Phase Locked Loop, PLL Tutorial / Primer Enthält:
Phase Locked Loop, PLL Grundlagen Phasendetektor PLL spannungsgesteuerter Oszillator, VCO PLL Schleifenfilter
Der Phase Locked Loop oder PLL ist ein besonders nützlicher Schaltungsblock, der in Hochfrequenz- oder Wireless-Anwendungen weit verbreitet ist.
Aufgrund seiner Nützlichkeit ist der Phasenregelkreis oder PLL in vielen drahtlosen, funktechnischen und allgemeinen elektronischen Geräten zu finden, von Mobiltelefonen bis zu Rundfunkgeräten, Fernsehern bis zu Wi-Fi-Routern, Walkie-Talkie-Funkgeräten bis zu professionellen Kommunikationssystemen und vielem mehr.
Phasenregelkreis, PLL-Anwendungen
Der Phasenregelkreis nimmt ein Signal auf, auf das er einrastet, und kann dieses Signal dann von seinem eigenen internen VCO ausgeben. Auf den ersten Blick mag dies nicht besonders nützlich erscheinen, aber mit ein wenig Einfallsreichtum ist es möglich, eine große Anzahl von Phasenregelkreis-Anwendungen zu entwickeln.
Zu den Phasenregelkreis-Anwendungen gehören:
- FM-Demodulation: Eine wichtige Anwendung des Phasenregelkreises ist die eines FM-Demodulators. Da PLL-Chips jetzt relativ billig sind, ermöglicht diese PLL-Anwendung die Demodulation von hoher Audioqualität aus einem FM-Signal.
- AM-Demodulation: Phasenregelschleifen können bei der synchronen Demodulation von amplitudenmodulierten Signalen eingesetzt werden. Bei diesem Ansatz rastet die PLL auf den Träger ein, so dass eine Referenz im Empfänger erzeugt werden kann. Da diese genau der Frequenz des Trägers entspricht, kann sie mit dem eingehenden Signal gemischt werden, um die AM synchron zu demodulieren.
- Indirekte Frequenzsynthesizer: Der Einsatz innerhalb eines Frequenzsynthesizers ist eine der wichtigsten Anwendungen des Phasenregelkreises. Obwohl auch die direkte digitale Synthese verwendet wird, stellt die indirekte Frequenzsynthese eine der wichtigsten Anwendungen des Phasenregelkreises dar.
- Signalrückgewinnung: Die Tatsache, dass der Phasenregelkreis in der Lage ist, sich auf ein Signal zu verriegeln, ermöglicht es ihm, ein sauberes Signal zu liefern und sich die Signalfrequenz zu merken, wenn es eine kurze Unterbrechung gibt. Diese Anwendung des Phasenregelkreises wird in einer Reihe von Bereichen eingesetzt, in denen Signale für kurze Zeit unterbrochen werden können, z. B. bei gepulsten Übertragungen.
- Timing-Verteilung: Eine weitere Anwendung des Phasenregelkreises ist die Verteilung von exakt getakteten Taktimpulsen in digitalen Logikschaltungen und Systemen, zum Beispiel innerhalb eines Mikroprozessorsystems.
Grundbegriffe der Phasenregelschleife – Phase
Der Schlüssel zum Betrieb einer Phasenregelschleife, PLL, ist die Phasendifferenz zwischen zwei Signalen und die Fähigkeit, diese zu erkennen. Die Information über den Phasenfehler oder die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen wird dann verwendet, um die Frequenz der Schleife zu steuern.
Um das Konzept der Phase und der Phasendifferenz besser zu verstehen, ist es möglich, zwei Wellenformen, die normalerweise als Sinuswellen gesehen werden, zu visualisieren, wie sie auf einem Oszilloskop erscheinen könnten. Wenn der Trigger für beide Signale zur gleichen Zeit abgefeuert wird, erscheinen sie an unterschiedlichen Punkten auf dem Bildschirm.
Die lineare Darstellung kann auch in Form eines Kreises dargestellt werden. Der Beginn des Zyklus kann als ein bestimmter Punkt auf dem Kreis dargestellt werden und mit fortschreitender Zeit bewegt sich der Punkt auf der Wellenform um den Kreis. Somit entspricht ein vollständiger Zyklus 360° oder 2π Radiant. Die momentane Position auf dem Kreis repräsentiert die Phase zu diesem Zeitpunkt relativ zum Beginn des Zyklus.
Das Konzept der Phasendifferenz führt dieses Konzept noch ein wenig weiter. Obwohl die beiden Signale, die wir zuvor betrachtet haben, die gleiche Frequenz haben, treten die Spitzen und Täler nicht an der gleichen Stelle auf.
Es wird gesagt, dass es eine Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen gibt. Diese Phasendifferenz wird als der Winkel zwischen ihnen gemessen. Es ist zu erkennen, dass es der Winkel zwischen dem gleichen Punkt auf den beiden Wellenformen ist. In diesem Fall wurde ein Nulldurchgangspunkt genommen, aber jeder beliebige Punkt reicht aus, vorausgesetzt, er ist auf beiden gleich.
Diese Phasendifferenz kann auch auf einem Kreis dargestellt werden, da sich die beiden Wellenformen aufgrund ihrer Phasendifferenz an verschiedenen Punkten des Zyklus befinden. Die Phasendifferenz wird als Winkel gemessen: Sie ist der Winkel zwischen den beiden Linien vom Mittelpunkt des Kreises zu dem Punkt, an dem die Wellenform dargestellt wird.
Wenn zwei Signale unterschiedliche Frequenzen haben, stellt man fest, dass die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen immer variiert. Der Grund dafür ist, dass die Zeit für jeden Zyklus unterschiedlich ist und sie sich dementsprechend mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten um den Kreis bewegen.
Daraus lässt sich ableiten, dass die Definition von zwei Signalen, die genau die gleiche Frequenz haben, ist, dass die Phasendifferenz zwischen ihnen konstant ist. Es kann eine Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen vorhanden sein. Das bedeutet nur, dass sie nicht den gleichen Punkt auf der Wellenform zur gleichen Zeit erreichen. Wenn die Phasendifferenz konstant ist, bedeutet dies, dass das eine Signal dem anderen um den gleichen Betrag hinterherhinkt oder vorausläuft, d.h. sie befinden sich auf der gleichen Frequenz.
Grundlagen der Phasenregelschleife
Eine Phasenregelschleife, PLL, ist im Grunde eine Form der Servoschleife. Obwohl eine PLL ihre Aktionen auf einem Hochfrequenzsignal ausführt, sind alle grundlegenden Kriterien für die Stabilität der Schleife und andere Parameter die gleichen. So kann auf einen Phasenregelkreis die gleiche Theorie angewendet werden wie auf Servoschleifen.
Ein grundlegender Phasenregelkreis, PLL, besteht aus drei Grundelementen:
- Phasenkomparator / Detektor: Wie der Name schon sagt, vergleicht dieser Schaltungsblock innerhalb der PLL die Phase von zwei Signalen und erzeugt eine Spannung entsprechend der Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen. Diese Schaltung kann verschiedene Formen annehmen. . . . . Lesen Sie mehr über den Phasendetektor .
- Spannungsgesteuerter Oszillator, VCO: Der spannungsgesteuerte Oszillator ist der Schaltungsblock, der das Hochfrequenzsignal erzeugt, das normalerweise als Ausgang der Schleife betrachtet wird. Seine Frequenz kann über das für die Schleife erforderliche Betriebsfrequenzband gesteuert werden. . . . . Lesen Sie mehr über den spannungsgesteuerten Oszillator, VCO.
- Schleifenfilter: Dieses Filter wird verwendet, um den Ausgang des Phasenkomparators in der Phasenregelschleife, PLL, zu filtern. Es wird verwendet, um alle Komponenten der Signale, deren Phase verglichen wird, aus der VCO-Leitung zu entfernen, d. h. den Referenz- und VCO-Eingang. Es bestimmt auch viele der Eigenschaften der Schleife, einschließlich der Schleifenstabilität, der Geschwindigkeit der Verriegelung, usw. . Lesen Sie mehr über den PLL-Schleifenfilter.
Phasenregelkreis-Betrieb
Das Grundkonzept des PLL-Betriebs ist relativ einfach, obwohl die mathematische Analyse und viele Elemente des Betriebs recht kompliziert sind
Das Diagramm für einen grundlegenden Phasenregelkreis zeigt die drei Hauptelemente des PLL: Phasendetektor, spannungsgesteuerter Oszillator und das Schleifenfilter.
In der Basis-PLL sind das Referenzsignal und das Signal des spannungsgesteuerten Oszillators mit den beiden Eingängen des Phasendetektors verbunden. Der Ausgang des Phasendetektors wird dem Schleifenfilter zugeführt und das gefilterte Signal wird dann dem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt.
Der spannungsgesteuerte Oszillator, VCO, innerhalb der PLL erzeugt ein Signal, das in den Phasendetektor gelangt. Hier werden die Phasen der Signale vom VCO und dem eingehenden Referenzsignal verglichen und eine resultierende Differenz- oder Fehlerspannung erzeugt. Diese entspricht der Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen.
Das Fehlersignal vom Phasendetektor durchläuft einen Tiefpassfilter, der viele Eigenschaften der Schleife regelt und alle hochfrequenten Elemente des Signals entfernt. Nach Durchlaufen des Filters wird das Fehlersignal als Abstimmspannung an die Steuerklemme des VCOs angelegt. Der Sinn jeder Änderung dieser Spannung besteht darin, die Phasendifferenz und damit die Frequenz zwischen den beiden Signalen zu verringern. Anfänglich wird die Schleife nicht verriegelt sein, und die Fehlerspannung wird die Frequenz des VCOs in Richtung der Referenz ziehen, bis sie den Fehler nicht weiter reduzieren kann und die Schleife verriegelt ist.
Wenn die PLL, die Phasenregelschleife, verriegelt ist, wird eine stationäre Fehlerspannung erzeugt. Durch die Verwendung eines Verstärkers zwischen dem Phasendetektor und dem VCO kann der tatsächliche Fehler zwischen den Signalen auf sehr kleine Werte reduziert werden. Es muss jedoch immer eine gewisse Spannung an der Steuerklemme des VCOs anliegen, da diese die richtige Frequenz vorgibt.
Die Tatsache, dass eine konstante Fehlerspannung anliegt, bedeutet, dass sich die Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und dem VCO nicht ändert. Da sich die Phase zwischen diesen beiden Signalen nicht ändert, bedeutet dies, dass die beiden Signale auf genau der gleichen Frequenz liegen.
Die Phasenregelschleife, PLL, ist ein sehr nützlicher Baustein, insbesondere für Hochfrequenzanwendungen. Die PLL bildet die Grundlage einer Reihe von HF-Systemen, darunter der indirekte Frequenzsynthesizer, eine Form des FM-Demodulators, und sie ermöglicht die Rückgewinnung eines stabilen kontinuierlichen Trägers aus einer Pulswellenform. Auf diese Weise ist die Phasenregelschleife, PLL, ein wesentliches HF-Bauwerkzeug.
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