Phase locked loop
Het aloude "phase locked loop"-systeem, uitgevoerd met halfgeleiders is uitstekend geschikt als synchroondetektor voor FM- en AMontvangers, stereodekoders en voor datatransmissie bij komputers. Ondergebracht in een enkel IC is dit systeem echter een revolutie op het gebied van frekwentiedetektie, te meer daar het gebruik van afgestemde kringen niet meer nodig is (zie Elektuur oktober 1969).
In de huidige ontwikkeling van de elektronische kommunikatietechniek neemt het PLL-systeem een steeds grotere plaats in, dank zij de mogelijkheden die moderne halfgeleiders en geintegreerde circuits bieden.
Kort geleden zijn door Signetics en Motorola een aantal nieuwe typen IC's ontwikkeld waarin een komplete "phase locked loop" is ondergebrachi. Dit nieuwe IC maakt het mogelijk om afgestemde circuits met spoeten in middenfrekwentdelen van FM- en AM-ontvangers te vermijden en rechtstreeks achter het hoogfrekwent deel naar een verschilfrekwentie nul te mengen, zodat direkt het audiosignaal beschikbaar is. (Dit detektiesysteem is ook bekend onder de naam synchrodyne).
"Phase locked loop" (PLL) betekend letterlijk: "fazegesleutelde kring", d.w.z. een rondgekoppeld geheel, waarbij een oscillator wordt vergrendeld met het ingangssignaal d.m.v. een fazedetektor. In figuur 1 zijn in een blokschema de vier basiselementen van de PLL weergegeven, te weten: een fazedetektor, een laagdoorlaatfilter, een versterker en een spannings geregelde oscillator.
Figuur 1. Algemeen blokschema van een "phase locked loop".
De fazedetektor is een vermenigvuldiger, die het ingangssignaal mengt met het oscillatorsignaal, zodat aan de uitgang hiervan de som- en verschilfrekwenties fs ± fo ontstaan. Wanner de kring vergrendeld is dan zal de oscillatorfrekwentie eksakt gelijk zijn aan de frekwentie van het ingangssignaal, zodat de verschilfrekwentie nul bedraagt. In dit geval bezit de uitgangsspanning van de fazedetektor een gelijkspanningskomponent. Het uitgangssignaal wordt in n laagdoorlaatfiiter gestopt, zodat de somfrekwentie fs + fo wordt onderdrukt, terwijl het resterende deel na versterking aan de regelingang van de oscillator wordt toegevoerd. De gelijkspannin gskomponent (foutsignaal) is afhankelijk van het fazeverschil tussen ingangssignaal en oscillatorsignaal en zorgt ervoor dat de oscillator "in de pas blijft lopen" met de ingangsfrekwentie.
De fazedetektor is in feite niets anders dan een elektronische schakelaar die wordt bediend door de oscillator. Figuur 2 laat zien op welke wijze de gemiddelde gelijkspanning (regelspanning) aan de uitgang van de fazedetektor afhankelijk is van het fazeverschil bij een sinusvormig ingangssignaal.
Figuur 2. Spanningsdiagram van de in de NE560B gebruikte fazedetektor, bij diverse fazedraaingen tussen in-gangs- en oscillatorsignaal.
Wanneer de oscillator niet gelijkloopt, of zoals in het vakjargon wordt uitgedrukt: niet is "ingevangen", dan is het regelsignaal, afkomstig van de fazedetektor, een wisselspanning die na filtering alleen de verschilfrekwentie fs - fo bevat. De oscillator is in dit geval vrijlopend.
Wanneer echter de oscillatorfrekwentie dichter in de buurt van de ingangsfrekwentie komt d.w.z. de verschilfrekwentie lager wordt dan de afsnijfrekwentie van het filter, dan zal de oscillatorfrekwentie in het ritme van deze verschilfrekwentie worden gezwaaid en de ingangsfrekwentie benaderen tot dat een stabiele toestand is bereikt en de oscillator is vergrendeld. Het is in dit verband duidelijk dat het vanggebied (het frekwentiegebied waarbinnen synchronisatie tot stand kan worden gebracht) afhankelijk is van de afsnijfrekwentie van het filter, de regelgevoeligheid van de oscillator en de versterking van de versterker. Wanneer de oscillator eenmaal is ingevangen ontstaat een stabiele toestand waarbij de oscillatorfrekwentie geiijk is en blijft aan de ingangsfrekwentie, ook wanneer de ingangsfrekwentie varieert. Het frekwentiegebied waarbinnen de oscillator in deze stabiele toestand blijft is alleen afhankelijk van de lustversterking en het regelbereik van de oscillator en kan beduidend groter zijn dan het vanggebied. Dit frekwentiegebied wordt dan ook ter onderscheiding "houdgebied" genoemd.
Toepassingen van de PLL
De belangrijkste toepassingen van het "phase locked loop"-systeem zijn o.a. FM- en AM-detektie, FM-telemetrieontvangst, FSK (Frequency Shift Keying) en stereodekodering. Bovendien kan het PLL-systeem worden toegepast om ongewenste komponenten uit een signaal to filteren. Frekwentievermenigvuldigen behoort eveneens tot de mogelijkheden doordat de oscillator op een harmonische van het ingangssignaal kan worden vergrendeld en wel over een breed frekwentiegebied.
Een belangrijk type IC dat voor een groot aantal toepassingen in aanmerking komt is de NE560B van Signetics (zie figuur 3). Behalve de reeds genoemde basiselementen is in dit IC tevens een ekstra begrenzer en een uitgangsversterker ondergebracht. De begrenzer vergroot in belangrijke mate het houdgebied van de PLL.
Figuur 3. Aansluitingen en intern blokschema van het geintegreerde circuit NE560B.
FM-middenfrekwentdeel met PLL-detektor
Figuur 4 toont een kompleet FMmiddenfrekwentdeel plus detektor opgebouwd met het IC NE560B, die als synchroondetektor fungeert. Ter verhoging van de gevoeligheid en AMonderdrukking wordt de NE560B voorafgegaan door een ingangsversterker en een begrenzer, uitgevoerd met het IC 510A van Signetics.
Figuur 4. FM-middenfrekwent deel met synchroondetektor.
De ingangsamplitude bepaalt tot zekere hoogte het houdgebied van de synchroondetektor en wel bij amplituden kleiner dan 2 mVeff. Bij een grote amplitude neemt echter de AM onderdrukking af en is bij een ingangsnivo van 30 mVeff nog slechts 20 dB.
Wanner strenge eisen worden gesteld aan zowel de konstantheid van het houdgebied als de AM-onderdrukking (hetgeen overigens bij FM-ontvangers niet het geval is) dan moet de ingangsspanning tussen 2 en 10 mVeff liggen.
De afstemming van de PLL geschiedt door de oscillator af te regelen op de middenfrekwentie van het FM-signaal. De oscillatorfrekwentie bedraagt fo = 3×10-4/Co, waarbij rekening moet worden gehouden met een tolerantie van ± 10% t.g.v. de onnauwkeurigheid van de weerstanden in het IC. Voor het afrege en van de oscillatorfrekwentie kan men parallel aan de frekwentiebepalende kondensator Co een trimmer opnemen. Een andere mogelijkheid is om aansluiting 6 te benutten door een instelpotmeter vanaf dit punt (in serie met een begrenzingsweerstand van 2 kOhm) naar de voeding te leggen.
De ingangsgevoeligheid en het houdgebied worden voornamelijk bepaald door de rondgaande versterking van de PLL, welke afhankelijk is van een interne weerstand tussen de aansluitingen 14 en 15 van het IC. Het yangbereik wordt in eerste instantie bepaald door een laagdoorlaatfilter, gevormd door bovengenoemde weer-stand en twee ekstern met deze aansluitingen verbonden kondensatoren.
FSK-demodulator
Voor het omzetten van FSK-signalen (Frequency Shift Keying) in logische nivo's is het "phase locked loop"systeem bij uitstek geschikt. Een FSKsignaal is een signaal, dat beurtelings tussen twee frekwenties wisselt en aldus digitale informatie kan bevatte Men kan het eveneens beschouwen als FM-telegrafie. Het FSK-systeem wordt voornamelijk gebruikt om digitale informatie via Lange leidingen of zenders te transporteren, zoals bijv. het on-line systeem bij komputers. Met behulp van het PLL IC type NE560B is deze FSK-informatie zeer goed to detekteren, waarbij de goede storingsonderdrukking van, essentieel belang is. In figuur 5 is een dergelijke FSK-demodulator weergegeven. De PLL is afgestemd op een frekwentie van 1060 Hz. Fijnregeling is mogelijk met de potmeter van 5 kOhm. De ingangsspanning mag zowel sinusvormig als rechthoekig zijn en moet liggen tussen 30 mVpp en 2 Vpp. De uitgangsspanning bedraagt ca. 60 mV en wordt verder versterkt tot het gewenste logische nivo m.b.v. een operationele versterker.
Figuur 5. FSK (Frequency Shift Keving)-demodulator met PLL.
P. Lambrechts.