Como Funciona - Operação dos Sintetizadores de Frequência (ART3150)

Os receptores e transmissores modernos, usados em telecomunicações e até mesmo destinados ao grande público, utilizam técnicas especiais de sintonia que envolvem a síntese digital de frequência. Basta selecionar num teclado a frequência desejada que o equipamento coloca-se imediatamente em condições de transmiti-Ia ou recebê-la; Como fazer isso será o assunto deste artigo, em que teremos, inclusive, circuitos práticos baseados em informações de fabricantes de componentes dedicados.

Em outro artigo deste site analisando as aplicações do PLL 4046 (CMOS), demos como exemplo a síntese de frequências, com a introdução deste componente entre um divisor e um oscilador de referência.

Na ocasião, explicamos que, pela presença de um divisor de frequência seletivo entre o VCD e as entradas dos comparadores internos no circuito de realimentação de um PLL, poderíamos fazer a síntese de frequências numa ampla faixa de valores.

O circuito dado na figura 1 como exemplo, com três décadas, a partir de um sinal de referência de 1kHz, permitia a síntese precisa de frequências entre 1 e 999kHz, em passos de 1kHz.

 


 

 

O comparador II é aplicado nesta configuração para evitar um eventual atracamento em frequências harmônicas da programada e também para permitir a operação com sinal do divisor, que não possui um ciclo ativo de 50%, como exige o comparador I.I

A estrutura básica de um transmissor é mostrada na figura 2.

 


 

 

Conforme podemos ver, o sinal de pequena intensidade na frequência desejada ou maior submúltiplo da final é gerado num circuito de baixa potência, normalmente um VCO.

O sinal deste VCO passa, então, por sucessivas etapas de amplificação e, finalmente, de modulação até chegar ao estágio final, em que se obtém toda a potência que deve ser irradiada.

Como entre cada etapa normalmente existe um circuito sintonizado, onde podemos variar a frequência do VCO numa faixa muito ampla sem influir no rendimento das etapas seguintes, a não ser que elas também sejam sintonizadas simultaneamente.

Na prática, isso não é problema, pois os transmissores para as faixas de comunicações normalmente operam em bandas mais ou menos limitadas, como por exemplo para a faixa de radioamadores entre 144,0 e 148,0 MHz para os 2 metros ou entre os 51,0 e os 54,0 MHz para a banda dos 6 metros.

Desta forma, num transmissor sintonizado, podemos perfeitamente atuar somente sobre o VCO, o que nos leva e uma estrutura típica, conforme indicado na figura 3.

 


 

 

O cristal determina a largura de cada passo na síntese de frequências ou largura do canal. No caso, temos um cristal de 10 kHz.

O oscilador principal, o VC0, e, então, projetado de modo a poder operar na faixa de 144,0 a 148,0 MHz num transmissor para a faixa dos 2 metros.

Na realimentação, temos um divisor de frequências por valores que estão nesta faixa, mas dividida por 10 000,0 que nos leva a 5 décadas.

Desta forma, se na entrada do divisor tivermos um sinal de 144,15 MHz, somente teremos em sua saída um sinal de 10 kHz, que corresponde à frequência do oscilador padrão, se o divisor estiver programado para um valor de 14415.

Nesta situação, a concordância de frequências na porta lógica faz com que o circuito "amarre" nesta frequência e a produza de modo estável.

Para gerar outra frequência, devemos mudar a programação do divisor.

Alterando esta frequência, a porta lógica passa a apresentar uma tensão de saída “de erro" que leva o VCO a mudar sua frequência até alcançar o novo valor, quando, então, novamente ”amarra" produzindo o novo sinal.

Estruturalmente, este circuito é simples e pode ser usado também na recepção, mas funcionalmente ele apresenta alguns pontos críticos.

Um deles, por exemplo, refere-se à necessidade da primeira década do divisor ter que trabalhar com um sinal de frequência muito alta, o que exige técnicas especiais.

Uma solução, sugerida na figura 4, consiste na utilização de divisores fixos com a técnica ECL (Emitter Coupled Logic), que se caracteriza pela alta velocidade de Operação.

 


 

 

Neste caso, não dispondo do primeiro salto de frequência, para compensar e obter, ainda assim, "passos" de 10 kHz, reduzimos num fator 10 a frequência do oscilador.

Existem diversos circuitos integrados ECL que fazem a divisão de frequências em valores fixos, sendo indicados para a faixa tanto de VHF como de µHF. Damos alguns exemplos a seguir:

- SP.8785, que divide por 10 ou 11 frequências de até 1GHz;

- SP.8792, que divide por 81 frequências de até 200 MHz;

- SP 8793, que divide por 40/41 frequências de até 225 MHz;

- 11C91, que divide por 5 ou 6 frequências de até 650 MHz;-

- 11C90, que divide por 10 ou 11 frequências de até 650MHz.

Todos estes integrados podem ser usados em transmissores e receptores sintetizados. No entanto, as técnicas modernas permitem que as coisas sejam mais fáceis. Um único integrado pode conter boa parte do que necessitamos para fazer a síntese de frequências tanto em receptores como em transmissores, e isso é exemplificado a seguir.

 

MC145688 E MC145698

O MC145688, da Motorola, é um exemplo de circuito integrado dedicado para aplicação em síntese de frequências tanto para receptores como para transmissores.

Este integrado consiste num comparador de fase e num conjunto de contadores programáveis para operar juntamente com o MC14569B, MC145228 ou MC145268, todos da Motorola.

Na figura 5 temos o diagrama lógico interno deste integrado, onde temos um divisor por 4, 16, 64 e 100 e um divisor programável de 4 bits.

 


 

 

O integrado é fabricado com tecnologia MOS, sendo usado conjuntamente com um divisor por N para a síntese de frequências e PLL.

Sua corrente de consumo é de apenas 5 nA com 5 V, e ele pode ser alimentado com tensões de 3 a 18 V.

Na figura 6 temos a pinagem deste integrado.

 


 

 

 

O COMPARADOR DE FASE

O comparador de fase consiste numa unidade lógica controlada pela fronte positiva do sinal. Ele consiste basicamente em 4 flip-flops e um par de transistores MOS. Somente uma das suas entradas (pino 14) é acessível externamente. A segunda entrada é conectada a um dos contadores do diagrama em blocos.

Os ciclos ativos dos sinais de entrada precisam ser considerados, já que o circuito responde apenas às frontes positivas. Se os dois sinais de entrada tiverem a mesma frequência, mas fases diferentes, a saída do comparador ficará no nível alto por um tempo equivalente à diferença de fase, conforme mostra a figura 7.

 


 

 

Se os sinais de entrada tiverem frequências diferentes, a saída estará no nível alto, enquanto a frequência de B for menor que a de A, e estará no nível baixo quando a situação se inverter, ou seja, frequência de B maior que de A.

Quando as frequências dos sinais forem iguais, a saída estará num nível intermediário entre LG e HI. A diferença de fase entre os sinais deverá ser nula para que isso ocorra.

A faixa de captura e atracamento é determinada pela faixa de operação do VCO. O comparador possui uma saída de indicação de atracamento que passe ao nível HI quando isso ocorrer.

 

O DIVISOR POR 4,16, 64 OU 100 (D1)

Este contador é capaz de operar com uma frequência de entrada de até 5 MHz, para uma tensão de alimentação de 10 V. A programação da divisão por um dos números citados nas características é feita através dos pinos 10 e 11.

Com a conexão da entrada de controle (pino 15) ao VDD temos a ligação em cascata deste contador com o divisor por N, que se encontra no mesmo invólucro. Aterrando a entrada de controle temos o funcionamento independente dos dois contadores.

Os valores dos divisores programados devem ser escolhidos para proporcionarem os espaçamentos entre os canais, no caso de aplicação como sintetizador de frequências.

Por exemplo, com um quociente de 100 para a divisão e uma frequência estabilizada de referência de 5 MHz, uma frequência de 50 kHz é fornecida ao comparador. Quocientes menores permitem trabalhar com cristais de frequências mais baixas.

Com a utilização do divisor por N em cascata, praticamente todas as frequências mais comuns de separação entre canais podem ser obtidas, tais como: 25; 20; 12,5; 10; 6,25kHz.

 

DIVISOR POR N PROGRAMÁVEL

O contador é programado pelas entradas Dp0 a Dp3 (pinos 7 a 4). A entrada Preset Enable habilita as entradas de prefixação paralelas DpO a Dp3. A saída “O" externa deve ser conectada externamente à entrada PE para aplicações de uma única etapa.

Como não existe uma entrada de realimentação em cascata, este contador, quando assim ligado, deve utilizar para esta finalidade o dígito mais significativo. Contadores binários ou BCD podem ser usados com este circuito

 

APLICAÇÓES

Na figura 8 temos um sintetizador de frequências indicado para a elaboração de um transceptor para a faixa dos 2 metros com saídas na faixa de 144 a 148MHz.

 


 

 

O oscilador a cristal fornece uma saída de 143,5MHz e a partir dela, com espaçamento de 10kHz, obtemos as demais frequências de saída.

Observe que este circuito faz uso de um mixer, que permite a obtenção de uma frequência mais baixa (batimento), para poder haver a excitação do disparador feito em torno de um 4011 (MC14011).

Na figura 9 temos uma outra aplicação interessante, sugerida pela Motorola.

 


 

 

Este sintetizador de frequências não necessita de miXer e tem uma faixa de frequências de operação de 5 MHz com um espaçamento entre canais de 25 kHz.

A frequência de referência é de 25 kHz.

A frequência de saída depende de 3 divisores e pode ser calculada pela expressão:

F = N1 + N2 + N3

Onde:

N = quocientes dos divisores, que podem ser:

N1 = de 0 a 5

N2 = de 0 a 9

N3 = 0 ,4, 8 ou 12

No primeiro divisor (N1) obtemos passos de 625 kHz; no segundo (N2) obtemos passos de 62,5 kHz e no terceiro (N3) obtemos passos de 6,25 kHz.

Outros valores podem ser obtidos com a escolha conveniente dos componentes.

Temos ainda um diagrama de aplicação em blocos para-a realização prática de um transceptor de 23 canais para a faixa dos 11 metros, cobrindo de 26,965 a 27,255 MHz. Os valores entre parênteses no circuito da figura 10 são exemplos.

 


 

 

Para expandir para 165 canais, basta usar os valores entre parênteses para as frequências limites. O espaçamento entre os canais é de 10 kHz.

Observe que na recepção temos dois mixers, o que indica que se trata de um excelente sistema de dupla conversão, com saída final de frequência intermediária de 2155 kHz.

O cristal no oscilador de referência geral é de 10,24 MHz e do transmissor, de 10,695 MHz. Observe que a diferença de valores entre estas duas frequências é a própria frequência intermediária do sistema receptor.

A chave TRX/RCV faz a troca de funções do equipamento, passando de transmissão (TRX) para a recepção (RCV).

Utilizando outro integrado da Motorola, que é o MC145106, mas que também consiste num sintetizador PLL de frequências, temos mais dois circuitos como exemplo.

O primeiro, mostrado na figura 11, consiste num transceptor de VHF marítimo com faixa de transmissão entre 156,025 e 157,425 MHz e faixa de recepção entre 145,575 e 152,575 MHz.

 


 

 

O circuito prevê a operação simplex e duplex pela comutação de cristais e a frequência intermediária e de 10,7 MHz. O offset na operação duplex é de 4,6 MHz e a largura de cada canal (passo) é de 25 kHz. Os valores entre parênteses são para o canal 28, tomado como exemplo.

Na figura 12 temos o nosso circuito final para a faixa aérea de VHF, com 720 canais na faixa de transmissão de 118,0 a 136,975 MHz e recepção entre 128,700 e 146,675 MHz.

 


 

 

Observe a utilização de dois integrados MC145106 neste circuito.

Ref.: CMOS/NMOS Special Functions Data Motorola INC – 1986.

 

Artigo publicado em 1989 (revisado 2017)

 


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