什么是鎖相環(huán)
鎖相環(huán) (PLL) 是電子系統(tǒng)中最通用、最靈活和最有價值的電路配置之一,因此在許多應(yīng)用中都有使用。它用于時鐘重定時和恢復(fù),作為頻率合成器和可調(diào)諧振蕩器,僅舉幾個例子。
因此,在包括無線電接收器和測試設(shè)備在內(nèi)的許多 RF 設(shè)備項目中都可以找到 PLL。根據(jù)其具體實(shí)現(xiàn),它可以服務(wù)于近直流到 GHz 和更高的頻率,在系統(tǒng)和電路中發(fā)揮許多關(guān)鍵作用。
鎖相環(huán)的工作原理
鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路,簡稱鎖相環(huán)(PLL,Phase-Locked Loop)。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是:利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位。
最基礎(chǔ)的鎖相環(huán)系統(tǒng)主要包含三個基本模塊:鑒相器(Phase Detector:PD)、環(huán)路濾波器(L00P Filter:LF)其實(shí)也就是低通濾波器,和壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator:VCO)。有了這三個模塊的話,最基本的鎖相環(huán)就可以運(yùn)行了。但我們實(shí)際使用過程中,鎖相環(huán)系統(tǒng)還會加一些分頻器、倍頻器、混頻器等模塊。(這一點(diǎn)可以類比STM32的最小系統(tǒng)和我們實(shí)際使用STM32的開發(fā)板)
圖 鎖相環(huán)基本模塊
圖 輸入信號和輸出信號存在相位差
鎖相環(huán)的應(yīng)用
鎖相環(huán)在調(diào)制和解調(diào)中的應(yīng)用
所謂的調(diào)制就是用攜帶信息的輸入信號ui來控制載波信號uc的參數(shù),使載波信號的某一個參數(shù)隨輸入信號的變化而變化。載波信號的參數(shù)有幅度、頻率和位相,所以,調(diào)制有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)三種。
調(diào)幅波的特點(diǎn)是頻率與載波信號的頻率相等,幅度隨輸入信號幅度的變化而變化;調(diào)頻波的特點(diǎn)是幅度與載波信號的幅度相等,頻率隨輸入信號幅度的變化而變化;調(diào)相波的特點(diǎn)是幅度與載波信號的幅度相等,相位隨輸入信號幅度的變化而變化。調(diào)幅波和調(diào)頻波的示意圖如圖8-4-4所示。
上圖的(a)是輸入信號,又稱為調(diào)制信號;圖(b)是載波信號,圖(c)是調(diào)幅波和調(diào)頻波信號。
解調(diào)是調(diào)制的逆過程,它可將調(diào)制波uo還原成原信號ui。
鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用
在現(xiàn)代電子技術(shù)中,為了得到高精度的振蕩頻率,通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變,利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術(shù),可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號輸出。
輸出信號頻率比晶振信號頻率大的稱為鎖相倍頻器電路;輸出信號頻率比晶振信號頻率小的稱為鎖相分頻器電路。鎖相倍頻和鎖相分頻電路的組成框圖如圖8-4-7所示。
圖中的N大于1時,為分頻電路;N小于1時,為倍頻電路。
鎖相環(huán)PLL對相位階躍的響應(yīng)
Vpd 剛開始相位很大,脈沖比較長,后面逐漸變小,脈沖慢慢變短。
Vcont通過低通濾波器將信號變得緩和。
out會隨著Vcont慢慢變化。
總之,鎖相環(huán)電路是一種功能強(qiáng)大的信號處理電路,通過對輸入信號與參考信號的相位比較、平滑處理、頻率控制和分頻等操作,實(shí)現(xiàn)對輸入信號的同頻且相位鎖定的輸出。鎖相環(huán)電路在通信系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和控制系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
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