Le DS EA N°2 pour les étudiants S3 GE1 est programmé le lundi 4 nov 2013 et aura comme thématique principale les boucles à verrouillage de phase (PLL).
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A travers quelques problèmes contextualisés, vous retrouverez donc les deux applications principales d’une PLL : Démodulation de fréquence & Synthèse de fréquence. Des questions liées à la simulation des PLL sur LTSpice (Simulation d’une PLL avec LTSpice) et aux travaux pratiques seront proposées. Bien évidemment, l’ensemble des thèmes abordés depuis le début de votre formation sont indispensables mais une petite révision sur la thématique du changement de fréquence et les oscillateurs de Pierce peut être profitable. Voici un résumé des points principaux à maîtriser concernant les PLL :

  • Constitution, rôles des éléments, objectifs d’une PLL
  • Application des PLL en démodulation de fréquence
  • Application des PLL en synthèse de fréquence
  • Comparateur de phase analogique à multiplieur
  • Comparateur de phase de type XOR
  • Comparateur de phase de type Charge Pump
  • VCO : Principe et caractéristiques principales
  • Plage de fonctionnement d’une PLL : définitions & mesures
  • Modélisation simple d’une boucle à verrouillage de phase
  • Réglage d’un filtre de boucle
  • Réponse indicielle pour une PLL : Principe & mesure
  • Modulation de fréquence avec une boucle à verrouillage de phase
  • Simulation d’une PLL avec LTSpice

Bonnes révisions.

Je vous propose dans cet article d’utiliser le logiciel LTSpice pour effectuer la simulation d’une boucle à verrouillage de phase ou PLL (Phase Lock Loop). Le dimensionnement des éléments sera effectué en conformité avec le problème d’une PLL utilisé en démodulation de fréquence utilisée dans une commande pour un robot filoguidé.

Mise en œuvre du VCO

Contrairement aux autres simulateurs SPICE, LTspice possède une fonction VCO prête à l’emploi sous la forme d’un bloc fonctionnel Modulate ce qui est atout considérable ! (C’est un des éléments de choix de ce logiciel dans notre formation). Les paramètres de réglages sont saisis dans le champ Value lorsque l’on clique sur le bouton droit de la souris qui pointe sur ce composant. On définit alors 2 valeurs Mark et Space pour définir la caractéristique du VCO comme l’indique la caractéristique de transfert ci-dessous :

Télécharger le fichier de simulation suivant et configurer le bloc Modulate en fonction des valeurs du problème. Proposer une simulation permettant de vérifier le bon fonctionnement de ce dispositif.

Caractérisation du comparateur de phase

L’analyse du comparateur de phase peut être effectuée en lançant la simulation suivante prête à l’emploi. Justifier les configurations effectuées sur le schéma et vérifier le fonctionnement du comparateur de phase pour quelques valeurs du paramètre phi. Afin de relever la caractéristique de ce comparateur de phase on peut effectuer une analyse paramétrique en utilisant la directive Spice : .step param phi 0 180 20 Le paramètre phi est alors une grandeur qui varie de 0 à + 180 par pas de 20 (degré). En lançant la simulation (Transient Analysis), le calcul est effectué autant de fois que le paramètre phi  change. Afin d’observer en sortie des successions de niveaux continus, il est indispensable de ne pas afficher le régime transitoire. Comme on ne peut pas effectuer le tracé en fonction du paramètre phi il faut disposer sur le schéma d’une « tension image du déphasage ». Une autre méthode de caractérisation avec une variation de phase continue est proposée sur cette page du site.

Mise en œuvre de la PLL

Afin d’observer le fonctionnement de la PLL, on vous propose d’injecter sur l’entrée de la PLL un signal modulé FSK en utilisant comme donnée de modulation un signal pseudo aléatoire (nécessite la bibliothèque SP.lib) comme le montre le schéma ci-dessous :

Télécharger ici le fichier de simulation complet

Configurer les différents éléments et proposer une simulation permettant de vérifier le bon fonctionnement de votre PLL utilisée en démodulation de fréquence. Justifier les résultats obtenus à partir de l’étude menée sur la réponse indicielle de la boucle. En utilisant les infos disponibles sur la page LTSpice&PLL du site poujouly.net, proposer une simulation permettant de mesurer les plages de fonctionnement de la PLL. Afin de compléter l’étude de cette PLL, on vous propose de rajouter un comparateur à hystérésis en téléchargeant le fichier de simulation complet.

C’est en juin 1932 dans un article de l’onde électrique que l’ingénieur Français Henri de Bellescize à posé les concepts de la première boucle à verrouillage de phase. C’est en cherchant à améliorer la qualité de réception des signaux noyés dans le bruit, qu’il a posé les concepts de la première boucle à verrouillage de phase utilisée dans le cadre de la démodulation synchrone. Même s’il a fallu attendre de nombreuses années et notamment l’avènement des semi-conducteurs pour obtenir une mise en oeuvre effective et performante de ce dispositif, il n’en demeure pas moins que cette invention reste capitale pour les systèmes de télécoms qui utilisent encore aujourd’hui ce dispositif.