PLL电路的基本工作原理

PLL电路的基本工作原理

1.1PLL电路的三大组成各部分

Phase lock loop锁相环电路适用于生成与输入信号同步的新的信号电路。PLL电路基本上由三大部分组成：

1）鉴相器（phase detector）

鉴相器用于检测出两个输入信号的相位差。鉴相器的工作方式多种多样，大部分是数字方式的，也有模拟方式工作的鉴相器，主要方式检测出两个信号上升沿的差。

2）环路滤波器（loop filter）

环路滤波器是将鉴相器输出的含有波纹的直流信号平均化，将次变换为交流成分较少的低通滤波器。环路滤波器滤除了滤除波纹的功能外，还有一个重要的功能，即决定稳定进行PLL环路控制的传输特性。稳定的PLL电路的环路滤波特性是非常重要的。关系到整个系统的性能。

3）压控振荡器（voltage controlled osillator）

压控振荡器就是用输入的直流信号控制振荡频率，它是一种可变频振荡器。

1.1.2PLL的应用与频率合成器

在图中可以看到，将输入信号与VCO输出信号进行比较，控制两个信号使其保持相位同步。两个输入信号同相位，当然也可以对频率进行同样的控制，这样一来就可以是VCo输出的振荡频率能够跟踪输入信号的频率了。

这时，VcO的振荡频率变化由环路滤波器的时间常数决定。时间常数越大，频率的变化越慢；时间常数越小，频率变化越快。这样，VCo的振荡频率同步跟踪输入信号的频率。

在图中若跟踪速度设计得当，由VCO可得到接受信号或与电磁波同步的信号。例如，接受电磁波信号中叠加有噪声时，VCO立即停止接收该信号，不收噪声影响，VCO与接收信号平品均频率稳定同步，并持续振荡。

另外，在图中，若VCO输出与鉴相器输入之间接入分频器，则输入频率与VCO输出频率的分频频率同步。也就是说，VCO的振荡频率对输入信号的分频频率进行控制。

因此，若在PLL输入信号中加上由晶振等产生的稳定频率信号，并对分频器的频率进行切换，则由VCO的输出得到与输入频率同样精度的分频信号。这就是PLL方式频率和成器的原理。

1.2.1PLL电路以及频率合成器的构成

无论是工业还是民用，PLL电路的应用范围都极其广泛

1.2.2输出为输入N倍频的方法

PLL电路是将输入波形与VCo震荡波形的相位进行比较，使其输入频率与VCO振荡频率同步的电路。VCO输出经过分频器后的信号与输入波形的相位进行比较，输入频率与分频后的频率为相同的频率，即VCO的振荡频率与分频后的频率同步。具有由外部的任意的整数值部设定分频功能的分频器称为可编程分频器（programabledevider）

1.2.3输出为输入N/M倍频的方法

由图所示，输出频率设定分辨率等于相位比较频率。因此，PLL电路的输出频率精度由输入信号的精度决定。为此，对于频率的合成器等，一般由晶振产生输入信号。然而，廉价的晶振振荡频率的稳定度往往不尽如人意。

为此，想要得到更高的设定分辨率时，采用在回路的鉴相器前增加一个1/M的分频器进行再分频是一个理想的办法。

此外，还可以利用输出部分接入分频电路的方法在图中构成的PLL电路中，为了拓宽频率合成器的输出频率范围，在宽范围内取分频系数，相应的VCO振荡频率也要在带宽的范围内改变。然而正如前文说的那样，分频的系数范围变宽，作为PLL电路的传输函数也要随着变化，VCO很难输出很高纯度的信号。

另外，可变VCO的振荡频率范围也是有限的。一般来说，振荡频率的范围宽，则VCO 输出信号纯度的纯正度也随之降低。

输出波形方波形时，在VCO输出部分接入分频器，可以拓宽输出频率范围。例如，VCo 正当频率范围即使为1~10MHZ，若输出分频器的分频系数N设定为10,100,1000，……..则也可以得到价低的频率。

1.2.4输出为输入的NxM倍频的方法（增设前置频率衰减器）

为了实现数字式切换改变PLL电路的输出频率，可使用的变成分频器，但要自由设定分频系数，分频内部构成变得很复杂，高速响应也难以实现。通用可编程分频器的上限频率为10MHZ左右。

分频系数固定，而工作的频率扩展到GHZ的电路称为前置频率倍减器，这是如果在vco 与可编程分频器之间接入被称为前置频率倍减器的1/M分频器的方法，频率合成器的频率也可能达到GHZ数量级。但是，这种评估方法牺牲了前置频率倍减器所有分频系数设定的分辨率。为此，可采用称为脉冲吞没式的计数器。

1.2.5PLL电路与DDS的组合方式

若提高PLL电路的设定频率，则分频系数变大，相位比较频率变低。为此，改变设定值时，PLL电路的响应速度变慢。另外，环路增益随着分频率的增高而下降，输出波形的纯正度变坏。

随着LSI技术的发展，直接数字频率和成器的DDS构成信号发生器已经实用化。DDS构成的正弦波发生器，它是由加法器与锁存器构成的累加器组成。每当外来一个时钟脉冲时，则积累计算设定。经常得到速度与设定值成比例的数字数据，这种数据可作为预先写入正弦波数据ROM的地址加入到电路中。这样一来就可以从ROM中读取到正弦波数据。

1.3锁相环频率合成器的信号纯度

1.3.1PLL频率合成器的输出频谱

在很多高精度的电子系统中，一个稳定的频率合成器是多么的重要，我的课题也正是由此出发点进行的研究，即运用本科所能驾驭的相对简单的手段，使用先期硬件仿真，而后通用板制作，加之以少量的单片机程控手段来达到一个尽量高精度的目的，更具体来说所谓“高精度信号”，它是一种单一频率的纯净的信号。若用扫频仪进行观测，观测到的将是一根谱线。但是令人失望的是，在实际操作中，我们的系统由于各种自扰和工艺的问题会产生许多其他频率的分量，比如（VCO）的输出端便会多多少少含有有些杂波成分。而这些杂波又有些不同，高次谐波失真是由整数倍频率成分组成，一些不需要的频率成分一般叫做寄生成分。