数字锁相环技术原理

摘要：数字锁相环（DigitalPhase-LockedLoop，简称DPLL）是一种基于反馈控制的技术，用于实现jing确的时序控制和相位同步。通过相位比较、频率差计算、频率控制、滤波和循环控制，它能够完成两个信号相位同步、频率自动跟踪的功能。数字锁相环不仅具有可靠性好、精度高、环路带宽和中心频率编程可调等优点，还解决了模拟锁相环的直流零点漂移、器件饱和及易受电源和环境温度变化等缺点，此外还具有对离散样值的实时处理能力。数字锁相环广泛应用于物理和工程领域，包括用于测量和跟踪信号频率、提取原始信号的给定频率分量并在同时消除噪声和杂散分量，或者基于输入信号合成新信号。此外，数字锁相环在调制解调、频率合成、FM立体声解码、彩色副载波同步、图像处理等各个方面得到了广泛的应用，已成为锁相技术发展的方向。

1.锁相环基本原理

锁相环(PLL)技术也称自动相位控制技术,主要由鉴相器,低通滤波器(LPF),压控振荡器(VCO)和参考频率源(晶体振荡器)组成。

当压控振荡器的频率fv,由于某种原因发生变化时,必然相应地产生生相位变化。这个相位变化在鉴相器中与参考晶体振荡器的稳定(对应于频率fR)相比较,使鉴相器输出一个与相位误差成比例的误差电压ud(t),经过低通滤波器,取出其中缓慢变动的直流电压分量uc(t),并加到VCO的控制端,使压控振荡器的输出频率fv不断改变且向参考频率fR靠拢,直至fv=fR为止,从而使得uv(t)、us(t)两信号的频率相同而相位差保持恒定(同步),即实现频率自动跟踪和相位锁定。这就是是锁相环路的基本原理。

图1锁相环组成结构图

2.全数字锁相环的基本原理

全数字锁相环由数字鉴相器、数字环路滤波器、数控振荡器三部分组成。锁相环是一个相位反馈控制系统，而在数字锁相环中，由于误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因而受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的;此外，全数字锁相环的环路组成部件也全用数字电路实现。其中可逆计数器及N分频器的时钟由外部晶振提供。全数字锁相环不使用VCO(电压控制振荡器)，同时采用系统可编程芯片实现，这大大减轻温度及电源电压变化对环路的影响，有利于提高系统的集成度和可靠性。

3.全数字锁相环的实现

全数字锁相环是模拟锁相环系统的数字化,全数字锁相环的基本结构如图2所示。主要由数字鉴相器、K变模可逆计数器构成(模数K可预置)、加减脉冲控制器和除N计数器构成。K变模可逆计数器和加减脉冲控制器的工作频率分别为Mf0和2Nf0,f0为锁相环的中心频率。一般情况下M和N均为2的整数幂。时钟2Nf0经除H(H=M/2N)计数器得到。实际应用中一般在压控振荡器与鉴相器之间加入可控的变模分频器,来得到固定的或是可变的输出频率,输出频率与输入频率之间成比例关系。

图2全数字锁相环路结构图

3.1数字鉴相器的实现

常用的数字鉴相器有三种类型EXOR鉴相器、JK触发型鉴相器和边沿控制鉴相器。数字鉴相器的作用是鉴别两个数字信号相位的差别，并通过信号将这种差别表示出来。数字鉴相器在很大程度上决定着锁相环的性能,选择的原则要从适用条件、线性鉴相范围、设计难易程度等角度综合考虑。其中EXOR鉴相器，它适用于波形对称的情况,线性鉴相范围为±Π/2，线性增益Kd=2/Π(V/rad)。通过比较输入信号u1(t)和反馈输入信号u2’(t)的相位产生一个误差信号ud(t),其作为K变模可逆计数器的加减方向控制信号,相位差为θe(θe=θv-θR)。环路锁定时，输入信号和输出信号之间没有相位误差时，输入和输出信号的相位刚好相差90°，经过异或门，产生占空比为50%的输出信号，该信号和输入信号波形相同，频率刚好是前者的两倍。这种情形如图3(a)所示。在这种情况下,可逆计数器加和减的周期是相同的,此时只要可逆计数器的k值足够大,其输出端就不会产生进位或借位脉冲。当输出信号u2’滞后于参考信号u1时,相位误差为正。这种情形如图3(b)所示。

图3 EXOR鉴相器的波形图（a）零相位误差（θe=0时波形）

（b）零相位误差（θe>0时波形）

3.2数字环路滤波器的实现

K变模可逆计数器是*重要的数字环路滤波器。这种环路滤波器通常和EXOR或者JK触发鉴相器一起工作,它由两个互相独立的计数器组成,这两个计数器通常被称之为加(UP)计数器和减(DN)计数器。实际应用中,这两个计数器总是向上计数的,K为这两个计数器的模,也就是说,这两个计数器的计数范围都是[0,K-1],其中K是由模K控制输入端控制,而且,一般是2的整数次幂。时钟信号(K时钟)的频率定义为ADPLL中心频率fo的M倍,M通常取8、16、32等。它对数字鉴相器输出的相位差信号进行加减运算,当运算结果达到由模值控制器所预设的模值时,计数器输出一个溢出信号,加减溢出判断电路对溢出信号进行判断:若是加溢出则输出进位脉冲;若是减溢出则输出借位脉冲。进位和借位脉冲可用来控制DCO(数控振荡器),使得DCO输出的脉冲数根据进位和借位来加上或者是删除一些脉冲,实际上也就改变了DCO的输出频率。可逆计数器的模值由K模值控制器控制,一般为2的整数幂,当模值控制器变化范围为4b0001~4b1111时,对应的模值的变化范围为23~217。即可根据模值的大小调整可逆计数器的长度来实现数字编程控制。

3.3数字振荡器的实现

数控振荡器由加减脉冲控制器和除N计数器组成。加减脉冲控制器的作用是实现对输入信号频率和相位的跟踪和调整,*终使得输出信号锁定在输入信号的频率和相位上,它是由D触发器和JK触发器组合实现的。当没有进位脉冲和借位脉冲输入时,即锁相环路稳定时,加减脉冲控制器对输入时钟进行二分频后输出,从而保持u1(t)和u2’(t)的正交;当有进位脉冲时,加减脉冲控制器除了将信号2分频,还会在2分频的过程中加入半个时钟周期,当有借位脉冲输入时,则是减去半个时钟周期,这个过程是连续发生的。由于实际门电路中延迟的影响,有可能在逻辑输出的信号中存在毛刺,从而产生不可预知的问题,所以可以通过时钟控制的D触发器来消除这些毛刺所带来的隐患。由此可见,加减脉冲控制器就是通过这种方式来调节相位以使闭环系统*终达到锁定状态。

Moku:Pro的PID/PLL

Moku:Pro的PID/PLL(相对于参考时钟)多达四个输入信号，从1 kHz到300 MHz的精度优于6 μ弧度。基于数字实现的锁相环架构，Moku:Pro的PID/PLL提供了动态范围、零死区和测量精度，超过了传统锁相放大器和频率计数器的性能。

Moku:Pro的PID/PLL特征

•四个独立的相位计通道输出选项，跟踪和记录两个独立信号的相位，频率和幅度。

•锁相输出选项，使您可以产生正弦波锁相输入。

•使用相位计的集成频谱分析工具包在频域观察测量数据。

•锁相环跟踪带宽从10hz到10khz。

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