现代测试课程设计--高速数字锁相环路设计

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1、 1 前前 言言 锁相环路（PLL）是一个相位误差控制系统，是将输入信号（参考信号）和输出信号之间 的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，使输出信号频率与参考信号频 率相同。 信号锁相技术广泛应用于自动化控制等领域。利用该技术可以产生同步于被锁输入信号 的整数倍频或者分数倍频的输出控制信号。锁相环的基本结构是由鉴相、环路滤波、可控振 荡器和 M 倍分频等模块组成的一个反馈环路。输入的被锁信号首先与同步倍频信号经过 M 倍 分频后产生的锁相信号进行鉴相处理，输出相位误差信号。环路滤波模块通常具有低通特性， 它将相位误差信号转化为稳定的控制信号，从而控制可控振荡器模块，产生稳定的频

2、率信号 输出。这个频率信号就是所需的同步倍频信号。如果整个反馈环路锁相稳定，锁相环输出的 同步倍频信号的频率就是其输入的被锁信号频率的 M 倍。假如被锁信号在输入鉴相模块之前 又先被分频了 L 倍，则锁相获得的同步倍频信号的频率就是被锁信号频率的 M/L 倍。 锁相环路的应用十分广泛。在稳频技术中的应用，如：锁相倍频器，锁相分频器，锁相 混频器，锁相合成器等；在调制解调技术中的应用，如：锁相调频和鉴频，同步检波等。除 了以上所介绍的锁相环路的应用外，它还应用于空间技术（例如，由于各种原因使地面接收 的空间信号十分微弱，采用锁相接收机可使接收机接收微弱空间信号的能力大大加强）等方 面。由于锁相环

3、路易集成化，锁相环路已成为继集成运放之后，又一个用途广泛的多功能集 成电路。 目前锁相环应用广泛，比如：在通信中应用于调制解调自动频率微调等系统；在雷达中 应用于天线自动跟踪与精密辅角偏转测量等系统；在空间技术中主要应用于测速定轨、测距 与遥测数据获取等系统；在电视机中应用于电视机同步、门限扩展解调的同步检波。 1.1.总体方案设计总体方案设计 2 锁相环是一种反馈控制电路，作用是实现设备外部的输入信号与内部的振荡信号同步。 传统的模拟锁相环有较短的锁定时间，可以保证参考时钟源和输出时钟的稳态相差。但其中 心频点受 VCO 的限制而范围较小，环路带宽较宽；当参考源出现瞬断或者参考时钟源切换时，

4、 VCO 输出时钟频率会出现较大的相位瞬变。全数字锁相环与传统的模拟电路实现的相比，具 有精度高且不受温度和电压影响，环路带宽和中心频率编程可调，并且应用在数字系统中时， 不需 A/D 及 D/A 转换。 1.1 方案 1 基本的锁相环路是由鉴相器（） 、环路滤波器（LF） 、压控振荡器（VCO）组成。 鉴相器是相位比较器，能够将输入信号（参考信号） t ur 的相位 t r 和压控振荡器输 出信号 t uo 的相位 t o 进行比较，产生对应于这两个信号的相位差为 t e 的误差电压 t ue 。环路滤波器用来消除误差电压中的高频分量及噪声，提高系统的稳定性，它输出控制 电压 t uc 。压控振荡器受 t uc 控制，使其输出信号频率与参考信号频率之差减小，直至最 后两频率相等，压控振荡器频率被锁定在参考信号频率处。压控振荡器输出的是与需要频率 很接近的等幅信号，把它和由相位参考提取电路从信号中提取的参考信号同时送入相位比较 器， 用比较形成的误差通过控制电路使压控振荡器的频率向减小误差绝对值的方向连续变化， 实现锁相，从