Eine phasenstarre Schleife oder Phase-Schloss-Schleife (PLL) sind ein Regelsystem, das ein Produktionssignal erzeugt, dessen Phase mit der Phase eines Eingangs"Bezugs"-Signals verbunden ist. Es ist ein elektronischer Stromkreis, der aus einem variablen Frequenzoszillator und einem Phase-Entdecker besteht. Dieser Stromkreis vergleicht sich die Phase des Eingangssignals mit der Phase des Signals ist auf seinen Produktionsoszillator zurückzuführen gewesen und passt die Frequenz seines Oszillators an, um die Phasen verglichen zu halten. Das Signal vom Phase-Entdecker wird verwendet, um den Oszillator in einer Feed-Back-Schleife zu kontrollieren.

Frequenz ist die Ableitung der Phase. Das Halten des Eingangs und der Produktion führt Schloss-Schritt stufenweise ein bedeutet, den Eingang und die Produktionsfrequenzen im Schloss-Schritt zu behalten. Folglich kann eine phasenstarre Schleife eine Eingangsfrequenz verfolgen, oder sie kann eine Frequenz erzeugen, die ein Vielfache der Eingangsfrequenz ist. Das ehemalige Eigentum wird für demodulation verwendet, und das letzte Eigentum wird für die indirekte Frequenzsynthese verwendet.

Phasenstarre Schleifen werden in Radio, Fernmeldewesen, Computern und anderen elektronischen Anwendungen weit verwendet. Sie können verwendet werden, um ein Signal von einem lauten Nachrichtenkanal wieder zu erlangen, stabile Frequenzen an einem Vielfache einer Eingangsfrequenz (Frequenzsynthese) zu erzeugen, oder Uhr-Timing-Pulse in Digitallogikdesigns wie Mikroprozessoren zu verteilen. Da ein einzelner einheitlicher Stromkreis einen ganzen Baustein der phasenstarren Schleife zur Verfügung stellen kann, wird die Technik in modernen elektronischen Geräten, mit Produktionsfrequenzen von einem Bruchteil eines Hertz bis zu viele Gigahertz weit verwendet.

Praktische Analogien

Kraftfahrzeugrasse-Analogie

Für eine praktische Idee davon, was weitergeht, denken Sie eine Auto-Rasse. Es gibt viele Autos, und der Fahrer von jedem von ihnen will um die so schnell wie mögliche Spur gehen. Jede Runde entspricht einem ganzen Zyklus, und jedes Auto wird Dutzende von Runden pro Stunde vollenden. Die Zahl von Runden pro Stunde (eine Geschwindigkeit) entspricht einer winkeligen Geschwindigkeit (d. h. eine Frequenz), aber die Zahl von Runden (eine Entfernung) entspricht einer Phase (und der Umwandlungsfaktor ist die Entfernung um die Spur-Schleife).

Während des grössten Teiles der Rasse ist jedes Auto selbstständig, und der Fahrer des Autos versucht, den Fahrer jedes anderen Autos auf dem Kurs zu prügeln, und die Phase jedes Autos ändert sich frei.

Jedoch, wenn es einen Unfall gibt, kommt ein Schritt-Auto heraus, um eine sichere Geschwindigkeit zu setzen. Keiner der Rennwagen wird erlaubt, das Schritt-Auto (oder die Rennwagen vor ihnen) zu passieren, aber jeder der Rennwagen will als in der Nähe vom Schritt-Auto bleiben, wie es kann. Während es auf der Spur ist, ist das Schritt-Auto eine Verweisung, und die Rennwagen werden phasenstarre Schleifen. Jeder Fahrer wird den Phase-Unterschied (eine Entfernung in Runden) zwischen ihm und dem Schritt-Auto messen. Wenn der Fahrer weit weg ist, wird er seine Motorgeschwindigkeit vergrößern, um die Lücke zu schließen. Wenn er zu nahe zum Schritt-Auto ist, wird er sich verlangsamen. Das Ergebnis ist das ganze Rennwagen-Schloss auf der Phase des Schritt-Autos. Die Autos reisen um die Spur in einer dichten Gruppe, die ein kleiner Bruchteil einer Runde ist.

Uhr-Analogie

Phase kann zur Zeit proportional sein, so kann ein Phase-Unterschied ein Zeitunterschied sein. Uhren, sind mit unterschiedlichen Graden der Genauigkeit, phasenstarr (zeitgeschlossen) zu einer Master-Uhr.

Verlassen selbstständig wird jede Uhr Zeit an ein bisschen verschiedenen Raten kennzeichnen. Eine Wanduhr könnte zum Beispiel um ein paar Sekunden pro Stunde im Vergleich zur Bezugsuhr an NIST schnell sein. Mit der Zeit würde dieser Zeitunterschied wesentlich werden.

Um seine Uhr synch jede Woche zu behalten, vergleicht der Eigentümer die Zeit auf seiner Wanduhr zu einer genaueren Uhr (ein Phase-Vergleich), und er fasst seine Uhr neu. Allein gelassen wird die Wanduhr fortsetzen, von der Bezugsuhr in denselben wenigen Sekunden pro Stunde-Rate abzuweichen.

Einige Uhren haben eine Timing-Anpassung (eine schnell-langsame Kontrolle). Als der Eigentümer seine Wanduhr-Zeit mit der Bezugszeit verglichen hat, hat er bemerkt, dass seine Uhr zu schnell war. Folglich konnte er sich drehen das Timing passen einen kleinen Betrag an, um die Uhr geführt ein wenig langsamer zu machen. Wenn Dinge Recht ausarbeiten, wird seine Uhr genauer sein. Über eine Reihe von wöchentlichen Anpassungen würde der Wanduhr-Begriff einer Sekunde mit der Bezugszeit (innerhalb der Wanduhr-Stabilität) übereinstimmen.

Eine frühe mechanische Version einer phasenstarren Schleife wurde 1921 in der Shortt-Synchronome Uhr verwendet.

Geschichte

Die automatische Synchronisation von elektronischen Oszillatoren wurde 1923 beschrieben. Frühste Forschung dazu, was bekannt als die phasenstarre Schleife geworden ist, geht bis 1932 zurück, als britische Forscher eine Alternative zum superheterodyne Empfänger von Edwin Armstrong, Homodyne oder Direkt-Umwandlungsempfänger entwickelt haben. Im homodyne oder synchrodyne System wurde ein lokaler Oszillator auf die gewünschte Eingangsfrequenz abgestimmt und mit dem Eingangssignal multipliziert. Das resultierende Produktionssignal hat die ursprüngliche Modulationsinformation eingeschlossen. Die Absicht war, einen alternativen Empfänger-Stromkreis zu entwickeln, der weniger abgestimmte Stromkreise verlangt hat als der superheterodyne Empfänger. Da der lokale Oszillator in der Frequenz schnell treiben würde, wurde ein automatisches Korrektur-Signal auf den Oszillator angewandt, es in derselben Phase und Frequenz wie das gewünschte Signal aufrechterhaltend. Die Technik wurde 1932, in einem Vortrag von Henri de Bellescize, in der französischen Zeitschrift L'Onde Électrique beschrieben.

In analogen Fernsehempfängern seitdem mindestens das Ende der 1930er Jahre phasenstarre Schleife werden horizontale und vertikale Kehren-Stromkreise zu Synchronisationspulsen im Sendungssignal geschlossen.

Als Signetics eine Linie von monolithischen einheitlichen Stromkreisen wie die NE565 eingeführt hat, die ganze phasenstarre Schleife-Systeme auf einem Span 1969, Anwendungen für die multiplizierte Technik waren. Ein paar Jahre später hat RCA den "CD4046" CMOS Mikromacht Phasenstarre Schleife eingeführt, die ein populärer einheitlicher Stromkreis geworden ist.

Struktur und Funktion

Phasenstarre Schleife-Mechanismen können entweder als analoge oder als digitale Stromkreise durchgeführt werden. Beide Durchführungen verwenden dieselbe grundlegende Struktur.

Sowohl Analogon als auch PLL Digitalstromkreise schließen vier Grundelemente ein:

• Phase-Entdecker,
• Filter des niedrigen Passes,
• Oszillator der variablen Frequenz und
• Feed-Back-Pfad (der einen Frequenzteiler einschließen kann).

Schwankungen

Es gibt mehrere Schwankungen von PLLs. Einige Begriffe, die verwendet werden, sind analoge phasenstarre Schleife (APLL) auch gekennzeichnet als eine geradlinige phasenstarre Schleife (LPLL), phasenstarre Digitalschleife (DPLL), ganze phasenstarre Digitalschleife (ADPLL) und Software phasenstarre Schleife (SPLL).

Analogon oder Geradliniger PLL (LPLL): Phase-Entdecker ist ein analoger Vermehrer. Schleife-Filter ist aktiv oder passiv. Verwendet einen Spannungsgesteuerten Oszillator (VCO).

Digitaler PLL (DPLL): Ein analoger PLL mit einem Digitalphase-Entdecker (wie XOR, Rand-Abzug JK, Phase-Frequenzentdecker). Kann Digitalteiler in der Schleife haben.

Der ganze digitale PLL (ADPLL): Phase-Entdecker, Filter und Oszillator sind digital. Verwendet einen numerisch kontrollierten Oszillator (NCO).

Software PLL (SPLL): Funktionelle Blöcke werden durch die Software aber nicht Spezialhardware durchgeführt.

Leistungsrahmen

• Typ und Ordnung
• Schloss-Reihe: Die Frequenzreihe der PLL ist im Stande, geschlossen zu bleiben. Hauptsächlich definiert durch die VCO-Reihe.
• Festnahme-Reihe: Die Frequenzreihe der PLL ist im Stande, sich schließen zu lassen - in, von der unverschlossenen Bedingung anfangend. Diese Reihe ist gewöhnlich kleiner als die Schloss-Reihe und wird z.B vom Phase-Entdecker abhängen.
• Schleife-Bandbreite: Das Definieren der Geschwindigkeit der Kontrollschleife.
• Vergängliche Antwort: Wie Überschwingen und Stabilisierungszeit zu einer bestimmten Genauigkeit (wie 50ppm).
• Steady-Statefehler: Wie restliche Phase oder Timing-Fehler
• Produktionsspektrum-Reinheit: Wie Seitenfrequenzbänder, die von einem bestimmten VCO stimmende Stromspannungskräuselung erzeugt sind.
• Phase-Geräusch: Definiert durch die Geräuschenergie in einem bestimmten Frequenzband (wie 10-Kilohertz-Ausgleich vom Transportunternehmen). Hoch abhängig vom VCO Phase-Geräusch, der PLL Bandbreite, usw.
• Allgemeine Rahmen: Solcher als Macht-Verbrauch, liefern Sie Stromspannungsreihe, Produktionsumfang usw.

Anwendungen

Phasenstarre Schleifen werden zu Synchronisationszwecken weit verwendet; in Raumkommunikationen für zusammenhängenden demodulation und Schwellenerweiterung, Bit-Synchronisation und Symbol-Synchronisation. Phasenstarre Schleifen können auch verwendet werden, um frequenzabgestimmte Signale zu demodulieren. In Radiosendern wird ein PLL verwendet, um neue Frequenzen zu synthetisieren, die ein Vielfache einer Bezugsfrequenz mit derselben Stabilität wie die Bezugsfrequenz sind.

Andere Anwendungen schließen ein:

• Demodulation sowohl von FM als auch von AM gibt Zeichen
• Die Wiederherstellung von kleinen Signalen, die sonst im Geräusch (Schloss - im Verstärker) verloren würden
• Wiederherstellung der Uhr-Timing-Information von einem Datenstrom solcher als von einem Laufwerk
• Uhr-Vermehrer in Mikroprozessoren, die inneren Verarbeiter-Elementen erlauben, schneller zu laufen, als Außenverbindungen, während sie genaue Timing-Beziehungen aufrechterhalten
• DTMF Decoder, Modems und andere Ton-Decoder, für die Fernbedienung und das Fernmeldewesen

Uhr-Wiederherstellung

Einige Datenströme, besonders schnelllaufende Seriendatenströme (wie der rohe Strom von Daten vom magnetischen Kopf eines Laufwerks), werden ohne eine Begleituhr gesandt. Der Empfänger erzeugt eine Uhr von einer ungefähren Frequenzverweisung, und dann richtet sich Phase - zu den Übergängen im Datenstrom mit einem PLL aus. Dieser Prozess wird Uhr-Wiederherstellung genannt. In der Größenordnung von diesem Schema, zu arbeiten, muss der Datenstrom einen Übergang oft genug haben, um jeden Antrieb im Oszillator des PLL zu korrigieren. Gewöhnlich wird eine Art überflüssige Verschlüsselung wie 8b/10b-Verschlüsselung verwendet.

Deskewing

Wenn eine Uhr in der Parallele mit Daten gesandt wird, kann diese Uhr an die Probe die Daten gewöhnt sein. Weil die Uhr erhalten und verstärkt werden muss, bevor sie die Zehensandalen der Probe die Daten steuern kann, wird es einen begrenzten, und Prozess - Temperatur - und von der Stromspannung abhängige Verzögerung zwischen dem entdeckten Uhr-Rand und dem erhaltenen Datenfenster geben. Diese Verzögerung beschränkt die Frequenz, an der Daten gesandt werden können. Eine Weise, diese Verzögerung zu beseitigen, soll einen deskew PLL auf der erhalten Seite einschließen, so dass die Uhr an jeder Datenzehensandale zur erhaltenen Uhr Phase-verglichen wird. In diesem Typ der Anwendung hat eine spezielle Form eines PLL gerufen eine geVerzögerungsschlossene Schleife (DLL) wird oft verwendet.

Takterzeugung

Viele elektronische Systeme schließen Verarbeiter von verschiedenen Sorten ein, die an Hunderten des Megahertz funktionieren. Gewöhnlich kommen die diesen Verarbeitern gelieferten Uhren aus dem Uhr-Generator PLLs, die eine Bezugsuhr der niedrigeren Frequenz (gewöhnlich 50 oder 100 MHZ) bis zur Betriebsfrequenz des Verarbeiters multiplizieren. Der Multiplikationsfaktor kann in Fällen ziemlich groß sein, wo die Betriebsfrequenz vielfaches Gigahertz ist und der Bezugskristall gerade Zehnen oder Hunderte des Megahertz ist.

Ausbreitungsspektrum

Alle elektronischen Systeme strahlen eine unerwünschte Radiofrequenzenergie aus. Verschiedene Ordnungsämter (wie der FCC in den Vereinigten Staaten) haben Grenzen auf die ausgestrahlte Energie und jede dadurch verursachte Einmischung gestellt. Das ausgestrahlte Geräusch erscheint allgemein an scharfen geisterhaften Spitzen (gewöhnlich an der Betriebsfrequenz des Geräts und einiger Obertöne). Ein Systementwerfer kann ein Ausbreitungsspektrum PLL verwenden, um Einmischung mit hohen-Q Empfängern zu reduzieren, indem er die Energie über einen größeren Teil des Spektrums ausbreitet. Zum Beispiel, durch das Ändern der Betriebsfrequenz oben und unten durch einen kleinen Betrag (ungefähr 1 %), kann ein Gerät, das an Hunderten des Megahertz läuft, seine Einmischung gleichmäßig über einige Megahertz des Spektrums ausbreiten, das drastisch den Betrag des Geräusches reduziert, das auf Sendungs-FM-Radiokanälen gesehen ist, die eine Bandbreite von mehreren Zehnen des Kilohertz haben.

Uhr-Vertrieb

Gewöhnlich geht die Bezugsuhr in den Span ein und steuert eine Phase hat Schleife geschlossen (PLL), die dann den Uhr-Vertrieb des Systems steuert. Der Uhr-Vertrieb wird gewöhnlich erwogen, so dass die Uhr jeden Endpunkt gleichzeitig erreicht. Einer jener Endpunkte ist der Feed-Back-Eingang des PLL. Die Funktion des PLL ist, die verteilte Uhr mit der eingehenden Bezugsuhr zu vergleichen, und die Phase und Frequenz seiner Produktion bis zur Verweisung zu ändern, und Feed-Back-Uhren sind Phase und verglichene Frequenz.

PLLs sind allgegenwärtig — sie stimmen Uhren in Systemen mehrere Fuß über, sowie Uhren in kleinen Teilen von individuellen Chips ab. Manchmal kann die Bezugsuhr keine reine Uhr überhaupt, aber eher ein Datenstrom mit genug Übergängen wirklich sein, dass der PLL im Stande ist, eine regelmäßige Uhr von diesem Strom wieder zu erlangen. Manchmal ist die Bezugsuhr dieselbe Frequenz wie die Uhr, die durch den Uhr-Vertrieb, andere Zeiten gesteuert ist, die verteilte Uhr kann ein vernünftiges Vielfache der Verweisung sein.

Bammel und die Geräuschverminderung

Ein wünschenswertes Eigentum des ganzen PLLs besteht dass die Verweisung und Feed-Back-Uhr-Ränder darin, in die sehr nahe Anordnung gebracht werden. Der durchschnittliche Unterschied rechtzeitig zwischen den Phasen der zwei Signale, als der PLL Schloss erreicht hat, wird genannt der statische Phase-Ausgleich (hat auch den Steady-Statephase-Fehler genannt). Die Abweichung zwischen diesen Phasen wird genannt, Bammel verfolgend. Ideal sollte der statische Phase-Ausgleich Null sein, und der Verfolgen-Bammel sollte so niedrig sein wie möglich.

Phase-Geräusch ist ein anderer Typ des Bammels, der in PLLs beobachtet ist, und wird durch den Oszillator selbst und durch im Frequenzkontrollstromkreis des Oszillators verwendete Elemente verursacht. Wie man bekannt, leisten einige Technologien besser als andere in dieser Beziehung. Die besten digitalen PLLs werden mit Elementen der emittergekoppelten Logik (ECL) auf Kosten des hohen Macht-Verbrauchs gebaut. Um Phase-Geräusch niedrig in PLL Stromkreisen zu behalten, ist es am besten zu vermeiden, Logikfamilien wie Logik des Transistor-Transistors (TTL) oder CMOS zu sättigen.

Ein anderes wünschenswertes Eigentum des ganzen PLLs besteht darin, dass die Phase und Frequenz der erzeugten Uhr, durch schnelle Änderungen in den Stromspannungen der Macht und des Bodens ungekünstelt sein, Linien, sowie die Stromspannung des Substrats liefern, auf dem die PLL Stromkreise fabriziert werden. Das wird Substrat- und Versorgungsgeräuschverwerfung genannt. Je höher die Geräuschverwerfung, desto besser.

Um weiter das Phase-Geräusch der Produktion zu verbessern, hat sich eine Einspritzung schließen lassen Oszillator kann im Anschluss an den VCO im PLL verwendet werden.

Frequenzsynthese

In Digitalradionachrichtensystemen (GSM, CDMA usw.), werden PLLs verwendet, um den lokalen Oszillator für den Umwandlungs-während der Übertragung und unten Umwandlungs-während des Empfangs zur Verfügung zu stellen. In den meisten Zellhörern ist diese Funktion in einen einzelnen einheitlichen Stromkreis größtenteils integriert worden, um die Kosten und Größe des Hörers zu reduzieren. Jedoch, wegen der hohen Grundstationsterminals erforderlichen Leistung, werden die Übertragung und Empfang-Stromkreise mit getrennten Bestandteilen gebaut, um die Niveaus der erforderlichen Leistung zu erreichen. GSM lokale Oszillator-Module werden normalerweise mit einem Frequenzsynthesizer gebaut, hat Stromkreis und getrennten Resonator VCOs integriert.

Frequenzsynthesizer-Hersteller schließen Analoggeräte, Nationale Instrumente von Halbleiter und Texas ein. VCO Hersteller schließen Sirenza, Z-Communications, Inc. (Z-COMM) ein.

Phasenstarres Schleife-Blockdiagramm

Ein Phase-Entdecker vergleicht zwei Eingangssignale und erzeugt ein Fehlersignal, das zu ihrem Phase-Unterschied proportional ist. Das Fehlersignal ist dann niedriger Pass gefiltert und hat gepflegt, einen VCO zu steuern, der eine Produktionsphase schafft. Die Produktion wird durch einen fakultativen Teiler zurück zum Eingang des Systems gefüttert, eine negative Feed-Back-Schleife erzeugend. Wenn die Produktionsphase treibt, wird das Fehlersignal zunehmen, das Steuern des VCO führt die entgegengesetzte Richtung stufenweise ein, um den Fehler zu reduzieren. So wird die Produktionsphase zur Phase am anderen Eingang geschlossen. Dieser Eingang wird die Verweisung genannt.

Analoge Phase hat sich schließen lassen Schleifen werden allgemein mit einem analogen Phase-Entdecker gebaut, passieren niedrig Filter und in eine negative Feed-Back-Konfiguration gelegten VCO. Eine Digitalphase hat Schleife-Gebrauch ein Digitalphase-Entdecker geschlossen; es kann auch einen Teiler im Feed-Back-Pfad oder im Bezugspfad oder beiden haben, um die Produktion des PLL Frequenz ein vernünftiges Vielfache der Bezugsfrequenz Zeichen geben zu lassen. Eine der Bezugsfrequenz vielfache nichtganze Zahl kann auch durch das Ersetzen des einfachen Divide-By-N-Schalters im Feed-Back-Pfad mit einem programmierbaren Pulsschlucken-Schalter geschaffen werden. Diese Technik wird gewöhnlich einen Bruch-N-Synthesizer oder Bruch-N PLL genannt.

Der Oszillator erzeugt ein periodisches Produktionssignal. Nehmen Sie an, dass am Anfang der Oszillator an fast derselben Frequenz wie das Bezugssignal ist. Wenn die Phase vom Oszillator hinter die der Verweisung zurückbleibt, ändert der Phase-Entdecker die Kontrollstromspannung des Oszillators, so dass es beschleunigt. Ebenfalls, wenn die Phase vor der Verweisung kriecht, ändert der Phase-Entdecker die Kontrollstromspannung, um den Oszillator zu verlangsamen. Da am Anfang der Oszillator von der Bezugsfrequenz weit sein kann, können praktische Phase-Entdecker auch auf Frequenzunterschiede antworten, um das Schloss - in der Reihe von zulässigen Eingängen zu vergrößern.

Abhängig von der Anwendung stellt entweder die Produktion des kontrollierten Oszillators oder das Kontrollsignal zum Oszillator, die nützliche Produktion des PLL Systems zur Verfügung.

Elemente

Phase-Entdecker

Die zwei Eingänge des Phase-Entdeckers sind der Bezugseingang und das Feed-Back vom VCO. Die PD Produktion kontrolliert den solchen VCO, dass der Phase-Unterschied zwischen den zwei Eingängen festgehalten wird, es ein negatives Feed-Back-System machend. Es gibt mehrere Typen von Phase-Entdeckern in den zwei Hauptkategorien des Analogons und digital.

Verschiedene Typen von Phase-Entdeckern haben verschiedene Leistungseigenschaften.

Zum Beispiel erzeugt der Frequenzmixer Obertöne, die Kompliziertheit in Anwendungen hinzufügen, wo die geisterhafte Reinheit des VCO-Signals wichtig ist. Die resultierenden unerwünschten (unechten) Seitenfrequenzbänder, auch genannt "Bezugssporne" können die Filtervoraussetzungen beherrschen und die Festnahme-Reihe reduzieren und Zeit ganz unter den Voraussetzungen schließen. In diesen Anwendungen werden die komplizierteren Digitalphase-Entdecker verwendet, die keinen so strengen Bezugssporn-Bestandteil auf ihrer Produktion haben. Außerdem, wenn im Schloss der Steady-Statephase-Unterschied an den Eingängen mit diesem Typ des Phase-Entdeckers 90 Grade nah ist. Der wirkliche Unterschied wird durch die Gleichstrom-Schleifenverstärkung bestimmt.

Ein Anklage-Pumpe-Phase-Entdecker des Schlag-Schlags muss immer ein totes Band haben, wo die Phasen von Eingängen nah genug sind, dass der Entdecker keinen Phase-Fehler entdeckt. Deshalb werden Phase-Entdecker des Schlag-Schlags mit dem bedeutenden Minimum vereinigt Spitze-zu-Spitze sind wegen des Antriebs innerhalb des toten Bandes nervös. Jedoch sind diese Typen, Produktionen habend, die aus sehr schmalen Pulsen am Schloss bestehen, für Anwendungen sehr nützlich, die sehr niedrige VCO unechte Produktionen verlangen. Die schmalen Pulse enthalten sehr wenig Energie und sind leicht, aus der VCO-Kontrollstromspannung durchzuscheinen. Das läuft auf niedrige VCO-Kontrolllinienkräuselung und deshalb niedrige FM-Seitenfrequenzbänder auf dem VCO hinaus.

In PLL Anwendungen ist es oft erforderlich zu wissen, wenn die Schleife außer dem Schloss ist. Die komplizierteren Digitalentdecker der Phase-Frequenz haben gewöhnlich eine Produktion, die eine zuverlässige Anzeige aus der Schloss-Bedingung erlaubt.

Filter

Der Block hat allgemein den PLL Schleife-Filter genannt (gewöhnlich ein niedriger Pass-Filter) hat allgemein zwei verschiedene Funktionen.

Die primäre Funktion ist, Schleife-Dynamik, auch genannt Stabilität zu bestimmen. Das ist, wie die Schleife auf Störungen, wie Änderungen in der Bezugsfrequenz, Änderungen des Feed-Back-Teilers, oder beim Anlauf antwortet. Allgemeine Rücksichten sind die Reihe, über die die Schleife Schloss (Ziehen - in der Reihe, Schloss-Reihe erreichen oder Reihe gewinnen kann), wie schnell die Schleife Schloss (Schloss-Zeit, Laden-Zeit oder Stabilisierungszeit) und Dämpfungsverhalten erreicht. Abhängig von der Anwendung kann das ein oder mehr vom folgenden verlangen: Ein einfaches Verhältnis (Gewinn oder Verdünnung), ein Integral (passieren niedrig Filter), und/oder Ableitung (hoch Pass-Filter). Dafür allgemein untersuchte Schleife-Rahmen sind der Gewinn-Rand und Phasenrand der Schleife. Allgemeine Konzepte in der Steuerungstheorie einschließlich des PID Kontrolleurs werden verwendet, um diese Funktion zu entwerfen.

Die zweite allgemeine Rücksicht beschränkt den Betrag der Bezugsfrequenzenergie (Kräuselung), die an der Phase-Entdecker-Produktion erscheint, die dann auf den VCO-Kontrolleingang angewandt wird. Diese Frequenz stimmt den VCO ab und erzeugt FM-Seitenfrequenzbänder allgemein genannt "unechte Verweisung". Die niedrige Pass-Eigenschaft dieses Blocks kann verwendet werden, um diese Energie zu verdünnen, aber zuweilen weist ein Band "Kerbe" zurück kann auch nützlich sein.

Das Design dieses Blocks kann entweder durch von diesen Rücksichten beherrscht werden, oder kann ein komplizierter Prozess sein, der die Wechselwirkungen der zwei jongliert. Typische Umtausche sind: Erhöhung der Bandbreite erniedrigt gewöhnlich die Stabilität, oder zu viel Dämpfung für die bessere Stabilität wird die Geschwindigkeit reduzieren und Stabilisierungszeit vergrößern. Häufig auch wird das Phase-Geräusch betroffen.

Oszillator

Alle phasenstarren Schleifen verwenden ein Oszillator-Element mit der variablen Frequenzfähigkeit. Das kann ein analoger VCO sein, der entweder durch das analoge Schaltsystem im Fall von einem APLL gesteuert ist oder digital durch den Gebrauch eines zum Analogon digitalen Konverters gesteuert ist, wie für einige DPLL Designs der Fall ist. Reine Digitaloszillatoren wie ein numerisch kontrollierter Oszillator werden in ADPLLs verwendet.

Feed-Back-Pfad und fakultativer Teiler

PLLs kann einen Teiler zwischen dem Oszillator und dem Feed-Back-Eingang zum Phase-Entdecker einschließen, um einen Frequenzsynthesizer zu erzeugen. Ein programmierbarer Teiler ist in Radiosender-Anwendungen besonders nützlich, da eine Vielzahl dessen Frequenzen übersendet, kann von einem einzelnen stabilen, genauen aber teuren, Quarz quarzgesteuerter Bezugsoszillator erzeugt werden.

Einige PLLs schließen auch einen Teiler zwischen der Bezugsuhr und dem Bezugseingang zum Phase-Entdecker ein. Wenn sich der Teiler im Feed-Back-Pfad dadurch teilt und sich der Bezugseingangsteiler dadurch teilt, erlaubt es dem PLL, die Bezugsfrequenz damit zu multiplizieren. Es könnte einfacher scheinen, gerade den PLL eine niedrigere Frequenz zu füttern, aber in einigen Fällen kann die Bezugsfrequenz durch andere Probleme beschränkt werden, und dann ist der Bezugsteiler nützlich.

Frequenzmultiplikation kann auch durch die Blockierung der VCO Produktion zur N-ten Harmonischen des Bezugssignals erreicht werden. Statt eines einfachen Phase-Entdeckers verwendet das Design einen harmonischen Mixer (Mixer probierend). Der harmonische Mixer verwandelt das Bezugssignal in einen Impuls-Zug, der an Obertönen reich ist. Die VCO Produktion ist abgestimmt rau, um einem von denjenigen Obertöne nah zu sein. Folglich fällt die gewünschte harmonische Mixer-Produktion (den Unterschied zwischen der N Harmonischen und der VCO Produktion vertretend), innerhalb des Schleife-Filters passband.

Es sollte auch bemerkt werden, dass das Feed-Back auf einen Frequenzteiler nicht beschränkt wird. Dieses Element kann andere Elemente wie ein Frequenzvermehrer oder ein Mixer sein. Der Vermehrer wird die VCO Produktion ein Subvielfache (aber nicht ein Vielfache) der Bezugsfrequenz machen. Ein Mixer kann die VCO Frequenz durch einen festen Ausgleich übersetzen. Es kann auch eine Kombination von diesen sein. Ein Beispiel, das ein Teiler im Anschluss an einen Mixer ist; das erlaubt dem Teiler, an einer viel niedrigeren Frequenz zu funktionieren, als der VCO ohne einen Verlust in der Schleifenverstärkung.

Das Modellieren

Zeitabschnitt-Modell

Die Gleichungen, eine phasenstarre Schleife mit einem analogen Vermehrer regelnd

weil der Phase-Entdecker und geradlinige Filter wie folgt abgeleitet werden können.

Lassen Sie den Eingang zur Phase

Entdecker sein und die Produktion des VCO ist

mit Phasen und

. Funktionen und

beschreiben Sie Wellenformen von Signalen. Dann der

die Produktion des Phase-Entdeckers wird durch gegeben

:

die VCO Frequenz wird gewöhnlich als eine Funktion des VCO Eingang genommen

als

:

\omega_c + g_v g (t) \, </Mathematik>

wo die Empfindlichkeit des VCO ist und ist

ausgedrückt im Hz / V;

ist eine freischwingende Frequenz von VCO.

Der Schleife-Filter kann durch das System von linearen Differenzialgleichungen beschrieben werden

:

\dot x &= &Ax + b x_m (t), \\

x_f (t) &= &c^ {*} x,

\end {ordnen }\

\quad

x (0) = x_0,

</Mathematik>

wo ein Eingang des Filters, ist

ist eine Produktion des Filters, ist

- durch - Matrix,

\mathbb {R} ^n, \quad </Mathematik>. vertritt einen anfänglichen Staat von

der Filter. Das Sternsymbol ist ein verbundener stellen um.

Folglich beschreibt das folgende System PLL

:

\dot x &= &Ax + b x_r (\theta_r (t)) x_c (\theta_c (t)), \\

\dot \theta_c &= & \omega_c + g_v (c^ {*} x) \\

\end {ordnen }\\quad

x (0) = x_0, \quad \theta_c (0) = \varphi_0.

</Mathematik>

wo eine anfängliche Phase-Verschiebung ist.

Phase-Bereichsmodell

Denken Sie den Eingang von pll und VCO Produktion

sind hohe Frequenzsignale.

Dann für jeden

piecewise differentiable - periodische Funktionen

und es gibt eine Funktion

solch dass die Produktion des Filters

:

\dot x &= &Ax + b \varphi (\theta_r (t) -

\theta_c (t)), \\

G (t) &= &c^ {*} x,

\end {ordnen }\\quadx (0) = x_0,</Mathematik>

in der Phase ist Gebiet asymptotisch gleich (der Unterschied ist in Bezug auf die Frequenzen klein) zur Produktion des Filters im Zeitabschnitt-Modell.

Hier ist Funktion eine Phase-Entdecker-Eigenschaft.

Zeigen Sie durch den Phase-Unterschied an

:

Dann beschreibt das folgende dynamische System PLL Verhalten

:

\dot x &= &Ax + b \varphi (\theta_e), \\

\dot \theta_e &= & \omega_e + g_v (c^ {*} x). \\

\end {ordnen }\\quad

x (0) = x_0, \quad \theta_e (0) = \varphi_0.

</Mathematik>

Hier;

ist eine Frequenz des Bezugsoszillators (wir nehmen an, dass das unveränderlich ist).

Beispiel

Denken Sie sinusförmige Signale

:

A_r\cos (\theta_r (t)) </Mathematik>

und einfacher Ein-Pol-RC-Stromkreis als ein Filter.

Zeitabschnitt-Modell nimmt Form an

:

\dot x &= &-\frac {1} {FERNSTEUERUNG} x + \frac {1} {RC-}\

A_cA_r\sin (\theta_r (t)) \cos (\theta_c (t)), \\

\dot \theta_c &= & \omega_c + g_v (c^ {*} x) \\\end {ordnen }\</Mathematik>

PD Eigenschaften dafür signalisieren ist gleich

:

\varphi (\theta_r - \theta_c) = \frac {A_c A_r} {2 }\\Sünde (\theta_r - \theta_c)

</Mathematik>

Folglich nimmt das Phase-Bereichsmodell Form an

:

\dot x &= &-\frac {1} {FERNSTEUERUNG} x +

\frac {1} {RC-}\\frac {A_c A_r} {2 }\\Sünde (\theta_r - \theta_c), \\

\dot \theta_c &= & \omega_c + g_v (c^ {*} x). \\

\end {ordnen }\</Mathematik>

Dieses Gleichungssystem ist zur Gleichung des mathematischen Pendels gleichwertig

:

\begin {Reihe} {l }\

x = \frac {\\dot\theta_c - \omega_c} {g_v c^*} = \frac {\\omega_r - \dot\theta_e - \omega_c} {g_v c^*}, \\

\dot x = \frac {\\ddot\theta_c} {g_v c^*}, \\

\theta_r = \omega_r t + \Psi, \\

\theta_e = \theta_r-\theta_c, \\

\dot\theta_e = \dot\theta_r - \dot\theta_c = \omega_r - \dot\theta_c, \\

\frac {1} {g_v c^* }\\ddot\theta_e - \frac {1} {g_v c^* RC-}\\dot\theta_e - \frac {A_cA_r} {2RC }\\sin\theta_e = \frac {\\omega_c - \omega_r} {g_v c^* FERNSTEUERUNG}.

\end {ordnen }\</Mathematik>

Phase-Bereichsmodell von Linearized

Phase hat sich schließen lassen Schleifen können auch analysiert werden, weil sich Regelsysteme durch die Verwendung von Laplace verwandeln. Die Schleife-Antwort kann als geschrieben werden:

:

Wo

• ist die Produktion führen radians stufenweise ein

• ist der Eingang führen radians stufenweise ein

• ist der Phase-Entdecker-Gewinn in Volt pro radian

• ist der VCO-Gewinn in radians pro Volt der Sekunde

• ist die Schleife-Filterübertragungsfunktion (ohne Dimension)

Die Schleife-Eigenschaften können durch das Einfügen verschiedener Typen von Schleife-Filtern kontrolliert werden. Der einfachste Filter ist ein Ein-Pol-RC-Stromkreis. Die Schleife-Übertragungsfunktion ist in diesem Fall:

:

Die Schleife-Antwort wird:

:

Das ist die Form eines klassischen harmonischen Oszillators. Der Nenner kann mit diesem eines zweiten Ordnungssystems verbunden sein:

:Wo

• ist der Dämpfungsfaktor

• ist die natürliche Frequenz der Schleife

Für den Ein-Pol-RC-Filter,

::

Die Schleife natürliche Frequenz ist ein Maß der Ansprechzeit der Schleife und der Dämpfungsfaktor, ist ein Maß des Überschwingens und Klingelns. Ideal sollte die natürliche Frequenz hoch sein, und der Dämpfungsfaktor sollte 0.707 (kritische Dämpfung) sein nah. Mit einem einzelnen Pol-Filter ist es nicht möglich, die Schleife-Frequenz und den Dämpfungsfaktor unabhängig zu kontrollieren. Für den Fall der kritischen Dämpfung,

::

Ein ein bisschen wirksamerer Filter, der mit dem Zeitabstandleitungsfilter schließt einen Pol und eine Null ein. Das kann mit zwei Widerständen und einem Kondensator begriffen werden. Die Übertragungsfunktion für diesen Filter ist

:

Dieser Filter hat zweimal Konstanten

::

Das Ersetzen gibt oben die folgende natürliche Frequenz und den Dämpfungsfaktor nach

::

Die Schleife-Filterbestandteile können unabhängig für eine gegebene natürliche Frequenz und Dämpfungsfaktor berechnet werden

::

Echtes Weltschleife-Filterdesign kann z.B das Verwenden höhere Ordnungsfilter viel komplizierter sein, um verschiedene Typen oder Quelle des Phase-Geräusches zu reduzieren. (Sieh den D Banerjee bezüglich unten)

Siehe auch

• Steuerungstheorie
• Direkt-Digitalsynthese
• Schleife von Costas
• Filter von Kalman
• Direkter Umwandlungsempfänger
• Kreiskarte - ein einfaches mathematisches Modell der phasenstarren Schleife, sich sowohl Weise schließendes als auch chaotisches Verhalten zeigend.
• Transportunternehmen-Wiederherstellung
• GeVerzögerungsschlossene Schleife (DLL)
• PLL hat mehrgebissen
• Shortt-Synchronome Uhr - Sklavenpendel, das dem Master (ca 1921) phasenstarr ist.

Weiterführende Literatur

• . (PDF Version).
• . (stellt nützliche Schriften von Matlab für die Simulation zur Verfügung)

. (stellt nützliche Schriften von Matlab für die Simulation zur Verfügung)

• . (FM Demodulation)
• . Ein Artikel über das Entwerfen eines Standards PLL IC für Bluetooth-Anwendungen.