锁相环PLL介绍

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

1. 背景

        在通信机等所使用的振荡电路，其所要求的频率范围要广，且频率的稳定度要高。无论多好的LC振荡电路，其频率的稳定度，都无法与晶体振荡电路比较。但是，晶体振荡器除了可以使用数字电路分频以外，其频率几乎无法改变。如果采用PLL(锁相环)(相位锁栓回路，Phase Locked Loop)技术，除了可以得到较广的振荡频率范围以外，其频率的稳定度也很高。锁相环可用来从固定的低频信号生成稳定的输出高频信号等。

        PLL用于生成、稳定、调制、解调、过滤或从数据被中断的 “噪声 “通信通道中恢复信号。PLL电路的主要目的是使输出振荡器信号与参考信号同步。当这两个信号之间的相位差为零时，系统被 “锁定”。PLL是一个闭环系统，有一个控制机制来减少可能发生的任何相位误差。

2. PLL(锁相环)电路的基本构成

        一个基本的锁相环PLL，由三个基本元素组成：鉴频鉴相器（FPD）、回路滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）组成。PLL是基于一个外部的晶振时钟，能够先对晶振进行整数倍R分频处理，作为PLL内部的基准时钟，内部的环路可以对这个基准时钟进行N倍的倍频，因此可以得到外接晶振频率F的N/R倍的频率。

2.1 工作过程

        锁相环可以通过压控振荡器VCO产生一定频率范围的信号，给定锁相环一个参考信号，通过鉴相器PD可以判断VCO产生信号的频率是否与参考信号相同，经过反馈控制，使VCO产生于参考信号频率相同的信号。低通滤波器LPF用于对鉴相器输出信号的滤波。PD脉波信号经过回路滤波器(LoopFilter)的积分，便可以得到直流电压VR，可以控制VCO电路。由于控制电压vr的变化，VCO振荡频率会提高。结果使得fr=f。在f与f的相位成为一致时，PD端子会成为高阻抗状态，使PLL(锁相环)被锁栓(Lock)。

        过程1：当没有基准频率输入时，经过LPF（低通滤波）输出为0，VCO按其固有频率震荡输出f1，fout=f1;

        过程2：开始fout为f1，当fref频率输入，PD检查出参考频率和f1的相位差，输出为交流信号，经过LPF(低通滤波)变为直流信号，在输入到VCO（压控震荡器）得到f2。VCO一般通过控制电压来控制变容二极管来调节频率

        过程3：f2经过分频器（可以倍频和分频）频率变为f3，f3与fref同时输入到PD得出参考频率fref与f3之间的相位差，经过LPF(低通滤波)输出电压差在通过VCO ，从而保证输出f4.

        过程4：不断重复过程2和过程3的步骤，一直到fref=fout后,PD输出端为高阻态，使PLL环路LOCK,保持输出频率为fout;

2.2 鉴频鉴相器（frequency-phase detector, FPD）

        顾名思义，锁相环内的这个电路块对两个信号的频率和相位进行比较，并根据两个信号的相位差产生一个电压。相位比较器可以将基准信号与VCO的相位比较。如果此两个信号之间有相位差存在时，便会产生相位误差信号输出。利用此一误差信号，可以控制VCO的振荡频率，使VCO的相位与基准信号的相位(也即是频率)成为一致。

        PD工作过程：

        假设fr>fo时，也即是VC0的振荡频率fo比fr低时。此时的相位比较器的输出PD会如图2所示，产生正脉波信号，使VCO的振荡器频率提高。相反地，如果fr<fo时，会产生负脉波信号。

2.3 回路滤波器LPF

        实际控制系统往往会存在干扰，包括信号采样的干扰、电压或电流的波动等，而这些干扰主要表现形式是中高频噪声（一般在500Hz以上）。低通滤波器可以滤除这些高频谐振及其附近的噪声，而对有用的低频信号可以基本无衰减通过，所以对于一个实际的控制系统而言，在控制系统中加入滤波器是必要的，否则可能会引起系统高频振荡。   

        这个滤波器用于过滤锁相环路中相位比较器的输出。它用于去除VCO线路中相位被比较的信号的任何成分，即参考和VCO输入。它还控制着环路的许多特性，包括环路的稳定性、锁定的速度等。据fref的频率（基波），fout为（多次谐波），故PLL即为输出谐波（倍频）所以滤波限制为选择大约为基准频率的周期(1/fr)的数百倍。在此选择约为数十mS。

2.4 压控振荡器VCO

        输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输入信号电压的函数。

        在用石英晶体稳频的振荡器中，把变容二极管和石英晶体相串接，就可形成晶体压控振荡器。压控振荡器是通过调节变容二极管电压，实现结电容的变化，从而获得频率的变化。

        压控振荡器是产生无线电频率信号的电路块，通常被认为是回路的输出。它的频率可以控制在环路所需的工作频段上。压控振荡器就是在震荡电路中采用变容二极管、二极管的容量受LFP滤波后输出的直流电压控制，所以当电压变化，电路的震荡频率紧跟着改变。

3. 锁相环在倍频应用中的原理

        压控振荡器VCO能够产生比外部晶体振荡器(8MHz)高的多的频率，如72MHz。以将外部晶体振荡器(8MHz)倍频为32MHz为例，讲解锁相环实现倍频的原理：

        VCO输出信号是随机的，只有当信号频率等于参考信号时才会稳定。在VCO之后有一个分频器，VCO输出信号频率经过分频后作为鉴相器的输入信号之一。
        参考信号为外部晶振的8MHz信号，作为鉴相器输入信号之一。当鉴相器检测二者相位差为0，即同频率时，输出VCO的输出信号。
        假设当前VCO输出32Mhz，分频器将其4分频，即8MHz作为鉴相器输入，参考信号正好为8MHz，则输出VCO信号，实现了4倍频为32MHz的目的。

        在嵌入式软件编程时，可通过配置相关寄存器修改倍频系数或分频系数。倍频系数为9时，输出8*9=72MHz信号。

4. 锁相环的主要应用

        调频解调： 一个主要的锁相环应用是调频解调器。由于锁相环芯片现在相对便宜，这种锁相环应用能够从调频信号中解调出高质量的音频。

        调幅解调： 锁相环可用于振幅调制信号的同步解调。使用这种方法，锁相环锁定在载波上，这样就可以在接收器内产生一个参考。由于这与载波的频率完全对应，它可以与输入的信号混合，以同步解调调幅。
        间接频率合成器： 在频率合成器内使用是最重要的锁相环应用之一。尽管直接数字合成也被使用，但间接频率合成形成了主要的锁相环应用之一。
        信号恢复： 锁相环能够锁定信号的事实使它能够提供一个干净的信号，并在出现短暂中断时记住信号频率。这种锁相环应用于一些信号可能短时间中断的领域，例如使用脉冲传输时。
定时分配： 另一个锁相环的应用是在数字逻辑电路和系统中分配精确定时的时钟脉冲，例如在微处理器系统中。