全數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)word版(已修改)
2025-05-21 20:30 本頁面
【正文】 全數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì) 1 全數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì) 鎖相的概念是在 19 世紀(jì) 30 年代提出的，而且很快在電子學(xué)和通信領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。盡管基本鎖相環(huán)的從開始出現(xiàn)幾乎保持原樣，但是使用不同的技術(shù)制作及滿足不同的應(yīng)用要求，鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于特定的設(shè)計(jì)還是蠻大的挑戰(zhàn)。 鎖相環(huán)在通信、雷達(dá)、測(cè)量和自動(dòng)化控制等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，已經(jīng)成為各種電子設(shè)備中必不可少的基本部件。隨著電子技術(shù)向數(shù)字化方向發(fā)展，需要采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的鎖相處理。鎖相環(huán)技術(shù)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如信號(hào)處理，調(diào)制解調(diào)，時(shí)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(shí)現(xiàn)，而全數(shù)字鎖相環(huán) (DPLL)與傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)現(xiàn)的鎖相環(huán)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)建高階鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，并且應(yīng)用在數(shù)字系統(tǒng)中時(shí)，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 (SoC)的深入研究，全數(shù)字鎖相環(huán)必然會(huì)在其中得到更為廣泛的應(yīng)用。因此，對(duì)全數(shù)字鎖相環(huán)的研究和應(yīng)用得到了越來越多的關(guān)注。 傳統(tǒng)的數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)是希望通過采用具有低通特性的環(huán)路濾波器，獲得穩(wěn)定的振蕩控制數(shù)據(jù)。對(duì)于高階全數(shù)字鎖相環(huán)，其數(shù)字濾波器常常采用基于DSP 的運(yùn)算電路。這種結(jié)構(gòu)的鎖相環(huán)，當(dāng)環(huán)路帶寬很窄時(shí)，環(huán)路濾波器的實(shí)現(xiàn)將需要很大的電路量，這給專用集成電路的應(yīng)用和片上系統(tǒng) SOC(system on chip)的設(shè)計(jì)帶來一定困難。另一種類型的全數(shù)字鎖相環(huán)是采用脈沖序列低通濾波計(jì)數(shù)電 路作為環(huán)路濾波器，如隨機(jī)徘徊序列濾波器、先 N 后 M 序列濾波器等。這些電路通過對(duì)鑒相模塊產(chǎn)生的相位誤差脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)運(yùn)算，獲得可控振蕩器模塊的振蕩控制參數(shù)。由于脈沖序列低通濾波計(jì)數(shù)方法是一個(gè)比較復(fù)雜的非線性處理過程，難以進(jìn)行線性近似，因此，無法采用系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分析方法確定鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)。不能實(shí)現(xiàn)對(duì)高階數(shù)字鎖相環(huán)性能指標(biāo)的解藕控制和分析，無法滿足較高的應(yīng)用需求。 由于數(shù)字電子技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是數(shù)字計(jì)算和信號(hào)處理技術(shù)在多媒體、自動(dòng)化、儀器儀表、通訊等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，用數(shù)字電路處理模擬信號(hào)的情況日益普遍。所以模 擬信號(hào)數(shù)字化是信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，而數(shù)字鎖相環(huán)在其中扮演著重要角色。近年來，隨著 VLSI 技術(shù)的發(fā)展 ,隨著大規(guī)模、超高速集成電路的飛速發(fā)展 ,數(shù)字系統(tǒng)的集成度和邏輯速度越來越高 ,這使得數(shù)字鎖相環(huán)在數(shù)字通信、控制工程及無線電電子學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越廣泛。數(shù)字鎖相環(huán)路已在數(shù)字通信、無線電電子學(xué)及電力系統(tǒng)自動(dòng)化等領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用。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(gè)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上去。在基于 FPGA 的通信電路中，可以把全數(shù)字鎖相環(huán)路作為一個(gè)功能模塊嵌入 FPGA 中，構(gòu)成片內(nèi)鎖相環(huán)。 鎖相環(huán)最初用于改善電視接收機(jī)的行同步和幀同步，以提高抗干擾能力。20 世紀(jì) 50 年代后期隨著空間技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)用于對(duì)宇宙飛行目標(biāo)的跟蹤、遙測(cè)和遙控。但是基本都是以模擬鎖相環(huán)為基礎(chǔ)。 60 年代初隨著數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)展，出現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)其應(yīng)用相當(dāng)廣泛，例如為相干解調(diào)提取參考載波、建立位同步等。具有門限擴(kuò)展能力的調(diào)頻信號(hào)鎖相鑒頻器也是在 60 年代初發(fā)展起來的。在電子儀器方面，鎖相環(huán)在頻率合成器和相位計(jì)等儀器中起了重要作用。數(shù)字鎖相環(huán)也以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在很多方面取代了模擬鎖相環(huán)。數(shù)字鎖相環(huán)具有以 下優(yōu)點(diǎn)：廣泛采用邏輯門電路，觸發(fā)電路和其它數(shù)字電路，因而受干擾影響的可能性??；可靠性高便于集成化和小型化，避免了模擬鎖相環(huán)的一些固有缺點(diǎn)。鎖相環(huán)路所以獲得日益廣泛的應(yīng)用是因?yàn)樗哂腥缦聨讉€(gè)重要特性： ◆跟蹤特性。在環(huán)路鎖定狀態(tài)下，一旦輸入頻率發(fā)生變化，壓控振蕩器立即響應(yīng)這個(gè)變化，迅速跟蹤輸入頻率，最終使輸入與輸出同步。這種環(huán)路可用于鎖相接收機(jī)。 ◆濾波特性。通過環(huán)路濾波器的作用，鎖相環(huán)路具有窄帶濾波特性，能夠?qū)⒒爝M(jìn)輸入信號(hào)中的噪聲和雜散干擾濾除。而且通帶可以做的很窄，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于任何 Lc、 RC、石英晶體、陶 瓷濾波器。 ◆鎖定狀態(tài)無剩余頻差存在。正是由于鎖相環(huán)的這一理想頻率控制特性，使它在自動(dòng)頻率控制、頻率合成技術(shù)等方面獲得廣泛的應(yīng)用。 ◆易于集成化。組成環(huán)路的基本部件都易于采用模擬集成電路實(shí)現(xiàn)。環(huán)路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化之后，更易于采用數(shù)字集成電路。集成鎖相環(huán)的體積不斷減小，成本不斷降低，而可靠性卻不斷增強(qiáng)，用途也越來越多。 因此 ,研究能夠嵌入系統(tǒng)芯片內(nèi)的全數(shù)字鎖相環(huán) ,提高其環(huán)路的工作性能 ,具有十分重要的意義。 1鎖相環(huán)概述 我們所說的 PLL，其實(shí)就是鎖相環(huán)路，簡(jiǎn)稱為鎖相環(huán)。鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路。許多電子設(shè)備要正常 工作，通常需要外部的輸入信號(hào)與內(nèi)部的振蕩信號(hào)同步，利用鎖相環(huán)路就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。 目前鎖相環(huán)主要有模擬鎖相環(huán)，數(shù)字鎖相環(huán)以及有記憶能力 (微機(jī)控制 )鎖
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