鑒頻鑒相器的工作原理解析

在這篇文章中，我們將介紹鑒頻鑒相器（PFD）的工作原理。

鑒頻鑒相器是鎖相環(huán)中的一個器件，我們要求這個器件能對如下條件做出響應(yīng)，由此我們就能通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，從而使得輸出信號的頻率不斷地接近輸入信號的頻率。

• 輸出信號與輸入信號頻率不同時，鑒頻鑒相器輸出一個電壓反映兩個信號頻率還不相等。
• 輸出信號與輸入信號相位不同時，鑒頻鑒相器輸出一個電壓反映兩個信號相位還不相等。
• 當(dāng)輸入信號與輸出信號同頻同相時，鑒頻鑒相器沒有信號輸出。

于是，人們設(shè)計(jì)出了邊沿觸發(fā)型PFD，其工作原理如上圖，A，B兩個輸入端口接的是時鐘信號；當(dāng)A時鐘信號的上升沿先到，QA升到高電平，直至B時鐘信號上升到高電平，QA電平降至低電平，其間保持低電平；B上升沿先到也是同樣的邏輯。在上圖（理想情形）中展示出了頻率不同(a)和相位不同(b)的QA、QB輸出波形。QA、QB即為鑒頻鑒相器通過比較A、B信號的相位信息給出的電壓信息。我們把 fi,fa分別接在A,B端口，我們就能得到fi,fa之間的頻率差和相位差的信息了。如下是我們自己搭建的鑒頻鑒相器的仿真結(jié)果。

同頻不同相

不同頻率

從功能描述上看，每當(dāng)輸入信號上升沿到來時輸出就會發(fā)送反應(yīng)，所以我們需要的是設(shè)置合適的觸發(fā)器以及觸發(fā)器的邏輯。當(dāng)A端（B端）輸入信號上升沿先到來時，QA(QB)輸出信號就會上升，然后A當(dāng)B與同時達(dá)到高電平時，輸出信號就會同時變?yōu)榈碗娖?，由此設(shè)計(jì)出了如下電路結(jié)構(gòu)：

鑒頻鑒相器原理圖

接下來我們分兩步地來分析這個電路結(jié)構(gòu)。

1.帶異步復(fù)位端的觸發(fā)器

討論異步復(fù)位觸發(fā)器之前，我們可以稍微聊一下，同步復(fù)位、異步復(fù)位的區(qū)別：

同步復(fù)位的意思是，當(dāng)復(fù)位端滿足復(fù)位信號時，輸出信號并不會立刻變成置零信號，而是要等系統(tǒng)的時鐘的觸發(fā)沿（比如上升沿）到來時，這個觸發(fā)器才會輸出置零信號；在我們理解里，同步的意思是觸發(fā)器的變化與整個系統(tǒng)同步或者說是與系統(tǒng)的時鐘信號同步變化，也就是每過一個時鐘周期觸發(fā)器才能發(fā)送一次改變；而異步復(fù)位則不是這個意思，它是說只要復(fù)位信號滿足了復(fù)位要求，輸出信號就會立刻置零，這樣的觸發(fā)器的復(fù)位與系統(tǒng)時鐘無關(guān)。在瀏覽器前端里也有同步和異步的概念，哈哈哈，忘了互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器概念里的同步異步的概念了，不知道是不是一個意思。

實(shí)現(xiàn)異步復(fù)位的關(guān)鍵三端口或非門

帶異步復(fù)位端鎖存器的結(jié)構(gòu)

帶異步復(fù)位端觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)

2.輸出端信號處理

有了對異步觸發(fā)器的原理圖和理解，后面我們只需要理解鑒頻鑒相器后面一長串器件的功能就可以了。

由此，在這里引入一個與延時緊密關(guān)聯(lián)的概念：

復(fù)位脈沖 ：當(dāng)輸入相位差為0的情況下，鑒頻鑒相器的輸出QA，QB也會同時出現(xiàn)一段高電平脈沖信號，這樣的脈沖被稱為復(fù)位脈沖。

1. 這個脈沖是我們所希望出現(xiàn)的，所以我們在這里經(jīng)過與非門加一個非門的運(yùn)算后，刻意又加了兩個非門來做延時，由此加長復(fù)位脈沖時間。

總結(jié)與討論

至此，我們講述完了鑒頻鑒相器的原理和功能，在下一章節(jié)中，我們將講述電荷泵，然后結(jié)合壓控振蕩器的原理，綜合理解一下，為什么我們需要鑒頻鑒相器這樣的器件；當(dāng)然也可以回到我們的上一篇文章，深化理解我們?yōu)槭裁葱枰b頻鑒相器。

鑒頻鑒相器在文章中一般都沒有直接展示其內(nèi)部構(gòu)造，為了實(shí)現(xiàn)這個功能，我想了一天，反復(fù)調(diào)試邏輯才最終完成了這份工作，挺有成就感的.