數(shù)字（鑒相）環(huán)失鎖現(xiàn)象及解決辦法

【摘  要】 通過比較正弦鑒相器與數(shù)字鑒相器特性，本文指出鎖相環(huán)設(shè)計(jì)者選用數(shù)字鑒相器存在的問題，并分析了其失鎖原理，最后提出解決辦法。

【關(guān)鍵詞】  鎖相環(huán)  鑒頻鑒相器  失鎖  牽引

一、 前言

傳統(tǒng)的正弦鑒相器（P。D）相對來說比較笨重，數(shù)字器件廣泛使用之后，在鎖相環(huán)路中亦多采用數(shù)字鑒相器，它小巧（可以表面貼裝）可靠，而且經(jīng)濟(jì)方便, 所以傳統(tǒng)的正弦鑒相器日漸少用，在許多無線電設(shè)備中為求電路簡潔高效，經(jīng)常使用含有“數(shù)字鑒相器”的“組合式鎖相環(huán)”（見圖四）這種鎖相環(huán)的特點(diǎn)是VCO頻率fo不直接送至鑒相器，而是先將fo與第二基頻fi2混頻，取其差頻fR經(jīng)N分頻后再送鑒相器與第一基頻fi1進(jìn)行相位比較，這就產(chǎn)生了一個(gè)問題，兩個(gè)互為鏡相的頻率（fi2+fR =fo和fi2-fR=fo^#）都可能產(chǎn)生同樣差頻fR，在初始值或大跨度切換（如110Mhz跳到 455KHz）頻率時(shí)，（當(dāng)N改變時(shí)VCOfo不會瞬變）壓控震蕩頻率很可能超過鏡相頻率fo^#，這對于正弦鑒相器來說（只檢相差）對頻差 不敏感，不會造成麻煩，而對“數(shù)字鑒相器”則不盡然，因?yàn)樵S多“數(shù)字鑒相器”實(shí)質(zhì)上是為“鑒頻- 鑒相器”，存在頻差時(shí)以“鑒頻”方式工作，而且不能識別是否鏡相頻率，把已經(jīng)“超出”鏡相頻率Fo^#的VCO震蕩誤判為“低于”Fo，于是它隨即改變誤差電壓驅(qū)使VCO頻率進(jìn)一步超出鏡相頻率fo^#，如此惡性循環(huán) 而形成逆牽性失鎖，整個(gè)電路工作癱瘓，對此，PLL設(shè)計(jì)者宜慎審電路 防此一患（這種故障在整機(jī)出廠檢測中常不出現(xiàn)，而在不同的時(shí)間、不同的工作環(huán)境中個(gè)別元件工作點(diǎn)發(fā)生微小變化后突然顯露出來），今將逆牽性失鎖形成機(jī)制和消除方法剖敘如下：

二、兩種鑒相器的特性

A. 正弦監(jiān)相器（P。D）將壓控震蕩器（ＶＣＯ）輸出頻率fo的相位qo與基準(zhǔn)頻率fi的相位qi進(jìn)行比較，輸出隨相位差qe變化的誤差電壓Ue，正弦鑒相器不能識別頻率差，它的輸出電壓Ue隨相位差qe作正弦變化,經(jīng)LPF濾除高頻成分，輸出控制電壓UF用來控制ＶＣＯ，（即VCO的震蕩頻率是隨UF變化的）見（1）及（2）式：

UF=KPSin（qi-qo）=KPSinqe（1）

fo（t）=fom+Kvco UF（t）        （2）

qe的變化范圍不會超出３６０度，故控制電壓UF是以２兀為周期的曲線函數(shù)，見（圖二）

。。

B．鑒頻—鑒相器的撲捉帶非常寬（見圖三），當(dāng)兩個(gè)輸入信號頻率不相等時(shí)，它以 鑒頻器方式 進(jìn)行頻率牽引，等震蕩頻率進(jìn)入 相位鎖定區(qū){即相差<2兀，而頻差<1 }后，它才自動轉(zhuǎn)換為鑒頻器工作方式，所以它能在整個(gè)頻帶內(nèi)進(jìn)行快撲，并迅速鎖定.（圖三中橫軸分兩個(gè)不同性質(zhì)的區(qū)域，中部一小段
+/-2兀為鑒相區(qū)，表示相位差qe =qi-qo，這個(gè)區(qū)域外部，為鑒頻區(qū)，表示頻率差fe=fi-fo）。

三，組合式鎖相環(huán)的逆牽性失鎖：在實(shí)際的電路中，往往要求較多而且可以調(diào)節(jié)和調(diào)制的信號，故需要較為復(fù)雜的環(huán)路，來完成頻率的加，減，乘，除；

例如，為使輸出頻率可調(diào)，并盡量避免結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，組合式鎖相環(huán)得到了廣泛應(yīng)用，它以非常簡潔的電路，獲得很寬的頻率覆蓋（百兆赫以上）和非常小的頻率間隔（10Hz,1Hz ），而且它的輸出頻率有著極高的精度和穩(wěn)定度。這種環(huán)路的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，它有兩個(gè)基準(zhǔn)信號，見圖四：

（3-1）組合式鎖相環(huán)構(gòu)成及工作特性：它由鑒相器（PD），低通濾波器（LPF），壓控震蕩器（VCO），混頻器（M-），帶通濾波器（BPF），分頻器（1/N）組成，其工作原理如                       

圖（四）所示，它通過鎖相環(huán)進(jìn)行頻率的四則運(yùn)算，方便靈活。。。的獲取所需頻率；fi1, fi2為本機(jī)晶震頻率（或其分頻，倍頻頻率），作為基準(zhǔn)信號；壓控震蕩器VCO的輸出信號 fo 和第二基準(zhǔn)信號fi2 在混頻器中混頻，然后經(jīng)帶通濾波器取出它們的差頻 +|fo-fi2|=fR，再經(jīng)N分頻器分頻后，才送鑒頻器與第一基準(zhǔn)信號fi1進(jìn)行相位比較（不再是fo直接與fi1比較），輸出一個(gè)與其相位差qE或頻率差fE（=fi1-fR）成正比的誤差電壓Ue，由低通濾波器濾除高頻和噪聲成分，得到UF送壓控震蕩器，控制VCO震蕩頻率fo；環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)：fR/N=fi1；改變分頻系數(shù)N，則可改變輸出頻率 ：

頻率誤差   fE= fi1-fR                        

其中差頻   fR =fo-fi2                       （3）     fo = fi2+Nfi1                               

為討論方便暫設(shè)分頻系數(shù)N=1則：

fo=fi2+fi1                        （4）   

（3-2）在組合式鎖相環(huán)路中的撲捉特性，

在組合式鎖相環(huán)中，由于VCO頻率fo不直接送鑒相器，而是先經(jīng)混頻器與第二基頻fi2混合，取出差頻，再經(jīng)1/N分頻后才送鑒頻器進(jìn)行比較，所以fE =fi1-fR /N（而不是fi1-fo，當(dāng)fo=fi2時(shí)fR=0fE =fi1，為最大或極大值）如果用正弦鑒相器，它不能識別頻差，只能區(qū)分相差，故鑒相器的輸出電壓Ue、頻率跟蹤和撲捉過程，與基本鎖相環(huán)相似，但是在組合式鎖相環(huán)中，使用的是鑒相-鑒頻器，有時(shí)則可能出現(xiàn)差錯(cuò)，現(xiàn)分析于下：

由（3）式可知 頻率fR 的數(shù)值是fo和fi2之差，如果在設(shè)計(jì)時(shí)令：

----          fo> fi2       （當(dāng)然也可令fo< fi2） （5）      

即 (3)式成立，fR跟隨fo增減，當(dāng)由于某種原因（如切換頻率或干擾造成fo的頻率起伏、波動）fo產(chǎn)生一增量+dfo時(shí)，隨之產(chǎn)生+dfR， 通過鑒相-鑒頻器后，產(chǎn)生電壓增量dUe，迫使VCO振蕩頻率回到fo； 反之，如果由于某種原因，誤將fo頻率跌至fi2以下，即

fO^#< fi2                 (5^#)

那么差頻fR變?yōu)?em>fR^#=fi2-fo(3^#) （注意fo與fi2已換位）

fO^#=fi2-fi1                         (4^#)（不穩(wěn)定,見圖五。）

在 圖五（a）中，橫軸表示帶通濾波器的輸出差頻fR，縱軸為頻率誤差fE；在橫軸上部，當(dāng)fR小于fi1時(shí)L P F輸出的UF，驅(qū)使fo下降，fE 增大，反之當(dāng)fR大于fi1時(shí)，UF驅(qū)使fE減小，（直至鎖定）；在橫軸下部，完全相反。而（b）圖橫軸表示誤差fE（注意與 fi1作相位比較的是fR/N而非fo），縱軸為V C O的震蕩頻率fo;   

在兩圖橫軸上部VCO振蕩頻率fo大于第二基頻fi2

fo>fi2，                  （5）

所以           fR=fo-fi2     [fR與fo成正比]      （3）

成立，若V C O初始頻率fo高于鎖定點(diǎn)Fo時(shí)（不管高出多少）fR大于fi1，  通過P D及LPF輸出一個(gè)較低的UF，驅(qū)使V C O頻率fo降低，（fR隨之降低，），fo沿曲逐步線靠近和進(jìn)入鎖定區(qū)，P D轉(zhuǎn)變?yōu)殍b相器，使fo最終達(dá)到FO點(diǎn)而鎖定；反之，如果VCO初始頻率fo低于FO時(shí)，控制電壓UF則會升高，驅(qū)使VCO頻率fo升高，（誤差fE漸漸降低，fo升速加

快），fo加速達(dá)到FO點(diǎn)而鎖定，。

在橫軸的下部VCO振蕩頻率fo小于第二基頻fi2 （與設(shè)計(jì)初衷矛盾）

fo=fO^#< fi2                 (5^#)

所以            fR^#= fi2- fO^#[fR^#與fO^#反比]   ，(3^#)       若V C O初始頻率fO^#高于FO^#時(shí)，{鎖定點(diǎn)FO^#=fi2-fi1是一個(gè) 非穩(wěn)定平衡點(diǎn) (鏡象頻率)fR^#< FR^#（=fi1）} UF 升高驅(qū)使VCO頻率fO^#升高[fR^#隨之降低，頻率誤差。。。。。fE (=fi1- fR) 升高，fo加速上升]，越過fi2最終達(dá)到FO點(diǎn)而鎖定?？墒牵坏┏霈F(xiàn)fo^#低于FO^#的情況，fR^#反而偏高，fR^#>FR^#（hfi1），于是fR^#和fi1二者在P D內(nèi)進(jìn)行比較之后，控制電壓UF進(jìn)一步降低，V C O頻率fO^#也進(jìn)一步被壓低，fR^#繼續(xù)抬高，并和fi1再次進(jìn)行比較，UF和fO^#再次下降，如此周而復(fù)始，VCO頻率fO^#連續(xù)被逆向牽引，造成惡性循環(huán)，直至UF或V C O頻率到達(dá)極限值，無法穩(wěn)定和鎖定，失鎖持續(xù)。

總  之，滿足（5）式時(shí)環(huán)路一定能快速撲獲和鎖定；滿足（5^#）式時(shí)環(huán)路只有在fO^#>FO^#時(shí)，才能撲獲和鎖定。所以設(shè)計(jì)鎖相環(huán)，使用數(shù)字鑒相器時(shí)，應(yīng)該考慮頻率的逆向牽引問題是保證“fO^#>FO^#（=fi2-Nfi1）”處處成立。

四、解決辦法

為防止鑒頻—鑒相器造成PLL產(chǎn)生逆向牽引，方法之一，是對UF進(jìn)行嵌位，使其不能超過某一極限值.二，是適當(dāng)限制V C O的頻帶. 三，在使用中以小跨度連續(xù)操作代替大跨度切換（如欲將50MHz切換到455KHz，可先將50MHz切換至10MHz、1MHz再到455KHz）也能避免逆牽失鎖的發(fā)生。

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審稿附圖