1、全數(shù)字鎖相環(huán)原理及應(yīng)用摘要： 首先介紹全數(shù)字鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)，及各個模塊的作用，接著講述全數(shù)字鎖相環(huán)的工作原理，然后介紹在全數(shù)字鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電路、頻率合成器中的應(yīng)用。關(guān)鍵字：全數(shù)字鎖相環(huán) 數(shù)字環(huán)路鑒相器 數(shù)字環(huán)路濾波器 數(shù)字壓控振蕩器1. 前言鎖相環(huán)(PLL，Phase Locked Loop 技術(shù)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如信號處理，調(diào)制解調(diào)，時鐘同步，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)(ADPLL，All Digital Phase Locked Loop 與傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)現(xiàn)的PLL 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

2、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，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)芯片的深入研究，全數(shù)字鎖相環(huán)將會在其中得到更為廣泛的應(yīng)用。2. 全數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)及原理 圖1 數(shù)字鎖相環(huán)路的基本結(jié)構(gòu)(1數(shù)字環(huán)路鑒相器（DPD ）數(shù)字鑒相器也稱采樣鑒相器，是用來比較輸入信號與壓控振蕩器輸出信號的相位，它的輸出電壓是 對應(yīng)于這兩個信號相位差的函數(shù)。它是鎖相環(huán)路中的關(guān)鍵部件，數(shù)字鑒相器的形式可分為：過零采樣鑒相器、觸發(fā)器型數(shù)字鑒相器、超前滯后型數(shù)字鑒相器和奈奎斯特速率取樣鑒相器。(2數(shù)字環(huán)路濾波器（DLF ）數(shù)字環(huán)路濾波器在環(huán)路中對輸入噪聲起抑止作用，并

3、且對環(huán)路的校正速度起調(diào)節(jié)作用。數(shù)字濾波器是一種專門的技術(shù)，有各種各樣的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方法。引入數(shù)字環(huán)路濾波器和模擬鎖相環(huán)路引入環(huán)路濾波器的目的一樣，是作為校正網(wǎng)絡(luò)引入環(huán)路的。因此，合理的設(shè)計(jì)數(shù)字環(huán)路濾波器和選取合適的數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)就能使DPLL 滿足預(yù)定的系統(tǒng)性能要求。(3 數(shù)字壓控振蕩器（DCO ）數(shù)控振蕩器，又稱為數(shù)字鐘。它在數(shù)字環(huán)路中所處的地位相當(dāng)于模擬鎖相環(huán)中的壓控振蕩器（VCO ）。但是，它的輸出是一個脈沖序列，而該輸出脈沖序列的周期受數(shù)字環(huán)路濾波器送來的校正信號的控制。其控制特點(diǎn)是：前一采樣時刻得到的校正信號將改變下一個采樣時刻的脈沖時間位置。全數(shù)字鎖相環(huán)工作原理全數(shù)字鎖相環(huán)的基本

4、工作過程如下：(1 設(shè)輸入信號 ui (t 和本振信號（數(shù)字壓控振蕩器輸出信號）u o (t 分別是正弦和余弦信號，他們在數(shù)字鑒相器內(nèi)進(jìn)行比較，數(shù)字鑒相器的輸出是一個與兩者間的相位差成比例的電壓u d (t。(2 數(shù)字環(huán)路濾波器除數(shù)字鑒相器輸出中的高頻分量，然后把輸出電壓u c (t 加到數(shù)字壓控振蕩器的輸出端，數(shù)字壓控振蕩器的本振信號頻率隨著輸入電壓的變化而變化。如果兩者頻率不一致，則數(shù)字鑒相器的輸出將產(chǎn)生低頻變化分量，并通過低通濾波器使DCO 的頻率發(fā)生變化。只要環(huán)路設(shè)計(jì)恰當(dāng)，則這種變化將使本振信號u o (t 的頻率與數(shù)字鑒相器輸入信號u i (t 的頻率一致。(3最后，如果本振信號的頻

5、率和輸入信號的頻率完全一致，兩者的相位差將保持某一個恒定值，則數(shù)字鑒相器的輸出將是一個恒定直流電壓 （忽略高頻分量），數(shù)字環(huán)路濾波器的輸出也是一個直流電壓，DCO 的頻率也將停止變化，這時，環(huán)路處于“鎖定狀態(tài)”。3. 全數(shù)字鎖相環(huán)的特點(diǎn)及應(yīng)用全數(shù)字化鎖相環(huán)的共同特點(diǎn)(1電路完全數(shù)字化，使用邏輯門電路和觸發(fā)器電路。系統(tǒng)中只有“導(dǎo)通”和“截止”兩種工作狀態(tài)，受外界和電源的干擾的可能性大大減小，電路容易集成，易于制成全集成化的單片全數(shù)字鎖相環(huán)路。因而系統(tǒng)的可靠性大大提高。(2全數(shù)字鎖相環(huán)路還緩和甚至消除了模擬鎖相環(huán)路中電壓控制振蕩器（VCO ）的非線性以及環(huán)路中使用運(yùn)算放大器和晶體管后而出現(xiàn)的飽和及

6、運(yùn)算放大器和鑒相器的零漂等對環(huán)路性能的影響。(3數(shù)字鎖相環(huán)路的環(huán)路部件甚至整個環(huán)路都可以直接用微處理機(jī)來模擬而實(shí)現(xiàn)。(4全數(shù)字鎖相環(huán)路中，因模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量所引入的量化誤差和離散控制造成的誤差，只要系統(tǒng)設(shè)計(jì)得當(dāng)，均可以被忽略。全數(shù)字化鎖相環(huán)的在實(shí)際工程中的應(yīng)用目前，全數(shù)字鎖相環(huán)路（A DPLL ）已在數(shù)字通信、無線電電子學(xué)及電力系統(tǒng)自動化等領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用。A DPLL 具有精度高、不受溫度和電壓影響、環(huán)路帶寬和中心編程頻率可調(diào)、易于構(gòu)建高階鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)。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，而且可以把整個系統(tǒng)集成到一個芯片上去。全數(shù)字鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電

7、路中的應(yīng)用 圖3 調(diào)頻電路框圖全數(shù)字鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術(shù)，可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號輸出。輸出信號頻率比晶振信號頻率大的稱為鎖相倍頻器電路；輸出信號頻率比晶振信號頻率小的稱為鎖相分頻器電路。鎖相倍頻和鎖相分頻電路組成框圖如圖4所示： 圖4 鎖相倍頻分頻電路組成框圖f i =Nfo注：圖中的N 大于1時，為分頻電路；當(dāng)N 小于1時為倍頻電路。4. 總結(jié)本文主要介紹了全數(shù)字鎖相環(huán)的原理及在工程中應(yīng)用，隨著科技的發(fā)展，根據(jù)不同的需要，單片集成全數(shù)字鎖相環(huán)的商用產(chǎn)品越來越多，它具有精度高、不受溫度和電壓影響、環(huán)路帶寬和中心編程頻率可調(diào)、易于構(gòu)建高階鎖相環(huán)等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用變得越來越廣泛。參考文獻(xiàn)1Floyd M.Gardner著，姚劍清譯. 鎖相環(huán)技術(shù). 北京：人民郵電出