一種數模混合鎖相環原理和結構的研究

毛振東

（94347 部隊，沈陽 110043）

1 引 言

鎖相環可以控制環路內部電路的頻率和相位，從而實現輸出信號對輸入信號相位和頻率的自動跟蹤，早在上世紀三十年代已有相關研究開展。最初的鎖相環結構被應用在無線電同步接收中，為同步檢波信號提供一個與輸入信號載波同頻的本地參考信號。由于在應用過程中，尤其在低信噪比條件下，能較好地保證信號的失真比，從而廣受關注。隨著20世紀科技飛速發展，在通信及電子系統領域中，鎖相環路的理論和設計研究日趨成熟，從40年代的電視接收同步電路、50年代的導彈信標跟蹤濾波器，直至今日被廣泛應用于無線電傳輸、電子通信及航空航天等領域。隨著通信行業對低成本、低功耗、大帶寬、低失真、高傳輸速率等方面的要求，鎖相環技術也不斷向高集成度、低功耗、高可靠性的方向發展。自第一個鎖相環產品問世以來，在新設計技術、更精細加工能力、更完善應用平臺等的不斷推動下，鎖相環產品發展迅速，產品種類繁多，工藝日新月異。鎖相技術已成為一門系統的理論科學，在通信、計算機、紅外、激光、雷達、航天、精密測量、馬達控制及圖像處理等方面得到廣泛應用。鎖相環由鑒相器、環路濾波器、分頻器和壓控振蕩器等部分組成[1]。隨著數字電路的發展，其中的鑒相器部分開始由數字電路替代，但其他部分仍是模擬電路。這種鎖相環就是最初的數模混合鎖相環。此類結構隨著技術和理論的發展不斷完善，目前成為鎖相環發展的主流方向。

鎖相環廣泛用于衛星定位、信號接收等領域，對數模混合鎖相環技術進行研究并實現產品的國產化，具有深遠的現實意義。因此，以典型產品如74HC4046（飛利浦公司）等為例，展開研究，探索其鑒相器、環路濾波器、分頻器等的結構及工作原理。

2 鎖相環結構及工作原理

鎖相環由鑒相器、環路濾波器、分頻器和壓控振蕩器等部分組成，基本結構框圖如圖1所示，它是一種典型的反饋控制電路。

圖1 鎖相環的基本構成

其中，鑒相器用于比較輸入信號與壓控振蕩器的相位差；環路濾波器用于濾除鑒相器輸出的交流干擾噪聲，提高直流信號質量；分頻器用于自由控制輸出信號頻率與輸入信號頻率比例；壓控振蕩器根據輸入的直流信號控制振蕩頻率。利用外部輸入的參考信號控制環路內部振蕩信號的頻率和相位，即可實現所需要的高頻信號。

鎖相環是一種相位負反饋系統，當沒有基準（參考）輸入信號時，環路濾波器的輸出為零（或某一固定值），此時壓控振蕩器會按照其固有頻率fv自由振蕩。

鎖相環的工作原理如圖2所示，當有基準脈沖振蕩器介入，并提供頻率為fr的信號（參考）輸入時，壓控振蕩器經過采集，給出一個信號，一部分作為輸出，另一部分通過分頻與鎖相環電路所產生的信號進行對比。此部分工作由鑒相器完成。當存在相位差時，鑒相器輸出一個誤差信號PD，通過環路濾波器變換為電壓信號Vr。信號Vr可使壓控振蕩器的輸出頻率fo（和相位）不斷發生變化，朝著參考輸出信號不斷靠攏，最終使fo和fr頻率一致。此時，壓控振蕩器的輸出信號與環路的輸出信號（參考信號）之間只有一個穩定的穩態相位差，而沒有頻率的差異，稱為環路被鎖定。環路的鎖定狀態是對輸入信號的頻率和相位不變而言的，若環路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號，鎖定環會使壓控振蕩器的頻率和相位持續不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化，稱為跟蹤狀態。

圖2 鎖相環工作原理

鎖相環具有環路鎖定和頻率跟蹤特性，使其在電子技術領域得到廣泛應用。電子技術尤其是集成電路的飛速發展，促進了鎖相環設計、加工、應用等技術的發展，包括模擬器件公司的ADF4 系列芯片、國半公司的LMX2 系列芯片、飛利浦的74 系列芯片等等[2]，早已實現將鑒相器、環路濾波器、分頻器和壓控振蕩器等結構集成為單個鎖相環芯片，并維持較高的集成度，使功能、性能得到很大提升。通過開展和借鑒對國外成熟產品如74HC4046（飛利浦公司）的研究工作，分析研究鎖相環各個組成結構的原理和設計要點，對數模混合鎖相環的技術研究和相關產品國產化，具有重要意義。

3 鎖相環研究和設計

3.1 鑒相器結構設計

飛利浦74HCT4046 芯片采用的鑒相器為數字鑒相器，兩個輸入信號是脈沖序列，其前沿（或后沿）分別代表了各自的相位。比較這兩種脈沖序列的頻率和相位可以得到與相位差有關的輸出。輸出信號會隨輸入信號振幅的變化而變化，增益會受到振幅的變化影響[3]。

74HC4046 芯片在鑒相器結構中增加了CMOS結構，如圖3所示。輸出為三態電路——低電平、高阻態、高電平信號。當比較同相位輸入信號時，鎖相環可以鎖定為高阻狀態，這對環路濾波器得到無紋波的高質量直流電壓很有幫助[4]。

圖3 CMOS 結構

74HC4046 芯片在使用過程中仍暴露出一些問題，如在輸入電源電壓1/2 處存在貫通電流、工作頻率較低等問題，限制了產品的應用。通過研究其他產品發現，采用電流輸出型鑒相器可以很好地消除經典互補CMOS 結構在輸入電源電壓1/2 處存在貫通電流的缺點。此類優化在飛利浦74HCT9046、模擬器件公司ADF411x 等芯片上得到較好的體現。另外采用高速鑒相器還可提高環路增益，優化頻譜波形，提高工作頻率。諸如Maxim 的MAX9382H 和模擬器件公司的AD9901 等都已經利用高速鑒相器展現出了這方面的優勢。

因此在產品設計過程中可充分借鑒這些國外產品的結構方案，再根據其具體使用環境選擇鑒相器的設計方案。

3.2 環路濾波器設計研究

環路濾波器是由電阻、電容、放大器等組成的線性電路，其作用主要是濾除鑒相器輸出的高頻分量和噪音分量，得到一個干凈的控制電壓以控制壓控振蕩器的頻率輸出。常見的環路濾波器可分為RC積分濾波器、無源環路濾波器和有源環路濾波器。其中最簡單的一階RC 低通濾波器如圖4所示。

圖4 一階RC 低通濾波器

這一濾波器的傳輸特性可如下式表示：

其中含有兩個可調整的時間常數，調整方便，在鎖相環中應用較廣泛。

對于環路濾波器而言，在選用時的一個重要參數是截止頻率，如下式所示：

為保證環路濾波器的增益和窄帶濾波特性[5]，需要合理地設定截止頻率。一方面，截止頻率越高，環路濾波器響應速度越快，保證了鎖相速度；另一方面，截止頻率設計過高，環路濾波器除去鑒相器比較頻率中寄生成分的能力就會大大降低，輸出頻譜中就會產生大量的比較頻率的寄生成分，即窄帶濾波特性很差。因此，設計環路濾波器要折中考慮截止頻率和響應速度。另外包括環路帶寬等方面也需要折中考慮，以保證濾除效果和捕獲性能。

3.3 分頻器設計

分頻器可以對輸入信號的頻率作出處理，使輸出信號的頻率滿足要求，通過分頻后可以得到不同頻率的時鐘信號，提供各設備使用。

分頻系數是分頻器的主要參數指標，多個不同頻率的信號可通過對某個基準頻率進行分頻獲得。分頻系數決定了分頻器的使用范圍和分辨率。一般來說，分頻系數的設計要滿足：①不影響設定的頻率分辨率；②使得壓控振蕩器具有較寬的輸出頻率范圍；③具有足夠的響應速度。74HC4046 產品中采用的可編程分頻器可以實現分頻系數的自由控制，滿足上述要求。

為實現更高分頻功能，在某些應用上可以采取多芯片從屬連接的方式，但此種方式會使電路工作變復雜，速度和輸出頻率都會降低，此時以固定的分頻系數N 來設定分辨率fp效果很差。這些問題，在74HC191、74HC4012、74HC4013 等產品中都有體現。為擴大壓控振蕩器輸出頻率的范圍，實現GHz 高頻鎖相環電路，同時保證分頻器的分辨率，可以采用加入雙模數前置頻率倍減器等方式改善分頻器電路，如圖5所示。采用這一方案的典型產品有東芝的TC9198P 芯片,在保證了分辨率fp和輸出頻率fout的前提下，豐富了分辨率fp的選擇[6]。

圖5 加入前置頻率倍減器的分頻器結構

4 仿真驗證結果

由Multisim 軟件實施模擬仿真[7-8]。首先在軟件中構造鎖相環的仿真模型。輸入選用1kHz 方波信號；利用74HC4046 實現鑒相器和壓控振蕩器；環路濾波器選用一階RC 濾波器；分頻器選用74HC4013計數器實現50 倍分頻。由此實現模擬鎖相環功能，并分別模擬在不同截止頻率和分頻系數下的工作情況，如圖6所示為在濾波器工作狀態下的測試結果，可見鎖相環工作良好，輸入頻率在535~1605kHz 之間變化，壓控振蕩器輸出頻率在1000~2070kHz 之間，較好保證了輸出維持在一個固定中頻，未出現功能失效情況，同時輸入噪音也得到了較理想的抑制。

圖6 工作狀態下濾波器測試結果

5 結 束 語

通過鎖相環的結構、工作原理等方面的研究，尤其是對包括鑒相器、環路濾波器、分頻器等結構進行設計，并采用Multisim 軟件仿真模擬進行仿真驗證，加深了對鎖相環的理解和認識，在實際應用中對鎖相環電路的選擇、應用具有一定的參考意義，有助于對新型鎖相環的研究開展，積極促進相關產品的國產化進程。