全數(shù)字鎖相環(huán)原理及應(yīng)用講解

1、全數(shù)字鎖相環(huán)原理及應(yīng)用摘要：首先介紹全數(shù)字鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)，及各個(gè)模塊的作用，接著講述全數(shù)字 鎖相環(huán)的工作原理，然后介紹在全數(shù)字鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電路、頻率合成器中的 應(yīng)用。關(guān)鍵字：全數(shù)字鎖相環(huán)數(shù)字環(huán)路鑒相器數(shù)字環(huán)路濾波器數(shù)字壓控振蕩器1. 前言鎖相環(huán)（PLL，Phase Locked Loop技術(shù)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如信號(hào) 處理，調(diào)制解調(diào)，時(shí)鐘同步，倍頻，頻率綜合等都應(yīng)用到了鎖相環(huán)技術(shù)。傳統(tǒng)的鎖 相環(huán)由模擬電路實(shí)現(xiàn)，而全數(shù)字鎖相環(huán) （ADPLL，All Digital Phase Locked Loop與 傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)現(xiàn)的PLL相比，具有精度高且不受溫度和電壓影響，環(huán)路帶寬 和中心頻

2、率編程可調(diào)，易于構(gòu)建高階鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，并且應(yīng)用在數(shù)字系統(tǒng)中時(shí)，不 需A/D及D/A轉(zhuǎn)換。隨著通訊技術(shù)、集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和系統(tǒng)芯片的深入 研究，全數(shù)字鎖相環(huán)將會(huì)在其中得到更為廣泛的應(yīng)用。2. 全數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)及原理數(shù)字環(huán)路鑒相器（DPD）數(shù)字鑒相器也稱采樣鑒相器，是用來(lái)比較輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出倍號(hào)的 相位，它的輸出電壓是對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)信號(hào)相位差的甌數(shù)。它是鎖相環(huán)路中的關(guān) 犍部件，數(shù)字鑒相器的形式可分為：過(guò)零采樣鑒相器、觸發(fā)器熨數(shù)字鑒相益、超 詢一滯后熨數(shù)字鑒相器和奈奎斯特速率取樣鑒相器。數(shù)字環(huán)路濾波器（DLF）數(shù)字環(huán)路濾波器在環(huán)路中對(duì)輸入噪聲起抑止作用,并且對(duì)環(huán)路的校正速度起 調(diào)節(jié)作用。

3、數(shù)7濾波器是一種“門(mén)的技術(shù)，有答種各樣的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方法“ 引入數(shù)字環(huán)路濾波器和模擬鎖相環(huán)路引入環(huán)路濾波器的的一樣，是作為校正網(wǎng)豪字鎖相環(huán)的一般組成如下圖1所示，由數(shù)？鑒相器（DPD, Digital Phase圖1數(shù)字鎖相環(huán)路的基本結(jié)構(gòu)（1數(shù)字環(huán)路鑒相器（DPD ）數(shù)字鑒相器也稱采樣鑒相器，是用來(lái)比較輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)的相 位，它的輸出電壓是 對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)信號(hào)相位差的函數(shù)。它是鎖相環(huán)路中的關(guān)鍵部 件，數(shù)字鑒相器的形式可分為：過(guò)零采樣鑒相器、觸發(fā)器型數(shù)字鑒相器、超前一滯后型數(shù)字鑒相器和奈奎斯特速率取樣鑒相器。（2數(shù)字環(huán)路濾波器（DLF）數(shù)字環(huán)路濾波器在環(huán)路中對(duì)輸入噪聲起抑止作用，并

4、且對(duì)環(huán)路的校正速度起調(diào) 節(jié)作用。數(shù)字濾波器是一種專門(mén)的技術(shù)，有各種各樣的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方法。引入 數(shù)字環(huán)路濾波器和模擬鎖相環(huán)路引入環(huán)路濾波器的目的一樣，是作為校正網(wǎng)絡(luò)引入環(huán)路的。因此，合理的設(shè)計(jì)數(shù)字環(huán)路濾波器和選取合適的數(shù)字濾波器結(jié) 構(gòu)就能使DPLL滿足預(yù)定的系統(tǒng)性能要求。（3數(shù)字壓控振蕩器（DCO）數(shù)控振蕩器，又稱為數(shù)字鐘。它在數(shù)字環(huán)路中所處的地位相當(dāng)于模擬鎖相環(huán)中 的壓控振蕩器（VCO）。但是，它的輸出是一個(gè)脈沖序列，而該輸出脈沖序列的 周期受數(shù)字環(huán)路濾波器送來(lái)的校正信號(hào)的控制。其控制特點(diǎn)是：前一采樣時(shí)刻得到 的校正信號(hào)將改變下一個(gè)采樣時(shí)刻的脈沖時(shí)間位置。全數(shù)字鎖相環(huán)工作原理全數(shù)字鎖相環(huán)的

5、基本工作過(guò)程如下：（1設(shè)輸入信號(hào)ui （t和本振信號(hào)（數(shù)字壓控振蕩器輸出信號(hào)）u o （t分別是正弦和余弦信號(hào)，他們?cè)跀?shù)字鑒相器內(nèi)進(jìn)行比較，數(shù)字鑒相器的輸出是一個(gè)與兩者間的 相位差成比例的電壓u d （to（2數(shù)字環(huán)路濾波器除數(shù)字鑒相器輸出中的高頻分量，然后把輸出電壓u c （t加到數(shù)字壓控振蕩器的輸出端，數(shù)字壓控振蕩器的本振信號(hào)頻率隨著輸入電壓的變化 而變化。如果兩者頻率不一致，則數(shù)字鑒相器的輸出將產(chǎn)生低頻變化分量，并通過(guò) 低通濾波器使DCO的頻率發(fā)生變化。只要環(huán)路設(shè)計(jì)恰當(dāng)，則這種變化將使本振信 號(hào)u o (t的頻率與數(shù)字鑒相器輸入信號(hào)u i (t的頻率一致。(3最后，如果本振信號(hào)的頻率和輸

6、入信號(hào)的頻率完全一致，兩者的相位差將 保持某一個(gè)恒定值，則數(shù)字鑒相器的輸出將是一個(gè)恒定直流電壓(忽略高頻分量)，數(shù)字環(huán)路濾波器的輸出也是一個(gè)直流電壓，DCO的頻率也將停止變化，這時(shí)，環(huán)路處于鎖定狀態(tài)”3. 全數(shù)字鎖相環(huán)的特點(diǎn)及應(yīng)用全數(shù)字化鎖相環(huán)的共同特點(diǎn)(1電路完全數(shù)字化，使用邏輯門(mén)電路和觸發(fā)器電路。系統(tǒng)中只有導(dǎo)通”和 截止”兩種工作狀態(tài)，受外界和電源的干擾的可能性大大減小，電路容易集成，易于 制成全集成化的單片全數(shù)字鎖相環(huán)路。因而系統(tǒng)的可靠性大大提高。(2全數(shù)字鎖相環(huán)路還緩和甚至消除了模擬鎖相環(huán)路中電壓控制振蕩器(VCO )的非線性以及環(huán)路中使用運(yùn)算放大器和晶體管后而出現(xiàn)的飽和及運(yùn)算放 大器

7、和鑒相器的零漂等對(duì)環(huán)路性能的影響。(3數(shù)字鎖相環(huán)路的環(huán)路部件甚至整個(gè)環(huán)路都可以直接用微處理機(jī)來(lái)模擬而實(shí) 現(xiàn)。(4全數(shù)字鎖相環(huán)路中，因模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量所引入的量化誤差和離散控制 造成的誤差，只要系統(tǒng)設(shè)計(jì)得當(dāng)，均可以被忽略。全數(shù)字化鎖相環(huán)的在實(shí)際工程中的應(yīng)用目前，全數(shù)字鎖相環(huán)路(A DPLL )已在數(shù)字通信、無(wú)線電電子學(xué)及電力系統(tǒng) 自動(dòng)化等領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用。A DPLL具有精度高、不受溫度和電壓影 響、環(huán)路帶寬和中心編程頻率可調(diào)、易于構(gòu)建咼階鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)。隨著集成電路技 術(shù)的發(fā)展，不僅能夠制成頻率較高的單片集成鎖相環(huán)路，而且可以把整個(gè)系統(tǒng)集成 到一個(gè)芯片上去。全數(shù)字鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電

8、路中的應(yīng)用全數(shù)字鎖梢壞在荻率介成電路中的應(yīng)川任現(xiàn)代電了技術(shù)屮*為f作到高輛度的掘擴(kuò)Si隼，通常采用石呢韶體振躅28. 但石英晶體撮蕩器的頻率林祁坊曲變，利用領(lǐng)相壞、倍傾.分頻零頻率合成技術(shù), 可以荻得多疑率、高穩(wěn)定的號(hào)岀.輸出信號(hào)頻和匕晶嫌信號(hào)頻率人的稱為鎖相信頻器電踰輸岀侑號(hào)麺率比晶 推伯號(hào)傾率小的稱為損相分頻器電路*領(lǐng)相倍頻和鎖梱忻拔電路細(xì)成用圖削圖4 所示農(nóng)調(diào)頻波時(shí)特點(diǎn)是頻罪隨調(diào)制信號(hào)翔投的變化而變化用揑掘蕩器的搬曲頻率 取決F輸入電爪的M（庫(kù)二當(dāng)號(hào)的額岸柑像相環(huán)的聞仃抿蕩頻率阪相您時(shí). ih控提蕩器輸岀倩號(hào)的頻率將保持血不變?nèi)魤嚎卮槭幤鞯妮斎胄盘?hào)除了有錨相 壞砥測(cè)肚波曙輸出的L；號(hào)比外

9、.址科調(diào)制信號(hào)葉 則爪控推閑辭翩IM已的頻率 就圧以那為中心.馳測(cè)制信號(hào)柿蛍的變化而芟化的flIKift信號(hào)側(cè)，、數(shù) 卅釧 環(huán)的理和訓(xùn)牠波的機(jī)點(diǎn)可得解調(diào)電踣組成框圖如圖2所刃譏悶制力號(hào)U.X L嚴(yán)頻單計(jì)叫 陽(yáng)掘電嗆T嗨相器一t低通濾波誥F彳壓拎撇特器卜廠* 全數(shù)字鎖相壞在頻率合成電路中的應(yīng)用在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到周粘度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。 但石英品體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術(shù), 町以獲得名頻率、禹穩(wěn)定的振蕩信號(hào)輸出。輸出信號(hào)頻率比晶掘信號(hào)頻率大的稱為鎖相倍頻器血論輸出信號(hào)頻率叱品圖3調(diào)頻電路框圖全數(shù)字鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用在現(xiàn)代電子技

10、術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術(shù)，可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號(hào)輸出。輸出信號(hào)頻率比晶振信號(hào)頻率大的稱為鎖相倍頻器電路；輸出信號(hào)頻率比晶振 信號(hào)頻率小的稱為鎖相分頻器電路。鎖相倍頻和鎖相分頻電路組成框圖如圖4所示：全數(shù)字鎖相壞在頻率舍成電路中的向用在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高粘度的掘蕩頻率，通常釆用石英但石英品休掘蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻 可以獲得多頻率.高穩(wěn)定的振蕩信號(hào)輸出。輸出倍號(hào)頻率比晶按信號(hào)頻率大的稱為鎖相倍頻器電路輸出菲圖4鎖相倍頻分頻電路組成框圖f i =Nfo注：圖中的N大于1時(shí)，為分頻電路；當(dāng)N小于1時(shí)為倍頻電路。4.總結(jié)本文主要介紹了全數(shù)字鎖相環(huán)的原理及在工程中應(yīng)用，隨著科技的發(fā)展，根據(jù) 不同的需要，單片集成全數(shù)字鎖相環(huán)的商用產(chǎn)品越來(lái)越多，它具有精度高、不受溫 度和電壓影響、環(huán)路帶寬和中心編程頻率可調(diào)、易于構(gòu)建高階鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)。