Devoir Surveillé EA S3 DS EA N°2 : La boucle à verrouillage de phase et ses applications Lundi 8 novembre 2010 S.POUJOULY http://poujouly.net CORRECTION ECLAIR Problème n°1 : Une partition lumineuse Q1 : Nombre de filtre important, Pb de précision pour le réglage, facteur de qualité élevé, Pb d’amplitude du signal d’entrée. Q2 : LMC567 : Tone Decoder : Décodeur de tonalité & Gamme de fréquence compatible Q3 : Les 2 blocs « ÷2 » sont des diviseurs de fréquences. Non pas de synthèse fractionnaire car on ne peut pas insérer de diviseur entre la sortie du VCO et l’entrée du comparateur de phase. Q4 : Courant de sortie de 20mA ce qui est largement suffisant pour éclairer une LED. Q6 : La fréquence des signaux Q1 et Q2 est 2 fois plus petite que celle de H ce qui justifie les blocs « ÷2 » dans le schéma synoptique. Q5 : Voir document réponse Q7 : Les sorties Q1 et Q2 sont déphasées de 90° ce qui justifie le nom donnée aux tensions V0° et V90°. Q8 : Lorsqu’une boucle à verrouillage de phase est verrouillée, les fréquences des signaux présents sur les entrées du comparateur de phase sont identiques. Comme on souhaite centrer le détecteur de fréquence sur 330Hz la fréquence fH0=660Hz. Q9 : Rt.Ct=1/(1,4. fH0)=1,08ms soit Ct=100nF et Rt=11kΩ Il faut calculer le gain de conversion du VCO dans la partie linéaire soit : Kvco=0,2. fH0/(4-1) donc Kvco=44Hz/V Q10 : Voir document réponse Q11 : Kcp=Io/π=19,9µA/rad Q12 : La figure ci-dessous montre que la sortie en courant du comparateur de phase peut se transformer en une sortie tension en effectuant une transformation Norton/Thevenin. On retrouve alors un filtre passe bas classique à la sortie de ce comparateur de phase afin d’extraire la valeur moyenne. Dans notre cas on récupère bien une tension image égale à la valeur moyenne de Ip à un coefficient R près. Ip R R C V C R.Ip Filtre passe bas : joue le rôle de filtre moyenneur si fc << fréquence de travail du comparateur de phase (≈330Hz) V=<R.Ip>=R.<Ip> Q13 : Comme la valeur moyenne du courant à la sortie du comparateur de phase est compris entre 0 et +Io, alors la tension moyenne de V2 sera comprise entre 0 et R2.Io=5V. On constate donc que la plage de maintien n’est pas limitée par le comparateur de phase mais bien par la caractéristique du VCO. En effet la fréquence du VCO ne peut donc pas dépasser les valeurs 0,9.fH0=594Hz et 1,1.fH0=726Hz ce qui correspond à une plage de maintien comprise entre 297Hz et 363Hz vue de l’entrée Q14 : Comme on l’a montré à la question Q12, la fonction de transfert du filtre de boucle correspond bien à un filtre passe bas R2 C2 et dont le facteur multiplicatif assurant la conversion courant tension est bien R2. Pour le reste du modèle il s’agit d’une approche classique (voir cours) dans lequel on remarque la présence d’un bloc ½ liée à la division de fréquence. Bien évidemment les valeurs Kcp = 20µA/rd et Kvco=44Hz/V correspondent aux valeurs précédemment établies IUT CACHAN Page 1 sur 4 S.POUJOULY Q15 : FTBF = avec ωn = 1 1 de la forme FTBF = p R2C2.p² p p² + + 1 + 2m 1+ ωn ωn² π .Kcp.Kvco.R2 π .Kcp.Kvco.R2 π .Kcp.Kvco C2 Q16 : On choisit fc = et m = 1 2.R2. π .Kcp.Kvco.C2 1 = 30Hz car on souhaite récupérer la valeur moyenne en sortie du comparateur 2π .R2.C2 de phase et on choisit donc une fréquence de coupure environ 10 fois plus petite que la fréquence d’entrée. On en déduit donc C2=66,3nF donc on choisit C2=68nF (Valeur normalisée) Q17 : m=0,46 ωn=204 rad/s soit D1%=19,5% et tpic=17,4ms Q18 : Pour connaître les niveaux de tension correspondant aux fréquences il faut reporter les fréquences doubles sur la caractéristique du VCO. Fin 341Hz 22Hz 319Hz V2 : Réponse « théorique » ≈3,2V V2 : Réponse pratique 3V 3V 2V 2V La réponse théorique ne tient compte que du modèle de la boucle et la réponse pratique prend en compte le résidu des ondulations en sortie du filtre passe bas. Etude du fonctionnement de l’ensemble (Réponse groupée aux questions Q19, Q20 & Q21) V1 Lorsque la fréquence en entrée est de 330Hz, la PLL est verrouillée et la tension V2 se situe à 2,5V correspondant au R1.Io=4V milieu de la caractéristique. Cette tension de 2,5V correspond donc à un déphasage de π/2 pour les signaux Vin et V0°. Pour R1.Io/2=2V ce déphasage de π/2 on se retrouve donc au maximum du courant de sortie pour le comparateur de phase 1. Si l’on 297 connecte un circuit R1C1 de telle sorte à ce que la fréquence de LED 1 ON coupure fc1 = << 330Hz on récupère une tension V1 2Vcc/3=3,33V Fin (Hz) 330 Δf 363 2π .R1.C1 image du courant comme le montre la figure ci-contre. Lorsque cette tension est supérieure à 2Vcc/3 cela provoque l’éclairement de la LED dans un intervalle de fréquence Δf comme indiqué ci-contre. Fin (Hz) OFF Une simple « règle de 3 » permet de déterminer la valeur de Δf et l’on obtient Δf=22Hz IUT CACHAN Page 2 sur 4 S.POUJOULY Problème n°2 : Analyse de la documentation du circuit BH1415 [8pts] Q1 : Il s’agit d’un émetteur FM synthétisé avec codage stéréophonique Q2 : fxtal=7,6MHz ce qui permet d’obtenir les fréquences 19kHz et 38khz utilisé par le codage stéréophonique et une fréquence de 100kHz pour le comparateur de phase. Q3 : Le bloc MPX permet d’effectuer une grande partie du codage stéréophonique à partir des voies gauche et droite. Q4: Il s’agit d’une préaccentuation en fréquence. En effet on peut montrer que dans le cas d’une liaison en modulation de fréquence, le niveau de bruit à la sortie du démodulateur est plus élevé pour les fréquences du signal audio élevées. Comme par ailleurs le niveau des composantes fréquentielles de la voix a tendance à diminuer lorsque la fréquence augmente, le rapport signal sur bruit pour la partie haute du spectre audio devient donc très mauvais. Q5: Schéma synoptique de la synthèse de fréquence (sans la partie modulation) : Xtal 7,6MHz 1 1 100kHz ⋅ 4 19 FB CP FRF VCO 1 Program counter value Q6: Comme la fréquence de travail du comparateur de phase est de 100kHz il faut régler la valeur du « program counter » à 1000 pour obtenir une émission centrée sur 100MHz. Q7: Eléments intervenant dans la réalisation du filtre de boucle : La première partie est constituée par une résistance de 20kΩ avec en contre réaction du transistor la capacité de 47nf et l’association en série de la résistance de 100Ω et le condensateur de 33µF. La seconde partie est constituée par un filtre passe bas R=10kΩ et C=1nF La valeur importante de l’un des condensateurs de ce filtre de boucle permet de fixer une constante de temps très lente car la boucle ne doit corriger que les dérives du VCO. Avec une constante de temps rapide la boucle annulerait la modulation. Vue de l’entrée de modulation, la fréquence de coupure du filtre de boucle correspond à une fréquence de coupure haute. Q8: Eléments intervenants dans la réalisation du VCO : La diode varicap, l’inductance et les condensateurs de 10pF, 22pF et 33pF IUT CACHAN Page 3 sur 4 S.POUJOULY Devoir Surveillé EA S3 DS EA N°2 : Document Réponse S.POUJOULY Lundi 8 novembre 2010 Nom, Prénom : http://poujouly.net Groupe : Etude du VCO H t H t D1 t Q1 t D2 t Q2 t Etude du comparateur de phase V0° Δϕ = 0 V0° 5V Δϕ = π/2 V0° 5V 5V t 0 t 0 V90° V90° 5V 5V 5V t t 0 Vin t Vin t 0 Ip2 Ip2 Io Io Io t t t Ip1 Ip1 Ip1 Io Io Io t t t <Ip2> <Ip1> IUT CACHAN t 0 Ip2 Io Io Io/2 Io/2 +π/2 t 0 Vin 0 t 0 V90° 0 Δϕ = π +π Δϕ Page 4 sur 4 +π/2 +π Δϕ S.POUJOULY