Оригинальная информация была взята с cайта компании NXP Semiconductors и переведена на русский язык Ракитиной А.Ю.
Ссылка на источник: http://www.nxp.com/acrobat_download/applicationnotes/AN177.pdf
An overview of the phase-locked loop (PLL)
Концепция простейшей системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) известна и находит широкое применение с 1922 года, когда она впервые была предложена. С того времени системы ФАПЧ используются во многих устройствах, которые требуют высокого уровня подавления шумов и узкую рабочую полосу частот. Технические приборы и системы, вовлечённые в эти приложения, достаточно сложны, требуют значительного многообразия по составу частей. Многие системы ФАПЧ применяются на микроволновом уровне и используют сложные фазовые преобразования, расщепления сигналов, схемы модуляции и демодуляции, такие как ФМ-2 и квадратурная ФМ. Вследствие работы микроволновых приборов на всё более высоких частотах почти все компоненты систем ФАПЧ строятся по дискретным схемам в противовес интегральным. Однако в других областях телекоммуникационных систем, таких как фазовая и амплитудная демодуляция, где частоты составляют ниже примерно 100 МГц, монолитные (интегральные) системы ФАПЧ нашли широкое применение вследствие низкой стоимости, наряду с хорошими качествами.
Для того чтобы лучше представить себе зависимость между фазой и частотой в системе ФАПЧ, можно рассмотреть механическую систему, являющуюся аналогом электрической системы ФАПЧ.
Эта механическая система включает два одинаковых массивных диска с двумя отдельными центральными осями, соединёнными с каждым диском. Предполагается, что каждая ось устанавливается на подшипник, что позволяет дискам вращаться в противоположном направлении при действии какой-либо внешней силы. Оси соединяются между собой пружиной, края которой закрепляются с каждой осью. Эта пружина может поворачиваться в противоположном направлении в зависимости от взаимного расположения осей. Пружина не может перекрутиться благодаря тому, что оси проходят через центр пружины.
Теперь представим согласование событий в механической системе.
Изначально оба диска находятся в нейтральной позиции. Затем левый (input) диск поворачивается медленно в направлении часовой стрелки на некоторый угол. Правый (output) диск изначально не поворачивается, т.к. пружина начинает сжиматься. По мере того, как левый диск продолжает поворачиваться и когда он достигает определённого положения, правый диск поворачивается и отслеживает левый с некоторой ошибкой фазового рассогласования.
В любой отсчёт времени при условии, что оба диска поворачиваются медленно с постоянной скоростью, будет наблюдаться некоторая присущая фазовая ошибка.
Данная ошибка по фазе механической системы является аналогом ошибки по фазе в электрической системе ФАПЧ. Когда левый диск остановился, правый также постепенно останавливается с фиксированной фазовой ошибкой.
Теперь представим, что диски вернули к их первоначальному положению. Затем левый диск мгновенно повернулся на некоторый угол.
Правый диск не может «отреагировать» мгновенно вследствие своей значительной массы. Правый диск начинает ускоряться после некоторой задержки благодаря существенной фазовой ошибке. Он проходит конечную позицию левого диска, достигает пика отклонения и постепенно колеблется с затуханиями; в конечном итоге останавливается с некоторой малой остаточной ошибкой по фазе.
Такая механическая система является полезным аналогом для того, чтобы можно было представить частотные, фазовые, временные и постоянные статические отклики в электрической системе фазовой автоподстройки частоты.
Вообще монолитные системы ФАПЧ можно классифицировать на две группы: цифровые и аналоговые. Фазовый компаратор является, наверное, самой важной частью систем ФАПЧ, т.к. именно здесь одновременно сравниваются частоты входного сигнала и сигнала с выхода ГУН.
Некоторые цифровые ФАПЧ используют двухвходовый логический элемент «ИЛИ» в качестве фазового компаратора. Из-за значительных колебаний уровней логических напряжений в цифровых системах, для подавления гармонических частот должна использоваться фильтрация. По этой причине другие типы цифровых ФД достигают подтягивания частоты посредством синхронизации краёв входного сигнала и сигнала ГУН.
Аналоговые системы ФАПЧ используют в качестве фазового компаратора аналоговый мультиплексор для смешения входного сигнала и сигнала с выхода ГУН.
Система ФАПЧ также может генерировать сигнал, или отделять сигнал, декодировать и воспроизводить его.
Рассмотрим это подробнее. ГУН соединён с секцией, в которую его частота поступает вместе с частотой входного или входных сигналов. В радио это называется смесителем, где сигналы смешиваются друг с другом. В системе ФАПЧ это обычно называется фазовым компаратором. Другие названия этого устройства – фазовый детектор или мультиплексор (также аналоговый или цифровой). Этот фазовый компаратор нужен для того, чтобы генерировать выходной сигнал, который показывает, насколько отличается частота ГУН от частоты входного сигнала. Сравнение этих частот и генерирование сигнала ошибки пропорционально разнице частот позволяет изменять частоту ГУН от центральной и производить частоту, как у входного сигнала. Это именно то, что происходит с частотой ГУН – сначала захват частоты входного сигнала, и затем поддержание её.
Когда ГУН изменяет частоту и подтягивает её к частоте входного сигнала, то она удваивается. Если входной сигнал содержит шум, то выход ГУН будет точной копией частоты сигнала без шума. Таким образом, система ФАПЧ производит сигнал, преобразовывая его.
Сигнал ошибки используется, чтобы поддерживать синхронизацию ГУН с входящим сигналом, который может быть усилен, отфильтрован. К примеру, в некоторых цифровых устройствах памяти и системах передачи данные хранятся в виде кодов и стробируются по частоте, которая должна быть синхронизирована с данными. Это может происходить на частоте, которая в два раза больше или меньше частоты сигнала данных. Это иллюстрирует другое применение ФАПЧ – умножение или деление частот.
Системы ФАПЧ могут отделять одну частоту среди множества других, как, например, делается в теле- и радиоприёмниках. Этот отбор или захват контролируется в системе ФАПЧ фильтром нижних частот, который позволяет ФАПЧ отследить сигналы, близкие к интересующей частоте. Постоянная времени ФНЧ легко устанавливается выбором резистора и ёмкости. Это определяет, насколько может отличаться по частоте входной сигнал от центральной частоты, и позволяет ФАПЧ реагировать и производить захват. Одновременно с захватом система ФАПЧ будет продолжать слежение за частотой входного сигнала, пока мгновенная ошибка по фазе не превысит способности системы.
Системы ФАПЧ декодируют ФМ сигналы подобным образом. Частотные изменения, вызванные напряжениями от микрофона к ГУН, сохраняются как входной сигнал для другой системы ФАПЧ, которая производит преобразования с момента, когда сигнал ошибки, заставляющий работать ГУН второй ФАПЧ, такой же, как из микрофона.
Другим применением ФАПЧ является декодирование АМ сигнала. Это находит более широкое применение, чем ФМ демодуляция, т.к. не требуются дополнительные блоки.