CN108566199A - 一种锁相环及频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锁相环及频率控制方法。锁相环包括锁相环主体和与锁相环主体相连的频率范围自动控制器，锁相环主体至少包括压控振荡器；频率范围自动控制器包括比较单元、分频单元、第一控制单元、第二控制单元和逻辑控制单元。该锁相环能够在减小锁相环的面积的基础上，降低锁相环中的压控振荡器连续切换频段的时间，提升电路系统的稳定性。

Description

一种锁相环及频率控制方法

技术领域

本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种锁相环及频率控制方法。

背景技术

锁相环作为一种典型的反馈控制电路，利用外部输入信号控制环路内部信号的频率和相位，进而实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。因此，锁相环越来越多被用做视频监控领域的频率合成器以及时钟发生器的组成器件。

传统的锁相环通常包括相频检测器，充电泵，低通滤波器，压控振荡器，以及可编程反馈分频器。为了减小锁相环的面积，现有的锁相环通常将压控振荡器总的频率范围分为多个连续交叠的频率范围，即多个频段，用于降低压控振荡器的增益。每个频段都有对应的预先设定的压控振荡器的工作电压范围(即最大电压VH至最小电压VL之间)，通过将压控振荡器的控制电压与预设的压控振荡器的工作电压范围VH和VL比较确定压控振荡器工作在哪一个频段：如果压控振荡器的工作电压大于VH说明这个频段频率太低，需要向更高的频段切换；如果压控振荡器的工作电压小于VL说明这个频段频率太高，需要向更低的频段切换，直至压控振荡器的工作电压介于VH和VL之间。

然而，通常压控振荡器的频段切换需要在进入新的频段后等待足够长的时间才能进行下一次切换，如果切换后压控振荡器的工作电压依然没有介于VH和VL之间，则需要继续切换，等待的时间太长，影响电路系统性能。

发明内容

本发明提供一种锁相环及频率控制方法，能够在减小锁相环的面积的基础上，降低锁相环中的压控振荡器连续切换频段的时间，提升电路系统的稳定性。

第一方面，本发明实施例提供了一种锁相环，包括：锁相环主体和与锁相环主体相连的频率范围自动控制器，锁相环主体至少包括压控振荡器；

频率范围自动控制器，包括比较单元、分频单元、第一控制单元、第二控制单元和逻辑控制单元，其中，比较单元的输入端输入控制电压，比较单元的输出端与逻辑控制单元相连，分频单元的输入端输入输入时钟信号，分频单元的输出端分别与第一控制单元的第一输入端和第二控制单元的第一输入端相连，第一控制单元的第二输入端输入输出时钟信号，第一控制单元的第三输入端输入第一预设值，第二控制单元的第二输入端输入输出时钟信号，第二控制单元的第三输入端输入第二预设值，第一控制单元的输出端与逻辑控制单元相连，第二控制单元的输出端与逻辑控制单元相连，逻辑控制单元与压控振荡器相连；

比较单元，用于对控制电压、最大电压和最小电压进行比较，其中，最大电压为压控振荡器当前工作频段的最大电压，最小电压为压控振荡器当前工作频段的最小电压；

分频单元，用于对输入时钟信号进行分频，生成并分别向第一控制单元和第二控制单元发送分频信号，其中，分频信号的频率为输入时钟信号的频率的1/2；

逻辑控制单元，用于控制第一控制单元计数，并控制压控振荡器切换至上一工作频段，其中，上一工作频段为与压控振荡器的当前工作频段相邻、且高于压控振荡器的当前工作频段的频段；以及控制第二控制单元计数，并控制压控振荡器切换至下一工作频段，其中，下一工作频段为与压控振荡器的当前工作频段相邻、且低于压控振荡器的当前工作频段的频段。

进一步地，锁相环主体包括相频检测器，充电泵，低通滤波器，压控振荡器，以及可编程反馈分频器；其中，

相频检测器的第一输入端输入输入时钟信号，相频检测器的输出端与充电泵的输入端相连，充电泵的输出端与低通滤波器和压控振荡器的输入端均相连，低通滤波器与压控振荡器的输入端相连，压控振荡器的输出端与可编程反馈分频器的输入端相连，可编程反馈分频器的输出端与相频检测器的第二输入端相连，低通滤波器与比较单元相连。

进一步地，相频检测器，用于接收输入时钟信号和可编程反馈分频器发送的反馈时钟信号，并比较输入时钟信号和反馈时钟信号的相位，生成相位差值信号，向充电泵发送相位差值信号；

充电泵，用于接收相频检测器发送的相位差值信号，并根据相位差值信号生成充电电流或放电电流；

低通滤波器，用于向压控振荡器输出控制电压，并根据充电电流或放电电流，控制控制电压的大小；

压控振荡器，用于根据低通滤波器输出的控制电压生成并输出输出时钟信号；其中，在控制电压增大时提高输出时钟信号的频率，在控制电压减小时降低输出时钟信号的频率；

可编程反馈分频器，用于采集压控振荡器输出的输出时钟信号，并根据输出时钟信号，生成反馈时钟信号，其中，反馈时钟信号的频率为输出时钟信号的频率的1/N，其中，N为大于或者等于2的正整数。

进一步地，分频单元为二分频分频器；第一控制单元至少包括第一计数器；第二控制单元至少包括第二计数器，其中，第一预设值等于第二预设值，所述第一预设值为正整数。

进一步地，第一控制单元包括第一计数器和加法器，加法器的第一输入端输入数值M，加法器的第二输入端输入数值δ，加法器的输出端输出第一预设值，第一预设值为(M+δ)；

第二控制单元包括第二计数器和减法器，减法器的第一输入端输入数值M，减法器的第二输入端输入数值δ，减法器的输出端输出第二预设值，第二预设值为(M-δ)；

其中，M为正整数，δ为正整数。

进一步地，比较单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一运算放大器和第二运算放大器；其中，

第一电阻的一端输入电压，第一电阻的另一端与第一运算放大器的第二输入端相连，第二电阻的一端与第一电阻的另一端相连，第二电阻的另一端与第二运算放大器的第二输入端相连，第三电阻的一端与第二电阻的另一端相连，第三电阻的另一端接地，第一运算放大器的第一输入端输入控制电压，第二运算放大器的第一输入端输入控制电压，第一运算放大器的输出端与逻辑控制单元相连，第二运算放大器的输出端与逻辑控制单元相连。

进一步地，二分频分频器为D类型触发器。

第二方面，本发明实施例还提供一种频率控制方法，应用在如上述第一方面中任意一项的锁相环中，包括：

比较控制电压、最大电压和最小电压的大小，其中，最大电压为锁相环中压控振荡器当前工作频段的最大电压，最小电压为压控振荡器当前工作频段的最小电压；

若控制电压大于最大电压，则利用时钟计数，控制压控振荡器切换至第一工作频段，其中，第一工作频段为适合压控振荡器工作、且高于压控振荡器的当前工作频段的频段；

若控制电压小于最小电压，则利用时钟计数，控制压控振荡器切换至第二工作频段，其中，第二工作频段为适合压控振荡器工作、且低于压控振荡器的当前工作频段的频段。

进一步地，利用时钟计数，控制压控振荡器切换至第一工作频段，包括：

判断一个输入时钟信号的时钟周期内是否计数到第一预设值个输出时钟信号的时钟周期；

若一个输入时钟信号的时钟周期内未计数到第一预设值个输出时钟信号的时钟周期，则控制压控振荡器切换至上一工作频段，其中，上一工作频段为与压控振荡器的当前工作频段相邻、且高于压控振荡器的当前工作频段的频段；

若一个输入时钟信号的时钟周期内计数到第一预设值个输出时钟信号的时钟周期，则重复执行下述步骤直至控制电压小于或者等于最大电压：

在预设时间后，判断控制电压是否仍大于最大电压；

若控制电压仍大于最大电压，则控制压控振荡器切换至上一工作频段，其中，上一工作频段为与压控振荡器的当前工作频段相邻、且高于压控振荡器的当前工作频段的频段。

进一步地，利用时钟计数，控制压控振荡器切换至第二工作频段，包括：

判断一个输入时钟信号的时钟周期内是否计数到第二预设值个输出时钟信号的时钟周期；

若一个输入时钟信号的时钟周期内计数到第二预设值个输出时钟信号的时钟周期，则控制压控振荡器切换至下一工作频段，其中，下一工作频段为与压控振荡器的当前工作频段相邻、且低于压控振荡器的当前工作频段的频段。

进一步地，第一预设值等于第二预设值。

进一步地，第一预设值为(M+δ)，第二预设值为(M-δ)，其中，M为正整数，δ为正整数。

本发明通过在锁相环中设置频率范围自动控制器，频率范围自动控制器包括比较单元、分频单元、第一控制单元、第二控制单元和逻辑控制单元。其中，当控制电压大于最大电压时，逻辑控制单元可以控制第一控制单元计数，并控制压控振荡器切换至上一工作频段；当控制电压小于最小电压时，逻辑控制单元可以控制第二控制单元计数，并控制压控振荡器切换至下一工作频段。通过控制第一控制单元或者第二控制单元计数来切换频段的方法，在锁相环需要连续切换频段的场景中，能够在减小锁相环的面积的基础上，降低锁相环中的压控振荡器连续切换频段的时间，提升电路系统的稳定性。

附图说明

图1为一种传统的锁相环的结构示意图；

图2为一种现有的锁相环的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种锁相环的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种锁相环的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种图4所示的锁相环中频率范围自动控制器11的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种图4所示的锁相环中频率范围自动控制器11的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种锁相环的频率范围示意图；

图8为本发明实施例提供的一种锁相环的升频波形仿真图；

图9为本发明实施例提供的一种锁相环的降频波形仿真图；

图10为本发明实施例提供的一种频率控制方法的流程示意图；

图11为本发明实施例提供的另一种频率控制方法的流程示意图；

图12为本发明实施例提供的又一种频率控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

另外，除非明确地描述，否则词语“包括”和诸如“包含”或“具有”的变形将被理解为暗示包含该元件，但不排除任意其它元件。

还需要说明的是，本发明实施例中用“第一”和“第二”等来描述各种组件是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序，这些组件不应该受这些术语限制。这些术语仅用来将一个组件与另一组件区分开。并且，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一个”、“一种”和“该()”也意图包括复数形式。

锁相环是一种典型的反馈控制电路，可用做视频监控领域的频率合成器以及时钟发生器的组成器件。图1示出了一种传统的锁相环的结构示意图。该锁相环包括：相频检测器(Phase Frequency Detector，PFD)1，充电泵(Charge Pump)2，低通滤波器(Low PassFilter，LPF)3，压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)4，以及可编程反馈分频器(FBDIV)5。

相频检测器PFD 1的两个输入端分别接收输入时钟信号INCLK及反馈时钟信号FBCLK，相频检测器PFD 1比较输入时钟信号INCLK及反馈时钟信号FBCLK，产生相位差值信号后输入到后加入到充电泵2中。低通滤波器LPF 3输出的控制电压VLPF，控制压控振荡器VCO 4输出输出时钟信号VCOCLK。可编程反馈分频器FBDIV 5采集输出时钟信号VCOCLK，并对输出时钟信号VCOCLK进行分频生成反馈时钟信号FBCLK输入相频检测器PFD 1，反馈时钟信号FBCLK的频率为输出时钟信号VCOCLK的频率的1/N，其中，N为大于或者等于2的正整数。如果输入时钟信号INCLK的相位领先反馈时钟信号FBCLK的相位，充电泵2产生充电电流，对低通滤波器LPF 3充电；如果输入时钟信号INCLK的相位落后反馈时钟信号FBCLK的相位，充电泵2产生放电电流，低通滤波器LPF 3对充电泵2放电；直至当输入时钟信号INCLK的相位与反馈时钟信号FBCLK的相位一致时，低通滤波器LPF 3保持在Tri_state状态，此时低通滤波器LPF 3输出的控制电压稳定，压控振荡器VCO 4输出输出时钟信号VCOCLK的频率也稳定。

然而，图1所示的锁相环在一个系统中应用的频率范围跨度很大，不同的工作模式低到100-200MHZ，高达几GHZ，但是系统的工作电压低到1.1V，所以频率范围与电压的比值越来越大，高达几GHZ/V。这个频率随电压变化的参数称为压控振荡器的增益，在同样带宽的情况下，压控振荡器的增益越大，低通滤波器的电容越大，而电容的物理面积在锁相环的物理面积中的占比很大，增大电容就相当于增大整个系统的成本。

为了减小锁相环的面积，图2示出了一种现有的锁相环的结构示意图。图2所示的锁相环能够将压控振荡器总的频率范围分为多个连续交叠的频率范围，即多个频段，用于降低压控振荡器的增益。每个频段都有对应的预先设定的压控振荡器的工作电压范围(即最大电压VH至最小电压VL之间)。具体的，该锁相环包括：相频检测器PFD 1，充电泵2，低通滤波器LPF 3，压控振荡器VCO 4，可编程反馈分频器FBDIV 5，以及与低通滤波器LPF 3、充电泵2和压控振荡器VCO 4均相连的频率范围自动控制器(Auto Output Control，AOC)6。通过频率范围自动控制器AOC 6将压控振荡器的控制电压与预设的压控振荡器的工作电压范围VH和VL比较确定压控振荡器工作在哪一个频段：如果压控振荡器的工作电压大于VH说明这个频段频率太低，需要向更高的频段切换；如果压控振荡器的工作电压小于VL说明这个频段频率太高，需要向更低的频段切换，直至压控振荡器的工作电压介于VH和VL之间。

然而，图2所示的频率范围自动控制器AOC 6在控制压控振荡器的频段切换时，需要在压控振荡器进入新的频段后等待足够长的时间才能进行下一次切换，如果切换后压控振荡器的工作电压依然没有介于VH和VL之间，则需要继续切换，连续切换等待的时间太长，影响电路系统性能。

本发明实施例提供一种锁相环及频率控制方法，能够在减小锁相环的面积的基础上，降低锁相环中的压控振荡器连续切换频段的时间，提升电路系统的稳定性。

下面，对锁相环及频率控制方法进行详细描述。

图3示出了本发明实施例提供的一种锁相环的结构示意图。该锁相环可以应用在视频监控领域的频率合成器以及时钟发生器的组成器件中。该锁相环包括锁相环主体10和与锁相环主体10相连的频率范围自动控制器11，锁相环主体10至少包括压控振荡器100。

频率范围自动控制器11，包括比较单元110、分频单元111、第一控制单元112、第二控制单元113和逻辑控制单元114，其中，比较单元110的输入端输入控制电压VLPF，比较单元110的输出端与逻辑控制单元114相连，分频单元111的输入端输入输入时钟信号INCLK，分频单元111的输出端分别与第一控制单元112的第一输入端RSTB和第二控制单元113的第一输入端RSTB相连，第一控制单元112的第二输入端CLK输入输出时钟信号VCOCLK，第一控制单元112的第三输入端COU输入第一预设值，第二控制单元113的第二输入端CLK输入输出时钟信号VCOCLK，第二控制单元113的第三输入端COU输入第二预设值，第一控制单元112的输出端与逻辑控制单元114相连，第二控制单元113的输出端与逻辑控制单元114相连，逻辑控制单元114与压控振荡器100相连。

比较单元110，用于对控制电压VLPF、最大电压VH和最小电压VL进行比较，其中，最大电压VH为压控振荡器100当前工作频段的最大电压，最小电压VL为压控振荡器100当前工作频段的最小电压；

分频单元111，用于对输入时钟信号INCLK进行分频，生成并分别向第一控制单元112和第二控制单元113发送分频信号，其中，分频信号的频率为输入时钟信号INCLK的频率的1/2；

逻辑控制单元114，用于控制第一控制单元112计数，并控制压控振荡器100切换至上一工作频段，其中，上一工作频段为与压控振荡器100的当前工作频段相邻、且高于压控振荡器100的当前工作频段的频段；以及控制第二控制单元113计数，并控制压控振荡器100切换至下一工作频段，其中，下一工作频段为与压控振荡器100的当前工作频段相邻、且低于压控振荡器100的当前工作频段的频段。

进一步地，图4示出了本发明实施例提供的另一种锁相环的结构示意图。锁相环主体10包括相频检测器101，充电泵102，低通滤波器103，压控振荡器100，以及可编程反馈分频器104；其中，

相频检测器101的第一输入端输入输入时钟信号INCLK，相频检测器101的输出端与充电泵102的输入端相连，充电泵102的输出端与低通滤波器103和压控振荡器100的输入端均相连，低通滤波器103与压控振荡器100的输入端相连，压控振荡器100的输出端与可编程反馈分频器104的输入端相连，可编程反馈分频器104的输出端与相频检测器101的第二输入端相连，低通滤波器103与比较单元110相连。

具体的，相频检测器101，用于接收输入时钟信号INCLK和可编程反馈分频器104发送的反馈时钟信号FBCLK，并比较输入时钟信号INCLK和反馈时钟信号FBCLK的相位，生成相位差值信号，向充电泵102发送相位差值信号；

充电泵102，用于接收相频检测器101发送的相位差值信号，并根据相位差值信号生成充电电流或放电电流；其中，如果输入时钟信号INCLK的相位领先反馈时钟信号FBCLK的相位，充电泵102产生充电电流，对低通滤波器103充电；如果输入时钟信号INCLK的相位落后反馈时钟信号FBCLK的相位，充电泵102产生放电电流，低通滤波器103对充电泵102放电；

低通滤波器103，用于向压控振荡器100输出控制电压VLPF，并根据充电电流或放电电流，控制控制电压VLPF的大小；

压控振荡器100，用于根据低通滤波器103输出的控制电压VLPF生成并输出输出时钟信号VCOCLK；其中，在控制电压VLPF增大时提高输出时钟信号VCOCLK的频率，在控制电压VLPF减小时降低输出时钟信号VCOCLK的频率；

可编程反馈分频器104，用于采集压控振荡器100输出的输出时钟信号VCOCLK，并根据输出时钟信号VCOCLK，生成反馈时钟信号FBCLK，其中，反馈时钟信号FBCLK的频率为输出时钟信号VCOCLK的频率的1/N，其中，N为大于或者等于2的正整数。

具体的，图5示出了一种图4所示的锁相环中频率范围自动控制器11的结构示意图。其中，

比较单元110包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一运算放大器和第二运算放大器；其中，

第一电阻R1的一端输入电压，第一电阻R1的另一端与第一运算放大器的第二输入端相连，第二电阻R2的一端与第一电阻R1的另一端相连，第二电阻R2的另一端与第二运算放大器的第二输入端相连，第三电阻R3的一端与第二电阻R2的另一端相连，第三电阻R3的另一端接地，第一运算放大器的第一输入端输入控制电压VLPF，第二运算放大器的第一输入端输入控制电压VLPF，第一运算放大器的输出端与逻辑控制单元相连，第二运算放大器的输出端与逻辑控制单元相连。

可以理解的是，通过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的结构，合理的控制输入电压的大小和第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的取值，能够控制输入第一运算放大器的第二输入端的电压的大小为最大电压VH的大小，输入第二运算放大器的第二输入端的电压的大小为最小电压VL的大小。

分频单元111为二分频分频器；二分频分频器可以为D类型触发器。

第一控制单元112至少包括第一计数器COUNTER1；第二控制单元113至少包括第二计数器COUNTER2，其中，第一预设值等于第二预设值，第一预设值为正整数。

进而，假设第一预设值和第二预设值为M，图5所示的频率范围自动控制器11的工作原理如下：

第一运算放大器比较控制电压VLPF与最大电压VH，第二运算放大器比较控制电压VLPF与最小电压VL。当第一运算放大器的结果T1＝0，第二运算放大器的结果T0＝1时，表示当前压控振荡器工作在合适的范围，即控制电压VLPF小于最大电压VH、且大于最小电压VL，频率范围自动控制器11不工作。

当T1＝1，T0＝1时，表示控制电压VLPF大于最大电压VH，压控振荡器需要切换到更高的频段，此时第一控制单元112工作，第二控制单元113不工作，第一计数器COUNTER1在一个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期内计数输出时钟信号VCOCLK的个数。如果计数结果为0，说明在一个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期内没有计数到M个输出时钟信号VCOCLK，压控振荡器需要切换到相邻的下一个更高的频段，直到计数结果为1，说明在一个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期内计数到M个输出时钟信号VCOCLK，此时反馈时钟信号FBCLK频率大于输入时钟信号INCLK频率。由于此时控制电压VLPF仍大于最大电压VH，所以需要等待一段时间，如果控制电压VLPF仍大于最大电压VH，则压控振荡器还需要切换到相邻的下一个更高的频段，直至控制电压VLPF小于或者等于最大电压VH，说明压控振荡器进入了适合的频段。频段的最大频率≥INCLK频率M，VCOCLK频率＝INCLK频率*M。

当T1＝0，T0＝0时，表示控制电压VLPF小于最小电压VL，压控振荡器需要切换到更低的频段，此时第一控制单元112不工作，第二控制单元113工作，第二计数器COUNTER2在一个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期内计数输出时钟信号VCOCLK的个数。如果计数结果为1，说明在一个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期内计数到M个输出时钟信号VCOCLK，压控振荡器需要切换到相邻的下一个更低的频段，直到计数结果为0，说明在一个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期内没有计数到M个输出时钟信号VCOCLK，此时反馈时钟信号FBCLK频率小于输入时钟信号INCLK频率。压控振荡器进入了适合的频段。即频段的最小频率≤INCLK频率*M，VCOCLK频率＝INCLK频率*M。

具体的，图6示出了另一种图4所示的锁相环中频率范围自动控制器11的结构示意图。其中，

比较单元110包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一运算放大器和第二运算放大器；其中，

第一电阻R1的一端输入电压，第一电阻R1的另一端与第一运算放大器的第二输入端相连，第二电阻R2的一端与第一电阻R1的另一端相连，第二电阻R2的另一端与第二运算放大器的第二输入端相连，第三电阻R3的一端与第二电阻R2的另一端相连，第三电阻R3的另一端接地，第一运算放大器的第一输入端输入控制电压VLPF，第二运算放大器的第一输入端输入控制电压VLPF，第一运算放大器的输出端与逻辑控制单元相连，第二运算放大器的输出端与逻辑控制单元相连。

可以理解的是，通过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的结构，合理的控制输入电压的大小和第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3的取值，能够控制输入第一运算放大器的第二输入端的电压的大小为最大电压VH的大小，输入第二运算放大器的第二输入端的电压的大小为最小电压VL的大小。

分频单元111为二分频分频器；二分频分频器可以为D类型触发器。

第一控制单元112包括第一计数器COUNTER1和加法器ADDER，加法器ADDER的第一输入端输入数值M，加法器ADDER的第二输入端输入数值δ，加法器ADDER的输出端输出第一预设值，第一预设值为(M+δ)；

第二控制单元113包括第二计数器COUNTER2和减法器SUB，减法器SUB的第一输入端输入数值M，减法器SUB的第二输入端输入数值δ，减法器SUB的输出端输出第二预设值，第二预设值为(M-δ)；

其中，M为正整数，δ为正整数。

进而，图6所示的频率范围自动控制器11的工作原理如下：

第一运算放大器比较控制电压VLPF与最大电压VH，第二运算放大器比较控制电压VLPF与最小电压VL。当第一运算放大器的结果T1＝0，第二运算放大器的结果T0＝1时，表示当前压控振荡器工作在合适的范围，即控制电压VLPF小于最大电压VH、且大于最小电压VL，频率范围自动控制器11不工作。

当T1＝1，T0＝1时，表示控制电压VLPF大于最大电压VH，压控振荡器需要切换到更高的频段，此时第一控制单元112工作，第二控制单元113不工作，第一计数器COUNTER1在一个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期内计数输出时钟信号VCOCLK的个数。如果计数结果为0，说明在一个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期内没有计数到(M+δ)个输出时钟信号VCOCLK，压控振荡器需要切换到相邻的下一个更高的频段，直到计数结果为1，说明在一个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期内计数到(M+δ)个输出时钟信号VCOCLK，此时反馈时钟信号FBCLK频率大于输入时钟信号INCLK频率。由于此时控制电压VLPF仍大于最大电压VH，所以需要等待一段时间，如果控制电压VLPF仍大于最大电压VH，则压控振荡器还需要切换到相邻的下一个更高的频段，直至控制电压VLPF小于或者等于最大电压VH，说明压控振荡器进入了适合的频段。为了避免压控振荡器工作在最高临界位置，可以调整δ的取值，即频段的最大频率≥INCLK频率*(M+δ)，VCOCLK频率＝INCLK频率*M。

当T1＝0，T0＝0时，表示控制电压VLPF小于最小电压VL，压控振荡器需要切换到更低的频段，此时第一控制单元112不工作，第二控制单元113工作，第二计数器COUNTER2在一个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期内计数输出时钟信号VCOCLK的个数。如果计数结果为1，说明在一个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期内计数到(M-δ)个输出时钟信号VCOCLK，压控振荡器需要切换到相邻的下一个更低的频段，直到计数结果为0，说明在一个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期内没有计数到(M-δ)个输出时钟信号VCOCLK，此时反馈时钟信号FBCLK频率小于输入时钟信号INCLK频率。压控振荡器进入了适合的频段。为了避免压控振荡器工作在最低临界位置，可以调整δ的取值，即频段的最小频率≤INCLK频率*(M-δ)，VCOCLK频率＝INCLK频率*M。

图6所示的锁相环由于在第一控制单元112中加入了加法器ADDER，在第二控制单元113中加入了减法器SUB，能够降低锁相环中的压控振荡器连续切换频段的时间的同时，保证了切换的频段留有一定余量，避免压控振荡器工作在临界位置而导致的在温度变化时出现的重新选择频段并重新锁定的状况。

图7示出了本发明实施例提供的一种锁相环的频率范围示意图。以将压控振荡器的输出频率分为8个频段为例，压控振荡器的输出频率可组合为8条曲线(Curve1-Curve8)。可以理解的是，完成一个计数周期通常需要2个输入时钟信号INCLKk的时钟信号周期，为避免切换瞬间频率不稳，用两个计数周期完成一条曲线的频率大小比较，即4个输入时钟信号INCLK的时钟信号周期，所以8条curve最多需要32个输入时钟信号INCLK的时钟周期即可完成寻找频段的过程。这8条曲线有重叠部分(如图7中两条横向虚线之间的区域为Curve1和Curve2的频率重叠区域)，以进而保证整个频率范围的连续性。其中，Curve1的频率最低，但是如果最终工作频率位于在Curve1，还是会存在锁相环的工作频率恰好位于所选频段的最高临界点的问题，所以可将Curve1设在低于要求的工作频率范围之外，即有效工作频率范围为Curve2到Curve8。

图8示出了本发明实施例提供的一种锁相环的升频波形仿真图。从图8中可以看出，当控制电压VLPF>最大电压VH时，T1＝1，频率范围自动控制器开始从curve1一直升频到curve8，在进入curve8时，第一计数器变为1，说明找到了合适的频段，随着控制电压VLPF降低直至小于最大电压VH，T1变为0，锁相环进入锁定模式。

图9示出了本发明实施例提供的一种锁相环的降频波形仿真图。从图9中可以看出，当控制电压VLPF＜最小电压VL时，T0＝0，频率范围自动控制器开始从curve8一直降频到curve2，在进入curve2时，第二计数器变为0，说明找到了合适的频段，随着控制电压VLPF升高直至大于最小电压VL，T0变为1，锁相环进入锁定模式。

本发明实施例提供一种锁相环，通过在锁相环中设置频率范围自动控制器，频率范围自动控制器包括比较单元、分频单元、第一控制单元、第二控制单元和逻辑控制单元。其中，当控制电压大于最大电压时，逻辑控制单元可以控制第一控制单元计数，并控制压控振荡器切换至上一工作频段；当控制电压小于最小电压时，逻辑控制单元可以控制第二控制单元计数，并控制压控振荡器切换至下一工作频段。通过控制第一控制单元或者第二控制单元计数来切换频段的方法，在锁相环需要连续切换频段的场景中，能够在减小锁相环的面积的基础上，降低锁相环中的压控振荡器连续切换频段的时间，提升电路系统的稳定性。

图10示出了本发明实施例提供的一种频率控制方法的流程示意图，该频率范围自动控制器应用在具有上述实施例所描述的任意一项特征的锁相环中，该方法包括：

S101、比较控制电压、最大电压和最小电压的大小。

其中，最大电压为锁相环中压控振荡器当前工作频段的最大电压，最小电压为压控振荡器当前工作频段的最小电压。

S102、若控制电压小于最大电压、且大于最小电压，说明当前压控振荡器工作在合适的频段，频率范围自动控制器不工作。

S103、若控制电压大于最大电压，则利用时钟计数，控制压控振荡器切换至第一工作频段。

其中，第一工作频段为适合压控振荡器工作、且高于压控振荡器的当前工作频段的频段。

具体的，图11示出了本发明实施例提供的另一种频率控制方法的流程示意图，步骤S103具体可以包括：

S103a、判断一个输入时钟信号的时钟周期内是否计数到第一预设值个输出时钟信号的时钟周期。

S103b、若一个输入时钟信号的时钟周期内未计数到第一预设值个输出时钟信号的时钟周期，则控制压控振荡器切换至上一工作频段。

其中，上一工作频段为与压控振荡器的当前工作频段相邻、且高于压控振荡器的当前工作频段的频段。

S103c、若一个输入时钟信号的时钟周期内计数到第一预设值个输出时钟信号的时钟周期，则重复执行下述步骤S103d和S103e直至控制电压小于或者等于最大电压。

S103d、在预设时间后，判断控制电压是否仍大于最大电压。

S103e、若控制电压仍大于最大电压，则控制压控振荡器切换至上一工作频段。

其中，上一工作频段为与压控振荡器的当前工作频段相邻、且高于压控振荡器的当前工作频段的频段。

S103f、若控制电压小于或者等于最大电压，说明压控振荡器进入了适合的频段，频率范围自动控制器停止工作。

S104、若控制电压小于最小电压，则利用时钟计数，控制压控振荡器切换至第二工作频段。

其中，第二工作频段为适合压控振荡器工作、且低于压控振荡器的当前工作频段的频段。

具体的，图12示出了本发明实施例提供的又一种频率控制方法的流程示意图，步骤S104具体可以包括：

S104a、判断一个输入时钟信号的时钟周期内是否计数到第二预设值个输出时钟信号的时钟周期。

S104b、若一个输入时钟信号的时钟周期内计数到第二预设值个输出时钟信号的时钟周期，则控制压控振荡器切换至下一工作频段。

其中，下一工作频段为与压控振荡器的当前工作频段相邻、且低于压控振荡器的当前工作频段的频段。

S104c、若一个输入时钟信号的时钟周期内未计数到第二预设值个输出时钟信号的时钟周期，说明压控振荡器进入了适合的频段，频率范围自动控制器停止工作。

可选的，第一预设值等于第二预设值。

又可选的，为了避免压控振荡器工作在临界位置而导致的在温度变化时出现的重新选择频段并重新锁定的状况，第一预设值为(M+δ)，第二预设值为(M-δ)，其中，M为正整数，δ为正整数。

上述频率控制方法可应用在本发明任意实施例所提供的锁相环中，以达到相应的有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种锁相环，其特征在于，包括：锁相环主体和与所述锁相环主体相连的频率范围自动控制器，所述锁相环主体至少包括压控振荡器；

所述频率范围自动控制器，包括比较单元、分频单元、第一控制单元、第二控制单元和逻辑控制单元，其中，所述比较单元的输入端输入控制电压，所述比较单元的输出端与所述逻辑控制单元相连，所述分频单元的输入端输入输入时钟信号，所述分频单元的输出端分别与所述第一控制单元的第一输入端和所述第二控制单元的第一输入端相连，所述第一控制单元的第二输入端输入输出时钟信号，所述第一控制单元的第三输入端输入第一预设值，所述第二控制单元的第二输入端输入输出时钟信号，所述第二控制单元的第三输入端输入第二预设值，所述第一控制单元的输出端与所述逻辑控制单元相连，所述第二控制单元的输出端与所述逻辑控制单元相连，所述逻辑控制单元与所述压控振荡器相连；

所述比较单元，用于对所述控制电压、最大电压和最小电压进行比较，其中，所述最大电压为所述压控振荡器当前工作频段的最大电压，所述最小电压为所述压控振荡器当前工作频段的最小电压；

所述分频单元，用于对所述输入时钟信号进行分频，生成并分别向所述第一控制单元和所述第二控制单元发送分频信号，其中，所述分频信号的频率为所述输入时钟信号的频率的1/2；

所述逻辑控制单元，用于控制所述第一控制单元计数，并控制所述压控振荡器切换至上一工作频段，其中，所述上一工作频段为与所述压控振荡器的当前工作频段相邻、且高于所述压控振荡器的当前工作频段的频段；以及控制所述第二控制单元计数，并控制所述压控振荡器切换至下一工作频段，其中，所述下一工作频段为与所述压控振荡器的当前工作频段相邻、且低于所述压控振荡器的当前工作频段的频段。

2.根据权利要求1所述的锁相环，其特征在于，所述锁相环主体包括相频检测器，充电泵，低通滤波器，压控振荡器，以及可编程反馈分频器；其中，

所述相频检测器的第一输入端输入所述输入时钟信号，所述相频检测器的输出端与所述充电泵的输入端相连，所述充电泵的输出端与所述低通滤波器和所述压控振荡器的输入端均相连，所述低通滤波器与所述压控振荡器的输入端相连，所述压控振荡器的输出端与所述可编程反馈分频器的输入端相连，所述可编程反馈分频器的输出端与所述相频检测器的第二输入端相连，所述低通滤波器与所述比较单元相连。

3.根据权利要求2所述的锁相环，其特征在于，

所述相频检测器，用于接收所述输入时钟信号和所述可编程反馈分频器发送的反馈时钟信号，并比较所述输入时钟信号和所述反馈时钟信号的相位，生成相位差值信号，向所述充电泵发送所述相位差值信号；

所述充电泵，用于接收所述相频检测器发送的所述相位差值信号，并根据所述相位差值信号生成充电电流或放电电流；

所述低通滤波器，用于向所述压控振荡器输出所述控制电压，并根据所述充电电流或所述放电电流，控制所述控制电压的大小；

所述压控振荡器，用于根据所述低通滤波器输出的所述控制电压生成并输出输出时钟信号；其中，在所述控制电压增大时提高所述输出时钟信号的频率，在所述控制电压减小时降低所述输出时钟信号的频率；

所述可编程反馈分频器，用于采集所述压控振荡器输出的输出时钟信号，并根据所述输出时钟信号，生成所述反馈时钟信号，其中，所述反馈时钟信号的频率为所述输出时钟信号的频率的1/N，其中，N为大于或者等于2的正整数。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的锁相环，其特征在于，所述分频单元为二分频分频器；所述第一控制单元至少包括第一计数器；所述第二控制单元至少包括第二计数器，其中，所述第一预设值等于所述第二预设值，所述第一预设值为正整数。

5.根据权利要求4所述的锁相环，其特征在于，所述第一控制单元包括第一计数器和加法器，所述加法器的第一输入端输入数值M，所述加法器的第二输入端输入数值δ，所述加法器的输出端输出第一预设值，所述第一预设值为(M+δ)；

所述第二控制单元包括第二计数器和减法器，所述减法器的第一输入端输入数值M，所述减法器的第二输入端输入数值δ，所述减法器的输出端输出第二预设值，所述第二预设值为(M-δ)；

其中，M为正整数，δ为正整数。

6.根据权利要求4所述的锁相环，其特征在于，所述比较单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一运算放大器和第二运算放大器；其中，

所述第一电阻的一端输入电压，所述第一电阻的另一端与所述第一运算放大器的第二输入端相连，所述第二电阻的一端与所述第一电阻的另一端相连，所述第二电阻的另一端与所述第二运算放大器的第二输入端相连，所述第三电阻的一端与所述第二电阻的另一端相连，所述第三电阻的另一端接地，所述第一运算放大器的第一输入端输入所述控制电压，所述第二运算放大器的第一输入端输入所述控制电压，所述第一运算放大器的输出端与所述逻辑控制单元相连，所述第二运算放大器的输出端与所述逻辑控制单元相连。

7.根据权利要求4所述的锁相环，其特征在于，所述二分频分频器为D类型触发器。

8.一种频率控制方法，其特征在于，应用在如权利要求1-7中任意一项所述的锁相环中，包括：

比较控制电压、最大电压和最小电压的大小，其中，所述最大电压为所述锁相环中压控振荡器当前工作频段的最大电压，所述最小电压为所述压控振荡器当前工作频段的最小电压；

若所述控制电压大于所述最大电压，则利用时钟计数，控制所述压控振荡器切换至第一工作频段，其中，所述第一工作频段为适合所述压控振荡器工作、且高于所述压控振荡器的当前工作频段的频段；

若所述控制电压小于所述最小电压，则利用时钟计数，控制所述压控振荡器切换至第二工作频段，其中，所述第二工作频段为适合所述压控振荡器工作、且低于所述压控振荡器的当前工作频段的频段。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述利用时钟计数，控制所述压控振荡器切换至第一工作频段，包括：

判断一个输入时钟信号的时钟周期内是否计数到第一预设值个输出时钟信号的时钟周期；

若一个输入时钟信号的时钟周期内未计数到第一预设值个输出时钟信号的时钟周期，则控制所述压控振荡器切换至上一工作频段，其中，所述上一工作频段为与所述压控振荡器的当前工作频段相邻、且高于所述压控振荡器的当前工作频段的频段；

若一个输入时钟信号的时钟周期内计数到第一预设值个输出时钟信号的时钟周期，则重复执行下述步骤直至所述控制电压小于或者等于所述最大电压：

在预设时间后，判断所述控制电压是否仍大于所述最大电压；

若所述控制电压仍大于所述最大电压，则控制所述压控振荡器切换至上一工作频段，其中，所述上一工作频段为与所述压控振荡器的当前工作频段相邻、且高于所述压控振荡器的当前工作频段的频段。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述利用时钟计数，控制所述压控振荡器切换至第二工作频段，包括：

判断一个输入时钟信号的时钟周期内是否计数到第二预设值个输出时钟信号的时钟周期；

若一个输入时钟信号的时钟周期内计数到第二预设值个输出时钟信号的时钟周期，则控制所述压控振荡器切换至下一工作频段，其中，所述下一工作频段为与所述压控振荡器的当前工作频段相邻、且低于所述压控振荡器的当前工作频段的频段。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一预设值等于第二预设值。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一预设值为(M+δ)，所述第二预设值为(M-δ)，其中，M为正整数，δ为正整数。