Transcript Sintetizadores 2011

UTN FRBA
Medidas Electrónicas II
Unidad Temática Nro. 6
Sintetizadores
de frecuencia
v4 2011
UTN FRBA
Medidas Electrónicas II
Concepto general
Un sintetizador de frecuencia es un instrumento que a partir
de una frecuencia de referencia permite obtener un conjunto
discreto de frecuencias, tratando de mantener en todos los
casos las características de estabilidad de la frecuencia de
referencia.
La frecuencia de referencia puede ser interna a cristal o
externa de superiores características, como ser un cristal
calefaccionado de alta estabilidad, un oscilador disciplinado
por GPS o un oscilador atómico.
Clasificación general
Síntetisis directa analógica: (ADS) arquitectura “mix-filterdivide” usada en la década de 1960. Llegan a frecuencias muy
altas. Excelente pureza espectral. Costosos y voluminosos.
Rápida conmutación.
Síntetisis directa digital: (DDS) arquitectura “look-up table”.
Utiliza un DAC y una tabla en memoria. Ancho de banda
limitado (400MHz máx). Excelente resolución.
Sintetizador indirecto: Se basa en lazos enclavados en fase
(PLL: Phase locked loop), para mantenerlos enganchados con
la frecuencia de referencia.
Sintetizador directo analógico
Es un sistema que genera las frecuencias de salida en base a las
cuatro operaciones aritméticas fundamentales, utilizando
circuitos mezcladores (+ y -), generadores de armónicas (×) y
divisores de frecuencia (÷), con filtros adecuados para eliminar
las frecuencias indeseadas que se generen durante el proceso.
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Síntesis directa analógica
Modelo elemental:
Medidas Electrónicas II
Síntesis directa analógica
Ventajas: Elevada velocidad de conmutación de frecuencia
(solamente se deben mover llaves). Típicamente algunas
decenas de µs (20 a 50µs). Buena pureza espectral.
Desventajas: La abundancia de generadores de armónicas
obliga a emplear gran cantidad filtros que seleccionen cada una
de ellas. La presencia simultánea de muchas frecuencias en el
circuito exige cuidados especiales en los blindajes y aislaciones
particulares en las llaves selectoras para evitar que señales
espurias contaminen la salida.
Resultan instrumentos voluminosos y costosos.
Actualmente sólo se utilizan en aplicaciones específicas.
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Síntesis directa analógica
Medidas Electrónicas II
Hewlett Packard de 1965
http://bama.edebris.com/manuals/hp/5100a/
Diagrama en bloques de
la síntesis de
12,34567890 MHz de
un HP 5100A.
El HP 5110B es un
equipo auxiliar que
genera las frecuencias
de referencia.
Sintetizador indirecto
Utiliza uno o más osciladores controlados por tensión (OCT o
VCO: Voltage controlled oscillator) en lazos enclavados en fase
(PLL: Phase locked loop), para mantenerlos enganchados con
la frecuencia de referencia.
Pueden usarse uno o más lazos, con N entero o N fraccional.
Síntesis indirecta
Ventajas: dado que los osciladores enclavados en fase admiten
integrarse, necesitan menor cantidad de filtros y tienen menos
exigencias de blindaje, resultan instrumentos de menor tamaño
y más económicos.
Desventajas: el tiempo de conmutación es más grande, lo que
conlleva desenclavar el lazo, resintonizar, entrar dentro del
margen de captura y enclavado en la nueva frecuencia. (500µs a
200ms)
Si lo quisiéramos usar como generador de barrido puede llegar
a ser molesto.
Actualmente se utilizan los de síntesis indirecta.
Síntesis indirecta
Principio de funcionamiento de un PLL:
El comparador de fase produce idealmente, una señal KD⋅∆ϕ proporcional a la
diferencia de fase entre la señal de entrada v1 y la señal v2 generada por el
oscilador controlado por tensión (VCO) que, amplificada por el amplificador,
se aplica a la entrada vc del VCO. Este último produce una frecuencia f2 que
varía linealmente con vc.
La situación de equilibrio se alcanza cuando la señal KD⋅∆ϕ amplificada por el
amplificador es tal que, aplicada al VCO, hace que éste oscile exactamente a la
misma frecuencia que la entrada. En efecto, si fuera, por ejemplo, f1 > f2, la
diferencia de fase iría en aumento, lo cual haría que f2 aumentara, tendiendo a
acercarse a f1; y a la inversa si f1 < f2.
Síntesis indirecta
Principio de funcionamiento de un PLL:
Al detector de fase ideal se lo reemplaza por un circuito multiplicador seguido por un
filtro pasabajos.
Si las señales que ingresan al mismo son :
la multiplicación de estas señales aplicando identidades trigonométricas:
Si el filtro pasabajos elimina la frecuencia suma (ω1 + ω2):
Síntesis indirecta
Principio de funcionamiento de un PLL:
Pero (ω1 − ω2)t es precisamente la diferencia de fase ∆ϕ entre ambas señales,
Cerca de π/2 la relación es bastante lineal y se puede aproximar:
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Síntesis indirecta
Celda básica del PLL:
Estabiliza cuando
Medidas Electrónicas II
Síntesis indirecta
•El comparador de fase entrega una tensión proporcional a la diferencia de
fase entre las señales que llegan a él.
•La estabilidad se alcanza cuando fo/N = fr
•Puede haber una diferencia de fase entre fr y fo
•Resolución = fr Dada por la frecuencia de referencia (fo puede cambiar en
pasos de fr)
El ancho de banda del filtro del lazo está relacionado con:
•Velocidad de conmutación (t de conmutación pequeño →BW grande)
•Resolución (fr pequeña →BW pequeño) El ancho de banda típico es fr/10.
•Ruido (de la señal generada)
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Síntesis indirecta: Ruido
Medidas Electrónicas II
La frecuencia generada tiene fluctuaciones aleatorias, lo cual es equivalente a
decir que la fase tiene fluctuación aleatoria.
Cada bloque del PLL contribuye con su propio ruido al ruido total:
•VCO: el ruido generado pasa por el divisor y aparece a la salida del detector de fase,
pero el filtro de lazo deja pasar sólo las componentes dentro de su ancho de banda, lo
cual reduce el ruido dentro del BW pero no lo afecta fuera de él.
•Detector de fase: sólo las componentes
dentro del BW del filtro llegan al terminal
de control del VCO. El efecto
multiplicador del PLL hace aumentar este
ruido N veces.
•Referencia: su ruido dentro del BW del
filtro se multiplica por N al igual que el
del detector.
Un valor de N muy grande podría
degradar severamente el ruido de la
referencia.
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Síntesis indirecta: Ruido
Medidas Electrónicas II
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Síntesis indirecta: Ruido
Medidas Electrónicas II
El ruido se especifica por fluctuación aleatoria de fase.
Por lo general las bandas laterales son simétricas, por lo que se especifica solo
el ruido de una banda lateral: RBL (SSBN). Se mide la potencia de ruido en un
ancho de banda de 1 Hz a un offset determinado. Se mide en dBc/Hz.
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Síntesis indirecta: Ruido
Medidas Electrónicas II
•Esta es una de las especificaciones críticas, y en algunos casos es una de las
limitaciones para el uso de sintetizadores.
•No todos sirven para medir receptores de comunicaciones de alta selectividad.
Los no sintetizados entregan señales más limpias.
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Medidas Electrónicas II
Lazo sumador:
Estabiliza cuando
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Medidas Electrónicas II
Lazo sumador:
El mismo resultado se puede obtener con un mezclador o con otro método de
suma, pero la ventaja que este método presenta sobre los demás es que el filtro
pasa bajos es único.
Un mezclador sería:
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Medidas Electrónicas II
Sintetizador indirecto elemental:
f1 = fr · N1
f2 = fr · N2
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Medidas Electrónicas II
Sintetizador multilazo:
La primera de la derecha es la celda básica, las demás son sumadoras. La salida es fn.
Resolución:
→
Hay un lazo para cada dígito.
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Medidas Electrónicas II
Comparador de fase muestreado:
Frec. de muestreo:
Resolución:
M: subarmónica con
la que se realiza la
comparación de fase
•Aumenta la resolución.
•Exige presintonizar al VCO
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Sintetizador de un lazo con
comparador de fase muestreado:
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Normalmente M por diseño es fijo. Su objetivo es aumentar la resolución.
Se acelera la velocidad de conmutación, porque el conversor D/A coloca el OCT
cerca del valor final que prontamente se enclava.
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Sintetizador por división fraccional
Medidas Electrónicas II
Concepción del método:
•El divisor cambia periódicamente entre N y N+1
•Permite aumentar la resolución haciendo que N sea un promedio (no entero),
manteniendo el ancho de banda del filtro del lazo.
•Si quisiera aumentar la resolución con un N fijo, debería tener una fr chica y
un filtro de lazo angosto, lo que aumentaría el tiempo de conmutación.
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Sintetizador por división fraccional
Ejemplo numérico:
fr = 1 MHz
N = 10
durante 1µs está dividiendo por (N+1)
durante 9µs está dividiendo por N
Medidas Electrónicas II
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Sintetizador por división fraccional
Medidas Electrónicas II
Operación del comparador de fase:
•Vϕ varía linealmente con el tiempo porque la fase es la integral de la frecuencia.
•En realidad no son rampas sino escaleras dado que el detector es muestreador.
•Si aplicáramos esta señal al OCT la estaríamos modulando en frecuencia con lo
que la salida estaría lejos de una barra pura. La idea es generar otra señal igual y
opuesta a esta y sumarlas.
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Sintetizador por división fraccional
Medidas Electrónicas II
Diagrama funcional:
K: número digital de 5
dígitos que da la parte
fraccional de N
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Medidas Electrónicas II
Sintetizador por división fraccional
Operación del acumulador:
•Cada ciclo de fr vuelve a sumar K,
hasta que iguala o supera al módulo
10m en cuyo caso emite carry y
vuelve a cero.
•Durante el ciclo de fr en que se
emite carry, se le suma 1 a N y fo se
divide por N+1.
Ejemplo:
m = 2 →10m = 100
K = 30
Ro = 0 (resto inicial)
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Sintetizador por división fraccional
Medidas Electrónicas II
Operación del acumulador:
•El número de ciclos de acumulación necesarios para que el resto coincida con
el resto inicial (Rn = Ro) lo llamaremos n, y en el ejemplo n = 3.
•La cantidad promedio de ciclos de fr necesarios para producir un pulso de
carry es:
•Nótese que en este ejemplo, de los P pulsos, durante n = 3 se divide por N+1 y
durante P-n = 7 se divide por N.
•Dado un módulo 10m fijo (típico 105), variando K se puede gobernar el
número de ciclos de acumulación.
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Sintetizador por división fraccional
Medidas Electrónicas II
Acumulador - Ecuaciones:
Llamamos Ro al resto que tiene el acumulador en un momento dado y P1 a la cantidad
de periodos de reloj necesarios para igualar o superar al módulo 10m; de modo que si:
Llamamos R1 al resto que queda para el próximo ciclo de acumulación:
La secuencia es:
La secuencia se cierra cuando Rn = Ro,
y el número de ciclos de acumulación
necesarios para que ello ocurra lo
llamamos n
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Sintetizador por división fraccional
Medidas Electrónicas II
Acumulador - Ecuaciones:
Despejando Pi:
Hubo n ciclos de acumulación y en promedio hubo en cada uno de ellos P ciclos de fr:
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Sintetizador por división fraccional
Acumulador – Valor medio de N:
Como:
Medidas Electrónicas II
Sintetizador directo digital
Es un sistema que se basa en la teoría del muestreo.
Reconstruye la señal a partir de las muestras guardadas en
memoria que luego un conversor digital-analógico traduce en
un valor de tensión.
Sintetizador directo digital
Acumulador de fase: es un integrador digital. En cada pulso de
clock incrementa la cuenta un valor “M” programable.
Memoria: contiene una tabla con las muestras correspondientes
a un ciclo de la señal. El valor de salida del acumulador de fase
selecciona qué muestra usar.
DAC: convierte el valor digital a tensión
Filtro pasa bajos: elimina las frecuencias indeseadas y el alias
Sintetizador directo digital
La resolución en frecuencia es fc/2n
Si n=32 y M=1, el acumulador pasa por las 232 salidas posibles
antes de que la rueda pegue la vuelta y fo será fc/2n. Si M=2 la
rueda girará al doble de velocidad y la frecuencia se duplicará.
La salida del acumulador se trunca y se usan los bits más
significativos para achicar la tabla y no comprometer la resolución.
Sintetizador directo digital
En teoría con 2 muestras por ciclo sería suficiente pero las
limitaciones prácticas no permiten generar frecuencias mayores a fc/3.
El filtro puede tener problemas en eliminar el alias de las armónicas
de fo.
Fundamentals of Direct Digital Synthesis (DDS) - Analog Devices
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Medidas Electrónicas II
Síntesis indirecta (anexo):
Organización de un sintetizador con lazos de transferencias
Etapa de salida:
Está preparado para que en fm se ponga una señal modulada en frecuencia, con lo que la
salida fs será modulada en frecuencia. Asimismo, haciendo Vr variable, la salida será
modulada en amplitud. El modulador nivelador es un atenuador controlado por tensión.
A pesar de que la salida podría ser de 0-110MHz, sólo se la especifica de 10kHz-110MHz,
ya que a frecuencias muy bajas no se pueden asegurar características de pureza.
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Medidas Electrónicas II
Sintetizador con lazos de transferencias
Lazo de referencia:
•Es el encargado de generar varias frecuencias fijas a partir del oscilador a cristal, para
ser utilizadas en las otras secciones del sintetizador.
•Fh = 100 MHz se usa en otras módulos para generar más altas frecuencias
•Fr1 y Fr2 se usan en el lazo de baja frecuencia.
•Aparece la posibilidad de introducir una referencia externa que deberá ser obviamente
de 10MHz y con características de estabilidad superiores a la interna fc.
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Medidas Electrónicas II
Sintetizador con lazos de transferencias
Lazo de alta frecuencia:
Simplemente se trata de una celda básica, cuya única misión es generar fg.
D8 es el octavo dígito seleccionado: es el más significativo.
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Medidas Electrónicas II
Sintetizador con lazos de transferencias
Lazo de baja frecuencia:
Es el encargado de generar fs : 20/30 MHz; pasos de 1 Hz/ 1 MHz.
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Sintetizador con lazos de transferencias
Lazo de baja frecuencia:
Para facilitar las ecuaciones: M1 = M2 = 10 ; M3 = 4.
fr1 y fr2 vienen del lazo de referencia:
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Sintetizador con lazos de transferencias
Lazo de baja frecuencia:
Para conseguir los rangos de frecuencia
detallados en el gráfico, los N deben ser:
Reemplazando en la expresión de f5:
Expresando en función de los dígitos:
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Sintetizador con lazos de transferencias
Frecuencia de salida:
Estamos en condiciones de calcular la frecuencia de salida:
Como fc=10MHz
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Controlador de amplitud:
Medidas Electrónicas II
El modulador nivelador es un atenuador controlado por tensión con un rango de
variación de 60 dB.
El detector es de valor eficaz para fs ≤ 80 MHz y de valor pico para frecuencias
más altas (por la respuesta en frecuencia).
Las llaves se cierran de a una a la vez: 1º La, 2º Lb y 3º Lc y se reciclan
permanentemente.
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Controlador de amplitud:
Medidas Electrónicas II
•La llave La se cierra un tiempo Ta y el
capacitor C se carga a la tensión Vref.
•Se abre La y se cierra Lb. C se descarga
sobre R durante Tb.
•Se abre Lb y se cierra Lc. Cr se carga al
valor que será la tensión de referencia a
comparar con la salida del detector.
•De esta forma la calibración en dB del
nivel de salida resulta lineal con el
tiempo en que permanece cerrada Lb.
•En baja frecuencia se logran
resoluciones de 0.01dB. Pero en alta
frecuencia aparecen degradaciones que
hacen que baje a 0.1dB.