Synthesis V.F. Kroupa Wiley, New York, 1973 Misure elettroniche S. Leschiutta Pitagora Editrice, Bologna, 1996, cap. 10, pag Politecnico di Torino 3

4 Contenuti della lezione : Principio del PLL La sintesi indiretta Prestazioni del generatore Applicazioni del generatore Esercizi: dimensionamento generatore per sintesi indiretta Politecnico di Torino 4

5 Caso di frequenze uguali Due frequenze perfettamente uguali hanno differenza di fase costante 9 Caso di frequenze diverse Frequenze diverse hanno differenza di fase variabile linearmente col tempo (es. ω 1 > ω 0 ) Φ=k(t) Φ=k(t) Φ=2π t Politecnico di Torino 5

6 Principio del PLL 1/2 Schema a blocchi di principio QUARZO f COMPARATORE DI FASE f 0 V(t) Φ INTEGRATORE FILTRO P.B. VCO Oscillatore Controllato in tensione Tensione di Controllo VCO 11 Principio del PLL 2/2 Il sistema ad anello chiuso agisce in modo da annullare l errore di fase Φ (o a mantenere Φ=cost.) controllando la frequenza f 0 del VCO In conclusione il sistema tende ad ottenere f 0 =f Politecnico di Torino 6

7 Generatore a sintesi indiretta 1/4 Per rendere il PLL adatto a generare molteplici frequenze si modifica lo schema precedente aggiungendo dei divisori di frequenza QUARZO f Circ. squadratore DIVISORE NUMERICO DI FREQUENZA :N f /N COMPARATORE DI FASE V(t) Φ f u f u /M DIVISORE NUMERICO DI FREQUENZA :M Circ. squadratore INTEGRATORE FILTRO P.B. Tensione di Controllo VCO VCO Politecnico di Torino 7

8 Generatore a sintesi indiretta 2/4 QUARZO f Circ. squadratore DIVISORE NUMERICO DI FREQUENZA :N Il sistema opera in modo di avere: fu f = M N f u f u f u si varia variando N e M = M N f f /N COMPARATORE DI FASE f u /M DIVISORE NUMERICO DI FREQUENZA :M Circ. squadratore VCO V(t) Φ INTEGRATORE FILTRO P.B. Tensione di Controllo VCO 15 Generatore a sintesi indiretta 3/4 I divisori sono di tipo numerico (contatori programmabili) con N e M interi Impostando N e M si può variare f u con passo di discretizzazione La massima risoluzione di frequenza vale Politecnico di Torino 8

9 Generatore a sintesi indiretta 4/4 Il limite inferiore a dipende dalla frequenza più bassa a cui può lavorare il PLL Per non avere costanti di tempo del f.p.b. troppo alte, si ha Politecnico di Torino 9

10 Prestazioni della sintesi indiretta 1/2 Pregi (rispetto alla sintesi diretta): minore complessità circuitale possibilità di usare circuiti integrati (al limite 1 oscillatore a quarzo e 1 circuito integrato) economicità notevole (costi inferiori di vari ordini di grandezza) 19 Prestazioni della sintesi indiretta 2/2 Difetti: risoluzione molto minore frequenza meno stabile e meno accurata (funzionamento dell anello chiuso che pendola intorno alla condizione di Φ=0) lentezza nelle transizioni da una frequenza all altra per le costanti di tempo dell anello Politecnico di Torino 10

11 Applicazioni sintesi indiretta 1/2 Oscillatori locali di radioricevitori e TV: i canali hanno una ampia spaziatura tale che non si richiede elevata risoluzione di frequenza applicazione economica facile commutazione di frequenza con telecomando Politecnico di Torino 11

12 Applicazioni sintesi indiretta 2/2 Generatori segnali B.F. uso generico di laboratorio Generatori segnali RF: si arriva anche alle microonde usando tecniche miste di sintesi diretta e indiretta Politecnico di Torino 12

13 Esercizio 1: testo Si definiscano i parametri essenziali di un sintetizzatore a sintesi indiretta e cioè: range di frequenza del VCO frequenza del quarzo fattori di divisione I generatore deve avere le seguenti caratteristiche: banda di frequenza 85 MHz 108 MHz passo di frequenza 0.1 MHz 25 Quesiti posti Quesito n.1 si disegni lo schema a blocchi del sintetizzatore Quesito n.2 nell ipotesi che l incertezza del quarzo utilizzato sia ± e che il funzionamento del PLL sia ideale, si calcoli l incertezza assoluta della frequenza di uscita, rispetto alla nominale, in corrispondenza degli estremi della banda Politecnico di Torino 13

14 Soluzione: Soluzione al quesito n.1 1/3 Si disegni lo schema a blocchi del sintetizzatore QUARZO f Circ. squadratore Dati 85 fu 108MHz f u = 0,1MHz DIVISORE NUMERICO DI FREQUENZA :N f u f /N COMPARATORE DI FASE f u /M DIVISORE NUMERICO DI FREQUENZA :M Circ. squadratore VCO V(t) Φ INTEGRATORE FILTRO P.B. Tensione di Controllo VCO 27 Soluzione al quesito n.1 2/3 l anello di controllo funziona in modo da avere f f u, N = M f f, conn e M M N interi u = la risoluzione assoluta di frequenza (minimo passo di variazione) vale 1 f u = f min N max per soddisfare la specifica f umin =0,1MHz si può scegliere f = 1MHz e N= Politecnico di Torino 14

15 Soluzione al quesito n.1 3/3 le frequenze minima e massima di uscita si hanno rispettivamente per f f umin umax M = N M = N min max max max f f = 85MHz, = 108MHz, M M min max = 850 = 1080 ovviamente il VCO deve essere in grado di generare questa frequenze 29 Soluzione: δf δf essendo si ottiene u min u max δf f δf f f M δf Soluzione quesito n.2 Se l incertezza su f =± e il funzionamento del PLL è ideale, calcolare l incertezza assoluta delle frequenze di uscita f umin e f umax = = δf u 5 u = f, = = 2 10 N fu f f f u min u max = = = 1700 Hz 6 = 2160 Hz Politecnico di Torino 15

16 Esercizio 2: testo Nel generatore sintetizzato di figura, che utilizza un VCO con gamma di frequenza compresa tra 1MHz e 10MHz, quanto valgono la minima f umin e la massima f umax frequenze di uscita? f 1 MHz Divisore da N min =1 a N max =10 3 Compar. di fase Sistema di aggancio PLL Divisore da M min =1 a M max =10 4 VCO 1 MHz 10 MHz f u 31 Soluzione 1/2 Sulla base dei valori di N, M ed f si sarebbe portati a calcolare 4 f f u, N = Mmax f f M N 1 Hz u max = = = in realtà la minima frequenza del VCO vale [ f ] min VCO min= 1MHz per cui questo è il minimo valore che può essere generato e la combinazione M min e N max non è accettabile Politecnico di Torino 16

17 Soluzione 2/2 In modo analogo sulla base dei valori di N, M ed f si sarebbe portati a calcolare f f u, N = 4 Mmax f f M N 1 Hz u max = = = min in realtà la massima frequenza del VCO vale [ f ] VCO max= 10MHz per cui questo è il massimo valore che può essere generato e la combinazione M max e N min non è accettabile Politecnico di Torino 17

18 Approfondimenti I seguenti concetti devono essere meditati e risultare chiari dallo studio della lezione: confronto di fase tra due frequenze informazione della differenza di fase come segnale di errore per il controllo della frequenza del VCO modalità di variazione della frequenza del VCO in funzione della frequenza desiderata in uscita limitazioni alla minima risoluzione del generatore instabilità di frequenza lentezza nelle commutazioni 35 Sommario della lezione : Principio del PLL La sintesi indiretta Prestazioni del generatore Applicazioni del generatore Esercizi: dimensionamento generatore per sintesi indiretta Domande di riepilogo Politecnico di Torino 18

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