Фазове автопідлаштування частоти (ФАПЧ) (англ. Phase-locked loop, PLL) — система автоматичного регулювання, що коригує частоту керованого генератора так, щоб вона дорівнювала частоті опорного сигналу. Реґулювання відбувається завдяки неґативному зворотному зв’язку. Вихідний сигнал керованого генератора порівнюється на фазовому детекторі з опорним сигналом, результат порівняння використовується для керування частотою генератора.
Система ФАПЧ використовується для частотної модуляції і демодуляції, множення і перетворення частоти, частотної фільтрації, виділення опорного коливання для когерентного детектування і в інших цілях.
ФАПЧ порівнює фази вхідного і опорного сигналів і видає сигнал похибки, відповідно різниці між цими фазами. Сигнал похибки проходить далі через фільтр низьких частот і використовується як керівний для генератора, керованого напругою (ГКН), який генерує в колі неґативного зворотного зв’язку. Якщо вихідна частота відхиляється від опорної, то сигнал похибки збільшується, діючи на ГКН в сторону зменшення похибки. В стані рівноваги вихідний сигнал фіксується на частоті опорного.
ФАПЧ широко використовується в радіотехніці, телекомунікаціях, комп'ютерах та інших електронних пристроях. Ця система може генерувати сигнал постійної частоти, відновлювати сигнал в зашумленому комунікаційному каналі або розподіляти сигнали синхронізації в цифрових логічних схемах, таких, як мікропроцесори, ПЛІС і т. д. Інтегральна схема ФАПЧ часто використовується в сучасних електронних пристроях з тактовою частотою понад 1ГГц.
Аналогія
Процес фазового автопідлаштування частоти можна порівняти з ладнанням струни на гітарі. Використовуючи камертон чи камертон-дудку для отримання опорної частоти, натяг струни регулюється до тих пір, поки акустичне биття перестане бути чутне. Це сиґналізує про те, що камертон і гітарна струна вібрують на одній частоті. Якщо уявити, що гітара може бути ідеально настроєна на опорний тон камертона, і лад буде збережено, можна говорити про те, що струна гітари стабілізована по фазі з камертоном.[]
Історія
Перші дослідження, які стали відомі під назвою фазового автопідлаштування частоти, відносяться до 1932 року, коли британські вчені розробили альтернативу супергетеродинному радіоприймачу Едвіна Армстронга — гомодиновий або радіоприймач прямого перетворення. В гомодиновій чи синхродиновій системі генератор настроєний на вибрану вхідну частоту, а його сигнал перемножується на вхідний. Результуючий вихідний сигнал несе в собі інформацію про модуляцію. Сенс був у схемі альтернативного приймача, яка потребувала менше настроюваних електричних кіл, ніж супергетеродинний приймач. Через те, що частота локального генератора частоти приймача швидко змінюється, сигнал автокорекції подається на вхід генератора, дозволяючи йому зберігати фазу і частоту такою ж, як і у вхідного сигналу. Ця методика була описана в 1932 році в статтях Henri de Bellescize у французькому журналі Onde Electrique.
В аналогових телевізійних приймачах, з кінця 30-х років минулого століття, система фазового автопідлаштування частоти горизонтальної і вертикальної розгортки настроюється по імпульсам синхронізації сигналу трансляції.
Деякі інтегральні схеми, розроблениі фірмою Signetics в 1969, повністю реалізували систему ФАПЧ. Декількома роками пізніше RCA випустила КМОН-мікросхему ФАПЧ CD4046 з низькою споживаною потужністю.
Структура і функції
ФАПЧ може бути реалізоване як по аналоговій, так і по цифровій схемі. Обидві реалізації використовують однакову структурну схему. Як аналогова, так і цифрова схема ФАПЧ включає 3 основні елементи:
- фазовий детектор (англ. Phase frequency detector, PFD);
- генератор, керований напругою (ГКН) (англ. Voltage Controlled Oscillator, VCO);
- зворотний зв'язок (часто включає подільник частоти; англ. Frequency divider).
Цифрова фазова синхронізація
Цифрове фазове автопідлаштування частоти (ЦФАПЧ) повністю реалізується цифровими схемами. Замість ГКН використовуються системний тактовий генератор і лічильник-подільник, керовані цифровими методами. ЦФАПЧ більш проста в розробці і реалізації, менш чутлива до завад, але зазвичай, вона потерпає від фазового шуму через шум квантування цифрового генератора. Через це ЦФАПЧ непридатні для роботи на високій частоті або керування високочастотними опорними сигналами. ЦФАПЧ іноді використовується для відновлення даних.
Аналогова фазова синхронізація
Принципова схема
Аналогові ФАПЧ складаються з фазового детектора, фільтра низьких частот і генератора, керованого напругою, зібраних в схему з неґативним зворотним зв’язком. Також в схемі може бути подільник частоти — в зворотному зв’язку і/або в колі опорного сигналу з метою отримання на виході частоти опорного сигналу, помноженої на ціле число. Неціле множення опорної частоти може здійснюватися шляхом переміщення елементарного помножувача частоти на зворотний зв’язок з програмованим лічильником імпульсів.
Генератор виробляє періодичний вихідний сигнал. Передбачається, що початкова частота генератора приблизно рівна опорній. Якщо фаза генератора запізнюється відносно фази опорного сигналу, фазовий детектор змінює керуючу напругу до генератора, що приводить до прискорення фази. Аналогічно, якщо фаза зміщується, обганяючи фазу опорного, фазовий детектор змінює напругу для уповільнення генератора. Фільтр низьких частот згладжує різкі зміни керуючої напруги, така фільтрація потрібна для стабільних систем.
Корисним виводом ФАПЧ-системи є або вивід керованого генератора, або керуючий генератором сигнал (в залежності від того, що потрібно в конкретній системі).
Основи
Фазовий детектор
Два входи фазового детектора (ФД) — опорний сигнал і зворотний зв'язок, до якого підключений вихід генератора, керованого напругою (ГКН). Вихід з ФД керує ГКН таким чином, що різниця фаз між двома входами підтримується постійною, що є властивим для систем з неґативним зворотним зв’язком.
Існує декілька типів ФД в двох основних категоріях: цифровій і аналоговій.
Аналогова схема
Аналоговий ФД є одним з видів ідеального змішувача. Цей пристрій проводить множення двох миттєвих вхідних напруг. Результатом процесу є сумарний і різницевий сигнал змішувача, однак при його використанні як ФД, потрібен фільтр низьких частот для ослаблення частоти суми. Низька різницева частота проходить через фільтр з достатньою амплітудою, вона зсуває частоту ГКН ближче до опорної, дозволяючи зворотному зв’язку після невеликої затримки зафіксувати частоту. Цей процес називається захопленням, а максимальна різниця частот (опорного сигналу і ГКН), при якій можлива фіксація — смуга захоплення. Процес є зафіксованим, якщо частота ГКН дорівнює опорній і, можливо, трохи відрізняється від опорного сигналу по фазі.
Примітки
- . Архів оригіналу за 24 лютого 2009. Процитовано 16 липня 2013.
- . Архів оригіналу за 25 лютого 2021. Процитовано 16 липня 2013.
- A. B. Grebene, H. R. Camenzind, «Phase Locking As A New Approach For Tuned Integrated Circuits», ISSCC Digest of Technical Papers, pp. 100—101, Feb. 1969.
Література
- Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits. — 2-е изд. —М.: Вильямс, 2007. — С. 912. —
Посилання
- Контур фазовой автоподстройки частоты и его основные свойства [ 26 вересня 2014 у Wayback Machine.]
- Цифровой контур ФАПЧ (digital PLL) и его свойства [ 30 березня 2014 у Wayback Machine.]
Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Фазове автопідлаштування частоти |
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Fazove avtopidlashtuvannya chastoti FAPCh angl Phase locked loop PLL sistema avtomatichnogo regulyuvannya sho koriguye chastotu kerovanogo generatora tak shob vona dorivnyuvala chastoti opornogo signalu Regulyuvannya vidbuvayetsya zavdyaki negativnomu zvorotnomu zv yazku Vihidnij signal kerovanogo generatora porivnyuyetsya na fazovomu detektori z opornim signalom rezultat porivnyannya vikoristovuyetsya dlya keruvannya chastotoyu generatora Prostij analogovij fazovij avtopidlashtovuvach chastoti Sistema FAPCh vikoristovuyetsya dlya chastotnoyi modulyaciyi i demodulyaciyi mnozhennya i peretvorennya chastoti chastotnoyi filtraciyi vidilennya opornogo kolivannya dlya kogerentnogo detektuvannya i v inshih cilyah FAPCh porivnyuye fazi vhidnogo i opornogo signaliv i vidaye signal pohibki vidpovidno riznici mizh cimi fazami Signal pohibki prohodit dali cherez filtr nizkih chastot i vikoristovuyetsya yak kerivnij dlya generatora kerovanogo naprugoyu GKN yakij generuye v koli negativnogo zvorotnogo zv yazku Yaksho vihidna chastota vidhilyayetsya vid opornoyi to signal pohibki zbilshuyetsya diyuchi na GKN v storonu zmenshennya pohibki V stani rivnovagi vihidnij signal fiksuyetsya na chastoti opornogo FAPCh shiroko vikoristovuyetsya v radiotehnici telekomunikaciyah komp yuterah ta inshih elektronnih pristroyah Cya sistema mozhe generuvati signal postijnoyi chastoti vidnovlyuvati signal v zashumlenomu komunikacijnomu kanali abo rozpodilyati signali sinhronizaciyi v cifrovih logichnih shemah takih yak mikroprocesori PLIS i t d Integralna shema FAPCh chasto vikoristovuyetsya v suchasnih elektronnih pristroyah z taktovoyu chastotoyu ponad 1GGc AnalogiyaProces fazovogo avtopidlashtuvannya chastoti mozhna porivnyati z ladnannyam struni na gitari Vikoristovuyuchi kamerton chi kamerton dudku dlya otrimannya opornoyi chastoti natyag struni regulyuyetsya do tih pir poki akustichne bittya perestane buti chutne Ce signalizuye pro te sho kamerton i gitarna struna vibruyut na odnij chastoti Yaksho uyaviti sho gitara mozhe buti idealno nastroyena na opornij ton kamertona i lad bude zberezheno mozhna govoriti pro te sho struna gitari stabilizovana po fazi z kamertonom dzherelo IstoriyaPershi doslidzhennya yaki stali vidomi pid nazvoyu fazovogo avtopidlashtuvannya chastoti vidnosyatsya do 1932 roku koli britanski vcheni rozrobili alternativu supergeterodinnomu radioprijmachu Edvina Armstronga gomodinovij abo radioprijmach pryamogo peretvorennya V gomodinovij chi sinhrodinovij sistemi generator nastroyenij na vibranu vhidnu chastotu a jogo signal peremnozhuyetsya na vhidnij Rezultuyuchij vihidnij signal nese v sobi informaciyu pro modulyaciyu Sens buv u shemi alternativnogo prijmacha yaka potrebuvala menshe nastroyuvanih elektrichnih kil nizh supergeterodinnij prijmach Cherez te sho chastota lokalnogo generatora chastoti prijmacha shvidko zminyuyetsya signal avtokorekciyi podayetsya na vhid generatora dozvolyayuchi jomu zberigati fazu i chastotu takoyu zh yak i u vhidnogo signalu Cya metodika bula opisana v 1932 roci v stattyah Henri de Bellescize u francuzkomu zhurnali Onde Electrique V analogovih televizijnih prijmachah z kincya 30 h rokiv minulogo stolittya sistema fazovogo avtopidlashtuvannya chastoti gorizontalnoyi i vertikalnoyi rozgortki nastroyuyetsya po impulsam sinhronizaciyi signalu translyaciyi Deyaki integralni shemi rozroblenii firmoyu Signetics v 1969 povnistyu realizuvali sistemu FAPCh Dekilkoma rokami piznishe RCA vipustila KMON mikroshemu FAPCh CD4046 z nizkoyu spozhivanoyu potuzhnistyu Struktura i funkciyiBlok shema analogovoyi FAPCh FAPCh mozhe buti realizovane yak po analogovij tak i po cifrovij shemi Obidvi realizaciyi vikoristovuyut odnakovu strukturnu shemu Yak analogova tak i cifrova shema FAPCh vklyuchaye 3 osnovni elementi fazovij detektor angl Phase frequency detector PFD generator kerovanij naprugoyu GKN angl Voltage Controlled Oscillator VCO zvorotnij zv yazok chasto vklyuchaye podilnik chastoti angl Frequency divider Cifrova fazova sinhronizaciyaCifrove fazove avtopidlashtuvannya chastoti CFAPCh povnistyu realizuyetsya cifrovimi shemami Zamist GKN vikoristovuyutsya sistemnij taktovij generator i lichilnik podilnik kerovani cifrovimi metodami CFAPCh bilsh prosta v rozrobci i realizaciyi mensh chutliva do zavad ale zazvichaj vona poterpaye vid fazovogo shumu cherez shum kvantuvannya cifrovogo generatora Cherez ce CFAPCh nepridatni dlya roboti na visokij chastoti abo keruvannya visokochastotnimi opornimi signalami CFAPCh inodi vikoristovuyetsya dlya vidnovlennya danih Analogova fazova sinhronizaciyaPrincipova shema Analogovi FAPCh skladayutsya z fazovogo detektora filtra nizkih chastot i generatora kerovanogo naprugoyu zibranih v shemu z negativnim zvorotnim zv yazkom Takozh v shemi mozhe buti podilnik chastoti v zvorotnomu zv yazku i abo v koli opornogo signalu z metoyu otrimannya na vihodi chastoti opornogo signalu pomnozhenoyi na cile chislo Necile mnozhennya opornoyi chastoti mozhe zdijsnyuvatisya shlyahom peremishennya elementarnogo pomnozhuvacha chastoti na zvorotnij zv yazok z programovanim lichilnikom impulsiv Generator viroblyaye periodichnij vihidnij signal Peredbachayetsya sho pochatkova chastota generatora priblizno rivna opornij Yaksho faza generatora zapiznyuyetsya vidnosno fazi opornogo signalu fazovij detektor zminyuye keruyuchu naprugu do generatora sho privodit do priskorennya fazi Analogichno yaksho faza zmishuyetsya obganyayuchi fazu opornogo fazovij detektor zminyuye naprugu dlya upovilnennya generatora Filtr nizkih chastot zgladzhuye rizki zmini keruyuchoyi naprugi taka filtraciya potribna dlya stabilnih sistem Korisnim vivodom FAPCh sistemi ye abo vivid kerovanogo generatora abo keruyuchij generatorom signal v zalezhnosti vid togo sho potribno v konkretnij sistemi OsnoviFazovij detektor Dva vhodi fazovogo detektora FD opornij signal i zvorotnij zv yazok do yakogo pidklyuchenij vihid generatora kerovanogo naprugoyu GKN Vihid z FD keruye GKN takim chinom sho riznicya faz mizh dvoma vhodami pidtrimuyetsya postijnoyu sho ye vlastivim dlya sistem z negativnim zvorotnim zv yazkom Isnuye dekilka tipiv FD v dvoh osnovnih kategoriyah cifrovij i analogovij Analogova shema Analogovij FD ye odnim z vidiv idealnogo zmishuvacha Cej pristrij provodit mnozhennya dvoh mittyevih vhidnih naprug Rezultatom procesu ye sumarnij i riznicevij signal zmishuvacha odnak pri jogo vikoristanni yak FD potriben filtr nizkih chastot dlya oslablennya chastoti sumi Nizka rizniceva chastota prohodit cherez filtr z dostatnoyu amplitudoyu vona zsuvaye chastotu GKN blizhche do opornoyi dozvolyayuchi zvorotnomu zv yazku pislya nevelikoyi zatrimki zafiksuvati chastotu Cej proces nazivayetsya zahoplennyam a maksimalna riznicya chastot opornogo signalu i GKN pri yakij mozhliva fiksaciya smuga zahoplennya Proces ye zafiksovanim yaksho chastota GKN dorivnyuye opornij i mozhlivo trohi vidriznyayetsya vid opornogo signalu po fazi Primitki Arhiv originalu za 24 lyutogo 2009 Procitovano 16 lipnya 2013 Arhiv originalu za 25 lyutogo 2021 Procitovano 16 lipnya 2013 A B Grebene H R Camenzind Phase Locking As A New Approach For Tuned Integrated Circuits ISSCC Digest of Technical Papers pp 100 101 Feb 1969 LiteraturaZhan M Rabai Ananta Chandrakasan Borivozh Nikolich Cifrovye integralnye shemy Metodologiya proektirovaniya Digital Integrated Circuits 2 e izd M Vilyams 2007 S 912 ISBN 0 13 090996 3PosilannyaKontur fazovoj avtopodstrojki chastoty i ego osnovnye svojstva 26 veresnya 2014 u Wayback Machine Cifrovoj kontur FAPCh digital PLL i ego svojstva 30 bereznya 2014 u Wayback Machine Cya stattya ye zagotovkoyu Vi mozhete dopomogti proyektu dorobivshi yiyi Ce povidomlennya varto zaminiti tochnishim Vikishovishe maye multimedijni dani za temoyu Fazove avtopidlashtuvannya chastoti