deney15

Bölüm 15 Frekans Sentezörü
15.1 AMAÇ
1. Frekans sentezörlerinin çalışma prensibinin incelenmesi.
2. Frekans sentezörlerinin karakteristiklerinin ölçülmesi.
15.2 TEMEL KAVRAMLARIN İNCELENMESİ
Basit olarak, bir frekans sentezörü, bir frekans kaynağıdır. Bu frekans
kaynağının çıkış frekansı, giriş referans frekansının bir tam sayı katına
eşittir. Fig. 15-1’de tipik bir frekans sentezörü görülmektedir. Bu frekans
sentezörü, bir faz kilitlemeli çevrim(PLL), bir gerilim kontrollü osilatör(VCO),
bir faz detektörü ve bir N-sayı bölücüsünden oluşmaktadır.
Fig. 15-1’de bulunan PLL yapısındaki faz detektörü ortalama bir gerilim
değeri üretir. Bu gerilim değeri giriş referans frekansı fref ve N sayısı ile
bölünmüş çıkış frekansı fo/N arasındaki fark ile orantılıdır.
N-bölücü sayaç
genellikle thumbwheel anahtarlar ile yada bir MPU yazılımı ile kontrol edilir.
Bu sayaç, her N giriş darbesinde bir çıkış darbesi üretir. Faz detektörünün
çıkış gerilimi, alçak geçiren filtre(LPF) ile filtrelendikten sonra gerilim
kontrollü osilatörün(VCO) girişine uygulanır. VCO’nun bu giriş gerilimine
karşılık çıkışta fo çıkış frekansı üretilir ki bu frekans kilitlenme esnasında
giriş referans frekansının N katına eşittir.
Reference
Frequency fR
Phase
Lowpass
Detector
Filter
VCO
fO=NfR
fN=fO/N
÷N
Fig. 15-1 Tipik bir frekans sentezörünün blok diyagramı.
PLL kilitlenme durumunda çalışıyorken, referans ve sayaç çıkışı arasındaki
ilişki aşağıdaki gibi ifade edilebilir;
fR=fN=fo/N
ya da
fo=NfR
olarak ifade edilebilir.
15-1
Açık olarak görülmektedir ki çıkış frekansı referans frekansı fR ve sayaç
değeri N ile belirlenmektedir. Diğer bir deyişle, frekans sentezörü, çıkış
frekansı giriş referans frekansının N katı olan bir frekans üretecidir. Bu
nedenle, mükemmel bir frekans sentezörü için hassas ve kararlı bir referans
frekansı gerekmektedir. Genellikle bu amaç için bir kristal osilatör
kullanılmaktadır.
Çeşitli Frekans Sentezörleri
Pratik uygulamalarda birçok frekans sentezörü çeşidi mevcuttur. Bunlar;
1. Tipik bir Frekans Sentezörü
Fig. 15-2, tam bir frekans sentezörü blok diyagramını göstermektedir.
PLL devresinin girişindeki fR referans frekansı, fx kristal osilatör
frekansının M’e bölünmüş değeridir. Daha önceden bahsedildiği gibi,
frekans sentezörünün çıkış frekansı fo=N.fR denklemi ile hesaplanır.
fX Programmable
Counter：M
fR
Phase
Comparator
Crystal
Oscillator
Lowpass
Filter
VCO
fO=NfR
Programmable
Divider
fN=fO/N
÷N
Fig. 15-2 Tipik bir frekans sentezörünün blok diyagramı.
Tipik frekans sentezörünün temel dezavantajı, programlanabilir bölücünün
frekans limitlemesidir. Piyasada bulunan programlanabilir bölücülerin
maksimum çalışma frekansı yirmi – otuz MHz ‘dir. Bu, frekans sentezörünün
maksimum çıkış frekansını limitlemektedir. Bu dezavantajın üstesinden
gelmek için aşağıdaki tip frekans sentezörler seçilebilir.
2. Frekans Çarpıcı Kullanılarak Frekans Sentezörü
Fig. 15-3’de gösterilen frekans sentezörü tipinde, H katı değerinde bir
frekans çarpıcı kullanılmaktadır. Blok diyagramdan, çıkış işaret frekansı
aşağıdaki gibi hesaplanabilir;
f o = N ( Hf R )
15-2
Ancak bu frekans sentezörü yapısının iki dezavantajı mevcuttur: (1)
ekstradan bir frekans seçici devre gerekmektedir, ve (2) VCO çıkış
frekansındaki küçük bir değişim sentezör çıkış frekansında katlanılmaz bir
değişime sebep olacaktır.
Phase
Comparator
fR
Lowpass
Filter
VCO
Frequency
Multiplier
(×H)
fO=N(HfR)
÷N
Fig. 15-3 Frekans çarpıcı kullanılarak gerçekleştirilen frekans sentezörü.
3. Ön bölücü(Prescaler) kullanılarak gerçekleştirilen frekans sentezörü
Fig. 15-4’de ön bölücü kullanılarak gerçekleştirilen bir frekans sentezörü
görülmektedir. Ön bölücü, VCO çıkışı(Sentezör çıkışı) ile N bölücü girişi
arasında yer almaktadır. Ön bölücünün kullanım amacı, N bölücünün
girişindeki frekansı N bölücünün çalışma frekansı aralığına düşürmektir.
fR
Phase
Comparator
Lowpass
Filter
VCO
fO=N(PfR)
÷ P (Prescaler)
(fO/ P)N
÷N
fO/P
Fig. 15-4 Ön bölücü kullanılarak gerçekleştirilen bir frekans sentezörü.
Basit olarak ön bölücü, bir çeşit frekans bölücüdür. Ön bölücü, ECL
teknolojisi kullanılarak üretilmektedir ve çok yüksek frekanslarda(GHz
seviyesinde) çalışabilir. Fig. 15-4’deki sentezörün çıkış işaret frekansı
aşağıdaki gibi verilir;
f o = N ( P. f R )
fo, VCO çıkış frekansı olduğundan dolayı, VCO, yukarıda bahsedilen
diğer iki çeşit yapıya göre daha yüksek frekansta çalışmalıdır.
4. Frekans çevirici kullanılarak gerçekleştirilen frekans sentezörü
Genel olarak frekans sentezörlerinde kullanılan iki çeşit frekans çevrimi
mevcuttur. Bunlar, frekans yükseltme çevrimi ve frekans düşürme
çevrimidir.
15-3
Fig. 15-5’de frekans yükseltme çevrimi kullanılarak gerçekleştirilen
frekans sentezörü görülmektedir. VCO çıkış frekansı, bir mixer ve lokal
osilatör ile daha yüksek frekansa çıkarılır. Çıkış frekansı aşağıdaki gibi
ifade edilir;
f o' = f L + Nf R
fL, lokal osilatörün çıkış frekansını göstermektedir.
fR
Phase
Comparator
Lowpass
Filter
f0=NfR
VCO
f0’=fL+NfR
Mixer
fL
÷N
Fig. 15-5 Frekans yükseltme çevrimi kullanılarak gerçekleştirilen frekans
sentezörü.
Bu frekans sentezöründe karşılaşılan ilk problem, frekans çarpıcı
kullanılarak gerçekleştirilen frekans sentezöründeki gibi çıkış katında bir
frekans seçici devreye ihtiyaç duymasıdır. Ayrıca, PLL devresinin dışına
bir lokal osilatör yerleştirilmiştir ve bu nedenle PLL, lokal osilatörden
kaynaklanan frekans değişimini düzeltemez.
Fig. 15-6’da frekans düşürme çevrimi kullanılarak gerçekleştirilen frekans
sentezörü görülmektedir. Mixer, PLL yapısının içerisinde yer almaktadır.
Bu nedenle lokal osilatörden kaynaklanan frekans değişimleri PLL
tarafından düzeltilebilmektedir. Çıkış frekansı, fo=fL+NfR , VCO çıkışında
doğrudan elde edilmektedir. Bu nedenle VCO, daha yüksek frekanslarda
çalışmalıdır.
fR
Phase
Comparator
Lowpass
Filter
VCO
fO=fL+NfR
Mixer
÷N
fO－fL
Fig. 15-6 frekans düşürme çevrimi kullanılarak gerçekleştirilen frekans sentezörü.
15-4
fL
Transfer Fonksiyonu ve Geçici Cevap(Transient Response)
Transfer fonksiyonun yada geçici cevabın analizi, frekans sentezörü
tasarımında önemli bir tekniktir. Fig. 15-7’de gösterilen temel frekans
sentezörü yapısının blok diyagramında belirtildiği gibi, her bloğun
karakteristiği kendi transfer fonksiyonu ile ifade edilir.
Ve(s)=Vd(s)F(s)
θR(s)
fR
Phase
Comparator
fN
KD
Lowpass
F(s)
Filter
VCO
θo(s)=KoVe(s)/s
Ko
fo
Vd(s)=KD[θR(s)-(θo(s)/N)]
θN(s)=θo(s)/N
Fig. 15-7
÷N
Frekans sentezörünün transfer fonksiyonu.
Fig. 15-7’de θ R , referans işaretin fazını, θ o , VCO çıkış işaretinin fazını
göstermektedir. Faz karşılaştırıcısının çıkışı, bu iki fazın farkının çevrim
kazancı KD ile çarpımına eşittir ve aşağıdaki gibi ifade edilebilir;
Vd = K D (θ R − θ N ) = K D ∆θ
∆θ faz hatasından kaynaklanan Vd gerilimi, alçak geçiren filtreden geçer
ve böylelikle istenmeyen yüksek frekans bileşenleri süzülür. VCO çıkış
frekansı, LPF çıkış gerilimi Ve ve çevrim kazancı Ko ile belirlenir.
ωo = K o × Ve
ωo
yerine dθ o / dt yazarsak aşağıdaki denklemi elde ederiz.
dθ o / dt = K o × Ve
Yukarıdaki denklemin Laplace dönüşümünü alalım.
L(dθ o / dt ) = sθ o ( s ) = K o × Ve ( s )
Bu nedenle, θ o ( s ) = ( K o .Ve ( s )) / s şeklinde elde edilir. Kısaca, VCO çıkış
fazı, kontrol gerilimi Ve değerinin bir tam sayı ile çarpımıyla doğru orantılıdır.
15-5
Fig. 15-7’de bulunan blokların Laplace dönüşümleri aşağıdaki gibi ifade
edilebilir;
Vd ( s ) = K D [θ R ( s ) − θ N ( s )]
Ve ( s ) = F ( s ).Vd ( s )
θ o ( s ) = [K o .Ve ( s )]/ s
θ N ( s ) = [θ o ( s )]/ N
Frekans sentezörünün transfer fonksiyonu aşağıdaki gibi ifade edilebilir;
H (s) =
K o K D F ( s)
θo ( s)
=
θ R ( s) s + K o K D F ( s) / N
H(s), alçak geçiren filtrenin(LPF) transfer fonksiyonu F(s)’e bağlıdır.
Uygulamada genellikle iki çeşit alçak geçiren filtre kullanımı söz konusudur.
Fig. 15-8 ve Fig. 15-9’da sırası ile tip I ve tip II RC alçak geçiren filtre
yapıları gösterilmiştir.
Fig. 15-8 Tip I RC alçak geçiren filtre.
15-6
Fig. 15-9 Tip II RC alçak geçiren filtre.
Tip I alçak geçiren filtresinin transfer fonksiyonu aşağıdaki gibi ifade
edilebilir;
F (s) =
1
Vout
=
Vin 1 + sτ
τ = RC . Fig. 15-8’deki RC alçak geçiren filtresi frekans sentezöründe
çevrim filtresi olarak kullanılacak olursa, frekans sentezörünün transfer
fonksiyonu aşağıdaki gibi ifade edilebilir.
Ko K D
)
Nτ
H1 ( s ) =
s K K
s2 + + o D
Nτ
τ
N(
Damping oranı d’yi yukarıdaki denkleme sokarsak aşağıdaki denklemi elde
ederiz;
H1 ( s ) =
wn =
Nwn2
θo (s)
= 2
θi ( s ) s + 2dwn + wn2
Ko KD
Nτ
ve
d=
1
N
2 K o K Dτ
şeklindedir.
Çevrim filtresini Fig. 15-9’daki RC alçak geçiren filtre ile değiştirirsek, çevrim
filtresinin transfer fonksiyonu aşağıdaki gibi verilebilir;
F (s) =
1 + τ 2s
1 + s (τ 1 + τ 2 )
τ 1 = R1C
ve
τ 2 = R2C
şeklindedir. Sentezörün transfer fonksiyonu
15-7
aşağıdaki gibi olur;
Nwn2 (1 + τ 2 s )
H 2 ( s) = 2
s + 2dwn s + wn2
wn =
Ko K D
şeklinde olur.
N (τ 1 + τ 2 )
1 ( N + K o K Dτ 2 ) 2
d=
2 K o K D (τ 1 + τ 2 )
Frekans sentezörün H(s) transfer fonksiyonu ikinci dereceden bir
fonksiyondur. Herhangi diğer ikinci dereceden sistemlere benzer olarak,
zaman gecikmesi giriş ve çıkış arasına yerleştirilmiştir. Ve ayrıca çıkışta da
overshoot meydana gelebilir. Fig. 15-10’da gösterilen frekans sentezörün
step cevabına bakalım. fN, giriş frekansındaki step değişimlerini izleyen ideal
çıkış frekansını göstermektedir. fo ise çıkış frekansının pratikteki cevabını
göstermektedir.
Fig. 15-10
Frekans sentezörünün geçici cevabı.
Çevrim fitresi, sentezör için iki parametreyi belirler. Bunlar, oturma süresi ya
da çevrimin ne kadar zamanda ortalama bir değere gittiği ve diğeri de
damping ya da çevrimin yeni değişimler karşısında osilasyona girmemesi
veya haddinden fazla overshoot oluşturmamasıdır. Eğer çevrim filtresi Fig.
15-9(Tip II) da gösterilen RC alçak geçiren filtre ise, çevrimin oturma süresi
R1 ve C1 ile oluşturulur. R1C1 zaman sabitinin çok uzun olması, çevrimin
girişteki hızlı frekans değişimleri karşısında yavaş kalmasına sebep olur.
R1C1 zaman sabitinin çok küçük olması, VCO çıkışının sert çıkışlar
oluşturmasına sebep olacaktır. Damping, R1 / R2 oranı ile belirlenir. Küçük
ya da sıfır R2 değeri (Tip I) çevrimi zıplatır, overshoot atmasına ve hatta
osilasyona girmesine sebep olur. Çok büyük R2 değeri, çevrimin oturmasını
çok uzatır ve yeni frekans girişlerini geç okumasına sebep olur.
15-8
Fig. 15-11
Fig. 15-18’deki alçak geçiren filtre kullanılarak gerçekleştirilen
frekans sentezörünün geçici cevabı.
Fig. 15-11’de çevrim filtresi olarak Fig. 15-18’deki RC alçak geçiren filtre
kullanılarak gerçekleştirilen frekans sentezörünün normalize edilmiş geçici
cevabı gösterilmektedir. Fig. 15-12’de çevrim filtresi olarak Fig. 15-19’daki
RC alçak geçiren filtre kullanılarak gerçekleştirilen frekans sentezörünün
normalize edilmiş geçici cevabı gösterilmektedir.
Fig. 15-12 Fig. 15-19’daki alçak geçiren filtre kullanılarak gerçekleştirilen
frekans sentezörünün geçici cevabı.
15-9
Pratik Devre Tanımlaması
Fig. 15-13, PLL frekans sentezörü modülü üzerindeki tüm devre yapısını
göstermektedir. Devre aşağıdaki bölümlerden oluşmaktadır;
1. Referans frekans kısmı.
2. PLL kısmı.
3. N-bölücü kısmı.
4. 10’ a bölücü kısmı.
5. Ofset OSC kısmı.
1. Referans frekans kısmı
Referans frekans bölümü, bir referans kristal osilatöründen ve bir de
frekans bölücüden oluşmaktadır. 1-MHz quartz(X’TAL1) ve NOT
kapısı(U4a, 74HC04) hassas osilatör yapısını oluşturur. Üç tane BCD
sayıcısı(U1-U2-U3, 74LS90), 1000’e bölücü yapısını oluşturmak üzere
bağlanır. Referans osilatörün çıkışı, NOT buffer yapıları(U4b ve U4c)
aracılığı ile 1000’e bölücü yapının girişine bağlanır. U1 QA ‘da ki
bölücünün çıkış işaret frekansı bu nedenle 1000kHz÷1000=1kHz
değerine eşittir.
U2 QA ’da ki diğer çıkış frekansı ise 1000kHz÷100=10kHz değerine eşittir.
Ayrıca ekstradan JK flip-flop(U5a, 1/2 74LS76) yapıları bir 2’ye bölücü
oluşturmaktadır ve Q ‘da ki çıkış frekansı saat işaretinin 2’ye ya da 1’e
bağlanmasına göre fR=0.5kHz ya da 5kHz olabilmektedir. Q1 tranzistörü,
U5a yapısının TTL çıkışı ile U6’nın CMOS girişi arasında bir arayüz
oluşturmaktadır.
15-10
Fig. 15-13
KL-93005 Modülü.
2. PLL kısmı
PLL devresi, bir faz karşılaştırıcı, kilitlenme göstergesi, VCO ve alçak
geçiren filtreden oluşmaktadır. U6(CD4046), iki adet faz karşılaştırıcısı ve
bir
VCO
yapısından
oluşmaktadır.
U6,
PLL
yapısının
kalbini
oluşturmaktadır. CD4046, iki olası faz karşılaştırıcısına sahiptir. Bir tanesi,
Exclusive-OR sistemi olup iyi gürültü performansına sahiptir ancak
harmonik duyarlıdır. 3. ve 14. pinlerin her ikisine de kare dalga bağlı
olması gerekmektedir. Dar bir frekans aralığına sahiptir. Diğer faz
karşılaştırıcı ise lojik bir frekans/faz karşılaştırıcısıdır. Geniş bir frekans
aralığında çalışmaktadır (1000:1 ya da daha büyük). Girişte herhangi duty
cycle değerindeki işareti kabul eder ve harmonik duyarlı değildir. Diğerine
göre biraz daha zayıf gürültü eliminasyonuna sahiptir. Bu geniş bandlı faz
15-11
karşılaştırıcısı PLL kısmında kullanılmaktadır.
Faz karşılaştırıcısının iki giriş işareti şunlardır; (1) TP4’deki, fR referans
işareti ve (2) TP8’deki, programlanabilir bölücü çıkışından gelen fN geri
besleme işaretidir. Geniş bandlı faz karşılaştırıcısı, çevrim filtresi için pin
13’de tri-state örnekle ve tut çıkışı sağlamaktadır. Eğer giriş frekansı VCO
frekansından daha yüksek ise, kararlı bir high çıkışı elde edilir. Eğer VCO
frekansından düşük ise, kararlı bir low çıkışı elde edilir. Eğer iki frekans
hemen hemen aynı ise, faz karşılaştırıcı, faz farkı kadar bir darbe çıkışı
üretir. Eğer bu darbe pozitif ise, VCO fazını lag etmek için, eğer darbe
negatif ise, VCO fazına lead etmek için görev görür. Fig. 15-14’de bu
durum gösterilmiştir.
Eğer referans işaret geri besleme işaretini lead ederse, faz karşılaştırıcı
bir high darbesi üretir ve bu darbe C8 kapasitesini doldurur. Eğer referans
işaret fazı, geri besleme işaretinin arkasından lag ediyorsa, faz
karşılaştırıcısının çıkışı low darbesidir ve C8 kapasitesini boşaltır. Eğer
bu iki darbe tam olarak birbirine eşit ise, faz karşılaştırıcısının çıkışı
yüksek empedans görevi görür ve C8 kapasitesinin yükü aynen tutulur.
Çevrim filtresi, R6, R7 dirençleri ve C8 kapasitesinden oluşur. Filtre iki
parametreyi belirler; (1) oturma süresi ya da çevrimin ne kadar zamanda
ortalama bir değere gittiği ve diğeri de (2) damping ya da çevrimin yeni
değişimler karşısında osilasyona girmemesi veya haddinden fazla
overshoot oluşturmamasıdır.
Çevrimin oturma zamanı, R6 ve C8 ile belirlenir.
RC zaman sabitinin
çok uzun olması, çevrimin girişteki hızlı frekans değişimleri karşısında
yavaş kalmasına sebep olur. RC zaman sabitinin çok küçük olması, VCO
çıkışının sert çıkışlar oluşturmasına sebep olacaktır. Çevrimin damping
oranı R6’nın R7’ye oranı ile belirlenir. Küçük ya da sıfır R7 değeri çevrimi
zıplatır, overshoot atmasına ve hatta osilasyona girmesine sebep olur.
Çok büyük R7 değeri, çevrimin oturmasını çok uzatır ve yeni frekans
girişlerini geç okumasına sebep olur.
15-12
Fig. 15-14 Faz karşılaştırıcı dalga şekilleri.
PLL kilitli olduğu sürece, U6’nın 1. pini high seviyesi üretir. Bu high
seviyesi ile Q2 tranzistörü iletimde kalır ve kilitlenme göstergesi LED1
aktif olur. Diğer taraftan, eğer PLL kilitli durumda değil ise U6’nın 1. pini
çıkışında low seviyesi gözükür ve bu durumda Q2 iletimde değildir, LED1
göstergesi de aktif durumda değildir.
VCO frekansının ekstrem uçları 6. ve 7. pinler arasındaki C4, C5 ya da
C6 kapasiteleri, 11. pindeki maksimum frekans direnci(VR2) ve 12.
pindeki minimum frekans direnci(VR1) ile belirlenir. Denklemler ile
aşağıdaki gibi ifade edilebilir;
15-13
f MIN = 1 / VR 2(C 4 ~ 6 + 32 pF )
f MAX = 1 / VR1(C 4 ~ 6 + 32 pF ) + f MIN
f o = ( f MAX − f MIN ) / 2
fMAX-fMIN, VCO’nun kilitlenme ya da yakalama aralığı olarak adlandırılır.
3. ÷N kısmı
VCO çıkış işareti, Q4 seviye kaydırıcı ile programlanabilir kaskat
bölücüye(U10, U9, U8, SN74192) bağlanır. Q4 seviye kaydırıcı, CMOS
seviyesini(VCO output), TTL seviyesine(bölücü girişi) çevirir.
Her SN74192 synchronous up/down decade sayıcı, bir aşağıya sayıcı
olarak kullanılır. SN74192’nin çıkışları thumbwheel BCD çıkışları ile
resetlenir ve giriş işareti yüklenir. Yük kontrol girişinde(pin 11) bir low(0)
seviyesi mevcut olduğu zaman, BCD girişleri (pin 15, 1, 10 ve 9;
thumbwheel BCD çıkışları) decade sayıcıya yüklenir. Giriş darbeleri
down-count girişine(pin 4) ulaştığı zaman, sayıcı aşağı doğru sayar ve
borrow output(pin 13) counter underflows olarak bir darbe üretir.
Örnek olarak, üç aşağı sayıcı U8, U9 ve U10 sırası ile 100’ler, 10’lar ve
1’ler thumbwheel’leri ile 2, 1 ve 3’ü resetler. Birler sayıcısı U10’nun 4.
pinine gelen her giriş darbesi, sayıcı değerinde bir artışa neden olur. 213
giriş darbesinden sonra, U8’in 13. pininde(borrow output) bir çıkış darbesi
gözükür.
Borrow çıkış darbesi(low), bu üç sayıcının yük girişlerine bağlanır.
Böylelikle sayıcılara 213 değeri tekrar yüklenir ve daha sonra sayma
silsilesi tekrar tekrar devam eder. Bu örnekte, kaskat yapıdaki decaded
counter bir 213 bölücüsüdür.
Fig. 15-15, BCD thumbwheel’in çalışma şeklini göstermektedir. Eğer
thumbwheel, desimal fig. 5’e anahtarlanır ise çıkışlar C=A=1 ve
D=B=0’dır. Bu nedenle BCD değeri 0101, SN74192 programlanabilir
sayıcıya yüklenir.
Programlanabilir
bölücünün(U10-U9-U8)
çıkış
darbesi,
bir
JK
flip-flop(U5b) aracılığı ile faz karşılaştırıcının girişine gönderilir. Sebep,
darbe genişliğinin faz karşılaştırıcıyı sürmek için çok dar olmasıdır. Aynı
sebep ile, bir JK flip-flop(U5a) referans frekans kısmına da eklenir.
15-14
Fig. 15-15 BCD thumbwheel çalışma prensibi.
4. ÷10 kısmı
Ön bölücüsü olan bir frekans sentezörü, basit olarak, programlanabilir
bölücü girişine bir frekans bölücü(prescaler) eklenerek elde edilir. Ön
bölücü kullanımı sentezörün fo çıkış frekansının artmasını sağlamakta,
ancak programlanabilir bölücü girişindeki frekansın tipik sentezörler ile
karşılaştırıldığında aynı kalmasını sağlamaktadır. Fig. 15-13’deki decade
sayıcı U7(SN7490), 10 değerinde bir ön bölücü olarak görev görmektedir.
Ön bölücünün kullanılması ile, frekans adımı ∆f , 10 kat artacaktır.
5. Ofset OSC kısmı
Fig. 15-13’e bakınız. D flip-flop(U11, SN7474), bir mixer olarak görev
görmektedir.
Eviriciler(U12)
ve
kristal(X’TAL2)
bir
lokal
osilatör
oluşturmaktadır ve bu lokal osilatörün çıkışı mixer’in D girişine
bağlanmaktadır. VCO çıkış frekansı fo, mixer ile daha düşük bir frekansa
kaydırılmakta ve böylelikle programlanabilir bölücü girişine uygun hale
getirilmektedir. Mixer’in çıkış işaret frekansı şu şekilde hesaplanabilir;
f out = f o − f L
fL, lokal osilatör frekansıdır.
15-15
15.3 GEREKLİ EKİPMANLAR
1. KL-92001 Modülü
2. KL-93005 Modülü
3. Osiloskop
15.4 DENEYLER VE KAYITLAR
Deney 15-1 Tipik Frekans Sentezörü
1. Tipik bir frekans sentezörünü oluşturmak için, aşağıdaki devre
kısımlarına ihtiyaç duyulur.
(1) Referans frekans kısmı
(2) PLL kısmı
(3) N bölücü kısmı
Bu kısımları, PLL frekans sentezörü modülü üzerine yerleştirin.
2. Referans frekans ölçümü.
(1) Pozisyon 2’ye bir jumper yerleştirin.
(2) Osiloskop kullanarak, dalga şekillerini ve test noktalarındaki
frekansları ölçün ve Tablo 15-1’e kaydedin.
3. VCO giriş gerilimine karşılık çıkış frekansının ölçülmesi.
(1) Jumper’ı pozisyon 2’den kaldırın. Devreyi kapatın ve DMM
kullanarak VR1’i 10KΩ ve VR2’yi 1.4MΩ’a ayarlayın.
(2) Jumper’ları 3 ve 4 pozisyonlarına yerleştirin. Osiloskopun CH1 IN
girişini, Çıkış terminaline (VCO OUT) bağlayın. KL-92001
üzerindeki 0-15VDC beslemeyi TP6(VCO IN)’ya bağlayın. Farklı
DC gerilimler için frekansları ve dalga şekillerini ölçün ve Tablo
15-2’ye kaydedin.
(3) Fig. 15-16 üzerine, Tablo 15-2’deki sonuçlara göre VCO gerilim
frekans karakteristiğini çiziniz.
(4) Pozisyon 7(VR2 bağlı) üzerine bir jumper bağlayın. (2) ve (3)
adımlarını tekrar edin. Tablo 15-3’e sonuçları kaydedin. Fig. 15-17
üzerine karakteristiği çiziniz.
4. Faz karşılaştırıcısının işaret frekanslarının ölçülmesi.
(1) 2, 3, 6, 7 ve 11 pozisyonlarına jumper yerleştiriniz.
(2) Tablo 15-4’deki farklı BCD thumbwheel değerleri için TP4, TP8 ve
OUT ‘daki frekansları ölçün ve Tablo 15-4’e kaydedin.
(3) 3 pozisyonundaki jumperı kaldırıp 4 pozisyonuna yerleştirin. (2)
adımını tekrarlayın.
15-16
(4) 4 pozisyonundaki jumperı kaldırıp 5 pozisyonuna yerleştirin. (2)
adımını tekrarlayın.
5. Programlanabilir bölücünün ölçülmesi.
(1) 2, 3, 6, 7 ve 11 pozisyonlarına jumper yerleştiriniz.
(2) Tablo 15-5’deki farklı BCD thumbwheel değerleri için TP7(fout),
TP8 ve U10 pin4(fin) üzerindeki frekansları ölçün ve Tablo 15-5’e
kaydedin. fin değerinin fout değerine oranını hesaplayın ve Tablo
15-5’e kaydedin.
(3) 3 pozisyonundaki jumperı kaldırıp 4 pozisyonuna yerleştirin. (2)
adımını tekrarlayın.
(4) 4 pozisyonundaki jumperı kaldırıp 5 pozisyonuna yerleştirin. (2)
adımını tekrarlayın.
6. Frekans sentezörünün geçici cevabının ölçülmesi.
(1) 2, 5, 6, 7 ve 11 pozisyonlarına jumper yerleştiriniz.
(2) Osiloskop girişini TP6’ya bağlayınız. Tablo 15-6’daki giriş
frekansındaki her ani değişim için frekans sentezörünün geçici
cevap eğrisini ölçün ve kaydedin. Tablo 15-6’daki her geçiş için
oturma süresini ölçün ve kaydedin.
Giriş frekansında ani bir değişim üretmek için, örnek olarak
300kHz’den 400kHz’e, ilk olarak BCD değerini 300(300kHz)’e
ayarlayın ve daha sonra aniden yüzlük thumwheel’i
4(400kHz)’e
anahtarlayın.
(3) TP6 ve toprak arasına 10µF kapasite bağlayın. (2) adımını
tekrarlayın ve sonuçları Tablo 15-7’ye kaydedin.
TP7(fout):
15-17
Deney 15-2 Ön Bölücü kullanarak Frekans Sentezörü
1. 2, 3, 6, 7, 8 ve 12 pozisyonlarına jumper yerleştirin. Bu işlem, Fig.
15-4’de gösterildiği gibi ön bölücü kullanılarak bir frekans sentezörü
gerçeklenmesini sağlar. fR=0.5KHz ve P=10 olarak ayarlayın.
2. Tablo 15-8’deki farklı BCD thumbwheel değerleri için OUT, U7 pin1 ve
U7 pin12 üzerindeki işaret frekansını ölçün ve kaydedin.
3. U7 pin1 işareti ile OUT ‘u karşılaştırın. U7 pin1 işaretinin faz
kaymalarını Tablo 15-8’e kaydedin.
4. U7 pin12 işareti ile OUT ‘u karşılaştırın. U7 pin12 işaretinin faz
kaymalarını Tablo 15-8’e kaydedin.
5. 3 pozisyonundaki jumperı kaldırıp 4 pozisyonuna yerleştirin. 2’den 4’e
kadar olan adımları tekrarlayın.
6. 4 pozisyonundaki jumperı kaldırıp 5 pozisyonuna yerleştirin. 2’den 4’e
kadar olan adımları tekrarlayın.
Deney 15-3
Frekans Çevirici
kullanarak Frekans Sentezörü
1. 2, 5, 6, 7, 10 ve 13 pozisyonlarına jumper yerleştirin. Bu işlem, Fig.
15-6’da gösterildiği gibi frekans çevirici kullanılarak bir frekans
sentezörü gerçeklenmesini sağlar. fR=0.5KHz
ve
fL=1MHz
olarak
ayarlayın.
2. Osiloskop yada frekans sayıcı kullanarak, TP9 üzerinden lokal
osilatörün çıkış frekansını ölçün ve kaydedin.
Ölçülen frekans fL=……………………
3. Tablo 15-9’deki farklı BCD thumbwheel değerleri için OUT(fo), ve U11
pin5 üzerindeki frekansları ölçün ve kaydedin.
4. U11 pin5 üzerindeki frekans, çıkış frekansının lokal osilatör frekansı
farkına fo-fL eşit olmalıdır.
15-18
Tablo 15-1 Referans frekans ölçümü.
Test Noktası
Frekans
Dalga Şekli
TP2
TP1
U2
pin12
U1
pin 12
TP4
15-19
Tablo 15-2 VCO giriş gerilimi - çıkış frekans karakteristiği
TP6
OUT
Giriş DC Gerilimi (V)
Çıkış Dalga Şekli&Frekans (KHz)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
15-20
Tablo 15-3 VCO giriş voltajı vs çıkış frekans karakterleri(VR2 bağlı)
TP6
OUT
Giriş DC Gerilim (V)
Çıkış Dalga Şekli&Frekans (KHz)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
15-21
Çıkış
Sinyal
Frekansı
(kHz)
Giriş Voltajı
(V)
Fig. 15-16
Çıkış frekansı – giriş gerilimi karakteristiği.
Çıkış
Sinyal
Frekansı
(kHz)
Giriş Voltajı
(V)
Fig. 15-17
Çıkış frekansı – giriş gerilimi karakteristiği.
15-22
Tablo 15-4 Faz karşılaştırıcı frekansları.
Jumper
Setting
TP4
TP8
Çıkış
Pozisyon
Değeri
Frekansı
Frekansı
Frekansı
001
005
015
025
3
035
045
055
065
075
085
4
095
100
200
300
400
500
5
600
700
800
900
999
15-23
Tablo 15-5 fin/fout ölçümü.
Jumper
Setting
Pozisyon
Değeri
U10 pin4
TP7
Frekansı
Frekansı
(fin)
(fout)
001
005
015
025
3
035
045
055
065
075
085
4
095
100
200
300
400
5
500
600
700
800
15-24
Calculated
TP8
fin/fout
Frekans
Tablo 15–6 Frekans sentezörünün geçici cevabı.
Giriş Frekansı
Geçici Cevap
(KHz)
(transient response)
100 to 200
200 to 300
300 to 400
400 to 500
500 to 600
600 to 700
15-25
Oturma Süresi
Tablo 15-7 Frekans sentezörünün geçici cevabı(10µF bağlı)
Frekans Değişimi
(KHz)
Geçici Cevap
100 to 200
200 to 300
300 to 400
400 to 500
500 to 600
600 to 700
15-26
Oturma Süresi
Tablo 15-8
Ön bölücü kullanarak frekans sentezörü
Jumper
Setting
OUT
U7 pin1
U7 pin12
Pozisyonu
Value
Frekansı
Frekans & Faz
Frekans &Faz
001
002
3
003
004
005
010
020
030
4
040
045
050
055
060
065
070
075
5
080
085
090
095
100
15-27
Tablo 15-9 Frekans çevirici kullanarak frekans sentezörü
Setting Value
OUT
U11 pin5
Frekansı
0Frequency
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
15-28
15.5 SORULAR
1.
Referans frekansı ve programlanabilir bölücü kısımlarındaki JK flip-flop
yapılarının(U5a, U5b) görevini tanımlayınız.
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
2.
CD4046 ‘da ki faz karşılaştırıcılarına giren işaretlerinin uyması gereken koşulları
tanımlayınız.
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
3.
PLL kısmındaki VCO’nun frekans aralığı nedir?
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
15-29