(PLL) w przetwornikach pomiarowych
Transkrypt
(PLL) w przetwornikach pomiarowych
18 PAK vol.54,nr l/2008 ARTYKUŁ TECHNlczNY Tadeusz SIDOR AKADEMlA GÓRN lczo-H UTN IczA' KATEDRA M ETRoLOG|| Zastosowanie synchronicznej pęt|ifazowej (PLL) w przetwornikach pomiarowych Układy Synchronicznej Pętli Fazowej (SPF łub PLL - Phase Lock Loop) są powszechlie stosowane we współczesnych urządzeniachtelekomunika. cyjnych do synchronizacji, powielania i detekcji częstotliwości.Wynika to w nafuralny sposób z genezy ich powstania' Idea PLL powstałabowiem juz w latach trzydziesfych ubiegłego wieku jako pewna metoda odbioru i detekcji sygnałów radiowych It]. Nie zyskałajednak dużejpopulamości ze wzg|ędu na trudności techniczne przy stosowanej wówczas technice układów elektronicanych.Dopiero od momentu kiedy pojawiĘ się układy scalone zawierające wszystkie podzespoĘ pętli w jednym chipie zaczęto powszechnie je stosować, gdyż posiadają bardzo ciekawe własności i stwarz-ająrozliczne możliwości ich wykorzystywania. Uk'lady PLL mogą teŻ słuryć do budowy elementów różnych elektronicznych przetworników pomiarowych, zastępując z powodzeniem istniejące inne rozwiązania układowe,a także,ze względu na swoje unikalne własności stwarzajądufe pole do inwencji w tej dziedzinie. Jednak wiedza na ich temat nie jest powszechna w środowiskumetrologów i m.in. z'tego powodu podstawy działaniaukładów PLL zostanąszerzejomówione we wstępie. Słowa kluczowe: PLL, pętla fazowa, stabilnośćpętli fazowej, detekcja fary, demodulacjaczęstotliwości,wzmacniacz homodynowy' się wówczas składowa stała,k1óra utrzymuje częstotliwośćgenefatora VCo dokładnie równą częstotliwościsygnafu wejściowego. Tęn stan jest ufzymywany nawet jeżeli częstotliwośćsygrrału wejściowegozmieni się, pod waruŃiem,lż nniana nie przel<łocry zakresu przestlajania generatoraVCo, czyli zakesu t.rymania !ętli' 2. Warunki stabilnościukładupętli fazowej Tak jak dla kazdego układu ze sprzężeniem zwrotnym' muszą byc zachowane pęwne waruŃi aby układ był stabilny. Analizę stabilności najprościej można przeprowadzić badając postać transmitancji operatorowej układu przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Transmitancja taka jest iloczynem transmitancji poszczególnych bloków układu wg rysunku 1. Detektor fazy jest układem bezinercyjnym i może być opisany przy załoŻeniuliniowości charakterystyki transmitancją G' wyni. kającąz zależnościpostaci (l): Keywords: phase lock loop, PLL stabilify, phase detection, frequency demodulation,homodyne amplifier. 1. Wstęp Synchroniczna pętla fazowa składasię z kilku bloków funkcjo. nalnych przedstawionychna rysunku L \9l-ęr)/Ut Rys. l. Fig. I . Ul/U2 u,/f G, = (i) Transmitancja c, (s) nttru dolnoprzepustowego za|eĄ od jego strukturyi ogólnie moiebyć opisana zależnością(2): c r ( r ) =u 2 / U t (2) Fizycznym sygnałem wyjściowym generatora VCo jest napię. cie przemienne o częstotliwości/ ' ale ponieważ detektor fazy reaguje na różnicę faz sygnałów wejściowych Ezeba formalnie przekształ.cicczęstotliwośćna fazę. Dla sygnafu sinusoidalnego postaci (3) o zmiennej częstotliwości,korespondująca z argumen. (4). tem funkcji sinus faza Q2 jest okeślonaprzez zaleźność Schemat b|okowy syncfuonicznej pętli fazowej Block diagram of the phase lock loop Blokiem wejściowymukładu PLLjest detektorfazy, ktÓry daje na wyjściu napięcie będące funkcją (proporcjonalne) rófntcy faz napięć przemiennych podawanych na wejścia.Kolejnym blokiem jest filtr dolnoprzepustowy' którego napięcie wyjściowe steruje częstotliwościągenefatoraYCo (Yoltage Control}ed oscillator), Napięcie wyjściowe generatorapoprzez opcjonalny dzielnik częstotliwości(:N) podawanejest zwlotnie na wejściedetektorafazy. Na skutek dział'aniatej pętli sprzężeniazwrofnego częstotliwość generatoraprzestrajasię tak, że w stanie ustalonym staje się równa częstotliwościsygriafuwejściowego(przy N=l), lub jego całkowitej wielokrotności.Pętla wchodzi wówczas w synchronizm. Mechanizm dochodzenia pętli do synchronizmu najłatwiejwyjaśnić przyjmując, że detektorem fazy jest układ mnożący, tak jak ma to miejsce w przypadku układuscalonego LM565 [5]. Niech w pewnej chwili na wejścieukładupętli zostanie podany sygnał sinusoidalny o częstotliwościf Generator VCo oscyluje z początkową częstotliwością1f6. Iako wynik mnożeniana wyjściu detektora pojawiają się sygnały o częstotliwościacb f+fg i f-fy. Fi\tr dolnoprzepustowy ma tak dobrane pasmo przenoszenia, ze eliminuje przebieg o częstotliwościf+fg aprzepuszcza sygnał o częstotli. wości różTlicowej Stosunkowo wolny przebieg przemienny "/:fo. o częstotliwości różnicowej dztała na wejście generatora Vco przestrajającjego częstotliwośćw obu kierunkach. W okresie kiedy różnica częstotliwości zmniejsza się przebieg o częstotliwościróŹ. nicowej zrnienia się coraz wolniej i proces ten trwa aż do momentu kiedy różnica częstotiiwości zmaleje do zera. Na wyjściu układu mnożącego,a więc i na wyjściufiltru dolnoprzepustowego,pojawia U' = lr, 9t -Qz U = U . s i n 2 r f t= U , s i n a t (3) 9, = Jatdt (4) . 0 : Zakładając iż częstotliwośćgeneratora/ j est proporcjonalna do napięcia sterującego U, za|eżnośćfazy od napięcia sterującego możnawYazić przez (5): w , =k , ) Ur d t , l-, (5) 0 (5) otrzymujesię Dokonując transformatyLaplace'a zależności wyrazenie na transmitancjęopelatorową G,(s) generatoraVCo w postaci(6): G,(s)= ?r'=r' u2 s t .ł .{ (6) { s t: Transmitancjagenelatoraodpowiada więc postaci transmitancji członu całkującego [2]. Ma to swoje istotne konsekwencje WZy określaniuwarunków stabilności układu pętli fazowej o wypad. kowej transmitancji z otwańą pętlą sprzężenia wyrażoną przez (7): zależnośc c(s)=c, 'Gt'G, =t ,'Gr(r)'L ; t (7) # g 19 PAK vol. 54, nr l/2008 Transmitancja rypowego filtru dolnoprzepustowegomoże być przedstawionaw postaci (8)' gdzie iz jest rzędem filtru równym iiczbie bieeunów. ) U^ U u - l.r,= rc ń_ t ) r'. n s + a , 5' + . . . +a , s + o : ń_l 1 U (8) Przy sinusoidalnym sygnale wejściowymkazdy biegun wpro. wadza do sygnafu wyjściowego filtru przesunięcie fazowe, które asymptotycznie dąŻry do 90o przy wztastającej częstotliwości. Jeże|iwziąć pod uwagę, Że człon całkujący przesuwa równieŹ fazę zawsze o 90.' to już filtr pierwszego rzędu w połączeniuszelego. wym z integratorem daje przy wysokich częstotliwościach kry. tyczne, wg kryterium Nyquista, przesunięcie fazowe, które powo. duje' iż ujemne sprzężenie Ziwotnę zamienia się na dodatnie. Jeżeli dodatkowo całkowite wzmocnienie toru jest wówczas więk. sze odjedności,to układ staje się niestabilny. Ściśle rzecz biorąc jest to sytuacja hipotetyczna, gdyżz ftltr pierwszego rzędu daje przesunięcie fazowe równe 90" dopiero przy nieskończenie wysokiej częstotliwości,aie nie naleĘ zapo. minac, że w układzie rzeczylvistym istnieją jeszcze inne stopnie np. wzmacniające, które również dodatkowo przesuwają fazę sygnafu,tak że granica stabilnościukładumoże byc przekroczona przy znacznie ni;zszych częstotliw ości ach. oczywi ścieni ebezpie. czeństwo utrary stabilnościukładu rośnielawinowo w przypadku filtru wyższego rzędu. Z tego powodu najczęściejstosowanym filtrem w uk]adach pętli fazowej są frlĘ pierwszego rzędu i to o transmitancjizmodyfi kowane1 poprzez dodanie,,zera". Typowy układ takiego filtru przedstawiono na rysunku f, a jego transmi(9). tancjęopisuje zależność ./+sCR. G ', ( s J = t l r ( 9 ) l + s C ( R ,+ R r J Zastosowanie filtru o takiej transmitancji praktycznie zabezpiecza uk]ad pętli przed utrat{ stabilności,gdyż zwiększa margines fazowy i co za tym idzie skaca przebieg przejściowy, a]e równocześniegorzej tfumi sygnał o częstotliwości sumacyjnej f+fg co powoduje flŃtuacje fazy generatora VCo. Rys' 2. Fig. 2. schemat zmodyfikowanego układu filtru pievszego Diagram of the modified I st order filter Detektor typu II jest skomplikowanym układemlogicznym generującym impulsy dodatnie lub ujemne wyzwalane i kasowane zboczarni narastającymiprzebiegów wej ściowych'Znak generowanych impulsów za|eĄ od tego które zbocze narastająceobu pŹebiegów pojawi się wcześniejna odpowiednim wejściu.lmpulsy wyjściowe,podobnie jak w przypadku detektora rypu I, są uśrednianew flltrze dolnoprzepustowym i wynikowe napięcie generatoraVCo. stałesterujeczęstotliwością Istotnaróżnica w działaniupętli z detektolem typu II polega na Ęm, ze nie tylko częstotliwośćgęneratoraVCo, w stanie syncfuonizmu, staje się równa częstotliwościprzebiegu wejściowego, ale również i przesunięcie fazowe pomiędzy przebiegiem generatora a przebiegiem wejściowym zostaje zredukowane do zera. Detektor Ępu II w tym stanie nie generuje żadnych impulsów na wyjściu' a częstotliwośćgeneratora VCo wynika ze stałego napięcia, które przez jakiś czas uhzymuje się na kondensatorzę wyjściowym filtru. Pehry synckonizm, zarówno co do częstotliwości jak i fazy' generatora VCo z przebiegiem wejściowym stwarza dodatkowe możliwości wykorzystania układu takiej pętli. Dodatkowym atutem pętli z detektorem typu II jest fakt, iż.na wyjściudetektora w stanie synchronizmu impulsy pojawiają się rzadko w przeciwieństwie do detektorafypu I' który generuje zawsze na wyjściu przebieg o podwojonej częstotliwościprzebiegu wejściowego. Uklad scalony typu MC4046 zawiera w swojej strukrurze zarówno detektorfazy rypu I jak i Ępu II, którę mogą być zamiennie użyte w za|ehtościod potrzeb. Ponizej przedstawiono kilka układów zawierającychpętle fazowe, lctóremogą maleźćzastosowaniew przetwornikachpomiarowych. 4. Liniowy demodu|ator częstot|iwości Możliwośćzastosowania synchronicznej pętli fazowej do demodulacji sygnafu torów pomiarowych z modulacjączęstotliwości wynika wprost z zasady działaniaukładupętli. Jeżelizmodulowany częstotliwościowo sygnał majdzie się w paśmie chwytania pętli wówczas pętla po wejściu w synchronizm będzie śledzić zmiany częstotliwości,o ile maksymalna dewiacja sygnafu nie przeWoczy jej zakresu trzymania. Sledzenie zmian częstotliwości zwięane jest ze zmianami napięcia sterującego generatorem YCo. Związek pomiędzy napięciem na wejściugeneratorai dewiacjąza|'eizyoczylviście od ksztattu charakterystyki 7(u). lezett charakterystyka ta jest liniowa, tak jak na rysunku 3 wówczas w zakesie od .fc.. do .fo-* może być opisana zależnością(10): zędu Trudno jednak ocenić dynamikę układu rzeczyrvistegona pod. stawie przedstawionegopowyżej linearyzowanego modelu dyna. micznego pętli fazowej, gdyi w układzie rzeczywistym zarówno charakterystyka detektora fazy jak i generatora VCo są w ogól. nym przypadku nieliniowe. Można jednak badac przebiegi przej. ściowepętli za pomocą nieliniowego modelu zbudowanego przy wykorzystaniu moŻliwościstwarzanych przez uniwersalne programy analizy układów e|ektronicmych. 3. Detektoryfazy Układy scalonych pętli fazowych zawierająróżne rypy detektorów fazy, umownie podzielone na dwie kategorie[3]' Tzw. detektor typu I jest najczęściejukładem mnożącym i na jego wyjściupojawiają się sygnały będące,jak już wspomniano poprzednio, sumą i różnicą częstotliwościsygnałów podawanych na wejściadetektora. 0 Rys. 3. Fis. l. Typowa chilakterystyka generatora VCO Characteristicofthe VCO fo=for+kU" (10) gdzie,t- jest współczyrrnikiem proporcjonalności PoniewaŹ w stanie synchronizmu częstotliwość Eerleratora fc jest równa częstotliwości/, a ta z kolei dla przebiegów zmodulo. wanych częstotliwościowomoże być zapisana w postaci (ll), (10) możnaprzekształcićdo postaci (12): więc zależność f=f^+Lf (11) f0 PAK vol. 54, nr l/2008 fr+Lf=for+kU" (l 2 ) Jeżeli częstotliwoścpoczątkow4 fco genelatora VCo dobterze się równą częstotliwościnośnej /o przebiegu zmodulowanego, wówczas wyraienie ( l 2) upraszczasię do postaci( l 3): u' = ! y k' (13) Napięcie wyjściowesynchronicznej pętli fazowe3jest więc zależne wprost proporcjonalnie od dewiacji demodulowanego przebiegu. 5. Selektywny wzmacniacz (woltomierz) homodynowy Zasadę działania wzmacniacza homodynowego ilustruje schemat blokowy przedstawionyna rysunku 4. Rys. 4. Fig. 4. Schemat blokowy wzmacniacza homodynowego Block diagram of the homodyne amplifier Zasadnicza częśćwzmacniacza homodynowego składasię z pę. tli fazowej P.L.L. oraz mnoŻarki analogowej ,,X''. Jezeli pętla fazowa jest wyposażonaw detektor tazy typu II Qak np. w układzie MC4046) wówczas w stanie s1mchronizmuna wyjściugeneratora pojawia się przebieg prostokątnybędący dokładniew fazie z przebiegiem wejściowym [3]. Mnożarka w takim przypadku pracuje podobnie jak detektor synchroniczny. Przebieg wyjściowy mnofarki podawany jest następniena filtr dolnoprzepustowy. w stanie ustalonym na wyjściufiltru pojawia się napięcie,które możnaokreślićzależnością ( 14): U^=1 l ( Jd t (1 4 ) a gdzie: T - okres przebiegu prostokątnego,rp . przesunięcie fazy pomiędzy przebiegiem prostokątnym a przebiegiem wejściowym Dla okresowegoprzebieguwejściowego(15) wartość napięcia wyjściowegookreślazależność (| 6), Ui=U.,'"(!,.r) 2U- u o = -cosQ 7t sygnaĘ wejściowe, nawet wieloklotnie mniejsze od poziomu zakłóceń' 6. Powielanie częstotliwości operacja mnożenia częstotliwościmusi przebiegaó z peWnym opóźnieniem,gdyŻ logicznie rzecz biorąc operacja taka kłóci się z zasadą iż przyczyna musi wyprzedzac skutek. Nie można bo. wiem wygenerowaÓ fali o większej liczbię okresów dopóki nie skończy się okres fali o częstotliwościpodlegającej mnożeniu. Pomimo tego oczylvistego ograniczeniapowielanie częstotliwości, czyli operacja mnożenia częstotliwościprzez liczbę natulalną możełatwo być przeprowadzonaza pomocą pętli fazowe1poprzez wprowadzenie dzielnika częstotliwościpomiędzy wyjściegeneratora VCo a wejściedetektorafazy,tak jak to pokazano na rysunku l. Stosując jako dzielnik częstotliwościlicznik modulo N stan synchronizmu pętli jest osi4gany przy częstotliwościgeneratora VCo równej N razy częstotliwość/sygnafuwejściowego.NaleŻy wówczas oczywiściedobrać częstotliwość początkową fG, generatora VCo tak by nie różniła się od wartości N/ więcej niż o pasmo chwytania pętli. operacja mnożenia częstotliwościmoŻę zostać wykorzystana w wielu różnych syn:acjach' ale w systemach pomiarowych jest szczególnie Przydatn^ do wywarzania impulsów zegarowych zsynchronizowanych z częstotliwością sieci 50 Hz' Jęże|iimpulsy takie w liczbie będącej całkowitą wielokrotnościąokresu sieci zostaną użyte do sterowania pracą przetwomika analog - cyfra z podwójnym całkowaniem, wówczas zakłócenia sygnafu pze. twarzanego pochodzące od sieci zosianą całkowicie wyeliminowane' Zastosowanie w tym przypadku pętli fazowej gwaranfuje, że eliminacja zakłóceń sieciowych będzie całkowita nawet w przypadku flukruacji częstotliwościsieci, gdyż generatorVCo pętli zostanie wówczas odpowiednio przestrojony. 7. Generacja przebiegów kwadraturowych W wielu różnych układach pomiarowych potrzebne są sygnały przesunięte względem siebie o % okresu (90.)' Jako przykład można podać układ automatycznęgo równoważenia mostków prądu zmiennego [ól. Do równoważenia mostka stosowane są układy mnożące sterowane z demodulatorów synchronicznych dających na wyjściusygnaĘ o wańościnapięcia niezrównowaŹenia mostka mnożoneodpowiednio przez cosp i sinq, gdzie <pjest przesunięciem fazy napięcia nierównowagi względem napięcia zasilania mostka. Do sterowaniademodulatorów synchronicznych potrzebazatem napięć, najlepiej w postaci fali prostokątnej dokładnie w fazie z napięciem zasilania mostka i przesuniętegowłaśnieo 90o czy1i o % okresu. Dobrze do tego celu nadaje się układ zawierający pętlęfazową przedstawionyna rysunku 5. (1s) (l 6 ) Poniewai przy zastosowaniu pętli z detektorem fazy typu II przesunięcie fazy rpjest równe zero na wyjściufiltru otrzymuje się przebieg będący wartościąśredniąwyprostowaną przebiegu wej. ściowego. Podobnie jak we wzmacniaczll z przetwarzaniemukład taki d. mnożarkai filtr dolnoprzepustowyma własność eliminacji wszelkich zakłóceń o częstotliwościach różniącychsię od częstotliwości wzmacnianego przebiegu o więcej niż wynosi pasmo przenoszenia wyjściowego filtru dolnoprzepustowego [7]. Stosując więc filtr o wąskim paśmiemożna z powodzeniem mierzyc bardzo słabe Rys' 5' Fig. 5. Układ pętli fzowej do generacjisygnałÓw kvadraturolvych Phase loop circuit for the generationofquadrature signals Przy zastosowaniu ukJadu pętli z detektorem fazowym Ępu 2 (np.MC4046) przebieg fali prostokątnejgenerowanejprzez YCo jest dokładnie zsynchronizowany z sinusoidalnym przebiegiem wejściowym,ponieważ roŻnicafaz sygnałów na wejściudetektora musi byc równa dok.ładniezero w stanie syncfuonizmu [4]. Przebiegi czasowe w różnych punktach układu przedstawiono na rysunku 6. :,\ j I :ś .: .ii I fi i .ł. 21 PAK vol. 54.nr l/2008 wośćimpulsów generowanychpTzez rastetzrównała się z częstotliwościągeneratorawzorcowego. Raster Rys.6. Fig. 6. Pnebiegi czasowe w układziewg rys. 5 Signal vs. time chaactcrsitics for the circuit presentedin Fig. 5 W układzie zastosowano plzerzutniki typu D połączone jako dwÓjki liczące. Przerzutniki takie zmieniają stan przy narastającym zboczu sygnałuwejściowego.Poniewaz częstotliwośćfali na wyjściu generatora VCo jest dwukrotnie wyższa niż przebiegu wejściowego,a dwójki ltczące z kolei dzielą częstotliwośćprzez dwa, na wyjściachWy1 i Wy2 otrzymuje się przebiegi o tej samej częstotliwościco plzebieg wejściowyale przesunięte względem siebie o % okresu. Przesunięcieto wynika z zastosowaniainwenera w torze wyzwalania dol-negoprzerzutnika na rysunku 5. 8. Układprecyzyjnej stabl|izacji prędkości obrotowej Układ działający na zasadzie pętli fazowej może zostać wykorzystany do precyzyjnej stabilizacji prędkościobrotowej. Zamiast generatora VCo w układzie pętli występuje wówczas zespół złożony z precyzyjnego rastra naniesionego na obracający się obiekt, detektora impulsów generowanych przez raster i napęd sterowanynapięciem stałym.Schemat całegouk.ładuprzedstawiono na rysunku 7. Detektor fazy generuje sygnat zaleany od różnicy faz przebiegu generowanegoprzez gęneratorwzorcowy G.W. (np. kwarcowy) i przebiegu w}twarzanego'przez detektor impulsów pochodzących od wirującego rastra. Po przejściuprzez fl'Itrsygnał częstotliwości różnicowej po wzmocnieniu steruje napędem tak aby częstotli. Rys' 7. Fig. 7. Uklad stabiliacji prędkościobrotow€ j The circuit for the rotationalspeed stabiliztion Stan taki jest utrzymylvany bo nawet jeŹeli prędkośćobrotowa rastraulegnie zmianie np. na skutek zrniany obciążenianapędu' to sygnał detektora fazy tak zmieni zasilanie napędu, że stan poprzedni zostanieprzywrócony. Powyższych kilka przykładów ilustruje różnorodnemożliwości wykorzystania synchronicznych pętli fazowych w układach pomiarowych co' jak już wspomniano we wstępie,może stac się inspiracjądo wykorzystania ich w innych rozwiązaniach. 9. Literatura ! ] Tony van Roon: Phase Locked Loops. http:i/www.uoguelph.ca./ -antoon/ gadgets.pllipll.html [2] J. B. Calvert: The phase.Locked Loop. hftp://www.du.ędu/-etunle/ electror/electI 2.htm [3] P. Horowiu' W. Hill: Sznrka eiektroniki. w.K.Ł. Warszawa l997' [4] J. Smith: IvlodernCommunication Circuits. McGraw-Hill 1987 [5] NvSE5ó5 Phase.Locked Loop. www.DataSheet'in [6] M. M. Stabrowski: Mierni*wo Warszawskiej 1994 elektryczne. Oficyna Wyd. Poi. [7] T. Sidor: Elektroniczne Przetworniki Pomiarowe. ACH Nauk..Dydakt. Kraków 2006 INFORMACJE Cennik publ'ikacjireklam w miesięczniku naukowo.technicznymPAK .. l. ii...'.'*l.ia. t'ł'łil,a;.'.:... okładka I 800:00 PI-N netto okladka I 600:00 PtN netto I okładka I 500i00 PLN netto V okładka 1 700i00 PLN netto 1 strona(17,5x250 mm) 9-00.00PLN netto % strony (175x125mm): poaoma 500ł00Pf'N.netto 700j00.PLN'nętto % strony (85x250 mm)- pionowa 1./3 , sEon} (l i )xó) rnm) 500,00 PLN, netto 700,00 PLN netto 400,00PLN netto %strony(85x125mm) 300.00 PLN netto Do podanych cen naleĘ doliczyć podatek VAT w wysokości22Yo. 1 100i00 PLN netto Ucz. Wyd.