什么是鎖相環(huán)？

什么是鎖相環(huán)？   大多數(shù)人都聽過(guò)“鎖相環(huán)”（PLL）這個(gè)詞，然而很少有人真的了解到底什么是 PLL ，在本文中對(duì)基本 PLL 特性提供了清晰、直觀的解釋。

“鎖相環(huán)”出現(xiàn)在各種環(huán)境中：微控制器、射頻解調(diào)器、振蕩器模塊、串行通信。首先要了解的是，“PLL”并不是指單個(gè)組件。PLL 是一個(gè)系統(tǒng)，它由多個(gè)組件組成，這些組件經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)并以負(fù)反饋配置互連。PLL 確實(shí)是作為單個(gè)集成電路出售的，因此將它們視為“組件”是很自然的。

PLL ≥ PD + LPF + VCO

這與 PLL 一樣基本。讓我們討論三個(gè)基本組成部分。

相位檢測(cè)器，不是真正的相位檢測(cè)器，但這是標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)。PLL中的相位檢測(cè)器實(shí)際上是一個(gè)相位差檢測(cè)器，即它接受兩個(gè)周期性輸入信號(hào)并產(chǎn)生一個(gè)代表兩個(gè)輸入之間相位差的輸出信號(hào)。

相位檢測(cè)器的輸出不是與相位差成正比的直接模擬信號(hào)。直接的模擬信號(hào)就在某處，但它與高頻內(nèi)容相結(jié)合，使信號(hào)看起來(lái)與你的預(yù)期大不相同。因此，低通濾波器。它抑制高頻分量并將鑒相器的輸出轉(zhuǎn)換為可以控制 VCO 的東西。

壓控振蕩器是由電壓控制的振蕩器，更具體地說(shuō)，振蕩器產(chǎn)生的周期信號(hào)的頻率由電壓控制。因此，VCO 是一個(gè)可變頻率振蕩器，它允許外部電壓影響其振蕩頻率，在 PLL 的情況下，控制電壓是經(jīng)過(guò)低通濾波的相位檢測(cè)器信號(hào)。

波形

由數(shù)字 PLL 產(chǎn)生的一些波形，你可能將 PLL 設(shè)想為一個(gè)主要的模擬系統(tǒng)，也許用數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)更簡(jiǎn)單，重要一點(diǎn)是，相同的概念適用于模擬和數(shù)字實(shí)現(xiàn)，如果你了解這些數(shù)字波形，那么你通常會(huì)了解 PLL 信號(hào)。

在數(shù)字 PLL 中，相位檢測(cè)器只需要一個(gè) XOR 門。只有當(dāng)兩個(gè)輸入不同時(shí)，異或門才會(huì)產(chǎn)生邏輯高輸出，如果將此行為擴(kuò)展到兩個(gè)輸入均為方波的情況，則 XOR 將成為“異相檢測(cè)器”。

這兩個(gè)方波具有很小的相位差，因此它們?cè)谥芷诘囊恍〔糠痔幱诓煌倪壿嫚顟B(tài)，當(dāng)邏輯狀態(tài)不同時(shí)，XOR 輸出為高，如果相位差變大，XOR 輸出將更長(zhǎng)時(shí)間處于邏輯高電平。

這就是 XOR 門用作相位檢測(cè)器的方式，隨著相位差的增加，輸出在邏輯高電平上花費(fèi)了大部分周期，換句話說(shuō)，XOR 輸出的占空比和平均值與相位差成正比。

下一步是使用這個(gè)平均值作為 VCO 的控制信號(hào)，這就是低通濾波器發(fā)揮作用。

綠色線是帶有一點(diǎn)紋波的平均值，是通過(guò)將相位檢測(cè)器信號(hào)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的 RC 低通濾波器產(chǎn)生的（如果你使用過(guò)“ PWM DAC ”，你可能會(huì)認(rèn)出這種技術(shù)，是一種數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過(guò)對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行低通濾波來(lái)發(fā)揮作用）。跡線被標(biāo)記為“ctrl”，因?yàn)檫@是我們可以用來(lái)控制（即改變頻率）VCO 的信號(hào)。

關(guān)閉循環(huán)

PLL 可以以各種巧妙的方式使用，但基本功能是將輸出頻率“鎖定”到輸入頻率。（它們還將輸出相位鎖定到輸入相位，正如你從名稱“鎖相環(huán)”中所看到的那樣，但它是一種不同類型的鎖定。）鎖定動(dòng)作是通過(guò)負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)的，即通過(guò)路由輸出信號(hào)返回到相位檢測(cè)器（如上圖所示）。

當(dāng)兩個(gè)輸入頻率相等時(shí)（如上例所示），相位檢測(cè)器才會(huì)產(chǎn)生恒定的占空比（因此產(chǎn)生恒定的平均值）。不同的頻率會(huì)導(dǎo)致占空比的周期性變化。

因此，控制電壓將繼續(xù)上下波動(dòng)，直到輸出頻率等于輸入頻率。

要建立鎖定，PLL 必須做的不僅僅是使輸出頻率等于輸入頻率。它還必須建立導(dǎo)致適當(dāng)控制電壓的輸入-輸出相位關(guān)系。

PLL 無(wú)法直接控制 VCO 信號(hào)的相位。它可以調(diào)整 VCO 相位的唯一方法是調(diào)整頻率，因此頻率變化將繼續(xù)，直到實(shí)現(xiàn)鎖頻和鎖相。

結(jié)論

本文介紹了鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)和一些操作細(xì)節(jié)，它是一個(gè)基于負(fù)反饋的系統(tǒng)，可以生成鎖定并跟蹤輸入信號(hào)頻率的周期性信號(hào)。

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