【文章內(nèi)容簡介】 鐘。鎖相環(huán)通?？梢援a(chǎn)生這些頻率間隔小而精確的時鐘。另外，在射頻系統(tǒng)中 往往要產(chǎn)生高頻本地時鐘，這可以通過鎖相環(huán)將外部提供的低頻參考時鐘倍頻來實現(xiàn)最后 ,鎖相環(huán)通過采用小數(shù)分頻器可以實現(xiàn)精確的任意小數(shù)時鐘頻率。鎖相環(huán)頻率合成器的基本結構如圖 11 所示。 P F DC P / L P F V C O1 / Mfo u tfR E F 圖 11 頻率合成器 其中，信道選擇電路是數(shù)字部分，用以改變分頻比。該結構可實現(xiàn)輸出時鐘頻率是輸入?yún)⒖碱l率的 N 倍。由于輸入?yún)⒖碱l率一般來自于穩(wěn)定的低噪聲石英振蕩器，因而它可以得到相當精確的輸出頻率，目前輸出頻率達到幾十 GHz 的頻率合成器都已被報道。 時鐘產(chǎn)生器 當微處理器的 晶體管數(shù)達到一百萬以上時 [7]，時鐘驅動邏輯電路的電容負載就達到了幾個微法，因此通過時鐘驅動器的延時就會有或更長。這個延時使輸入輸出信號有很長的建立和保持時間，并且對高時鐘頻率系統(tǒng)的設計是個限制。當微處理器的時鐘頻率達到或更高時，消除由于芯片上時鐘驅動延時引起的外部時鐘與內(nèi)部時鐘的偏移就變得非常重要。而與微處理器集成在同一芯片上的鎖相環(huán)可以消除這個時鐘偏移。 另外一方面，利用鎖相環(huán)電路倍頻的功能可以獲得比外部時鐘頻率通常是通過晶體振蕩器得到高的內(nèi)部時鐘頻率，而且可以將該時鐘發(fā)生器作為一個模塊集成到微處理器芯 片中。目前鎖相環(huán)電路已經(jīng)以核的形式成為系統(tǒng)級芯片里的一個重要模塊。 時鐘恢復電路 在數(shù)字通信中，一般只傳輸非歸零，一一的連續(xù)數(shù)據(jù)流信號，而不同時傳輸時鐘信號。在接收端為了得到數(shù)據(jù)，就必須從數(shù)據(jù)信號中恢復出同步時鐘信號并從輸入的數(shù)據(jù)流中重新產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)這個功能的電路就是時哈爾濱理工大學學士學位論文 6 鐘數(shù)據(jù)恢復電路。被恢復出來的時鐘信號可以消除輸入數(shù)據(jù)流在傳輸過程中引入的抖動和偏移。 偏移減小 鎖相環(huán)消除延時 如圖 12 所示： V C OL P F()cutP D()dut()out ()rut 圖 12 鎖相環(huán)消除延時 在高速數(shù)字系統(tǒng)中，通過印 制版 (PCB)進人系統(tǒng)的時鐘信號 CKin，會通過緩沖器 (Buffer)來調(diào)整波形，并驅動電路。由于負載電容 CL(通常為納法級 )的影響，芯片內(nèi)部時鐘信號 CKB。會相對于 CKin 有一個顯著的時間延遲。 我們可以認為這個時間延遲為一個相位差，并在緩沖級上伴隨附加一個鎖相環(huán) (有大的環(huán)路增益 )，原理上就可以完全消除緩沖級延時了。 在低功耗系統(tǒng)中，一個重要的因素是鎖定時間。低功耗系統(tǒng)經(jīng)常上電和掉電，這就要求鎖相環(huán)快速使得相位一致。而且，當?shù)凸奶幚砥魃想姾?,其時鐘緩沖級后的負載電容看上去也是變化的 (MOS 電容隨柵電壓變 化 ),即使鎖相環(huán)一直工作中，仍然需要一段時間去穩(wěn)定下來。另一個缺點是，鎖定時間是環(huán)路參數(shù)的函數(shù)，并隨工藝和溫度變化。 本文的章節(jié)安排及主要內(nèi)容 本文主要針對鎖相環(huán)的基本功能和工作狀態(tài)進行了仿真，章按照設計流程自頂向下順序展開。 第二章介紹了鎖相環(huán)的基本原理，介紹了鎖相環(huán)的基本構成、數(shù)學模型及環(huán)路性能，為第三章的仿真打下了堅實的理論基礎。 第三章介紹了使用的軟件 Matlab的特點，并分析了鎖定性能和穩(wěn)定性能，介紹了鎖相環(huán)的調(diào)制作用，相關程序見附錄。 哈爾濱理工大學學士學位論文 7 第 2章 鎖相環(huán)理論 基本理論 鎖相環(huán)是一個閉環(huán)的相位負反饋控制系統(tǒng)， 它能使得輸出信號的相位和輸入信號的相位對齊。 鎖相環(huán)通常由鑒相器（ PD）、環(huán)路濾波器（ LF）和壓控振蕩器（ VCO）LF()rut0d三部分組成，鎖相環(huán)組成的原理框圖如圖 21 所示。 ()dsucFV C OL P F()cutP D()dut()out ()rut 圖 21鎖相環(huán)基本組成 兩信號之間的瞬時相位差為 ()d tu ()c tu1R2C （ 21） 式中 ()ctuVCOKp2t?參考信號的載波角頻率，式 0? 為壓控振蕩器的自由振蕩角頻率，+d1t?e2為輸出信號以其載波相位 + ()csuFdsVCOK1()s?e 2?為參考時的瞬時相位，在 VCO 未受控之前它是常數(shù)，受控后它是時間的函數(shù)。 則由頻率和相位之間的關系可得到兩信號之間的瞬時頻差為 00( ) ( )e rd t d tdt dt????? ? ? （ 22） PD 是相位比較裝置，它把輸出信號 ()out)和參考信號 ()rut的相位進行比較，產(chǎn)生對應于兩信號相位差 ()et? )的誤差電壓 ()dut。 LF 是一個線性低通濾波器，用來濾除誤差電壓 ()dut中的高頻成份和調(diào)整環(huán)路參數(shù)，以保證環(huán)路所要求的性能，提高系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。 VCO 受控制電壓 ()cut的控制， ()cut使壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率靠近，也就是使兩者頻率之差越來越小，直至消除頻差而鎖定。 整個鎖相環(huán)的工作原理： 1 鑒相器把輸出信號 ()out和參考信號 ()rut的相位進行比較，產(chǎn)生一個反映兩信號相位差 ()et? 大小的誤差電壓 ()dut。 2 ()dut經(jīng)過環(huán)路濾波器，濾去高頻分量，得到控制電壓 ()cut。 3 ()cut調(diào)整 VCO 的頻率向參考信號的頻率靠擾，至兩者頻率相等而相位同步實現(xiàn)鎖定，鎖定后兩信號之間的相位差表現(xiàn)為一固定的穩(wěn)態(tài)值，即 哈爾濱理工大學學士學位論文 8 0()lim 0tdtdt??? ? （ 23） 上式等于零，說明鎖相環(huán)進入相位鎖定的狀態(tài)，此時輸出和輸入信號的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)， ()cut為恒定值。當上式不等于零時，說明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號和輸出信號的頻率不等， ()cut隨時間而變化。 由此可見，通過鎖相環(huán)的相位跟蹤作用，最終可以實現(xiàn)輸出信號與參考信號同步，兩者之間不存在頻差而只存在很小的穩(wěn)態(tài)相差。 基本模塊 鑒相器 鑒相器又稱相位比較器，它是用來比較兩個輸入信 號之間的相位差()et? ，完成相位 — 電壓的變換作用，輸出的誤差電壓 ()dut是相位差 ()et? 的函數(shù)，即 ( ) ( )deu t f t???? ?? （ 24） 如圖 22 所示，理想的鑒相器的鑒相特性是線性的，即 ( ) ( )d d eu t K t?? （ 25） 其中 dK 表示鑒相器的增益，其單位為伏 /弧度。 ()d()e t? L F()rut0()ut()dut 圖 22 理想鑒頻器特性 圖 23 正弦鑒相器模型 在很多情況下，這個線性關系不一定滿足。鑒相器的形式有很多，按其鑒相特性 ()eft?????分，有正弦 形，三角形和鋸齒形等。作為原理分析，通?？偸鞘褂谜倚危^為典型的正弦鑒相器可用模擬相乘器與低通濾波器的串接為模型，如圖 23 所示。 在統(tǒng)一以 0t? 為共同參考的情況下，參考信號 ()rut和輸出信號 ()out可分別寫成 01( ) s i n ( )rru t U t t???????? （ 26） 哈爾濱理工大學學士學位論文 9 02( ) c o s ( )oou t U t t???????? （ 27） 式中 1 0 0( ) ( ) ( )r r rt t t t? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?（ ）。 式中 r? 參考信號的載波角頻率， v? 為壓控振蕩器的自由振蕩角頻率。 式中 ()rt? 為參考信號以其載波相位 rt? 為參考時的瞬時相位。 其中 0 ro? ? ?? ? ? 稱為環(huán)路固有頻差。那么鑒相器的輸出為 d m r om r om r om r o eu t K u t u tK U t t U t tK U U t t tK U U t? ? ? ?? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ?????? ??0 1 0 20 1 2( ) ( ) ( )s i n ( ) c o s ( )1 s i n 2 ( ) ( )21 s i n ( )2 （ 28） 式中 mK 為相乘器的相乘系數(shù)， 12( ) ( ) ( )e t t t? ? ???為兩相乘電壓信號的瞬時相位誤差。通過低通濾波器濾除 02? 成分后，得到誤差電壓 1( ) s i n ( s i n (2d m r o e d eu t K U U t U t??? ? ? ??? ? ? ? ? （ 29） 令 12d m r oU K U U? 為鑒相器輸出電壓振幅，由此可得鑒相器的數(shù)學模型和鑒相特性，分別如圖 24 和 25 所示。當 ?? 在 0 附近時，可以近似為： ()ddu t U ??? （ 210） 1()t? 2()t? e t s i n ( )de tU ?????sindU ?????+()dut()e t?2??? 2?0 圖 24 正弦鑒相器數(shù)學 模型圖 圖 25 正弦鑒相器的鑒相特性 鑒相器有兩個主要功能：一個是頻率牽引，另一個是相位鎖定 。 實際中使用的鎖相環(huán)系統(tǒng)還包括放大器、分頻器、混頻器等模塊，但是這些附的模塊不會影響鎖相環(huán)的基本工作原理，可以忽略。 鑒相器的電路種類很多，大致可以分為四種常用類型： 。一般應用在模擬鎖相環(huán) (LPLL)中，即線性鎖相環(huán)，鑒相的范圍是 [+90176。， 90176。]； 。較多應用于數(shù)字鎖相環(huán)中，鑒相范圍同為 [+90176。， 90176。]中，要考慮鑒相器輸入的兩個信號是對稱的還是非對稱的， 如是非對稱還要考慮其對 PLL 增益及鎖相寬度的影響； 觸發(fā)器型鑒相器。這種鑒相器由邊沿觸發(fā)，利用邊沿間的間隔進行哈爾濱理工大學學士學位論文 10 鑒相 ， 相位誤差為 [+180176。， l80176。]； (phasefrequency detector)。 其優(yōu)勢就在于失鎖時，它 的 角頻率容易描述。這種角頻率的描述就可以實現(xiàn)鑒頻的功能。鑒相范圍為[+360176。 ， 360176。 ]。 環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器作用可以濾除誤差電壓 ()dut中的高頻分量，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有低通特 性。更重要的是它對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。環(huán)路濾波器是一個線性系統(tǒng)，其數(shù)學模型如圖 26 所示。 常用的環(huán)路濾波器有 RC 積分濾波器 [8]、無源比例積分濾波器。 1. RC 積分濾波器 它結構簡單，電路構成如圖 27 所示。 ()d su ()c su()F s dutcut1RC 圖 26 環(huán)路濾波器數(shù)學模型 圖 27 RC 積分濾波器 它的傳輸函數(shù)為： 11( ) 1( p)1( ) 1cdut RCFu t PPRC ?? ? ? ?? （ 211） 其中1 1LP FRC? ???。變換為拉普拉斯形式，即用 S 代替 P，則得： 111()1 1LP FFs ss????? ? （ 212） 2．無源比例積分濾波器 它與 RC 積分濾波器相比，附加了一個與電容器串聯(lián)的電阻 R2，電路結構如圖 28 所示。 ()d tu ()c tuR2C 圖 28 無源比例積分濾波器 哈爾濱理工大學學士學位論文 11 它的傳輸函數(shù)為： 21( ) 1( p ) ( ) 1cdu t pF u t p????? ? （ 213） 式中 1 1 2()R R C? ??， 22RC? ? ，變換為拉普拉斯形式，則得 211() 1 sFs s???? ? （ 214） 壓控振蕩器 壓控振蕩器（ VCO）是一個電壓－頻率變換裝置，在環(huán) 路中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率 ()vt? 應隨輸入控制電壓 ()cut線性地變化，即 0( ) ( )v V C O ct K u t???? （ 215）