Phase locked loop ( PLL , engelsk PLL ) er et automatisk styresystem, der justerer fasen på den kontrollerede oscillator, så den er lig med fasen af referencesignalet eller adskiller sig med en kendt funktion af tiden. Justering udføres på grund af tilstedeværelsen af negativ feedback . Udgangssignalet fra den kontrollerede oscillator sammenlignes på fasedetektoren med referencesignalet , resultatet af sammenligningen bruges til at justere den kontrollerede oscillator.
PLL-systemet bruges til frekvensmodulation og -demodulering, frekvensmultiplikation og -konvertering, frekvensfiltrering, referencebølgeformudtrækning til kohærent detektion og andre formål.
PLL'en sammenligner faserne af input- og referencesignalerne og udsender et fejlsignal svarende til forskellen mellem disse faser. Fejlsignalet ledes derefter gennem et lavpasfilter og bruges som et styresignal for en spændingsstyret oscillator (VCO), der giver negativ feedback. Hvis udgangsfrekvensen afviger fra referencefrekvensen, så stiger fejlsignalet, hvilket påvirker VCO i retning af at mindske fejlen. I ligevægtstilstanden er udgangssignalet fastsat til referencefrekvensen.
PLL er meget udbredt inden for radioteknik, telekommunikation, computere og andre elektroniske enheder. Dette system kan generere et konstant frekvenssignal, gendanne et signal fra en støjende kommunikationskanal eller distribuere clocksignaler i digitale logiske kredsløb såsom mikroprocessorer , FPGA'er osv. Da et integreret kredsløb fuldt ud kan implementere en PLL, bruges denne metode ofte i moderne elektroniske enheder med udgangsfrekvenser fra brøkdele af en hertz til mange gigahertz.
At stemme en streng på en guitar kan sammenlignes med faselåst loop-processen. Ved at bruge en stemmegaffel eller stemmegaffel til at opnå en referencefrekvens justeres strengspændingen, indtil slagene ikke længere er hørbare. Dette signalerer, at stemmegaflen og guitarstrengen vibrerer med samme frekvens. Hvis vi forestiller os, at guitaren kan stemmes perfekt til stemmegaflens referencetone, og stemningen bevares, kan vi sige, at guitarstrengen er stabiliseret i fase med stemmegaflen.
For at forstå, hvordan dette fungerer, skal du overveje et billøb. Der er mange biler, og føreren af hver af dem vil gerne køre rundt på banen så hurtigt som muligt. Hver omgang svarer til en komplet cyklus, og hver bil kører dusinvis af omgange i timen. Antallet af omgange i timen (hastigheden) svarer til vinkelhastigheden (dvs. frekvensen), og antallet af omgange (distancen) svarer til fasen (og omregningsfaktoren er afstanden til sporcirklen).
I det meste af løbet forsøger hver bil at overhale den anden bil, og hver bils fase varierer frit.
Men hvis der sker en ulykke, kører tempobilen ud med en sikker hastighed. Ingen af bilerne kan komme forbi tempobilen (eller bilerne foran den), men hver af bilerne ønsker at blive så tæt på tempobilen som muligt. Mens tempobilen er på banen, er den benchmark, og biler er blevet faselåste sløjfer. Hver chauffør vil måle faseforskellen (skødeafstanden) mellem ham og tempobilen. Hvis føreren er langt væk, vil han øge sin hastighed for at mindske afstanden. Hvis han er for tæt på tempobilen, vil han sætte farten ned. Som følge af hele racet af biler er der en blokering i tempobilfasen. Biler passerer langs banen i en tæt gruppe, som fylder en lille brøkdel af cirklen.
De første undersøgelser, der blev kendt som faselåste loops, går tilbage til 1932, hvor et alternativ til Edwin Armstrongs superheterodyne radiomodtager blev udviklet - en homodyne eller direkte konverteringsradiomodtager . I et homodynt eller synkront system er oscillatoren indstillet til den valgte indgangsfrekvens, og dens signal multipliceres med inputtet. Det resulterende udgangssignal bærer information om moduleringen. Målet er at udvikle et alternativt modtagerkredsløb, der kræver færre tunede elektriske kredsløb end en superheterodynmodtager. Da frekvensen af modtagerens lokale oscillator ændrer sig hurtigt, tilføres et autokorrektionssignal til oscillatorens input, hvilket gør det muligt for den at opretholde samme fase og frekvens som inputsignalet. Denne teknik blev beskrevet i 1932 i Henri de Bellescizes artikler i det franske magasin Onde Electrique [1] .
I analoge tv-modtagere, i det mindste siden slutningen af 30'erne af forrige århundrede, er den faselåste sløjfe af den horisontale og vertikale scanningsfrekvens indstillet i henhold til udsendelsessignalets synkroniseringsimpulser [2] .
Linje af monolitiske integrerede kredsløb implementeret af Signeticsi 1969, fuldt implementeret PLL [3] . Et par år senere introducerede RCA "CD4046" CMOS , en mikrowatt PLL, der blev almindelig.
PLL-enheder kan implementeres på både analoge og digitale måder. Begge implementeringer bruger det samme blokdiagram. Både analoge og digitale PLL-kredsløb omfatter 4 hovedelementer:
Der findes flere typer synthesizere. Nogle af de termer, der bruges i analog PLL (APLL) refererer også til lineær PLL (LPLL), digital PLL (DPLL), all-digital PLL (ADPLL) og software PLL (SPLL) [4] .
Analoge eller lineære PLL'er (APLL) Fasedetektoren er en analog multiplikator. LPF er aktiv eller passiv. Der anvendes en spændingsstyret oscillator (VCO). Digital PLL (DPLL) Analog PLL med digital fasedetektor (xor type, JK flip-flop, fasedetektor). Kan have en digital skillelinje i feedback-sløjfen. Fuldt digital PLL (ADPLL) Fasedetektor, filter og generator er digitale. Bruger en oscillator med digital frekvensstyring. Software PLL (SPLL) Funktionerne i en synthesizer implementeres ved hjælp af software, der udføres af en eller anden digital enhed, såsom en mikrocontroller , snarere end specialiseret hardware. Neuronale PLL'er (NPLL) Fasedetektoren, filteret og generatoren befinder sig i neuroner eller små neuronale pools. Bruger en hastighedsstyret generator. Bruges til at spore og afkode lavfrekvensmodulation (< 1 kHz), såsom dem, der opstår under aktiv sansning af pattedyr.Digital phase locked loop (DPLL) fungerer på samme måde som analog, men implementeres udelukkende med digitale kredsløb. I stedet for en VCO bruges et systemur og en digitalt styret deletæller. En PLL er lettere at designe og implementere, mindre følsom over for spændingsstøj (sammenlignet med analog), men den tolererer normalt fasestøj på grund af tilstedeværelsen af kvantiseringsstøj ved brug af en digital oscillator. Som følge heraf er DPLL'er uegnede til højfrekvent drift eller til at drive højfrekvente referencesignaler. DPLL'er bruges nogle gange til datagendannelse.
Analoge PLL'er består af en fasedetektor , et lavpasfilter og en spændingsstyret oscillator, samlet i et negativt feedback -kredsløb . Der kan også være en frekvensdeler til stede i kredsløbet - i feedback og/eller på vej af referencesignalet for at opnå frekvensen af referencesignalet ganget med et heltal ved udgangen. Ikke-heltals multiplikation af referencefrekvensen kan udføres ved at flytte den elementære frekvensmultiplikator til feedback med en programmerbar pulstæller.
Generatoren producerer et periodisk udgangssignal. Det antages, at generatorens begyndelsesfrekvens er omtrent lig med referencen. Hvis oscillatorfasen halter i forhold til referencesignalets fase, ændrer fasedetektoren styrespændingen på oscillatoren, hvilket får den til at accelerere. Ligeledes, hvis fasen skifter forud for referencefasen, ændrer fasedetektoren spændingen for at bremse oscillatoren. Lavpasfilteret udjævner pludselige ændringer i styrespændingen. Det kan påvises, at en sådan filtrering er nødvendig for stabile systemer.
Et nyttigt output fra en PLL er enten et styret oscillator-output eller et oscillatorstyresignal (afhængigt af, hvad der kræves i et bestemt system).
De tofasede detektorindgange ( PD ) er et referencesignal og feedback implementeret af en spændingsstyret oscillator (VCO). PD-udgangen styrer VCO'en på en sådan måde, at faseforskellen mellem de to indgange holdes konstant og danner således et negativt tilbagekoblingssystem.
Der er flere typer PD'er i to hovedkategorier: digital og analog.
Analogt kredsløbEn analog FD er en type ideel mixer . Denne enhed producerer en multiplikation af to øjeblikkelige indgangsspændinger. Resultatet af multiplikationsprocessen er sum- og differenssignalet fra mixeren, men når det bruges som en PD, kræves der et lavpasfilter for at dæmpe sumfrekvensen. Når den resterende differensfrekvens er lav nok til at passere gennem filteret med tilstrækkelig amplitude, flytter den VCO-frekvensen tættere på referencen, hvilket tillader kredsløbet at låse ind efter en kort periode. Denne proces kaldes capture , og den maksimale frekvensforskel (referencesignal og VCO), hvor fiksering er mulig, er capture-båndet . Kredsløbet er fast, hvis VCO'en arbejder ved en frekvens svarende til referencen og muligvis lidt ude af fase med referencen.
Muligheden for effektiv ikke-lineær analyse af de enkleste matematiske modeller af PLL blev først vist i arbejdet i 1933 af F. Tricomi, hvor den kvalitative opførsel af todimensionelle pendulsystemer blev undersøgt ved faseplanmetoden. Disse ideer blev derefter udviklet i værker af A. A. Andronov og hans tilhængere. I 50'erne dukkede de første værker af Yu. N. Bakaev op med ideerne om at bruge den direkte Lyapunov-metode til at analysere de enkleste PLL-modeller og V. I. Tikhonovs forskning om at vurdere effekten af støj på driften af PLL. I 1966 blev de første grundlæggende monografier udgivet i USA og USSR, som indeholdt den erfaring, som amerikanske og sovjetiske ingeniører havde akkumuleret i analysen af PLL-systemer med lavordensfiltre (F. Gardner [5] , A. Viterbi [6] , V. V. Shakhgildyan og A. A. Lyakhovkin [7] ). Samtidig blev de amerikanske forfatteres hovedmonografier oversat til russisk, og i USA blev indtil 1973 efter ordre fra National Aeronautics and Space Administration (NASA) overvåget den sovjetiske skoles værker [8] .
I midten af 70'erne af det 20. århundrede foreslog G. A. Leonov generelle tilgange til den ikke-lineære analyse af stabiliteten af matematiske modeller for fasesynkronisering, baseret på generaliseringen af de klassiske resultater af stabilitetsteorien til systemer med et cylindrisk faserum og diskontinuerlige ikke-lineariteter [9] . I 2015 udfyldte N.V. Kuznetsov hullerne mellem den tekniske praksis for stabilitetsanalyse og metoderne i den matematiske teori om fasesynkronisering, forbundet med strenge matematiske definitioner af holdoff-båndet , capture -båndet for det hurtige capture-bånd , såvel som løsning af problemet med W. Egan på capture-båndet [10] og F. Gardners problemer på den hurtige capture-strimmel [11] [12] [13] [14] .
| Radio | |
|---|---|
| Hoveddele | |
| Sorter | |