Esercitazione 5 : PLL CON CIRCUITO INTEGRATO CD4046

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1 Esercitazione 5 : PLL CON CIRCUITO INTEGRATO CD4046 Specifiche Verificare il funzionamento in diverse condizioni e determinare il valore di alcuni parametri del PLL integrato CD4046. Il circuito comprende due demodulatori di fase. Per ciascuno di essi viene verificato il funzionamento su due diversi campi di frequenza. Caso 1: Caso 2: Campo di mantenimento: 20 khz - 80 khz Campo di cattura: 10% del campo di mantenimento Campo di mantenimento: 50 khz - 60 khz Campo di cattura: 30% del campo di mantenimento Tensione di alimentazione: 5 V Progetto Utilizzare i grafici e le formule riportati sulle caratteristiche del Nella raccolta di data-sheet su web sono presenti quelli per il componente National (CD4046BC) e Motorola (74HC4046A); analizzare entrambi per valutare quale offre le informazioni meglio utilizzabili. I parametri di questo circuito integrato hanno tolleranze molto ampie. I risultati delle misure possono discostarsi dai dati di progetto anche del 20% in più o in meno. Misure Ad anello aperto, ricavare la caratteristica del VCO (applicare una tensione di controllo Vc compresa tra massa e alimentazione). La misura va ripetuta per i due campi di frequenza indicati nelle specifiche. Determinare il coefficiente Ko (Hz/V) per i due campi di frequenza. Verificare le forme d'onda sul condensatore del VCO e giustificarne l andamento. Sull ingresso Vi verso i demodulatori di fase è presente un circuito che ripristina un valore di tensione continua corrispondente alla soglia del comparatore; il segnale deve essere quindi applicato tramite un condensatore (determinarne il valore opportuno in base alla resistenza equivalente di ingresso). Applicare segnali di valore picco-picco inferiore al campo massa-alimentazione (anche molto più piccoli; l'ingresso ha un circuito squadratore). 1

2 Per le misure indicate nel seguito, la frequenza del generatore esterno che fornisce la Vi deve poter essere variata anche di piccole quantità. Se il generatore non ha una regolazione fine di frequenza, inserire una piccola corrente variabile di correzione nell'ingresso di controllo esterno (VCG). Ad anello chiuso, verificare qualitativamente che il PLL agganci il segnale di ingresso (applicare all'ingresso segnali con frequenza prossima a quella centrale del campo misurato in precedenza). Per verificare l'aggancio collegare i due canali dell'oscilloscopio all oscillatore esterno e al VCO, sincronizzando l'asse tempi su uno dei due; a PLL agganciato i due segnali sono stabili sullo schermo. Controllare che le frequenze del segnale di ingresso e del VCO siano uguali, per verificare che non si tratti di un campo di aggancio secondario. Variando la frequenza del segnale di ingresso, misurare le frequenze di aggancio e di sgancio. Esplorare nei due versi un campo di frequenze leggermente più ampio di quello misurato come caratteristica del VCO, per rilevare gli estremi dei campi di cattura e di mantenimento. La misura va ripetuta in quattro condizioni diverse (due campi di frequenza, due demodulatori di fase). Rilevare l'andamento dello sfasamento tra segnale di ingresso e oscillatore locale al variare della frequenza del segnale di ingresso (entro il campo di mantenimento). Commutando l ingresso del filtro tra i due demodulatori, verificare il diverso sfasamento in condizione di aggancio. Determinare il coefficiente K d (V/rad) per i demodulatori di fase, discutendo le possibilità di misura per il DF II.. Per questo calcolo conviene utilizzare i risultati delle misure precedenti (sfasamento in funzione della frequenza), e la caratteristica fo(vc) del VCO, ricordando che la Vc non è altro che la componente continua della Vd. Verificare l'esistenza di campi di aggancio secondari (tra armoniche dei segnali di ingresso e del VCO). Spostare il condensatore di temporizzazione del VCO da uno dei morsetti verso massa; verificare le nuove forme d'onda sul condensatore e giustificare il loro andamento. Il componente 74HC4046 ha tre demodulatori di fase; ripetere la verifica dei campi di cattura e di mantenimento con questo terzo circuito, oppure realizzare un demodulatore di fase esterno (ad esempio con FF S-R sensibile alle transizioni, come indicato nel testo), inserirlo in sostituzione di quelli interni e verificare il comportamento del PLL. 2

3 Esperienza dimostrativa Forme d onda del VCO Il VCO del 4046 è del tipo a carica/scarica di un condensatore con corrente It controllata da Vc/R1 e da R2. Nella configurazione in figura il morsetto X del condensatore è a massa, e nel morsetto Y entra la corrente It. Il condensatore si carica a corrente costante (andamento lineare della tensione Vy) fino al superamento della soglia Vt del comparatore collegato al morsetto di destra (commutazione A in figura). V DD V C I 1 I 2 R 1 R 2 I t V X V Y FF Il morsetto X del condensatore viene collegato verso il generatore di corrente, e il morsetto Y viene nello stesso momento portato a massa. La tensione sul morsetto X dovrebbe portarsi a Vt. Intervengono però le giunzioni verso il substrato che bloccano la tensione a 0,6 V. Da tale valore la tensione sale linearmente (carica a pendenza costante), fino a raggiungere la soglia. Vx Vy La tensione su Vx sale fino a Vt, e in C il morsetto X viene nuovamente commutato verso massa (tratto D). La tensione differenziale ai capi del condensatore è la somma di un onda triangolare (carica e scarica del condensatore) e di un onda quadra (commutazione dei morsetti). 3

4 Con un generatore modulato in frequenza è possibile visualizzare la caratteristica a farfalla direttamente sullo schermo di un oscilloscopio. L'oscilloscopio deve essere predisposto in modo X-Y; inviare all'ingresso orizzontale il segnale modulante (onda triangolare) e sull'asse Y la tensione presente sul condensatore del filtro d'anello. Nel diagramma, ricavato con il demodulatore I (EX-OR), sono ben individuati i campi di mantenimento (M) e di cattura (C). Con il demodulatore I il valore medio della tensione di controllo del VCO è pari alla tensione Vc a riposo (circa V DD /2). Agli estremi della caratteristica sono presenti delle nonlinearità dovute alla saturazione del VCO. Nella seconda figura è stata diminuita la costante di tempo del filtro d anello; l effetto filtrante è meno accentuato, il battimento sulla Vc (a PLL non agganciato) ha maggiore ampiezza, e pertanto si allarga il campo di cattura. Il campo di mantenimento, che dipende solo dai parametri in continua, rimane invariato. La caratteristica a farfalla a lato è ricavata con il demodulatore di fase II (circuito sequenziale). Il comportamento di questo demodulatore è analogo a quello di in filtro attivo (guadagno infinito in DC). La tensione Vc è l integrale degli errori rilevati ciclo per ciclo, e al di fuori del campo di mantenimento satura verso massa o verso l alimentazione V CC. Campo di mantenimento e campo di cattura coincidono. 4

5 Verificare che riducendo la variazione di frequenza del segnale di ingresso fino a restare dentro il campo di mantenimento il PLL non perde l'aggancio (non occorre che la frequenza del segnale di ingresso rientri nel campo di cattura). In queste condizioni il PLL opera come demodulatore di frequenza. Ampliando l escursione di frequenza e usando il demodilatore I diventano visibili i campi di aggancio secondari (battimento 0 tra armoniche dei segnali Vi e Vo). Dato che le armoniche hanno ampiezza minore della fondamentale, i campi secondari hanno minore ampiezza rispetto a quello principale. Ripristinando il funzionamento Y-T dell'oscilloscopio, osservare su un canale il segnale modulante e sull'altro la tensione in uscita dal filtro, che rappresenta la demodulazione FM del segnale di ingresso. Per segnale modulante a onda quadra e con filtro R-R-C, verificare la variazione dello smorzamento al variare del rapporto R1/R2 (mantenendo R1+R2 costante: le due resistenze vanno realizzate con un potenziometro). Verificare nelle stesse condizioni la risposta a modulazioni sinusoidali (presenta sovraelongazione per bassi smorzamenti). 5