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數字鎖相環技術原理

摘要：數字鎖相環（DigitalPhase-LockedLoop，簡稱DPLL）是一種基于反饋控制的技術，用于實現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。數字鎖相環不僅具有可靠性好、精度高、環路帶寬和中心頻率編程可調等優點，還解決了模擬鎖相環的直流零點漂移、器件飽和及易受電源和環境溫度變化等缺點，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，已成為鎖相技術發展的方向。

1.鎖相環基本原理

鎖相環(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),即實現頻率自動跟蹤和相位鎖定。這就是是鎖相環路的基本原理。

圖1鎖相環組成結構圖

2.全數字鎖相環的基本原理

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

3.全數字鎖相環的實現

全數字鎖相環是模擬鎖相環系統的數字化,全數字鎖相環的基本結構如圖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全數字鎖相環路結構圖

3.1數字鑒相器的實現

常用的數字鑒相器有三種類型EXOR鑒相器、JK觸發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數字環路濾波器的實現

K變模可逆計數器是最重要的數字環路濾波器之一。這種環路濾波器通常和EXOR或者JK觸發鑒相器一起工作,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數字編程控制。

3.3數字振蕩器的實現

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觸發器和JK觸發器組合實現的。當沒有進位脈沖和借位脈沖輸入時,即鎖相環路穩定時,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,這個過程是連續發生的。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相位以使閉環系統最終達到鎖定狀態。

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的精度優于6 μ弧度。基于數字實現的鎖相環架構，Moku:Pro的PID/PLL提供了動態范圍、零死區和測量精度，超過了傳統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。

•鎖相環跟蹤帶寬從10hz到10khz。

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