Aplicacin PLL para Control de Frecuencia

Aplicacin PLL para Control de FrecuenciaINTEGRANTES:--Marco Quispe Palacios --

Introduccin

Los circuitos de fase fija son de gran uso en los sistemas de comunicacin, cumpliendo distintas funciones tales como: Generacin de frecuencias, Modulacin, Demodulacin, etc. Se utilizan en etapas receptoras y transmisoras, ya sea para modulacin analgica o digital. Gracias a los avances tecnolgicos, en la actualidad, podemos disponer de un gran nmero de Circuitos Integrados y mdulos que permiten realizar circuitos de fase fija de pequeo tamao, gran confiabilidad y bajo costo. En los ltimos aos los PLL adquirieron gran desarrollo, los que por su simplicidad y costo han visto generalizado su uso. En la actualidad es el mtodo ms popular en la generacin sintetizada de frecuencias.

Sntesis de Frecuencia

Osciladores LCOsciladores controlados por cristal

VentajasPosibilidad de variabilidad en la frecuencia de salida.DesventajasPobre estabilidad en frecuencia.

VentajasEstabilidad en frecuencia.DesventajasNo variabilidad de la frecuencia de salida.

La sntesis de frecuencia consiste en la generacin de una seal de frecuencia variable, utilizando para esto dos o ms osciladores interconectados de forma conveniente. A fin de aprovechar las ventajas de los dos osciladores anteriores es que se desarrollaron los osciladores sintetizados o sintetizadores de frecuencia.

Sntesis de FrecuenciaLa sntesis de frecuencia puede hacerse de dos formas: una llamada Sntesis Directa y la otra llamada Sntesis Indirecta.

Sntesis Directa: La sntesis de frecuencia Directa consiste en efectuar con una o ms seales de frecuencia estable, operaciones matemticas (sumas, restas, multiplicaciones y divisiones) a fin de obtener en la salida una seal cuya frecuencia sea la deseada. Este mtodo tiene la ventaja de que si el oscilador base es un oscilador muy estable, tambin lo sern las distintas frecuencias de salida. Este tipo de sntesis fue el que primero se utiliz y no se utiliza en la actualidad debido a su gran complejidad, se debe realizar gran nmero de operaciones, requiere gran nmero de bloques, entre ellos filtros muy complejos, resultando esto en un costo elevado.

Sntesis de FrecuenciaSntesis de frecuencia Indirecta - PLL ( Phase Loocked Loop ):

El primer PLL fue implementado alrededor del ao 1932 por el Ing. Francs Bellescize. Las aplicaciones industriales de los PLL, solo pudieron ser posibles con la aparicin de los PLL en circuitos integrados, los primeros PLL en IC aparecieron alrededor de 1965 y eran totalmente analgicos, llegndose a la actualidad en la que se dispone de circuitos integrados que conforman un PLL completo.

Este circuito nos permite, mediante una seal generada internamente (referencia), controlar un lazo o bucle (PLL) y obtener en la salida una seal cuya estabilidad en frecuencia depende de la estabilidad de la seal de control o referencia.

PLL ( Phase Loocked Loop ) Los PLL son de uso masivo en los equipos de comunicaciones, ya sea para radiodifusin, telefona, transmisin de datos, generadores de RF, etc.A los PLL se los puede clasificar de acuerdo a su composicin y a su forma de funcionamiento, esta clasificacin es la siguiente:

1 - LPLL ( PLL lineal )2 - DPLL ( PLL Digital )3 - ADPLL ( PLL Totalmente digital )4 - SPLL ( PLL Software )

PLL ( Phase Loocked Loop )Anlisis de un PLL: Bsicamente un PLL es un sistema de control realimentado donde la seal de realimentacin es una frecuencia en lugar de una tensin. Cuando la seal de salida requerida es la frecuencia del Vco, el resultado es la obtencin de una seal de frecuencia variable con una gran estabilidad.

Anlisis de Un PLL como Oscilador: El diagrama en bloques bsico de un PLL a utilizar como oscilador sintetizado de frecuencia, se puede ver en la figura siguiente:

Detector de faseVcoFiltro% por N

Osc. de refer.Salida

FUNCIONAMIENTO DE PLL PLL es un sistema de control retroalimentado de lazo cerrado en el que la frecuencia de la seal de voltaje retroalimentada es el parmetro de inters, y no solo el voltaje , el pll proporciona una sintona selectiva y filtrado de frecuencia sin necesidad de bobinas o de inductores.el circuito basico de fase cerrada se ve a continuacin y consiste en cuatro bloques primarios :

.

Un comparador(mezclador) de fase, un filtro pasa bajas , un amplificador de baja ganancia (amplificador operacional) y un oscilador controlado por voltaje (VCO), cuando no hay seal externa de entrada , el voltaje de salida Vsal es igual a cero. el VCO funciona a una frecuencia establecida llamada frecuencia natura o de funcionamiento libre(fn) que se ajusta con un capacitor y resistor externo

Si se aplica al sistema una seal de entrada , el comparador de fase compara la fase y la frecuencia de la seal de entrada con la frecuencia natural del VCO y genera un voltaje de error, vd(t) que se relaciona con la diferencia de fase y frecuencia entre las dos

seales este voltaje de error se filtra, amplifica y aplica a la terminal de entrada del VCO . si la frecuencia fi de entrada es suficientemente cercana a la frecuencia natural de VCO Fn , la naturaleza de retroalimentacin del PLL hace que se sincronice o amarre el VCO con la seal de entrada

intervalos de enganche y de captura los dos parmetros de los PLL que indican su intervalo de frecuencia til son el intervalo de enganche y el intervalo de captura .

intervalo de enganche

se define al intervalo de enganche como el margen de frecuencias cercanas a la frecuencia natural del vco fn dentro del cual el Pll puede mantener la sincronizacin con una seal de entrada.

esto presupone que al principio al pll estaba sincronizado con la entrada. el intervalo de engancha tambin se llama intervalo de rastreo es el margen de frecuencias dentro del cual el pll , rastrea o sigue con exactitud a la frecuencia de entrada el intervalo de enganche aumenta cuando aumenta la ganancia general del lazo del pll .

el intervalo de retencin es igual a la mitad del intervalo de enganche es decir

intervalo de enganche =2*intervalo de retencin la relacin entre los intervalos de enganche y de retencin se ve

a continuacin se puede ver en el siguiente esquema

intervalo de enganche del PLL

INTERVALO DE CAPTURA .-Se define como la banda de frecuencias cercanas a fn donde el PLL puede establecer o adquirir enganche con una seal en entrada . el intervalo de captura esta en general entre 1.1 y 1.7 por la frecuencia natural del VCO. el intervalo de captura tambin se llama intervalo de adquisicin y se relaciona con el ancho de banda del filtro de paso bajo , o pasa bajas.

El intervalo de captura un PLL disminuye cuando se reduce el ancho de banda del filtro . el semi intervalo de captura es el intervalo mximo de captura ( es decir intervalo de captura=2*semi intervalo de captura) en el diagrama de frecuencias de la figurase muestran los intervalos y semI intervalos de captura . la frecuencia mnima en la que el pll se puede sincronizar se llama limite inferior de captura(fcl) y la frecuencia mxima a la que se puede enganchar el pll se llama limite superior de captura fcu

el intervalo de captura nunca es mayor que y casi siempre es menor que el intervalo de enganche. La relacin entre los intervalos de captura enganche ,retencin y semi intervalo de captura se ilustra en el diagrama de frecuencias de la figura ntese que el intervalo de enganche> intervalo de captura y que el intervalo de retencin>=semi intervalo de captura

oscilador controlado por voltaje un oscilador controlado por voltaje (vco) es un oscilado con forma mas especifica un multivibrador de funcionamiento autnomo con una frecuencia estable de oscilacin que depende de un voltaje de polarizacin externo la salida de un voc es una frecuencia y su entrada es una seal de polarizacin o de control que puede ser un voltaje de cd o de ca . cuando se aplica un voltaje de cd o de ca de variacin lenta en la entrada del vco. la frecuencia de salida cambia , o se desva en forma proporcional , en la figura se muestra una curva de transferencia ( frecuencia de salida en funcion de las caractersticas del voltaje de polarizacin en la entrada ) de un vco caracterstica .

la frecuencia de salida (f0) con voltaje de polarizacion de 0 v en la entrada es la frecuencia natural del vco ,fn que esta determinada por una red externa rc y el cambio en la frecuencia de salida causa por un cambio de voltaje de entrada se llama desviacin de frecuencia afen consecuencia f0=f0*af siendo f0 = la frecuencia de salida del vco . para que haya en Af simtrica . la frecuencia natural del vco debe estar centrada en la parte lineal de la curva de entrada - salida . lafuncion de transferencia de un vco es KO=AF/AV

En la que ko=funcino de transferencia de entrada - salida (hertz por volt)

Av=cambio de voltaje de control en la entrada (volts)Af=cambio en la frecuencia de salida(hertz)

Tambin llamado detector de fases , es un dispositivo no lineal con dos seales de entrada : una frecuencia generada externamente (fi) y la frecuencia de salida del VCO (fo) La salida de un comparador de fase es el productor de las dos seales con frecuencias fi y f0 y por consiguiente , contiene sus frecuencias de suma y diferencias (fi+/- fo) A continuacin se muestra un comparador de fases sencilloCOMPARADOR DE FASES

Problema 1 un bucle de enganche de fase tiene un vco con una frecuencia de funcionamiento libre de 12mhz .a medida que se incrementa poco a poco desde cero la frecuencia de la entrada de referencia , el bucle se engancha a 10MHZ y sale del enganche de nuevo a 16 MHZ .

a) determine el intervalo de captura y el intervalo de enganche b) suponga que se repite el experimento pero esta vez la entrada de referencia empieza con una frecuencia muy alta y desciende en forma permanente . proponga las frecuencias a las que se alcanzara y se perdera la sincronizacin

el intervalo de sincronizacin o enganche es casi dos veces la diferencia entre la frecuencia a la que se pierde la sincronizacin y la frecuencia de funcionamiento intervalo de sincronizacin =2(16mhz-12mhz)intervalo de sincronizacin=8mhz

b)la respuesta en frecuencia del pll es (por lo menos en forma aproximada) simtrica es decir . la frecuencia de funcionamiento libreesta en el centro de los intervalos de sincronizacin y de captura . la frecuencia a la que se adquirir la sincronizacin a valores de frecuencia cada vez menores es 12mhz + 2mhz=14mhz la sincronizacin se perder excrementando la frecuencia en 12mhz-4mhz=8mhz

a)el intervalo de captura es aproximadamente dos veces la diferencia entra la frencia de funcionamiento libre y la frecuencia a la que logra la sincronizacion inicial para este ejemplo

intervalo de captura =2(12mhz-10mhz)intervalo=4

Aplicaciones del PLL Demodulacin de seales enFMyFSK, tambin se aplican en demodulacionesQPSK(una de las configuraciones es el bucle de costas).Filtros de seguimiento.Osciladores muy estables.Modulacin y demodulacin de seales en FM.Sintetizadores de frecuencia

A modo de ejemplo, se presentan algunas de las mltiplesaplicaciones de los circuitos de enganche de fase.

Aplicacin 1:Una de las aplicaciones principales del PLL es la deteccin y separacin de componentes del espectro de la seal de entrada contenidos en el margen de captura. Por ejemplo, la tensin de entrada en el caso de la figura es cuadrada con 5(V) de amplitud y frecuencia de 140(Hz) y su sptimo armnico (980Hz y 910mV) cae dentro del margen de captura controlando la frecuencia de la seal de salida

Sintona del PLL con el sptimo armnico de una seal de entrada cuadrada de 140 (Hz).

Aplicacin 2Constituye una aplicacin interesante del PLL el filtrado o reconstruccin de seales con altos niveles de ruido. Por ejemplo, en la figura muestra la respuesta del circuito ante una seal de entrada de 1040 (Hz) altamente contaminada; puesto que la componente fundamental es la nica situada dentro del margen de captura, se produce una sintona a su frecuencia.

El PLL ante una seal de entrada sinusoidal contaminadade 1040 (Hz).

Aplicacin 3:El fundamento de los sintetizadores de frecuencia reside en la realimentacin del circuito de un PLL mediante un divisor de frecuencia (relacin N), vase la figura. Con ello se consigue la sintona cumpliendo la relacin o = N i .

Diagrama en bloques de un sintetizador de frecuencia