Phase locked loop ( PLL , engelska PLL ) är ett automatiskt styrsystem som justerar fasen på den styrda oscillatorn så att den är lika med referenssignalens fas eller skiljer sig med en känd funktion av tiden. Justering utförs på grund av förekomsten av negativ återkoppling . Utsignalen från den styrda oscillatorn jämförs på fasdetektorn med referenssignalen , resultatet av jämförelsen används för att justera den styrda oscillatorn.
PLL-systemet används för frekvensmodulering och demodulering, frekvensmultiplikation och konvertering, frekvensfiltrering, referensvågformsextraktion för koherent detektering och andra ändamål.
PLL:n jämför faserna för ingångs- och referenssignalerna och matar ut en felsignal som motsvarar skillnaden mellan dessa faser. Felsignalen leds sedan genom ett lågpassfilter och används som styrsignal för en spänningsstyrd oscillator (VCO) som ger negativ återkoppling. Om utfrekvensen avviker från referensfrekvensen ökar felsignalen, vilket påverkar VCO i riktning mot att minska felet. I jämviktstillståndet är utsignalen fixerad vid referensfrekvensen.
PLL används ofta inom radioteknik, telekommunikation, datorer och andra elektroniska enheter. Detta system kan generera en signal med konstant frekvens, återställa en signal från en brusig kommunikationskanal eller distribuera klocksignaler i digitala logiska kretsar såsom mikroprocessorer , FPGA , etc. Eftersom en integrerad krets kan implementera en PLL fullt ut, används denna metod ofta i moderna elektroniska enheter med utgångsfrekvenser från bråkdelar av en hertz till många gigahertz.
Att stämma en sträng på en gitarr kan jämföras med processen med faslåst slinga. Med hjälp av en stämgaffel eller stämgaffel för att erhålla en referensfrekvens, justeras strängspänningen tills slagen inte längre är hörbara. Detta signalerar att stämgaffeln och gitarrsträngen vibrerar med samma frekvens. Om vi föreställer oss att gitarren kan stämmas perfekt till stämgaffelns referenston och stämningen kommer att bevaras, kan vi säga att gitarrsträngen stabiliseras i fas med stämgaffeln.
För att förstå hur detta fungerar, överväg ett billopp. Det finns många bilar, och föraren av var och en av dem vill köra runt banan så fort som möjligt. Varje varv motsvarar en hel cykel, och varje bil klarar dussintals varv i timmen. Antalet varv per timme (hastighet) motsvarar vinkelhastigheten (dvs. frekvens), och antalet varv (sträcka) motsvarar fasen (och omvandlingsfaktorn är avståndet till spårcirkeln).
Under större delen av loppet försöker varje bil köra om den andra bilen, och varje bils fas varierar fritt.
Men om en olycka är framme åker tempobilen ut i en säker hastighet. Ingen av bilarna kan ta sig förbi tempobilen (eller bilarna framför den), men var och en av bilarna vill hålla sig så nära tempobilen som möjligt. Medan tempobilen är på banan är den riktmärket, och bilar har blivit faslåsta loopar. Varje förare kommer att mäta fasskillnaden (varvdistansen) mellan honom och tempobilen. Om föraren är långt borta kommer han att öka sin hastighet för att minska gapet. Om han är för nära tempobilen kommer han att sakta ner. Som ett resultat av hela billoppet finns det en blockering i tempobilfasen. Bilar passerar längs banan i en tät grupp, som tar upp en liten del av cirkeln.
De första studierna som blev kända som faslåsta slingor går tillbaka till 1932, då ett alternativ till Edwin Armstrongs superheterodynradiomottagare utvecklades - en homodyn- eller direktkonverteringsradiomottagare . I ett homodynt eller synkront system ställs oscillatorn in på den valda ingångsfrekvensen och dess signal multipliceras med ingången. Den resulterande utsignalen bär information om moduleringen. Målet är att utveckla en alternativ mottagarkrets som kräver färre avstämda elektriska kretsar än en superheterodynmottagare. Eftersom frekvensen på mottagarens lokala oscillator ändras snabbt, appliceras en autokorrigeringssignal på oscillatorns ingång, vilket gör att den kan bibehålla samma fas och frekvens som insignalen. Denna teknik beskrevs 1932 i Henri de Bellescizes artiklar i den franska tidskriften Onde Electrique [1] .
I analoga tv-mottagare, åtminstone sedan slutet av 30-talet av förra seklet, är den faslåsta slingan för den horisontella och vertikala avsökningsfrekvensen avstämd enligt sändningssignalens synkroniseringspulser [2] .
Linje av monolitiska integrerade kretsar implementerade av Signetics1969 genomförde PLL till fullo [3] . Några år senare introducerade RCA "CD4046" CMOS , en mikrowatt PLL som blev vanlig.
PLL-enheter kan implementeras på både analoga och digitala sätt. Båda implementeringarna använder samma blockschema. Både analoga och digitala PLL-kretsar inkluderar fyra huvudelement:
Det finns flera typer av synthesizers. Några av termerna som används i analog PLL (APLL) hänvisar också till linjär PLL (LPLL), digital PLL (DPLL), heldigital PLL (ADPLL) och programvara PLL (SPLL) [4] .
Analoga eller linjära PLL:er (APLL) Fasdetektorn är en analog multiplikator. LPF är aktiv eller passiv. En spänningsstyrd oscillator (VCO) används. Digital PLL (DPLL) Analog PLL med digital fasdetektor (xor typ, JK flip-flop, fasdetektor). Kan ha en digital avdelare i återkopplingsslingan. Helt digital PLL (ADPLL) Fasdetektor, filter och generator är digitala. Använder en oscillator med digital frekvenskontroll. Programvara PLL (SPLL) Funktionerna hos en synthesizer implementeras med hjälp av programvara som exekveras av någon digital enhet, såsom en mikrokontroller , snarare än specialiserad hårdvara. Neuronala PLL (NPLL) Fasdetektorn, filtret och generatorn finns i neuroner eller små neuronala pooler. Använder en hastighetsstyrd generator. Används för att spåra och avkoda lågfrekvensmodulering (< 1 kHz), till exempel de som sker under aktiv avkänning av däggdjur.Digital phase locked loop (DPLL) fungerar på liknande sätt som analog, men implementeras helt med digitala kretsar. Istället för en VCO används en systemklocka och en digitalt styrd avdelarräknare. En PLL är lättare att designa och implementera, mindre känslig för spänningsbrus (jämfört med analog), dock tolererar den vanligtvis fasbrus på grund av närvaron av kvantiseringsbrus när man använder en digital oscillator. Som ett resultat är DPLL:er olämpliga för högfrekvent drift eller för att driva högfrekventa referenssignaler. DPLL:er används ibland för dataåterställning.
Analoga PLLs består av en fasdetektor , ett lågpassfilter och en spänningsstyrd oscillator, monterade i en negativ återkopplingskrets . En frekvensdelare kan också finnas i kretsen - i återkoppling och/eller på vägen för referenssignalen för att erhålla referenssignalens frekvens multiplicerad med ett heltal vid utgången. Icke-heltalsmultiplikation av referensfrekvensen kan utföras genom att flytta den elementära frekvensmultiplikatorn till återkoppling med en programmerbar pulsräknare.
Generatorn producerar en periodisk utsignal. Det antas att generatorns initiala frekvens är ungefär lika med referensen. Om oscillatorfasen släpar i förhållande till referenssignalens fas ändrar fasdetektorn styrspänningen på oscillatorn, vilket får den att accelerera. På samma sätt, om fasen skiftar före referensfasen, ändrar fasdetektorn spänningen för att sakta ner oscillatorn. Lågpassfiltret jämnar ut plötsliga förändringar i styrspänningen. Det kan visas att sådan filtrering krävs för stabila system.
En användbar utgång från en PLL är antingen en styrd oscillatorutgång eller en oscillatorstyrsignal (beroende på vad som krävs i ett visst system).
Tvåfasdetektorns (PD) ingångar är en referenssignal och återkoppling som implementeras av en spänningsstyrd oscillator (VCO). PD-utgången styr VCO på ett sådant sätt att fasskillnaden mellan de två ingångarna hålls konstant, vilket bildar ett negativt återkopplingssystem.
Det finns flera typer av PD i två huvudkategorier: digitala och analoga.
Analog kretsEn analog FD är en typ av idealisk mixer . Denna enhet producerar en multiplikation av två momentana inspänningar. Resultatet av multiplikationsprocessen är summa- och skillnadssignalen från mixern, men när den används som en PD krävs ett lågpassfilter för att dämpa summafrekvensen. När den återstående skillnadsfrekvensen är tillräckligt låg för att passera genom filtret med tillräcklig amplitud, flyttar den VCO-frekvensen närmare referensen, vilket gör att kretsen låser sig efter en kort period. Denna process kallas capture , och den maximala frekvensskillnaden (referenssignal och VCO) vid vilken fixering är möjlig är capture band . Kretsen är fixerad om VCO:n arbetar med en frekvens lika med referensen och eventuellt något ur fas med referensen.
Möjligheten till effektiv olinjär analys av de enklaste matematiska modellerna av PLL visades först i arbetet 1933 av F. Tricomi, där det kvalitativa beteendet hos tvådimensionella pendelliknande system studerades med fasplansmetoden. Dessa idéer utvecklades sedan i verk av A. A. Andronov och hans anhängare. På 50-talet dök de första verken av Yu. N. Bakaev upp med idéerna att använda den direkta Lyapunov-metoden för att analysera de enklaste PLL-modellerna och V. I. Tikhonovs forskning om att bedöma effekten av buller på driften av PLL. 1966 publicerades de första grundläggande monografierna i USA och Sovjetunionen, innehållande erfarenheter som samlats av amerikanska och sovjetiska ingenjörer i analysen av PLL-system med lågordningsfilter (F. Gardner [5] , A. Viterbi [6] , V. V. Shakhgildyan och A. A. Lyakhovkin [7] ). Samtidigt översattes amerikanska författares huvudmonografier till ryska, och i USA fram till 1973 övervakades den sovjetiska skolans verk [8] på order av National Aeronautics and Space Administration (NASA) .
I mitten av 70-talet av 1900-talet föreslog G. A. Leonov allmänna tillvägagångssätt för den olinjära analysen av stabiliteten hos matematiska modeller för fassynkronisering, baserat på generaliseringen av de klassiska resultaten av stabilitetsteorin till system med ett cylindriskt fasutrymme och diskontinuerliga olinjäriteter [9] . Under 2015 fyllde N.V. Kuznetsov i luckorna mellan den tekniska praktiken för stabilitetsanalys och metoderna för den matematiska teorin om fassynkronisering, förknippad med strikta matematiska definitioner av holdoff-bandet , infångningsbandet för det snabba infångningsbandet , såväl som lösning av problemet med W. Egan på fångstbandet [10] och F. Gardners problem på snabbinfångningsremsan [11] [12] [13] [14] .
| Radio | |
|---|---|
| Huvuddelar | |
| Olika sorter | |