معرفی و استفاده از IC 4046

۳ اسفند, ۱۳۹۰ توسط عباس عباس زاده|371 بازدید

این IC یک مدار PLL ( Phase Loched Loop ) می باشد که در داخل آن یک واحد VCO نیز قرار دارد ، بنابر این می توان از آن به عنوان یک VCO ( Voltage Controled Oscillator ) نیز استفاده کرد. علاوه بر واحد VCO این IC شامل دو عدد مقایسه کننده فاز متفاوت با یک تقویت کننده سیگنال ورودی مشترک و نیز یک عدد ورودی مقایسه کننده فاز مشترک می باشد. به منظور تثبیت ولتاژ تغذیه ، در صورت نیاز ، یک عدد دیود تنظیم کننده ( دیود زنر ) نیز در این IC فراهم شده است.

این IC در محدوده ولتاژ تغذیه Vdd بین ۳ تا ۱۵ ولت نسبت به ولتاژ مبنای Vss که معمولا به زمین متصل می شود کار می کند.

بلوک دیاگرام :

بلوک دیاگرام | بادمجون.نت

پیکربندی پایه ها :

پیکربندی پایه ها | بادمجون.نت

توضیحات پایه ها :

توضیحات پایه ها | بادمجون.نت

نحوه کنترل واحد VCO :

واحد VCO به یک خازن خارجی ( C1 ) و یک مقاومت خارجی ( R1 ) برای کارکرد خود نیاز دارد.

R1 و C1 محدوده فرکانسی واحد VCO را مشخص می کنند. در کنار R1 و C1 که برای عملکرد VCO ضروری هستند یک مقاومت خارجی انتخابی ( R2 ) نیز جهت ایجاد یک Offset در فرکانس خروجی VCO در صورت لزوم قابل استفاده می باشد.

مقاومت ورودی بالای پایه ورودی VCO کار طراحی فیلتر پایین گذر را در طراحی یک PLL با این IC ساده تر می کند چرا که به طراح اجازه استفاده از رنج وسیع تری از مقادیر را برای خازن و مقاومت های فیلتر می دهد.

برای کشیده نشدن بار از فیلتر طراحی شده برای PLL یک خروجی بافر شده مشابه با ورودی VCO توسط پایه SF_OUT فراهم شده است که برای استفاده از آن حتما باید این پایه را توسط یک مقاومت به Vss ( زمین ) متصل کرد . در صورت عدم استفاده از این پایه باید آنرا بدون اتصال رها کرد.

خروجی واحد VCO ( پین ۴ ) در صورت استفاده از IC بعنوان PLL می تواند مستقیما و یا توسط یک تقسیم کننده فرکانس به پایه ورودی مقاسیه کننده ( پین ۳ ) متصل شود.

پایه INH_IN به منظور فعال و یا غیر فعال کردن واحد VCO و دنبال کننده منبع بکار می رود. اگر این پایه به Vss وصل شود این واحد ها فعال و اگر به Vdd متصل شود این واحد ها غیر فعال خواهند شد. در واقع هدف صرفه جویی در توان مصرفی IC در صورت عدم نیاز به واحد VCO می باشد.

طراحی یک VCO :

شکل زیر یک طرح ساده VCO که با این IC طراحی شده است را نمایش می دهد.

طراحی یک VCO | بادمجون.نت

با تغییر مقدار پتانسیومتر فرکانس خروجی متناسب با ولتاژ پایه شماره ۹ ( ورودی VCO ) تغییر خواهد کرد.

شکل های زیر خروجی VCO ( پایه شماره ۴ ) را به ترتیب به ازای ولتاژ های ورودی ۰٫۵ ، ۲٫۵ و ۴ ولت نشان می دهند.

اسیلسکوپ دیجیتال | بادمجون.نت

Vin = 2.5 v | بادمجون.نت

Vin = 4 v | بادمجون.نت

یک مدولاتور FM ساده

مدار شکل زیر همان VCO ساده شکل قبلی است ، تنها در اینجا ما به ورودی VCO یک شکل موج سینوسی با فرکانس ۱khو دامنه یک ولت و مقدار Offset 1.5v اعمال می کنیم .

یک مدولاتور FM ساده | بادمجون.نت

در شکل زیر می توان ولتاژ ورودی و خروجی را مشاهده کرد.

ولتاژ ورودی و خروجی | بادمجون.نت

توضیحاتی در مورد انتخاب مقادیر R1 ، C1 و R2 :

مقادیر این المانها باید در محدوده های مشخص شده زیر قرار داشته باشند:

R1 between 3 kW and 300 kW;

R2 between 3 kW and 300 kW;

R1 + R2 parallel value > 2.7 kW;

C1 greater than 40 pF.

همانطور که قبلا نیز اشاره شد R1 و C1 رنج فرکانسی VCO و R2 مقدار Offset فرکانس را مشخص می کنند. در صورتیکه از مقاومت R2 استفاده نشود ( مقدار آنرا برابر با بینهایت انتخاب کنیم ) نمودار زیر ارتباط بین ولتاژ ورودی (پایه ۹) و فرکانس خروجی (پایه ۴) را نشان می دهد.

نمودار | بادمجون.نت

مقدار fo بر اساس نمودار شکل A1 و متناسب با مقادیر R1 و C1 بدست می آید. مقدار ۲fL نیز بر اساس نمودار شکل A3 و متناسب با مقادیر R1 و C1 بدست می آید و از روی آنها می توان مقادیر fmax و fmin را محاسبه کرد.

A1 | بادمجون.نت

A2 | بادمجون.نت

در صورت استفاده از مقاومت R2 رابطه فرکانس خروجی و ولتاژ ورودی مطابق شکل زیر خواهد بود :

استفاده از مقاومت R2 | بادمجون.نت

در اینجا مقادیر fo و fL براساس نمودارهای A1 و A2 و مقدار foff بر اساس نمودار شکل A3 از روی مقادیر R1 ، R2 و C1 بدست می آیند.

A4 | بادمجون.نت

واحدهای مقایسه کننده :

در این IC دو واحد مقایسه کننده فاز وجود دارد .مقایسه کننده فاز شماره ۱ و ۲ . نحوه عملکرد این دو مقایسه کننده با یکدیگر متفاوت است. اما برای طراحی یک PLL می توان از هرکدام از آنها استفاده کرد.

ورودی های مقایسه کننده های فاز مشترک می باشند . که شامل یک ورودی سیگنال ( SIG_IN) پایه شماره ۱۴ و یک ورودی مقایسه ( COMP_IN ) پایه شماره ۳ می باشد.

در ادامه به توضیحاتی بیشتر در باره نحوه عملکرد مقایسه کننده فاز شماره ۱ خواهیم پرداخت.

شکل زیر شمای کلی این مقایسه کننده فاز را نمایش می دهد:

مقایسه کننده | بادمجون.نت

سیگنال ورودی مقایسه کننده فاز می تواند بصورت کوپلاژ مستقیم برای ورودی های با دامنه نوسان بالا به پایه SIG_IN اعمال شود ، اما برای ورودی هایی با دامنه نوسان کم می بایست از کوپلاژ خازنی استفاده کرد.

این مقایسه کننده در واقع یک شبکه OR انحصاری است. برای داشتن بالاترین رنج قفل شدگی هردو

ورودی مقایسه کننده باید دارای Duty Cycle ۵۰ درصد باشند.

در صورتیکه هیچگونه سیگنال و یا نویزی بر روی پایه SIG_IN وجود نداشته باشد مقدار متوسط خروجی مقایسه کننده ( پایه PC1_OUT ) برابر با نصف ولتاژ Vdd خواهد بود که در نتیجه آن فرکانس نوسان VCO برابر با فرکانس مرکزی یعنی fo خواهد شد. در واقع ما باید fo را برابر با فرکانس مرکزی سیگنال ورودی قرار دهیم تا نتیجه مطلوب را در صورت استفاده از PLL بعنوان دمدولاتور FM ، بدست آوریم. برای اعمال ولتاژ متوسط خروجی مقایسه کننده به ورودی VCO ( پایه ۹ ) می بایست از یک طبقه فیلتر پایین گذر استفاده کرد. ما برای این منظور در طراحی های خود از یک فیلتر پایین گذر RC استفاده خواهیم کرد.

دو محدوده فرکانسی در زیر تعریف می شوند:

محدوده فرکانسی تسخیر که محدوده فرکانسی از سیگنال ورودی است که در صورتی که PLL در ابتدا بر روی آن قفل نباشد بتواند بر روی آن قفل کند.
محدوده فرکانسی قفل که محدوده فرکانسی از سیگنال ورودی است که در صورت قفل شدن PLL بر روی آن ، PLL بتواند همچنان بر روی آن قفل بماند.

همواره محدوده تسخیر کوچکتر و یا مساوی محدوده قفل می باشد.

محدوده فرکانسی تسخیر در مقایسه کننده فاز شماره ۱ به مشخصات فیلتر پایین گذر بکار رفته در طرح بستگی دارد و می تواند به اندازه محدوده فرکانسی قفل بزرگ باشد.

این مقایسه کننده فاز می تواند سیستم PLL را وادارد که برخلاف وجود نویز زیاد در ورودی همچنان بر روی فرکانس ورودی قفل بماند.

یکی از مشخصات رفتاری این نوع مقایسه کننده فاز این است که می تواند بر روی فرکانس هایی که به هارمونیک های فرکانس مرکزی ( fo ) نزدیک هستند قفل کند. یکی دیگر از مشخصات رفتاری آن نیز این است که زاویه فاز بین سیگنال ورودی و ورودی مقایسه کننده می تواند بین ۰ تا ۱۸۰ درجه تغییر کند، در فرکانس مرکزی این اختلاف فاز ۹۰ درجه می باشد.

شکل زیر مشخصه پاسخ فاز – خروجی این مقایسه کننده فاز را نمایش می دهد :

پاسخ فاز – خروجی | بادمجون.نت

در شکل های زیر نیز می توان نحوه عملکرد این نوع مقایسه کننده فاز را بر اساس شکل موج های ورودی و خروجی آن مشاهده کرد :

شکل موج های ورودی و خروجی | بادمجون.نت

همانطور که مشاهده می کنید هرگاه که سطح ولتاژ دو ورودی متفاوت باشند خروجی در سطح منطقی بالا خواهد بود و هرگاه این دو ورودی برابر باشند در سطح منطقی پایین . ورودی VCO نیز که همان خروجی مقایسه کننده است که از یک فیلتر پایین گذر ( انتگرالگیر ) عبور کرده فرکانس خروجی VCO را متناسب با اختلاف فاز دو ورودی تغییر می دهد تا اینکه این اختلاف فاز به حداقل برسد.

طراحی یک دمدولاتور ساده FM

همانطور که می دانید یکی از کاربردهای PLL ساخت دمدولاتور FM می باشد در اینجا طرح یک مدار ساده به کمک IC ، ۴۰۴۶ آورده شده است.

یک دمدولاتور ساده FM | بادمجون.نت

همانطور که ملاحظه می کنید در این مدار خروجی VCO مستقیما به ورودی COMP_IN مقایسه کننده وصل شده است و خروجی مقایسه کننده پس از عبور از یک فیلتر پایین گذر RC به ورودی VCO متصل شده است. سیگنال مدوله شده FM به ورودی سیگنال ( پایه ۱۴ ( وصل شده است و خروجی مطلوب که همان سیگنال دمدوله شده می باشد از خروجی فیلتر قابل دسترس می باشد.

انتخاب مقادیر مقاومت ها و خازن تنظیم کننده واحد VCO باید به گونه ای باشد که فرکانس مرکزی و Offset فرکانس متناسب با این مقادیر در مدولاتور فرستنده باشند.

مشخصات فیلتر پایین گذر نیز متناسب با محدوده فرکانسی شکل موج پیام ( سیگنال ورودی ) انتخاب می شود.

در زیر توضیحات مختصری در ارتباط با طراحی این مدولاتور داده می شود.

اولا ما باید یک مدولاتور FM داشته باشیم . طرح یک مدولاتور ساده در قبل بررسی شد، ما از همان طرح در اینجا استفاده می کنیم . خروجی این مدولاتور را مستقیما به ورودی دمدولاتور خود می دهیم ، در واقع ما خط انتقال را حذف کرده ایم.

باید توجه داشت که فرکانس مرکزی و مقدار ضریب مدولاسیون و یا fΔ را به گونه ای انتخاب کنیم که فرکانس موج مدوله شده نهایی در ناحیه تسخیر PLL دمدولاتور قرار گیرد چرا که در غیر اینصورت ممکن است که PLL گیرنده ( دمدولاتور ) هیچگاه نتواند بر روی فرکانس موج مدوله ورودی قفل کرده و عمل دمدولاسیون به درستی صورت گیرد.

در این مثال برای راحتی کار با شبیه ساز فرکانس مرکزی هر دو IC ، PLL را بر روی ۱۰ khz تنظیم می کنیم.

برای اینکه فرکانس موج مدوله شده در ناحیه تسخیر PLL گیرنده قرار گیرد . دامنه ولتاژ ورودی را در فرستنده ۱ ولت با Offset ۳٫۵ ولت انتخاب می کنیم.

سعی می کنیم فرکانس شکل موج ورودی نیز تا حد امکان از فرکانس مرکزی PLL کوچکتر باشد برای این منظور این فرکانس را ۱۰۰ hz انتخاب کرده ایم.

فیلتر خروجی استفاده شده برای اعمال به VCO داخلی PLL گیرنده باید با دقت انتخاب شود به گونه ای که نه در برابر تغییرات خروجی مقایسه کننده فاز خیلی کند عمل کند و نیز بتواند تغییرات شدید مربوط به فرکانس حامل را حذف کند.

برای این منظور فرکانس قطع فیلتر را از حداقل فرکانس حامل کمتر و از حداکثر فرکانس پیام بیشتر می گیریم در این مثال فرکانس قطع ۵ khz انتخاب شده است.

البته این فیلتر توانایی حذف کامل فرکانس های بالای کریر را ندارد بنابر این ما برای بدست آوردن شکل موج نسبتا تمیزتر پیام از یک طبقه فیلتر دیگر با فرکانس قطع کمی بیشتر از فرکانس پیام استفاده کرده ایم. یعنی فرکانس ۶۰۰ hz . شکل زیر فرستنده و مدولاتور FM را نشان می دهد.

فرستنده و مدولاتور FM | بادمجون.نت

شکل زیر نیز گیرنده ( دمدولاتور FM) را نشان می دهد :

گیرنده دمدولاتور FM | بادمجون.نت

همانطور که می دانیم وقتی PLL بر روی فرکانس ورودی قفل می کند فرکانس نوسان ساز داخلی آن برابر با فرکانس شکل موج ورودی خواهد شد و با تغییرات فرکانس ورودی در محدوده قفل فرکانس نوسان ساز داخلی همواره خود را برابر با فرکانس ورودی نگاه می دارد. این کار بدین صورت اتفاق می افتد که در صورت تغییر اندک فرکانس ورودی خروجی مقایسه کننده فاز تغییر می کند و از آنجاییکه مقدار DC این تغییرات بعد از فیلتر به ورودی VCO ( نوسان ساز داخلی ( PLL متصل است سبب تغییر فرکانس VCO می شود تا اینکه با فرکانس ورودی برابر شود.

مقدار DC تغییرات خروجی مقایسه کننده فاز در واقع همان تغییرات در فرکانس ورودی می باشند که در فرستنده یا همان مدولاتور توسط شکل موج پیام بر روی فرکانس حامل مدوله شده اند.

شکل بعدی شکل موج های ورودی و خروجی و در کنار آنها شکل موج های موج مدوله شده و خروجی نوسان ساز داخلی PLL را نمایش می دهد.

شکل موج | بادمجون.نت

همانطور که ملاحظه می کنید خروجی VCO در حدود ۹۰ درجه نسبت به سیگنال مدوله شده ورودی به گیرنده پس فاز است. همین اختلاف فاز در مورد شکل موج پیام و شکل موج خروجی ( بعد از فیلتر های پایین گذر ) نیز مشاهده می شود.

در شکل زیر می توان شکل موج خروجی مقایسه کننده فاز را در کنار دو ورودی این مقایسه کننده یعنی ، خروجی VCO و شکل موج مدوله شده که به پایه ورودی مقایسه کننده متصل شده است را ببینید.

شکل موج | بادمجون.نت

همانطور که در شکل زیر که یک بخش کوچک از شکل بالا را بزرگنمایی کرده است دیده می شود خروجی مقایسه کننده فاز در صورتی ۱ است که دو ورودی آن با یکدیگر متفاوت باشند. و در صورتیکه دو ورودی با یکدیگر مشابه باشند خروجی مقایسه کننده صفر می باشد.

شکل موج | بادمجون.نت

در شکل زیر نیز می توان نحوه عملکرد فیلتر بر روی خروجی مقایسه کننده را دید. ورودی فیلتر همان خروجی مقایسه کننده فاز می باشد . همانطور که مشاهده می شود در ناحیه A عرض زمان یک بودن پالس بیشتر از ناحیه B می باشد که در واقع سبب می شود که ناحیه A جزء DC بزرگتری نسبت به ناحیه B داشته باشد. منحنی قرمز رنگ خروجی فیلتر پایین گذر را که در واقع جزء DC پالس خروجی مقایسه کننده را فیلتر می کند نشان می دهد.

نموادر | بادمجون.نت

همانطور که قبلا نیز گفته شد ورودی VCO از طبقه اول فیلتر پایین گذر گرفته شده است در این طبقه تغییرات فرکانس بالای مربوط به فرکانس حامل کاملا حذف نمی شود و این عمر برای کارکرد صحیح PLL ضروری است . اما برای دریافت اصل پیام باید این تغییرات اندک نیز حذف شوند که طبقه دوم فیلتر این کار را انجام می دهد . در شکل زیر خروجی این دوطبقه فیلتر را در کنار ورودی این فیلتر دو طبقه می بینید.

مدار | بادمجون.نت

در شکل زیر خروجی این دوطبقه فیلتر را در کنار ورودی این فیلتر دو طبقه می بینید.

نمودار | بادمجون.نت

شکل زیر نیز بزرگنمایی بخش کوچکی از شکل بالاست. می بینید که چگونه با تغییرات شکل پالس خروجی مقایسه کننده خروجی طبقه اول فیلتر تغییرات کوچکی را در اثر شارژ و دشارژ خازن از خود نشان می دهد.