Aufgabe 8: Phasenregelkreis (PLL Schaltung)

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1 Aufgabe 8: Phasenregelkreis (PLL Schaltung) Gruppe 7 Teilnehmer: André Borgwardt Lars Hammerbacher Marcus Witzke Protokollant: André Borgwardt Ort der Durchführung: Raum 257 Betreuer: Prof. Dr. Vetter Berlin, 22. Oktober 26

2 HF 7 Labor Gruppe 7 Seite 2 von 13 Inhaltsverzeichnis 1. inführung Versuchsaufbau Geräteliste Aufgaben Aufgabe Aufgabe Berechnung von k v Berechnung von k p Berechnung der Fangbereiche Messung

3 HF 7 Labor Gruppe 7 Seite 3 von inführung in PLL ist ein Regelkreis, dessen Aufgabe darin besteht, einen Oszillator in Frequenz und Phase mit einem ingangssignal zu synchronisieren. Sind die beiden Signale synchronisiert, so ist die Phasenverschiebung zwischen den Beiden ein festgelegter Wert. Tritt nun eine Phasenverschiebung zwischen den Signalen auf, die nicht dem festgelegten Wert entspricht, so wird der Oszillator solange nachgeregelt, bis die Phasenverschiebung wieder diesem Wert entspricht. Daher der Name Phasenregelkreis oder englisch Phase- Locked-Loop. Die PLL Schaltung wird unter anderem zur AM- und FM Demodulation, Frequenzsynthese, Frequenzsynchronisation, als Stereo Detektor und als Nachführ Filter verwendet. Bild 1: Blockschaltbild des Phasenregelkreises Hier bedeuten: VCO: Spannungsgesteuerter Oszillator U TP : Regelspannung für den VCO zur Frequenzänderung k v : Parameter des VCO (Aussteuerungssteilheit) Nω : Freilauffrequenz des VCO (ohne Regelspannung U TP) K p : Parameter des Phasenvergleichers (Zahlen und Dimensionsäquivalent)

4 HF 7 Labor Gruppe 7 Seite 4 von Versuchsaufbau 2.1. Geräteliste Art Hersteller Bezeichnung Signalgenerator Wandel&GoltermannMG 164 Oszilloskop Philips PM Multimeter Phillips PM 255 Millivoltmeter Phillips PM 2554 Frequenzzähler Phillips PM 6661 RC-Generator Phillips PM 519 FrequenzhubmesserTFH eigenbau Tastkopf 1:1 Mikrovoltmeter R&S UVM

5 HF 7 Labor Gruppe 7 Seite 5 von Aufgaben Für die folgenden Messaufgaben und unter Berücksichtigung des Versuchsaufbaus wird für den Faktor N eine 1 eingesetzt Aufgabe1 Messung der VCO Freilauffrequenz (Zähler) und der VCO Spannung Û ( Scheitelwert!) mit dem Millivoltmeter UVM / v2 mit zugehörigen Tastkopf 1 : 1 und nach geschalteten Oszilloskop. +1V -1V Ausgang VCO ingang Tastkopf 1:1 Mikrovoltmeter UVM Zähler PM6661 Oszilloskop PM Bild 2: Versuchsaufbau für Messung 1 f Für die VCO Freilauffrequenz wurde folgender Wert gemessen: f 1, 72M Uˆ Für die VCO Spannung ergaben sich folgende Werte: Uˆ Uˆ pp p Bild 3: VCO Spannung auf dem Oszilloskop

6 HF 7 Labor Gruppe 7 Seite 6 von Aufgabe 2 Aufnahme und Darstellung der Ausgangsspannung als Funktion der Frequenz der ingangsspannung bei U ein(eff.) 5 und 1. Die Frequenzwerte sollen bis zur Haltefrequenz variiert werden. Diese Messung soll jeweils für beide Grenzfrequenzen fg2,95k und fg22,1k durchgeführt werden. +1V -1V Signalgenerator MG 164 Ausgang VCO ingang Tastkopf 1:1 Zähler PM6661 Millivoltmeter PM2554 Zähler PM6661 Bild 4: Versuchsaufbau zur Messung PLL-Ausgangskennlinie für fg2,95k U1 U TP in f in M 43 1, , ,6 1,7 19 1,8 43 1,91 Ausgangsgleichspannung() ,4 1,536 1,6 1,71 1,8 1,91 ingangsfrequenz(mhz) In dieser Abbildung ist der Bereich dargestellt, in dem die PLL Schaltung eingerastet ist. Dabei ist zu erkennen, dass die PLL Schaltung für ingangsfrequenzen kleiner 1,4 M und größer 1,91 M ausrastet, d.h. sie regelt den Oszillator nicht mehr nach. Nachdem die Schaltung ausgerastet war, wurde die Frequenz bestimmt, ab welcher die Schaltung wieder den Oszillator nachregelt. Dabei ergab sich für die untere Schwelle eine Frequenz von f 1,652M und für die obere eine Frequenz von f 1,736M (rot dargestellt).

7 HF 7 Labor Gruppe 7 Seite 7 von PLL-Ausgangskennlinie für fg22,1k U1 U TP in f in M 44 1,4 19 1,6 1,7 25 1,8 44 1,91 Ausgangsgleichspannung() ,4 1,6 1,7 1,8 1,91 ingangsfrequenz(mhz) Mit größerer Grenzfrequenz des Tiefpasses kann die PLL Schaltung länger nachregeln kann. Nachdem die Schaltung ausgerastet war, wurde die Frequenz bestimmt, ab welcher die Schaltung wieder den Oszillator nachregelt. Dabei ergab sich für die untere Schwelle eine Frequenz von f 1,61 M und für die obere eine Frequenz von f 1,797 M PLL-Ausgangskennlinie für fg2,95 k U5 U TP in f in M 24 1, ,62 1,7 15 1, ,8 Ausgangsgleichspannung() ,57 1,62 1,7 1,76 1,8 ingangsfrequenz(mhz) s ergaben sich folgende Werte für den Halte und den Fangbereich: Haltebereich: 1,57 M bis 1,8 M Fangbereich: 1,66 M bis 1,72 M

8 HF 7 Labor Gruppe 7 Seite 8 von PLL-Ausgangskennlinie für fg22,1 k U5 U TP in f in M 24 1, ,61 1,7 15 1, ,8 Ausgangsgleichspannung() ,57 1,61 1,7 1,76 1,8 ingangsfrequenz(mhz) s ergaben sich folgende Werte für den Halte und den Fangbereich: Haltebereich: 1,57 M bis 1,8 M Fangbereich: 1,63 M bis 1,77 M Berechnung von k v Berechnung von k v aus (1). Dazu sollen die unter Messung 2 aufgenommenen Diagramme benutzt werden. ω (1) U TP 2πk v Nach umformen ergibt sich für k v folgende Formel: ω kv 2πU TP Für das Beispiel f 1,7 M, f 1,91 M, U TP 43 und fg2,95k ergibt sich folgendes k v. ω 2 * π * (1,91M 1,7M) kv -488,4 2πU 2 * π * ( 43 ) TP Für das Beispiel f 1,7 M, f 1,91 M, U TP 44 und fg22,1k ergibt sich folgendes k v ω 2 * π * (1,91 kv π 2 * π 2 U TP M 1,7M) * (44 ) 477,3

9 HF 7 Labor Gruppe 7 Seite 9 von 13 Für das Beispiel f 1,7 M, f 1,8 M, ergibt sich folgendes k v. ω 2 * π * (1,8M 1,7M) kv π 2 * π * ( 24 ) 2 U TP -416,7 U TP 24 und fg2,95k Für das Beispiel f 1,7 M, f 1,8 M, U TP 24 und fg22,1k ergibt sich folgendes k v ω 2 * π * (1,8 kv π 2 * π 2 U TP M 1,7M) * (24 ) 416,7 Somit ergibt sich für die Konstante k v (Aussteuerungssteilheit des VCO) ein Wert von etwa k v Berechnung von k p Berechnung von k P aus (14). (14) Δϖ H ϖ U ˆ U ˆ 4 k pkv max Nach umformen ergibt sich für k p folgende Formel: ω k p 4Uˆ Uˆ max okv Für f 1,71 M, f 1,91 M, Uˆ 19, U ˆ 2 *1 14, 14, fg2,95k und k v 45 ergibt sich nachstehendes k p. 2* π *(1,91M 1,7M) max 1 k p 273 V 4*14,14 *19 * 45 Für f 1,7 M, f 1,8 M, Uˆ 19, U ˆ 2 *5 7, 7, fg2,95k und k v 45 ergibt sich folgendes k p. 2* π *(1,8M 1,7M) max 1 k p 26 V 4*7,7 *19 * 45

10 HF 7 Labor Gruppe 7 Seite 1 von 13 Folglich erhält man für die Konstante k P (Parameter des Phasenvergleichers 1 (Zahlen und Dimensionsäquivalent) einen Wert von etwa k p 266,5. V Berechnung der Fangbereiche Berechnung der Fanbereiche nach (17) und Vergleich mit den Messungen von Messung 2. fg 2,95k und fg 22,1k. Δϖ F ϖ g Δϖ H (17) für fg 2,95k und Uˆ 14, 14 ergibt sich folgender Fangbereich: Uˆ Uˆ 1 Δϖ H 4 k pkv 4 *14,14 *19 * 266,5 * 45 ) V Δϖ H 1,289M Für den Haltebereich ergibt sich ein Zwischenergebnis von 1,289 M. Δϖ F ϖ Δϖ g H 2,95k *1,289M Δϖ F 61,66k Für die Grenzfrequenz von fg 2,95k ergibt sich ein Fangbereich von 154,6 k. ingangsspannung 5 1 TP-Grenzfrequenz 22,1 k 2,95 k 22,1 k 2,95 k Haltebereich 23 k 23 k 51 k 51 k (gem.) Fangbereich 14 k 6 k 196 k 84 k (gem.) Fangbereich (ber.) 119 k 43 k 168 k 62 k

11 HF 7 Labor Gruppe 7 Seite 11 von Messung 6 Anlegen einer frequenzmodulierten ingangsspannung (Trägerfrequenz VCO Freilauffrequenz) und Beobachtung und Messung der Ausgangsspannung. Dabei soll die ingangsspannung mit den Zeichenfrequenzen von 1k und 12k moduliert werden und die ingangsspannungen sollen 5 und 1 betragen. Die Ausgangsspannung der PLL Schaltung soll als Funktion des Frequenzhubs bis maximal 1k gemessen und dargestellt werden. Maximale Modulationsspannung am Messender U eff 1V!!! Messung bei Ue1 und f1 k Frequenzhub Ua in Ua in Frequenzhub in k Messung bei Ue1 und f12 k Frequenzhub Ua in Ua in Frequenzhub in k

12 HF 7 Labor Gruppe 7 Seite 12 von Messung bei Ue5 und f1 k Frequenzhub Ua in Ua in Frequenzhub in k Messung bei Ue5 und f12 k Frequenzhub Ua in Ua in Frequenzhub in k

13 HF 7 Labor Gruppe 7 Seite 13 von Fazit der Messung Ua in Frequenzhub in k