什么是鎖相環(huán)？

什么是鎖相環(huán)？   大多數(shù)人都聽過“鎖相環(huán)”（PLL）這個詞，然而很少有人真的了解到底什么是 PLL ，在本文中對基本 PLL 特性提供了清晰、直觀的解釋。

“鎖相環(huán)”出現(xiàn)在各種環(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”并不是指單個組件。PLL 是一個系統(tǒng)，它由多個組件組成，這些組件經(jīng)過精心設(shè)計并以負(fù)反饋配置互連。PLL 確實是作為單個集成電路出售的，因此將它們視為“組件”是很自然的。

PLL ≥ PD + LPF + VCO

這與 PLL 一樣基本。讓我們討論三個基本組成部分。

相位檢測器，不是真正的相位檢測器，但這是標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語。PLL中的相位檢測器實際上是一個相位差檢測器，即它接受兩個周期性輸入信號并產(chǎn)生一個代表兩個輸入之間相位差的輸出信號。

相位檢測器的輸出不是與相位差成正比的直接模擬信號。直接的模擬信號就在某處，但它與高頻內(nèi)容相結(jié)合，使信號看起來與你的預(yù)期大不相同。因此，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 的東西。

壓控振蕩器是由電壓控制的振蕩器，更具體地說，振蕩器產(chǎn)生的周期信號的頻率由電壓控制。因此，VCO 是一個可變頻率振蕩器，它允許外部電壓影響其振蕩頻率，在 PLL 的情況下，控制電壓是經(jīng)過低通濾波的相位檢測器信號。

波形

由數(shù)字 PLL 產(chǎn)生的一些波形，你可能將 PLL 設(shè)想為一個主要的模擬系統(tǒng)，也許用數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行試驗更簡單，重要一點是，相同的概念適用于模擬和數(shù)字實現(xiàn)，如果你了解這些數(shù)字波形，那么你通常會了解 PLL 信號。

在數(shù)字 PLL 中，相位檢測器只需要一個 XOR 門。只有當(dāng)兩個輸入不同時，異或門才會產(chǎn)生邏輯高輸出，如果將此行為擴(kuò)展到兩個輸入均為方波的情況，則 XOR 將成為“異相檢測器”。

這兩個方波具有很小的相位差，因此它們在周期的一小部分處于不同的邏輯狀態(tài)，當(dāng)邏輯狀態(tài)不同時，XOR 輸出為高，如果相位差變大，XOR 輸出將更長時間處于邏輯高電平。

這就是 XOR 門用作相位檢測器的方式，隨著相位差的增加，輸出在邏輯高電平上花費(fèi)了大部分周期，換句話說，XOR 輸出的占空比和平均值與相位差成正比。

下一步是使用這個平均值作為 VCO 的控制信號，這就是低通濾波器發(fā)揮作用。

綠色線是帶有一點紋波的平均值，是通過將相位檢測器信號通過一個簡單的 RC 低通濾波器產(chǎn)生的（如果你使用過“ PWM DAC ”，你可能會認(rèn)出這種技術(shù)，是一種數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過對脈寬調(diào)制信號進(jìn)行低通濾波來發(fā)揮作用）。跡線被標(biāo)記為“ctrl”，因為這是我們可以用來控制（即改變頻率）VCO 的信號。

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，正如你從名稱“鎖相環(huán)”中所看到的那樣，但它是一種不同類型的鎖定。）鎖定動作是通過負(fù)反饋實現(xiàn)的，即通過路由輸出信號返回到相位檢測器（如上圖所示）。

當(dāng)兩個輸入頻率相等時（如上例所示），相位檢測器才會產(chǎn)生恒定的占空比（因此產(chǎn)生恒定的平均值）。不同的頻率會導(dǎo)致占空比的周期性變化。

因此，控制電壓將繼續(xù)上下波動，直到輸出頻率等于輸入頻率。

要建立鎖定，PLL 必須做的不僅僅是使輸出頻率等于輸入頻率。它還必須建立導(dǎo)致適當(dāng)控制電壓的輸入-輸出相位關(guān)系。

PLL 無法直接控制 VCO 信號的相位。它可以調(diào)整 VCO 相位的唯一方法是調(diào)整頻率，因此頻率變化將繼續(xù)，直到實現(xiàn)鎖頻和鎖相。

結(jié)論

本文介紹了鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)和一些操作細(xì)節(jié)，它是一個基于負(fù)反饋的系統(tǒng)，可以生成鎖定并跟蹤輸入信號頻率的周期性信號。

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