Smyčka fázového závěsu ( PLL , anglicky PLL ) je automatický řídicí systém , který nastavuje fázi řízeného oscilátoru tak, aby byla rovna fázi referenčního signálu nebo se lišila o známou funkci času. Nastavení se provádí kvůli přítomnosti negativní zpětné vazby . Výstupní signál řízeného oscilátoru je porovnán na fázovém detektoru s referenčním signálem , výsledek porovnání je použit pro nastavení řízeného oscilátoru.
Systém PLL se používá pro frekvenční modulaci a demodulaci, násobení a konverzi frekvence, frekvenční filtraci, extrakci referenčního průběhu pro koherentní detekci a další účely.
PLL porovnává fáze vstupního a referenčního signálu a vydává chybový signál odpovídající rozdílu mezi těmito fázemi. Chybový signál pak prochází dolní propustí a používá se jako řídicí signál pro napěťově řízený oscilátor (VCO) poskytující negativní zpětnou vazbu. Pokud se výstupní frekvence odchyluje od referenční frekvence, pak se chybový signál zvyšuje, což ovlivňuje VCO ve směru snižování chyby. V rovnovážném stavu je výstupní signál pevně nastaven na referenční frekvenci.
PLL je široce používán v radiotechnice, telekomunikacích, počítačích a dalších elektronických zařízeních. Tento systém může generovat signál s konstantní frekvencí, obnovovat signál z rušeného komunikačního kanálu nebo distribuovat hodinové signály v digitálních logických obvodech, jako jsou mikroprocesory , FPGA atd. Protože integrovaný obvod může plně implementovat PLL, tato metoda se často používá v moderní elektronická zařízení s výstupními frekvencemi od zlomků hertzů po mnoho gigahertzů.
Ladění strun na kytaře lze přirovnat k procesu fázového závěsu. Pomocí ladičky nebo ladičky k získání referenční frekvence se nastavuje napětí struny, dokud údery přestanou být slyšitelné. To signalizuje, že ladička a struna kytary vibrují na stejné frekvenci. Pokud si představíme, že kytaru lze perfektně naladit na referenční tón ladičky a ladění zůstane zachováno, lze říci, že struna kytary je fázově stabilizovaná s ladičkou.
Abyste pochopili, jak to funguje, zvažte automobilový závod. Aut je mnoho a jezdec každého z nich chce projet trať co nejrychleji. Každé kolo odpovídá kompletnímu cyklu a každé auto absolvuje desítky kol za hodinu. Počet kol za hodinu (rychlost) odpovídá úhlové rychlosti (tj. frekvenci) a počet kol (vzdálenost) odpovídá fázi (a převodním faktorem je vzdálenost kruhu dráhy).
Po většinu závodu se každé auto snaží předjet druhé auto a fáze každého vozu se volně mění.
Pokud však dojde k nehodě, tempový vůz vyjede bezpečnou rychlostí. Žádné z vozů nemůže předjet tempové auto (nebo vozy před ním), ale každé z vozů chce zůstat co nejblíže tempomatu. Zatímco tempový vůz je na trati, je to měřítko a vozy se staly fázově uzamčenými smyčkami. Každý jezdec změří fázový rozdíl (vzdálenost kola) mezi ním a tempovým vozem. Pokud je řidič daleko, zvýší rychlost, aby zmenšil mezeru. Pokud je příliš blízko tempového vozu, zpomalí. V důsledku celého závodu vozů dochází k zablokování fáze tempového vozu. Auta projíždějí po trati v husté skupině, která zabírá malý zlomek kruhu.
První studie, které se staly známými jako smyčky fázového závěsu, pocházejí z roku 1932, kdy byla vyvinuta alternativa k superheterodynnímu rádiovému přijímači Edwina Armstronga – homodynní nebo přímo konverzní rádiový přijímač . V homodynním nebo synchronním systému je oscilátor naladěn na zvolenou vstupní frekvenci a jeho signál je násoben vstupem. Výsledný výstupní signál nese informaci o modulaci. Cílem je vyvinout alternativní obvod přijímače, který vyžaduje méně laděných elektrických obvodů než superheterodynní přijímač. Protože se frekvence lokálního oscilátoru přijímače rychle mění, je na vstup oscilátoru aplikován signál autokorekce, který mu umožňuje udržovat stejnou fázi a frekvenci jako vstupní signál. Tato technika byla popsána v roce 1932 v článcích Henri de Bellescize ve francouzském časopise Onde Electrique [1] .
V analogových televizních přijímačích je přinejmenším od konce 30. let minulého století laděna smyčka fázového závěsu horizontální a vertikální snímací frekvence podle synchronizačních impulsů vysílaného signálu [2] .
Řada monolitických integrovaných obvodů implementovaná společností Signeticsv roce 1969 plně implementoval PLL [3] . O několik let později RCA představila „CD4046“ CMOS , mikrowattový PLL, který se stal běžným.
Zařízení PLL lze implementovat jak analogovým, tak digitálním způsobem. Obě implementace používají stejné blokové schéma. Analogové i digitální obvody PLL obsahují 4 hlavní prvky:
Existuje několik typů syntezátorů. Některé termíny, které se používají v analogové PLL (APLL), také odkazují na lineární PLL (LPLL), digitální PLL (DPLL), plně digitální PLL (ADPLL) a softwarovou PLL (SPLL) [4] .
Analogové nebo lineární PLL (APLL) Fázový detektor je analogový násobič. LPF je aktivní nebo pasivní. Je použit napěťově řízený oscilátor (VCO). Digitální PLL (DPLL) Analogový PLL s digitálním fázovým detektorem (typ xor, JK klopný obvod, fázový detektor). Může mít digitální dělič ve zpětné vazbě. Plně digitální PLL (ADPLL) Fázový detektor, filtr a generátor jsou digitální. Používá oscilátor s digitálním řízením frekvence. Software PLL (SPLL) Funkce syntezátoru jsou implementovány pomocí softwaru prováděného některým digitálním zařízením, jako je mikrokontrolér , spíše než specializovaným hardwarem. Neuronální PLL (NPLL) Fázový detektor, filtr a generátor jsou umístěny v neuronech nebo malých neuronových zásobách. Používá generátor s regulací otáček. Používá se ke sledování a dekódování nízkofrekvenční modulace (< 1 kHz), jako jsou ty, které se vyskytují při aktivním snímání savců.Digitální smyčka fázového závěsu (DPLL) funguje podobným způsobem jako analogová, ale je implementována výhradně s digitálními obvody. Místo VCO jsou použity systémové hodiny a digitálně řízený dělič. PLL se snadněji navrhuje a implementuje, je méně citlivý na napěťový šum (ve srovnání s analogovým), nicméně obvykle toleruje fázový šum kvůli přítomnosti kvantizačního šumu při použití digitálního oscilátoru. V důsledku toho nejsou DPLL vhodné pro vysokofrekvenční provoz nebo pro řízení vysokofrekvenčních referenčních signálů. DPLL se někdy používají pro obnovu dat.
Analogové PLL se skládají z fázového detektoru , dolnopropustného filtru a napěťově řízeného oscilátoru, sestaveného v obvodu se zápornou zpětnou vazbou . Také může být v obvodu přítomen dělič kmitočtu - ve zpětné vazbě a/nebo na cestě referenčního signálu, aby se získal kmitočet referenčního signálu vynásobený celým číslem na výstupu. Neceločíselné násobení referenční frekvence lze provést posunutím násobiče elementární frekvence na zpětnou vazbu pomocí programovatelného pulsního čítače.
Generátor vytváří periodický výstupní signál. Předpokládá se, že počáteční frekvence generátoru je přibližně rovna referenční. Pokud se fáze oscilátoru zpožďuje vůči fázi referenčního signálu, fázový detektor změní řídicí napětí na oscilátoru, což způsobí jeho zrychlení. Podobně, pokud se fáze posune před referenční fázi, fázový detektor změní napětí, aby zpomalil oscilátor. Dolní propust vyhlazuje náhlé změny řídicího napětí. Lze ukázat, že takové filtrování je vyžadováno pro stabilní systémy.
Užitečným výstupem PLL je buď řízený výstup oscilátoru nebo řídicí signál oscilátoru (v závislosti na tom, co je v konkrétním systému požadováno).
Vstupy dvoufázového detektoru (PD) jsou referenčním signálem a zpětnou vazbou realizované napěťově řízeným oscilátorem (VCO). Výstup PD řídí VCO takovým způsobem, že fázový rozdíl mezi dvěma vstupy je udržován konstantní, čímž se vytváří systém negativní zpětné vazby.
Existuje několik typů PD ve dvou hlavních kategoriích: digitální a analogové.
Analogový obvodAnalogový FD je typ ideálního směšovače . Toto zařízení vytváří násobení dvou okamžitých vstupních napětí. Výsledkem procesu násobení je součtový a rozdílový signál směšovače, avšak při použití jako PD je pro zeslabení součtového kmitočtu vyžadována dolní propust . Když je zbývající rozdílová frekvence dostatečně nízká na to, aby prošla filtrem s dostatečnou amplitudou, posune frekvenci VCO blíže k referenční hodnotě, což umožňuje obvodu po krátké době zablokovat. Tento proces se nazývá zachycení a maximální frekvenční rozdíl (referenční signál a VCO), při kterém je možná fixace, je pásmo zachycení . Obvod je pevný, pokud VCO pracuje na frekvenci rovné referenční hodnotě a může být mírně mimo fázi vůči referenční hodnotě.
Možnost efektivní nelineární analýzy nejjednodušších matematických modelů PLL poprvé ukázal v roce 1933 F. Tricomi v práci, ve které bylo metodou fázové roviny studováno kvalitativní chování dvourozměrných systémů kyvadlového typu. Tyto myšlenky byly poté rozvinuty v dílech A. A. Andronova a jeho následovníků. V 50. letech se objevily první práce Yu.N. Bakaeva s myšlenkami na použití přímé Ljapunovovy metody pro analýzu nejjednodušších modelů PLL a výzkumem V. I. Tichonova o posouzení vlivu hluku na provoz PLL. V roce 1966 vyšly v USA a SSSR první zásadní monografie obsahující zkušenosti nashromážděné americkými a sovětskými inženýry při analýze systémů PLL s filtry nízkého řádu (F. Gardner [5] , A. Viterbi [6] , V. V. Shakhgildyan a A. A. Ljachovkin [7] ). Současně byly hlavní monografie amerických autorů přeloženy do ruštiny a ve Spojených státech až do roku 1973 byla na příkaz Národního úřadu pro letectví a vesmír (NASA) sledována díla sovětské školy [8] .
V polovině 70. let 20. století navrhl G. A. Leonov obecné přístupy k nelineární analýze stability matematických modelů fázové synchronizace, založené na zobecnění klasických výsledků teorie stability na systémy s válcovým fázovým prostorem resp. nespojité nelinearity [9] . V roce 2015 N. V. Kuznetsov zaplnil mezery mezi inženýrskou praxí analýzy stability a metodami matematické teorie fázové synchronizace, spojené s přísnými matematickými definicemi pásma holdoff , pásma zachycení pásma rychlého zachycení , jakož i řešení problému W. Egana na záchytném pásmu [10] a problémů F. Gardnera na pásku rychlého záchytu [11] [12] [13] [14] .
| Rádio | |
|---|---|
| Hlavní části | |
| Odrůdy | |