Phase Locked Loop, PLL Tutorial / Primer Include:
Phase locked loop, PLL basics Phase detector PLL voltage controlled oscillator, VCO PLL loop filter
Il phase locked loop o PLL è un blocco di circuito particolarmente utile che è ampiamente utilizzato in radiofrequenza o applicazioni wireless.
In considerazione della sua utilità, il phase locked loop o PLL si trova in molti articoli elettronici wireless, radio e generali, dai telefoni cellulari alle radio broadcast, dai televisori ai router Wi-Fi, dalle radio walkie talkie ai sistemi di comunicazione professionali e molto altro.
Phase locked loop, applicazioni PLL
Il phase locked loop prende un segnale a cui si blocca e può quindi emettere questo segnale dal proprio VCO interno. A prima vista questo può non sembrare particolarmente utile, ma con un po’ di ingegno, è possibile sviluppare un gran numero di applicazioni phase locked loop.
Alcune applicazioni phase lock loop includono:
- demodulazione FM: Un’importante applicazione di phase locked loop è quella di un demodulatore FM. Con i chip PLL ora relativamente economici, questa applicazione PLL permette di demodulare l’audio di alta qualità da un segnale FM.
- Demodulazione AM: Gli anelli bloccati in fase possono essere usati nella demodulazione sincrona di segnali modulati in ampiezza. Usando questo approccio, il PLL si blocca sulla portante in modo da generare un riferimento all’interno del ricevitore. Poiché questo corrisponde esattamente alla frequenza della portante, può essere miscelato con il segnale in entrata per demodulare sincronicamente l’AM.
- Sintetizzatori di frequenza indiretti: L’uso all’interno di un sintetizzatore di frequenza è una delle più importanti applicazioni di phase locked loop. Sebbene sia usata anche la sintesi digitale diretta, la sintesi di frequenza indiretta costituisce una delle maggiori applicazioni di phase locked loop.
- Recupero del segnale: Il fatto che il phase locked loop sia in grado di bloccare un segnale gli permette di fornire un segnale pulito, e di ricordare la frequenza del segnale se c’è una breve interruzione. Questa applicazione di phase locked loop è utilizzata in una serie di aree in cui i segnali possono essere interrotti per brevi periodi di tempo, ad esempio quando si utilizzano trasmissioni a impulsi.
- Distribuzione temporale: Un’altra applicazione phase locked loop è nella distribuzione di impulsi di clock temporizzati con precisione nei circuiti logici digitali e nel sistema, per esempio all’interno di un sistema a microprocessore.
Concetti di base del Phase locked loop – fase
La chiave per il funzionamento di un phase locked loop, PLL, è la differenza di fase tra due segnali, e la capacità di rilevarla. L’informazione sull’errore di fase o la differenza di fase tra i due segnali viene poi usata per controllare la frequenza del loop.
Per capire meglio il concetto di fase e differenza di fase, è possibile visualizzare due forme d’onda, normalmente viste come sinusoidi, come potrebbero apparire su un oscilloscopio. Se il trigger viene sparato allo stesso tempo per entrambi i segnali, essi appariranno in punti diversi sullo schermo.
La trama lineare può anche essere rappresentata sotto forma di un cerchio. L’inizio del ciclo può essere rappresentato come un punto particolare sul cerchio e man mano che il tempo avanza il punto sulla forma d’onda si muove intorno al cerchio. Così un ciclo completo è equivalente a 360° o 2π radianti. La posizione istantanea sul cerchio rappresenta la fase in quel dato momento rispetto all’inizio del ciclo.
Il concetto di differenza di fase porta questo concetto un po’ più avanti. Anche se i due segnali che abbiamo visto prima hanno la stessa frequenza, i picchi e le depressioni non si verificano nello stesso posto.
Si dice che c’è una differenza di fase tra i due segnali. Questa differenza di fase si misura come l’angolo tra loro. Si può vedere che è l’angolo tra lo stesso punto sulle due forme d’onda. In questo caso è stato preso un punto di attraversamento dello zero, ma qualsiasi punto sarà sufficiente a condizione che sia lo stesso su entrambi.
Questa differenza di fase può anche essere rappresentata su un cerchio perché le due forme d’onda saranno in punti diversi del ciclo come risultato della loro differenza di fase. La differenza di fase si misura come un angolo: è l’angolo tra le due linee dal centro del cerchio al punto in cui la forma d’onda è rappresentata.
Quando due segnali hanno frequenze diverse si trova che la differenza di fase tra i due segnali è sempre variabile. La ragione di questo è che il tempo di ogni ciclo è diverso e di conseguenza si muovono intorno al cerchio a velocità diverse.
Si può dedurre da questo che la definizione di due segnali che hanno esattamente la stessa frequenza è che la differenza di fase tra loro è costante. Ci può essere una differenza di fase tra i due segnali. Questo significa solo che non raggiungono lo stesso punto della forma d’onda nello stesso momento. Se la differenza di fase è fissa, significa che uno è in ritardo o in vantaggio sull’altro segnale della stessa quantità, cioè sono sulla stessa frequenza.
Base del phase locked loop
Un phase locked loop, PLL, è fondamentalmente una forma di servo loop. Anche se un PLL esegue le sue azioni su un segnale a radiofrequenza, tutti i criteri di base per la stabilità del loop e altri parametri sono gli stessi. In questo modo la stessa teoria può essere applicata a un phase locked loop come viene applicata ai servo loop.
Un phase locked loop di base, PLL, consiste di tre elementi di base:
- Comparatore di fase / rilevatore: Come suggerisce il nome, questo blocco di circuito all’interno del PLL confronta la fase di due segnali e genera una tensione in base alla differenza di fase tra i due segnali. Questo circuito può assumere una varietà di forme. . . . . Per saperne di più sul rilevatore di fase .
- Oscillatore controllato in tensione, VCO: L’oscillatore controllato in tensione è il blocco di circuito che genera il segnale a radiofrequenza che è normalmente considerato come l’uscita del loop. La sua frequenza può essere controllata sulla banda di frequenza operativa richiesta dal loop. . . . . Leggi di più sull’oscillatore controllato in tensione, VCO.
- Filtro del loop: Questo filtro è usato per filtrare l’uscita dal comparatore di fase nel phase locked loop, PLL. Viene utilizzato per rimuovere qualsiasi componente dei segnali di cui viene confrontata la fase dalla linea del VCO, cioè il riferimento e l’ingresso del VCO. Regola anche molte delle caratteristiche del loop, tra cui la stabilità del loop, la velocità di blocco, ecc… Leggi di più sul filtro di loop PLL.
Fase bloccata funzionamento del loop
Il concetto di base del funzionamento del PLL è relativamente semplice, anche se l’analisi matematica e molti elementi del suo funzionamento sono abbastanza complicati
Il diagramma per un loop bloccato in fase di base mostra i tre elementi principali del PLL: rilevatore di fase, oscillatore controllato in tensione e il filtro del loop.
Nel PLL di base, il segnale di riferimento e il segnale dall’oscillatore controllato in tensione sono collegati alle due porte di ingresso del rilevatore di fase. L’uscita dal rilevatore di fase viene passata al filtro di loop e poi il segnale filtrato viene applicato all’oscillatore controllato in tensione.
L’oscillatore controllato in tensione, VCO, all’interno del PLL produce un segnale che entra nel rilevatore di fase. Qui la fase dei segnali dal VCO e il segnale di riferimento in entrata sono confrontati e viene prodotta una differenza o tensione di errore. Questo corrisponde alla differenza di fase tra i due segnali.
Il segnale di errore dal rilevatore di fase passa attraverso un filtro passa basso che regola molte delle proprietà del ciclo e rimuove qualsiasi elemento ad alta frequenza sul segnale. Una volta attraverso il filtro, il segnale di errore viene applicato al terminale di controllo del VCO come tensione di sintonizzazione. Il senso di qualsiasi cambiamento di questa tensione è tale che cerca di ridurre la differenza di fase e quindi la frequenza tra i due segnali. Inizialmente il ciclo sarà fuori dal blocco, e la tensione di errore tirerà la frequenza del VCO verso quella di riferimento, fino a quando non può ridurre ulteriormente l’errore e il ciclo è bloccato.
Quando il PLL, phase locked loop, è in blocco viene prodotta una tensione di errore allo stato costante. Usando un amplificatore tra il rilevatore di fase e il VCO, l’errore effettivo tra i segnali può essere ridotto a livelli molto piccoli. Tuttavia, una certa tensione deve essere sempre presente al terminale di controllo del VCO, poiché questo è ciò che mette sulla frequenza corretta.
Il fatto che sia presente una tensione di errore costante significa che la differenza di fase tra il segnale di riferimento e il VCO non sta cambiando. Poiché la fase tra questi due segnali non sta cambiando, significa che i due segnali sono esattamente sulla stessa frequenza.
Il phase locked loop, PLL è un blocco di costruzione molto utile, in particolare per le applicazioni a radio frequenza. Il PLL forma la base di un certo numero di sistemi RF tra cui il sintetizzatore di frequenza indiretto, una forma di demodulatore FM e permette il recupero di una portante continua stabile da una forma d’onda a impulsi. In questo modo, il PLL (phase locked loop) è uno strumento di costruzione RF essenziale.
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