Phase locked loop ( PLL , angolul PLL ) egy automatikus vezérlőrendszer, amely úgy állítja be a vezérelt oszcillátor fázisát , hogy az egyenlő legyen a referenciajel fázisával, vagy az idő ismert függvényében térjen el egymástól. A beállítás negatív visszacsatolás jelenléte miatt történik . A vezérelt oszcillátor kimeneti jelét a fázisérzékelő összehasonlítja a referenciajellel , az összehasonlítás eredményét a vezérelt oszcillátor beállítására használják.
A PLL rendszert frekvencia modulációra és demodulációra, frekvencia szorzásra és konverzióra, frekvencia szűrésre, referencia hullámforma kivonásra koherens detektálásra és egyéb célokra használják.
A PLL összehasonlítja a bemeneti és a referenciajelek fázisait, és a fázisok közötti különbségnek megfelelő hibajelet ad ki. A hibajelet ezután egy aluláteresztő szűrőn vezetik át, és vezérlőjelként használják fel egy feszültségvezérelt oszcillátorhoz (VCO), amely negatív visszacsatolást biztosít. Ha a kimeneti frekvencia eltér a referenciafrekvenciától, akkor a hibajel növekszik, ami a VCO-t a hiba csökkenése irányába érinti. Egyensúlyi állapotban a kimenőjel a referenciafrekvencián rögzített.
A PLL-t széles körben használják a rádiótechnikában, a távközlésben, a számítógépekben és más elektronikus eszközökben. Ez a rendszer képes állandó frekvenciájú jelet generálni, jelet visszaállítani egy zajos kommunikációs csatornáról, vagy órajeleket osztani digitális logikai áramkörökben, például mikroprocesszorokban , FPGA -kban stb. Mivel egy integrált áramkör teljes mértékben képes megvalósítani a PLL-t, ezt a módszert gyakran használják modern elektronikus eszközök, amelyek kimeneti frekvenciája a hertz töredékétől a sok gigahertzig terjed.
A húr hangolása gitáron összehasonlítható a fáziszárt hurok eljárással. Hangvillával vagy hangvillával a referenciafrekvencia eléréséhez a húrfeszességet addig állítják, amíg az ütemek már nem hallhatók. Ez azt jelzi, hogy a hangvilla és a gitárhúr azonos frekvencián rezeg. Ha elképzeljük, hogy a gitár tökéletesen hangolható a hangvilla referenciahangjára, és a hangolás megmarad, akkor azt mondhatjuk, hogy a gitárhúr a hangvillával egy fázisban van stabilizálva.
Hogy megértsük, hogyan működik ez, gondoljunk egy autóversenyre. Sok autó van, és mindegyik sofőrje a lehető leggyorsabban szeretne körbejárni a pályát. Minden kör egy teljes ciklusnak felel meg, és minden autó több tucat kört tesz meg óránként. Az óránkénti körök száma (sebesség) megfelel a szögsebességnek (azaz gyakoriságnak), a körök száma (távolság) pedig a fázisnak (a konverziós tényező pedig a pályakör távolsága).
A verseny nagy részében mindegyik autó megpróbálja megelőzni a másik autót, és mindegyik autó fázisa szabadon változik.
Ha azonban baleset történik, a tempós autó biztonságos sebességgel lép ki. Egyik autó sem tud túljutni a tempós autón (vagy az előtte haladó autókon), de mindegyik autó a lehető legközelebb szeretne maradni a tempós autóhoz. Amíg a tempós autó a pályán van, ez az etalon, és az autók fáziszárt hurkokká váltak. Minden versenyző megméri a fáziskülönbséget (körtávolságot) közte és a tempós autó között. Ha a vezető messze van, növeli a sebességét, hogy csökkentse a távolságot. Ha túl közel van a tempós autóhoz, lelassul. Az egész autóverseny eredményeként a tempós autós fázisban dugulás van. Az autók sűrű csoportban haladnak végig a pályán, ami a kör egy kis részét foglalja el.
Az első vizsgálatok, amelyek fáziszárt hurkok néven váltak ismertté, 1932-ből származnak, amikor Edwin Armstrong szuperheterodin rádióvevőjének alternatíváját fejlesztették ki – egy homodin vagy közvetlen konverziós rádióvevőt . Homodin vagy szinkron rendszerben az oszcillátort a kiválasztott bemeneti frekvenciára hangolják, és a jelét megszorozzák a bemenettel. A kapott kimeneti jel információt hordoz a modulációról. A cél egy alternatív vevőáramkör kifejlesztése, amely kevesebb hangolt elektromos áramkört igényel, mint egy szuperheterodin vevő. Mivel a vevő helyi oszcillátorának frekvenciája gyorsan változik, az oszcillátor bemenetére automatikus korrekciós jel kerül, amely lehetővé teszi, hogy ugyanazt a fázist és frekvenciát tartsa, mint a bemeneti jel. Ezt a technikát 1932-ben írta le Henri de Bellescize cikke a francia Onde Electrique folyóiratban [1] .
Az analóg televízió-vevőkészülékekben legalábbis a múlt század 30-as éveinek vége óta a vízszintes és függőleges pásztázási frekvencia fáziszárt hurkát a sugárzott jel szinkronizálási impulzusai szerint hangolják [2] .
A Signetics által megvalósított monolitikus integrált áramkörök sora1969-ben teljes mértékben bevezette a PLL-t [3] . Néhány évvel később az RCA bemutatta a "CD4046" CMOS -t, egy mikrowattos PLL-t, amely általánossá vált.
A PLL eszközök analóg és digitális módon is megvalósíthatók. Mindkét megvalósítás ugyanazt a blokkdiagramot használja. Mind az analóg, mind a digitális PLL áramkörök 4 fő elemet tartalmaznak:
Többféle szintetizátor létezik. Az analóg PLL-ben (APLL) használt kifejezések egy része a lineáris PLL-re (LPLL), a digitális PLL-re (DPLL), a teljesen digitális PLL-re (ADPLL) és a szoftveres PLL-re (SPLL) is utal [4] .
Analóg vagy lineáris PLL-ek (APLL) A fázisérzékelő egy analóg szorzó. Az LPF aktív vagy passzív. Feszültségvezérelt oszcillátort (VCO ) használnak. Digitális PLL (DPLL) Analóg PLL digitális fázisérzékelővel (xor típusú, JK flip-flop, fázisérzékelő). A visszacsatoló hurokban lehet digitális elválasztó. Teljesen digitális PLL (ADPLL) A fázisérzékelő, a szűrő és a generátor digitális. Digitális frekvenciaszabályozású oszcillátort használ. Szoftver PLL (SPLL) A szintetizátor funkcióit valamilyen digitális eszköz, például mikrokontroller által végrehajtott szoftverrel valósítják meg , nem pedig speciális hardverrel. Neuronális PLL-ek (NPLL) A fázisdetektor, a szűrő és a generátor neuronokban vagy kis neuronkészletekben található. Sebességvezérelt generátort használ. Alacsony frekvenciájú moduláció (< 1 kHz) nyomon követésére és dekódolására szolgál, mint például az emlősök aktív érzékelése során előforduló.A digitális fáziszárás (DPLL) az analóghoz hasonló módon működik, de teljes egészében digitális áramkörökkel valósítják meg. VCO helyett rendszerórát és digitálisan vezérelt osztószámlálót használnak. A PLL könnyebben megtervezhető és kivitelezhető, kevésbé érzékeny a feszültségzajra (az analóghoz képest), azonban digitális oszcillátor használatakor általában elviseli a fáziszajt a kvantálási zaj jelenléte miatt . Ennek eredményeként a DPLL-ek nem alkalmasak nagyfrekvenciás működésre vagy nagyfrekvenciás referenciajelek továbbítására. A DPLL-eket néha adat-helyreállításra használják.
Az analóg PLL-ek egy fázisérzékelőből , egy aluláteresztő szűrőből és egy feszültségvezérelt oszcillátorból állnak, amelyek negatív visszacsatoló áramkörbe vannak szerelve . Ezenkívül egy frekvenciaosztó is jelen lehet az áramkörben - visszacsatolásban és/vagy a referenciajel útján, hogy megkapjuk a referenciajel frekvenciáját egész számmal megszorozva a kimeneten. A referenciafrekvencia nem egész számmal történő szorzása úgy végezhető el, hogy az elemi frekvenciaszorzót programozható impulzusszámlálóval visszacsatolásra mozgatjuk.
A generátor periodikus kimeneti jelet állít elő. Feltételezzük, hogy a generátor kezdeti frekvenciája megközelítőleg megegyezik a referenciafrekvenciával. Ha az oszcillátor fázisa lemarad a referenciajel fázisához képest, a fázisérzékelő megváltoztatja az oszcillátor vezérlőfeszültségét, ami felgyorsítja az oszcillátort. Hasonlóképpen, ha a fázis eltolódik a referenciafázis előtt, a fázisérzékelő megváltoztatja a feszültséget, hogy lelassítsa az oszcillátort. Az aluláteresztő szűrő kisimítja a vezérlőfeszültség hirtelen változásait. Kimutatható, hogy ilyen szűrés szükséges a stabil rendszerekhez.
A PLL hasznos kimenete vagy egy vezérelt oszcillátor kimenet, vagy egy oszcillátor vezérlőjel (attól függően, hogy mire van szükség egy adott rendszerben).
A két fázisérzékelő (PD) bemenet egy referenciajel és egy feszültségvezérelt oszcillátor (VCO) által megvalósított visszacsatolás. A PD kimenet úgy vezérli a VCO-t, hogy a két bemenet közötti fáziskülönbség állandó marad, így negatív visszacsatoló rendszer alakul ki.
A PD-k többféle típusa létezik, két fő kategóriában: digitális és analóg.
Analóg áramkörAz analóg FD egy ideális keverőtípus . Ez az eszköz két pillanatnyi bemeneti feszültség szorzatát állítja elő. A szorzás eredménye a keverő összeg- és különbségjele, azonban PD-ként használva aluláteresztő szűrőre van szükség az összegző frekvencia csillapítására. Ha a fennmaradó frekvenciakülönbség elég alacsony ahhoz, hogy megfelelő amplitúdóval áthaladjon a szűrőn, akkor a VCO frekvenciát közelebb tolja a referenciaértékhez, lehetővé téve az áramkör rövid időn belüli reteszelését. Ezt a folyamatot rögzítésnek nevezik , és a maximális frekvenciakülönbség (referenciajel és VCO), amelynél a rögzítés lehetséges, a rögzítési sáv . Az áramkör rögzítve van, ha a VCO a referencia frekvenciájával megegyező frekvencián működik, és esetleg kissé fázison kívül van az alapjeltől.
A PLL legegyszerűbb matematikai modelljei hatékony nemlineáris elemzésének lehetőségét először F. Tricomi 1933-as munkájában mutatta meg, amelyben a kétdimenziós inga típusú rendszerek minőségi viselkedését vizsgálták fázissík módszerrel. Ezeket az ötleteket aztán A. A. Andronov és követői munkáiban fejlesztették ki. Az 50-es években jelentek meg Yu. N. Bakaev első munkái a direkt Lyapunov-módszerrel a legegyszerűbb PLL-modellek elemzésére, valamint V. I. Tikhonov kutatásaival a zaj PLL működésére gyakorolt hatásának felmérésére. 1966-ban jelentek meg az első alapvető monográfiák az USA-ban és a Szovjetunióban, amelyek az amerikai és szovjet mérnökök által az alacsony rendű szűrőkkel ellátott PLL-rendszerek elemzésében felhalmozott tapasztalatokat tartalmazzák (F. Gardner [5] , A. Viterbi [6]). , V. V. Shakhgildyan és A. A. Lyakhovkin [7] ). Ezzel egy időben az amerikai szerzők főbb monográfiáit lefordították oroszra, az Egyesült Államokban pedig 1973-ig a National Aeronautics and Space Administration (NASA) megbízásából a szovjet iskola munkáit figyelték [8] .
A 20. század 70-es éveinek közepén G. A. Leonov általános megközelítéseket javasolt a fázisszinkronizálás matematikai modelljei stabilitásának nemlineáris elemzésére, a stabilitáselmélet klasszikus eredményeinek a hengeres fázistérrel rendelkező rendszerekre történő általánosítása alapján. nem folytonos nemlinearitások [9] . 2015-ben N. V. Kuznyecov kitöltötte a stabilitáselemzés mérnöki gyakorlata és a fázisszinkronizálás matematikai elméletének módszerei közötti hézagokat, amelyek a tartási sáv szigorú matematikai definícióihoz , a gyors rögzítési sáv rögzítési sávjához , valamint a W. Egan probléma megoldása a rögzítési sávon [10] és F. Gardner problémái a gyors rögzítési sávon [11] [12] [13] [14] .
| Rádió | |
|---|---|
| Fő részek | |
| Fajták | |