Faslåst slinga

En faslåst slinga (PLL, enligt engelska faslåst slinga ) är en slinga som har en kontrollerad oscillator , fasen för en extern signal spåras. I faslåsta slingor är beroendet av den manipulerade variabeln på kontrollavvikelsen - fasförskjutningen - periodiskt. Reguleringen kan därför "låsa" sig i olika relativa faspositioner som skiljer sig med hela multiplar av 2π (360 °). När den är låst är frekvensen för oscillatorn frekvensen för referenssignalen.

PLL används i kommunikations- , styr- och mätteknik, såsom för implementering av filter , för modulering och demodulering, i digitala kommunikationssystem för klockåterställning och synkronisering.

historia

Första omnämnanden av analoga faslåsta slingor finns i brittiskt arbete från början av 1920-talet. Kretsarna realiserades med elektronrör och tjänade under de följande åren som en kretsdel i radiotekniken som växte fram vid den tiden och användes bland annat i heterodynmottagare . Syftet var att minimera nödvändiga koordinationscirklar och att stabilisera dem under drift.

Viktigt arbete med de grundläggande, baserade på teorin om återkopplingsförstärkare , tillhandahölls på 1930-talet av arbetet av Hendrik Wade Bode med Bode-diagrammet och Harry Nyquist med Nyquists stabilitetskriterium . Baserat på detta användes också faslåsta slingor alltmer i styrteknik för att styra ställdon såsom servomotorer . Redan tidigt på 1950-talet användes faslåsta slingor för horisontell synkronisering av TV-apparater och de första faslåsta slingorna användes för att ta emot de nya VHF-radioprogrammen som en del av frekvensdemodulering . Applikationer inom TV-teknik följde , särskilt inom färg-TV baserat på NTSC- tv-standarden .

ON Semiconductor HC4046A

I mitten av 1960-talet blev PLL utbredd inom konsumentelektronik som radio- och TV-apparater. De analoga styrslingorna, som implementerades diskret i början, kombinerades alltmer i integrerade kretsar (IC) och erbjuds som färdiga komponenter av företag som Signetics . Från detta utvecklades populära faslåsta slingor inom elektroniksektorn, såsom 74 4046 PLL-kretsen utvecklad av RCA . Denna TTL-krets implementeras nu med CMOS- teknik (den snabba, TTL-kompatibla versionen är 74HCT4046 och den långsammare, mer energibesparande version är CD4046). IC fann utbredd användning och kommer också att erbjudas av olika tillverkare 2020.

I början av 1980-talet utvecklades de första digitala faslåsta slingorna, som är väsentliga för digital signalbehandling och tillhörande synkronisering av sändar- och mottagaranordningar. Faslåsta slingor har också modifierats på olika sätt, till exempel Costas Loop för demodulering av digitala överföringar.

konstruktion

Struktur för en faslåst slinga

Den enklaste formen av en PLL består av fyra komponenter i en kontrollslinga :

  1. En faskomparator, som också kallas en faskomparator eller fasdetektor . Detta jämförs med dess två ingångar fasen för insignalen Y (s) (valfritt dividerad med n) med fasläget för den styrda oscillatorn och levererar en utsignal e (s) inom styrområdet som felsignalen ( Fel signal härefter). Efter filtrering blir E (s) en analog signal som ska motsvara fasfelet.
  2. Ett slingfilter med överföringsfunktionen F (s), till vilken felsignalen E (s) matas och som matar styrsignalen eller styrsignalen C (s) vid dess utgång . Slingfiltret, tillsammans med en faktor k, är styrenheten.
  3. En kontrollerbar oscillator. I analoga kretsar, vanligtvis i form av en spänningsstyrd oscillator (Engl. Spänningsstyrd oscillator implementerad, VCO), till exempel, genom en kapacitansdiod kan ändras i dess frekvens. När det gäller den fas som ska regleras är en VCO en integrerad term Ko / s, eftersom en fas är integralen av en frekvens. Faktorn Ko = 2π * Δf o / ΔU C kallas VCO-lutningen. För fullständig modellering föregås denna integrerade term av en adderare från vilken den förväntade styrspänningen för VCO ska subtraheras. Slingfiltret levererar sedan VCO-styrspänningen medan spänningen noll är inställd på det integrerade elementet för det stabila statiska fallet. Så måste det vara, för en integrerad term kommer bara att vila när dess inmatningsvariabel är noll. - För digitala PLL är numeriskt styrda oscillatorer (Engl. Numerically controlled oscillator NCO) vanliga. Frekvensen för denna oscillator kan påverkas inom vissa gränser via styrsignalen C (s), som matas till fasdetektorn antingen direkt eller via en ytterligare frekvensdelare.
  4. En frekvensdelare med delningsfaktorn n, som delar oscillatorns utgångsfas O (s) med n och matar därmed återkopplingsfasen Z (er) till faskomparatorn. Överföringsfunktionen för frekvensdelaren kallas Z (s) / O (s) = 1 / n. Av matematiska skäl anges alla faser i radianer.

I konstant tillstånd resulterar detta arrangemang i spårning av oscillatorfrekvensen, så att fasen Z (s) följer referensfasen Y (s). Beroende på applikationen betraktas antingen felsignalen E (s), styrsignalen C (s) eller direkt svängningen som alstras av den styrda oscillatorn med dess fas O (er) som utgången från PLL . De tre grundläggande komponenterna väljs olika beroende på applikation och bestämmer styrslingans dynamiska beteende. Analoga multiplikatorer används som fasdetektorer i analoga PLL: er, till exempel en Gilbert-cell , som har ett ungefärligt linjärt överföringsbeteende i området för små felvärden, vid E (s) nära värdet 0. Gilbert-cellen är också funktionell vid digital åsidosättning, även om detta gör det till ett XOR-element. Exklusiva-ELLER-grindar eller sekventiella logiska kretsar i form av flip-flops används i digitala PLL . Mycket vanligt, särskilt i analoga PLL: er, är upp / ner-räknare med 1-bitars minnesdjup , som inte bara jämför fasen på ett mycket linjärt sätt utan också indikerar glidriktningen om PLL ännu inte är låst. Med informationen om glidriktningen drar styrenheten VCO-frekvensen så långt att den faslåsta slingan kan låsa på plats. Utan en sådan fasfrekvensdetektor (PFD) kan fångst uppnås genom att långsamt svepa VCO. Typen av fasdetektor bestämmer således den så kallade låsnings beteende PLL. Om ingångsfrekvensen i ett oönskat fall förblir bredvid oscillatorns frekvens dividerat med n, finns det permanent fasglidning med ostadigt beteende. PLL-systemet är då inte inkopplat.

Beställning av en PLL

Vissa traditionella PLL-böcker behandlar frågan om lämplig kontrollant under termen "organisation av en PLL". Ett ordningstal definieras annorlunda här än med filtret . Det linjära slingfiltret , inklusive krusningsfiltret, har också ett lågpassbeteende, men hörnfrekvensen är relativt hög. För bättre överblick saknas därför krusningsfilterets kondensator i förenklade kretsar, och tillhörande pol är initialt irrelevant. Ett dödtidselement , som förekommer i PFD, tas inte heller med i beräkningen för tillfället.

Överföringsfunktionen för den öppna slingan G (s) ( överföringsfunktionen för öppen slinga ) består av produkten av överföringsfunktionerna som ligger i slingan:

Specifikt för F (s) = 1 följer att G (s) = ω As / s, där räknaren ω As = k · K o / n nu motsvarar ett primärt mål för 0 dB bandbredd, enligt vilken k måste döma. k definieras här i volt / rad. ω Som / s bestämmer nu huvudasymptoten i Bode- diagrammet , som faller till -20 dB / decennium.

För en av de möjliga överföringsfunktionerna för den slutna styrslingan H (s) = O (s) / Y (s) ( överföringsfunktion med sluten slinga ) följer:

Lite över ω Som , behåller H (s) alltid amplitudresponsen -20 dB / decennium, oavsett valet av följande kontroller.

Första beställning

En speciell egenskap hos en första ordningens PLL är att felsignalen E (s) matas direkt till den styrda oscillatorn, så E (s) · k · F (s) = C (s) med F (s) = 1 och med en konstant faktor k , som endast uttrycker en förstärkning eller dämpning. En sådan proportionell styrenhet med faktorn k , som endast kan väljas fritt inom smala gränser, måste kunna generera VCO-styrspänningen. Det kan bara göra det för det önskade steady-state-fallet om faskomparatorn levererar ett värde som fortfarande passar dess begränsade egenskaper. I annat fall kan PLL aldrig låsa på plats. En första ordens PLL är därför endast av praktisk betydelse i händelse av att en adderare tillhandahållen i hårdvara adderar ett lämpligt, tidigare känt värde till E (s) · k .

Andra beställning

Om sådana värden inte är tillgängliga krävs en integrerad styrenhet, närmare bestämt en proportionell integrerad styrenhet, vilket säkerställer att felet E (s) vid faskomparatorn kan bli noll. Denna fördel uppvägs av nackdelen att den första sedimenteringen är långsammare och att mer chipområde krävs för integration på grund av en kondensator. För att stabilisera styrslingan ändras den proportionella integrerade styrenheten till beteendet hos en proportionell styrenhet från en viss frekvens. Detta är PI-regulatorn F (s) = 1 + ω PI / s, eftersom den används i en så kallad andra ordning PLL. ω PI måste vara mindre än ω As . Eftersom F (s) nu antar förstärkningen en gång för frekvenser som är större än ω PI , G (s) bibehåller sin 0 dB passage nära den önskade bandbredden ω Som , med 0 dB skärningen av huvud asymptot i Bode-diagrammet är den skala igen. PI-elementet lägger till en asymptot som nu är dubbelt så brant, som skär huvudasymptoten vid ω PI och 0 dB-axeln vid ω n = ω As / (2 * ζ). Här är dämpningsfaktorn ζ och den naturliga frekvensen elements n element i en andra ordningens polynom, vilket resulterar i nämnaren för H (s).

För att behålla den primära designparametern ω Som i alla andra överväganden och inte förlora ett mål, är det fördelaktigt att eliminera ω n i ytterligare ekvationer med ω n = ω As / (2 * ζ).

Tredje ordningen

Om du vill hålla definitionen av ordningsnumret enkelt kan du begränsa dig till antalet integrala termer som finns i slingan. Till exempel, om det finns en PI-styrenhet framför PI-styrenheten, blir resultatet en tredje ordningens PLL med följande överföringsfunktion med öppen slinga:

Enligt det allmänna Nyquist-kriteriet är systemet stabilt. I det stabila, statiska fallet antar den första PI-styrenheten värdet noll vid ingång och utgång. Tredje ordningens PLL: er gör det möjligt att minska fasfel samtidigt som en konstant kvittrande bibehålls .

I de litteraturkällor som anges nedan klassificeras och sorteras de olika typerna av PLL i olika typer beroende på ordning och inom en order.

Driftsområden

Driftområden för en PLL

Avvikelsen hos ingångsfrekvensen från frekvens f c som genereras av den styrbara oscillatorn beskriver olika driftsområdena för en PLL som är väsentliga för beteendet hos styrslingan. En skillnad görs mellan PLL: s låsta driftsområde ( lås ), där det finns stabilt kontrollbeteende, låsningsbeteendet, där styrslingan kan övergå till det låsta stabila drifttillståndet och det olåsta, frikörande driftstillståndet .

Den grafiska visas till höger de fyra huvuddriftsområden, varvid avvikelsen hos ingångsfrekvensen symboliseras av en horisontell, symmetrisk avvikelse från centrallokalfrekvensen f c . De exakta gränsvärdena beror på typen av fasdetektor och slingfiltret. Områdena betyder:

  1. Hållningsområde (. Engelskt inrymningsområde ): Är det högsta området, kan den faslåsta slingan följas i detta område med en långsam och inte plötslig ändring av ingångsfrekvensen. I det här fallet finns det kontrollbeteende.
  2. Pull-in- intervall : I detta område kan PLL bara växla från upplåst tillstånd till låst tillstånd genom att hoppa över en eller flera perioder.
  3. Dra utcheckning range : När ett frekvenshopp appliceras på ingången till låst PLL, kan det följa en period på detta område utan att hoppa över. I det här fallet finns också kontrollbeteende.
  4. Lock-in range : I detta område kan PLL växla från olåst tillstånd direkt till låst tillstånd utan att hoppa över en period. Detta intervall är det smalaste intervallet runt oscillatorfrekvensen.

Utanför hållområdet finns den instabila frikörningsoperationen, där det varken är möjligt att låsa på plats eller att hålla en tidigare engagerad operation.

Digital PLL

Faslåsta slingor kan också implementeras som så kallad digital PLL , eller kort sagt DPLL , i samband med digital signalbehandling . Övergången från ett tidskontinuerligt system till ett tidsdiskret system är väsentlig och den diskreta Z-transformationen tar platsen för den kontinuerliga Laplace-transformation för analys . En fördel med DPLL är att de är lättare att reproducera.

Klassificeringen av i vilken utsträckning en PLL ska klassificeras som en DPLL är inte enhetlig i litteraturen. Så endast en del av PLL, till exempel endast loopfiltret , kan implementeras som ett digitalt filter . Typiskt används designmetoderna för en analog PLL som grund för DPLL. Med All-DPLL är den kompletta kontrollslingan inklusive NCO uppbyggd i digitala kretsar.

Så kallad PLL - programvara , som implementerar styrslingan som ett sekventiellt program i en digital signalprocessor och oftast används vid låga frekvenser, tillhör också DPLL-området . I PLL-programvara används också komplexa fasdetektorer baserade på Hilbert-transformationen .

Skillnader med andra oscillatordesigner

fördelar

  • Även om den genererade frekvensen kan varieras (i steg) har den samma relativa (långvariga) stabilitet som referensoscillatorn, som fungerar med en fast frekvens och därför kan vara mycket frekvensstabil.

nackdel

Applikationer

PLL: er täcker ett brett spektrum av applikationer och vissa applikationsområden beskrivs som exempel i följande avsnitt.

PLL som ett uppföljningsfilter

Om frekvensen och fasen hos referenssignalen betraktas som ingångsvariabeln och oscillatorsignalen som utgångsvariabeln, beter sig det beskrivna arrangemanget på liknande sätt som ett elektriskt bandpassfilter , varvid överföringsegenskaperna i huvudsak bestäms av dimensioneringen av slingfiltret. Av särskild vikt vid användning av PLL som bandpassfilter är det faktum att den automatiskt justeras till insignalens frekvens. Samtidigt finns det med detta arrangemang möjligheten att förverkliga mycket små spårningsbandbredder. Det är därför särskilt lämpligt för regenerering av bullriga signaler med variabel frekvens.

PLL som en demodulator och modulator

Med referenssignalen som ingångsvariabel och oscillatorstyrspänningen som utgångsvariabel är PLL lämplig för användning som en FM-demodulator så länge som moduleringsfrekvensen förblir mindre än spårningsbandbredden. Den ovan beskrivna filtereffekten av PLL bibehålls så att extremt störda signaler också kan demoduleras.

Om fasdetektorns utspänning används som utsignal kan PLL användas som en demodulator för fasmodulerade signaler. I detta fall måste spårningsbandbredden väljas för att vara mindre än den lägsta moduleringsfrekvensen. PLL-baserade fasdemodulatorer hade tillfälligt fått betydelse i satellitkommunikation under en tid med analog signalbehandling.

Analogt med funktionerna som en demodulator kan PLL användas som en PM- och FM-modulator. Ett PLL-system kan styras frekvensmodulerat med ett valbart slag . Men utan kompensationsåtgärder filtreras moduleringen av systemet.

Frekvenssyntes

Grundkrets för en PLL-styrslinga
Fasbuller från en PLL-oscillator i SW-området. När det gäller en kvartsoscillator skulle motsvarande karakteristik vara en nästan vertikal linje på bildens vänstra kant.

Ett tillämpningsområde för PLL är frekvenssyntes. Bilden motsatt visar ett blockschema över en PLL-baserad frekvenssyntetiserare. En VCO (spänningsstyrd oscillator) genererar utsignalen. En frekvensdelare tillhandahålls i återkopplingsgrenen hos PLL , som delar VCO-frekvensen ned med en justerbar faktor före fasdetektorn . PLL: s referenssignal tillhandahålls typiskt av en exakt och stabil kristalloscillator .

I låst tillstånd regleras VCO till en frekvens som är större än frekvensen för referenssignalen med delningsfaktorn. Genom att ändra delningsfaktorn kan VCO: s frekvens således ställas in på exakt heltalmultiplar av referensfrekvensen. En väsentlig aspekt är att noggrannheten och stabiliteten för den fasta referensfrekvensen också gäller för den justerbara utgångsfrekvensen.

Det beskrivna arrangemanget kan byggas med de komponenter som finns idag till låg kostnad i ett mycket litet utrymme och används i stor skala, till exempel i mobiltelefoner, radioapparater, TV-mottagare och radioapparater. Typiska utgångsfrekvenser är några hundra MHz, typiska referensfrekvenser är några 100 kHz. Frekvensdelaren och fasdetektorn implementeras vanligtvis i en integrerad krets, medan VCO och slingfiltret ofta är byggda diskret.

Viktiga överväganden vid utformningen av en PLL-frekvenssyntes är utsignalens spektrala renhet, frekvensupplösningen och den inlåsningstid som krävs för en frekvensändring. Den spektrala renheten bestäms i huvudsak av egenskaperna för VCO, men också av de andra komponenternas brusegenskaper och av en lämplig struktur (skärmning, filtrering).

I det ovan beskrivna systemet är frekvensupplösningen densamma som referensfrekvensen. Låsetiden beror väsentligen på kontrollbandbredden, som inte kan väljas fritt, men måste optimeras med hänsyn till referensfrekvensen som används och utsignalens spektrala renhet. Dimensioneringen av praktiska system visar att en högfrekvent upplösning strider mot kraven på spektral renhet och korta låsningstider.

Denna motsägelse kan lösas med hjälp av en frekvensdelare som delar VCO-frekvensen med bråkfaktorer. För att göra detta måste delfaktorn varieras över tiden så att det önskade bråkinställningsvärdet i genomsnitt blir resultat. Vid fasdetektorns utgång uppstår emellertid en störningsvariabel som måste kompenseras eller filtreras med lämpliga motåtgärder (t.ex. delta-sigma-metod). Med PLL-synthesizers konstruerade på detta sätt kan godtyckligt fina frekvensupplösningar uppnås med de kortaste låsningstiderna och mycket hög spektral renhet.

Kommunikationsteknik, mätteknik

PLL är lämpliga för att generera stabila frekvenser upp till GHz-intervallet (radioteknik), generera programmerbara frekvenser, generera högfrekventa klockor för datorer och synthesizer-tuners, eftersom denna kretsteknik möjliggör mycket exakt val och styrning av frekvenser. Å ena sidan är det möjligt att generera en exakt utgångsfrekvens med en fast referensfrekvens (kvartsoscillator) och en variabel återkopplingsfrekvensdelare, vilket motsvarar den nämnda syntesprincipen. Å andra sidan kan en variabel frekvens multipliceras med en fast faktor med hjälp av en fast återkopplingsfrekvensdelare.

Förutom att de används som frekvensgeneratorer används PLL-kretsar främst för demodulering av frekvens- eller fasmodulerade signaler, för klocksynkronisering och klockåterställning.

Beroende på vilken applikation PLL används för, skiljer den sig också där utsignalen trycks. Oscillatorns frekvens är z. B. används i frekvensmodulatorer, när de används som en demodulator för en FM-signal, inställningsspänningen för VCO.

Klockåterställning

Vissa dataströmmar, särskilt seriella, synkrona dataströmmar (såsom dataströmmen för det magnetiska läshuvudet på en hårddisk ), skickas eller läses från lagringsmediet utan en separat klocksignal. För klockåterhämtning från den mottagna signalen är en speciell linjekodning av användbara data som ska sändas nödvändig, såsom representerad av exempelvis Manchester-koden .

Klocksynkronisering

Om en klockpuls skickades parallellt med dataströmmen måste den bearbetas igen innan den kan användas för att bearbeta data. Det tar dock lite tid så att klockan och data initialt inte längre är synkrona med varandra. PLL ser till att den regenererade klockan och den ursprungliga klockan (och därmed data) synkroniseras igen.

Energiteknik

En PLL används också i aktiva system för effektfaktorkorrigering för att erhålla fasläget från de externa ledarspänningarna . Med hjälp av fasvinkeln kan en reglering genomföras som säkerställer att de yttre ledarströmmarna har samma fasposition som fasspänningarna. Detta innebär att den grundläggande effektfaktorn kan bringas till värden strax under 1 och linjenätet inte laddas med reaktiv effekt .

Tillägg

En fördröjd låst slinga (DLL) har en liknande struktur som en PLL, men har ingen egen oscillator och fungerar istället med ett justerbart fördröjningselement . Inom området digital frekvenssyntes spelar elementet av direkt digital syntes (DDS) en roll som används som NCO i samband med en digital PLL . Den Frequency Locked Loop (FLL) har en modifierad diskriminator och tillhör den grupp av PLL i litteraturen.

litteratur

  • Donald R. Stephens: Faslåsta slingor för trådlös kommunikation. Digitala, analoga och optiska implementeringar. 2: a upplagan. Kluwer Academic Publishers, 2002, ISBN 0-7923-7602-1 .
  • Dieter Scherer, Bill Chan, Fred Ives, William Crilly, Donald Mathiesen: RF-signalgeneratordesign med låg ljudnivå . Hewlett-Packard Journal, februari 1981.
  • Bar-Giora Goldberg: Digital frekvenssyntes avmystifierad - DDS och fraktionerad-N PLL . LLH Technology Publishing., Eagle Rock 1999, ISBN 1-878707-47-7 .

webb-länkar

Commons : Faslåsta slingor  - samling av bilder, videor och ljudfiler

Individuella bevis

  1. ^ JH Vincent: På några experiment där två neigboring bibehållna oscillerande kretsar påverkar en resonanskrets . Proceedings Royal Society, Vol. 32, del 2, 1920, sid. 84 till 91 .
  2. ↑ H. de Bellescise: La réception Synchronous . Onde Electrique, 11: e upplagan, 1932.
  3. W Hendrik Wade Bode: Förhållandet mellan dämpning och fas i feedbackförstärkares design . Bell System Technical Journal, 19: e upplagan, 1940, s. 421 .
  4. ↑ Harry Nyquist: Regeneration Theory . Bell System Technical Journal, 11: e upplagan, 1932, s. 126 .
  5. ^ J. Ruston: En enkel kristaldiskriminator för FM-oscillatorstabilisering . Proceedings of the IRE, 39: e upplagan, nr 7, 1951, sid. 783 till 788 .
  6. ^ AB Grebene, HR Camenzind: Faslåsning som en ny metod för avstämda integrerade kretsar . ISSCC Digest of Technical Papers, 1969, s. 100 till 101 .
  7. ↑ Datablad för PLL 4046 (PDF; 442 kB) från NXP (Philips) ( Memento från 6 februari 2009 i Internetarkivet )
  8. ^ WC Lindsey, CM Chie: En undersökning av digitala faslåsta öglor . Proceedings of the IEEE, 69: e upplagan, nr 4, 1981, sid. 410 till 430 .
  9. ^ J. Tierney, CM Rader: En digital frekvenssyntetiserare . IEEE Transaction on Audio and Electromagnetics, Vol.AU-19, 1971, s. 48 till 57 .
  10. ↑ Technical Brief SWRA029 - Fractional / Integer-N PLL Basics (PDF; 6,9 MB) från Texas Instruments.