鎖相發(fā)展與應(yīng)用

De Bellescize于1932年提出同步檢波理 論首次公開發(fā)表了對鎖相環(huán)的描述實現(xiàn) 同步檢波。到1940年鎖相環(huán)第一次用于電 視接收機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解決了鎖相環(huán) 路最佳化設(shè)計的問題。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變成一個成本低、使用簡便的多功能組 件。鎖相原理的應(yīng)用已經(jīng)深入到通 信、雷達、原子物理學(xué)流體力學(xué)等。

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

(1)時鐘發(fā)生器頻率綜合器。鎖相環(huán)鎖 定后輸出時鐘頻率是輸入時鐘頻率的N 倍也就是說鎖相環(huán)可以從低頻輸入時鐘 產(chǎn)生高頻輸出時鐘。系數(shù)N是固定的稱為 時鐘發(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 鐘成本低對印刷電路板、芯片封裝的帶寬 要求大為降低。

(2)時鐘恢復(fù)。數(shù)字通信系統(tǒng)中發(fā)送端 往往只發(fā)送數(shù)據(jù)流而不傳輸時鐘信號。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)出同步時鐘。

(3)抑制時滯效應(yīng)。時鐘信號負載大需 通過緩沖器來提高其驅(qū)動能力;芯片內(nèi)部 有連線延遲為了抑制時滯、提高系統(tǒng)的穩(wěn) 定性可以采用鎖相環(huán)來校準時鐘。

(4)調(diào)制和解調(diào)器。鎖相環(huán)本身就是一 個調(diào)頻解調(diào)器經(jīng)過合理的應(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)誕生以來已越來越廣泛地應(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準信號或外來信號控制的一種技術(shù)，用來實現(xiàn)與外來信號相位同步，或跟蹤外來信號的頻率或相位。鎖相是相位鎖定的簡稱，其含義是表示兩個信號的之間的相位同步。

鎖相環(huán)技術(shù)(PLL)是實現(xiàn)相位自動控制的一門新技術(shù)。鎖相即相位鎖定自動相位 控制(APC)利用相位自動調(diào)節(jié)的方法實現(xiàn) 兩個信號的相位同步。鎖相環(huán)就是完成這 一任務(wù)的相位負反饋控制系統(tǒng)。鎖相是促進信號之間的相位同步，從而促進鎖相環(huán)的運行。

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 分頻后進入鑒相器與參考頻率鑒相，產(chǎn)生的相差信號經(jīng)環(huán)路濾波器積分，產(chǎn)生直流分量來牽引 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。參考頻率進入脈沖發(fā)生電路后產(chǎn)生含有參考信號各次諧波的脈沖，再用其驅(qū)動采樣電路，對微波振蕩器的信號進行采樣，最后經(jīng)過保持電路輸出低頻相差信號經(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理就是半導(dǎo)體中的電荷存儲效應(yīng)。取樣鑒相器分取樣和保持兩步來完成鑒相。 取樣脈沖控制取樣開關(guān)的通斷，當(dāng)取樣開關(guān)接通時，微波信號為保持電容充電，直到取樣開關(guān)斷開，此時保持電容上的電壓將被保持到下個周期， 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 VCO 頻率進行控制 。

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)路濾波器對比較后的誤差電壓信號進行放大。為保證環(huán)路順利入鎖， 還需設(shè)計擴捕掃描電路。當(dāng)環(huán)路未鎖定時， 擴捕電路開始振蕩， 使得 DRO輸出頻率掃過設(shè)定頻率，使環(huán)路入鎖，環(huán)路鎖定后擴捕電路停止振蕩。一般將環(huán)路濾波器和擴捕振蕩電路集成到一個運放芯片上， 利用電路本身的反饋狀態(tài)控制擴捕電路能否起振。附加擴捕電路的環(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， 兩個參數(shù)獨立可調(diào)， 并具有滯后 － 導(dǎo)前的作用，有助于對環(huán)路進行優(yōu)化設(shè)計 。