apr.04.malhas de fase sincrona

INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa

INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS

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Malha de Fase Síncrona PLL – Phase Locked Loop



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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



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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



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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• ...



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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



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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


UE ,fE, φE US ,fS, φSUVCO



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Detector de faseDigital – XOR

A

BA⊕B

A B A⊕B

0 0 00 1 11 0 11 1 0

A

B

A⊕B



8


A

B

A⊕B

VE

VS

Funciona com qualquer forma de sinalCom componente contínua ou bipolares?



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A

B

A⊕B

A

B

A⊕B

Se a diferença de fase aumenta, a componente DC de saída do filtro também aumenta



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∆φ = φE – φS

UFPB

π0



11

Detector de faseDigital – XOR com Flip-Flops

A memória introduzida com os flip-flops permite modificar a resposta em fase do DF



12

Detector de faseDigital – XOR com Flip-Flops



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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



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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)



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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



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VCOIdeal Real



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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?



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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



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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



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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



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Sincronismo – Bandas

Sincronismo?

De certeza

Sincronismo?

??

Banda de Captura

Banda de Seguimento

f



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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



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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



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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



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• 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

=



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• Por exemplo, para N=4


N=4fIN fOUT

VIN

VOUT

Como se gera uma frequência múltipla ??



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N

Detector de Fase


fIN fOUT

fDIV

OUTDIV

ffN

=

OUTDIV IN

ff fN

= =

OUT INf Nf=

N é inteiro !!



28

Síntese de frequências (ex.)

N=4

Detector de Fase


fIN fOUT

fDIV

VOUT

VIN

VDIV



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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 ]



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Síntese de frequências 2

1OUT

DIVffN

=

1 2OUTIN

DIV DIVfff f

M N= = =

OUT INNf fM

=

N

Detector de Fase


fDIV2 fOUT

fDIV1

MfIN

2IN

DIVffM

=

N e M são inteiros !!



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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?



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Modulação AM

X

Sinal audio a transmitir

Portadora Sinal AM



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• 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



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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?



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• 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



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Desmodulação FM

Detector de Fase


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



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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

http://www.fairchildsemi.com/ds/CD/CD4046BC.pdf�



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PLL integrado

Realimentação Detector de fase

Filtro passa baixo

VCO



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)

http://voyager.jpl.nasa.gov/�



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)

http://www.esa.int/esaMI/SMART-1/index.html�

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