6目 录 第17章锁相环的其他应用 …344 17.5数字系统中的PLL… 349 17.5.1定时歪斜的补偿… 349 17.1数据信号的同步 …344 17.5.2抖动衰减电路… 350 17.2网络时钟 ……344 17.6PLL用于电机速度控制… 351 17.3各种锁相振荡器 345 17.6.1基本工作原理… 351 17.3.1振荡器的稳定方法…345 17.6.2 机电结构的考虑…352 17.3.2倍频器PLL…346 17.6.3其他结构…352 17.3.3频率搬移PLL…346 参考文献… 353 17.4电视接收机中的PLL…349 索引…355 数星
第1章简 介 锁相环(PLL)包含3个必不可少的单元电路（如图1-1所示）：检相器(PD)、环路滤 波器(LF)和压控振荡器(VCO)。检相器把周期性输入信号的相位与VCO信号的相位 进行比较；PD的输出信号是这两个输入信号之间相位误差的度量。之后，该误差电压 由环路滤波器进行滤波，而环路滤波器的输出被用作控制电压送人VCO。控制电压改 变了VCO的频率，以减小输入信号与VCO之间的相位误差。 检相器 环路滤波器 VCO 输入信号 PD 检相器的另一种 表示符号 图1-1基本的锁相环 当环路锁定时，控制电压把VCO频率的平均值调整到与输人信号频率的平均值 完全一样。对于输入信号的一个周期，振荡器仅输出一个周期。锁相并非意味着零相 位误差；恒定的相位误差和起伏的相位误差都可能存在于锁相环中。过大的相位误差 1 会导致失锁。 1.1PLL的性质 在本节中，我们将简单介绍锁相环的一些基本性质，这些性质将在本书中反复 出现。 1.1.1带宽 带宽是一个最基本的特性；窄带PLL与宽带PLL使用起来非常不一样。 1.窄带 我们假设输入信号携带的信息是包含在相位或频率中的，而且假设输人信号因加 入了加性(additive)噪声而变环。锁相接收器的任务是正确地重建原始信号，并尽可能
2第1章简介 多地去除噪声。为了重建信号，接收器使用了一个本地振荡器，而这个振荡器的频率 非常接近于预期的输入信号频率。本地振荡器的波形与输入信号的波形在检相器中 进行比较。从PD输出的误差信号表示了瞬时相位差。为了抑制噪声，PLL求出一段 时间内的误差平均值，并用这个平均值调整振荡器的频率与相位。 如果原始的输人信号是行为规矩的（即其频率是稳定的），那么本地振荡器只需要 很少的一点信息就可以实现跟踪，而这个信息可以通过在一个长时间段内求平均值得 到，从而去除了可能会很大的噪声。PLL的输入信号含有很大的噪声，而VCO的输出 信号是滤除噪声后的输入信号。因此，PLL可以看成是一种让信号通过、把噪声滤除 的滤波器。 作为一种滤波器，PLL有两个重要的特性：第一，它的带宽可以很窄；第二，它能自 动跟踪信号的频率。自动跟踪和窄带这两个特性是在接收器中采用锁相技术的主要 原因。很窄的带宽可以剔除大量的噪声：对于PLL而言，把输入到检相器的混有大量 噪声的信号恢复出来的情况并不少见。 2.宽带 我们来考察一个带有某些有用特性的振荡器，比如大功率输出或者高频输出，但 它的频率稳定性很差。这样一个振荡器的频率可以用锁相技术锁定到一个功率比较 小的基准振荡器上来得以稳定，这个基准振荡器的频率也许低一些，但极其稳定。PLL 的作用就好比一个伺服机构，用来抑制已被锁定振荡器中的不希望出现的频率波动和 相位波动。这样的PLL应当有快速的响应，即很宽的带宽，以便最大限度地抑制振荡 2 器的波动。 1.1.2线性 每一个PLL都是非线性的。与线性系统的分析工具相比，非线性系统的分析工具 极其难用，且优点也太少。还算幸运的是，我们感兴趣的大多数（但不是全部）PLL在 锁定状态下是可以使用线性系统的分析技术的。本书自始至终都在说服读者接受这 样一个观点，即把线性方法用于解决大多数PLL中大量的分析和初步设计问题，是完 全够用的。因此，只要可行，我们都将使用线性近似的方法。 关于PLL的无法回避的非线性的若干个重要实例，我们将在后面几章中进行讨 论。在我们试图理解非线性操作而遇到障碍的时候，就完全地显现出了线性分析方法 的相对简单性。 1.2本书结构 本书分为若干个部分。第一部分包括第2章到第8章，解释了PLL的基本原理。 第二部分讲述了PLL的基本单元：振荡器（第9章）、检相器（第10章）、环路滤波器（第 11章)和电荷泵（第12章）。第13章（关于数字锁相环）和第14章（关于PLL的不规则
1.3文献及注释 3 行为)是各自独立的章节。最后一个部分，即第15章到第17章，讨论了PLL的各种 应用。 需要说明的是：对一种技术的第一次介绍，即使不是过分简化的，一般也总是非常 简化的，几乎没有提及严密性，也不会对一些复杂的因素提出警示。在读者打下了足 够的基础后，这些复杂的因素会在必要的地方提及。PLL中的那些必不可少的电路单 元未必特别晦涩难懂，虽然对它的诸多方面的分析也许是难以掌握的。读者更可能是 被大量的细节所困扰，而不是因为无法理解和掌握某些技术要点。像图1-1所示的系 统，在第一次出现时显得这么简单，读者会觉得有些小题大做了：就这么一点儿东西为 什么可以写出这么多页的一本书？请接着往下读，你会找到答案的。 1.3文献及注释 本节列出了专门论述PL的书目、技术文集和杂志专刊。在同一标题下的文献以 年代排序。所罗列的文献主要是关于PLL的共性方面的内容；它们并不一定很完整。 在后面的章节中还引用了更专业的文献。 1.3.1推荐书目 A.J.Viterbi,Principles of Coherent Communications,McGraw-Hill,New York,1966, 3 Chaps.2-4.(一位电子工程界的著名先驱对PLL领域各种贡献的叙述。) W.C.Lindsey,Synchronization Systems in Communications and Control,Prentice Hall, Englewood Cliffs,NJ,1972.(关于噪声的详细阐述。包括随机过程和非线性分析的深入 理论。) W.C.Lindsey and M.K.Simon,Telecommunication Systems Engineering,Prentice Hall Englewood Cliffs NJ,,1973.(关于PLL在外太空接收机中应用的高层次论述。) A.Blanchard,Phase-Locked Loops:Application to Coherent Receiver Design,Wiley,New Yok,1976.(书中包含的数据是在其他关于PLL接收机性能的文献中找不到的。) H.Meyr and G.Ascheid,Synchronization in Digital Systems:Phase-,Frequency-Locked Loops,,and Amplitude Control,,Wiley,New York,1990.(书中包含大量的资料，对每个 真正的PLL工作者都是极其宝贵的。) D.H.Wolaver,Phase-Locked Loop Circuit Design,Prentice Hall,Englewood Cliffs,NJ, 1991.(一本关于PLL的实用性导论，提供了许多简捷的近似方法。) J.Encinas,Phase Locked Loops,Kluwer Academic,Boston,MA,1993. P.V.Brennan,Phase-Locked Loops:Principles and Practice,McGraw-Hill,New York, 1996. J.L.Stensby,Phase-Locked Loops:Theory and Applications,CRC Press,Cleveland,OH, 1997.（书中包括了在别处找不到的关于非线性操作的记述。) W.Egan,Phase-Lock Basics,Wiley,New York,1998.(源自大学PLL课程讲义，提供PLL 仿真实验的在线访问。) D.R.Stephens,Phase-Locked Loops for Wireless Communications,Kluwer Academic
4第1章简介 Boston,MA,2001. R.E.Best,Phase--Locked Loops,5th ed.,McGraw-Hill,New York,2O03.(-本很流行 的入门教材，图文并茂，配有软件。) V.F.Kroupa,Phase Lock Loops and Frequency Synthesis,Wiley,Chicester,West Sussex, England,.2003.(关于基本概念的详细论述。) N.I.Margaris,Theory of the Non-linear Analog Phase Locked Loop,Springer-Verlag, Berlin,2004. W.H.Tranter,Phase-Locked Loops and Synchronization Systems:A Matlab-Based Sim- ulation Library,Prentice Hall,Englewood Cliffs,NJ,2005. 1.3.2技术文集 这些文集是关于PLL一般性论题的论文集。其中的许多文章是各自论题中的经 典论著。其他关于各个专门论题的文集将罗列在后面的章节中。 W.C.Lindsey and M.K.Simon,eds.,Phase-Locked Loops and Their Applications,IEEE Press,New York,1978. W.C.Lindsey and C.M.Chie,eds.,Phase-Locked Loops,IEEE Press,New York,1986. B.Razavi,Monolithic Phase-Locked Loops and Clock Recovery Circuits,IEEE Press, New York,1996. 4 B.Razavi,Phase-Locking in High-Performance Systems,IEEE Press,New York,and Wiley,Hoboken,NJ,2003. 1.3.3杂志专刊 IEEE期刊中出版了两期关于锁相环的专刊。 W.C.Lindsey and C.M.Chie,guest eds.,IEEE Transactions on Communications C0M-30,0ct.1982. 5M.H.Perrott and G.-Y.Wie,guest eds..IEEE Transactions on Circuits and Systems Il 50,Nov.2003. 台数是 滑