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,PhaseLockedLoop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)由模擬電路實現(xiàn)，而全數(shù)字鎖相環(huán)(ADPLL,AllDigitalPhaseLockedLoop與傳統(tǒng)的模擬電路實現(xiàn)的PLL相比，具有精度高且不受溫度和電壓影響，環(huán)路帶寬和中心頻率編程可調(diào)，易于構(gòu)建高階鎖

2、相環(huán)等優(yōu)點，并且應(yīng)用在數(shù)字系統(tǒng)中時，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(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)

3、，有各種各樣的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計方法。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)數(shù)字鎖相環(huán)的一般組成如下圖I所示，由數(shù)字鑒相器(DPD,DigitalPhase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，并且對環(huán)路的校正速度起調(diào)節(jié)作用。數(shù)字濾波

4、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于模擬鎖相環(huán)中的壓控振蕩器（VCO）。但是，它的輸出是一個脈沖序列，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。其控制特點是：前一采樣時刻得到的校正信號將改變下一個采樣時刻的脈沖時間位置。全數(shù)字鎖相環(huán)工作原理全數(shù)字鎖相環(huán)的基本工作過程如下：（1設(shè)輸入信號ui（t和本振信號

5、（數(shù)字壓控振蕩器輸出信號）uo（t分別是正弦和余弦信號，他們在數(shù)字鑒相器內(nèi)進行比較，數(shù)字鑒相器的輸出是一個與兩者間的相位差成比例的電壓ud（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uc（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)計恰當，則這種變化將使本振信號uo(t的頻率與數(shù)字鑒相器輸入信號ui(t的頻率一致。(3最后，如果本振信號的頻率和輸入信號的頻率完全一致，兩者的相位差將保持某一個恒定值，則數(shù)字鑒相器的輸出將是一個

6、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直流電壓，DCO的頻率也將停止變化，這時，環(huán)路處于鎖定狀態(tài)”。3 .全數(shù)字鎖相環(huán)的特點及應(yīng)用全數(shù)字化鎖相環(huán)的共同特點(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)路中使用運算放大器和晶體管后而出現(xiàn)的飽和及運算放大器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)路部件甚至整個環(huán)路都可以直接用微處

7、理機來模擬而實現(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)計得當，均可以被忽略。全數(shù)字化鎖相環(huán)的在實際工程中的應(yīng)用目前，全數(shù)字鎖相環(huán)路(ADPLL)已在數(shù)字通信、無線電電子學(xué)及電力系統(tǒng)自動化等領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用。ADPLL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。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，而且可以把整個系統(tǒng)集成到一個芯片上去。全數(shù)字鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電路中的應(yīng)用全數(shù)字鏡相環(huán)在林率合成電路中的應(yīng)用在現(xiàn)式電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩糖率，通常果用石英品體振

8、潴那.但石英晶體振端圈的糊率不容就改變，利用憤相壞，倍頰分城等腕率合成技術(shù),可以塞得多血限高穩(wěn)定的娠藥信號輸出.轆出信號頻串比品振信號頻率大的稱為鉞相信頻電路E輸出侑號頻率比晶捻信號城率小的稱為領(lǐng)相分頓SS電路領(lǐng)相信頓和鎖相分柒電路組成根圖如田所d：調(diào)頻波的特*是頻率隨調(diào)制信號朝度的變化而史化，巾擰崔蒜翳的探騎頓率取決尸輸入電俅的幅度.當魏波侑號的頻率。鎖相環(huán)的固仃振蕩頻率.相等時.lh擰振蕩器輸出信號的頻率將保持也小變?nèi)粢揽卣裥钇鞯妮斎胩裉柍绣^相環(huán)低通源波罌輸出的估號與加汪有調(diào)制傳號中則木控振蕩器制H號的咖率就是以5為中心.酌訓(xùn)制信號幅度的變化而變化的調(diào)班波儲號.根據(jù)全數(shù)？鉞相環(huán)的r.作覽

9、理和陽菽波的特點可得解調(diào)電路組成框圖如圖a所小工號UiL1-V、品振電混I唯相器一t低通濾波蒞白田檸金黃耦卜一全數(shù)字鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振揭頻率,通常采用石英晶體振薄器.但石英晶體振藩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)定的振藩信號輸出口輸出信號頻率比品振信號頻率大的稱為能相信頻器電路：輸出信號頻率比品圖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

10、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)字鎖相環(huán)在頻率合成電圈中的應(yīng)用在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振筋順率，通常采用石英但布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.可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號輸出。輸出信號頻率比品振信號頻率大的稱為鎖相倍頻精電路;輸出金圖4鎖相倍頻分頻電路組成框圖fi=Nfo注：圖中的N大于1時，為分頻電路；當N小于1時為倍頻電路。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