Phase locked loop ( PLL , englanniksi PLL ) on automaattinen ohjausjärjestelmä, joka säätää ohjatun oskillaattorin vaihetta niin, että se on yhtä suuri kuin referenssisignaalin vaihe tai eroaa tunnetun ajan funktion verran. Säätö suoritetaan negatiivisen palautteen vuoksi . Ohjatun oskillaattorin lähtösignaalia verrataan vaihetunnistimella referenssisignaaliin , vertailun tulosta käytetään ohjatun oskillaattorin säätämiseen.
PLL-järjestelmää käytetään taajuuden modulointiin ja demodulaatioon, taajuuden kertomiseen ja muuntamiseen, taajuuden suodattamiseen, referenssiaaltomuodon erottamiseen koherentin havaitsemiseen ja muihin tarkoituksiin.
PLL vertaa tulo- ja referenssisignaalien vaiheita ja antaa näiden vaiheiden eroa vastaavan virhesignaalin. Virhesignaali johdetaan sitten alipäästösuodattimen läpi ja sitä käytetään ohjaussignaalina jänniteohjatussa oskillaattorissa (VCO), joka antaa negatiivisen takaisinkytkennän. Jos lähtötaajuus poikkeaa referenssitaajuudesta, niin virhesignaali kasvaa, mikä vaikuttaa VCO:hen virheen pienentämisen suuntaan. Tasapainotilassa lähtösignaali on kiinteä referenssitaajuudella.
PLL:tä käytetään laajalti radiotekniikassa, televiestinnässä, tietokoneissa ja muissa elektronisissa laitteissa. Tämä järjestelmä voi tuottaa vakiotaajuisen signaalin, palauttaa signaalin kohinaisesta viestintäkanavasta tai jakaa kellosignaaleja digitaalisissa logiikkapiireissä, kuten mikroprosessoreissa , FPGA -piireissä jne. Koska integroitu piiri voi toteuttaa PLL:n täysin, tätä menetelmää käytetään usein nykyaikaiset elektroniset laitteet, joiden lähtötaajuudet ovat hertsin murto-osista useisiin gigahertseihin.
Kitaran kielen viritystä voidaan verrata vaihelukitun silmukan prosessiin. Käyttämällä äänihaarukkaa tai äänihaarukkaa vertailutaajuuden saamiseksi kielen kireyttä säädetään, kunnes lyöntejä ei enää kuulu. Tämä ilmaisee, että äänihaarukka ja kitaran kieli värähtelevät samalla taajuudella. Jos kuvittelemme, että kitara voidaan virittää täydellisesti äänihaarukan referenssisäveleen ja viritys säilyy, voidaan sanoa, että kitaran kieli on stabiloitunut samassa vaiheessa äänihaarukan kanssa.
Ymmärtääksesi, miten tämä toimii, harkitse autokilpailua. Autoja on monia, ja jokaisen kuljettaja haluaa ajaa radan ympäri mahdollisimman nopeasti. Jokainen kierros vastaa kokonaista sykliä, ja jokainen auto ajaa kymmeniä kierroksia tunnissa. Kierrosten lukumäärä tunnissa (nopeus) vastaa kulmanopeutta (eli taajuutta) ja kierrosten lukumäärä (etäisyys) vastaa vaihetta (ja muuntokerroin on rataympyrän etäisyys).
Suurimman osan kilpailusta jokainen auto yrittää ohittaa toisen auton, ja kunkin auton vaihe vaihtelee vapaasti.
Jos kuitenkin tapahtuu onnettomuus, vauhtiauto poistuu turvallisella nopeudella. Yksikään autoista ei pääse ohi vauhtiauton (tai sen edessä olevien autojen), mutta jokainen auto haluaa pysyä mahdollisimman lähellä vauhtiautoa. Kun vauhtiauto on radalla, se on vertailukohta, ja autoista on tullut vaihelukittuja silmukoita. Jokainen kuljettaja mittaa vaihe-eron (kierrosmatkan) hänen ja vauhtiauton välillä. Jos kuljettaja on kaukana, hän lisää nopeuttaan pienentääkseen eroa. Jos hän on liian lähellä vauhtiautoa, hän hidastaa vauhtia. Koko autokilpailun seurauksena vauhtiautovaiheessa on tukos. Autot kulkevat radalla tiheässä ryhmässä, joka vie pienen osan ympyrästä.
Ensimmäiset tutkimukset, jotka tulivat tunnetuksi vaihelukittuina silmukoina, ovat peräisin vuodelta 1932, jolloin kehitettiin vaihtoehto Edwin Armstrongin superheterodyne-radiovastaanottimelle - homodyne- tai suoramuunnosradiovastaanotin . Homodyne- tai synkronisessa järjestelmässä oskillaattori viritetään valitulle tulotaajuudelle ja sen signaali kerrotaan tulolla. Tuloksena oleva lähtösignaali kuljettaa tietoa modulaatiosta. Tavoitteena on kehittää vaihtoehtoinen vastaanotinpiiri, joka vaatii vähemmän viritettyjä sähköpiirejä kuin superheterodyne-vastaanotin. Koska vastaanottimen paikallisoskillaattorin taajuus muuttuu nopeasti, oskillaattorin sisäänmenoon syötetään automaattinen korjaussignaali, jonka avulla se voi säilyttää saman vaiheen ja taajuuden kuin tulosignaali. Tämä tekniikka kuvattiin vuonna 1932 Henri de Bellescizen artikkeleissa ranskalaisessa Onde Electrique -lehdessä [1] .
Analogisissa televisiovastaanottimissa ainakin viime vuosisadan 30-luvun lopulta lähtien vaaka- ja pystypyyhkäisytaajuuden vaihelukittu silmukka on viritetty lähetyssignaalin synkronointipulssien mukaan [2] .
Signeticsin toteuttama monoliittisten integroitujen piirien rivivuonna 1969, otettiin täysin käyttöön PLL [3] . Muutamaa vuotta myöhemmin RCA esitteli "CD4046" CMOS :n, mikrowatin PLL:n, josta tuli yleinen.
PLL-laitteet voidaan toteuttaa sekä analogisella että digitaalisella tavalla. Molemmat toteutukset käyttävät samaa lohkokaaviota. Sekä analogiset että digitaaliset PLL-piirit sisältävät 4 pääelementtiä:
Syntetisaattoreita on useita tyyppejä. Jotkut analogisessa PLL:ssä (APLL) käytetyistä termeistä viittaavat myös lineaariseen PLL:ään (LPLL), digitaaliseen PLL:ään (DPLL), täysin digitaaliseen PLL:ään (ADPLL) ja ohjelmistoon PLL (SPLL) [4] .
Analogiset tai lineaariset PLL:t (APLL) Vaiheilmaisin on analoginen kertoja. LPF on aktiivinen tai passiivinen. Käytetään jänniteohjattua oskillaattoria (VCO). Digital PLL (DPLL) Analoginen PLL digitaalisella vaihetunnistimella (xor tyyppi, JK flip-flop, vaihetunnistin). Takaisinkytkentäsilmukassa voi olla digitaalinen jakaja. Täysin digitaalinen PLL (ADPLL) Vaiheilmaisin, suodatin ja generaattori ovat digitaalisia. Käyttää oskillaattoria, jossa on digitaalinen taajuussäätö. Ohjelmisto PLL (SPLL) Syntetisaattorin toiminnot toteutetaan jonkin digitaalisen laitteen, kuten mikro-ohjaimen , suorittamalla ohjelmistolla erikoislaitteiston sijaan. Neuronaaliset PLL:t (NPLL) Vaiheilmaisin, suodatin ja generaattori sijaitsevat hermosoluissa tai pienissä hermosolupoolissa. Käyttää nopeusohjattua generaattoria. Käytetään matalataajuisen modulaation (< 1 kHz) jäljittämiseen ja dekoodaamiseen, kuten nisäkkäiden aktiivisen havaitsemisen aikana.Digitaalinen vaihelukittu silmukka (DPLL) toimii samalla tavalla kuin analoginen, mutta se on toteutettu kokonaan digitaalisella piirillä. VCO:n sijasta käytetään järjestelmäkelloa ja digitaalisesti ohjattua jakolaskuria. PLL on helpompi suunnitella ja toteuttaa, vähemmän herkkä jännitekohinalle (verrattuna analogiseen), mutta yleensä se sietää vaihekohinaa , joka johtuu kvantisointikohinasta digitaalista oskillaattoria käytettäessä. Tämän seurauksena DPLL:t eivät sovellu suurtaajuiseen toimintaan tai suurtaajuisten referenssisignaalien ohjaamiseen. DPLL-tiedostoja käytetään joskus tietojen palauttamiseen.
Analogiset PLL:t koostuvat vaiheilmaisimesta , alipäästösuodattimesta ja jänniteohjatusta oskillaattorista, jotka on koottu negatiiviseen takaisinkytkentäpiiriin . Myös taajuudenjakaja voi olla piirissä - takaisinkytkennässä ja/tai referenssisignaalin tiellä, jotta saadaan lähtösignaalin taajuus kerrottuna kokonaisluvulla. Referenssitaajuuden ei-kokonaislukukertominen voidaan suorittaa siirtämällä perustaajuuskerroin ohjelmoitavalla pulssilaskimella takaisinkytkemään.
Generaattori tuottaa jaksollisen lähtösignaalin. Oletetaan, että generaattorin alkutaajuus on suunnilleen sama kuin referenssi. Jos oskillaattorin vaihe on jäljessä vertailusignaalin vaiheeseen nähden, vaiheilmaisin muuttaa oskillaattorin ohjausjännitettä, mikä saa sen kiihtymään. Samoin, jos vaihe siirtyy ennen vertailuvaihetta, vaiheilmaisin muuttaa jännitettä hidastaakseen oskillaattoria. Alipäästösuodatin tasoittaa äkilliset ohjausjännitteen muutokset. Voidaan osoittaa, että tällaista suodatusta tarvitaan stabiileissa järjestelmissä.
PLL:n hyödyllinen lähtö on joko ohjattu oskillaattorilähtö tai oskillaattorin ohjaussignaali (riippuen siitä, mitä tietyssä järjestelmässä vaaditaan).
Kaksivaiheisen ilmaisimen (PD) sisääntulot ovat referenssisignaali ja takaisinkytkentä, jotka toteutetaan jänniteohjatulla oskillaattorilla (VCO). PD-lähtö ohjaa VCO:ta siten, että kahden tulon välinen vaihe-ero pysyy vakiona, jolloin muodostuu negatiivinen takaisinkytkentäjärjestelmä.
On olemassa useita PD-tyyppejä kahdessa pääluokassa: digitaalinen ja analoginen.
Analoginen piiriAnaloginen FD on eräänlainen ihanteellinen mikseri . Tämä laite tuottaa kahden hetkellisen tulojännitteen kertoimen. Kertolaskuprosessin tuloksena saadaan sekoittimen summa- ja erosignaali, mutta PD:nä käytettäessä tarvitaan alipäästösuodatin vaimentamaan summataajuutta. Kun jäljellä oleva erotaajuus on tarpeeksi pieni kulkeakseen suodattimen läpi riittävällä amplitudilla, se siirtää VCO-taajuuden lähemmäksi referenssiä, jolloin piiri lukittuu lyhyen ajan kuluttua. Tätä prosessia kutsutaan sieppaukseksi , ja suurin taajuusero (viitesignaali ja VCO), jolla kiinnitys on mahdollista, on sieppauskaista . Piiri on kiinteä, jos VCO toimii taajuudella, joka on yhtä suuri kuin referenssi ja mahdollisesti hieman epävaiheessa ohjeen kanssa.
PLL:n yksinkertaisimpien matemaattisten mallien tehokkaan epälineaarisen analyysin mahdollisuus esitettiin ensimmäisen kerran F. Tricomin teoksessa 1933, jossa tutkittiin kaksiulotteisten heilurityyppisten järjestelmien kvalitatiivista käyttäytymistä vaihetasomenetelmällä. Nämä ideat kehitettiin sitten A. A. Andronovin ja hänen seuraajiensa teoksissa. 1950-luvulla ilmestyivät Yu. N. Bakaevin ensimmäiset teokset ajatuksilla suoran Ljapunov-menetelmän käyttämisestä yksinkertaisimpien PLL-mallien analysointiin ja V. I. Tikhonovin tutkimukseen melun vaikutuksen arvioinnista PLL:n toimintaan. Vuonna 1966 Yhdysvalloissa ja Neuvostoliitossa julkaistiin ensimmäiset perustavanlaatuiset monografiat, jotka sisälsivät amerikkalaisten ja neuvostoliittolaisten insinöörien keräämän kokemuksen matalaluokkaisilla suodattimilla varustettujen PLL-järjestelmien analysoinnista (F. Gardner [5] , A. Viterbi [6]) . , V. V. Shakhgildyan ja A. A. Lyakhovkin [7] ). Samaan aikaan amerikkalaisten kirjailijoiden tärkeimmät monografiat käännettiin venäjäksi, ja Yhdysvalloissa vuoteen 1973 asti valvottiin National Aeronautics and Space Administrationin (NASA) määräyksestä neuvostokoulun töitä [8] .
1970-luvun puolivälissä G. A. Leonov ehdotti yleisiä lähestymistapoja vaihesynkronoinnin matemaattisten mallien vakauden epälineaariseen analyysiin perustuen stabiilisuusteorian klassisten tulosten yleistämiseen järjestelmiin, joissa on sylinterimäinen vaiheavaruus ja epäjatkuvat epälineaarisuudet [9] . Vuonna 2015 N.V. Kuznetsov täytti aukot stabiliteettianalyysin insinöörikäytännön ja vaihesynkronoinnin matemaattisen teorian menetelmien välillä, jotka liittyvät tiukkojen matemaattisten määritelmien pitoalueelle , nopean sieppauskaistan sieppauskaistalle sekä ratkaisu W. Eganin ongelmaan sieppauskaistalla [10] ja F. Gardnerin ongelmiin nopealla sieppauskaistalla [11] [12] [13] [14] .
| Radio | |
|---|---|
| Pääosat | |
| Lajikkeet | |