數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)原理

摘要：數(shù)字鎖相環(huán)（DigitalPhase-LockedLoop，簡(jiǎn)稱DPLL）是一種基于反饋控制的技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)序控制和相位同步。通過相位比較、頻率差計(jì)算、頻率控制、濾波和循環(huán)控制，它能夠完成兩個(gè)信號(hào)相位同步、頻率自動(dòng)跟蹤的功能。數(shù)字鎖相環(huán)不僅具有可靠性好、精度高、環(huán)路帶寬和中心頻率編程可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，還解決了模擬鎖相環(huán)的直流零點(diǎn)漂移、器件飽和及易受電源和環(huán)境溫度變化等缺點(diǎn)，此外還具有對(duì)離散樣值的實(shí)時(shí)處理能力。數(shù)字鎖相環(huán)廣泛應(yīng)用于物理和工程領(lǐng)域，包括用于測(cè)量和跟蹤信號(hào)頻率、提取原始信號(hào)的給定頻率分量并在同時(shí)消除噪聲和雜散分量，或者基于輸入信號(hào)合成新信號(hào)。此外，數(shù)字鎖相環(huán)在調(diào)制解調(diào)、頻率合成、FM立體聲解碼、彩色副載波同步、圖像處理等各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用，已成為鎖相技術(shù)發(fā)展的方向。

1.鎖相環(huán)基本原理

鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)也稱自動(dòng)相位控制技術(shù),主要由鑒相器,低通濾波器(LPF),壓控振蕩器(VCO)和參考頻率源(晶體振蕩器)組成。

當(dāng)壓控振蕩器的頻率f_v,由于某種原因發(fā)生變化時(shí),必然相應(yīng)地產(chǎn)生生相位變化。這個(gè)相位變化在鑒相器中與參考晶體振蕩器的穩(wěn)定(對(duì)應(yīng)于頻率f_R)相比較,使鑒相器輸出一個(gè)與相位誤差成比例的誤差電壓u_d(t),經(jīng)過低通濾波器,取出其中緩慢變動(dòng)的直流電壓分量u_c(t),并加到VCO的控制端,使壓控振蕩器的輸出頻率f_v不斷改變且向參考頻率f_R靠攏,直至f_v=f_R為止,從而使得u_v(t)、u_s(t)兩信號(hào)的頻率相同而相位差保持恒定(同步),即實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤和相位鎖定。這就是是鎖相環(huán)路的基本原理。

圖1鎖相環(huán)組成結(jié)構(gòu)圖

2.全數(shù)字鎖相環(huán)的基本原理

全數(shù)字鎖相環(huán)由數(shù)字鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器三部分組成。鎖相環(huán)是一個(gè)相位反饋控制系統(tǒng)，而在數(shù)字鎖相環(huán)中，由于誤差控制信號(hào)是離散的數(shù)字信號(hào)，而不是模擬電壓，因而受控的輸出電壓的改變是離散的而不是連續(xù)的;此外，全數(shù)字鎖相環(huán)的環(huán)路組成部件也全用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。其中可逆計(jì)數(shù)器及N分頻器的時(shí)鐘由外部晶振提供。全數(shù)字鎖相環(huán)不使用VCO(電壓控制振蕩器)，同時(shí)采用系統(tǒng)可編程芯片實(shí)現(xiàn)，這大大減輕溫度及電源電壓變化對(duì)環(huán)路的影響，有利于提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。

3.全數(shù)字鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)

全數(shù)字鎖相環(huán)是模擬鎖相環(huán)系統(tǒng)的數(shù)字化,全數(shù)字鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由數(shù)字鑒相器、K變模可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成(模數(shù)K可預(yù)置)、加減脈沖控制器和除N計(jì)數(shù)器構(gòu)成。K變模可逆計(jì)數(shù)器和加減脈沖控制器的工作頻率分別為Mf₀和2Nf₀,f₀為鎖相環(huán)的中心頻率。一般情況下M和N均為2的整數(shù)冪。時(shí)鐘2Nf₀經(jīng)除H(H=M/2N)計(jì)數(shù)器得到。實(shí)際應(yīng)用中一般在壓控振蕩器與鑒相器之間加入可控的變模分頻器,來得到固定的或是可變的輸出頻率,輸出頻率與輸入頻率之間成比例關(guān)系。

圖2全數(shù)字鎖相環(huán)路結(jié)構(gòu)圖

3.1數(shù)字鑒相器的實(shí)現(xiàn)

常用的數(shù)字鑒相器有三種類型EXOR鑒相器、JK觸發(fā)型鑒相器和邊沿控制鑒相器。數(shù)字鑒相器的作用是鑒別兩個(gè)數(shù)字信號(hào)相位的差別，并通過信號(hào)將這種差別表示出來。數(shù)字鑒相器在很大程度上決定著鎖相環(huán)的性能,選擇的原則要從適用條件、線性鑒相范圍、設(shè)計(jì)難易程度等角度綜合考慮。其中EXOR鑒相器，它適用于波形對(duì)稱的情況,線性鑒相范圍為±Π/2，線性增益K_d=2/Π(V/rad)。通過比較輸入信號(hào)u₁(t)和反饋輸入信號(hào)u_2’(t)的相位產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)u_d(t),其作為K變模可逆計(jì)數(shù)器的加減方向控制信號(hào),相位差為θ_e(θ_e=θ_v-θ_R)。環(huán)路鎖定時(shí)，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間沒有相位誤差時(shí)，輸入和輸出信號(hào)的相位剛好相差90°，經(jīng)過異或門，產(chǎn)生占空比為50%的輸出信號(hào)，該信號(hào)和輸入信號(hào)波形相同，頻率剛好是前者的兩倍。這種情形如圖3(a)所示。在這種情況下,可逆計(jì)數(shù)器加和減的周期是相同的,此時(shí)只要可逆計(jì)數(shù)器的k值足夠大,其輸出端就不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位或借位脈沖。當(dāng)輸出信號(hào)u_2’滯后于參考信號(hào)u₁時(shí),相位誤差為正。這種情形如圖3(b)所示。

圖3 EXOR鑒相器的波形圖（a）零相位誤差（θe=0時(shí)波形）

（b）零相位誤差（θe>0時(shí)波形）

3.2數(shù)字環(huán)路濾波器的實(shí)現(xiàn)

K變模可逆計(jì)數(shù)器是最重要的數(shù)字環(huán)路濾波器之一。這種環(huán)路濾波器通常和EXOR或者JK觸發(fā)鑒相器一起工作,它由兩個(gè)互相獨(dú)立的計(jì)數(shù)器組成,這兩個(gè)計(jì)數(shù)器通常被稱之為加(UP)計(jì)數(shù)器和減(DN)計(jì)數(shù)器。實(shí)際應(yīng)用中,這兩個(gè)計(jì)數(shù)器總是向上計(jì)數(shù)的,K為這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的模,也就是說,這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍都是[0,K-1],其中K是由模K控制輸入端控制,而且,一般是2的整數(shù)次冪。時(shí)鐘信號(hào)(K時(shí)鐘)的頻率定義為ADPLL中心頻率f_o的M倍,M通常取8、16、32等。它對(duì)數(shù)字鑒相器輸出的相位差信號(hào)進(jìn)行加減運(yùn)算,當(dāng)運(yùn)算結(jié)果達(dá)到由模值控制器所預(yù)設(shè)的模值時(shí),計(jì)數(shù)器輸出一個(gè)溢出信號(hào),加減溢出判斷電路對(duì)溢出信號(hào)進(jìn)行判斷:若是加溢出則輸出進(jìn)位脈沖;若是減溢出則輸出借位脈沖。進(jìn)位和借位脈沖可用來控制DCO(數(shù)控振蕩器),使得DCO輸出的脈沖數(shù)根據(jù)進(jìn)位和借位來加上或者是刪除一些脈沖,實(shí)際上也就改變了DCO的輸出頻率。可逆計(jì)數(shù)器的模值由K模值控制器控制,一般為2的整數(shù)冪,當(dāng)模值控制器變化范圍為4b0001~4b1111時(shí),對(duì)應(yīng)的模值的變化范圍為2³~2¹⁷。即可根據(jù)模值的大小調(diào)整可逆計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)數(shù)字編程控制。

3.3數(shù)字振蕩器的實(shí)現(xiàn)

數(shù)控振蕩器由加減脈沖控制器和除N計(jì)數(shù)器組成。加減脈沖控制器的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)頻率和相位的跟蹤和調(diào)整,最終使得輸出信號(hào)鎖定在輸入信號(hào)的頻率和相位上,它是由D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器組合實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)沒有進(jìn)位脈沖和借位脈沖輸入時(shí),即鎖相環(huán)路穩(wěn)定時(shí),加減脈沖控制器對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行二分頻后輸出,從而保持u₁(t)和u_2’(t)的正交;當(dāng)有進(jìn)位脈沖時(shí),加減脈沖控制器除了將信號(hào)2分頻,還會(huì)在2分頻的過程中加入半個(gè)時(shí)鐘周期,當(dāng)有借位脈沖輸入時(shí),則是減去半個(gè)時(shí)鐘周期,這個(gè)過程是連續(xù)發(fā)生的。由于實(shí)際門電路中延遲的影響,有可能在邏輯輸出的信號(hào)中存在毛刺,從而產(chǎn)生不可預(yù)知的問題,所以可以通過時(shí)鐘控制的D觸發(fā)器來消除這些毛刺所帶來的隱患。由此可見,加減脈沖控制器就是通過這種方式來調(diào)節(jié)相位以使閉環(huán)系統(tǒng)最終達(dá)到鎖定狀態(tài)。

Moku:Pro的PID/PLL

Moku:Pro的PID/PLL(相對(duì)于參考時(shí)鐘)多達(dá)四個(gè)輸入信號(hào)，從1 kHz到300 MHz的精度優(yōu)于6 μ弧度。基于數(shù)字實(shí)現(xiàn)的鎖相環(huán)架構(gòu)，Moku:Pro的PID/PLL提供了動(dòng)態(tài)范圍、零死區(qū)和測(cè)量精度，超過了傳統(tǒng)鎖相放大器和頻率計(jì)數(shù)器的性能。

Moku:Pro的PID/PLL特征

•四個(gè)獨(dú)立的相位計(jì)通道輸出選項(xiàng)，跟蹤和記錄兩個(gè)獨(dú)立信號(hào)的相位，頻率和幅度。

•鎖相輸出選項(xiàng)，使您可以產(chǎn)生正弦波鎖相輸入。

•使用相位計(jì)的集成頻譜分析工具包在頻域觀察測(cè)量數(shù)據(jù)。

•鎖相環(huán)跟蹤帶寬從10hz到10khz。

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