數字鎖相環(huán)技術原理

摘要：數字鎖相環(huán)（DigitalPhase-LockedLoop，簡稱DPLL）是一種基于反饋控制的技術，用于實現(xiàn)精確的時序控制和相位同步。通過相位比較、頻率差計算、頻率控制、濾波和循環(huán)控制，它能夠完成兩個信號相位同步、頻率自動跟蹤的功能。數字鎖相環(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等優(yōu)點，還解決了模擬鎖相環(huán)的直流零點漂移、器件飽和及易受電源和環(huán)境溫度變化等缺點，此外還具有對離散樣值的實時處理能力。數字鎖相環(huán)廣泛應用于物理和工程領域，包括用于測量和跟蹤信號頻率、提取原始信號的給定頻率分量并在同時消除噪聲和雜散分量，或者基于輸入信號合成新信號。此外，數字鎖相環(huán)在調制解調、頻率合成、FM立體聲解碼、彩色副載波同步、圖像處理等各個方面得到了廣泛的應用，已成為鎖相技術發(fā)展的方向。

1.鎖相環(huán)基本原理

鎖相環(huán)(PLL)技術也稱自動相位控制技術,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。

當壓控振蕩器的頻率f_v,由于某種原因發(fā)生變化時,必然相應地產生生相位變化。這個相位變化在鑒相器中與參考晶體振蕩器的穩(wěn)定(對應于頻率f_R)相比較,使鑒相器輸出一個與相位誤差成比例的誤差電壓u_d(t),經過低通濾波器,取出其中緩慢變動的直流電壓分量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)兩信號的頻率相同而相位差保持恒定(同步),即實現(xiàn)頻率自動跟蹤和相位鎖定。這就是是鎖相環(huán)路的基本原理。

圖1鎖相環(huán)組成結構圖

2.全數字鎖相環(huán)的基本原理

全數字鎖相環(huán)由數字鑒相器、數字環(huán)路濾波器、數控振蕩器三部分組成。鎖相環(huán)是一個相位反饋控制系統(tǒng)，而在數字鎖相環(huán)中，由于誤差控制信號是離散的數字信號，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，全數字鎖相環(huán)的環(huán)路組成部件也全用數字電路實現(xiàn)。其中可逆計數器及N分頻器的時鐘由外部晶振提供。全數字鎖相環(huán)不使用VCO(電壓控制振蕩器)，同時采用系統(tǒng)可編程芯片實現(xiàn)，這大大減輕溫度及電源電壓變化對環(huán)路的影響，有利于提高系統(tǒng)的集成度和可靠性。

3.全數字鎖相環(huán)的實現(xiàn)

全數字鎖相環(huán)是模擬鎖相環(huán)系統(tǒng)的數字化,全數字鎖相環(huán)的基本結構如圖2所示。主要由數字鑒相器、K變模可逆計數器構成(模數K可預置)、加減脈沖控制器和除N計數器構成。K變模可逆計數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的整數冪。時鐘2Nf₀經除H(H=M/2N)計數器得到。實際應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系。

圖2全數字鎖相環(huán)路結構圖

3.1數字鑒相器的實現(xiàn)

常用的數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。數字鑒相器的作用是鑒別兩個數字信號相位的差別，并通過信號將這種差別表示出來。數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、設計難易程度等角度綜合考慮。其中EXOR鑒相器，它適用于波形對稱的情況,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u₁(t)和反饋輸入信號u_2’(t)的相位產生一個誤差信號u_d(t),其作為K變模可逆計數器的加減方向控制信號,相位差為θ_e(θ_e=θ_v-θ_R)。環(huán)路鎖定時，輸入信號和輸出信號之間沒有相位誤差時，輸入和輸出信號的相位剛好相差90°，經過異或門，產生占空比為50%的輸出信號，該信號和輸入信號波形相同，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,可逆計數器加和減的周期是相同的,此時只要可逆計數器的k值足夠大,其輸出端就不會產生進位或借位脈沖。當輸出信號u_2’滯后于參考信號u₁時,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時波形）

（b）零相位誤差（θe>0時波形）

3.2數字環(huán)路濾波器的實現(xiàn)

K變模可逆計數器是最重要的數字環(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,它由兩個互相獨立的計數器組成,這兩個計數器通常被稱之為加(UP)計數器和減(DN)計數器。實際應用中,這兩個計數器總是向上計數的,K為這兩個計數器的模,也就是說,這兩個計數器的計數范圍都是[0,K-1],其中K是由模K控制輸入端控制,而且,一般是2的整數次冪。時鐘信號(K時鐘)的頻率定義為ADPLL中心頻率f_o的M倍,M通常取8、16、32等。它對數字鑒相器輸出的相位差信號進行加減運算,當運算結果達到由模值控制器所預設的模值時,計數器輸出一個溢出信號,加減溢出判斷電路對溢出信號進行判斷:若是加溢出則輸出進位脈沖;若是減溢出則輸出借位脈沖。進位和借位脈沖可用來控制DCO(數控振蕩器),使得DCO輸出的脈沖數根據進位和借位來加上或者是刪除一些脈沖,實際上也就改變了DCO的輸出頻率。可逆計數器的模值由K模值控制器控制,一般為2的整數冪,當模值控制器變化范圍為4b0001~4b1111時,對應的模值的變化范圍為2³~2¹⁷。即可根據模值的大小調整可逆計數器的長度來實現(xiàn)數字編程控制。

3.3數字振蕩器的實現(xiàn)

數控振蕩器由加減脈沖控制器和除N計數器組成。加減脈沖控制器的作用是實現(xiàn)對輸入信號頻率和相位的跟蹤和調整,最終使得輸出信號鎖定在輸入信號的頻率和相位上,它是由D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器組合實現(xiàn)的。當沒有進位脈沖和借位脈沖輸入時,即鎖相環(huán)路穩(wěn)定時,加減脈沖控制器對輸入時鐘進行二分頻后輸出,從而保持u₁(t)和u_2’(t)的正交;當有進位脈沖時,加減脈沖控制器除了將信號2分頻,還會在2分頻的過程中加入半個時鐘周期,當有借位脈沖輸入時,則是減去半個時鐘周期,這個過程是連續(xù)發(fā)生的。由于實際門電路中延遲的影響,有可能在邏輯輸出的信號中存在毛刺,從而產生不可預知的問題,所以可以通過時鐘控制的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節(jié)相位以使閉環(huán)系統(tǒng)最終達到鎖定狀態(tài)。

Moku:Pro的PID/PLL

Moku:Pro的PID/PLL(相對于參考時鐘)多達四個輸入信號，從1 kHz到300 MHz的精度優(yōu)于6 μ弧度。基于數字實現(xiàn)的鎖相環(huán)架構，Moku:Pro的PID/PLL提供了動態(tài)范圍、零死區(qū)和測量精度，超過了傳統(tǒng)鎖相放大器和頻率計數器的性能。

Moku:Pro的PID/PLL特征

•四個獨立的相位計通道輸出選項，跟蹤和記錄兩個獨立信號的相位，頻率和幅度。

•鎖相輸出選項，使您可以產生正弦波鎖相輸入。

•使用相位計的集成頻譜分析工具包在頻域觀察測量數據。

•鎖相環(huán)跟蹤帶寬從10hz到10khz。

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