什么是鎖相環(huán)? 大多數(shù)人都聽過“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。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,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,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,是通過將相位檢測(cè)器信號(hào)通過一個(gè)簡(jiǎn)單的 RC 低通濾波器產(chǎn)生的(如果你使用過“ 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,通過對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行低通濾波來發(fā)揮作用)。跡線被標(biāo)記為“ctrl”,因?yàn)檫@是我們可以用來控制(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)作是通過負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)的,即通過路由輸出信號(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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【本文標(biāo)簽】 什么是鎖相環(huán) PLL 晶光華晶振 壓控振蕩器 車規(guī)級(jí)晶振 集成電路 振蕩頻率
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