Phase locked loop ( PLL , engleză PLL ) este un sistem de control automat care reglează faza oscilatorului controlat astfel încât să fie egală cu faza semnalului de referință sau să difere printr-o funcție cunoscută a timpului. Ajustarea se efectuează datorită prezenței feedback-ului negativ . Semnalul de ieșire al oscilatorului controlat este comparat pe detectorul de fază cu semnalul de referință , rezultatul comparației este folosit pentru a regla oscilatorul controlat.
Sistemul PLL este utilizat pentru modularea și demodularea frecvenței, multiplicarea și conversia frecvenței, filtrarea frecvenței, extragerea formei de undă de referință pentru detectarea coerentă și în alte scopuri.
PLL compară fazele semnalelor de intrare și de referință și emite un semnal de eroare corespunzător diferenței dintre aceste faze. Semnalul de eroare este apoi trecut printr-un filtru trece-jos și utilizat ca semnal de control pentru un oscilator controlat de tensiune (VCO) care furnizează feedback negativ. Dacă frecvența de ieșire se abate de la frecvența de referință, atunci semnalul de eroare crește, afectând VCO în direcția scăderii erorii. În starea de echilibru, semnalul de ieșire este fixat la frecvența de referință.
PLL este utilizat pe scară largă în inginerie radio, telecomunicații, computere și alte dispozitive electronice. Acest sistem poate genera un semnal de frecvență constantă, poate recupera un semnal dintr-un canal de comunicație zgomotos sau poate distribui semnale de ceas în circuite logice digitale, cum ar fi microprocesoare , FPGA -uri etc. Deoarece un circuit integrat poate implementa pe deplin un PLL, această metodă este adesea folosită în dispozitive electronice moderne cu frecvențe de ieșire de la fracțiuni de hertz la mulți gigaherți.
Acordarea unei coarde la o chitară poate fi comparată cu procesul de buclă blocată în fază. Folosind un diapazon sau un diapază pentru a obține o frecvență de referință, tensiunea corzilor este reglată până când bătăile nu mai sunt audibile. Acest lucru semnalează că diapazonul și coarda chitarei vibrează la aceeași frecvență. Dacă ne imaginăm că chitara poate fi reglată perfect la tonul de referință al diapazonului și acordul va fi păstrat, putem spune că coarda chitarei este stabilizată în fază cu diapazonul.
Pentru a înțelege cum funcționează, luați în considerare o cursă de mașini. Sunt multe mașini, iar șoferul fiecăreia dintre ele vrea să circule în jurul pistei cât mai repede posibil. Fiecare tură corespunde unui ciclu complet, iar fiecare mașină parcurge zeci de ture pe oră. Numărul de ture pe oră (viteză) corespunde vitezei unghiulare (adică frecvența), iar numărul de ture (distanță) corespunde fazei (iar factorul de conversie este distanța cercului pistei).
Pentru cea mai mare parte a cursei, fiecare mașină încearcă să o depășească pe cealaltă, iar faza fiecărei mașini variază liber.
Cu toate acestea, dacă are loc un accident, mașina de ritm iese cu o viteză sigură. Niciuna dintre mașini nu poate trece de mașina de ritm (sau mașinile din fața acestuia), dar fiecare dintre mașini vrea să stea cât mai aproape de mașina de ritm. În timp ce mașina de ritm este pe pistă, este punctul de referință, iar mașinile au devenit bucle blocate în fază. Fiecare șofer va măsura diferența de fază (distanța pe tur) dintre el și mașina de ritm. Dacă șoferul este departe, își va mări viteza pentru a reduce decalajul. Dacă este prea aproape de mașina de ritm, va încetini. Ca urmare a întregii curse de mașini, apare un blocaj în faza de mașină de ritm. Mașinile trec de-a lungul pistei într-un grup dens, care ocupă o mică parte din cerc.
Primele studii care au devenit cunoscute sub numele de bucle blocate în fază datează din 1932, când a fost dezvoltată o alternativă la receptorul radio superheterodin al lui Edwin Armstrong - un receptor radio homodin sau cu conversie directă . Într-un sistem omodin sau sincron , oscilatorul este reglat la frecvența de intrare selectată și semnalul său este înmulțit cu intrarea. Semnalul de ieșire rezultat poartă informații despre modulație. Scopul este de a dezvolta un circuit receptor alternativ care necesită mai puține circuite electrice reglate decât un receptor superheterodin. Deoarece frecvența oscilatorului local al receptorului se modifică rapid, la intrarea oscilatorului este aplicat un semnal de autocorecție, permițându-i acestuia să mențină aceeași fază și frecvență ca și semnalul de intrare. Această tehnică a fost descrisă în 1932 în articolele lui Henri de Bellescize din revista franceză Onde Electrique [1] .
În receptoarele de televiziune analogice, cel puțin de la sfârșitul anilor 30 ai secolului trecut, bucla blocată în fază a frecvenței de scanare orizontală și verticală este reglată în funcție de impulsurile de sincronizare a semnalului de difuzare [2] .
Linie de circuite integrate monolitice implementate de Signeticsîn 1969, a implementat integral PLL [3] . Câțiva ani mai târziu, RCA a introdus CMOS „CD4046” , un PLL de microwați care a devenit comun.
Dispozitivele PLL pot fi implementate atât în moduri analogice cât și digitale. Ambele implementări folosesc aceeași diagramă bloc. Atât circuitele PLL analogice, cât și cele digitale includ 4 elemente principale:
Există mai multe tipuri de sintetizatoare. Unii dintre termenii care sunt utilizați în PLL analogic (APLL) se referă și la PLL liniar (LPLL), PLL digital (DPLL), PLL integral digital (ADPLL) și PLL software (SPLL) [4] .
PLL-uri analogice sau liniare (APLL) Detectorul de fază este un multiplicator analogic. LPF este activ sau pasiv. Se folosește un oscilator controlat de tensiune (VCO). PLL digital (DPLL) PLL analog cu detector digital de fază (tip xor, flip-flop JK, detector de fază). Poate avea un divizor digital în bucla de feedback. PLL complet digital (ADPLL) Detectorul de fază, filtrul și generatorul sunt digitale. Utilizează un oscilator cu control digital al frecvenței. Software PLL (SPLL) Funcțiile unui sintetizator sunt implementate folosind software-ul executat de un dispozitiv digital, cum ar fi un microcontroler , mai degrabă decât hardware specializat. PLL neuronale (NPLL) Detectorul de fază, filtrul și generatorul se află în neuroni sau în bazine neuronale mici. Utilizează un generator cu viteză controlată. Folosit pentru a urmări și decoda modulația de frecvență joasă (< 1 kHz), cum ar fi cele care apar în timpul detectării active a mamiferelor.Bucla blocată în fază digitală (DPLL) funcționează într-un mod similar cu analogul, dar este implementată în întregime cu circuite digitale. În loc de un VCO, se utilizează un ceas de sistem și un contor divizor controlat digital. Un PLL este mai ușor de proiectat și implementat, mai puțin sensibil la zgomotul de tensiune (comparativ cu analogul), cu toate acestea, tolerează de obicei zgomotul de fază datorită prezenței zgomotului de cuantizare atunci când se utilizează un oscilator digital. Ca rezultat, DPLL-urile nu sunt adecvate pentru funcționarea de înaltă frecvență sau pentru conducerea semnalelor de referință de înaltă frecvență. DPLL-urile sunt uneori folosite pentru recuperarea datelor.
PLL-urile analogice constau dintr-un detector de fază , un filtru trece-jos și un oscilator controlat de tensiune, asamblate într-un circuit de feedback negativ . De asemenea, un divizor de frecvență poate fi prezent în circuit - în feedback și/sau pe calea semnalului de referință pentru a obține frecvența semnalului de referință înmulțit cu un întreg la ieșire. Înmulțirea fără numere întregi a frecvenței de referință poate fi efectuată prin mutarea multiplicatorului de frecvență elementară la feedback cu un contor de impulsuri programabil.
Generatorul produce un semnal de ieșire periodic. Se presupune că frecvența inițială a generatorului este aproximativ egală cu referința. Dacă faza oscilatorului întârzie în raport cu faza semnalului de referință, detectorul de fază modifică tensiunea de control a oscilatorului, ceea ce determină accelerarea acestuia. De asemenea, dacă faza se schimbă înaintea fazei de referință, detectorul de fază schimbă tensiunea pentru a încetini oscilatorul. Filtrul trece-jos netezește schimbările bruște ale tensiunii de control. Se poate demonstra că o astfel de filtrare este necesară pentru sistemele stabile.
O ieșire utilă a unui PLL este fie o ieșire controlată a oscilatorului, fie un semnal de control al oscilatorului (în funcție de ceea ce este necesar într-un anumit sistem).
Intrările detectorului în două faze (PD) sunt un semnal de referință și un feedback implementat de un oscilator controlat de tensiune (VCO). Ieșirea PD controlează VCO în așa fel încât diferența de fază dintre cele două intrări să fie menținută constantă, formând astfel un sistem de feedback negativ.
Există mai multe tipuri de PD în două categorii principale: digitale și analogice.
Circuit analogicUn FD analog este un tip de mixer ideal . Acest dispozitiv produce o multiplicare a două tensiuni de intrare instantanee. Rezultatul procesului de multiplicare este semnalul de sumă și diferență al mixerului, cu toate acestea, atunci când este utilizat ca PD, este necesar un filtru trece-jos pentru a atenua frecvența sumei. Când diferența de frecvență rămasă este suficient de mică pentru a trece prin filtru cu o amplitudine suficientă, aceasta mută frecvența VCO mai aproape de referință, permițând circuitului să se blocheze după o perioadă scurtă. Acest proces se numește captură , iar diferența de frecvență maximă (semnal de referință și VCO) la care este posibilă fixarea este banda de captare . Circuitul este fix dacă VCO funcționează la o frecvență egală cu referința și posibil ușor defazat cu referința.
Posibilitatea unei analize neliniare eficiente a celor mai simple modele matematice ale PLL a fost arătată pentru prima dată în lucrarea din 1933 a lui F. Tricomi, în care comportamentul calitativ al sistemelor de tip pendul bidimensional a fost studiat prin metoda planului de fază. Aceste idei au fost apoi dezvoltate în lucrările lui A. A. Andronov și adepților săi. În anii 50, primele lucrări ale lui Yu. N. Bakaev au apărut cu ideile utilizării metodei directe Lyapunov pentru analiza celor mai simple modele PLL și cercetările lui V. I. Tikhonov privind evaluarea efectului zgomotului asupra funcționării PLL. În 1966, au fost publicate primele monografii fundamentale în SUA și URSS, cuprinzând experiența acumulată de inginerii americani și sovietici în analiza sistemelor PLL cu filtre de ordin scăzut (F. Gardner [5] , A. Viterbi [6] , V. V. Shakhgildyan și A. A. Lyakhovkin [7] ). În același timp, principalele monografii ale autorilor americani au fost traduse în limba rusă, iar în Statele Unite până în 1973, din ordinul Administrației Naționale de Aeronautică și Spațiu (NASA), au fost monitorizate lucrările școlii sovietice [8] .
La mijlocul anilor '70 ai secolului XX, G. A. Leonov a propus abordări generale ale analizei neliniare a stabilității modelelor matematice de sincronizare a fazelor, bazate pe generalizarea rezultatelor clasice ale teoriei stabilității la sisteme cu un spațiu de fază cilindric și neliniarități discontinue [9] . În 2015, N.V. Kuznetsov a completat golurile dintre practica inginerească a analizei stabilității și metodele teoriei matematice a sincronizării fazelor, asociate cu definiții matematice stricte ale benzii de reținere , banda de captare a benzii de captare rapidă , precum și rezolvarea problemei lui W. Egan pe banda de captare [10] și problemele lui F. Gardner pe banda de captare rapidă [11] [12] [13] [14] .
| Radio | |
|---|---|
| Părți principale | |
| Soiuri | |