Что такое петля фазовой автоподстройки частоты?

В данной статье описывается система обратной связи на основе фазы, которая играет важную роль во многих приложениях.

Большинство из нас видело фразу «петля ФАПЧ» (петля фазовой автоподстройки частоты) или «PLL» (phase-locked loop). Однако я подозреваю, что относительно немногие из нас полностью понимают 1) внутреннюю работу петли ФАПЧ и 2) как это внутреннее поведение приводит к различным способам использования ФАПЧ. Моя цель в данной статье – дать ясное, интуитивно понятное объяснение основных характеристик ФАПЧ, а подробности мы продолжим изучать в последующих статьях.

Термины «петля фазовой автоподстройки частоты» и «phase-locked loop» встречаются в разных контекстах: микроконтроллеры, радиочастотные демодуляторы, модули генераторов, последовательная связь. Первое, что нужно понять, это то, что «ФАПЧ» или «PLL» не относятся к одному компоненту. ФАПЧ – это система, она состоит из нескольких компонентов, которые тщательно спроектированы и связаны между собой в схеме отрицательной обратной связи. Это правда, что ФАПЧ (или PLL) продаются как одна интегральная микросхема, и поэтому было бы естественно думать о них как о «компоненте», но не позволяйте этому отвлекать вас от того факта, что петля ФАПЧ аналогична схеме усилителя на базе операционного усилителя, а не самому операционному усилителю.

ФАПЧ ≥ ФД + ФНЧ + ГУН

Давайте начнем со структурной схемы.

Схема настолько проста, насколько простой может быть петля ФАПЧ. Давайте обсудим три основных компонента.

• Фазовый детектор (ФД) (к сожалению) на самом деле не является фазовым детектором, но это стандартная терминология. Фазовый детектор в ФАПЧ фактически является детектором разности фаз, то есть он принимает два периодических входных сигнала и выдает выходной сигнал, представляющий разность фаз между двумя входными сигналами.
• Выходной сигнал фазового детектора не является простым аналоговым сигналом, который пропорционален разности фаз. Простой аналоговый сигнал где-то там есть, но он идет вместе с высокочастотными составляющими, которые делают этот сигнал очень отличающимся от того, что вы ожидаете увидеть. Поэтому здесь используется фильтр нижних частот: он подавляет высокочастотные составляющие и преобразует выходной сигнал фазового детектора в нечто, что может контролировать генератор, управляемый напряжением (ГУН).
• Генератор, управляемый напряжением, (ГУН), как вы уже догадались, это генератор, который управляется с помощью напряжения. Более конкретно, напряжением управляется частота периодического сигнала, генерируемого генератором. Таким образом, ГУН является генератором с переменной частотой, который позволяет внешнему напряжению влиять на частоту его колебаний. В случае ФАПЧ управляющее напряжение представляет собой сигнал фазового детектора после фильтрации.

Сигналы

Прежде чем мы обсудим работу отрицательной обратной связи, давайте перенесем это обсуждение в практическую сферу. Мы рассмотрим некоторые сигналы, создаваемые цифровой петлей ФАПЧ. Вы можете представлять ФАПЧ как преимущественно аналоговую систему, и это правильно, но экспериментировать с цифровой системой (на мой взгляд) проще. Необходимо помнить, что как к аналоговым, так и к цифровым реализациям применимы одни и те же понятия. Если вы понимаете, что происходит с этими цифровыми сигналами, вы понимаете сигналы ФАПЧ в целом.

В цифровой петле ФАПЧ всё, что нужно для фазового детектора, – это элемент «исключающее ИЛИ» (XOR). Как вы знаете, элемент исключающее ИЛИ выдает на выходе логическую единицу только тогда, когда два входных сигнала различаются между собой. Если вы распространите это поведение на ситуацию, в которой оба входных сигнала представляют собой прямоугольные сигналы, исключающее ИЛИ становится «детектором несовпадения фаз»:

Эти два прямоугольных сигнала имеют небольшую разность фаз, и, следовательно, они находятся в разных логических состояниях во время небольшой части периода. Когда логические состояния различаются, на выходе элемента исключающее ИЛИ высокий логический уровень. Если разность фаз становится больше, выходной сигнал элемента XOR находится в состоянии логической единицы больше времени.

Вот как элемент исключающее ИЛИ работает в качестве фазового детектора. Когда разность фаз увеличивается, выходной сигнал больше времени в течение периода находится в высоком логическом состоянии. Другими словами, коэффициент заполнения и, следовательно, среднее значение выходного сигнала элемента исключающее ИЛИ прямо пропорциональны разности фаз.

Следующим шагом является использование этого среднего значения в качестве управляющего сигнала для ГУН, и именно здесь появляется фильтр нижних частот:

Зеленая линия, которая является средним значением с небольшим количеством пульсаций, получается путем пропускания сигнала с фазового детектора через простой RC фильтр нижних частот (вы можете узнать эту методику, если использовали ЦАП на ШИМ, который представляет собой цифро-аналоговый преобразователь, который работает путем низкочастотной фильтрации сигнала с широтно-импульсной модуляции). Этот сигнал помечен на графике как «ctrl» (control, управление), потому что это сигнал, который мы можем использовать для управления (то есть изменения частоты) ГУН.

Замыкание петли

ФАПЧ можно использовать различными хитрыми способами, но основная функция заключается в «привязке» выходной частоты к входной частоте. (Петли ФАПЧ также привязывают выходную фазу к входной фазе, как и следует ожидать от названия PLL, «phase-locked loop», «петля фазовой синхронизации», но это другой тип синхронизации.) Работа привязки/захвата/синхронизации становится возможной благодаря отрицательной обратной связи, то есть путем направления выходного сигнала назад на фазовый детектор (как показано на приведенной выше схеме).

По моему опыту, попытка полностью понять точный процесс, с помощью которого ФАПЧ фиксирует выходную частоту по входной частоте, похожа на попытку схватить кусок тумана и удержать его в руке. Это прямо перед вами, и вы знаете, что это реально, и вы более или менее знаете, что это такое, но оно ускользает, когда вы действительно пытаетесь наблюдать и понимать его. Этот процесс мы обсудим в следующей статье. А пока я оставлю вам несколько важных замечаний, которые помогут вам обдумать этот интересный принцип действия.

• Фазовый детектор будет создавать в выходном сигнале постоянный коэффициент заполнения (и, следовательно, постоянное среднее значение), только когда две входные частоты равны (как в примерах выше). Различающиеся частоты приводят к периодическим изменениям коэффициента заполнения:

  

  

• Следовательно, управляющее напряжение будет продолжать увеличиваться и уменьшаться, пока выходная частота не станет равной входной частоте.
• Чтобы выполнить захват, петля ФАПЧ должна делать большее, что выравнивание выходной и входной частот. Также необходимо установить фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами, который приводит к соответствующему управляющему напряжению.
• ФАПЧ не имеет возможности напрямую управлять фазой сигнала ГУН. Единственный способ подстраивать фазу ГУН – это подстраивать частоту; таким образом, изменения частоты будут продолжаться до тех пор, пока не будут достигнуты как синхронизация по частоте, так и синхронизация по фазе.

Заключение

Мы рассмотрели базовую структурную схему и некоторые подробности работы петли фазовой автоподстройки частоты, которая представляет собой систему с отрицательной обратной связью, и которая может генерировать периодический сигнал, который фиксируется и отслеживает частоту входного сигнала. Мы продолжим изучать работу и применение петли ФАПЧ в следующих статьях.

Теги