CN103078636A

CN103078636A - 锁相环系统

Info

Publication number: CN103078636A
Application number: CN2012105784406A
Authority: CN
Inventors: 范方平
Original assignee: IPGoal Microelectronics Sichuan Co Ltd
Current assignee: IPGoal Microelectronics Sichuan Co Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明公开了一种锁相环系统，包括鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器及数字分频器，鉴频鉴相器比较两输入信号的相位差，并产生控制信号；电荷泵在控制信号的控制下对滤波电容充电或放电；低通滤波器滤除电荷泵输出电压的高频抖动；压控振荡器在电压的控制下产生输出信号；数字分频器将压控振荡器产生的输出信号进行分频得到反馈信号，将反馈信号输入至鉴频鉴相器；其中，还包括频率判决器与压控电流源,频率判决器预设有期望值范围，对外部输入的信号及压控振荡器输出的信号的频率进行比较并对比较结果进行判决，根据判决结果输出高/低电平，输出的电压控制压控电流源的开/关，以给滤波电容充电。本发明的锁相环系统可快速地实现稳定的锁定，提高了锁相环的工作效率。

Description

锁相环系统

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种锁相环系统。

背景技术

锁相环系统是指一种电路或者模块，它用于在通信的接收机中，其作用是对接收到的信号进行处理，并从其中提取某个时钟的相位信息。或者，对接收到的信号，仿制一个时钟信号，使得这两个信号是同步的或者相干的。且在锁定情形下，能使输出的信号的频率和相位均与输入信号保持确定关系。因此在集成电路中得到广泛的应用。

请参阅图1，图1为现有技术中锁相环系统的结构图。现有技术中的锁相环系统由鉴频鉴相器PFD、电荷泵CP、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO及数字分频器DIV组成；其中，鉴频鉴相器PFD分别和数字分频器DIV、外部输入端及电荷泵CP连接，以用于比较外部输入端输入的信号Fin和数字分频器DIV输出的反馈信号Fb之间的相位差，并产生控制信号以控制电荷泵CP；电荷泵CP和所述低通滤波器LPF及压控振荡器VCO连接，所述电荷泵CP受控制信号的控制，对低通滤波器LPF内的滤波电容进行充电或放电；低通滤波器LPF连接于电荷泵CP与压控振荡器VOC之间,用于滤除电荷泵CP输出电压的高频抖动；压控振荡器VCO在滤波电容上电压的控制下产生输出信号Fout；数字分频器DIV与压控振荡器VCO连接用于将输出信号Fout进行分频后得到反馈信号Fb；且电荷泵CP、低通滤波器LPF及压控振荡器VCO共同连接而形成节点VC，节点VC的电压值即为压控振荡器VCO输入端的电压值。

通过上术现有技术的锁相环系统，锁相环系统从启动到完全锁定通常需要很长时间，其锁定时间一般在百分之一毫秒级，这将使得与锁相环系统配合使用的其它器件的工作效率没法提高。

因此，有必要提供一种改进的锁相环系统来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种锁相环系统，该锁相环系统可快速地实现稳定的锁定，提高了锁相环的工作效率。

为实现上述目的，本发明提供一种锁相环系统，包括鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器及数字分频器，所述鉴频鉴相器分别和数字分频器、外部输入端及电荷泵连接，所述鉴频鉴相器用于比较外部输入端输入的信号和数字分频器输出的反馈信号之间的相位差，并根据比较结果产生控制信号；所述电荷泵和所述低通滤波器及压控振荡器连接，所述电荷泵在所述控制信号的控制下，对低通滤波器内的滤波电容进行充电或放电；所述低通滤波器连接于所述电荷泵与压控振荡器之间，用于滤除所述电荷泵输出电压的高频抖动；所述压控振荡器在电压的控制下产生相应的输出信号；所述数字分频器还与所述压控振荡器连接，所述数字分频器用于将压控振荡器产生的输出信号进行分频以得到反馈信号，并将所述反馈信号输入至所述鉴频鉴相器；其中，所述锁相环系统还包括频率判决器与压控电流源,所述频率判决器预设有期望值范围，且所述期望值范围为当锁相环系统进入锁定状态后外部输入端输入的信号和所述压控振荡器输出的信号的频率比值的范围，所述频率判决器的输入端分别与外部输入端及压控振荡器连接，所述频率判决器对外部输入端输入的信号及所述压控振荡器输出的信号的频率进行比较而得出比较结果，并根据预设的期望值范围对比较结果进行判决，且根据判决结果输出高/低电平，所述压控电流源分别和所述频率判决器及滤波电容连接，所述频率判决器输出的电压控制所述压控电流源的开/关，且当所述比较结果小于期望值范围的下限时，所述频率判决器输出的电平使所述压控电流源打开，以给所述滤波电容充电。

较佳地，所述的锁相环系统还包括压控电流沉，所述压控电流沉分别与频率判决器及滤波电容连接，且所述压控电流沉一端接地，所述频率判决器输出的电压控制所述压控电流沉的开/关，且当所述比较结果大于期望值范围的上限时，所述频率判决器输出的电平使所述压控电流沉打开，以使所述滤波电容放电。

较佳地，所述频率判决器具有第一输出端与第二输出端，且所述第一输出端与所述压控电流源连接，所述第二输出端与所述压控电流沉连接。

较佳地，当所述比较结果小于期望值范围的下限时，所述频率判决器的第一输出端输出高电平，以打开所述压控电流源，且所述频率判决器的第二输出端输出低电平，以关闭所述压控电流沉。

较佳地，当所述比较结果大于期望值范围的上限时，所述频率判决器的第一输出端输出低电平，以关闭所述压控电流源，且所述频率判决器的第二输出端输出高电平，以打开所述压控电流沉。

较佳地，当所述比较结果位于期望值范围内时，所述频率判决器的第一输出端与第二输出端均输出低电平，所述压控电流源及压控电流沉均关闭。

与现有技术相比，本发明的所述锁相环系统，由于还包括频率判决器与压控电流源,所述频率判决器预设有期望值范围，所述频率判决器对外部输入端输入的信号及所述压控振荡器输出的信号的频率进行比较而得出比较结果，并根据预设的期望值范围对比较结果进行判决，且根据判决结果输出高/低电平，所述压控电流源分别和所述频率判决器及滤波电容连接，所述频率判决器输出的电压控制所述压控电流源的开/关，且当所述比较结果小于期望值范围的下限时，所述频率判决器输出的电平使所述压控电流源打开，以给所述滤波电容充电；从而在锁定初期，通过所述频率判决器对外部输入信号与锁相环的输出信号频率的判决，而使所述压控电流源打开为所述滤波电容充电，使得所述压控振荡器输入端的电压升高，同时由于所述压控振荡器输出信号的频率与其输入的电压值成正比例关系，使得所述压控振荡输出信号的频率也跟着快速升高，从而可快速地实现稳定的锁定，提高了锁相环的工作效率。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明。

附图说明

图1为现有技术锁相环系统的结构图。

图2为本发明锁相环系统的结构图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种锁相环系统，该锁相环系统可快速地实现稳定的锁定，提高了锁相环的工作效率

请参考图2，图2为本发明锁相环系统的结构图。如图所示，本发明的锁相环系统，包括鉴频鉴相器PFD、电荷泵CP、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO、数字分频器DIV、压控电流源IP及频率判决器FCB。所述鉴频鉴相器PFD分别和数字分频器DIV、外部输入端（图未示）及电荷泵CP连接，外部输入端输出的信号Fin及所述数字分频器DIV输出的反馈信号Fb均输入至所述鉴频鉴相器PFD，且所述鉴频鉴相器PFD对输入的信号Fin和信号Fb之间的相位差进行比较，并根据比较结果产生控制信号OUT1。所述电荷泵CP和所述低通滤波器LPF及压控振荡器VCP连接，且所述电荷泵CP、低通滤波器LPF及压控振荡器VCP共同连接而形成节点VC，所述电荷泵CP在控制信号OUT1的控制下，对低通滤波器LPF内的滤波电容进行充电或放电，且所述滤波电容两端的电压值即为节点VC的电压值。所述低通滤波器LFP连接于所述电荷泵CP与压控振荡器VCO之间，用于滤除所述电荷泵CP输出电压的高频抖动，即保证所述节点VC处电压的稳定，并将滤除高频抖动后的电压输入至所述压控振荡器VCO，且明显地，输入至所述压控振荡器VCO的电压即为节点VC的电压值；所述压控振荡器VCO输入电压的控制下产生输出信号Fout；所述数字分频器DIV还与所述压控振荡器VCO连接，所述数字分频器DIV用于将压控振荡器VCO产生的输出信号Fout进行分频以得到反馈信号Fb，且所述数字分频器DIV的分频比为N，并将所述反馈信号Fb输入至所述鉴频鉴相器PFD，从而，所述鉴频鉴相器PFD输出的信号Fout＝N*Fin。所述频率判决器FCB预设有期望值范围N±M（其中M为期望值范围的半幅宽度），且所述期望值范围为当锁相环系统进入锁定状态后外部输入端输入的信号Fin与所述压控振荡器VCO输出的信号Fout的频率比值的范围；所述频率判决器FCB的两输入端分别与外部输入端及压控振荡器VCO连接，所述频率判决器FCB对所述压控振荡器VCO输出的信号Fout和外部输入端输入的信号Fin的频率进行比较，以获得比较结果NC，即NC=Fout/Fin；根据预设的期望值范围N±M对比较结果NC进行判决，且所述频率判决器FCB根据判决结果输出高/低电平；所述压控电流源UP分别和所述频率判决器FCB及滤波电容连接，也即所述压控电流源UP也连接于节点VC；所述频率判决器FCB输出的电平控制所述压控电流源UP的开/关，且当所述信号Fout和信号Fin的比较结果NC小于期望值范围N±M的下限（即NC＜N-M）时，所述频率判决器FCB输出的电平使所述压控电流源UP打开，以给所述滤波电容充电。其中，本发明的所述鉴频鉴相器PFD、电荷泵CP、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO、数字分频器DIV的具体结构、相互配合的工作原理及所实现的功能等均为本领域技术人员所熟知，在此不在详细描述。从而通过本发明的锁相环系统，在锁定的初期，也即是所述信号Fout和信号Fin的比较结果小于期望值范围N±M的下限，所述频率判决器FCB输出的电压将控制所述压控电流源UP打开，使得所述压控电流源UP给所述滤波电容充电，使得所述节点VC的电压值快速地升高，由于所述压控振荡器VCO输出信号Fout的频率与所述节点VC的电压值成正比例关系，则所述信号Fout的频率也跟着快速升高；而所述信号Fin的频率是固定不变的，使得比较结果NC的值相应增大，因此加快了所述信号Fout和信号Fin的比较结果NC进入期望期值范围N±M内的速度，从而减少了锁相环系统从启动到完全锁定所需要的时间，提高了锁相环系统的工作效率。在本发明锁相环系统的具体应用中，所述期望值范围N±M可根据具体使用而设定。

在本发明的优选实施方式中，所述压控电流源UP为高电平打开的压控电流源，也即是，当所述信号Fout和信号Fin的比较结果NC小于期望值范围N±M的下限时（即NC＜N-M），所述频率判决器FCB输出至所述压控电流源UP的电压为高电平；除此外，所述频率判决器FCB输出至所述压控电流源UP的电压均为低电平；从而使得所述压控电流源UP仅在锁定的初期对滤波电容进行充电，以减少锁相环锁定所需要的时间。

另外，在本发明的优选实施方式中，所述锁相环系统还包括一压控电流沉IN，且所述频率判决器FCB具第一输出端UP与第二输出端DN；其中，所述第一输出端UP与所述压控电流源IP连接，所述第二输出端DN与所述压控电流沉IN连接，从而所述频率判决器FCB通过其第一输出端UP与第二输出端DN输出的电压值而控制所述压控电流源IP和压控电流沉IN的开启或关闭。所述压控电流沉IN还分别与接地端及滤波电容连接，当所述信号Fout和信号Fin的比较结果NC大于期望值范围N±M的上限时（即NC＞N-M），此时所述锁相环处于频率过冲状态，该状态将使所述数字分频器DIV失效，而所述滤波电容通过所述电荷泵CP缓慢地放电，因此所述电荷泵CP的放电并不能完全避免所述数字分频器DIV的失效；所述频率判决器FCB输出的电平使所述压控电流沉IN打开，以使所述滤波电容放电，使得所述节点VC的电压降低，由于所述压控振荡器VCO的输出信号Fout的频率与其输入的电压值成正比例，则所述输出信号Fout的频率降低，而所述信号Fin的频率是固定不变的，使得比较结果NC的值相应减小。从而通过所述压控电流沉IN，使得所述节点VC的电压下降得更快，即所述输出信号Fout的频率下降得更快，从而使本发明的锁相环系统可抑制频率过冲，保证锁相环系统的正常工作。另外，所述压控电流沉IN为高电平打开的压控电流沉，也即是，仅当所述信号Fout和信号Fin的比较结果NC大于期望值范围N±M的上限时，所述频率判决器FCB的第二输出端DN输出的电压为高电平；除此外，所述频率判决器FCB的第二输出端DN输出的电压为低电平；从而使得所述压控电流沉IN仅在所述锁相环处于频率过冲状态时滤波电容才可通过所述压控电流沉IN进行放电，以抑制频率过冲。

综上，当N-M<NC<N+M时，也即是比较结果NC进入期望期范围内，所述频率判决器FCB的第一输出端UP与第二输出端DN均输出为低电平，而使得所述压控电流源IP及压控电流沉IN均被关闭，均断开与所述滤波电容的连接，从而使所述锁相环系统处于稳定的锁定状态。

下面请再结合参考图2，描述本发明锁相环系统的工作过程。

在锁定初期，所述信号Fout的频率较低，而所述信号Fin的频率始终保持不变，则所述信号Fout的频率与信号Fin的频率的比较结果NC小于期望值N±M的下限值N-M，即

NC<N-M

而此时的所述频率判决器FCB的第一输出端UP输出高电平，第二输出端DN输出低电平，由于所述压控电流源IP和压控电流沉IN均是在高电平时开启，低电平时关闭；从而所述压控电流源IP开启，所述压控电流沉IN关闭，使得所述压控电流源IP的电流流出至所述滤波电容，并对其充电，使得所述节点VC的电压升高；由于所述压控振荡器VCO的输出信号Fout的频率与其输入电压值成正比例，则所述信号Fout的频率升高；从而，通过所述压控电流源IP，使得所述节点VC的电压上升得更快，所述输出信号Fout的频率上升得更快，加快了所述信号Fout的频率与信号Fin的频率的比较结果NC的上升速度，也即加快了比较结果NC进入期望值的速度，从而实现了锁相环的快速锁定。

若锁相环存在频率过冲，即此时所述输出信号Fout的频率与所述信号Fin的频率的比较结果NC大于期望值N±M的上限值N+M，即

NC>N+M

而此时所述频率判决器FCB的第一输出端UP输出为低电平，第二输出端DN输出为高电平；此时所述压控电流源IP关闭，所述压控电流沉IN开启，即所述节点VC上有电流流入所述压控电流沉IN，以对所述滤波电容放电，使得所述压控振荡器VCO的输入电压降低；并使得则所述信号Fout的频率降低。从而，通过所述压控电流沉IN，使得所述节点VC的电压下降得更快，即所述输出信号Fout的频率下降得更快，从而抑制的锁相环的频率过冲。

当锁相环锁定以后，所述输出信号Fout的频率与所述输入信号Fin的频率的比较结果NC在期望值N±M以内，即

N-M≤NC≤N+M

而此时的所述频率判决器FCB的第一输出端UP输出为低电平，第二输出端DN输出也为低电平，即此时所述压控电流源IP关闭，所述压控电流沉IN也关闭，使得所述压控电流源IP和所述压控电流沉IN上无任何电流输送，不对所述节点Vc的电压产生任何影响；因此，当锁相环完全锁定以后，频所述压控电流源IP和所述压控电流沉IN与滤波电容之间完全断开，不会对锁相环造成任何影响，使得锁相环处于稳定的锁定状态。

另，本发明锁相环系统在应用过程中，可根据实际情况具体设置所述压控电流源IP和所述压控电流沉IN控制电压为高电平打开或低电平打开，并不限于上述控制方式。

综上所述，本发明的锁相环系统可实现快速锁定，同时控制压控振荡器VCO的频率振荡范围，以防止频率过冲，从而保证数字分频器DIV不会因压控振荡器VCO的输出频率过高而失效。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims

1.一种锁相环系统，包括鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器及数字分频器，所述鉴频鉴相器分别和数字分频器、外部输入端及电荷泵连接，所述鉴频鉴相器用于比较外部输入端输入的信号和数字分频器输出的反馈信号之间的相位差，并根据比较结果产生控制信号；所述电荷泵和所述低通滤波器及压控振荡器连接，所述电荷泵在所述控制信号的控制下，对低通滤波器内的滤波电容进行充电或放电；所述低通滤波器连接于所述电荷泵与压控振荡器之间，用于滤除所述电荷泵输出电压的高频抖动；所述压控振荡器在电压的控制下产生相应的输出信号；所述数字分频器还与所述压控振荡器连接，所述数字分频器用于将压控振荡器产生的输出信号进行分频以得到反馈信号，并将所述反馈信号输入至所述鉴频鉴相器；其特征在于，还包括频率判决器与压控电流源,所述频率判决器预设有期望值范围，且所述期望值范围为当锁相环系统进入锁定状态后外部输入端输入的信号和所述压控振荡器输出的信号的频率比值的范围，所述频率判决器的输入端分别与外部输入端及压控振荡器连接，所述频率判决器对外部输入端输入的信号及所述压控振荡器输出的信号的频率进行比较而得出比较结果，并根据预设的期望值范围对比较结果进行判决，且根据判决结果输出高/低电平，所述压控电流源分别和所述频率判决器及滤波电容连接，所述频率判决器输出的电压控制所述压控电流源的开/关，且当所述比较结果小于期望值范围的下限时，所述频率判决器输出的电平使所述压控电流源打开，以给所述滤波电容充电。

2.如权利要求1所述的锁相环系统，其特征在于，还包括压控电流沉，所述压控电流沉分别与频率判决器及滤波电容连接，且所述压控电流沉一端接地，所述频率判决器输出的电压控制所述压控电流沉的开/关，且当所述比较结果大于期望值范围的上限时，所述频率判决器输出的电平使所述压控电流沉打开，以使所述滤波电容放电。

3.如权利要求2所述的锁相环系统，其特征在于，所述频率判决器具有第一输出端与第二输出端，且所述第一输出端与所述压控电流源连接，所述第二输出端与所述压控电流沉连接。

4.如权利要求3所述的锁相环系统，其特征在于，当所述比较结果小于期望值范围的下限时，所述频率判决器的第一输出端输出高电平，以打开所述压控电流源，且所述频率判决器的第二输出端输出低电平，以关闭所述压控电流沉。

5.如权利要求3所述的锁相环系统，其特征在于，当所述比较结果大于期望值范围的上限时，所述频率判决器的第一输出端输出低电平，以关闭所述压控电流源，且所述频率判决器的第二输出端输出高电平，以打开所述压控电流沉。

6.如权利要求3所述的锁相环系统，其特征在于，当所述比较结果位于期望值范围内时，所述频率判决器的第一输出端与第二输出端均输出低电平，所述压控电流源及压控电流沉均关闭。