Comprendere il Loop a Fase come sistema di feedback

Un loop a sblocco di fase è fondamentalmente un sistema di controllo del feedback negativo che sincronizza un oscillatore locale con un segnale di riferimento in arrivo. L'intuizione del nucleo è che il loop minimizza continuamente l'errore di fase tra i due segnali, creando una condizione di blocco in cui sia la frequenza che la fase sono abbinate all'interno di una piccola tolleranza.

I tre blocchi essenziali formano una catena chiusa: il rilevatore di fase confronta il riferimento e l'uscita VCO, producendo una tensione di errore proporzionale alla loro differenza di fase. Il filtro a ciclo condiziona questo segnale di errore, rimuovendo componenti ad alta frequenza e modellando la risposta dinamica del loop. Infine, l'oscillatore controllato dalla tensione genera una forma d'onda periodica la cui frequenza è determinata dalla tensione di errore filtrata.

Ci sono due distinti intervalli di frequenza che caratterizzano le prestazioni PLL. La gamma di cattura è la banda di frequenza all'interno della quale il loop può tirare il VCO in blocco da uno stato free-running. La gamma di serratura, chiamata anche gamma di agganci, è la regione su cui il ciclo mantiene la serratura una volta stabilito. In un loop tipo II ben progettato, la gamma di serrature è tipicamente più ampia della gamma di cattura, a volte significativamente.

Il tipo di anello di tipo I ha un solo polo all'origine, fornendo un guadagno di CC finito e un errore di fase non zero-stato per un passo di frequenza. Un ciclo di tipo II ha due integratori, che producono un guadagno continuo DC e zero errore di fase stabile-stato. L'ordine è il numero totale di poli nella funzione di trasferimento di stabilità a ciclo chiuso, che influisce sul secondo livello di risposta.

Perché discreto Op-Amp Attuazione Matters

Costruire un PLL da amplificatori operativi piuttosto che utilizzare un PLL IC dedicato come il 4046 o il LM565 offre diversi vantaggi pedagogici. Si ottiene l'accesso diretto a ogni nodo interno, che consente di sondare e comprendere le trasformazioni del segnale in ogni fase. L'architettura aperta consente di modificare i singoli blocchi in modo indipendente, scambiare i componenti del filtro in tempo reale, e osservare come questi cambiamenti influiscono sul comportamento del loop complessivo su un oscilloscopio dinamico.

Gli amplificatori operativi sono particolarmente adatti per questo compito perché possono eseguire moltiplicazioni, filtraggio, livellamento e buffering con un piccolo numero di componenti esterni. Utilizzando i pacchetti quad op standard come il TL074 o il LM324, è possibile implementare tutti e tre i blocchi PLL su un unico pannello, mantenendo il costo dei componenti basso. La larghezza di banda di questi op-amp copre comodamente le frequenze audio e si estende in una gamma bassa di sperimentazione RF

Al contrario, i chip PLL integrati spesso nascondono nodi interni, rendendo impossibile osservare direttamente l'uscita del rilevatore di fase o la risposta del filtro del loop. Inoltre, hanno correnti di pompaggio a carica fissa e topologie del filtro del loop predefinite che limitano la personalizzazione.

Selezione e attrezzature di prova dei componenti

Prima dell'inizio dell'assemblaggio, raccogliere un insieme completo di componenti e apparecchiature di prova. La qualità del vostro pannello di pane e alimentazione influenzerà direttamente l'affidabilità delle vostre misurazioni, soprattutto quando si tratta dei segnali analogici a basso livello nel rilevatore di fase e filtro del loop.

  • Amplificatori operativi: Due pacchetti dual o quad, come il TL074 (ingresso JFET, buona larghezza di banda) o il LM324 (bipolare, singolo-fornitore capace). Per applicazioni di precisione, considerare l'OPA2134 o il MCP602. Il TL072 è una scelta conveniente con basso rumore di fase e velocità adeguata per la maggior parte delle sezioni sperimentali.
  • Riscontri:[] Una selezione da 1 kΩ a 1 MΩ in valori standard E24.Richiedono resistenze di precisione 1% in metallo-film per il filtro a ciclo e i componenti di temporizzazione VCO. Includere diversi trimpot 10 kΩ e 100 kΩ per le regolazioni di tuning.
  • Capacitors:[] condensatori in ceramica da 100 pF a 100 nF per il bypass e il filtraggio ad alta frequenza, e condensatori elettrolitici o cinematografici da 1 μF a 100 μF per il filtraggio a loop costanti e il decoupling dell'alimentazione.
  • Diodi:[ 1N4148 o 1N914 diodi segnale per la costruzione di porte XOR discrete e per la protezione di ingressi contro sovratensione.
  • Generatore di filtrazione:[] È ideale una sorgente d'onda pulita o d'onda quadrata con ampiezza e frequenza regolabile. Per i test iniziali, è ideale una frequenza fissa intorno a 1 kHz a 10 kHz.
  • Oscilloscopio:[] Una portata a doppio canale o a quattro canali con una larghezza di banda di almeno 10 MHz. La capacità di archiviazione digitale è utile per catturare il comportamento transitorio durante l'acquisizione di serrature.
  • Alimentazione:[] Una fornitura di divisione di ±12 V o ±15 V fornisce la massima sala per i circuiti op-amp. Se si utilizza un unico alimentatore, costruire un terreno virtuale utilizzando un divisore di tensione e un buffer op-amp.
  • Pavitore e interconnessioni:[] Utilizzare un panno senza saldatura con bassa resistenza di contatto e 22 AWG filo solido-core. Tenere le lunghezze di piombo breve, soprattutto intorno al VCO e rilevatore di fase, per ridurre al minimo la capacità parassita e l'accoppiamento di randa.

Per ulteriori indicazioni sulla selezione e l'applicazione op-amp, fare riferimento alla nota di applicazione [Texas Instruments sul design op-amp monofornitura[[]]. Questo documento fornisce consigli pratici sulla gamma di biasing, ingresso common-mode e limitazioni di uscita swing che sono direttamente rilevanti per la costruzione PLL.

Passo 1: Condizionamento del segnale di riferimento

Il segnale di riferimento deve essere pulito, stabile e correttamente tamponato prima di entrare nel rilevatore di fase. Collegare il generatore di funzione alla scheda di pane attraverso un seguace di tensione di un'unità-gain utilizzando una sezione del pacchetto op-amp. Questo buffer impedisce al rilevatore di fase di caricare il generatore e fornisce un'unità di bassa impedenza in grado di fornire un'ampiezza coerente indipendentemente dalle fasi successive del circuito.

Se il generatore di funzioni ha una significativa distorsione di CC o armonica, si consideri l'aggiunta di un semplice filtro passivo ad alto valore all'ingresso del buffer per rimuovere il componente DC. Per un riferimento d'onda sine, si può anche passare il segnale attraverso un filtro di secondo ordine a basso passaggio con una frequenza di cutoff appena sopra il fondamentale per sopprimere le armoniche che potrebbero confondere il rivelatore di fase.

Per gli esperimenti iniziali, scegliere una frequenza di riferimento nella gamma di 1 kHz a 10 kHz. Questa banda di frequenza rientra nella comoda gamma di op-amps generali e è abbastanza basso da osservare sulla maggior parte degli oscilloscopi senza alias. Come si guadagna la fiducia, è possibile scalare il design a frequenze più alte o inferiori regolando i valori dei componenti.

Fase 2: Attuazione del rivelatore di fase

Il rilevatore di fase è il cuore di rilevamento degli errori del PLL. La sua uscita deve essere una funzione lineare o quasi lineare della differenza di fase tra il riferimento e l'uscita VCO su almeno una gamma di ±90 gradi. Due approcci pratici basati su op-amp sono accessibili all'hobbista: il moltiplicatore analogico e il cancello XOR.

Multiplier analogico con componenti discreti

Un vero moltiplicatore analogico a quattro quadrant può essere costruito utilizzando i transistor op e abbinati in una configurazione di cella Gilbert, ma questo richiede un'attenta corrispondenza e biasing. Un moltiplicatore a due quadrant semplice può essere costruito utilizzando un op-amp, due diodi, e un paio di resistenze. Il circuito funziona cambiando il guadagno di un amplificatore invertente sotto il controllo di un segnale di ingresso, mentre l'altro ingresso moltiplicato come il segnale di uscita del segnale.

Per scopi educativi, l'approccio a due quadrant è sufficiente per dimostrare il rilevamento di fase, ma introduce non linearità che possono influenzare la gamma di cattura e la linearità. Se si richiede un rivelatore più preciso, si consideri l'utilizzo di un IC moltiplicatore dedicato come AD633 o MPY634, che forniscono funzioni di trasferimento calibrate con componenti esterni minimi.

XOR Phase Detector Usando i Comparatori Op-Amp

Il rilevatore XOR è l'implementazione più semplice per un primo PLL. Richiede la conversione sia del riferimento che dell'uscita VCO in onde quadrate, quindi combinandoli con una funzione esclusiva-OR. Il valore medio dell'uscita XOR varia linearmente con la differenza di fase tra le due onde quadrate, da 0 V quando sono esattamente in fase (per un riferimento del ciclo di lavoro del 50%) alla tensione di alimentazione completa quando sono 180 gradi di fase.

Per creare le onde quadrate, configurare due sezioni op-amp come rilevatori di crossing zero con feedback positivo (Schmitt triggers).Questo isteresi impedisce il falso attivamento a causa del rumore sui segnali di ingresso. Scegliere le soglie di isteresi di circa 100 mV per mantenere una buona sensibilità mentre rifiuta il rumore di ingresso. Le due uscite quadrate di onda vengono alimentate in una funzione XOR.

Un pratico XOR analogico può essere costruito come segue: alimentare le due onde quadrate in un amplificatore di somma invertente attraverso resistenze di valore uguale. L'uscita dell'amplificatore di somma sarà la somma invertita delle due onde quadrate. Quando entrambi gli ingressi sono alti o entrambi bassi, la somma produce una tensione che, quando è clip da diodi, produce la tabella di verità XOR.

Per una spiegazione dettagliata della logica di XOR gate e della sua traduzione a circuiti analogici, consultare questo tutorial sulla logica combinata[]. Misurare l'uscita del rilevatore di fase con un multimetro mentre sposta manualmente la fase di un segnale di ingresso.

Passo 3: Progettazione del filtro del loop

Il filtro a loop è il componente più critico per determinare il comportamento dinamico di PLL, che deve sopprimere l'increspatura ad alta frequenza dal rilevatore di fase, consentendo al tempo stesso di passare le informazioni di errore a bassa frequenza all'ingresso di controllo VCO.

Limitazioni di filtro RC passivo

Un semplice filtro passivo RC di primo ordine, composto da un singolo resistore e condensatore a terra, è il più facile da implementare ma ha notevoli svantaggi. La tensione di uscita non è bufferata, quindi il carico dall'ingresso VCO può cambiare l'effettivo tempo costante e introdurre errori. Inoltre, un filtro di primo ordine fornisce solo 20 dB per decennio di roll-off, che potrebbe non essere sufficiente per sopprimere il risultato di fase di ripple, soprattutto se il circuito di riferimento di riferimento di riferimento di riferimento di riferimento di riferimento di banda di riferimento è vicino.

Inoltre, un filtro passivo non può fornire guadagno DC. L'uscita del rilevatore di fase oscilla spesso solo pochi volt, e il VCO può richiedere un range di tensione di controllo più ampio per coprire l'intervallo di frequenza desiderato. Senza l'amplificazione, l'intervallo di cattura è limitato.

Filtro attivo di seconda ordina

Il filtro attivo costruito intorno ad un op-amp supera queste limitazioni fornendo buffering e consentendo una risposta di ordine superiore. La configurazione più comune per le applicazioni PLL è il filtro proporzionale-integrale (PI) di tipo II. Questo filtro è costituito da un integratore op-amp con un resistore in serie con il condensatore di integrazione. La funzione di trasferimento include un polo all'origine, che fornisce un guadagno CC infinito e garantisce zero stabilizzatore di frequenza di stato determinato è una serie di frequenza A.

Per misurare il guadagno VCO, applicare una tensione DC nota all'ingresso di controllo VCO e misurare la frequenza risultante. Ripetere questa misura per diversi punti di tensione all'interno dell'intervallo di funzionamento previsto per determinare la linearità e la pendenza. Una volta che si conosce il guadagno VCO (Kvco) in Hz/V, è possibile progettare il filtro a ciclo per una larghezza di banda desiderata e il fattore di smorzamento.

Come punto di partenza, scegliere una larghezza di banda del loop circa un decimo della frequenza di riferimento. Questo rapporto fornisce buone prestazioni di monitoraggio, garantendo stabilità. Ad esempio, se il vostro riferimento è 1 kHz, bersaglio una larghezza di banda del loop di 100 Hz. Con un guadagno VCO di 100 Hz/V, un insieme di componenti conservatori potrebbe essere R1 = 10 kΩ, R2 = 100 kΩ, e C = 0,1 μF.

Per un trattamento matematico dettagliato del design del filtro a ciclo, comprese le formule per frequenza naturale e fattore di smorzamento, si rimanda a [Analog Devices tutorial MT-086 su PLL fondamentalis[[]]. Questo documento copre la progettazione del filtro a ciclo, l'analisi del rumore di fase e i criteri di stabilità in profondità.

Passo 4: Costruzione oscillatore a tensione

Il VCO è la fase di uscita del PLL e deve fornire una frequenza che è una funzione riproducibile della tensione di controllo dell'ingresso. Un oscillatore di rilassamento basato su op-amp offre un percorso diretto a una conversione lineare di tensione-frequenza.

Triangolo Onda e Quadrata Onda VCO

Il design classico utilizza due op-amp in un loop chiuso: un integratore e un trigger Schmitt. Il trigger Schmitt monitora l'output dell'integratore e inverte la direzione di integrazione quando la tensione raggiunge la soglia superiore o inferiore. Questo produce un'onda triangolare all'uscita dell'integratore e un'onda quadrata all'uscita del trigger Schmitt. La frequenza è determinata dal tasso di integrazione, che viene impostato dalla corrente carica del condensatore di integrazione.

Per rendere la frequenza controllata dalla tensione, sostituire la resistenza fissa che imposta la corrente di integratori con un convertitore di tensione-a-corrente. Una semplice implementazione utilizza un op-amp e un transistor PNP collegato come un lavandino corrente. Il collettore transistor alimenta l'ingresso invertente dell'op-amp integrator, mentre la tensione di controllo viene applicata all'ingresso non invertente dell'op-amp di corrente sorgente.

Per una frequenza centrale di 1 kHz, utilizzare un condensatore di 100 nF integrato e impostare la sorgente corrente per fornire circa 10 μA alla tensione di controllo centrale. Le soglie di trigger Schmitt devono essere impostate a ±5 V se si utilizza un alimentatore di ±12 V, che dà un'onda di triangolo con un'ampiezza di picco 10 V su misura. L'uscita di onda quadrata può essere presa direttamente dalla fase di attivazione del rivelatore Schmitt e utilizzata come feedback.

Se il PLL richiede un'uscita d'onda sine, l'onda triangolare può essere modellata utilizzando un parapetto basato su diodi o una coppia differenziale sovra-driven. Un semplice wavehaper utilizza una rete di resistenze e diodi che approssimano un'onda sine rompendo il triangolo in segmenti lineari.

Passo 5: Chiusura del Loop e ottenere la serratura

Con tutti e tre i blocchi costruiti e testati singolarmente, è tempo di chiudere il loop di feedback. Collegare l'uscita del filtro del loop all'ingresso di controllo VCO. Collegare l'uscita dell'onda quadrata VCO al secondo ingresso del rilevatore di fase. Controllare doppio che i livelli di tensione sono compatibili: l'uscita del rivelatore di fase dovrebbe rimanere all'interno della gamma lineare del filtro del loop, e l'uscita del filtro del loop non deve superare l'intervallo di tensione di controllo VCO.

Applicare la potenza e osservare le uscite di riferimento e VCO sull'oscilloscopio. Inizialmente, i due segnali si dirigeranno l'uno rispetto all'altro perché il VCO è free-running alla sua frequenza centrale. Regolare lentamente la frequenza del generatore di funzione verso la frequenza centrale del VCO. Come la frequenza di riferimento si avvicina alla frequenza di free-running del VCO, si può osservare un breve periodo di note di battito come le frequenze interagiscono.

La condizione di blocco è indicata da una costante relazione di fase tra il riferimento e l'uscita VCO. Con un rilevatore di fase XOR, l'offset di fase bloccato sarà di 90 gradi per le onde quadrate simmetriche. Se osservate i due segnali su un campo a doppia canali, apparirà spostato da un quarto di un periodo. Questo è normale e previsto per questo tipo di rivelatore. Se il rilevatore di blocco è jittery o intermittenza, la banda residut è ad alta banda di banda di banda di banda di trasmissione

Se il loop non riesce a bloccare, verifica ogni blocco indipendentemente: controlla che la frequenza VCO cambi con la tensione di controllo, che l'uscita del rilevatore di fase varia con la differenza di fase, e che il filtro del loop non è saturo. Misura le tensioni DC a ogni nodo senza segnale per garantire un corretto biasing.

Passo 6: Tuning e ottimizzazione

La chiusura è la prima pietra miliare, ma il raggiungimento di un funzionamento stabile e affidabile richiede un'attenta messa a punto delle dinamiche del loop. La risposta transitoria del loop può essere caratterizzata introducendo un piccolo cambiamento di fase nella frequenza di riferimento e osservando la forma d'onda di correzione all'uscita del filtro del loop.

  • Regolazione larghezza di banda molto alta: La larghezza di banda è impostata principalmente dal filtro a ciclo costante. Ridurre la resistenza del filtro o il condensatore aumenta la larghezza di banda, con conseguente acquisizione di serratura più veloce ma maggiore sensibilità al rumore e al ripple. Aumentare questi valori rallenta il loop, migliorare il rifiuto del rumore, ma prolungare il tempo di bloccaggio.
  • Miglioramento della gamma di capi: L'intervallo di cattura è direttamente collegato alla larghezza di banda del loop. Una larghezza di banda più ampia permette al loop di bloccare un riferimento che è più lontano dalla frequenza di free-running VCO. Tuttavia, troppo ampia una larghezza di banda può portare a false operazioni di blocco su armonici o subharmonics.
  • Ottimizzazione del fattore di smorzamento: Il fattore di smorzamento determina il comportamento di sovra-risoluzione e di impostazione. I loop sotto-campo mostrano l'anello e possono sovrasaltare il punto di blocco, mentre i loop sovra-campione sovra-campione sono pigri.
  • Ripple rifiuto:[] Il rilevatore di fase residenziale appare come modulazione di frequenza sull'uscita VCO, visibile come fasce laterali su un analizzatore di spettro RF o come jitter sull'oscilloscopio. Aumentare l'ordine del filtro a catena aggiungendo un secondo polo oltre la banda a ciclo di ripulitura.
  • Ottimizzazione del rumore:[ Il rumore ottimale, il rumore dell'alimentazione e il rumore termico di resistenza contribuiscono al rumore di fase. Utilizzare gli op-amp a basso rumore come OPA2134 o LT1028 per il filtro a VCO e loop. Mantenere tutti i componenti porta a corto e utilizzare la schermatura se funziona a frequenze più elevate.

Pitfalls e tecniche di debug comuni

Anche i progettisti esperti incontrano problemi quando costruiscono un PLL discreto per la prima volta. Riconoscendo questi modelli vi aiuterà a diagnosticare e correggere rapidamente i problemi.

  • DC compensa la saturazione:[] Le tensioni di offset di ingresso Op-amp possono spostare l'uscita del rilevatore di fase, causando il filtro a loop a saturare e il VCO a derivare ad un estremo. Misurare la tensione DC in ogni fase senza alcun segnale applicato.
  • Insufficiente guadagno del rilevatore di fase: Se l'oscillazione di tensione di uscita del rilevatore di fase è troppo piccola, il filtro del loop non può guidare il VCO attraverso la sua gamma completa di sintonizzazione. Aumentare il guadagno del rivelatore di fase aumentando l'ampiezza delle onde quadrate di ingresso o aggiungendo uno stadio di guadagno dopo l'uscita XOR.
  • Opcillazione del loop: Se il loop oscilla piuttosto che blocca, il margine di fase è probabilmente insufficiente. Questo può verificarsi se il filtro del loop zero è posizionato troppo vicino alla larghezza di banda del loop o se c'è un eccesso di passaggio di fase da capacità parassitarie. Aumentare il condensatore del filtro per abbassare la frequenza zero, o aggiungere un piccolo condensatore di resistenza (ad esempio, 100 pFF)
  • Bloccaggio di flebo: Il PLL può bloccare su un'armonica o subharmonica della frequenza di riferimento se il VCO può oscillare a frequenze multiple all'interno della sua gamma di sintonizzazione. Verificare la frequenza bloccata confrontando i timebase dell'oscilloscopio. Se si verifica un'acquisizione falsa, ridurre l'intervallo di cattura restringendo la larghezza di banda del loop rilevatore, o aggiungere una semplice frequenza di frequenza di frequenza di frequenza del convertitore per il convertitore
  • Il rumore di alimentazione del cavo:[] L'alimentazione elettrica e i circuiti digitali sullo stesso pannello possono iniettare il rumore nei nodi analogici sensibili. Utilizzare regolatori lineari separati per l'alimentazione op-amp e mantenere il terreno ritorna breve e spesso.
  • Limitazioni di velocità:[] Gli op-amps generali come LM324 hanno tassi di slitta limitati (0.5 V/μs). A frequenze più elevate o con grandi oscillazioni di segnale, l'op-amp non può rispondere abbastanza velocemente, causando distorsione o perdita di blocco.
  • oscillazione paresitica:[[] Gli op-ampli ad alta frequenza possono oscillare a causa della capacità di randagio sul cablaggio della tavola del pane.

Configurazioni PLL avanzate

Una volta che il loop di base è operativo, diverse modifiche possono adattarlo per applicazioni specifiche e approfondire la vostra comprensione del comportamento PLL.

  • Sintesi di frequenza con un divisore: Inserisci un divisore digitale di frequenza come il 74HC4040 o il CD4020 nel percorso di feedback tra il VCO e il rilevatore di fase. L'esempio VCO verrà quindi eseguito in N volte la frequenza di riferimento, dove N è il rapporto di divisione. Questa configurazione è la base dei moderni sintetizzatori di frequenza utilizzati in transceivers di programma e clock 74.
  • FM demodulazione: Quando il segnale di riferimento è modulato in frequenza, la tensione di controllo all'uscita del filtro passante traccia la modulazione finché la velocità di modulazione è all'interno della banda di loop. Estrarre questa tensione attraverso un filtro buffer e di passaggio basso per recuperare il segnale di modulazione originale. Questa tecnica è usata in ricevitori radio FM e sistemi di telemetria.
  • Generazione di output di quadrature:[] Utilizzando un rilevatore di fase che produce segnali di errore sia in fase che quadratura, è possibile generare due uscite che sono a 90 gradi di distanza. Questo è utile per i mixer di risoluzione delle immagini e i sistemi di modulazione della quadratura. L'approccio analogico moltiplicatore fornisce naturalmente questa capacità se si utilizzano due moltiplicatori pilotati da 74 segnali che sono girati a fase da 9074 gradi è un flip-digistrato digitale.
  • L'emulazione digitale PLL: Combina il filtro a loop analogico e VCO con un microcontrollore che esegue l'algoritmo di rilevamento di fase nel software. Il microcontrollore campiona i segnali di riferimento e VCO attraverso i comparatori, calcola l'errore di fase numericamente, e produce un segnale PWM che è lisciato dal filtro a loop analogico.
  • Multiple output frequenze:[] Usare un VCO multifase o un loop bloccato in ritardo (DLL) per generare più fasi della stessa frequenza. Questo è utile per la generazione di orologi nei sistemi digitali.

Per un trattamento completo della teoria PLL e delle architetture avanzate, il libro di testo []Tecniche di Phaselock] di Floyd M. Gardner rimane il riferimento definitivo.Un riassunto conciso dei concetti chiave è disponibile in [Analog Devices tutorial MT-086 sui fondamentali di PLL fase di stabilità, che copre il disegno del filtro del loop, che copre il dettaglio del filtro del circuito.

Procedura di verifica e di prova

Prima di dichiarare il vostro funzionamento PLL, eseguire una verifica sistematica per garantire che tutte le metriche di prestazione soddisfino le aspettative. Documentare i valori misurati e confrontarli con i calcoli di progettazione per identificare eventuali discrepanze.

  • Misurare la frequenza di free-running VCO con l'ingresso di controllo messa a terra o impostato sulla tensione nominale centrale. Regolare il assetto free-running all'interno dell'1% della frequenza di riferimento di destinazione. Registrare la curva di tensione-frequenza (VCO gain) spazzando la tensione di controllo sulla gamma prevista e tracciando la frequenza. La curva dovrebbe essere lineare sopra la gamma di blocco.
  • Verificare la linearità del rilevatore di fase iniettando due segnali sincronizzati con un noto cambio di fase e misurando la tensione di uscita DC. La risposta dovrebbe essere monotonica e approssimativamente lineare su almeno una gamma di 180 gradi. Tracciare la tensione contro angolo di fase e annota eventuali zone morte o effetti di saturazione. Per il rilevatore XOR, la linearità è migliore da 10° a 170°; vicino a 0° e 180° il cambio di pendenza.
  • Applicare un'onda quadrata a bassa frequenza all'ingresso di modulazione di frequenza di riferimento e osservare l'uscita del filtro a ciclo. La tensione di controllo dovrebbe monitorare la modulazione con una distorsione minima e senza sovraccarico. Misurare il 10% al 90% di tempo di salita e confrontarlo con la larghezza di banda teorica del loop.
  • Tenere la frequenza di riferimento lentamente intorno alla frequenza centrale e registrare i range di cattura e di blocco. L'intervallo di cattura dovrebbe essere più stretto del range di blocco, e entrambi dovrebbero essere centrati sulla frequenza di free-running. Se gli intervalli sono asimmetrici, controllare gli offset DC nel rilevatore di fase o nel filtro a loop.
  • Verificare il jitter sull'uscita bloccata attivando l'oscilloscopio sul riferimento e misurando la dispersione del dominio temporale degli incroci VCO zero. Utilizzare una funzione istogramma se disponibile. Il jitter Excessive indica una larghezza di banda insufficiente o un giunto a rumore.
  • Se si dispone di un analizzatore di spettro, misurare il rumore di fase dell'uscita VCO quando bloccato. Il rumore di fase a offset all'interno della banda del loop sarà inferiore rispetto a quelli a offset al di fuori della larghezza di banda.

Conclusioni

Costruire un loop chiuso a fase da amplificatori operativi discreti è uno dei progetti più gratificanti in elettronica analogica. Essa vi costringe a impegnarsi con la larghezza completa del progetto del sistema di feedback, dal comportamento non lineare dei rilevatori di fase alle dinamiche lineari dei filtri a ciclo e i vincoli di stabilità dei circuiti oscillatori. L'esperienza pratica di osservare l'acquisizione di blocco su un oscilloscopio, aggiustando i componenti del filtro intuitivi per cambiare la risposta a loop,

Le competenze sviluppate attraverso questo progetto sono direttamente applicabili ai compiti di ingegneria professionale, tra cui la sintesi di frequenza, il recupero di orologio e dati, il controllo della velocità del motore e l'analisi delle vibrazioni. Padroneggiare l'implementazione discreta, si ottiene la fiducia nella progettazione PLL personalizzati per applicazioni specializzate in cui gli IC standard non possono soddisfare i requisiti di prestazione.