1. Khái niệm
PLL là viết tắt của “phase-locked loop”, được hiểu nôm na là vòng khóa pha, về
cơ bản là một loại mạch điện tử được sử dụng trong việc đồng bộ thời gian, giữa tín
hiệu vào và tín hiệu ra. Cụ thể, nó bao gồm hai giai đoạn xử lý tín hiệu, đầu vào là tín
hiệu không đồng bộ (không được đồng bộ về tần số hay pha với tín hiệu đầu ra) và
đầu ra là một tín hiệu mới có tần số và pha khớp với tín hiệu đầu vào. Chức năng dựa
trên việc phát hiện sai khác pha giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra của bộ dao động
điều khiển. Tín hiệu đầu vào có thể có dạng tương tự hình sine hoặc dạng số.
2. Các thành phần
Bộ tách sóng pha (Phase detector): Bộ này có nhiệm vụ cho ra một tín hiệu
phụ thuộc vào hiệu pha (hiệu tần số) của 2 tín hiệu vào, thường là tín hiệu
hình Sin hoặc dãy xung chữ nhật, hay nói cách khác là so sánh tần số vào và
tần số ra của VCO để cho ra điện thế DC tỉ lệ thuân với độ sai pha giữa 2 tần
số. Có 2 loại dò pha:
Dò pha tuyến tính: Thường được thực hiện bởi mạch nhân tương tự.
Tín hiệu ra tỉ lệ với biên độ tín hiệu vào.
Dò pha phi tuyến (dò pha số): Được thực hiện bởi các mạch số (AND,
OR XOR, EXOR...). Tín hiệu vào của nó là dãy xung chữ nhật. Tín hiệu ra
không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu vào.
Bộ lọc thông thấp (Low-pass-filter): Dùng để lấy tín hiệu tần số thấp, lấy ra
điện thế DC. Trong hệ thống PLL, người ta thường dùng các bộ lọc thấp qua
bậc một để bảo đảm tính ổn định cho hệ thống.
Bộ khuếch đại 1 chiều: Để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền để đưa vào
điều khiển tần số của mạch VCO
VCO (Bộ dao động điều khiển điện áp): Để phát ra tần số tỉ lệ với điện thế đầu
vào. Đây là một khối quan trọng nhất trong PLL vì nó quyết định độ ổn định
tần số, các đặc trưng giải điều chế tín hiệu, điều tần (FM).
3. Các khái niệm cơ bản trong PLL
Dải bắt (capture range): Là dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải lọt vào để
PLL có thể thiết lập chế độ đồng bộ (khóa). Nói cách khác đó là dải tần số mà
PLL có thể đạt được sự khóa pha khi việc khóa pha chưa thực hiện.
Dải khóa (the lock range): Là khoảng tần số lân cận fN của VCO mà PLL đồng
nhất được tần số fO với tần só fi. Dải này còn được gọi là dải đồng chỉnh
(Tracking range).
Dải bắt và dải khóa
4. Nguyên lý hoạt động của PLL
PLL hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào và ra là tần số
và chúng được so sánh với nhau về pha. Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát hiện
B = K p / 2θ
( K p là tỷ số đồng pha, θ là hệ số damping)
- Tỷ số đồng pha:
K p = N * (2θ * ωn) / f ref
(N là hệ số đảo pha, ωn là tần số tự nhiên của PLL)
- Tần số cắt của bộ lọc:
ωc = 2 π * B
1
CÁC KHÁI NI
ỆM LÝ THUYẾT
TH
ỰC H
ÀNH
Bài 1Thành ph
ần v
à
các điểm lý thuyết cơ bản của PLL
Bài 2Các ch
ức năng của mô đun T10L
\EVBài 3T
ổng hợp tần số
Bài 4B
ộ giải m
ã âm t
ần
Bài 5
Điều bi
ênBài 6
Điều tần
Bài 7H
ệ thống truyền dẫn
AM/DBS & FM
BÀI 1VÒNG BÁM PHA PLL VÀ
ỨNG DỤNG
2
- CÁC KHÁI NI
ỆM LÝ THUYẾT
- PLL
Ph
ần
này bao g
ồm
: mô t
ả sơ bộ hoạt động của một hệ thống PLL
và mô t
ả giải
tích các tính ch
ất của nó.
1.1. HO
ẠT ĐỘNG CỦA PLL
Hình 2.1, m
ột cách định tính, có thể được coi l
à m
ột điểm khởi đầu trong chuỗi động thái của một v
òng khoá pha.Các d
ạng sóng trong quá tr
ình ho
ạt động của hệ thống được giả sử l
à sóng
vuông cho đơn giản.
Nhi
ệm vụ của v
òng bao g
ồm có nhiệm vụ giữ cho tín hiệu (xung nhịp cục bộ)
t
ạo bởi bộ tạo giao động cục bộ (VCO) khớp về mặt pha v
à t
ần số với xung nhịp tại
l
ối
vào c
ủa hệ thống (xung nhịp tới
-incoming clock).Mô t
ả dưới đây đề cập tới trạng thái ổn định (steady state)của PLL, đó là động
thái c
ủa v
òng bám pha sau m
ột thời gian d
ài v
ới sự tác động của các nhiễu ví dụ như
m
ột thăng giáng đột ngột của tần số lối
vào; nh
ững nhiễu n
ày t
ạo ra các dao động thiết
l
ập (settling oscillations) cho các đại lượng đặc trưng của hệ thống, nó cũng được biết đến như là các giá trị chuyển tiếp (transition values).
N
ếu hệ thống n
ày là
ổn định, các
gía tr
ị chuyển tiếp của quá tr
ình thi
ết lập pha này (the settling phase), được gọi l
à tr
ạng thái chuyển tiếp (transient state), rút ngắn lại
khi h
ệ thống đạt được một trạng thái ổn định mới.
Các thành ph
ần của bộ PLL, cũng như chức năng của chúng trong hệ thống được chỉ ra trong h
ình 2
.1 và được giải thích như dưới đây.
1.1- 1.B
ộ tách phase (Phase Detector)
B
ộ
tách pha liên t
ục đo sự sai khác về pha giữa xung nhịp tới v
à xung nh
ịp cục
b
ộ (VCO). Như trong ví dụ chỉ ra trong h
ình 2.1, b
ộ
tách pha t
ạo ra các xung dương hoặc
các xung âm tu
ỳ thuộc hoặc l
à các giá tr
ị chuyển tiếp của xung nhịp sắp tới đến trước
các giá tr
ị của xung nhịp cục bộ (VCO), hoặc ngược lại.Độ dài các xung này tương ứng với thời gian tách biệt giữa các trạng thái
chuy
ển tiếp của hai xung nhịp n
ày.
3
Hình 2.1:
Giá tr
ị
trung bình c
ủa xung đ
ã mô t
ả trên được biểu diễn bằng đường nét đứt
trên hình 2.1: Nó bi
ểu diễn khuynh hướng khác biệt về pha của hai tín hiệu lối v
ào c
ủa
b
ộ
tách pha này.Mi
ễn l
à nh
ững sự khác biệt về pha n
ày có giá tr
ị nhỏ, khuynh hướng n
ày là cân b
ằng được tạo ra bởi xử lý hai sóng sin c
ùng t
ần số v
à khác pha, do v
ậy bộ
tách pha
thông thường được mô tả như một bộ nhân (h
ình 2.1).Th
ực tế, các bộ xác đinh pha kiểu tương tự l
à các b
ộ trộn thực thực hiện nhân
hai tín hi
ệu lối v
ào c
ủa bộ.
1.1- 2. B
ộ lọc v
òng (Loop filter)
Tín hi
ệu ra của bộ
tách pha
được gửi tới bộ lọc thông thấp của v
òng bám pha (hình 2.1); b
ộ lọc n
ày rút giá tr
ị trung b
ình c
ủa tín hiệu thu được từ các phép đo pha v
à c
ố gắng loại bỏ nhiễu của tín hiệu lối v
ào.Tín hi
ệu đ
ã
được lọ
c bi
ến điệ
u t
ần số của bộ tạo dao động cục bộ (VCO). Như nhiệm vụ của bộ lọc thông thấp, nó bỏ đi tất cả các th
ành ph
ần tần số cao
t
ừ các xung tín hiệu của bộ
tách pha gi
ữ lại tính chất của sự sai khác về pha (trong
kho
ảng thời gian ngắn), do vậy tín hiệu của bộ tạo dao động cục bộ được điệu chỉnh
d
ựa tr
ên pha c
ủa tín hiệu v
ào.
1.1- 3. B
ộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp (VCO)
B
ộ tạo dao động cục bộ (VCO) được điều khiển bằng điện áp của tín hiệu lối ra
c
ủa bộ lọc thông thấp.