ФАПЧ

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Фазове автопідстроювання частоти (ФАПЧ) (англ. Phase-locked loop, PLL) — система автоматичного реґулювання, коригуюча 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 в якості керуючого для генератора, керованого напругою (ГУН), який генерує в колі неґативного зворотного зв’язку. Якщо вихідна частота відхиляється від опорної, то сигнал похибки збільшується, діючи на ГУН в сторону зменшення похибки. В стані рівноваги вихідной 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 більше 1ГГц.

Аналогія[ред.ред. код]

Процес фазового автопідстроювання частоти можно 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, можно говорити про те, що струна гітари стабилізована по фазі з камертоном.

Історія[ред.ред. код]

Перші дослідження, які стали відомі под назвою фазового автопідстроювання 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. Так як 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[1].

В аналогових телевізійних приймачах, з кінця 30-х років минулого століття, система фазового автопідстроювання частоти горизонтальної і вертикальної розгортки настроюється по імпульсам синхронізації сигналу трансляції[2].

Ряд інтегральних схем, розроблених фірмою Signetics в 1969, являла собою чипи, повністю реалізуючі систему ФАПЧ[3]. Декількома роками пізніше RCA випустила «CD4046» КМОН, мікроватну ФАПЧ, яка стала розповсюдженою інтегральною схемою.

Структура і функції[ред.ред. код]

Блок схема аналогової ФАПЧ

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
  • керований напругою генератор
  • зворотний зв’язок (часто включає подільник частоти)

Цифрова фазова синхронізація[ред.ред. код]

Цифрове фазове автопідстроювання частоти (ЦФАПЧ) повністю реалізується цифровими схемами. Замість ГУН 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[ред.ред. код]

Принципова схема[ред.ред. код]

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[ред.ред. код]

Фазовий детектор[ред.ред. код]

Два входи фазового детектора (ФД) — опорний сигнал і зворотний зв'язок, до якого підключений вихід генератора, керованого напругою (ГУН). Вихід з ФД керує ГУН 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[ред.ред. код]

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 в якості ФД, потрібен фільтр низьких частот для ослаблення частоти суми. Низька різницева частота проходить через фільтр з достатньою амплітудою, вона зсуває частоту ГУН ближче до опорної, дозволяючи зворотному зв’язку після невеликої затримки зафіксувати частоту. Цей процес називаеться захватом, а максимальна різниця частот (опорного сигналу і ГУН), при якій можлива фіксація — полоса захвату. Процес є зафіксованим, якщо частота ГУН дорівнює опорній і, можливо, трохи відрізняється від опорного сигналу по фазі.

Примітки[ред.ред. код]

  1. Notes for a University of Guelph course describing the PLL and early history, including an IC PLL tutorial
  2. National Television Systems Committee Video Display Signal
  3. 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[ред.ред. код]

Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits. — 2-е изд. —М.: Вильямс, 2007. — С. 912. — ISBN 0-13-090996-3


Посилання[ред.ред. код]