Esercitazione 4:
PLL CON CIRCUITO INTEGRATO CD4046
Obiettivo
Verificare il funzionamento di un PLL per segnali digitali, con misure dei campi di
cattura e di mantenimento. Verificare l’effetto di variazioni dello smorzamento sulla
risposta al transitorio (come demodulatore FM).
Analizzare i segnali presenti nel VCO.
Analizzare il comportamento di PLL con demodulatore di fase a EX-OR e di tipo PFD.
Specifiche
Questa esperienza prevede l’impiego 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:
Campo di mantenimento: 20 kHz - 80 kHz
Campo di cattura: 10% del campo di mantenimento
Caso 2:
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 4046. 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.
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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 sempre segnali di valore piccopicco inferiore al campo massa-alimentazione (l'ingresso ha un circuito squadratore, e
sono accettati anche segnali molto piccoli).
Verificare il comportamento dei demodulatori di fase I e II, commutando l’ingresso del
filtro tra le due uscite.
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.
Nell’esempio a lato i segnali sono in rapporto intero di frequenza (1:3), e compaiono
stabili.
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.
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Determinare il coefficiente Kd (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.
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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).
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.
VDD
It
I1
I2
VC
R1
VY
VX
R2
FF
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).
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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 VDD/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. L’ampiezza di entrambi i
campi non dipende dall’ampiezza del
segnale (a causa del comparatore
presente all’ingresso).
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 VCC. Campo di
mantenimento e campo di cattura
coincidono.
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
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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
demodulatore 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).
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