【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 鐘。鎖相環(huán)通常可以產(chǎn)生這些頻率間隔小而精確的時(shí)鐘。另外，在射頻系統(tǒng)中 往往要產(chǎn)生高頻本地時(shí)鐘，這可以通過(guò)鎖相環(huán)將外部提供的低頻參考時(shí)鐘倍頻來(lái)實(shí)現(xiàn)最后 ,鎖相環(huán)通過(guò)采用小數(shù)分頻器可以實(shí)現(xiàn)精確的任意小數(shù)時(shí)鐘頻率。鎖相環(huán)頻率合成器的基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)輸出時(shí)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(lái)自于穩(wěn)定的低噪聲石英振蕩器，因而它可以得到相當(dāng)精確的輸出頻率，目前輸出頻率達(dá)到幾十 GHz 的頻率合成器都已被報(bào)道。 時(shí)鐘產(chǎn)生器 當(dāng)微處理器的 晶體管數(shù)達(dá)到一百萬(wàn)以上時(shí) [7]，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)邏輯電路的電容負(fù)載就達(dá)到了幾個(gè)微法，因此通過(guò)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的延時(shí)就會(huì)有或更長(zhǎng)。這個(gè)延時(shí)使輸入輸出信號(hào)有很長(zhǎng)的建立和保持時(shí)間，并且對(duì)高時(shí)鐘頻率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是個(gè)限制。當(dāng)微處理器的時(shí)鐘頻率達(dá)到或更高時(shí)，消除由于芯片上時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)延時(shí)引起的外部時(shí)鐘與內(nèi)部時(shí)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(gè)時(shí)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(shí)鐘頻率通常是通過(guò)晶體振蕩器得到高的內(nèi)部時(shí)鐘頻率，而且可以將該時(shí)鐘發(fā)生器作為一個(gè)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(jí)芯片里的一個(gè)重要模塊。 時(shí)鐘恢復(fù)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(hào)，而不同時(shí)傳輸時(shí)鐘信號(hào)。在接收端為了得到數(shù)據(jù)，就必須從數(shù)據(jù)信號(hào)中恢復(fù)出同步時(shí)鐘信號(hào)并從輸入的數(shù)據(jù)流中重新產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的電路就是時(shí)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路。被恢復(fù)出來(lái)的時(shí)鐘信號(hào)可以消除輸入數(shù)據(jù)流在傳輸過(guò)程中引入的抖動(dòng)和偏移。 偏移減小 鎖相環(huán)消除延時(shí) 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(shí) 在高速數(shù)字系統(tǒng)中，通過(guò)印 制版 (PCB)進(jìn)人系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào) CKin，會(huì)通過(guò)緩沖器 (Buffer)來(lái)調(diào)整波形，并驅(qū)動(dòng)電路。由于負(fù)載電容 CL(通常為納法級(jí) )的影響，芯片內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào) CKB。會(huì)相對(duì)于 CKin 有一個(gè)顯著的時(shí)間延遲。 我們可以認(rèn)為這個(gè)時(shí)間延遲為一個(gè)相位差，并在緩沖級(jí)上伴隨附加一個(gè)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(jí)延時(shí)了。 在低功耗系統(tǒng)中，一個(gè)重要的因素是鎖定時(shí)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(dāng)?shù)凸奶幚砥魃想姾?,其時(shí)鐘緩沖級(jí)后的負(fù)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(shí)間去穩(wěn)定下來(lái)。另一個(gè)缺點(diǎn)是，鎖定時(shí)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(duì)鎖相環(huán)的基本功能和工作狀態(tài)進(jìn)行了仿真，章按照設(shè)計(jì)流程自頂向下順序展開(kāi)。 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(gòu)成、數(shù)學(xué)模型及環(huán)路性能，為第三章的仿真打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 第三章介紹了使用的軟件 Matlab的特點(diǎn)，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(guān)程序見(jiàn)附錄。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 第 2章 鎖相環(huán)理論 基本理論 鎖相環(huán)是一個(gè)閉環(huán)的相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)， 它能使得輸出信號(hào)的相位和輸入信號(hào)的相位對(duì)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(hào)之間的瞬時(shí)相位差為 ()d tu ()c tu1R2C （ 21） 式中 ()ctuVCOKp2t?參考信號(hào)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(hào)以其載波相位 + ()csuFdsVCOK1()s?e 2?為參考時(shí)的瞬時(shí)相位，在 VCO 未受控之前它是常數(shù)，受控后它是時(shí)間的函數(shù)。 則由頻率和相位之間的關(guān)系可得到兩信號(hào)之間的瞬時(shí)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(hào) ()out)和參考信號(hào) ()rut的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩信號(hào)相位差 ()et? )的誤差電壓 ()dut。 LF 是一個(gè)線性低通濾波器，用來(lái)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(hào)的頻率靠近，也就是使兩者頻率之差越來(lái)越小，直至消除頻差而鎖定。 整個(gè)鎖相環(huán)的工作原理： 1 鑒相器把輸出信號(hào) ()out和參考信號(hào) ()rut的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)反映兩信號(hào)相位差 ()et? 大小的誤差電壓 ()dut。 2 ()dut經(jīng)過(guò)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(hào)的頻率靠擾，至兩者頻率相等而相位同步實(shí)現(xiàn)鎖定，鎖定后兩信號(hào)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 0()lim 0tdtdt??? ? （ 23） 上式等于零，說(shuō)明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài)，此時(shí)輸出和輸入信號(hào)的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)， ()cut為恒定值。當(dāng)上式不等于零時(shí)，說(shuō)明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率不等， ()cut隨時(shí)間而變化。 由此可見(jiàn)，通過(guò)鎖相環(huán)的相位跟蹤作用，最終可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)與參考信號(hào)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(lái)比較兩個(gè)輸入信 號(hào)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(gè)線性關(guān)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?，較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(hào) ()rut和輸出信號(hào) ()out可分別寫(xiě)成 01( ) s i n ( )rru t U t t???????? （ 26） 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)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(hào)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(hào)以其載波相位 rt? 為參考時(shí)的瞬時(shí)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(hào)的瞬時(shí)相位誤差。通過(guò)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(xué)模型和鑒相特性，分別如圖 24 和 25 所示。當(dāng) ?? 在 0 附近時(shí)，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(xué) 模型圖 圖 25 正弦鑒相器的鑒相特性 鑒相器有兩個(gè)主要功能：一個(gè)是頻率牽引，另一個(gè)是相位鎖定 。 實(shí)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(huì)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(yīng)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(yīng)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(gè)信號(hào)是對(duì)稱的還是非對(duì)稱的， 如是非對(duì)稱還要考慮其對(duì) 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(jìn)行哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 鑒相 ， 相位誤差為 [+180176。， l80176。]； (phasefrequency detector)。 其優(yōu)勢(shì)就在于失鎖時(shí)，它 的 角頻率容易描述。這種角頻率的描述就可以實(shí)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(duì)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(gè)線性系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)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(wú)源比例積分濾波器。 1. RC 積分濾波器 它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路構(gòu)成如圖 27 所示。 ()d su ()c su()F s dutcut1RC 圖 26 環(huán)路濾波器數(shù)學(xué)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(wú)源比例積分濾波器 它與 RC 積分濾波器相比，附加了一個(gè)與電容器串聯(lián)的電阻 R2，電路結(jié)構(gòu)如圖 28 所示。 ()d tu ()c tuR2C 圖 28 無(wú)源比例積分濾波器 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)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(gè)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(yīng)隨輸入控制電壓 ()cut線性地變化，即 0( ) ( )v V C O ct K u t???? （ 215）