Компоненты:
новые флеш игры.

Петля фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL)

Родительская категория: Центр знаний Категория: Обработка сигналов

Шаблоны Joomla здесь.

PLLПетля фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ — это необычайно универсальная схема, широко используемая в современных системах электросвязи для реализации разнообразных функций, включая модуляцию, демодуляцию, обработку сигнала, восстановление несущей и тактовой частоты, генерацию частоты, синтез частот и множество других приложений в области электросвязи. Схемы ФАПЧ используется в передатчиках и приемниках, при аналоговой и цифровой модуляции, а также при передаче цифровых сигналов.

 

Системы ФАПЧ начали использоваться в 1932 г. для синхронного детектирования и демодуляции радиосигналов в составе контрольно-измерительных схем и систем дистанционной телеметрии. Однако много лет разработчики избегали использовать устройства на основе ФАПЧ из-за их большого размера, сложности и высокой стоимости. Теперь, с появлением интегральных микросхем, системы ФАПЧ могут обеспечить надежную высококачественную работу и в то же время быть исключительно малогабаритными, удобными и потреблять небольшую мощность. В результате произошел переход от специализированного проектирования систем ФАПЧ к простому использованию универсальных, функционально законченных микросхем с широчайшей областью применения. Сегодня доступен широкий ассортимент таких интегральных схем ФАПЧ различных производителей. Некоторые из этих изделий представляют собой универсальные схемы, которые подходят для самых разных применений, другие оптимизированы и предназначены для использования в специализированных приложениях детектирования ЧМ-сигналов, демодуляции стереофонических сигналов или синтеза частот. Схема ФАПЧ позволяет обеспечить точную настройку, частотную селекцию и фильтрацию без использования громоздких катушек индуктивности и дросселей.

В сущности, ФАПЧ — это система управления с петлей обратной связи, в которой параметрами регулирования являются частота или фаза сигнала, а не величина его напряжения или тока. Структурная схема петли ФАПЧ показана на рис. 1. Как видно из рисунка, система ФАПЧ содержит четыре основных блока:
1) фазовый компаратор или фазовый детектор,
2) фильтр низких частот ФНЧ,
3) усилитель,
4) ГУН.

Эти четыре блока скомпонованы в интегральную схему, где для каждого из них предусмотрены внешние вход и выход, позволяющие связать блоки, так как это необходимо пользователю, установить частоту фильтра низких частот, коэффициент усиления усилителя и частоту ГУН

 

image002

Рис 1. Структурная схема петли ФАПЧ



1. Работа схемы ФАПЧ


В основе работы системы ФАПЧ лежит фазовая синхронизация сигналов под¬страиваемого и опорного генераторов. Однако, прежде чем возникнет фазовая синхронизация, цепь ФАПЧ должна быть синхронизирована по частоте. После того как произойдет захват частоты, на выходе фазового компаратора появится напряжение, пропорциональное разности фаз между сигналом на выходе ГУН и внешним эталонным сигналом.
Чтобы система ФАПЧ работала должным образом, необходимо обеспечить полный замкнутый тракт петли обратной связи, как показано на рис. 1. При отсутствии внешнего опорного сигнала или когда петля обратной связи разо¬мкнута, ГУН работает на частоте предварительной настройки fп, которую на¬зывают собственной частотой или частотой собственных колебаний. Собствен¬ная частота — это выходная частота ГУН в системе ФАПЧ с разомкнутой петлей обратной связи. Собственная частота ГУН определяется внешними ком¬понентами. Как уже говорилось, прежде чем система ФАПЧ войдет в режим слежения, должен произойти захват частоты. Когда на вход системы ФАПЧ поступает внешний входной сигнал с частотой fi, компаратор сравнивает частоту внешнего сигнала с частотой выходного сигнала ГУН f0. На выходе фазового компаратора формируется напряжение ошибки, рассогласования Δf , пропорци¬ональное разности фаз двух сигналов на входе. Напряжение сигнала ошибки через фильтр нижних частот и усилитель воздействует на управляющий элемент ГУН. Еcли собственная частота ГУН fn достаточно близка к частоте внешнего опорного сигнала fi, то под действием обратной связи в схеме ФАПЧ ГУН синхронизируется, то есть захватывает внешний входной сигнал. Поэтому выходная  частота ГУН - это сумма или разность его собственной частоты и разницы между внешней опорной частотой и собственной частотой ГУН. Выходная ча¬стота ГУН f0 определяется выражением:


image006
где f0 - выходная частота ГУН, Гц; fn — собственная частота ГУН, Гц; image008 ,   Гц; fi — внешняя опорная частота, Гц.
В сущности, система ФАПЧ имеет три рабочих состояния:
•    автономное со¬стояние собственных, свободных колебаний;
•    режим захвата;
•    режим слежения.

В автономном состоянии внешний сигнал опорной частоты отсутствует или петля обратной связи разомкнута. При этом ГУН генерирует сигнал на своей соб¬ственной частоте, определяемой внешними компонентами. В состоянии захвата, система ФАПЧ должна иметь внешний опорный сигнал и замкнутую петлю обратной связи. Из состояния захвата система ФАПЧ со временем переходит в режим слежения частоты. В режиме слежения частота ГУН отслеживает частоту внешнего входного сигнала (т. е. равняется ей). Когда система ФАПЧ находится в состоянии удержания, частота ГУН следует за изменениями частоты внешнего опорного сигнала.

 

2. Процесс захвата частоты


Когда внешний опорный сигнал image010 поступает на фазовый компаратор (см. рис. 3.22, а), он объединяется с выходным сигналом ГУН  image012. Сначала частоты этих двух сигналов не равны (image014 ). Поскольку фазовый компаратор — устройство нелинейное, то внешний сигнал и сигнал с выхода ГУН при сравнении создают комбинационные частоты (т.е. суммарные и раз¬ностные частоты). Поэтому на выходе фазового компаратора присутствуют в первую очередь: внешняя опорная частота fi, частота с выхода ГУН f0, их сумма (f0+fi,) и разность (f0-fi).
Фильтр нижних частот подавляет входные частоты fi и f0, а также их суммарную частоту f0+fi . Таким образом, на выходе ФНЧ присутствует един¬ственный сигнал — относительно низкая разностная частота fd =fo- fu, кото¬рую называют частотой биений. Сигнал биений усиливается, а затем поступает на вход ГУН, изменяя выходную частоту ГУН пропорционально величине и полярности своего напряжения. Поскольку выходная частота ГУН изменяет¬ся, амплитуда и частота сигнала биений также пропорционально изменяется. На рис. 2б, показан сигнал биений fd, полученный в результате его же воздей¬ствия на ГУН. После определенного числа циклов подстройки выходная частота ГУН становится равной внешней опорной частоте и, как говорят, происходит захват частоты системой ФАПЧ. Как только захват частоты произошел, ча¬стота биений на выходе ФНЧ становится равной 0 Гц (напряжение постоянного тока), а его величина и полярность будут пропорциональны разности фаз между внешним опорным сигналом и выходным сигналом ГУН. Напряжение постоянно¬го тока обеспечивает входное смещение для ГУН, поддерживая режим слежения частоты внешнего сигнала.
В сущности, пока захват частоты не произошел, фазовый компаратор ра¬ботает как частотный компаратор, и только после захвата (нулевые биения) он становится фазовым компаратором. После захвата частоты величина сдвига фаз между внешним опорным сигналом и выходной частотой ГУН конвертируется в фазовом компараторе в постоянное напряжение смещения ud, фильтруется усиливается, а затем поступает обратно в ГУН, где поддерживает процесс слежения частоты (режим синхронизма). Следовательно, для поддержания режима синхронизма необходимо поддерживать сдвиг фаз между внешним опорным сигналом и выходным сигналом ГУН. Время, требуемое для достижения режима удержания, называют временем захвата или временем вхождения в синхронизм.

 

image016image018

Рис. 2. Работа системы ФАПЧ: а) - структурная схема. б) – сигнал частоты биений.

 

3. Полоса захвата и удержания петли ФАПЧ

Полоса захвата и полоса удержания, отслеживания — это два ключевых параметра системы ФАПЧ, которые характеризуют её рабочий диапазон частот.

3.1. Область захвата

Область захвата определяется как диапазон частот, сосредоточенный вокруг собственной частоты ГУН fn, в котором система ФАПЧ в состоянии произвести захват частоты и войти в синхронизм с внешним входным сигналом. В зависимости от конструкции системы ФАПЧ, ширины полосы пропускания фильтра нижних частот и усиления петли обратной связи, область захвата находится как правило, в диапазоне между 0.5fn и 1.7fn. Иногда область захвата называют областью вхождения в синхронизм.
Полоса захвата частоты — полосы частот захвата слева или справа от опорной частоты, ко¬торые, как правило, симметричны (т. е. область захвата в 2 раза шире полосы захвата частоты). Область захвата и полосы захвата показаны в форме частот¬ной диаграммы на рис. 3. Самая низкая частота, на которой система ФАПЧ может произвести захват, называется нижним пределом захвата fcl, а самая вы¬сокая частота — верхним пределом захвата fcu.

 

image020

Рис. 3. Область захвата частоты системы ФАПЧ


3.2. Полоса удержания

Область удержания определяется как диапазон частот, сосредоточенный во¬круг собственной частоты ГУН, в котором система ФАПЧ может поддерживать режим синхронизма с внешним опорным сигналом. При этом предполагается, что система ФАПЧ первоначально захватила и удерживает частоту входного сигнала. Область удержания также известна как область слежения. Область удержания — это диапазон частот, в котором после того, как произошел захват частоты, система ФАПЧ будет точно отслеживать частоту внешнего опорного сигнала. Полоса удержания (синхронизации) — диапазон частот в области удер-жания слева или справа от опорной частоты (т. е. область удержания в 2 раза шире полосы удержания). Связь между областью удержания и полосой удержа¬ния показана в виде частотной диаграммы на рис. 4.

image022

Рис. 4. Область отслеживания частоты системы ФАПЧ



Области захвата и удержания прямо пропорциональны коэффициенту усиле¬ния по постоянному току петли обратной связи системы ФАПЧ. Область захва¬та никогда не бывает больше и почти всегда меньше, чем область удержания.
Взаимосвязь между областями захвата и удержания и полосами захвата и удержания частоты показана в форме частотной диаграммы на рис. 5. Обратите внимание, что области удержания больше или равна области захвата, а полоса удержания больше или равна полосе захвата частоты.

 

 

image024

Рис. 5. Области захвата и удержания частоты системы ФАПЧ

 

3.3. Генераторы, управляемые напряжением

Генератор, управляемый напряжением ГУН, — это генератор с устойчивой частотой колебаний, определяемой внешним напряжением смещения. На выходе ГУН получают частоту, а на его вход поступает напряжение смеще¬ния или управляющий сигнал, кото¬рый может быть постоянным или переменным напряжением. Когда к входу ГУН приложено постоянное или медленно меняющееся напряже¬ние, его выходная частота пропор¬ционально изменяется.

 

image026

Рис. 6. Зависимость частоты ГУН от управляющего напряжения смещения



На рис. 6 показана передаточная характеристика (зависимость выходной частоты от входного напряжения смещения) для типичного ГУН. Выходная частота f0 при нулевом смещении – это собственная частота ГУН fn, определяемая внешней RC-цепью, а изменения выходной частоты, вызванные изменениями входного напряжения, называются девиацией частоты  . Следовательно:

image029,
где f0 – выходная частоты ГУН.


Для симметричной девиации   собственная частота ГУН должна быть расположена в центре линейной части передаточной характеристики. Передаточная функция ГУН определяется выражением:  
image032
где К0 - передаточная функция, Гц/В;   ΔV— изменение входного управляющего напряжения, В;   Δf— изменение выходной частоты, Гц.

 

3.4. Фазовые компараторы

Фазовый компаратор, иногда называемый фазовым детектором, представляет собой нелинейное устройство с двумя входными сигналами: внешней опорной частотой fi и выходным сигналом ГУН f0- Выходной сигнал фазового компа¬ратора представляет собой произведение двух сигналов с частотами fi и f0, и поэтому содержит частоты их сумм и разностей (fi±f0).


На рис. 7 представлена зависимость выходного напряжения от разности фаз сигналов при одинаковой их частоте.

 

image037

Рис. 7. График зависимости выходного напряжения фазового компаратора от сдвига фаз

 

3.5. Цифровая ФАПЧ

Цифровые системы ФАПЧ используются для синхронизации цифровых импуль¬сов, например, в схемах восстановления тактовой частоты. Задача цифровых систем ФАПЧ, в отличие от аналоговых, состоит в восстановлении только вре¬менных соотношении сигналов, без учета информации об их величине. Для циф¬ровых систем ФАПЧ представляют интерес только временные параметры внеш¬него сигнала.
Цифровые системы ФАПЧ очень похожи на аналоговые системы ФАПЧ, но в них ГУН заменен цифровым источником импульсов, частотой которых мож¬но управлять, а фазовый компаратор заменен двоичным счетчиком импульсов. Функция этого счетчика — управление тактовой частотой.
В цифровой системе ФАПЧ счетчик может запускаться как внешним вход¬ным сигналом, так и внутренним синхроимпульсом. Счетчик прибавляет одну единицу с каждым тактовым импульсом и отнимает одну единицу с каждым внешним входным импульсом. Когда скорость поступления (т. е. частота) внешних и внутренних импульсов одинакова, выход счетчика остается неизменным, и частота следования импульсов стабилизируется по входной частоте. Если вну¬тренние импульсы генерируются с более высокой скоростью, чем внешний опорный сигнал, то содержимое счетчика увеличивается, уменьшая их частоту аналогично, когда внутренние импульсы генерируются с более низкой скорость . чем внешний входной сигнал, счетчик уменьшает свое значение, заставляя увеличить частоту внутренних синхроимпульсов.
В цифровых системах ФАПЧ диапазон, в котором система может отслеживать внешний входной сигнал, определяется разрядностью счетчика. Типичные счетчики содержат 16 бит, которые обеспечивают 65536 уникальных комбинаций (от 0 до 65535). Счетчик в системе ФАПЧ изначально устанавливливается на половину заполненным», то есть равным 32768. Это позволяет счетчику увеличивать иди уменьшать его содержимое в одинаковой степени, обеспечивая равные диапазоны отслеживания в обоих направлениях.

лимузин на свадьбу.
Компания Сансити

Календарь событий электроники

Новости гаджетов