全数字锁相环原理及应用讲解

1、全数字锁相环原理及应用摘要：首先介绍全数字锁相环的结构，及各个模块的作用，接着讲述全数字 锁相环的工作原理，然后介绍在全数字锁相环在调频和解调电路、频率合成器中的 应用。关键字：全数字锁相环数字环路鉴相器数字环路滤波器数字压控振荡器1. 前言锁相环（PLL，Phase Locked Loop技术在众多领域得到了广泛的应用。如信号 处理，调制解调，时钟同步，倍频，频率综合等都应用到了锁相环技术。传统的锁 相环由模拟电路实现，而全数字锁相环 （ADPLL，All Digital Phase Locked Loop与 传统的模拟电路实现的PLL相比，具有精度高且不受温度和电压影响，环路带宽 和中心频

2、率编程可调，易于构建高阶锁相环等优点，并且应用在数字系统中时，不 需A/D及D/A转换。随着通讯技术、集成电路技术的飞速发展和系统芯片的深入 研究，全数字锁相环将会在其中得到更为广泛的应用。2. 全数字锁相环结构及原理数字环路鉴相器（DPD）数字鉴相器也称采样鉴相器，是用来比较输入信号与压控振荡器输出倍号的 相位，它的输出电压是对应于这两个信号相位差的瓯数。它是锁相环路中的关 犍部件，数字鉴相器的形式可分为：过零采样鉴相器、触发器熨数字鉴相益、超 询一滞后熨数字鉴相器和奈奎斯特速率取样鉴相器。数字环路滤波器（DLF）数字环路滤波器在环路中对输入噪声起抑止作用,并且对环路的校正速度起 调节作用。

3、数7滤波器是一种“门的技术，有答种各样的结构形式和设计方法“ 引入数字环路滤波器和模拟锁相环路引入环路滤波器的的一样，是作为校正网豪字锁相环的一般组成如下图1所示，由数？鉴相器（DPD, Digital Phase图1数字锁相环路的基本结构（1数字环路鉴相器（DPD ）数字鉴相器也称采样鉴相器，是用来比较输入信号与压控振荡器输出信号的相 位，它的输出电压是 对应于这两个信号相位差的函数。它是锁相环路中的关键部 件，数字鉴相器的形式可分为：过零采样鉴相器、触发器型数字鉴相器、超前一滞后型数字鉴相器和奈奎斯特速率取样鉴相器。（2数字环路滤波器（DLF）数字环路滤波器在环路中对输入噪声起抑止作用，并

4、且对环路的校正速度起调 节作用。数字滤波器是一种专门的技术，有各种各样的结构形式和设计方法。引入 数字环路滤波器和模拟锁相环路引入环路滤波器的目的一样，是作为校正网络引入环路的。因此，合理的设计数字环路滤波器和选取合适的数字滤波器结 构就能使DPLL满足预定的系统性能要求。（3数字压控振荡器（DCO）数控振荡器，又称为数字钟。它在数字环路中所处的地位相当于模拟锁相环中 的压控振荡器（VCO）。但是，它的输出是一个脉冲序列，而该输出脉冲序列的 周期受数字环路滤波器送来的校正信号的控制。其控制特点是：前一采样时刻得到 的校正信号将改变下一个采样时刻的脉冲时间位置。全数字锁相环工作原理全数字锁相环的

5、基本工作过程如下：（1设输入信号ui （t和本振信号（数字压控振荡器输出信号）u o （t分别是正弦和余弦信号，他们在数字鉴相器内进行比较，数字鉴相器的输出是一个与两者间的 相位差成比例的电压u d （to（2数字环路滤波器除数字鉴相器输出中的高频分量，然后把输出电压u c （t加到数字压控振荡器的输出端，数字压控振荡器的本振信号频率随着输入电压的变化 而变化。如果两者频率不一致，则数字鉴相器的输出将产生低频变化分量，并通过 低通滤波器使DCO的频率发生变化。只要环路设计恰当，则这种变化将使本振信 号u o (t的频率与数字鉴相器输入信号u i (t的频率一致。(3最后，如果本振信号的频率和输

6、入信号的频率完全一致，两者的相位差将 保持某一个恒定值，则数字鉴相器的输出将是一个恒定直流电压(忽略高频分量)，数字环路滤波器的输出也是一个直流电压，DCO的频率也将停止变化，这时，环路处于锁定状态”3. 全数字锁相环的特点及应用全数字化锁相环的共同特点(1电路完全数字化，使用逻辑门电路和触发器电路。系统中只有导通”和 截止”两种工作状态，受外界和电源的干扰的可能性大大减小，电路容易集成，易于 制成全集成化的单片全数字锁相环路。因而系统的可靠性大大提高。(2全数字锁相环路还缓和甚至消除了模拟锁相环路中电压控制振荡器(VCO )的非线性以及环路中使用运算放大器和晶体管后而出现的饱和及运算放 大器

7、和鉴相器的零漂等对环路性能的影响。(3数字锁相环路的环路部件甚至整个环路都可以直接用微处理机来模拟而实 现。(4全数字锁相环路中，因模拟量转变为数字量所引入的量化误差和离散控制 造成的误差，只要系统设计得当，均可以被忽略。全数字化锁相环的在实际工程中的应用目前，全数字锁相环路(A DPLL )已在数字通信、无线电电子学及电力系统 自动化等领域中得到了极为广泛的应用。A DPLL具有精度高、不受温度和电压影 响、环路带宽和中心编程频率可调、易于构建咼阶锁相环等优点。随着集成电路技 术的发展，不仅能够制成频率较高的单片集成锁相环路，而且可以把整个系统集成 到一个芯片上去。全数字锁相环在调频和解调电

8、路中的应用全数字锁梢坏在荻率介成电路中的应川任现代电了技术屮*为f作到高辆度的掘擴Si隼，通常采用石呢韶体振躅28. 但石英晶体撮荡器的頻率林祁坊曲变，利用领相坏、倍倾.分频零频率合成技术, 可以荻得多疑率、高稳定的号岀.输出信号频和匕晶嫌信号频率人的称为锁相信频器电踰输岀侑号麺率比晶 推伯号倾率小的称为損相分频器电路*领相倍频和锁梱忻拔电路细成用图削图4 所示农调频波时特点是頻罪随调制信号翔投的变化而变化用揑掘荡器的搬曲频率 取决F输入电爪的M（庫二当号的额岸柑像相环的闻仃抿荡频率阪相您时. ih控提荡器输岀倩号的频率将保持血不变若压控撮荡器的输入信号除了有锚相 坏砥测肚波曙输出的L；号比外

9、.址科调制信号叶 则爪控推閑辭翩IM已的頻率 就圧以那为中心.馳测制信号柿蛍的变化而芟化的flIKift信号侧，、数 卅釧 环的理和训牠波的機点可得解调电踣组成框图如图2所刃讥悶制力号U.X L严频單計叫 阳掘电呛T嗨相器一t低通滤波誥F彳压拎撇特器卜厂* 全数字锁相坏在频率合成电路中的应用在现代电子技术中，为了得到周粘度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。 但石英品体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术, 町以获得名频率、禹稳定的振荡信号输出。输出信号频率比晶掘信号频率大的称为锁相倍频器血论输出信号频率叱品图3调频电路框图全数字锁相环在频率合成电路中的应用在现代电子技

10、术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路；输出信号频率比晶振 信号频率小的称为锁相分频器电路。锁相倍频和锁相分频电路组成框图如图4所示：全数字锁相坏在频率舍成电路中的向用在现代电子技术中，为了得到高粘度的掘荡频率，通常釆用石英但石英品休掘荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频 可以获得多频率.高稳定的振荡信号输出。输出倍号频率比晶按信号频率大的称为锁相倍频器电路输出菲图4锁相倍频分频电路组成框图f i =Nfo注：图中的N大于1时，为分频电路；当N小于1时为倍频电路。4.总结本文主要介绍了全数字锁相环的原理及在工程中应用，随着科技的发展，根据 不同的需要，单片集成全数字锁相环的商用产品越来越多，它具有精度高、不受温 度和电压影响、环路带宽和中心编程频率可调、易于构建高阶锁相环等优点。