7.7 Ταλαντωτής ελεγχόμενος από τάση
O ταλαντωτής ελεγχόμενος απο τάση (Voltage-Controlled Oscillator, VCO) είναι ένα κύκλωμα που δημιουργεί μια τετραγωνική η τριγωνική κυματομορφή της οποίας η περίοδος, άρα και συχνότητα, ρυθμίζεται από μια dc τάση (ελέγχου).
Ένας τυπικός ταλαντωτης VCO είναι το ολοκληρωμένο κύκλωμα 566, το οποίο περιέχει κυκλώματα που δημιουργούν ταυτόχρονα τετραγωνικούς και τριγωνικούς παλμούς των οποίων η συχνότητα ορίζεται βασικά από έναν εξωτερικό πυκνωτή C1 και από μια εξωτερική αντίσταση R1, επηρεάζεται δε από μια dc τάση εισόδου VC. Το Σχ.7.15 δείχνει το δομικό διάγραμμα του ολοκληρωμένου 566, σε απλή συνδεσμολογία γεννή¬τριας συναρτήσεων, καθώς και τους ακροδέκτες του. Όπως φαίνεται από το σχήμα, το 566 αποτελείται από πηγές/γεννητριες ρεύματος, από ένα διεγέρτη Schmitt και από δύο ενισχυτές/απομονωτές. Οι γεννήτριες ρεύματος φορτίζουν και εκφορτίζουν τον εξωτερικό πυκνωτή C1 με ρυθμό που καθορίζεται από την εξωτερική αντίσταση R1 και από τη διαμορφώνουσα dc τάση εισόδου (ή ελέγχου) VC. Ο διεγέρτης Schmitt χρησιμοποιείται για να κάνει μεταγωγή στις πηγές ρεύματος μεταξύ φόρτισης και εκφόρτισης του πυκνωτή και μεταξύ των τάσεων εξοδου των απομονωτών, δηλ. της τριγωνικής κυματομορφής που αναπτύσσεται στα άκρα του πυκνωτή και της τετραγωνικής κυματομορφής που προέρχεται από το διεγέρτη Schmitt.
Σχήμα 7.15. Δομικό διάγραμμα του VCO ή γεννήτριας συναρτήσεων 566 και ακροδέκτες του
Η συχνότητα ταλάντωσης η κεντρική συχνότητα λειτουργίας f0, υπο-
λογίζεται από τη σχέση:
με τους εξής πρακτικούς περιορισμούς:
1. Η R1 πρέπει να είναι στην περιοχή 2kΩ < R1 < 20 kΩ
2. Η VC πρέπει να είναι στην περιοχή (3/4)VCC < VC < VCC.
3. Η f0 πρέπει να είναι κάτω από 1 MHz.
4. Η VCC πρέπει να είναι μεταξύ 10 και 24 V.
Το Σχ.7.16 δείχνει το 566 συνδεσμολογημένο ως ρυθμιζόμενη γεννήτρια συναρτήσεων που μας δίνει ταυτόχρονα τετραγωνικούς και τριγωνικούς παλμούς με σταθερή συχνότητα που καθορίζεται από τα R,, C1 και VC. Η τάση ελέγχου η διαμόρφωσης VC, και συνεπώς η συχνότητα των κυματομορφών, f0, ρυθμίζεται κατά βούληση μέσω του διαιρέτη τάσης R2, R3
Σχήμα 7.16. To 566 ως ρυθμιζόμενη γεννήτρια τετραγωνικών και τριγωνικών κυματομορφών
Παράδειγμα 7-6
Αν στο κύκλωμα του Σχ.7.16 είναι: R, = 10 kO, R2 = 1.5 kO, R3 = 10 kO, C, = 820 pF και η VCC=12 V, να βρεθεί η τάση ελέγχου VC και η συχνότητα ταλάντωσης των κυματομορφών εξόδου του.
Το Σχ.7.17 δείχνει με πιο τρόπο μπορεί να ρυθμίζεται η συχνότητα των τετραγωνικών η των τριγωνικών παλμών χρησιμοποιώντας μεταβλητή τάση VC, ώστε να μεταβάλουμε τη συχνότητα f0. Η μεσαία λήψη του ποτενσιομέτρου R3 μετατακινείται μέσα στην πλήρη περιοχή 10:1.
Σχήμα 7.17. Συνδεσμολόγηση του 566 ως μονάδα VCO
Παράδειγμα 7-7
Αν το κύκλωμα του Σχ.7.17 έχει τιμές R1 = 10 kΩ, R2=470 Ω, R3=5 kΩ, C1=220 pF, R4 = 18 kΩ και VCC=12 V, να βρεθούν οι δυο ακραίες δυνατές συχνότητες ταλάντωσης, ανάλογα με τη θέση του ποτενσιομέτρου.
7.7.1 O VCO για Διαμόρφωση Συχνότητας
Αντί να μεταβάλλουμε ένα ποτενσιόμετρο για να αλλάζουμε την τάση VC, μπορούμε να εφαρμόσουμε στην είσοδο μια διαμορφώνουσα τάση ν, όπως δείχνεται στο Σχ.7.18, όπου VC=Vdc+v Στο σχήμα αυτό ο διαιρέτης τάσης δημιουργεί τάση VC γυρω στα 10 V, με πόλωση Vdc=10.4 V. Μια (επιπροστιθέμενη) ac τάση εισόδου γυρω στο 1.4 V (τιμή κορυφής) κάνει την τάση VC να μεταβάλεται από 9 V έως 11.8 V, εξαναγκάζοντας τη συχνότητα εξόδου να μεταβάλλεται αντίστοιχα, μέσα σε μια δυναμική περιοχή 10:1. Επομένως το σήμα εισόδου ν θα διαμορφώνει την έξοδο ως προς τη συχνότητα γυρω από μια κεντρική συχνότητα f0 η οποία καθορίζεται από την τιμή της πόλωσης Vdc=10.4 V (f0 = 121.2 KHz).
Σχήμα 7.18. Λειτουργία του VCO με διαμορφώνουσα τάση εισόδου για διαμόρφωση συχνότητας
To VCO χρησιμοποιείται συνχνά στο να μετατρέπουμε σήματα πολύ χαμηλών συχνοτήτων, όπως αυτά που λαμβάνονται στα ηλεκτροεγκεφαλογραφήματα (EEG) ή τα ηλεκτροκαρδιογραφήματα (EKG), σε σήματα διαμορφωμένης συχνότητας που ανήκουν στην περιοχή των ακουστικών συχνοτήτων. Τα ακουστικά αυτά σήματα στη συνέχεια μπορουν να μεταδοθούν μέσω τηλεφωνικών γραμμών για διαγνωστικούς (τηλεϊατρικούς) σκοπούς ή μπορούν να καταγραφούν σε κάποιο μαγνητικό μέσο για περαιτέρω επεξεργασία.
7.8 Βρόχος κλείδωσης φάσης
O βρόχος κλείδωσης φάσης (Phase Locked Loop, PLL) είναι ένα ευέλικτο ηλεκτρονικό κυκλωμα παρατήρησης της συχνότητας ή της φάσης κυματομορφών και αποτελείται από ένα συγκριτή ή φωρατή φάσης (PC), ένα φίλτρο χαμηλών συχνοτήτων (LPF) και έναν ταλαντωτή ελεγχόμενο από τάση (VCO) που συνδέονται όπως εικονίζει το Σχ.7.19.
Σχήμα 7.19. Δομικό διάγραμμα του βρόχου κλείδωσης φάσης (PLL)
Τυπικά ο συγκριτής ή φωρατής φάσης συγκρίνει τη συχνότητα εισόδου f με τη συχνότητα f0 του VCO ως εξής: Η έξοδος του φωρατή φάσης είναι ανάλογη της διαφοράς φάσης των σημάτων vi και v0. Η τάση εξόδου του φωρατή φάσης είναι μια dc τάση που ονομάζεται τάση σφάλματος (ve). Η έξοδος του φωρατή φάσης εφαρμόζεται στο ΦΧΣ, το οποίο καταστέλλει τις υψηλές συχνότητες (fi+f0) και δημιουργεί μια καθαρή dc τάση. Αυτή η dc τάση με τη σειρά της, είναι η είσοδος του VCO. Αφού η συχνότητα εξόδου του VCO είναι ανάλογη της dc στάθμης εισόδου, η συχνότητα του VCO γίνει είναι ίση με τη συχνότητα εισόδου.
Συνολικά, ο βρόχος κλείδωσης φάσης οδεύει μέσω τριών καταστάσεων: αυτοδιέγερσης, σύλληψης και κλείδωσης φάσης. Πριν εφαρμοσθεί το σήμα εισόδου, ο βρόχος κλείδωσης φάσης είναι στην κατάσταση αυτοδιέγερσης. Όταν εφαρμοσθεί σήμα με τη συχνότητα εισόδου ή, η συχνότητα του VCO αρχίζει να αλλάζει και σ' αυτή την περίπτωση ο βρόχος κλείδωσης φάσης βρίσκεται στην κατάσταση σύλληψης. Η συχνότητα VCO συνεχίζει να αλλάζει μέχρις ότου γίνει ίση με τη συχνότητα εισόδου και τότε ο βρόχος κλείδωσης φάσης έχει μπει στην κατάσταση κλείδωσης φάσης. Όταν η φάση κλειδώσει, ο βρόχος παρακολουθεί οποιαδήποτε αλλαγή της συχνότητας εισόδου μέσω της επαναληπτικής δράσης του.
Επειδή το κύκλωμα του PLL δεν απαιτεί αυτεπαγωγές κατασκευάζε¬ται εύκολα με τη μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος. Το συνηθέστερο από αυτά τα κυκλώματα βρόχου κλείδωσης φάσης είναι το ολοκληρωμένο κύκλωμα PLL 565. Το Σχ.7.20 δείχνει το δομικό διάγραμμα αυτου του ολοκληρωμένου καθώ και τη βάση μαζί με τους ακροδέκετες του.
Σχήμα 7.20. Δομικό διάγραμμα βρόχου κλείδωσης φάσης PLL 565
Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά του είναι τα εξής:
1. Περιοχή λειτουργία συχνότητας: 0.001 Hz μέχρι 500 kHz.
2. Περιοχή λειτουργίας τάσης: ±6 V έως ±12 V.
3. Στάθμη εισόδου: 10 mV rms έως 3 V p-p.
4. Η αντίσταση R1 πρέπει να είναι μεταξυ 2 ΚΩ και 20 ΚΩ.
Η κεντρική συχνότητα του PLL καθορίζεται από τη συχνότητα αυτο-
διέγερσης του VCO, η οποία, για το PLL αυτό, δίνεται από τη σχέση:
όπου R1 και C1 είναι εξωτερικά στοιχεία που συνδέονται στους ακροδέκτες 8 και 9, αντίστοιχα. Η συχνότητα f0 αυτοδιέγερσης ρυθμίζεται εξωτερικά, από τα στοιχεία R1 και C1, ώστε να είναι στο κέντρο της περιοχής συχνοτήτων της εισόδου. O πυκνωτής C2 πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος ώστε να εξαλείφει τις διακυμάνσεις της τάσης εξόδου κι έτσι να σταθεροποιείται η συχνότητα του VCO.
Το PLL 565 μπορεί να κλειδώνει και να ανιχνευει ένα σήμα μέσα σε μια περιοχή ± 60% του ευρους διέλευσης συχνοτήτων, με την f0 σαν κεντρική συχνότητα. Η περιοχή κλείδωσης fL και η περιοχή συλληψης fC αυτου του PLL δίνονται από τις πιο κάτω σχέσεις:
όπου f0 είναι η συχνότητα αυτοδιέγερσης του VCO (σε Hz) και το
όπου το R2 είναι σε Ω και το C2 σε F, οι δε f σε Hz.
Σχήμα 7.21. Το 565 συνδεσμολογημένο σαν κύκλωμα διαμόρφωσης συχνότητας
To PLL είναι ένα σημαντικό κυκλωμα σα βάση για μια σειρά εφαρμογών. Χρησιμοποιείται για διαμόρφωση συχνότητας (FM), για σύνθεση συχνοτήτων και για τον πολλαπλασιασμό και τη διαίρεση συχνοτήτων. Επίσης, το PLL χρησιμοποιείται και ως αποκωδικοποιητής ΕΞΚ (Frequency- Shift Keyed).
Παράδειγμα 7-8
Για το κυκλωμα του Σχ.7.21, βρείτε τη συχνότητα αυτοδιέγερσης f0, την περιοχή κλείδωσης fL και την περιοχή συλληψης fC.
