一种数模混合锁相环原理和结构的研究

2019-11-06毛振东

微处理机 2019年5期

毛振东

（94347 部队，沈阳 110043）

1 引言

锁相环可以控制环路内部电路的频率和相位，从而实现输出信号对输入信号相位和频率的自动跟踪，早在上世纪三十年代已有相关研究开展。最初的锁相环结构被应用在无线电同步接收中，为同步检波信号提供一个与输入信号载波同频的本地参考信号。由于在应用过程中，尤其在低信噪比条件下，能较好地保证信号的失真比，从而广受关注。随着20世纪科技飞速发展，在通信及电子系统领域中，锁相环路的理论和设计研究日趋成熟，从40年代的电视接收同步电路、50年代的导弹信标跟踪滤波器，直至今日被广泛应用于无线电传输、电子通信及航空航天等领域。随着通信行业对低成本、低功耗、大带宽、低失真、高传输速率等方面的要求，锁相环技术也不断向高集成度、低功耗、高可靠性的方向发展。自第一个锁相环产品问世以来，在新设计技术、更精细加工能力、更完善应用平台等的不断推动下，锁相环产品发展迅速，产品种类繁多，工艺日新月异。锁相技术已成为一门系统的理论科学，在通信、计算机、红外、激光、雷达、航天、精密测量、马达控制及图像处理等方面得到广泛应用。锁相环由鉴相器、环路滤波器、分频器和压控振荡器等部分组成[1]。随着数字电路的发展，其中的鉴相器部分开始由数字电路替代，但其他部分仍是模拟电路。这种锁相环就是最初的数模混合锁相环。此类结构随着技术和理论的发展不断完善，目前成为锁相环发展的主流方向。

锁相环广泛用于卫星定位、信号接收等领域，对数模混合锁相环技术进行研究并实现产品的国产化，具有深远的现实意义。因此，以典型产品如74HC4046（飞利浦公司）等为例，展开研究，探索其鉴相器、环路滤波器、分频器等的结构及工作原理。

2 锁相环结构及工作原理

锁相环由鉴相器、环路滤波器、分频器和压控振荡器等部分组成，基本结构框图如图1所示，它是一种典型的反馈控制电路。

图1 锁相环的基本构成

其中，鉴相器用于比较输入信号与压控振荡器的相位差；环路滤波器用于滤除鉴相器输出的交流干扰噪声，提高直流信号质量；分频器用于自由控制输出信号频率与输入信号频率比例；压控振荡器根据输入的直流信号控制振荡频率。利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，即可实现所需要的高频信号。

锁相环是一种相位负反馈系统，当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或某一固定值），此时压控振荡器会按照其固有频率fv自由振荡。

锁相环的工作原理如图2所示，当有基准脉冲振荡器介入，并提供频率为fr的信号（参考）输入时，压控振荡器经过采集，给出一个信号，一部分作为输出，另一部分通过分频与锁相环电路所产生的信号进行对比。此部分工作由鉴相器完成。当存在相位差时，鉴相器输出一个误差信号PD，通过环路滤波器变换为电压信号Vr。信号Vr可使压控振荡器的输出频率fo（和相位）不断发生变化，朝着参考输出信号不断靠拢，最终使fo和fr频率一致。此时，压控振荡器的输出信号与环路的输出信号（参考信号）之间只有一个稳定的稳态相位差，而没有频率的差异，称为环路被锁定。环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，锁定环会使压控振荡器的频率和相位持续不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，称为跟踪状态。

图2 锁相环工作原理

锁相环具有环路锁定和频率跟踪特性，使其在电子技术领域得到广泛应用。电子技术尤其是集成电路的飞速发展，促进了锁相环设计、加工、应用等技术的发展，包括模拟器件公司的ADF4 系列芯片、国半公司的LMX2 系列芯片、飞利浦的74 系列芯片等等[2]，早已实现将鉴相器、环路滤波器、分频器和压控振荡器等结构集成为单个锁相环芯片，并维持较高的集成度，使功能、性能得到很大提升。通过开展和借鉴对国外成熟产品如74HC4046（飞利浦公司）的研究工作，分析研究锁相环各个组成结构的原理和设计要点，对数模混合锁相环的技术研究和相关产品国产化，具有重要意义。

3 锁相环研究和设计

3.1 鉴相器结构设计

飞利浦74HCT4046 芯片采用的鉴相器为数字鉴相器，两个输入信号是脉冲序列，其前沿（或后沿）分别代表了各自的相位。比较这两种脉冲序列的频率和相位可以得到与相位差有关的输出。输出信号会随输入信号振幅的变化而变化，增益会受到振幅的变化影响[3]。

74HC4046 芯片在鉴相器结构中增加了CMOS结构，如图3所示。输出为三态电路——低电平、高阻态、高电平信号。当比较同相位输入信号时，锁相环可以锁定为高阻状态，这对环路滤波器得到无纹波的高质量直流电压很有帮助[4]。

图3 CMOS 结构

74HC4046 芯片在使用过程中仍暴露出一些问题，如在输入电源电压1/2 处存在贯通电流、工作频率较低等问题，限制了产品的应用。通过研究其他产品发现，采用电流输出型鉴相器可以很好地消除经典互补CMOS 结构在输入电源电压1/2 处存在贯通电流的缺点。此类优化在飞利浦74HCT9046、模拟器件公司ADF411x 等芯片上得到较好的体现。另外采用高速鉴相器还可提高环路增益，优化频谱波形，提高工作频率。诸如Maxim 的MAX9382H 和模拟器件公司的AD9901 等都已经利用高速鉴相器展现出了这方面的优势。

因此在产品设计过程中可充分借鉴这些国外产品的结构方案，再根据其具体使用环境选择鉴相器的设计方案。

3.2 环路滤波器设计研究

环路滤波器是由电阻、电容、放大器等组成的线性电路，其作用主要是滤除鉴相器输出的高频分量和噪音分量，得到一个干净的控制电压以控制压控振荡器的频率输出。常见的环路滤波器可分为RC积分滤波器、无源环路滤波器和有源环路滤波器。其中最简单的一阶RC 低通滤波器如图4所示。

图4 一阶RC 低通滤波器

这一滤波器的传输特性可如下式表示：

其中含有两个可调整的时间常数，调整方便，在锁相环中应用较广泛。

对于环路滤波器而言，在选用时的一个重要参数是截止频率，如下式所示：

为保证环路滤波器的增益和窄带滤波特性[5]，需要合理地设定截止频率。一方面，截止频率越高，环路滤波器响应速度越快，保证了锁相速度；另一方面，截止频率设计过高，环路滤波器除去鉴相器比较频率中寄生成分的能力就会大大降低，输出频谱中就会产生大量的比较频率的寄生成分，即窄带滤波特性很差。因此，设计环路滤波器要折中考虑截止频率和响应速度。另外包括环路带宽等方面也需要折中考虑，以保证滤除效果和捕获性能。

3.3 分频器设计

分频器可以对输入信号的频率作出处理，使输出信号的频率满足要求，通过分频后可以得到不同频率的时钟信号，提供各设备使用。

分频系数是分频器的主要参数指标，多个不同频率的信号可通过对某个基准频率进行分频获得。分频系数决定了分频器的使用范围和分辨率。一般来说，分频系数的设计要满足：①不影响设定的频率分辨率；②使得压控振荡器具有较宽的输出频率范围；③具有足够的响应速度。74HC4046 产品中采用的可编程分频器可以实现分频系数的自由控制，满足上述要求。

为实现更高分频功能，在某些应用上可以采取多芯片从属连接的方式，但此种方式会使电路工作变复杂，速度和输出频率都会降低，此时以固定的分频系数N 来设定分辨率fp效果很差。这些问题，在74HC191、74HC4012、74HC4013 等产品中都有体现。为扩大压控振荡器输出频率的范围，实现GHz 高频锁相环电路，同时保证分频器的分辨率，可以采用加入双模数前置频率倍减器等方式改善分频器电路，如图5所示。采用这一方案的典型产品有东芝的TC9198P 芯片,在保证了分辨率fp和输出频率fout的前提下，丰富了分辨率fp的选择[6]。

图5 加入前置频率倍减器的分频器结构

4 仿真验证结果

由Multisim 软件实施模拟仿真[7-8]。首先在软件中构造锁相环的仿真模型。输入选用1kHz 方波信号；利用74HC4046 实现鉴相器和压控振荡器；环路滤波器选用一阶RC 滤波器；分频器选用74HC4013计数器实现50 倍分频。由此实现模拟锁相环功能，并分别模拟在不同截止频率和分频系数下的工作情况，如图6所示为在滤波器工作状态下的测试结果，可见锁相环工作良好，输入频率在535~1605kHz 之间变化，压控振荡器输出频率在1000~2070kHz 之间，较好保证了输出维持在一个固定中频，未出现功能失效情况，同时输入噪音也得到了较理想的抑制。