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Phasenregelschleife (PLL)

Eine Phasenregelschleife (PLL) dient dazu, einen variablen, potenziell instabilen Oszillator (VCO – Voltage Controlled Oscillator) mithilfe eines stabilen Referenzoszillators zu synchronisieren. Dabei wird der Phasenvergleich zwischen beiden Signalen genutzt, um eine stabile Ausgangsfrequenz zu erzeugen.

Grundaufbau und Elemente einer PLL

Eine PLL besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten:

  1. Phasenvergleicher: Vergleicht die Phasen der Signale vom VCO und vom Referenzoszillator.
  2. Tiefpassfilter: Wandelt die vom Phasenvergleicher erzeugten Impulse in eine Gleichspannung um.
  3. Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO): Erzeugt das Ausgangssignal, dessen Frequenz durch die vom Tiefpassfilter ausgegebene Gleichspannung gesteuert wird.

Zusätzlich kann die PLL durch einen Frequenzteiler ergänzt werden, um die Frequenz des VCOs auf Vielfache der Referenzfrequenz zu synchronisieren.

Funktionsprinzip

  1. Phasenvergleich und Korrektur:

Der Phasenvergleicher misst die Phasendifferenz zwischen den Signalen des VCO und des Referenzoszillators. Bei einer Phasenabweichung gibt er Impulse aus, die dem Fehler entsprechen. Diese Impulse werden durch den Tiefpassfilter geglättet und in eine proportionale Gleichspannung umgewandelt.

  1. Regelung des VCOs:

Die erzeugte Gleichspannung dient als Steuersignal für den VCO, das dessen Frequenz nachreguliert, sodass sich die Phasendifferenz schrittweise auf null reduziert. Ist dieser Zustand erreicht, sagt man, die PLL ist „eingelockt“ (locked).

  1. Eingelockter Zustand:

Im stabilen Zustand der PLL sind die Frequenzen und Phasenlagen der beiden Signale identisch. Die Ausgangsfrequenz ist stabil und entspricht im Wesentlichen der Referenzfrequenz oder deren Vielfachen (je nach gewähltem Teilverhältnis des Frequenzteilers).

1) Kurzbeschreibung: Blockschaltbild mit zwei parallelen horizontalen Leitern, im oberen Leiter Signalfluss von links nach rechts: Oszillator, Anschlusspunkt „A“ von oben, mit „φ“ bezeichneter Block, Filter, VCO, Anschlusspunkt „Ausgang“; im unteren Leiter Signalfluss von rechts nach links: vom VCO ausgehend, Anschlusspunkt „C“, Block mit „:n“, Anschlusspunkt „B“, Verbindung zum Block mit „φ“. 2) Ausführliche Beschreibung: Gezeigt ist ein Blockschaltbild aus mehreren, mit zwei horizontalen Leitern verbundenen Baugruppen. Im oberen horizontalen Leiter gibt es einen Signalfluss von links nach rechts. Ganz links befindet sich ein Block mit der Aufschrift „G“, drei wellenförmigen Linien und einem kleinen Rechteck mit je einer Linie darüber und darunter (Oszillator). Es folgt ein nach oben herausgeführter Anschlusspunkt „A“, danach ein mit „φ“ beschrifteter Block und ein Block mit drei Wellenlinien, von denen die beiden oberen durchgestrichen sind (Filter). Rechts davon gibt es einen Block „VCO“ mit einem Anschlusspunkt „Ausgang“. Im unteren horizontalen Leiter verläuft der Signalfluss von rechts nach links. Zunächst gibt es einen vertikalen Abzweig aus dem „VCO“-Block, der unten in den unteren horizontalen Leiter mündet und mit einem Anschlusspunkt „C“ verbunden ist. Es folgt nach links ein Block „:n“ und ein weiterer Anschlusspunkt „B“. Von hier geht der untere horizontale Leiter wieder vertikal zum „φ“-Block.
Abbildung A-6.8.1: Darstellung einer Phasenregelschleife (PLL)

AD701: Welche Baugruppen muss eine Phasenregelschleife (PLL) mindestens enthalten?
AD702: Welche der nachfolgenden Aussagen ist richtig, wenn die im Bild dargestellte Regelschleife in stabilem Zustand ist?
1) Kurzbeschreibung: Blockschaltbild mit zwei parallelen horizontalen Leitern, im oberen Leiter Signalfluss von links nach rechts: Oszillator, Anschlusspunkt „A“ von oben, mit „φ“ bezeichneter Block, Filter, VCO, Anschlusspunkt „Ausgang“; im unteren Leiter Signalfluss von rechts nach links: vom VCO ausgehend, Anschlusspunkt „C“, Block mit „:n“, Anschlusspunkt „B“, Verbindung zum Block mit „φ“. 2) Ausführliche Beschreibung: Gezeigt ist ein Blockschaltbild aus mehreren, mit zwei horizontalen Leitern verbundenen Baugruppen. Im oberen horizontalen Leiter gibt es einen Signalfluss von links nach rechts. Ganz links befindet sich ein Block mit der Aufschrift „G“, drei wellenförmigen Linien und einem kleinen Rechteck mit je einer Linie darüber und darunter (Oszillator). Es folgt ein nach oben herausgeführter Anschlusspunkt „A“, danach ein mit „φ“ beschrifteter Block und ein Block mit drei Wellenlinien, von denen die beiden oberen durchgestrichen sind (Filter). Rechts davon gibt es einen Block „VCO“ mit einem Anschlusspunkt „Ausgang“. Im unteren horizontalen Leiter verläuft der Signalfluss von rechts nach links. Zunächst gibt es einen vertikalen Abzweig aus dem „VCO“-Block, der unten in den unteren horizontalen Leiter mündet und mit einem Anschlusspunkt „C“ verbunden ist. Es folgt nach links ein Block „:n“ und ein weiterer Anschlusspunkt „B“. Von hier geht der untere horizontale Leiter wieder vertikal zum „φ“-Block.

Genauigkeit und Stabilität

Die Genauigkeit und Stabilität der PLL-Ausgangsfrequenz hängt in erster Linie von der Qualität des Referenzoszillators ab, welcher üblicherweise ein Quarzoszillator ist.

AD705: Ein Frequenzsynthesizer soll eine einstellbare Frequenz mit hoher Frequenzgenauigkeit erzeugen. Die Genauigkeit und Stabilität der Ausgangsfrequenz eines Frequenzsynthesizers wird hauptsächlich bestimmt von ...

Frequenzteilung und Abstimmbarkeit

Um eine PLL auf unterschiedliche Frequenzen einzustellen, kann ein Frequenzteiler innerhalb des Regelkreises eingesetzt werden. Dadurch wird es möglich, die Ausgangsfrequenz als ein ganzzahliges Vielfaches der Referenzfrequenz zu erzeugen. Das kleinste wählbare Frequenzintervall entspricht dabei der Frequenz des Referenzoszillators, da die Teilung nur in ganzzahligen Schritten erfolgen kann.

AD703: Wie groß muss bei der folgenden Schaltung die Frequenz an Punkt A sein, wenn ein Kanalabstand von 12,5 kHz benötigt wird?
1) Kurzbeschreibung: Blockschaltbild mit zwei parallelen horizontalen Leitern, im oberen Leiter Signalfluss von links nach rechts: Oszillator, Anschlusspunkt „A“ von oben, mit „φ“ bezeichneter Block, Filter, VCO, Anschlusspunkt „Ausgang“; im unteren Leiter Signalfluss von rechts nach links: vom VCO ausgehend, Anschlusspunkt „C“, Block mit „:n“, Anschlusspunkt „B“, Verbindung zum Block mit „φ“. 2) Ausführliche Beschreibung: Gezeigt ist ein Blockschaltbild aus mehreren, mit zwei horizontalen Leitern verbundenen Baugruppen. Im oberen horizontalen Leiter gibt es einen Signalfluss von links nach rechts. Ganz links befindet sich ein Block mit der Aufschrift „G“, drei wellenförmigen Linien und einem kleinen Rechteck mit je einer Linie darüber und darunter (Oszillator). Es folgt ein nach oben herausgeführter Anschlusspunkt „A“, danach ein mit „φ“ beschrifteter Block und ein Block mit drei Wellenlinien, von denen die beiden oberen durchgestrichen sind (Filter). Rechts davon gibt es einen Block „VCO“ mit einem Anschlusspunkt „Ausgang“. Im unteren horizontalen Leiter verläuft der Signalfluss von rechts nach links. Zunächst gibt es einen vertikalen Abzweig aus dem „VCO“-Block, der unten in den unteren horizontalen Leiter mündet und mit einem Anschlusspunkt „C“ verbunden ist. Es folgt nach links ein Block „:n“ und ein weiterer Anschlusspunkt „B“. Von hier geht der untere horizontale Leiter wieder vertikal zum „φ“-Block.

Berechnung des Teilverhältnisses

Um bei gegebener Referenzfrequenz eine bestimmte Ausgangsfrequenz zu erreichen, wird der Teilfaktor so gewählt, dass an den Eingängen des Phasenvergleichers dieselbe Frequenz anliegt. Dadurch lässt sich das benötigte Teilverhältnis für die gewünschte Ausgangsfrequenz berechnen.

AD704: Die Frequenz an Punkt A beträgt 12,5 kHz. Es sollen Ausgangsfrequenzen im Bereich von 12,000 MHz bis 14,000 MHz erzeugt werden. In welchem Bereich bewegt sich dabei das Teilerverhältnis n?
1) Kurzbeschreibung: Blockschaltbild mit zwei parallelen horizontalen Leitern, im oberen Leiter Signalfluss von links nach rechts: Oszillator, Anschlusspunkt „A“ von oben, mit „φ“ bezeichneter Block, Filter, VCO, Anschlusspunkt „Ausgang“; im unteren Leiter Signalfluss von rechts nach links: vom VCO ausgehend, Anschlusspunkt „C“, Block mit „:n“, Anschlusspunkt „B“, Verbindung zum Block mit „φ“. 2) Ausführliche Beschreibung: Gezeigt ist ein Blockschaltbild aus mehreren, mit zwei horizontalen Leitern verbundenen Baugruppen. Im oberen horizontalen Leiter gibt es einen Signalfluss von links nach rechts. Ganz links befindet sich ein Block mit der Aufschrift „G“, drei wellenförmigen Linien und einem kleinen Rechteck mit je einer Linie darüber und darunter (Oszillator). Es folgt ein nach oben herausgeführter Anschlusspunkt „A“, danach ein mit „φ“ beschrifteter Block und ein Block mit drei Wellenlinien, von denen die beiden oberen durchgestrichen sind (Filter). Rechts davon gibt es einen Block „VCO“ mit einem Anschlusspunkt „Ausgang“. Im unteren horizontalen Leiter verläuft der Signalfluss von rechts nach links. Zunächst gibt es einen vertikalen Abzweig aus dem „VCO“-Block, der unten in den unteren horizontalen Leiter mündet und mit einem Anschlusspunkt „C“ verbunden ist. Es folgt nach links ein Block „:n“ und ein weiterer Anschlusspunkt „B“. Von hier geht der untere horizontale Leiter wieder vertikal zum „φ“-Block.

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