De PLL 'Phase Locked Loop' Fase vergrendelde schakeling
De PLL wordt in veel apparaten gebruikt. Tonny PA4TON heeft in het kort de werking van deze schakeling samengevat.
Geschiedenis
De PLL is in de 30er jaren ontwikkeld t.b.v. radarinstallaties. Dit om bij de vele vrijlopende oscillatoren een frequentieomschakelingen in deze apparaten toe te passen. Een kwartsoscillator is vrijwel onmogelijk in z'n frequentie te moduleren en was daardoor minder geschikt voor de betroffen toepassingen.
En met het gebruik van een PLL heeft men een AFC (automatische frequentie correctie). Met het voordeel dat de nauwkeurigheid nagenoeg gelijk is aan die van een kwartskristal.
De PLL is pas na de komst van IC techniek voor amateurgebruik interessant geworden. De PLL wordt ook heel veel toegepast in kleine en mobiele zend/ontvang apparatuur.
Gebruik
- Voor selectieve afstemming.
- Filters zonder spoelen.
- Frequentiesynthesizers.
- FM demodulator
De PLL is een van de beste schakelingen om twee signalen te synchroniseren. Er wordt bij deze schakeling gebruik gemaakt van de eigenschap dat twee signalen alleen maar een constante onderlinge fase hoek hebben, als hun frequenties exact gelijk zijn.
Opbouw
De PLL is op te delen in drie onderdelen:
- Fasevergelijker.
- Laagdoorlaatfilter.
- VCO (spanningsgestuurde oscillator). Door de spanning van de VCO aan te sluiten aan de fasevergelijker, ontstaat een teruggekoppeld systeem.
Deze regelkring is getekend in figuur 1. Hierin zal de fasevergelijker de fase van de ingangsspanning Ui met die van de oscillatorspanning Uu vergelijken. Als deze spanning niet volledig in frequentie (en fase) gelijk zijn, ontstaat er een verschilspanning. Deze verschilspanning gebruiken we voor het bijregelen van de VCO.
Fig. 1.
De fasevergelijker (PC) is een elektronische schakeling die in staat is van periodieke signalen met een zelfde frequentie een regelspanning te produceren, waarvan de grootte afhankelijk is van de fasehoek tussen beide ingangssignalen. De uitgangsspanning van de PC is het product van beide ingangssignalen f1 en f2, deze spanning gaat naar het laagdoorlaat filter wat zo samengesteld is dat deze alleen signalen doorlaat waarvan de frequentie lager is dan een vastgestelde waarde.
Terwijl de VCO wordt afgesteld op de te verwachten frequentie, waardoor er in de fasevergelijker twee signalen binnen komen met ongeveer dezelfde frequentie. De uitgangsspanning van de vergelijker bevat dan de som en de verschilfrequentie van beide ingangssignalen (f1 en f2). De somfrequentie is een hoogfrequentie wisselspanning die door het LDF wordt gesperd.
De verschilfrequentie is erg laag, omdat de VCO op ongeveer dezelfde frequentie is afgesteld als het ingangssignaal.
Fig. 2.
Dit signaal komt via het laagdoorlaatfilter op de stuuringang van de VCO die hierdoor in frequentie gemoduleerd wordt.
Door de langzame frequentiemodulatie varieert de uitgangsfrequentie van de VCO rond de ingangsfrequentie. Wanner beide frequenties gelijk worden, wordt de verschilfrequentie 0 Hz en zal de stuurspanning van de VCO niet meer varieren. De frequentie van de VCO blijft dan gelijk aan de ingangsfrequentie (vrijloopfrequentie).
Het loopfilter na de fasevergelijker is een LDF met een dubbele functie. In de eerste plaats zorgt deze er voor dat de som frequentie (f1 + f2) van beide ingangssignalen uitgefilterd wordt. En in de tweede plaats bepaalt de doorlaatbreedte het yangbereik van de PLL. Bij een kleinere bandbreedte zal het vanggebied ook kleiner worden. Met een smalbandig loopfilter is het mogelijk signalen die in de ruis 'verdronken' zijn terug te winnen. De eenvoudigste vorm is een RC filter, maar een veelgebruikte methode is een actief filter. Hierbij worden de laagfrequent componenten extra versterkt, waardoor de gevoeligheid van de PLL toeneemt.
In figuur 3 is aangegeven zoals de PLL in blokschema voorkomt in de examenopgaven, v.l.n.r. Voltage Controlled Oscillator, Deler, Phase Comparator, Kristaloscillator, en onder het laagfrequent doorlaatfilter.
Fig. 3.
De deler maakt het mogelijk om op de uitgang een hogere frequentie te gebruiken, omdat de ingang van de fasevergelijker (A, B) in fgrequentie gelijk moet zijn. Terwijl de fasen verschillen.
Zie ook figuur 4.
Fig. 4.
Tonny van den Burgh, PA4TON.