O desenvolvimento de circuitos sintetizadores de frequências se tem visto facilitado pela aparição da integração em grande escala. Os laços de fixação de fase (Phase Locked Loop), podem ser achados na atualidade em uma única pastilha configurados como um potente sintetizador que pode ser empregado bem em faixas como em altas frequências. Apresentamos neste artigo o desenvolvimento de um sintetizador de rádio frequência programável, previsto para seu uso no ensino,
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 218 de 1991;
SINTETIZADORES DE RÁDIO FREQUÊNCIA
a) Por simples divisor.
Um esquema básico para a configuração deste circuito se apresenta na figura 1. Nela, podemos observar a introdução de um divisor N no laço de realimentação. Desta maneira o circuito se comporta como um multiplicador de frequências, e utilizando um divisor programável pode gerar na saída qualquer sinal cuja frequência se localiza dentro da faixa de enganche do P.L.L. Deverão ser considerados os transitórios de captura que serão governados principalmente pelo filtro passa-baixas. O sinal de saída pode se representar por:
fo = N f ref
b) Com Prescaler.
Quando o sintetizador é empregado em altas frequências (Rádio Frequência), se atingem rapidamente os limites de velocidade das famílias lógicas mais comuns (T.T.L., CMOS) e o divisor programável N, não pode ser utilizado em forma direta.
Para isso empregam-se circuitos divisores por escala fixa (Prescaler) que são fabricados em diferentes tecnologias e módulos de diviso. Existem no mercado Prescalers deste tipo que funcionam até os 1000 MHz. Logo depois de ser efetuada a primeira divisão no prescaler, a frequência do sinal está apta para ser dividida com circuitos integrados de tecnologia convencional.
Na figura 2, se pode apreciar o esquema de um sintetizador empregando Prescaler no qual a frequência dó sinal de saída pode ser expressado como: fo = N (K f ref). Observe-se que para manter a mesma separação entre frequências sucessivas, a f ref deverá ser K vezes menor.
c) Com conversor em direção descendente. (Down converter).
Como se observa na figura 3, pode ser intercalado na saída do V.C.O um misturador seguido de um filtro passa-faixas, de maneira que a saída deste, represente a diferença de frequência entre o V.C.O e o O.L. (oscilador local).
Logo, a entrada ao divisor programável será:
fo - fol que se encontrará por debaixo do limite de verdade regular do divisor. Para que o sinal de saída seja estável em frequência_ deverão ser estáveis tanto a referência como o oscilador local.
Por tanto uma possível configuração muito estável poderá ser conseguida se o oscilador local se implementa utilizando o sinal de referência e um multiplicador de frequência classe C.
A frequência do sinal de saída para este sintetizador responde a seguinte equação:
fo = fol + N f ref.
Esta relação facilita os usos habituais em telecomunicações, onde geralmente devemos deslocarmos numa faixa estreita em comparação com a frequência inicial.
Exemplo, faixa de 144 - 148 MHz com separações de 10KHz:
fol = 143 f ref = 10KHz (100 < N <500). Neste exemplo o sinal de entrada ao divisor programável não superará os 5 MHz.
d) Com Prescaler de duplo módulo.
São fabricados Prescalers com entrada de controle MC, que governa o módulo de divisão entre dois valores possíveis P e P+1. Este circuito é comandado desde uma lógica de controle que inclui além, dois divisores programáveis. O funcionamento deste sintetizador será tratado adiante. Temos sua representação esquemática na figura 4 e sua equação é a seguinte:
fo = (A + N P) f ref.
Observar que tem semelhança com a equação do P.L.L. com down converter, mas implementado aqui em forma digital.
O MC 145146.
a) Generalidades
O sintetizador de frequências P.L.L. com Bus de entrada de dados de 4 bits MC 145146, é um circuito integrado fabricado em tecnologia CMOS de grande integração (possui 5692 Fets no seu interior). Como se pode observar na figura 5, onde se apresenta sua arquitetura, consta de um inversor digital cuja entrada e saída são acessíveis nos pinos 7 e 8, aonde pode ser conectado simplesmente um cristal compensado em temperatura e ficar implementado assim o oscilador de referência. Se em câmbio se deseja fazer uso de um oscilador exterior, poderá ser introduzido seu sinal pelo pino 7. Neste caso, o sinal do oscilador estará acessível no pino 8 para ser empregado em outras partes do circuito. O sinal de referência assim gerado, e que corres ponde em geral a uma frequência elevada, pode ser dividido pelo número R programável de 12 bits.
(3 < R < 4093).
A saída deste divisor estará acessível no exterior pelo pino 18 para fins de monitoração, ou bem para sua utilização em outras partes do circuito. Este sinal ingressa também diretamente ao comparador de fase A. Este comparador de fase é do tipo digital, tem porta tri estado na sua saída e o funcionamento é análogo ao comparador de fase II do conhecido 4046 da série CMOS. Sua saída é pelo 5. Existe internamente um detector de enganche (lock detector) que fornece no pino 13 uma saída que pode ser empregada para a indicação visual do estado de enganche.
O sinal de saída do V.C.O ingressará pelo pino 3 a um inversor digital que cumpre as funções de Schmitt Trigger, e deste, a um divisor programável por um número N de 10 bits.
(3 < N < 1023).
A saída do divisor será acessível para o exterior no pino 15 para fins de monitoração ou bem para ser empregada em outras partes do circuito. Esta saída também se acha conectada internamente ao comparador de fase A com o qual fica completo o esquema básico do P.L.L.
Se pode apreciar além, a existência de outro comparador de fase B com duas saídas V (pino 16) R (pino 17). Estas são aptas para serem empregadas em filtros passa-baixas ativos externos, utilizando-se a entrada diferencial dos amplificadores operacionais.
Até o momento, falta mencionar como são carregados os dados nos latches dos divisores programáveis. Como se pode apreciar, existem 8 latches de 4 bits cada, pelo qual serão necessários 3 bits para direcioná-los. Estes bits de direção A0, Al e A2, pertencem aos pinos 9, 10 e 11 respectivamente e os dados D0, D1, D2 e D3 que se encontram nos pinos 2, 1, 20 e 19 respectivamente. Para validar os dados no latch direcionado, se emprega o pino 12, chamado Strobe ST. O total de 8 bits (4 dados + 3 direções + ST), podem formar parte do bus de dados de um microcomputador.
f) O controle do Prescaler de duplo módulo.
Falta ainda considerar o divisor programável pelo número A de 7 bits que recebe o mesmo sinal de entrada ao divisor N, e cuja saída não é utilizada. Na realidade ambos os divisores, A e N, se encontram em comunicação com a lógica de controle que possui uma saída exterior pelo pino 14, chamada MC (controle de módulo). O estado deste pino governará o fator de divisão do Prescaler da seguinte maneira:
MC baixo → %P + 1
MC alto → %P
Quando se inicia a conta nos divisores N e A, o MC se encontra baixo pelo qual o conjunto divide pelo fator A (P+1).
A deve ser sempre menor ou igual que N pelo qual uma vez finaliza a conta em A, se põe MC alto e o divisor
N acaba contanto (N - A) eventos com um fator de divisão total:
(N - A) P.
Finalmente, o fator de divisão total complexivo deste circuito será a suma dos fatores intermediários:
Esta expressão tinha sido já adiantada no idem do sintetizador de rádio frequência governando a programação de A e de N podemos lograr amplas variações da frequência de saída.
O ESQUEMA GERAL
a) O PLL.
As especificações básicas que se pretende obter com este sintetizador são as seguintes: a) faixa de funcionamento: 30 - 65 MHz.
b) Separação entre frequências: 100 Hz.
c) Impedância de saída nominal: 50 ohms.
Para satisfazer estes requisitos, foi implementado um sintetizador com prescaler, conforme apresentou a figura 2. No esquema circuitai podem ser identificados o MC145146 com cristal de 3 MHz para o oscilador de referência. O mesmo deverá ser sintonizado medindo a frequência do oscilador no pino 8 e ajustando C26. A correta calibração do oscilador de referência dará a exatidão necessária na frequência de saída.
O sinal de saída do comparador de fase A (pino 5), ingressa ao filtro passa-baixas constituído por R2 e C6. Para o desenvolvimento do mesmo foram empregados critérios de maximização da faixa de captura e velocidade de resposta ao escalão. Esta tensão resultante governará a frequência de oscilação do V.C.O implementado com um MC1648. O circuito tanque está constituído por L1 e D9, sendo este último um diodo do tipo varactor. A variação na frequência se consegue por meio do controle da tensão inversa em D9. Os capacitores C7 e C6 (este último pertencente ao filtro passa-baixas), configuram o circuito tanque paralelo.
A saída do V.C.O., (pino 5 do MC1648), ingressa ao divisor prescaler 8629 (pino 7). Este divide por 100 e funciona até uma frequência máxima de 120 MHz. A saída do prescaler ingressa a entrada do divisor N (pino 3 do MC145146) e no superará em nenhum caso sua frequência máxima de operação (para este divisor Fmax = 30 MHz).
Desta maneira se completa o esquema básico do sintetizador. O sinal de saída é tomado através do amplificador de R.F. classe A que fornece a impedância de saída requerida. O led D12 funciona como indicação visual do estado de enganche.
Para conseguir a faixa de frequências requerido, deverá desenvolver se a margem de funcionamento de V.C.O. assim como o filtro passa-baixas já mencionado. A separação de frequências consecutivas requerida é 100KHz pelo qual sendo 100 o fator de divisão do prescaler, a frequência de referência deverá ser 1KHz e o número R a programar 3000.
b) O microcomputador como gestor.
O sintetizador deverá ser programado pelo qual interagirá com o usuário por meio de um teclado para o ingresso de dados e controle do programa, assim como um display para a apresentação dos diferentes estados e valores programados.
O microcomputador empregado é o 8031 que contém na sua arquitetura entre outros, dois timer programáveis, duas portas entrada/saída quase bidirecionais quando se emprega (como neste caso) ROM externa, comunicação série full duplex, vários níveis de interrupções, um versátil conjunto de instruções capazes de modificar bits individuais das portas em forma direta, etc.
A memória do programa foi armazenada numa EPROM 2716. O teclado se governa por meio de P1.0 a P1.6.
Para o bus de dados do MC145146 foram empregados: P1.3 a P1.6 e para os endereços: P3.0, P3.1 e P3.2, enquanto o Strobe se governa por P3.3. (figura 5)
O display de 8 dígitos é dirigido pelo 7218B que possui o multiplexado e driver necessários. Se programa seu modo de funcionamento e os dados a serem apresentados em cada dígito, através do bus de dados do sistema. Este integrado não possui pino de habilitação para sua escritura, não sendo isto um inconveniente pois neste caso este é o único periférico a direcionar. O controle de Modo, se governa por P1.7 e a escritura pelo pulso de writ do microcomputador.
PROGRAMA MONITOR
a) Implementação.
O programa monitor em uma primeira versão, consta de três funções implementadas. Elas são:
P1) Ingressa pelo teclado o novo número R a programar.
P2) Ingressa pelo teclado o novo número N a programar.
P3) Permite incrementar (apertando 7) ou decrementar (apertando 8) o número N. Quando o circuito se conecta pela primeira vez, o programa inicializa o controlador do display e carrega nos divisores do PLL os valores R = 3000 e N = 300.
Função P1:
Nesta função se visualiza no display o número atual R e pode ser ingressado pelo teclado o novo valor desejado.
Função P9:
Nesta função se visualiza no display o número atual N e pode ser ingressado pelo teclado o novo valor desejado.
Função P3:
No estado inicial sempre se visualiza no display o valor atual de N.
b) Fluxograma
Se apresenta o fluxograma do programa principal que foi posteriormente escrito em linguagem de máquina. Este programa se implementou utilizando as vantagens de uma programação estruturada com múltiplas chamadas a sub-rotinas. Desta maneira serão possíveis futuras mudanças ou ampliações.
OUTRAS POSSÍVEIS APLICAÇÕES
a) Transceptor
O sintetizador de R.F. apresentado aqui, pode ser empregado sem mais como oscilador local de um aparelho de comunicações. Para isto poderá ser realizado um novo programa que apresente no display diretamente a frequência ou número do canal selecionado.
b) Varredor
Desenvolvendo apropriadamente a velocidade de resposta do PLL poderá ser incrementada a frequência de saída desde um valor inicial até um valor final de maneira periódica, por meio da programação de R e N efetuada no PLL pelo microcomputador. Este resultado pode ser empregado na fabricação de um receptor tipo "Scanner", ou bem para seu uso em ajuste de circuitos sintonizados, relevamento da resposta em frequência, etc.
Pode também governar-se um gerador de marcas com muita boa precisão.
c) Gerador de R.F.
A primeira aplicação que pode surgir para este circuito, é seu emprego como gerador de rádio frequências. Para esta finalidade teremos que dotá-lo de algum sistema de mudança de escalas, assim como atenuadores de precisão, modulações AM e FM internas e externas, etc.
Em alguns casos os usuários destes instrumentos preferem o uso de um controle 'contínuo' para a seleção da frequência de saída. Isto pode ser implementado com o emprego de um potenciômetro multivoltas em um divisor de tensão resistivo, e um convertedor analógico - digital.
Esta informação digital é processada pelo microcomputador para fornecer a frequência escolhida.
