理解鎖相環的工作原理

• 鎖相環的硬件構成
• • 鑒相器（phasedetector, PD）
  • 低通濾波器（low past filter, LPF)
  • 壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator, VCO）
• 鎖相環的工作原理
• 鎖相環在倍頻應用中的原理

鎖相環的硬件構成

鎖相環由鑒相器（PD）、低通濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成。原理涉及模擬電路相關知識，可自行查資料。
下面簡要介紹各硬件在PLL中的功能。

鑒相器（phasedetector, PD）

鑒相器指的是能夠鑒別出輸入信號的相位差的器件，是使輸出電壓與兩個輸入信號之間的相位差有確定關系的電路。它是PLL，即鎖相環的重要組成部分。

圖源-百度文庫：https://wenku.baidu.com/view/29181b9b240c844769eaeec3.html

低通濾波器（low past filter, LPF)

低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過， 但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。即通過低頻并阻塞高頻。

實際控制系統往往會存在干擾，包括信號采樣的干擾、電壓或電流的波動等，而這些干擾主要表現形式是中高頻噪聲（一般在500Hz以上）。

低通濾波器可以濾除這些高頻諧振及其附近的噪聲，而對有用的低頻信號可以基本無衰減通過，所以對于一個實際的控制系統而言，在控制系統中加入濾波器是必要的，否則可能會引起系統高頻振蕩。

可按是否有源分為：無源低通濾波器、有源低通濾波器。

常用無源低通濾波器可參考：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1639722009328196016&wfr=spider&for=pc

壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator, VCO）

輸出頻率與輸入控制電壓有對應關系的振蕩電路(VCO)，頻率是輸入信號電壓的函數。

壓控振蕩器的類型有LC壓控振蕩器、RC壓控振蕩器和晶體壓控振蕩器。區別在于使用的元件，共同點在于都使用變容二級管實現通過改變電壓控制振蕩頻率的目的。

• 變容二級管又稱"可變電抗二極管"。是一種利用pn結電容（或接觸勢壘電容兒與其反向偏置電壓vr的依賴關系及原理制成的二極管。變容二極管在電路中工作時，PN結上是加的反向電壓。當這反向電壓的大小改變時，PN結的寬度會發生改變，從而結電容也發生變化。反偏電壓愈大，則結電容愈小。

LC壓控振蕩器是由電感和變容二級管組成的LC 諧振電路。提高變容二極管的逆向偏壓，二極管內的空泛區會加大，兩導體面之距離一變長，電容就降低了，此 LC 電路的諧振頻率，就會被提高。反之, 降低逆向偏壓時，二極管內的電容變大，頻率就會降低。(https://baike.baidu.com/item/壓控振蕩器/11044622?fr=aladdin)

在用石英晶體穩頻的振蕩器中，把變容二極管和石英晶體相串接，就可形成晶體壓控振蕩器。

壓控振蕩器是通過調節變容二極管電壓，實現結電容的變化，從而獲得頻率的變化。

鎖相環的工作原理

鎖相環可以通過壓控振蕩器VCO產生一定頻率范圍的信號，給定鎖相環一個參考信號，通過鑒相器PD可以判斷VCO產生信號的頻率是否與參考信號相同，經過反饋控制，使VCO產生于參考信號頻率相同的信號。低通濾波器LPF用于對鑒相器輸出信號的濾波。

鎖相環在倍頻應用中的原理

壓控振蕩器VCO能夠產生比外部晶體振蕩器(8MHz)高的多的頻率，如72MHz。

以將外部晶體振蕩器(8MHz)倍頻為32MHz為例，講解鎖相環實現倍頻的原理：

• VCO輸出信號是隨機的，只有當信號頻率等于參考信號時才會穩定。
• 在VCO之后有一個分頻器，VCO輸出信號頻率經過分頻后作為鑒相器的輸入信號之一。
• 參考信號為外部晶振的8MHz信號，作為鑒相器輸入信號之一。
• 當鑒相器檢測二者相位差為0，即同頻率時，輸出VCO的輸出信號。

假設當前VCO輸出32Mhz，分頻器將其4分頻，即8MHz作為鑒相器輸入，參考信號正好為8MHz，則輸出VCO信號，實現了4倍頻為32MHz的目的。

在嵌入式軟件編程時，可通過配置相關寄存器修改倍頻系數或分頻系數。
倍頻系數為9時，輸出8*9=72MHz信號。

圖源：https://blog.csdn.net/v13910/article/details/89531102?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-baidujs-2

總結

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