如何建立一個(gè)簡(jiǎn)單的PLL電路

目標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)介紹鎖相環(huán)(PLL)。PLL電路有一些重要的應(yīng)用，例如信號(hào)調(diào)制/解調(diào)（主要是頻率和相位調(diào)制）、同步、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)，以及倍頻和頻率合成。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，您將建立一個(gè)簡(jiǎn)單的PLL電路，讓您對(duì)PLL操作有基本的了解。

背景知識(shí)

PLL是一種反饋系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)或鎖定壓控振蕩器(VCO)輸出與輸入基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位差，如圖1所示。VCO是一種振蕩器，其輸出頻率是某個(gè)輸入控制電壓的函數(shù)。通常，當(dāng)VCO用于PLL等反饋環(huán)路時(shí)，電壓頻率轉(zhuǎn)換函數(shù)必須至少是單調(diào)的。VCO的一個(gè)特例是電壓頻率轉(zhuǎn)換器(VFC)，其電壓/頻率特性是線性的。反饋環(huán)路中的分頻器的分頻系數(shù)N一般是整數(shù)，包括1，若為1則與沒有分頻器或從VCO輸出直連鑒相器輸入的情況相同。

圖1.PLL基本框圖

PLL是許多深?yuàn)W書籍和討論的主題，非常復(fù)雜，無(wú)法在這幾頁(yè)中詳盡說(shuō)明。本實(shí)驗(yàn)的末尾有額外閱讀材料的鏈接。

材料

?ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

?無(wú)焊試驗(yàn)板

?跳線

?一個(gè)2.2 kΩ電阻

?一個(gè)47 kΩ電阻

?一個(gè)10 kΩ電阻

?一個(gè)4.7 nF電容（標(biāo)記為472）

?一個(gè)100 pF電容（標(biāo)記為101）

?一個(gè)CD4007 CMOS陣列

?2個(gè)ZVN2110A NMOS晶體管

?2個(gè)ZVP2110A PMOS晶體管

?一個(gè)AD654 VFC

?一節(jié)9 V電池（帶連接器）

第1步指導(dǎo)

在無(wú)焊試驗(yàn)板上，首先基于AD654搭建VFC電路，如圖2所示。將電路搭建到試驗(yàn)板的一側(cè)，以便為PLL的其他部件留出空間，我們將在本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的后續(xù)步驟中添加這些部件。控制電壓通過(guò)由R1和C1組成的單極點(diǎn)低通濾波器施加。這相當(dāng)于圖1中饋送至VCO模塊的低通濾波器模塊。

圖2.VFC電路

硬件設(shè)置

開啟固定5 V電源，并將9 V電池連接到電路。將AWG1輸出連接到VIN，如圖2所示。將AWG1配置為DC源，初始設(shè)置為2.5 V。將示波器通道輸入CH1+連接到VSQR輸出，如圖2所示。還應(yīng)將CH1-輸入接地。

圖3.VFC試驗(yàn)板電路

程序步驟

使用AWG 1直流偏置控制，將VIN電壓從1 V調(diào)整到4 V，同時(shí)在VSQR觀察VFC輸出的頻率。使用示波器控制屏幕上的頻率測(cè)量功能來(lái)完成此操作。根據(jù)公式1，圖2中的Rt和Ct設(shè)置VFC的標(biāo)稱輸出頻率。

例如，VIN為設(shè)置范圍的中間值2.5V，并給定Rt Ct值(2.5/(10 × 10 kΩ × 100 pF))，輸出頻率應(yīng)接近250 kHz。驗(yàn)證您的測(cè)量結(jié)果是否與該值一致。如果不一致，請(qǐng)重新檢查電路連接和元件值。

圖4.VFC輸出

第2步指導(dǎo)

接下來(lái)，在試驗(yàn)板上添加來(lái)自上一個(gè)實(shí)驗(yàn)的異或門鑒相器電路，如圖5所示。構(gòu)建異或門后，將其連接到V轉(zhuǎn)F電路，如圖6所示，以構(gòu)成完整的PLL。在給電路添加任何東西之前，務(wù)必關(guān)閉5 V電源并斷開9 V電池。

圖5.添加XOR鑒相器

圖6.完整PLL電路

硬件設(shè)置

開啟固定5 V電源，并將9 V電池連接到電路。將AWG1輸出連接到FREF，如圖4所示。將AWG1配置為方波，其幅度為5 V峰峰值，偏置為2.5 V（0 V至5 V擺幅）；將初始頻率設(shè)置為第1步中測(cè)得的值（即VIN設(shè)置為2.5 V時(shí)，應(yīng)在250 kHz左右）。將示波器通道輸入CH1+連接到FREF輸入，并將示波器通道CH2+連接到VSQR輸出，如圖6所示。還應(yīng)該將CH1-和CH2-輸入接地。將示波器設(shè)置為在通道1（FREF信號(hào)）的上升沿觸發(fā)。

圖7.完整的PLL試驗(yàn)板電路

程序步驟

在FREF的頻率設(shè)為對(duì)應(yīng)于AD654引腳4上2.5 V控制電壓的情況下，VSQR處看到的輸出頻率應(yīng)鎖定輸入基準(zhǔn)頻率FREF。在示波器屏幕上，您應(yīng)該看到兩個(gè)方波是穩(wěn)定的（即彼此鎖定），并且VSQR相對(duì)于FREF偏移約90°。請(qǐng)記住，當(dāng)XOR鑒相器的兩個(gè)輸入相差90°時(shí)，其濾波輸出將處于其輸出范圍的一半或約2.5 V。

圖8.完整的PLL FREF和VSQR曲線

以小增量增大和減小基準(zhǔn)頻率FREF，以確定PLL會(huì)鎖定的最小和最大頻率。當(dāng)更改基準(zhǔn)輸入的頻率時(shí)，注意FREF和VSQR之間的相對(duì)相位差。執(zhí)行此操作時(shí)，測(cè)量AD654引腳4上的濾波直流控制電壓，并將這些讀數(shù)與步驟1中掃描VFC直流控制電壓時(shí)測(cè)得的讀數(shù)進(jìn)行比較。

將示波器通道2連接到圖6中C點(diǎn)處異或門的輸出端。將所看到的方波與異或門A (VSQR)和門B (FREF)的輸入進(jìn)行比較。當(dāng)PLL鎖定在最小和最大鎖定頻率以及鎖定范圍的中心頻率時(shí)，C處的波形如何變化？

附加第3步指導(dǎo)

圖6中的簡(jiǎn)單PLL電路不是十分有意義，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)只是輸入信號(hào)的相移版本。如圖1所示，如果在從VFC輸出端到鑒相器輸入端的反饋路徑中插入一個(gè)數(shù)字分頻器模塊，則輸出信號(hào)將是一個(gè)更高的倍頻信號(hào)。使用任何可用的數(shù)字分頻器IC，如CD4020、CD4040、CD4060甚至SN7490（幾乎任何分頻器IC都可以），斷開與異或輸入A的連接，并插入分頻器模塊，如圖9所示。

圖9.PLL倍頻器

根據(jù)您構(gòu)建的分頻器的分頻系數(shù)N，您需要相應(yīng)地改變FREF輸入頻率。例如，當(dāng)N=8時(shí)，如果FREF之前是250 kHz，新的FREF將是250/8或31.25 kHz。異或門鑒相器輸出端的脈沖頻率也將是原來(lái)的八分之一。