锁相环路组成与工作原理

锁相环由哪三部分组成

锁相环(Phase Locked Loop,PLL)通常由以下三部分组成:

1. 相位比较器(Phase Comparator/Phase Detector): 相位比较器用于比较输入信号与反馈信号的相位差,输出一个表示相位差的控制电压或数字值。

2. 电压控制振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO):电压控制振荡器接收来自相位比较器的控制信号,根据控制信号的电压或数字值来调节自身的振荡频率。

3. 反馈电路(Feedback Circuit): 反馈电路将VCO输出的信号反馈给相位比较器,用于与输入信号进行相位比较,进而生成用于控制VCO的控制信号。

这三部分相互作用,构成了一个闭环控制系统,使得输出信号的相位与输入信号的相位相互锁定或跟踪。锁相环广泛应用于时钟同步、频率合成、数模转换等领域。

锁相环的工作原理

最基础的锁相环系统主要包含三个基本模块:鉴相器(Phase Detector:PD)、环路滤波器(L00P Filter:LF)其实也就是低通滤波器,和压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator:VCO)。有了这三个模块的话,最基本的锁相环就可以运行了。但我们实际使用过程中,锁相环系统还会加一些分频器、倍频器、混频器等模块。(这一点可以类比STM32的最小系统和我们实际使用STM32的开发板)

锁相环路组成与工作原理

从锁相系统开始运行的那一刻进行分析,这个时候鉴相器有两个输入信号,一个是输入的参考信号Vin,另一个是压控振荡器的固有振荡信号Vout。

这个时候由于两个信号的频率不相同,会因为频差而产生相位差,如果不对压控振荡器进行任何操作,那么相位差会不断累积,从而跨越2Π角度,从零重新开始测相位,这便是测量死区,明明相位在不断变大,但鉴相器只能测出0~2Π的范围,测出的相位差最大便是2Π,这样就导致了鉴相器的输出电压只能在一定的范围内波动。

理想状态是让这两个信号的相位差一直保持在2Π的范围内,不进入测量死区。那么在系统刚开始的时候,鉴相器测出两个信号的相位差,将相位差时间信号转化为误差电压信号输出(具体转化过程见鉴相器讲解)。

通过环路滤波器转化为压控电压加到压控振荡器上,使压控振荡器的输出频率Vout逐步同步于输入信号Vin,直到两个信号的频率逐渐同步,相位差也在测量误差范围内,那么整个系统就稳定下来了。

两个信号的相位差不会累积变大,而是保持相对固定的相位差。(不是常规意义上的固定不变,而是在误差允许范围内的微小波动)。

锁相环失锁的原因有哪些

锁相环(Phase Locked Loop,PLL)失锁可能由以下几个原因引起:

1. 输入信号干扰:当输入信号受到噪声、失真、衰减等干扰时,可能导致相位比较器无法正确地比较输入信号与VCO反馈信号之间的相位差,从而造成失锁。

2. 频率偏差过大:如果输入信号的频率与VCO输出的振荡频率之间存在较大的偏差,超出PLL的跟踪范围,那么PLL可能会失锁。

3. 环路带宽设置不当:PLL的环路带宽决定了其对输入信号的跟踪速度,如果环路带宽设置得过窄或过宽,都可能导致PLL失锁。

4. 相位比较器失效:相位比较器是PLL的关键组件之一,如果相位比较器出现故障或不正常工作,可能导致PLL失锁。

5. 电源噪声和供电问题:如果PLL的供电电源存在噪声或不稳定,可能会对PLL的各个组件产生负面影响,导致失锁。

6. 温度变化和环境变化:温度变化可能导致PLL内部的电子元件参数发生变化,进而影响PLL的性能和稳定性,导致失锁。

7. 其他外部干扰:如电磁干扰、辐射干扰、振荡器质量不良等外部因素也可能引起PLL失锁。

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