鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用

1、鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用本 科 生：丁嘉裕專 業(yè)：電子信息工程研究方向：電子測量技術(shù)學(xué) 號：2011021192二 一 四 年 四 月鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用專業(yè)名稱電子信息工程 論文提交日期 2014年4月學(xué)校名稱成都信息工程學(xué)院（2014年4月）鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用摘要關(guān)鍵詞：鎖相環(huán), 環(huán)路濾波器；鎖相技術(shù)振蕩器是許多電子系統(tǒng)的主要部分，應(yīng)用范圍從微處理器中的時鐘產(chǎn)生到蜂窩電話中的載波合成，要求的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)差別很大。利用CMOS工藝設(shè)計的穩(wěn)定、高性能的振蕩器通常嵌在相位鎖定系統(tǒng)中。鎖相環(huán)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用使其成為當(dāng)前模擬集成電路的核心技術(shù)之一。作為通訊系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的一個模塊，

2、鎖相環(huán)在高速處理器的時鐘產(chǎn)生中有著廣泛的應(yīng)用。相環(huán)路是一種反饋控制電路，由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，具有鎖定特性、載波跟蹤特性、調(diào)制跟蹤特性和低門限特性，廣泛應(yīng)用于無線電通信系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)，頻率合成等許多技術(shù)領(lǐng)域，是現(xiàn)代電子產(chǎn)品中非常重要的部件，本文主要介紹了鎖相環(huán)PLL電路的設(shè)計與應(yīng)用，內(nèi)容包括PLL工作原理與電路構(gòu)成，PLL電路的傳輸特性，PLL電路中環(huán)路濾波器的設(shè)計方法，得到一種很精準(zhǔn)程控相移信號發(fā)生器，輸出頻率穩(wěn)定度高，分辨率高。ABSTRACTOscillator are an integral part of many electroni

3、c systems, the application range from the clock in microprocessor that produce to cellular phone carrier in the synthesis, the requirements of the structure and performance parameters of the difference is very big. Using CMOS process stability, high performance oscillator is usually embedded in the

4、phase locking system. The rapid development of the phase-locked loop and is widely used to make it become one of the core technology of the analog integrated circuit. As the most widely used communication system of a module, phase-locked loop in high-speed processor clock generation has been widely

5、used. Phase loop is a kind of feedback control circuit, the phase discriminator (PD), loop filter (LF) and voltage-controlled oscillator (VCO) of three parts, with a lock, carrier tracking, modulation tracking characteristic and low threshold characteristics, widely used in radio communication syste

6、m of modulation demodulation, frequency synthesis and so on many technical areas, is a very important part of modern electronic products, this article mainly introduced the phase-locked loop PLL circuit design and application, including contentii目 錄第1章 緒論11.1 引言11.2 相環(huán)路的應(yīng)用11.2.1. 鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電路中的應(yīng)用11.2

7、.2. 鎖相環(huán)路在頻率合成方面的應(yīng)用2第2章 鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)32.1 鑒相器32.2 環(huán)路濾波器32.3 壓控振蕩器(VCO)42.4 分頻器5第3章 鎖相環(huán)技術(shù)的工作原理及特性53.1 鎖相環(huán)技術(shù)的作原理53.2 鎖相環(huán)的特性5第4章 鎖相環(huán)的發(fā)展與應(yīng)用64.1 發(fā)展64.2 鎖相環(huán)的應(yīng)用6第5章 結(jié)束7I第1章 緒論1.1 引言自60年代以來，鎖相技術(shù)在通信、航天、測量、電視、原子能、電機控制等領(lǐng)域，能夠高性能地完成信號的提出、信號的跟蹤與同步、模擬和數(shù)字通信中的調(diào)制和解調(diào)、頻率合成、噪聲過濾等功能，已經(jīng)成為電子設(shè)備中常用的基本部件之一。鎖相環(huán)能夠在一定范圍內(nèi)，使輸出信號和輸入信號保持固定的

8、相位差（并由此而得名），從而達到輸出信號頻率跟蹤輸入信號頻率的目的。它有鎖定特性：在一定的頻率范圍內(nèi)，鎖相環(huán)可以通過“頻率牽引”捕捉輸入信號頻率，使鎖相環(huán)進人鎖定狀態(tài)。鎖相環(huán)對輸入的固定基準(zhǔn)頻率鎖定后，壓控振蕩器的振蕩頻率與輸入信號頻率的。頻差為零，且具有同樣的頻率穩(wěn)定性。它們之間僅存在相位差，而不存在頻率差。因而廣泛用于自動頻率控制、頻率合成技術(shù)等方面。它還有跟蹤特性；鎖相環(huán)一旦進入鎖定狀態(tài)，就能對輸入信號一定范圍頻率的變化具有良好的跟蹤特性。因而廣泛用于信號的跟蹤、提取、提純、調(diào)制和解調(diào)。1.2 相環(huán)路的應(yīng)用由于鎖相環(huán)路性能優(yōu)越，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于無線電通信系統(tǒng)中，可實現(xiàn)模擬和數(shù)字信號的調(diào)制和解

9、調(diào)、頻率合成，鎖相接收機等方面。1.2.1. 鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電路中的應(yīng)用調(diào)頻波的特點是頻率隨調(diào)制信號幅度的變化而變化。由壓控振蕩器表達式可知，壓控振蕩器的振蕩頻率取決于輸入電壓的幅度。當(dāng)載波信號的頻率與鎖相環(huán)的固有振蕩頻率W0相等時，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持W0不變。若壓控振蕩器的輸入信號除了有鎖相環(huán)低通濾波器輸出的信號U。外，還有調(diào)制信號U1；，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以W0為中心，隨調(diào)制信號幅度的變化而變化的調(diào)頻波信號。由此可得調(diào)頻電路可利用鎖相環(huán)來組成，由鎖相環(huán)組成的調(diào)頻電路組成框圖如圖2所示。1.2.2. 鎖相環(huán)路在頻率合成方面的應(yīng)用所謂頻率合成器，就是以一個精確度、穩(wěn)

10、定度極好的石英晶體震蕩器作為基準(zhǔn)頻率，并利用加、減、乘、除等基本運算技術(shù)，以獲得與石英晶體振蕩器同等精確度和穩(wěn)定度的大量離散頻率信號的設(shè)備稱作頻率合成器。為什么用頻率合成器來代替收、發(fā)信機的振蕩頻率源，那么，就應(yīng)當(dāng)知道原來收、發(fā)信機的振蕩頻率有什么問題。我們知道，在超外差收信機中，總是要求收到的中頻信號是一個恒定的頻率值?？墒窃趯嶋H工作中，發(fā)信機的載波頻率和收信機的本機振蕩頻率，可能由于溫度、電源電壓和負(fù)載的變化引起頻率漂移，從而使混頻后的中頻頻率也發(fā)生變化。這樣，一方面會給調(diào)制信號造成寄生調(diào)制而引起接收信號的失真，另一方面義會使收信機的選擇性、靈敏性顯著地降低，尤其嚴(yán)重的情況是，如果中頻頻率

11、漂移的范圍超m收信機的中頻放大器的通頻帶，則可能完全收不到信號。因此，為了克服上述的缺點，就要求現(xiàn)代的發(fā)信機、收信機都采用穩(wěn)頻措施。以提高頻率的精確度和穩(wěn)定度。頻率合成器便是一種優(yōu)良的穩(wěn)頻設(shè)備。鎖相式頻率合成在實際應(yīng)用中采用IGO環(huán)路，這種環(huán)路的框圖。通常在這種環(huán)路中，圖中的鑒相器是采用取樣保持電路組成的脈沖取樣鑒相器，圖中的基準(zhǔn)輸入脈沖對壓控振蕩器的輸出信號進行周期取樣，如果壓控振蕩器輸出頻率f0恰好是基準(zhǔn)輸入脈沖的某次諧波，則脈沖鑒相器輸出直流，環(huán)路鎖定，其環(huán)路輸出頻率f0為：f0=N*f （N=I、2、3、4)式中N是脈沖的諧波次數(shù)。由此可得出：（1）環(huán)路輸出頻率f0的穩(wěn)定度取決于基準(zhǔn)輸

12、入信號頻率fi，若fi是石英晶體振蕩器的頻率，則f0具有與fi相同的頻率穩(wěn)定度，即有較高的頻率穩(wěn)定度。（2）IGO環(huán)路，實際上是起著倍頻作用，即輸出頻率f0等于N倍的輸入信號頻率fi，當(dāng)然鎖相式頻率合成的實際應(yīng)用有很多種，在這里只是列舉出了其中的一種。第2章 鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)它主要由鑒相器（Phase Dectector），簡稱PD，環(huán)路濾波器（Loops Filter）簡稱LF和壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator）簡稱VCO。鎖相環(huán)的框圖如下圖所示。主要由VCO和鑒相器構(gòu)成，只要外部增設(shè)分頻器和環(huán)路濾波器用R和C，就可以構(gòu)成PLL頻率合成器。第2章 2.1 鑒

13、相器鑒相器是一個其平均輸出與其兩個輸入的相位差成線性比例的電路，它的工作類似于差分放大器，即檢測兩個輸入的差值并產(chǎn)生與之成正比的輸出。理想情況下，平均輸出與相位差的關(guān)系是直線，且相位差為零時直線過原點，這條直線的斜率KPD就是鑒相器的增益，單位是伏弧度。鑒相器的結(jié)構(gòu)有很多種，在混合信號鎖相環(huán)系統(tǒng)中，主要使用三種：模擬鑒相器、異或門鑒相器和鑒頻鑒相器。2.2 環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器可分為無源濾波器和有源濾波器。I：單通路有源濾波器用高增益DC放大器構(gòu)成的有源濾波器電路。我們現(xiàn)在假設(shè)放大器的DC增益實際上是無窮大的(用現(xiàn)代的放大器技術(shù)很容易逼近這個情況)，所以這個電路方程可寫為，。II：雙通路有源濾

14、波器圖58是一種比例加積分(P+I)的環(huán)路濾波器。不同于前面那個只有一條通路的有源濾波器，這個濾波器有兩條通路。濾波器的傳遞函數(shù)為其中Kl為濾波器的比例通路的增益系數(shù)，K2為濾波器的積分通路的增益系數(shù)。III：無源濾波器與電荷泵一起使用的典型環(huán)路濾波器見圖59。當(dāng)相位緩慢變化時，電荷泵電流線性地對Cl和C2充電，起到求均值的作用。當(dāng)相位快速變化時，電荷泵只是驅(qū)動電阻R(假設(shè)C2很小)，沒有求均值的作用，從而使VCO能夠跟蹤輸入數(shù)據(jù)的快速變化。2.3 壓控振蕩器(VCO)壓控振蕩器(vco)是PLL的重要部分，它消耗了鎖相環(huán)的大部分功率，它的相位噪聲性能直接影響到鎖相環(huán)的性能。有兩種模擬振蕩器對

15、PLL很重要：采用選頻諧振器的振蕩器和依靠弛張原理工作的振蕩器。弛張振蕩器中主要是環(huán)形振蕩器。在高頻條件下，一般采用LC壓控振蕩器，在論文的前面已有詳細(xì)介紹，這里不再贅述。而在頻率要求不高的情況下，通常采用環(huán)形振蕩器。雖然品質(zhì)因數(shù)不高盯1，但環(huán)形振蕩器有頻率調(diào)節(jié)范圍大(>50)，芯片面積小，制造工藝簡單，易于集成的優(yōu)勢。2.4 分頻器分頻器在鎖相環(huán)路中有三個最主要的功能：變更輸入范圍、倍頻及整波。當(dāng)需要追蹤相當(dāng)高頻的信號時，相位頻率偵測器卻沒辦法操作在此高頻下，此時則可采用分頻器降頻。第3章 鎖相環(huán)技術(shù)的工作原理及特性第3章 3.1 鎖相環(huán)技術(shù)的作原理鎖相環(huán)的主要結(jié)構(gòu)十分簡單。它由鑒相器

16、、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器(VCO)和分頻器構(gòu)成。鎖相環(huán)電路在啟動時處于“失鎖”狀態(tài)，這時，VCO分頻后的輸出頻率與參考信號的頻率無關(guān)。鑒相器是相位比較部件，把相位差轉(zhuǎn)換成成比例電壓信號；環(huán)路濾波器具有低通特性，消除誤差信號的高頻分量及噪聲，同時他還是整個環(huán)路動態(tài)特性的主要調(diào)節(jié)部件；壓控振蕩器受控于環(huán)路濾波器輸出電壓的控制，并形成所要求的頻率信號。對于數(shù)字鎖相環(huán)的具體丁作過程：在鎖相環(huán)環(huán)路處于失鎖狀態(tài)時，參考時鐘的上升沿與VCO輸出時鐘的I升沿之間存在一個相位差，這個相位差經(jīng)過積分之后，反饋回來控制VCO的輸出頻率，使之向參考時鐘的頻率靠近，直到鎖定。鎖相環(huán)進入“鎖定”狀態(tài)，鑒相器鑒測m來的相位

17、誤差就進入要求的相位誤差范圍中，因為此時VCO的頻率和相位都與參考時鐘的頻率和相位一致。鑒相器只對分頻后的VC0輸出信號與參考時鐘進行比較，因而鎖相環(huán)的實際輸出頻率比參考頻率高N倍。因此，鎖相環(huán)還可以實現(xiàn)倍頻功能。3.2 鎖相環(huán)的特性鎖相環(huán)技術(shù)已廣泛存在于各個領(lǐng)域中,這主要歸功于鎖相環(huán)路具有其他控制系統(tǒng)所沒有的優(yōu)越性能,簡單地說有以下重要特性。(1)跟蹤特性。 在環(huán)路鎖定下,輸入頻率一旦發(fā)生變化,壓控振蕩器就會響應(yīng)這個變化,迅速跟蹤這個頻率,最終使輸入與輸出同步。 常見于鎖相接收機。(2)濾波特性。 通過環(huán)路濾波器的作用, 鎖相環(huán)路具有窄帶濾波特性,能夠?qū)⒒爝M輸入信號中的噪聲和雜散干擾濾除。

18、通帶可以做的很窄,性能更優(yōu)于任何Lc、 RC、陶瓷濾波器。(3)鎖定狀態(tài)無剩余頻差。 正是理想頻率控制特性,使得它在自動頻率控制、 頻率合成技術(shù)等方面得到廣泛的應(yīng)用。(4)易于集成化。 環(huán)路的基本部件都可采用模擬集成電路實現(xiàn)。 環(huán)路實現(xiàn)數(shù)字化之后,更易于采用數(shù)字集成電路。 體積減小、 成本降低、 可靠性增強。因此,對于當(dāng)今更多的嵌入系統(tǒng)芯片內(nèi)的全數(shù)字鎖相環(huán)研究,提高其環(huán)路的工作性能,顯得更具有十分重要的意義。第4章 鎖相環(huán)的發(fā)展與應(yīng)用第4章 4.1 發(fā)展De Bellescize于1932年提出同步檢波理論,首次公開發(fā)表了對鎖相環(huán)的描述,實現(xiàn)同步檢波。到1940年,鎖相環(huán)第一次用于電視接收機掃描同步裝置中,改善了電視圖像質(zhì)量。 隨后,由杰斐和里希廷利用鎖相環(huán)路作為導(dǎo)彈信標(biāo)的跟蹤濾波器獲得成功,第一次發(fā)表了包含有噪聲效應(yīng)的鎖相環(huán)路線性理論分析的文章,同時解決了鎖相環(huán)路最佳化設(shè)計的問題。 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,逐漸出現(xiàn)了集成的環(huán)路部件、 通用單片集成鎖相環(huán)及多種專用集成鎖相環(huán),PLL變成一個成本低、 使用簡便的多功能組件。 目前,鎖相原理的應(yīng)用已經(jīng)深入到通信、 雷達、 原子物理學(xué),流體力學(xué)等。4.2 鎖相環(huán)的應(yīng)用由于鎖相環(huán)路結(jié)構(gòu)簡單,性能優(yōu)越等特點,現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于無線電通信、 數(shù)字電視、 廣播等眾多領(lǐng)域。 概括起來,鎖相環(huán)的應(yīng)用主要以下幾方面。(1)時鐘發(fā)生器/頻率綜合器。