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鎖相環(huán)到底是什么？
發(fā)布時(shí)間：2023-12-17 11:57:40 瀏覽：590次
我們大多數(shù)人都見過“鎖相環(huán)”（或其縮寫，PLL）這個(gè)詞。然而，我懷疑我們中很少有人徹底了解 1) PLL 的內(nèi)部功能以及 2) 該功能如何導(dǎo)致 PLL 的各種使用方式。我在本文中的目標(biāo)是對(duì)基本 PLL 特性提供清晰、直觀的解釋，我們將繼續(xù)撰寫其他文章來探討詳細(xì)信息。
“鎖相環(huán)”一詞出現(xiàn)在多種環(huán)境中：微控制器、射頻解調(diào)器、振蕩器模塊、串行通信。首先要了解的是，“PLL”并不是指單個(gè)組件。PLL 是一個(gè)系統(tǒng)— 它由多個(gè)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)并以負(fù)反饋配置互連的組件組成。確實(shí)，PLL 是作為單個(gè)集成電路出售的，因此很自然地將它們視為一個(gè)“組件”，但不要因此而分散您的注意力，因?yàn)?PLL 類似于（例如）復(fù)雜的基于運(yùn)算放大器的放大器電路，而不是運(yùn)算放大器本身。
PLL ≥ PD + LPF + VCO
讓我們從一張圖開始：
鎖相環(huán)圖
這就是 PLL 的基本原理。讓我們討論三個(gè)基本組成部分。
相位檢測(cè)器（不幸的是）并不是真正的相位檢測(cè)器，但這是標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)。PLL中的相位檢測(cè)器實(shí)際上是相位差檢測(cè)器，即，它接受兩個(gè)周期性輸入信號(hào)并產(chǎn)生表示兩個(gè)輸入之間的相位差的輸出信號(hào)。
相位檢測(cè)器的輸出不是與相位差成比例的直接模擬信號(hào)。簡(jiǎn)單的模擬信號(hào)就在那里，但它與高頻內(nèi)容相結(jié)合，使信號(hào)看起來與您可能期望的非常不同。因此需要低通濾波器：它抑制高頻分量并將鑒相器的輸出轉(zhuǎn)換為可以控制 VCO 的輸出。
你猜對(duì)了，壓控振蕩器就是一個(gè)由電壓控制的振蕩器。更具體地，由振蕩器產(chǎn)生的周期信號(hào)的頻率由電壓控制。因此，VCO 是一個(gè)可變頻率振蕩器，允許外部電壓影響其振蕩頻率。對(duì)于 PLL，控制電壓是經(jīng)過低通濾波的相位檢測(cè)器信號(hào)。
波形
在我們討論負(fù)反饋行為之前，讓我們將討論轉(zhuǎn)移到實(shí)際領(lǐng)域。我們將查看數(shù)字 PLL 產(chǎn)生的一些波形。您可能會(huì)將 PLL 設(shè)想為主要是模擬系統(tǒng)，這很好，但嘗試數(shù)字系統(tǒng)（在我看來）更簡(jiǎn)單。需要記住的重要一點(diǎn)是，相同的概念適用于模擬和數(shù)字實(shí)現(xiàn)。如果您了解這些數(shù)字波形發(fā)生了什么，您就可以大致了解 PLL 信號(hào)。
在數(shù)字 PLL 中，鑒相器所需的只是一個(gè)異或門。如您所知，只有當(dāng)兩個(gè)輸入不同時(shí)，異或門才會(huì)產(chǎn)生邏輯高輸出。如果將此行為擴(kuò)展到兩個(gè)輸入均為方波的情況，則 XOR 變?yōu)椤爱愊鄼z測(cè)器”：
異或門 PLL 圖 1
這兩個(gè)方波具有較小的相位差，因此它們?cè)谥芷诘囊恍〔糠謨?nèi)處于不同的邏輯狀態(tài)。當(dāng)邏輯狀態(tài)不同時(shí)，XOR 輸出為高電平。如果相位差變大，XOR 輸出在邏輯高電平上花費(fèi)更多時(shí)間：
異或門 PLL 圖 2
這就是異或門作為相位檢測(cè)器的作用：隨著相位差的增加，輸出在周期的大部分時(shí)間處于邏輯高電平。換句話說，XOR 輸出的占空比以及平均值與相位差成正比。
下一步是使用該平均值作為 VCO 的控制信號(hào)，這就是低通濾波器的作用：
異或門 PLL 圖 3
綠色跡線是帶有一點(diǎn)紋波的平均值，是通過將相位檢測(cè)器信號(hào)傳遞通過簡(jiǎn)單的 RC 低通濾波器而產(chǎn)生的（如果您使用過“PWM DAC ”，您可能會(huì)認(rèn)識(shí)到這種技術(shù)，該技術(shù)是一種數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行低通濾波來發(fā)揮作用）。該跡線標(biāo)記為“ctrl”，因?yàn)檫@是我們可以用來控制（即改變其頻率）VCO 的信號(hào)。
關(guān)閉循環(huán)
PLL 可以以各種巧妙的方式使用，但基本功能是將輸出頻率“鎖定”到輸入頻率。（它們還將輸出相位鎖定到輸入相位，正如您從“鎖相環(huán)”名稱中所期望的那樣，但它是一種不同類型的鎖定。）鎖定操作是通過負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)的，即通過路由輸出信號(hào)返回鑒相器（如上圖所示）。
根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，試圖徹底了解 PLL 將輸出頻率鎖定到輸入頻率的確切過程就像試圖抓住一塊霧并將其握在手中。它就在你面前，你知道它是真實(shí)的，你或多或少知道它是什么，但當(dāng)你真正嘗試觀察它并理解它時(shí)，它就溜走了。我們將在以后的文章中進(jìn)一步討論這個(gè)過程?，F(xiàn)在，我將向您介紹一些重要的要點(diǎn)，以幫助您思考這個(gè)有趣的功能。
僅當(dāng)兩個(gè)輸入頻率相等時(shí)（如上例所示），鑒相器才會(huì)產(chǎn)生恒定的占空比（因此產(chǎn)生恒定的平均值）。不同的頻率會(huì)導(dǎo)致占空比周期性變化：
PLL 周期性變化周期 1
PLL 周期性變化周期 2
因此，控制電壓將繼續(xù)上下漂移，直到輸出頻率等于輸入頻率。
為了建立鎖定，PLL 必須做的不僅僅是使輸出頻率等于輸入頻率。它還必須建立輸入輸出相位關(guān)系，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目刂齐妷骸?/div>
PLL 無(wú)法直接控制 VCO 信號(hào)的相位。調(diào)節(jié)VCO相位的方法是調(diào)節(jié)頻率，因此頻率變化將持續(xù)，直到實(shí)現(xiàn)頻率鎖定和相位鎖定。
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