鎖相環(huán)路構(gòu)成與工作機(jī)制

鎖相環(huán)由哪三部分組成

鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）通常由以下三部分組成：

1. 相位比較器（Phase Comparator/Phase Detector）： 相位比較器用于比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的相位差，輸出一個(gè)表示相位差的控制電壓或數(shù)字值。

2. 電壓控制振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）： 電壓控制振蕩器接收來自相位比較器的控制信號(hào)，根據(jù)控制信號(hào)的電壓或數(shù)字值來調(diào)節(jié)自身的振蕩頻率。

3. 反饋電路（Feedback Circuit）： 反饋電路將VCO輸出的信號(hào)反饋給相位比較器，用于與輸入信號(hào)進(jìn)行相位比較，進(jìn)而生成用于控制VCO的控制信號(hào)。

這三部分相互作用，構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得輸出信號(hào)的相位與輸入信號(hào)的相位相互鎖定或跟蹤。鎖相環(huán)廣泛應(yīng)用于時(shí)鐘同步、頻率合成、數(shù)模轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。

鎖相環(huán)的工作原理

最基礎(chǔ)的鎖相環(huán)系統(tǒng)主要包含三個(gè)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(gè)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(huì)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）

從鎖相系統(tǒng)開始運(yùn)行的那一刻進(jìn)行分析，這個(gè)時(shí)候鑒相器有兩個(gè)輸入信號(hào)，一個(gè)是輸入的參考信號(hào)Vin，另一個(gè)是壓控振蕩器的固有振蕩信號(hào)Vout。

這個(gè)時(shí)候由于兩個(gè)信號(hào)的頻率不相同，會(huì)因?yàn)轭l差而產(chǎn)生相位差，如果不對壓控振蕩器進(jìn)行任何操作，那么相位差會(huì)不斷累積，從而跨越2Π角度，從零重新開始測相位，這便是測量死區(qū)，明明相位在不斷變大，但鑒相器只能測出0~2Π的范圍，測出的相位差最大便是２Π，這樣就導(dǎo)致了鑒相器的輸出電壓只能在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。

理想狀態(tài)是讓這兩個(gè)信號(hào)的相位差一直保持在2Π的范圍內(nèi)，不進(jìn)入測量死區(qū)。那么在系統(tǒng)剛開始的時(shí)候，鑒相器測出兩個(gè)信號(hào)的相位差，將相位差時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)化為誤差電壓信號(hào)輸出（具體轉(zhuǎn)化過程見鑒相器講解）。

通過環(huán)路濾波器轉(zhuǎn)化為壓控電壓加到壓控振蕩器上，使壓控振蕩器的輸出頻率Vout逐步同步于輸入信號(hào)Vin，直到兩個(gè)信號(hào)的頻率逐漸同步，相位差也在測量誤差范圍內(nèi)，那么整個(gè)系統(tǒng)就穩(wěn)定下來了。

兩個(gè)信號(hào)的相位差不會(huì)累積變大，而是保持相對固定的相位差。（不是常規(guī)意義上的固定不變，而是在誤差允許范圍內(nèi)的微小波動(dòng)）。

鎖相環(huán)失鎖的原因有哪些

鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）失鎖可能由以下幾個(gè)原因引起：

1. 輸入信號(hào)干擾：當(dāng)輸入信號(hào)受到噪聲、失真、衰減等干擾時(shí)，可能導(dǎo)致相位比較器無法正確地比較輸入信號(hào)與VCO反饋信號(hào)之間的相位差，從而造成失鎖。

2. 頻率偏差過大：如果輸入信號(hào)的頻率與VCO輸出的振蕩頻率之間存在較大的偏差，超出PLL的跟蹤范圍，那么PLL可能會(huì)失鎖。

3. 環(huán)路帶寬設(shè)置不當(dāng)：PLL的環(huán)路帶寬決定了其對輸入信號(hào)的跟蹤速度，如果環(huán)路帶寬設(shè)置得過窄或過寬，都可能導(dǎo)致PLL失鎖。

4. 相位比較器失效：相位比較器是PLL的關(guān)鍵組件之一，如果相位比較器出現(xiàn)故障或不正常工作，可能導(dǎo)致PLL失鎖。

5. 電源噪聲和供電問題：如果PLL的供電電源存在噪聲或不穩(wěn)定，可能會(huì)對PLL的各個(gè)組件產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致失鎖。

6. 溫度變化和環(huán)境變化：溫度變化可能導(dǎo)致PLL內(nèi)部的電子元件參數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而影響PLL的性能和穩(wěn)定性，導(dǎo)致失鎖。

7. 其他外部干擾：如電磁干擾、輻射干擾、振蕩器質(zhì)量不良等外部因素也可能引起PLL失鎖。

審核編輯：黃飛