Применение ФАПЧ: умножение частоты
В данной статье описано, как система ФАПЧ (PLL) может быть использована для получения высокой тактовой частоты из низкочастотного опорного сигнала.
Вспомогательная информация
Статьи из списка вспомогательной информации, я думаю, дают полное представление о проектировании и работы систем ФАПЧ, но им определенно не хватает одного аспекта: они почти ничего не говорят о том, как на самом деле используется ФАПЧ. Единственное «применение», которое мы до сих пор обсуждали, – это создание периодического выходного сигнала, который имеет ту же частоту, что и периодический входной сигнал. Однако это не очень впечатляет, поскольку мы могли бы сделать то же самое с помощью цифрового буфера или повторителя напряжения на операционном усилителе.
Настало время обсудить реальные приложения ФАПЧ, и начнем мы с умножения частоты, которое является естественным и интуитивно понятны расширением способности системы ФАПЧ фиксироваться/синхронизироваться на входной частоте.
Зачем?
Всегда хорошо знать, зачем вы хотите что-то сделать, прежде чем делать это. В случае умножения частоты с помощью ФАПЧ мы пытаемся создать выходной сигнал с частотой, равной входной частоте, умноженной на некоторую константу. Это может показаться несколько ненужной задачей – почему бы просто не купить другой компонент генератора, который напрямую обеспечивает нужную частоту? Оказывается, существуют различные ситуации, в которых метод ФАПЧ весьма полезен:
- Система, построенная на основе ФАПЧ и низкочастотного кварца, может снизить стоимость по сравнению с системой, в которой просто используется высокочастотный кварц.
- С помощью ФАПЧ коэффициент умножения может быть изменен без каких-либо модификаций аппаратного обеспечения. Таким образом, с помощью одной схемы генератора может быть получено много разных частот.
- Петля ФАПЧ, встроенная в микропроцессор, может генерировать высокочастотный тактовый сигнал именно там, где он необходим, что устраняет сложности (я имею в виду электромагнитные помехи и возможные отражения), связанные с передачей высокочастотных сигналов через дорожки на печатной плате.
- Свойства частотной синхронизации петли ФАПЧ позволяют генерировать высококачественный (и высокочастотный) периодический сигнал с помощью генератора низкого качества. Для меня это самая важная причина, поскольку она наиболее полно отображает основные функциональные возможности систем ФАПЧ. Я не стал бы ожидать, что независимый ГУН будет генерировать тактовый сигнал с частотой, которой можно точно управлять, и которая очень стабильна во времени и температуре. Однако синхронизирующее действие ФАПЧ позволяет ГУН генерировать точный и стабильный тактовый сигнал: если у вас есть, например, низкочастотный кварцевый генератор с превосходными точностью и стабильностью, система ФАПЧ «унаследует» эти качества (при этом выдавая более высокую частоту) путем синхронизации/привязки к сигналу с кварцевого генератора.
Как?
Всё, что вам нужно, это делитель частоты.
Более конкретно, вам необходим делитель частоты в петле обратной связи, чтобы сигнал, подаваемый обратно на фазовый детектор, имел частоту, которая ниже частоты выходного сигнала, генерируемого ГУН.
Вы можете быть несколько озадачены тем, что деление частоты сигнала обратной связи приводит к умножению частоты выходного сигнала, но в этом методе нет ничего нового; фактически, он полностью аналогичен тому, что мы находим в одной из наиболее широко используемых в электронике схем, а именно в неинвертирующем усилителе на операционном усилителе.
Допустим, у вас есть операционный усилитель (ОУ), включенный в схему повторителя напряжения. Выход подключен непосредственно к выводу инвертирующего входа, и в результате операционный усилитель делает всё, что ему нужно, чтобы сделать выходное напряжение равным входному напряжению. Это всё хорошо, но что если мы хотим получить некоторое усиление? Проще говоря, мы просто используем резисторы, чтобы превратить петлю обратной связи в делитель напряжения:
Давайте подумаем о том, что мы здесь делаем. Схема отрицательной обратной связи заставляет операционный усилитель изменять свой выходной сигнал с одной целью: сделать напряжение на инвертирующем входе равным напряжению на неинвертирующем входе. Когда он включен как повторитель напряжения, это означает, что Vвых должно быть равно Vвх.
Но делитель напряжения в цепи обратной связи всё меняет. Теперь напряжение на инвертирующем входе в DIV раз меньше, чем на выходе. Таким образом, чтобы сделать напряжение на инвертирующем входе равным напряжению на неинвертирующем входе, выходное напряжение должно быть в DIV раз больше входного напряжения.
С помощью операционного усилителя мы получаем коэффициент усиления по напряжению, уменьшая амплитуду напряжения обратной связи; с помощью ФАПЧ мы создаем коэффициент увеличения частоты, уменьшая частоту сигнала обратной связи. Чтобы продолжить аналогию, коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на ОУ равен коэффициенту, на который делится напряжение обратной связи, а умножение частоты, выполняемое в системе ФАПЧ, равно коэффициенту, на который делится частота сигнала обратной связи.
Небольшой пример
Следующая схема является LTspice версией петли фазовой автоподстройки частоты. Если вы читали предыдущие статьи, то уже хорошо знакомы с ней. Хотя сейчас в ней появился новый компонент: в петлю обратной связи я добавил D-триггер, включенный как счетчик деления на два.
Ниже приведен график, который показывает входной и выходной сигналы (после того, как система ФАПЧ достигла синхронизации).
Выходной и входной сигналы имеют постоянное фазовое соотношение (как и ожидалось при выполнении условия синхронизации), но выходная частота значительно выше входной частоты. Ожидается, что выходная частота будет в два раза выше, и мы можем легко это подтвердить, посмотрев на результаты FFT (БПФ, быстрого преобразования Фурье):
Заключение
После пяти статей, посвященных основным характеристикам систем с фазовой автоподстройкой частоты, мы представили чрезвычайно широкое практическое применение ФАПЧ. Добавив делитель частоты в петлю обратной связи, мы можем умножить частоту входного сигнала, сохраняя точность и стабильность входного сигнала. В следующей статье мы рассмотрим дополнительные подробности, связанные с умножением частоты с помощью ФАПЧ.
Мою схему для LTspice вы можете скачать по ссылке ниже.
