حلقه قفل فاز (PLL) به زبان ساده -بخش آخر

 

آی‌سی حلقه قفل فاز ۵۶۵

عملکرد حلقه قفل فاز در یکی از سه مود زیر قرار دارد:

مود آزادگرد (Free Running Mode)
مود تسخیر (Capture Mode)
مود قفل (Lock Mode)

در ابتدا، زمانی که هیچ ورودی اعمال نشده باشد، عملکرد حلقه قفل فاز در حالت آزادگرد قرار دارد. زمانی که یک سیگنال با یک فرکانس خاص به مدار اعمال شود، فرکانس سیگنال خروجی از اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ، شروع به تغییر می‌کند. در این مرحله، گفته می‌شود که حلقه قفل فاز در مود تسخیر قرار می‌گیرد. فرکانس سیگنال خروجی از اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ به صورت پیوسته تغییر می‌کند تا زمانی که فرکانس آن با فرکانس سیگنال ورودی برابر شود. زمانی که مدار به این هدف برسد و دو فرکانس با یکدیگر برابر شوند، مدار در مود قفل قرار می‌گیرد.

یکی از متداول‌ترین آی‌سی‌هایی که به عنوان مدار حلقه قفل فاز مورد استفاده قرار می‌گیرد، آی‌سی ۵۶۵ است. این آی سی یک پکیج ۱۴ پینی دو ردیفه یا DIP است که دیاگرام پین‌های آی‌سی ۵۶۵ را می‌توان در تصویر زیر مشاهده کرد.

دیاگرام پین‌های آی‌سی حلقه قفل فاز ۵۶۵
‌
می‌توان با مراجعه به تصویر فوق به کاربرد هر پین پی برد. برای عملکرد آی سی به عنوان حلقه قفل فاز، لازم است که فقط از ۱۰ پایه از ۱۴ پایه آن استفاده کنیم. این پایه‌ها از شماره ۱ تا ۱۰ در تصویر فوق مشخص شده‌اند. اما ۴ پایه باقی مانده یعنی پایه‌های ۱۱ تا ۱۴ با علامت NC مشخص شده‌اند که به معنای عدم اتصال (No Connection) است.

خروجی مدار VCO، که در واقع خروجی کل حلقه قفل فاز نیز محسوب می‌شود، در پین شماره ۴ از آی سی ۵۶۵ قرار دارد. در این مدار پین‌های شماره ۲ و ۳ به زمین متصل شده‌اند. فرکانس خروجی مدار اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ fout

را می‌توان به صورت ریاضی مطابق با رابطه زیر نشان داد.



در رابطه بالا، RV، مقاومت خارجی متصل به پین شماره ۸ آی‌سی و CV، خازن خارجی متصل به پین شماره ۹ آی‌سی است. با انتخاب مقادیر مناسب برای RV و CV، می‌توان فرکانس خروجی مدار اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ را تعیین کرد.

پین شماره ۴ و پین شماره ۵ باید توسط یک سیم خارجی به یکدیگر متصل شوند تا خروجی اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ به عنوان یکی از ورودی‌ها به مدار آشکارساز فاز اعمال شود. آی سی ۵۶۵ دارای مقاومت داخلی ۳.۶ کیلو اهم است و یک خازن C باید بین پین شماره ۷ و پین شماره ۱۰ متصل شود تا یک فیلتر پایین گذر را با مقاومت داخلی تشکیل دهد. حال آی‌سی آماده است تا به عنوان مدار حلقه قفل فاز مورد استفاده قرار گیرد.

کاربرد مدار حلقه قفل فاز

ورودی حلقه قفل فاز سیگنالی است که باید حلقه روی آن قفل شود. سپس مدار حلقه قفل فاز می‌تواند سیگنالی مشابه با سیگنال ورودی را در خروجی اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ خود ایجاد کند. در نگاه اول ممکن است این کار مفید به نظر نرسد، اما با دقت بیشتر، می‌توان به کاربرد آن در بسیاری از مدارات پی برد. برخی از کاربرد‌های حلقه قفل فاز در زیر آورده شده‌اند.

دمدولاتور FM: یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های حلقه قفل فاز در دمدولاتور‌های FM است. به دلیل اینکه تولید آی‌سی‌های حلقه قفل فاز در حال حاضر بسیار ارزان است، کاربرد حلقه قفل فاز در دمدولاتور‌های FM ما را قادر می‌سازد تا سیگنال‌های صوتی با کیفیت بالا را از یک سیگنال مدوله‌شده فرکانس یا FM دمدوله کنیم.

دمدولاتور AM: حلقه قفل فاز را می‌توان در دمدولاسیون سنکرون یک سیگنال مدوله‌شده دامنه یا AM مورد استفاده قرار داد. با استفاده از این روش، حلقه قفل فاز روی سیگنال حامل قفل می‌شود تا یک سیگنال مرجع در گیرنده تولید شود. چون فرکانس این سیگنال دقیقا با فرکانس سیگنال حامل متناظر است، در نتیجه می‌توان آن را با سیگنال ورودی ترکیب کرد و به صورت سنکرون دمدولاسیون دامنه را انجام داد.

ترکیب‌کننده‌های فرکانسی غیرمستقیم (Indirect Frequency Synthesizers): یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های حلقه‌های قفل فاز، استفاده از آن‌ها در ترکیب‌کننده‌های فرکانسی است. اگرچه ترکیب‌کننده‌های دیجیتال مستقیم نیز می‌توانند مورد استفاده قرار بگیرند، اما ترکیب‌کننده‌های فرکانسی غیرمستقیم دارای کاربرد‌های خاص خود هستند و به همین دلیل یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های حلقه قفل فاز را شکل می‌دهند.

بازیابی سیگنال (Signal Recovery): این قابلیت که حلقه قفل فاز می‌تواند روی یک سیگنال قفل کند، آن را قادر می‌سازد تا یک سیگنال صاف و اصطلاحا تمیز (Clean) را در خروجی ایجاد کند. حلقه قفل فاز می‌تواند در صورت ایجاد وقفه (Interruption) کوتاه، فرکانس سیگنال را به خاطر بسپارد. به همین دلیل، این حوزه از کاربرد‌های حلقه قفل فاز، در مداراتی مورد استفاده قرار می‌گیرد که امکان دارد برای یک بازه کوتاه زمانی در سیگنال وقفه ایجاد شود. به عنوان مثال، هنگام استفاده از انتقالات پالسی (Pulsed Transmissions) می‌توان از حلقه قفل فاز استفاده کرد.

در علم الکترونیک و مخابرات، شکل‌دهی پالس (Pulse Shaping) به فرایندی اطلاق می‌شود که طی آن، شکل موج پالس انتقال داده شده را تغییر می‌دهند. هدف از این کار این است که سیگنال انتقالی را برای هدف خود یا برای کانال مخابراتی منطبق‌تر کنند. معمولا این کار را با محدود کردن پهنای باند موثر انتقال انجام می‌دهند.

توزیع زمان (Timing Distribution): یکی دیگر از کاربرد‌های حلقه قفل فاز، توزیع بسیار دقیق پالس‌های کلاک زمان‌بندی در مدارت منطقی دیجیتال مانند یک سیستم میکروپروسسوری است.

 

منبع: فرادرس