CN100571039C - 锁相环及锁相环操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一锁相环，包含第一分频器接收一外部参考源，并将该外部参考源分频R倍得到一降频参考信号。一相差检测器比较该降频参考信号和一反馈信号，产生一比较信号。一回路滤波器接收该比较信号，产生一工作电压。一压控振荡器，根据一选择信号选择多个操作曲线其中之一，并根据该工作电压决定该操作曲线上的一工作点，以产生一振荡信号。一第二分频器将该振荡信号分频N倍，产生该反馈信号。一控制单元在一初始模式下产生一分频信号，使该第一分频器的R值和该第二分频器的N值提高A倍，并根据一参考时钟，递归地比较该反馈信号和该降频参考信号，计算该选择信号。

Description

锁相环及锁相环操作方法

技术领域

本发明涉及一种电子电路，特别涉及一种具有多重操作曲线锁相环(Phase Lock Loop，PLL)的电路和操作方法。

背景技术

信号处理技术在现今已能处Glga赫兹的频率，而锁相环是各种广泛应用的基础。基本上锁相环是一种电路，用以输入低频率周期性信号并输出高频率周期性的信号，而输入与输出之间具有某种恒定的相位关系。

图1是现有锁相环的方块图。输入外部参考源f_ref，输出振荡信号f_osc。该外部参考源f_ref经过第一分频器102分频R倍，得到降频参考信号f’_ref。该降频参考信号f’_ref和一反馈信号f_back同时输入相差检测器104进行相位或频率的比较，检测出相位的领先或延后，产生对应的一误差信号。该回路滤波器1肠接收该误差信号，累积对应的电量而产生工作电压V_LF。最后压控振荡器108则根据该工作电压V_LF决定工作点，并输出对应的振荡信号f_osc。其中该反馈信号f_back即为该振荡信号f_osc经过第二分频器110分频N倍而得。

现有压控振荡器(VCO)为了涵盖较广的操作频率，发展出多重VCO以提供多种操作曲线的技术。通常为了工作在某些适合的操作频率，必须手动切换，以选择对应的操作曲线。

图2是现有锁相环的多重操作曲线图。图1中的压控振荡器108可以包含多个操作曲线，每一操作曲线对应不同范围的工作频率。因为所产生的振荡信号f_osc的范围极广，所以增加了锁相环的使用弹性。对该压控振荡器108而言，输入工作电压V_LF，则所输出振荡信号f_osc取决于所选定的操作曲线VCO1～VCOn。在已知所需要的f_osc的前提下，在一固定电压源下如何自动切换适当控制压控振荡器108，为一急需解决的课题。

发明内容

本发明实施例之一提供一锁相环，包含一第一分频器、一相差检测器、一回路滤波器、一压控振荡器、一第二分频器和一控制单元。该第一分频器接收一外部参考源，并将该外部参考源分频R倍得到一降频参考信号。该相差检测器比较该降频参考信号和一反馈信号，产生一比较信号。该回路滤波器，接收该比较信号，产生一工作电压。该压控振荡器可操作在多个操作曲线其中之一，每一操作曲线对应一频率范围，其中该压控振荡器根据一选择信号选择所述操作曲线其中之一，并根据该工作电压决定选择出的操作曲线上的一工作点，以产生一振荡信号。该第二分频器将该振荡信号分频N倍，产生该反馈信号。该控制单元在一初始模式下：根据一参考时钟，递归地比较该反馈信号和该降频参考信号，计算该选择信号；其中

当该选择信号在递归过程中收敛在一固定值后，该锁相环进入一正常模式，工作在该选择信号所对应的一操作曲线；

所述控制单元，包含：

一第一使能器，接收该反馈信号，产生一第一使能信号；

一第二使能器，接收该降频参考信号，产生一第二使能信号；

一第一计数器，接收该第一使能信号而开启，在开启期间计数该参考时钟的振荡次数，算出一第一振荡次数；

一第二计数器，接收该第二使能信号而开启，在开启期间计数该参考时钟的振荡次数，算出一第二振荡次数；

一比较器，接收并比较该第一振荡次数和该第二振荡次数，产生一误差信号；以及

一搜寻引擎，根据该误差信号，产生该选择信号，使压控振荡器选择对应的操作曲线。

其中，该控制单元在该初始模式下，更进一步产生一分频信号，使该第一分频器的R值和该第二分频器的N值提高A倍。

该锁相环更进一步包含一第三分频器，在该初始模式下将该振荡信号分频M倍，产生该参考时钟；其中，该第三分频器和该控制单元在该正常模式下关闭。

其中，该第三分频器的M值范围可以是在2到4之间。以获得最佳效果，但本发明不限定于此。

锁相环更进一步包含一定电压源，用以在该初始模式之下，将该工作电压预充电至一默认值，使该工作点固定在一预设位置。该定电压源在该正常模式下关闭。

该第一使能器以该反馈信号周期的一第一倍数决定该第一使能信号的周期。该第二使能器以该降频参考信号周期的该第一倍数决定该第二使能信号的周期。该第一使能器及第二使能器更进一步接收一控制信号以决定该第一倍数的值。

该搜寻引擎以二元搜寻法产生该选择信号。

该误差信号可以是一逻辑值，用以指出该第一振荡次数和该第二振荡次数何者较大。当该误差信号在第一范围时，产生该选择信号使该压控振荡器选择大于当前压控振荡器选择的频率的操作曲线。当该误差信号在第二范围时，产生该选择信号使该压控振荡器选择小于当前压控振荡器选择的频率的操作曲线。

其中，该搜寻引擎更进一步包含一有限状态机器，用以判断该选择信号是否已收敛至稳定状态，如果是，则结束该初始模式，进入该正常模式，如果否，则输出该选择信号继续递归比较下一操作曲线所产生的降频参考信号和反馈信号。

本发明另一实施例提供一锁相环操作方法，用于包含多个操作曲线的一锁相环。首先，在一初始模式下进行下列步骤。接收一外部参考源，并将该外部参考源分频A×R倍得到一降频参考信号。根据一预设操作曲线上的一预设工作点，产生一振荡信号。将该振荡信号分频A×N倍，产生该反馈信号。比较该反馈信号和该降频参考信号，产生一比较结果。比较该反馈信号和该降频参考信号的步骤包含：

提供一参考时钟；

产生一第一使能信号，周期等于该反馈信号周期的第一倍数；

产生一第二使能信号，周期等于该降频参考信号周期的第一倍数；

在该第一使能信号开启期间，计数该参考时钟的振荡次数，算出一第一振荡次数；

在该第二使能信号开启期间，计数该参考时钟的振荡次数，算出一第二振荡次数；

比较该第一振荡次数和该第二振荡次数，产生一误差信号；以及

根据该误差信号，选择多个操作曲线其中之一。

当该比较结果不符合一条件时，根据该比较结果重新选择所述多个操作曲线其中之一，重新产生反馈信号和降频参考信号，并回到比较该反馈信号和该降频参考信号的步骤。当该比较结果符合该条件时，该锁相环进入一正常模式。接着在该正常模式下，根据该比较结果所选定的操作曲线，使该锁相环根据该降频参考信号输出该振荡信号。其中该降频参考信号等于该外部参考源分频R倍，而该反馈信号等于该振荡信号分频N倍。

其中，提供该参考时钟的步骤包含：该振荡信号分频M倍，产生该参考时钟。

其中，该M值范围在2到4之间。

其中，该第一倍数是由产生所述第一使能信号和第二使能信号的使能器所接收的一控制信号决定的。

其中，根据该误差信号选择操作曲线的算法为二元搜寻法。

所述的锁相环操作方法，其中：

该误差信号为该第一振荡次数与该第二振荡次数的大小比较结果；

当该误差信号在第一范围时，选择大于当前压控振荡器选择的频率的操作曲线；以及

当该误差信号在第二范围时，选择小于当前压控振荡器选择的频率的操作曲线。

附图说明

图1为现有锁相环的方块图；

图2为现有锁相环的多重操作曲线图；

图3为本发明实施例的一的锁相环架构图；

图4为本发明实施例的一的控制单元306架构图；

图5为本发明实施例的一的使能信号时序图；和

图6是本发明锁相环操作方法的流程图。

附图符号说明：

102第一分频器    104相差检测器

106回路滤波器    108压控振荡器

110第二分频器    300锁相环

302定电压源      304第三分频器

306控制单元      402第一使能器

404第二使能器    406第一计数器

408第二计数器    410比较器

412搜寻引擎

具体实施方式

图3为本发明实施例之一的锁相环架构图。为了选择压控振荡器108中的操作曲线，新增了定电压源302，第三分频器3叫和控制单元306。锁相环300的运作分为两个模式，一是初始模式，应用定电压源302，第三分频器304和控制单元306协助压控振荡器108快速决定正确的操作曲线。接着是正常模式，在决定操作曲线后，即依照图1般以现有方式正常运作。在初始模式中，首先，定电压源302将回路滤波器106预充电至一个定值，使回路滤波器106输出的工作电压V_LF设定在一预定工作范围，例如图2的V_op所指之处，借此使随后操作曲线的搜寻程序较为方便。接着控制单元306发出一个分频信号#S_DIV，命令第一分频器102的转换倍率从原来的1/R降为1/AR，第二分频器110的转换倍率从原来的1/N降为1/AN。借此，该控制单元306接收该第一分频器102所输出的降频参考信号f’_ref和第二分频器110所输出的反馈信号f_back，进行精细的比对。因为此时降频参考信号f’_ref和反馈信号f_back的值相较于正常模式小了A倍，更有助于判断些微的误差。比较的标准，是借助第三分频器304将振荡信号f_osc除以M倍而得到参考时钟f_M，当成基准时钟，来计算反馈信号f_back和降频参考信号f’ _ref的振荡次数并求出误差量。最后根据反馈信号f_back和降频参考信号f’_ref的误差量，决定选择信号#S_VCO，输送至压控振荡器1岭选择对应的工作曲线。举例来说，如果误差量为正值，可以产生选择信号#S_VCO命令压控振荡器108选择更高频的操作曲线，如果误差量为负值，则产生选择信号#S_VCO命令压控振荡器1佣选择更低频的操作曲线。借此，控制单元306在初始模式下递归执行，以二元搜寻的概念，发出数次选择信号#S_VCO调整压控振荡器1此后，便能够找到最接近理想的一操作曲线。当操作曲线已决定后，__便进入正常模式，定电压源302，第三分频器304和控制单元306皆关闭，而第一分频器1此恢复原来的转换倍率1/R，第二分频器110恢复原来的转换倍率1/N，该锁相环300以如同图1的方式运作。

图4为本发明实施例之一的控制单元306架构图。该控制单元306包含第一使能器402、第二使能器404、第一计数器406、第二计数器408、比较器410和搜寻引擎412。首先，由第二分频器110和第一分频器102传来的反馈信号f_back和降频参考信号f’_ref，在第一使能器402和第二使能器404中转换成第一使能信号#en1和第二使能信号#en2。该第一计数器406和第二计数器408各别接收该第一使能信号#en1和第二使能信号#en2，并共同接收参考时钟f_M。其中，反馈信号f_back和降频参考信号f’_ref是一种周期性的信号，每隔一周期出现一峰值。该第一使能器402产生第一使能信号#en1的方法是，在反馈信号f_back的多个周期之内，使第一使能信号为高电位。因此第一使能信号#en1即为一个在一段时间内为高电位，其余时间为零电位的信号。而这段时间等于该反馈信号f_back的多个周期。同理，第二使能器404产生第二使能信号#en2的方式亦同。至于该多个周期的实际长短，可取决于外部的一控制信号#ctr1。输入该第一计数器406和第二计数器408的参考时钟f_M，是用来作为一种时钟基准。在第一计数器406中，在该第一使能信号#en1为高电位的期间，该第一计数器406计算该参考时钟f_M的振荡次数，得到一第一振荡次数#cnt1。同理，在该第二计数器408中，在该第二使能信号#en2为高电位的期间，该第二计数器408计算该参考时钟f_M的振荡次数，得到一第二振荡次数#cnt2。该第一振荡次数#cnt1和第二振荡次数#cnt2被传送至比较器410，经过比较得到一误差信号#err。该比较器410可以是一减法器，直接将第一振荡次数#cnt1减第二振荡次数#cnt2得到该误差信号#err。搜寻引擎412接着根据误差信号#err的值，发出选择信号#S_VCO以命令压控振荡器108选择操作曲线。以图2举例来说，压控振荡器108中有1024条操作曲线，编号由VCO1到VCO1024，依序代表由低频至高频的工作范围。该搜寻引擎412可以利用二元搜寻法来决定最后的操作曲线。例如，在初始模式开始时，预设选择第512条操作曲线进行试算，假设发现误差信号#err大于零，代表f_back周期较f’_ref长，所以必须加快压控振荡器108的频率。因此发出选择信号#S_VCO令压控振荡器108增加频率，选择第768条操作曲线，再进行递归试算。这次试算发现误差信号#err小于零，则发出另一选择信号#S_VCO令压控振荡器108选择第640条操作曲线。依此类推，在很短的时间内，便能找到最接近理想的操作曲线。搜寻引擎412可以是一种状态机器(state machine)，用以进行操作曲线的选择及判断。

图5为本发明实施例之一的使能信号时序图。参考时钟f_M是经过振荡信号f_oso分频M倍之后得到的振荡信号，用来做为计数的时钟基准。M的值可以是介于2到4之间。第一使能信号#en1在一段时间内为高电位。这段时间等于反馈信号f_back多个周期的时间。而第一振荡次数#cnt1即为在第一使能信号#en1为高电位这段期间，参考时钟f_M的振荡次数。同理降频参考信号f’_ref，第二使能信号#en2和第止振荡次数#cnt2的关系亦同。其中反馈信号f_back和降频参考信号f’_ref的计数顺序并不一定是同步。如图5所示，第一使能信号#en1和第二使能信号#en2开启的时机，可能有些时间差。因此比较器410必须等到第一振荡次数#cnt1和第二振荡次数#cnt2的结果都产生之后，才能计算出误差信号#err供搜寻引擎412运算。

图6为本发明锁相环操作方法的流程图。首先在步骤6似中，锁相环启动在一初始模式。在步骤604中，接收一外部参考源f_ref，并将该外部参考源f_ref分频AR倍得到一降频参考信号f’_ref。在步骤6肠中，根据一预设操作曲线上的一预设工作点，产生一振荡信号f_osc。在步骤608中，将该振荡信号f_osc分频AN倍，产生该反馈信号f_back。在步骤610中，比较该反馈信号f_back和该降频参考信号f’_ref，产生一比较结果。在步骤612中，当该比较结果不符合一条件时，跳至步骤616。在步骤616中，根据该比较结果重新选择该等操作曲线其中之一，重新产生反馈信号f_back和降频参考信号f’_ref，并回到步骤610，重新比较该反馈信号f_back和该降频参考信号f’_ref。在步骤612中若该比较结果符合该条件时，该进入步骤614，锁相环进入一正常模式。在该正常模式下，该锁相环操作在该比较结果所选定的操作曲线，根据降频参考信号f’_ref输出该振荡信号f_osc。在初始模式时，该降频参考信号f’_ref等于该外部参考源f_ref分频AR倍，而该反馈信号f_back等于该振荡信号f_osc分频AN倍。在正常模式时，该降频参考信号f’_ref等于该外部参考源f_ref分频R倍，而该反馈信号f_back等于该振荡信号f_osc分频N倍。

此外，图3中的参考时钟f_M，是以第三分频器304在该初始模式下将该振荡信号分频M倍而产生。但也可以是由外部振荡源直接输入。该第三分频器304的M值范围在2到4之间可获得最佳效果，但选择其它的数值亦可，故本发明的精神不限定于此。在图4中的误差信号#err，可以是一逻辑值，用以指出该第一和第二振荡次数何者较大。例如将该第一振荡次数#cnt1减去第二振荡次数#cnt2所得结果的正负号。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (15)

1.一种锁相环，包含：

一第一分频器，接收一外部参考源，并将该外部参考源分频R倍得到一降频参考信号；

一相差检测器，比较该降频参考信号和一反馈信号，产生一比较信号；

一回路滤波器，接收该比较信号，产生一工作电压；

一压控振荡器，可操作在多个操作曲线其中之一，每一操作曲线对应一频率范围，其中该压控振荡器根据一选择信号选择所述操作曲线其中之一，并根据该工作电压决定选择出的操作曲线上的一工作点，以产生一振荡信号；

一第二分频器，将该振荡信号分频N倍，产生该反馈信号；

一控制单元，用以在一初始模式下：

根据一参考时钟，递归地比较该反馈信号和该降频参考信号，计算该选择信号；其中

当该选择信号在递归过程中收敛在一固定值后，该锁相环进入一正常模式，工作在该选择信号所对应的一操作曲线；

所述控制单元，包含：

一第一使能器，接收该反馈信号，产生一第一使能信号；

一第二使能器，接收该降频参考信号，产生一第二使能信号；

一第一计数器，接收该第一使能信号而开启，在开启期间计数该参考时钟的振荡次数，算出一第一振荡次数；

一第二计数器，接收该第二使能信号而开启，在开启期间计数该参考时钟的振荡次数，算出一第二振荡次数；

一比较器，接收并比较该第一振荡次数和该第二振荡次数，产生一误差信号；以及

一搜寻引擎，根据该误差信号，产生该选择信号，使压控振荡器选择对应的操作曲线。

2.如权利要求1所述的锁相环，其中，该控制单元在该初始模式下，更进一步产生一分频信号，使该第一分频器的R值和该第二分频器的N值提高A倍。

3.如权利要求1所述的锁相环，更进一步包含一第三分频器，在该初始模式下将该振荡信号分频M倍，产生该参考时钟；其中，该第三分频器和该控制单元在该正常模式下关闭。

4.如权利要求3所述的锁相环，其中，该第三分频器的M值范围在2到4之间。

5.如权利要求1所述的锁相环，更进一步包含一定电压源，用以在该初始模式之下，将该工作电压预充电至一默认值，使该工作点固定在一预设位置；其中，该定电压源在该正常模式下关闭。

6.如权利要求1所述的锁相环，其中：

该第一使能器以该反馈信号周期的一第一倍数决定该第一使能信号的周期；

该第二使能器以该降频参考信号周期的该第一倍数决定该第二使能信号的周期；以及

该第一使能器及第二使能器更进一步接收一控制信号以决定该第一倍数的值。

7.如权利要求1所述的锁相环，其中，该搜寻引擎以二元搜寻法产生该选择信号。

8.如权利要求7所述的锁相环，其中：

该误差信号是一逻辑值，用以指出该第一和第二振荡次数何者较大；

当该误差信号在第一范围时，产生该选择信号使该压控振荡器选择大于当前压控振荡器选择的频率的操作曲线；以及

当该误差信号在第二范围时，产生该选择信号使该压控振荡器选择小于当前压控振荡器选择的频率的操作曲线。

9.如权利要求8所述的锁相环，其中，该搜寻引擎更进一步包含一有限状态机器，用以判断该选择信号是否已收敛至稳定状态，如果是，则结束该初始模式，进入该正常模式，如果否，则输出该选择信号继续递归比较下一操作曲线所产生的降频参考信号和反馈信号。

10.一锁相环操作方法，用于包含多个操作曲线的一锁相环，包含：

在一初始模式下：

接收一外部参考源，并将该外部参考源分频A×R倍得到一降频参考信号；

根据一预设操作曲线上的一预设工作点，产生一振荡信号；

将该振荡信号分频A×N倍，产生该反馈信号；

比较该反馈信号和该降频参考信号产生一比较结果；

比较该反馈信号和该降频参考信号的步骤包含：

提供一参考时钟；

产生一第一使能信号，周期等于该反馈信号周期的第一倍数；

产生一第二使能信号，周期等于该降频参考信号周期的第一倍数；

在该第一使能信号开启期间，计数该参考时钟的振荡次数，算出一第一振荡次数；

在该第二使能信号开启期间，计数该参考时钟的振荡次数，算出一第二振荡次数；

比较该第一振荡次数和该第二振荡次数，产生一误差信号；以及

根据该误差信号，选择多个操作曲线其中之一；

当该比较结果不符合一条件时，根据该比较结果重新选择所述多个操作曲线其中之一，重新产生反馈信号和降频参考信号，并回到比较该反馈信号和该降频参考信号的步骤；

当该比较结果符合该条件时，该锁相环进入一正常模式；以及

在该正常模式下：

根据该比较结果所选定的操作曲线，使该锁相环根据该降频参考信号输出该振荡信号；其中

该降频参考信号等于该外部参考源分频R倍，而该反馈信号等于该振荡信号分频N倍。

11.如权利要求10所述的锁相环操作方法，其中，提供该参考时钟的步骤包含：该振荡信号分频M倍，产生该参考时钟。

12.如权利要求11所述的锁相环操作方法，其中，该M值范围在2到4之间。

13.如权利要求10所述的锁相环操作方法，其中，该第一倍数是由产生所述第一使能信号和第二使能信号的使能器所接收的一控制信号决定的。

14.如权利要求10所述的锁相环操作方法，其中，根据该误差信号选择操作曲线的算法为二元搜寻法。

15.如权利要求10所述的锁相环操作方法，其中：

该误差信号为该第一振荡次数与该第二振荡次数的大小比较结果；

当该误差信号在第一范围时，选择大于当前压控振荡器选择的频率的操作曲线；以及

当该误差信号在第二范围时，选择小于当前压控振荡器选择的频率的操作曲线。

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