Faasilukk

Allikas: Vikipeedia

Faasilukk ka faasihaardelülitus[1] ehk PLL (lühend inglise k sõnadest Phase-Locked Loop, vene k. ФАПЧ, Фазовая автоподстройка частоты) on elektroonikalülitus, milles tüüritava ostsillaatori faasiolekut mõjutatakse faasidetektoris nii, et ostsillaatori võnkefaas oleks võimalikult sünkroonne faasidetektori sisendisse antava võrdlus-, seade- või tugisignaali faasiga.

Sisendsignaali faasi võrdleb faasidetektor generaatori sageduse faasiga ja erinevuse järgi moodustub veasignaal mis pärast kõrgsageduskomponentidest puhastamist ja võimendamist rakendub generaatori juhtsisendisse.

Praktikas kasutatakse näiteks lülitusi, mille puhul sünkroonimise viga, st radiaanides mõõdetud faasinurkade erinevus (ja vastavalt sagedusviga) ei ületa 0,001%.

PLL-lülituste kohta on kasutatud ka termineid "faashaardelülitus" ja "faasisünkrolülitus".

Faasiluku lihtsaim struktuuriskeem

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • 1923 kirjeldati elektrooniliste generaatorite sünkroniseerimist Edward Victor Appletoni poolt
  • 1930'ndatel rakendati faasilukku raadiovastuvõtjates sageduse reguleerimisel ja televisioonivastuvõtjates horisontaalse ja vertikaalse realaotuse sünkroniseerimiseks vastuvõetud signaaliga.
  • 1969 valmis integraallülitus NE565 ettevõttes Signetics.
  • Integraallülituse CD4046 uued KMOP tehnoloogias alternatiivid on seniajani kasutuses.

Skeem[muuda | redigeeri lähteteksti]

PLL-i lihtsaim skeem koosneb järgmistest elementidest.

  • Faasidetektor ehk faasikomparaator, mis võrdleb tema kahte sisendisse saabuvate vahelduvsignaalide faasiolekuid:
üheks signaaliks on sisendsignaal Y(s);
teiseks signaaliks on tagasisidesignaal tüüritava ostsillaatori väljundist; tagasisideahelasse kuulub tavaliselt sagedusjagur.
Faasidetektorist väljub signaal, mille pinge E(s) on võrdeline faaside erinevuse ehk faasivea suurusega (ingl Error signal); see signaal läheb madalpääsfiltrisse.
  • Madalpääsfilter, mis puhastab faasidetektori väljundsignaali kõrgemasageduslikest komponentidest. Filter võib põhineda operatsioonvõimendil ja tema ülekandefunktsioon (väljundi ja sisendi vaheline matemaatiline seos) F(s) määrab kogu PLLi siirdekarakteristiku.
Madalpääsfiltri abil väljaeraldatud signaali alaliskomponent juhitakse tüür- ehk seadesignaalina C(s) (Control signal) tüüritavasse ostsillaatorisse.
  • Tüüritav ostsillaator. Analooglülitustes on selleks pingega tüürita ostsillaator (ingl VCO, Voltage-Controlled Oscillator), digitaalsetes faasilukkudes numbriliselt tüüritav ostsillaator (NCO, Numerically Controlled Oscillator).
  • Sagedusjagur tagasideahelas jagab ostsillaatori väljundsignaali faasi O(s) teguriga n, nii et faasidetektorisse jõuab signaali faas Z(s) = O(s)/n.

Sõltuvalt faasiluku kasutusotstarbest võidakse väljundsignaalina kasutada veasignaali E(s), tüürsignaali C(s) või siis võnkumist fout ostsillaatori väljundist.

Hoide- ja haardeulatused[muuda | redigeeri lähteteksti]

PLLi sageduspiirkonnad

Selle järgi, kui suur võib olla sisendsignaali sageduse erinevus tüüritava ostsillaatori kesksagedusest fc mõlemale poole, et PLL-ahel suudaks sisendsagedust ja faasi sünkroonida (lukustada) ja sünkronismis (lukustatuna) hoida, eristatakse järgmisi sageduspiirkondi:

  • hoidepiirkond (ingl hold-in range) ‒ kõige laiem sisendsignaali sageduse muutumise piirkond, mille ulatuses on PLL suuteline järgima sisendsignaali aeglasi (mitte hüppelisi) muutusi, seega püsib PLL sünkronismis;
  • haardepiirkond (pull-in range) ‒ selle piirkonna sees on PLL võimeline lukustamata olekust sünkronismi tõmbuma mõne võnkeperioodi järel;
  • vääratuspiirkond (pull-out range) ‒ selles piirkonnas säilitab PLL sünkronismi ka sisendsignaali järsu muutuse (sagedushüppe) korral;
  • lukustuspiirkond (lock-in range) ‒ kui sisendsignaali sageduse muutus jääb selle piirkonna sisse, tõmbub PLL otsekohe sünkronismi ja püsib selles olekus.

Digitaalne faasilukk[muuda | redigeeri lähteteksti]

Seda faasisünkrosüsteemi kasutatakse digitaalses signaalitöötluses. Struktuuri poolest on digitaalne PLL (lühend DPLL) sarnane eelkirjeldatuga, kusjuures digitaalsed on osa elemente (näiteks sagedusfilter) või kõik elemendid, sealhulgas numbriliselt tüüritav ostsillaator ja digitaalne sagedusjagur.

DPLL on ehituselt lihtsam ja vähem tundlik sisendsignaaliga kaasnevate häirete suhtes, kuid lisandub digiteerimisega kaasnev kvantimismüra. Seetõttu pole digiaalne faasilukk kasutatav väga kõrgetel sagedustel.

Digitaalsete faasisünkrosüsteemide hulka loetakse ka tarkvaralised TLLid, mis on teostatud programmina, näiteks signaaliprotsessorites.

Kasutamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ribafilter[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kui filtreeritav signaa anda PLLi sisendisse ja väljundsuuruseks võtta ostsillaatori signaal, siis käitub TLL nagu ribapääsfilter, kusjuures tema ülekandeomadused on peamiselt määratud sagedusfiltri dimensioneerimisega. Ühtlasi toimub sisendsignaali sageduse automaatne järelereguleerimine ja seda ka väga kitsas sagedusribas. Niisugune rakendus on eriti kohane mürarikkast signaalist mingi muutliku (kõikuva) sageduse regenereerimisel.

Moduleerimine ja demoduleerimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Sagedusmoduleeritud signaali demoduleerimisel on väljundsuuruseks tüüritava ostsillaatori seadepinge C(s). Eelkirjeldatud filtreerimistoime tulemusena on demoduleerimine võimalik ka häirerikka signaali korral.

Kui võtta väljundsignaal F(s) faasidetektorist, töötab PLL faasmoduleeritud signaali demodulaatorina. Niisugused demodulaatorid on laialt kasutusel satelliitsides.

Koos lisaskeemidega on faasisünkrolülitus kasutusel ka sagedus- ja faasmodulaatorites.

Etteantud sagedusega võnkumiste tekitamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

PLL-sagedussüntesaatori struktuuriskeem

PLLi levinud rakendusala on tugisagedusest mingi püsiva sagedusega siinusvõnkumise tekitamine (sageduse sünteesimine) . Kõrvaloleval skeemil on tugisignaali ehk etalonsignaali allikaks kvartsresonaatoriga kvartsostsillaator, muud elemendid on samad mis ülaltoodud skeemis.

Väljundsignaal saadakse pingega tüüritavast ostsillaatorist VCO. Tagasisideharus on sagedusjagur (tavaliselt muudetava jagamisteguriga), mis vähendab VCO väljundist faasidetektorisse juhitava signaali sagedust etteantud arvu kordselt.

Sünkroonitud PLL hoiab püsivana sagedust, mis on sagedusjaguri jagamisteguri kordselt tugisagedusest suurem. Jagamisteguri muutmisega saab seega VCO väljundsagedust täisarvukordselt muuta. Oluline on seejuures, et väljundsignaali stabiilsus ja täpsus ei saa olla suurem kui tugisignaalil.

Kirjeldatud lülitus on kiibiüksusena kasutusel paljudes elektroonikaseadmetes, nagu raadio- ja televisioonituunerid, mobiiltelefonid, mitmesugused side- ja mõõteseadmed. Väljundsagedused on siin enamasti sadades megahertsides, kuid võivad ulatuda ka gigahertsidesse, tugisignaali sagedus on tüüpiliselt 100 kHz.

Kandesageduse ja taktsageduse taastamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Faasilukk leiab kasutamist amplituudmoduleeritud raadiosignaali detektoris, selleks et ühe külgriba (SSB) ülekandmisel taastada allasurutud kandesagedust, samuti sagedusmoduleeritud raadiosignaali detektoris stereoinfot kandva piloottooni taastamiseks.

Kui järjestikune digitaalandmevoog ja taktsagedus edastatakse paralleelselt, sünkroonib PLL vastuvõtul taastatava taktsageduse esialgse taktsagedusega.

Mõnel juhul (näiteks kõvaketta lugemispeast) edastatakse andmed ilma eraldatud taktsignaalita. Sel juhul on dekodeerimislülitustes PLL vajalik selleks, et sünkroonida genereeritav taktsagedus andmetes peituva taktiga.

Energiatehnika[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektriülekande süsteemides kasutatakse PLL-ahelat võimsusteguri parandamise lülitustes. Võimsustegurit väljendab teatavasti elektriahela pinge ja voolu vahelise faasinihke koosinus (cos φ). Faasinihkest lähtudes on võimalik võtta meetmeid reaktiivvõimsuse osatähtsuse vähendamiseks, et sellega vähendada energiakadu elektrienergia edastamisel ja muundamisel.

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Raadiolülitused / Lembit Abo; toim. Ilmar Eiskop, Tallinn, Valgus, 1990 (Tartu:H. Heidemanni nimeline trükikoda), 543 lk. leheküljel 189