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 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，是用來比較輸入信號與壓控振蕩器輸出倍號的 相位，它的輸出電壓是對應(yīng)于這兩個(gè)信號相位差的甌數(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)路中對輸入噪聲起抑止作用,并且對環(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，是用來比較輸入信號與壓控振蕩器輸出信號的相 位，它的輸出電壓是 對應(yīng)于這兩個(gè)信號相位差的函數(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)路中對輸入噪聲起抑止作用，并

4、且對環(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)路濾波器送來的校正信號的控制。其控制特點(diǎn)是：前一采樣時(shí)刻得到 的校正信號將改變下一個(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、基本工作過程如下：（1設(shè)輸入信號ui （t和本振信號（數(shù)字壓控振蕩器輸出信號）u o （t分別是正弦和余弦信號，他們在數(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 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u o (t的頻率與數(shù)字鑒相器輸入信號u i (t的頻率一致。(3最后，如果本振信號的頻率和輸

6、入信號的頻率完全一致，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)定的號岀.輸出信號頻和匕晶嫌信號頻率人的稱為鎖相信頻器電踰輸岀侑號麺率比晶 推伯號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（庫二當(dāng)號的額岸柑像相環(huán)的聞仃抿蕩頻率阪相您時(shí). ih控提蕩器輸岀倩號的頻率將保持血不變?nèi)魤嚎卮槭幤鞯妮斎胄盘柍擞绣^相 壞砥測肚波曙輸出的L；號比外

9、.址科調(diào)制信號葉 則爪控推閑辭翩IM已的頻率 就圧以那為中心.馳測制信號柿蛍的變化而芟化的flIKift信號側(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U.X L嚴(yán)頻單計(jì)叫 陽掘電嗆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)定的振蕩信號輸出。輸出信號頻率比晶掘信號頻率大的稱為鎖相倍頻器血論輸出信號頻率叱品圖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)定的振蕩信號輸出。輸出信號頻率比晶振信號頻率大的稱為鎖相倍頻器電路；輸出信號頻率比晶振 信號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)定的振蕩信號輸出。輸出倍號頻率比晶按信號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)。