lab6 phase locked loops

7/21/2019 Lab6 Phase Locked Loops

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EE 458

LAB REPORT

EXPERIMENT 3

PHASE LOCKED LOOPS



Purpose:

The objective o! thi "#bo$#to$% #$e&

'( To i)t$o*+ce t+*e)t to Ph#e Loc,e* Loo- .PLL/ #)* thei$ o-e$#tio)(

0( To -$e*ict #)* 1e#+$e the PLL ch#$#cte$itic(3( To et +- -$#ctic#" ci$c+it +i)2 the PLL(

Equipment List

1. PC with Matlab and Simulink



The Phase Locked Loop Principle:

The -h#e "oc,e* "oo- i # !ee*b#c, %te1 co1-$ie* o! # -h#e co1-#$#to$ # "o -#

!i"te$ #)* e$$o$ #1-"i!ie$ i) the !o$#$* i2)#" -#th #)* # vo"t#2eco)t$o""e* oci""#to$ .6C7/ i)the !ee*b#c, -#th( The b"oc, *i#2$#1 o! # b#ic PLL %te1 i ho)( Pe$h#- the i)2"e 1ot

i1-o$t#)t -oi)t to $e#"ie he) *ei2)i)2 ith the PLL i th#t it i # !ee*b#c, %te1 #)* he)cei ch#$#cte$ie* 1#the1#tic#""% b% the #1e 9+etio) th#t #--"% to othe$ 1o$e co)ve)tio)#"

!ee*b#c, %te1( The -#$#1ete$ i) the e9+#tio) #$e o1eh#t *i!!e$e)t hoeve$ i)ce the

!ee*b#c, e$$o$ i2)#" i) the -h#e "oc,e* %te1 i $e"#te* to -h#e $#the$ th#) to c+$$e)t o$

vo"t#2e # i ++#""% the c#e i) co)ve)tio)#" !ee*b#c, %te1(

LOOP OPE!T"O#S:

Figure 3 A (a) PLL operation

:$o1 # 9+#"it#tive -oi)t o! vie the b#ic -$i)ci-"e o! PLL o-e$#tio) c#) be b$ie!"%

e;-"#i)e*( <ith )o i2)#" i)-+t #--"ie* to the %te1 the e$$o$ vo"t#2e 6e i e9+#" to 7( The 6CO

o-e$#te #t # et !$e9+e)c% o hich i ,)o) # the !$ee$+))i)2 !$e9+e)c%( I! #) i)-+t i2)#" i#--"ie* to the %te1 the -h#e co1-#$#to$ co1-#$e the -h#e #)* !$e9+e)c% o! the i)-+t i2)#"

ith the 6CO !$e9+e)c% #)* 2e)e$#te #) e$$o$ vo"t#2e 6e.t/ th#t i $e"#te* to the -h#e #)* the

!$e9+e)c% *i!!e$e)ce betee) the to i2)#"( Thi e$$o$ vo"t#2e i the) !i"te$e* #1-"i!ie* #)*

#--"ie* to the co)t$o" te$1i)#" o! the 6CO( I) thi 1#))e$ the co)t$o" vo"t#2e v*.t/ !o$ce the6CO !$e9+e)c% to v#$% i) # *i$ectio) th#t $e*+ce the !$e9+e)c% *i!!e$e)ce betee) !o #)* the

i)-+t i2)#"( I! the i)-+t !$e9+e)c% i i +!!icie)t"% c"oe to o the !ee*b#c, )#t+$e o! the PLL

c#+e the 6CO to %)ch$o)ie o$ "oc, ith the i)co1i)2 i2)#"( O)ce i) "oc, the 6CO

!$e9+e)c% i i*e)tic#" to the i)-+t i2)#" e;ce-t th#t !o$ # !i)ite -h#e *i!!e$e)ce(



Figure 3 A (b) Input power spectrum

Thi )et -h#e *i!!e$e)ce i Θ i )ece#$% to 2e)e$#te the co$$ective e$$o$ vo"t#2e 6* to hi!t the

6CO !$e9+e)c% !$o1 it !$ee$+))i)2 v#"+e to the i)-+t i2)#" !$e9+e)c% i #)* th+ ,ee- the

PLL i) "oc,( Thi e"!co$$ecti)2 #bi"it% o! the %te1 #"o #""o the PLL to t$#c, the !$e9+e)c%(

Figure 3 A (c) Block parameters of input power spectrum



The $#)2e o! !$e9+e)cie ove$ hich the PLL c#) 1#i)t#i) "oc, ith #) i)-+t i2)#" i *e!i)e* #

the ="oc, $#)2e> o! the %te1( The b#)* o! !$e9+e)cie ove$ hich the PLL c#) #c9+i$e "oc,

ith #) i)co1i)2 i2)#" i c#""e* =C#-t+$e $#)2e> o! the %te1 #)* i )eve$ 2$e#te$ th#) the

="oc, $#)2e>( A)othe$ 1e#) !o$ *ec$ibi)2 the o-e$#tio) o! the PLL i to obe$ve th#t the -h#e

*etecto$ i i) #ct+#"it% # 1+"ti-"ie$ ci$c+it th#t 1i;e the i)-+t i2)#" ith the 6CO i2)#"( Thi1i; -$o*+ce +1 #)* *i!!e$e)ce !$e9+e)cie i ? 7( <he) the "oo- i i) "oc, the 6CO

*+-"ic#te the i)-+t !$e9+e)c% o th#t the *i!!e$e)ce !$e9+e)c% i @ o i e$o he)ce the o+t-+to! the -h#e co1-#$#to$ co)t#i) # *c co1-o)e)t( The "o -# !i"te$ $e1ove the +1 !$e9+e)c%

co1-o)e)t i ? o b+t -#e the *c co1-o)e)t hich i the) #1-"i!ie* #)* !e* b#c, to the

6CO( Notice th#t he) the "oo- i i) "oc, the *i!!e$e)ce !$e9+e)c% co1-o)e)t i #"#% *c o

the "oc, $#)2e i i)*e-e)*e)t o! the b#)* e*2e o! the "o -# !i"te$(

Figure 3 A (d) Block parameters of Analog filter design

LOC$ !#% C!PT&E:

Figure 3 A (e) Input scope



Co)i*e$ )o the c#e he$e the "oo- i )ot %et i) "oc,( The -h#e co1-#$#to$ #2#i) 1i;e the

i)-+t #)* 6CO i2)#" to -$o*+ce +1 #)* *i!!e$e)ce !$e9+e)c% co1-o)e)t( I! the *i!!e$e)ce

!$e9+e)c% i #bove the c+t o!! !$e9+e)c% o! the "o -# !i"te$ )o i2)#" i t$#)1itte* #$o+)* the

"oo- #)* the 6CO $e1#i) #t it i)iti#" !$ee$+))i)2 !$e9+e)c%( A the i)-+t !$e9+e)c% #--$o#che

th#t o! the 6CO the !$e9+e)c% o! the *i!!e$e)ce co1-o)e)t *ec$e#e #)* #--$o#che the b#)*e*2e o! the "o -# !i"te$( No o1e o! the *i!!e$e)ce co1-o)e)t i -#e* hich te)* to *$ice

the 6CO to#$* the !$e9+e)c% o! the i)-+t i2)#"( Thi i) t+$) *ec$e#e the !$e9+e)c% o! the*i!!e$e)ce co1-o)e)t #)* #""o 1o$e i)!o$1#tio) to be t$#)1itte* th$o+2h the "o -# !i"te$

to the 6CO( Thi i ee)ti#""% # -oitive !ee*b#c, 1ech#)i1 hich c#+e the 6CO to )#-

i)to "oc, ith the i)-+t i2)#"( <ith thi 1ech#)i1 i) 1i)* the te$1 =C#-t+$e $#)2e> c#) #2#i)

be *e!i)e* # the !$e9+e)c% $#)2e ce)te$e* #bo+t the 6CO i)iti#" !$ee$+))i)2 !$e9+e)c% ove$

hich the "oo- c#) #c9+i$e "oc, ith the i)-+t i2)#"( The c#-t+$e $#)2e i # 1e#+$e o! ho

c"oe the i)-+t i2)#" !$e9+e)c% 1+t be to th#t o! the 6CO to #c9+i$e "oc,( The =c#-t+$e $#)2e>

c#) #+1e #)% v#"+e ithi) the "oc, $#)2e #)* *e-e)* -$i1#$i"% +-o) the b#)* e*2e o! the "o

-# !i"te$ to2ethe$ ith the c"oe* "oo- 2#i) o! the %te1( It i thi i2)#"c#-t+$i)2 -he)o1e)o)

hich 2ive the "oo- it !$e9+e)c% e"ective -$o-e$tie(

Figure 3 A (f) Block parameters of VC

Figure 3 A (g) Block parameters of error rate calculator



Figure 3 A (!) utput power spectrum

It i i1-o$t#)t to *iti)2+ih the =c#-t+$e $#)2e> !$o1 the ="oc, $#)2e> hich c#) #2#i) be

*e!i)e* # the !$e9+e)c% $#)2e ++#""% ce)te$e* #bo+t the 6CO i)iti#" !$ee$+))i)2 !$e9+e)c%

ove$ hich the "oo- c#) t$#c, the i)-+t i2)#" o)ce "oc, h# bee) #chieve*(

<he) the "oo- i i) "oc, the *i!!e$e)ce !$e9+e)c% co1-o)e)t o) the o+t-+t o! the -h#e

co1-#$#to$ .e$$o$ vo"t#2e/ i *c #)* i"" #"#% be -#e b% the "o -# !i"te$( Th+ the "oc,

$#)2e i "i1ite* b% the $#)2e o! the e$$o$ vo"t#2e th#t c#) be 2e)e$#te* .6*/ #)* the

co$$e-o)*i)2 6CO !$e9+e)c% *evi#tio) *e"t# o -$o*+ce*( The "oc, $#)2e i ee)ti#""% # *c

-#$#1ete$ #)* i )ot #!!ecte* b% the b#)* e*2e o! the "o -# !i"te$(

'requenc( Trackin):



:i2+$e ho the t%-ic#" !$e9+e)c%tovo"t#2e t$#)!e$ ch#$#cte$itic o! the PLL( The

i)-+t i #+1e* to be # i)e #ve hoe !$e9+e)c% i e-t "o"% ove$ # b$o#* !$e9+e)c%

$#)2e( The ve$tic#" c#"e i the co$$e-o)*i)2 "oo- e$$o$ vo"t#2e( The to- !i2+$e ho the i)-+t

!$e9+e)c% bei)2 2$#*+#""% i)c$e#e*( The "oo- *oe)t $e-o)* to the i2)#" +)ti" it # !$e9+e)c%

' co$$e-o)*i)2 to the "oe$ e*2e o! the c#-t+$e $#)2e( The) the "oo- +**e)"% "ic, o) thei)-+t #)* c#+e # )e2#tive j+1- o! the "oo- e$$o$ vo"t#2e( Ne;t 6* v#$ie ith !$e9+e)c% ith #

"o-e e9+#" to the $eci-$oc#" o! 6CO 2#i) .' Ko/ #)* 2oe th$o+2h e$o # i o( The "oo-t$#c, the i)-+t +)ti" the i)-+t !$e9+e)c% $e#che 0 co$$e-o)*i)2 to the +--e$ e*2e o! the "oc,

$e)2e( The PLL the) "oe "oc, #)* the e$$o vo"t#2e *$o- to e$o( I! the i)-+t !$e9+e)c% i e-t

"o"% b#c, )o the c%c"e $e-e#t ite"! b+t it i i)ve$te* # ho) i) the "oe$ !i2( The "oo-

$ec#-t+$e the i2)#" #t 3 #)* t$#c, it *o) to 4( The tot#" c#-t+$e #)* "oc, $#)2e o! the

%te1 #$e&

0c 3 @ ' #)* 0L 0 @ 4

Note th#t the PLL %te1 h# #) i)he$e)t e"ectivit% #bo+t the ce)te$ !$e9+e)c% et b% the 6CO

!$ee$+))i)2 !$e9+e)c% o( It i"" $e-o)* o)"% to the i)-+t i2)#" !$e9+e)cie th#t #$e e-#$#te*

!$o1 7 b% "e th#) L o$ <c *e-e)*i)2 o) hethe$ the "oo- t#$t ith o$ itho+t #) i)iti#"

"oc, co)*itio)( The "i)e#$it% o! the !$e9+e)c%tovo"t#2e co)ve$io) ch#$#cte$itic !o$ the PLL i*ete$1i)e* o"e"% b% the 6CO co)ve$io) 2#i)( The$e!o$e i) 1ot PLL #--"ic#tio) the 6CIO i

$e9+i$e* to h#ve hi2h"% "i)e#$ vo"t#2eto!$e9+e)c% ch#$#cte$itic(

Measurin) Constants

<e t#$te* o+$ e;-e$i1e)t o) PLL b% !i$t 1e#+$i)2 the *i!!e$e)t -#$#1ete$ o! e#ch

!+)ctio)#" b"oc,(

1. Multiplier Constant* $m

<ith # '6 -- i)+oi*#" vo"t#2e #t both i)-+t o! the 1+"ti-"ie$ the o+t-+t # obe$ve* #)*

the 1+"ti-"ie$ co)t#)t # c#"c+"#te* to be 7(07(

+. Phase %etector Constant* $d

The -h#e *etecto$ co)it o! #) #)#"o2 1+"ti-"ie$ #)* # "i1ite$ to $e1ove the #1-"it+*e

v#$i#tio) i) the i)-+t i2)#"(

K * -e#, o+t-+t vo"t#2e o! the "i1ite$ -e#, vo"t#2e o! the 6CO 1+"ti-"ie$ co)t#)t

K * .'(8 ; √0/ ; .0('FF ; √0/ ; 7(07

∴K * '(G0 vo"t

,. -CO Conersion Constant* $o

A) e;te$)#" vo"t#2e 1#% co)t$o" the o+t-+t !$e9+e)c% o! the 6CO( The ch#)2e i) the o+t-+t

!$e9+e)c% -e$ ch#)2e i) the *c i)-+t vo"t#2e # 1e#+$e*(

K o ∆! ∆v

K o ' 7(5 0 ,Hecvo"t

∴K o 4π'73 '05 $#*ecvo"t

/. Total Loop 0ain* $ T



K T K * ; K o(

'(G0 ; '05 0''3(50

. Low Pass 'ilter

To !i$to$*e$ "o -# !i"te$ #$e +e*( The c+to!! !$e9+e)cie !o$ o)e o! the "o -# !i"te$

i '77H #)* the othe$ i ',H( Thi # ve$i!ie* b% +i)2 the hite )oie # the i2)#"o+$ce #)* the) chec,i)2 the !i"te$ o+t-+t -ect$+1 o) the -ect$+1 #)#"%e$( The -oe$

-ect$#" *e)it% !o$ the hite )oie i +)i!o$1 #t i)-+t @ i(e( -oe$ o! e9+#" #1-"it+*e e;it

#--$o;i1#te"% #t #"" !$e9+e)cie( I) the o+t-+t -ect$+1 the $o"" o!! occ+$$e* #t

#--$o;i1#te"% '77 H #)* ',H $e-ective"%(

The -ect$+1 #)#"%e$ # co)!i2+$e* to #ct # the o+$ce o! $#)*o1 hite )oie( To obt#i)

the 1#;i1+1 )oie o+t-+t the #tte)+#tio) "eve" # et to 7 *B( Thi # !e* to the "o -#

!i"te$ #)* the o+t-+t # obe$ve* o) the -ect$+1 #)#"%e$(

The #1e -$oce*+$e # $e-e#te* !o$ the 4 th o$*e$ "o -# !i"te$( I) thi c#e the !i"te$ ,)ob# #*j+te* o th#t the 3 *B $o"" o!! occ+$$e* #--$o;i1#te"% #t 0 ,H(



Phase Lock Loop Operation

The ci$c+it i co))ecte* # ho) i) the che1#tic( The o-e) "oo- %te1 i c"oe* #)* +i)2

# j+1-e$ #$o+)* it b%-#e the !i"te$( The c#-t+$e #)* the "oc, $#)2e !o$ the PLL #$e

c#"c+"#te*( B% v#$%i)2 the Phi"i- !$e9+e)c% #)* +i)2 # !$e9+e)c% co+)te$ #"o)2 ith the

DC vo"t1ete$ the c#-t+$e #)* the "oc, $#)2e #$e 1e#+$e*( The i2)#" ithi) the PLL #$e

obe$ve* o) the oci""oco-e(

The #bove te- #$e $e-e#te* +i)2 the ',H c+t o!! "o -# !i"te$ #)* the) the '77 H c+t

o!! "o -# !i"te$(

Calculations:

The v#"+e o! Loc, #)* C#-t+$e R#)2e obt#i)e* b% c#"c+"#tio) e$e&

Lock an)e:

0ωL 0K T

0! L K T π 2334 56.

Capture an)e:

0! C 0√ ! L ! 3

i)2 # '77 H c+to!! 't o$*e$ "o -# !i"te$ ! 3 '77H(

∴ 0! C 0 √ 887 '77 1224 56(

i)2 # '777 H c+to!! 't o$*e$ "o -# !i"te$ ! 3 '777 H(

∴ 0! C 0 √ 887 '777 +/ 56.

Obserations:

The v#"+e o! the Loc, R#)2e #)* C#-t+$e R#)2e obt#i)e* b% the e;-e$i1e)t #$e&

Lock an)e:

0! L 8(4 ,H @ '( ,H 2.3 k56(

Capture an)e:

i)2 # '77 H c+to!! 't o$*e$ "o -# !i"te$

0! C 5( ,H @ 4(3G ,H 1.+7 k56

i)2 # '777 H c+to!! 't o$*e$ "o -# !i"te$

0! C G(G ,H @ 0(G ,H .4 k56



PLL 8ith 9Locked "ndicator

The ci$c+it i co))ecte* # ho) i) the che1#tic( Thi i # 1etho* o! i)*ic#ti)2 i! # PLL i

i) it ="oc,e*> co)*itio)( Si)ce the o+t-+t o! the -h#e *etecto$ te)* to#$* e$o

1+"ti-"ic#tio) o! the i)-+t i2)#" b% # F7° hi!te* 6CO i2)#" .AD/ te)* to be 1#;i1+1(

The DC co1-o)e)t o! thi 1#;i1+1 i2)#" # +e* to "i2ht # L(E(D i)*ic#ti)2 th#t it i i)

the "oc,e* t#te( A co))ecte* it # *i!!ic+"t to "i2ht the LED hi"e the "oo- i i) the "oc,e*

t#te( He)ce e #--e* the TTL #)* the AD o+t-+t o! the 6CO( No e e$e #b"e to2et the LED to "i2ht +- he) the PLL # i) the "oc,e* t#te(

Figure 3 B (a) PLL wit! lock operation

Figure 3 B (b) Block parameters to implement a diiode



Figure 3 B (c) Block parameters of VC "uad

Figure 3 B (d) #lider gain as part of t!e limiter



Figure 3 B (e) Input power spectrum

Figure 3 B (f) Input scope



Figure 3 B (g) utput power spectrum



Figure 3 B (!) #cope $ reading

!M %etection without Transmitter e;erence

PLL c#) h#ve # $#the$ )#$$o b#)*i*th( <e co+"* +e thi !e#t+$e to =-ic, o!!> # c#$$ie$ i2)#" !$o1 betee) the to i*e b#)* i) the c#e o! AM i2)#"( The PLL i )o "oc,e* o)

to the c#$$ie$ !$e9+e)c%( I! the "i1ite$ e$e $e1ove* the PLL o+"* ti"" be "oc,e* to thec#$$ie$ -h#e( Th+ e h#ve # 1etho* !o$ cohe$e)t *e1o*+"#tio) !o$ AM #)* DSB ith #

1#"" -i"ot c#$$ie$(

<e $i22e* +- # ci$c+it !o$ the AM DSBSC t$#)1itte$( The c#$$ie$ !$e9+e)c% # et !o$ 5,H #)* 1o*+"#te* #t ' ,H( I) the o-e) "oo- co)*itio) the 6CO .+e* !o$ the *etectio)/

# et to #--$o;i1#te"% 5 ,H hich i c"oe to the c#$$ie$ !$e9+e)c%( The 0 )* LP: c+t o!!



!$e9+e)c% # et to #--$o;i1#te"% 0 ,H( The "oo- # c"oe* #)* the *etecto$ o+t-+t #

obe$ve*(

The *etecto$ # #b"e to $eceive the AM #ve 9+ite e"" #t both 57J 1o*+"#tio) #)* '77J

1o*+"#tio)(

figure 3 C (a) %odulated input

figure 3 C (b)uput before feeding it to t!e LPF

figure 3 C (c)#lider gain part of limiter



figure 3 C (d) Am detect spectrum anal&'er

figure 3 C (d) ecoered #ignal



!ppendi< "

Prelab



" A 't o$*e$ LP: i +e* i) # PLL #)* h# # 1#2)it+*e $e-o)e o! &

:.!/ 9$t. ' ' ? .!! 3/0/

To ho th#t the c#-t+$e $#)2e i 0!c 0 9$t.! L! 3/

I)

Loc, R#)2e&

0ω

L 0 K T

T./ K T :./ S

Tot#" "oo- 2#i) K * A K o

0! L K T π

C#-t+$e R#)2e

τ RC he$e τ ' 0π! 3

0ωc 0 9$t.K T τ /

0 .0π !c / 09$t.0π! L .' 0π! 3// 0 9$t..0π/0 ! L ! 3/

+;c = +sqrt>; L ; ,?

""

K D : A

Ko 6CO



Loc, R#)2e&

0! L K T π

C#-t+$e R#)2e&

0! c 09$t.! L ! 3/

K # 06 K o 0 ,H v A '

! 3 '77H

K T K * A K o .06/ .0 ; '73 H 6/ .'/ 4,H

Loc,& 0! L K T π 4,H π '(0G3 , 3G H

C#-t+$e& 0! c 09$t.! L ! 3/ 09$t.3G;'77/ 574( H ! c 050 H

"""

6CO.t/ i).ot ? ∅ /

6IN.t/ 7(0 co.ot/

∅e.t/ 7(0 i).ot ? ∅/ co.ot/ K 1 '

K * 7(0 #t 1#;

K T K * A K 7 .7(0/.0;'73 H 6/ .'/ 477 H

Lock: = +; L = $ T @ = /44 @ ; L = 2,42 56

Capture: +; c = +sqrt>; L; ,? = +sqrt>2,42<144? ; c = 34 56

Li1te$ O-& 4(G0 6--

6CO O- & 37G 6--

M+"ti-"ie$ Co)t#)t& 7(478

$ d = >/.A+ @ +? < >,.A2 @ +? < 4./43 = 1.31 -

!). -CO Conersion: ; o @ -a = B+.43 k56 @ -

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