鎖相

De Bellescize于1932年提出同步檢波理 論首次公開發(fā)表了對(duì)鎖相環(huán)的描述實(shí)現(xiàn) 同步檢波。到1940年鎖相環(huán)第一次用于電 視接收機(jī)掃描同步裝置中改善了電視圖 像質(zhì)量。隨后由杰斐和里希廷利用鎖相環(huán) 路作為導(dǎo)彈信標(biāo)的跟蹤濾波器獲得成功 第一次發(fā)表了包含有噪聲效應(yīng)的鎖相環(huán)路 線性理論分析的文章同時(shí)解決了鎖相環(huán) 路最佳化設(shè)計(jì)的問(wèn)題。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展逐漸出現(xiàn)了集成的環(huán)路部件、通用 單片集成鎖相環(huán)及多種專用集成鎖相環(huán) PLL變成一個(gè)成本低、使用簡(jiǎn)便的多功能組 件。鎖相原理的應(yīng)用已經(jīng)深入到通 信、雷達(dá)、原子物理學(xué)流體力學(xué)等。

由于鎖相環(huán)路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能優(yōu)越等 特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于無(wú)線電通信、數(shù)字電 視、廣播等眾多領(lǐng)域。概括起來(lái)相鎖環(huán)的 應(yīng)用主要以下幾方面。

(1)時(shí)鐘發(fā)生器頻率綜合器。鎖相環(huán)鎖 定后輸出時(shí)鐘頻率是輸入時(shí)鐘頻率的N 倍也就是說(shuō)鎖相環(huán)可以從低頻輸入時(shí)鐘 產(chǎn)生高頻輸出時(shí)鐘。系數(shù)N是固定的稱為 時(shí)鐘發(fā)生器可以變化的稱為頻率綜合器。 與石英晶體振蕩器相比用鎖相環(huán)提供時(shí) 鐘成本低對(duì)印刷電路板、芯片封裝的帶寬 要求大為降低。

(2)時(shí)鐘恢復(fù)。數(shù)字通信系統(tǒng)中發(fā)送端 往往只發(fā)送數(shù)據(jù)流而不傳輸時(shí)鐘信號(hào)。接 收端為了能正確地接收數(shù)據(jù)必須從數(shù)據(jù) 中恢復(fù)出同步時(shí)鐘。

(3)抑制時(shí)滯效應(yīng)。時(shí)鐘信號(hào)負(fù)載大需 通過(guò)緩沖器來(lái)提高其驅(qū)動(dòng)能力;芯片內(nèi)部 有連線延遲為了抑制時(shí)滯、提高系統(tǒng)的穩(wěn) 定性可以采用鎖相環(huán)來(lái)校準(zhǔn)時(shí)鐘。

(4)調(diào)制和解調(diào)器。鎖相環(huán)本身就是一 個(gè)調(diào)頻解調(diào)器經(jīng)過(guò)合理的應(yīng)用鎖相環(huán)路 可以作任何調(diào)制方式的調(diào)制器和解調(diào)器。

鎖相環(huán)誕生以來(lái)已越來(lái)越廣泛地應(yīng) 用于科研、生產(chǎn)、生活中。 2100433B

鎖相是使被控振蕩器的相位受標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)或外來(lái)信號(hào)控制的一種技術(shù)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)與外來(lái)信號(hào)相位同步，或跟蹤外來(lái)信號(hào)的頻率或相位。鎖相是相位鎖定的簡(jiǎn)稱，其含義是表示兩個(gè)信號(hào)的之間的相位同步。

鎖相環(huán)技術(shù)(PLL)是實(shí)現(xiàn)相位自動(dòng)控制的一門新技術(shù)。鎖相即相位鎖定自動(dòng)相位 控制(APC)利用相位自動(dòng)調(diào)節(jié)的方法實(shí)現(xiàn) 兩個(gè)信號(hào)的相位同步。鎖相環(huán)就是完成這 一任務(wù)的相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)。鎖相是促進(jìn)信號(hào)之間的相位同步，從而促進(jìn)鎖相環(huán)的運(yùn)行。

鎖相分頻器可用于很高頻段、甚至微波頻段的分頻。

數(shù)字倍頻鎖相環(huán)模型實(shí)際電路中通常選用數(shù)字鑒頻鑒相器（PFD），壓控振蕩器（VCO）的輸出經(jīng) N 分頻后進(jìn)入鑒相器與參考頻率鑒相，產(chǎn)生的相差信號(hào)經(jīng)環(huán)路濾波器積分，產(chǎn)生直流分量來(lái)牽引 VCO 頻率入鎖。而取樣鎖相環(huán)模型與數(shù)字倍頻鎖相環(huán)相比，其采用取樣鑒相器（SPD）代替了 PFD。參考頻率進(jìn)入脈沖發(fā)生電路后產(chǎn)生含有參考信號(hào)各次諧波的脈沖，再用其驅(qū)動(dòng)采樣電路，對(duì)微波振蕩器的信號(hào)進(jìn)行采樣，最后經(jīng)過(guò)保持電路輸出低頻相差信號(hào)經(jīng)環(huán)路濾波器的積分，產(chǎn)生直流分量牽引并最終使環(huán)路入鎖。VCO 頻率鎖定在參考頻率的 N 次諧波上 。

同常規(guī)鎖相環(huán)路相比，在鑒相器之前加入了脈沖形成電路，用取樣鑒相器替代了普通鑒相器。脈沖形成電路是利用階躍恢復(fù)二極管( SRD) ， 將參考信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的窄脈沖輸出。應(yīng)用 SRD 生成窄脈沖的主要機(jī)理就是半導(dǎo)體中的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。取樣鑒相器分取樣和保持兩步來(lái)完成鑒相。 取樣脈沖控制取樣開關(guān)的通斷，當(dāng)取樣開關(guān)接通時(shí)，微波信號(hào)為保持電容充電，直到取樣開關(guān)斷開，此時(shí)保持電容上的電壓將被保持到下個(gè)周期， 直到取樣開關(guān)再次接通， 形成差拍電壓。 該電壓經(jīng)環(huán)路濾波器處理后對(duì) VCO 頻率進(jìn)行控制 。

環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)路中的重要組成部分， 除了濾除高頻分量外，還具有調(diào)整環(huán)路參數(shù)的作用，對(duì)于環(huán)路的捕獲特性和穩(wěn)定性都具有重要作用。因取樣鑒相器鑒相增益較低， 僅為幾十至幾百 mA， 因此， 采用有源的環(huán)路濾波器對(duì)比較后的誤差電壓信號(hào)進(jìn)行放大。為保證環(huán)路順利入鎖， 還需設(shè)計(jì)擴(kuò)捕掃描電路。當(dāng)環(huán)路未鎖定時(shí)， 擴(kuò)捕電路開始振蕩， 使得 DRO輸出頻率掃過(guò)設(shè)定頻率，使環(huán)路入鎖，環(huán)路鎖定后擴(kuò)捕電路停止振蕩。一般將環(huán)路濾波器和擴(kuò)捕振蕩電路集成到一個(gè)運(yùn)放芯片上， 利用電路本身的反饋狀態(tài)控制擴(kuò)捕電路能否起振。附加擴(kuò)捕電路的環(huán)路濾波器電路為文氏橋振蕩器，采用有源比例積分濾波器作為環(huán)路濾波器，其特性接近于理想的積分濾波器， 兩個(gè)參數(shù)獨(dú)立可調(diào)， 并具有滯后 － 導(dǎo)前的作用，有助于對(duì)環(huán)路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 。