用三只IC建立一個數(shù)字PLL

本設(shè)計思想中的簡單電路給出了一個傳統(tǒng)模擬鎖相環(huán)的基礎(chǔ)特性，但電路中除了基準(zhǔn)振蕩器以外，沒有其它的模擬元件。雖然其它可用的數(shù)字PLL，包括那些采用加/減計數(shù)器的數(shù)字PLL，但本文這個更簡單也更靈活。

此電路最早在30多年前用作時鐘再生器，用于磁記錄中自帶時鐘碼（如曼徹斯特碼或雙相碼）的數(shù)據(jù)分隔器。很快人們就明白了它有很多其它應(yīng)用。該電路亦可以作為伺服控制器的基礎(chǔ)，用于磁帶驅(qū)動器的走帶輪電機/轉(zhuǎn)速計。LSI磁盤/磁帶控制芯片同時包括了數(shù)據(jù)分隔器和走帶輪伺服控制器，其優(yōu)點是沒有模擬電路，不需要調(diào)節(jié)。由于它很早以前就已用于批量的產(chǎn)品中，因此今天已沒有專利問題，可以免費使用。

圖1中的例子只使用了三只IC，可快速制作出原型電路，解釋也很簡單。74161計數(shù)器輸出與預(yù)置輸入端之間的連接，構(gòu)成了一個實現(xiàn)查詢表的基本ROM（表1）。16XREF應(yīng)是一個方波，或至少不是一個窄脈沖，因為必須考慮在上升沿和下降沿以及設(shè)置時間出現(xiàn)的情況。INPUT脈沖必須足夠長，以滿足為7474 D觸發(fā)器所挑選邏輯系列器件對時鐘脈沖寬度的要求。

圖1 計數(shù)器裝入自己的數(shù)據(jù)輸入，從而產(chǎn)生一個鎖定到輸入信號的輸出。

在原型測試時，使INPUT大約為16XREF頻率的1/16，當(dāng)緩慢改變INPUT頻率時，查看輸出。使用一臺能夠精細調(diào)節(jié)INPUT的信號發(fā)生器，測量1/16 XREF源的略偏上和偏下處的鎖定范圍。抖動等于16XREF的時鐘周期，但當(dāng)INPUT變化為±20%或更多時，輸出會保持鎖定住INPUT。當(dāng)頻率互相接近時，可以臨時斷開計數(shù)器的Pin 9，觀察輸出滑過INPUT。重新連接Pin 9可證明鎖定動作。當(dāng)INPUT是16XREF的精確1/16時，輸出為方波，當(dāng)高于或低于中心頻率時，輸出會成為長方形。

表1 最小計數(shù)器預(yù)置

運行時，計數(shù)器連續(xù)計數(shù)，但INPUT信號的每個上升沿都會在計數(shù)器產(chǎn)生一個預(yù)置脈沖。從表1的計數(shù)與預(yù)置值，可以推測出，每當(dāng)計數(shù)器得到一個預(yù)置脈沖，計數(shù)就會更接近于7或8。如果它已經(jīng)是7或8，則就會保持不變。伺服循環(huán)誤差信號是在預(yù)置信號到達的時刻，計數(shù)器當(dāng)前狀態(tài)與7或8之間的差。這個簡單例子使用了計數(shù)值，將用于預(yù)置的誤差信號減半。

如果INPUT信號是基準(zhǔn)的精確1/16，但起始的相位差180°，則第一個預(yù)置脈沖可能在計數(shù)器為15時出現(xiàn)。于是，計數(shù)器預(yù)置為11，從這里恢復(fù)計數(shù)。在下一個預(yù)置脈沖時，計數(shù)器為10，預(yù)置到9。接下來的預(yù)置脈沖出現(xiàn)在計數(shù)為8時，并預(yù)置到8。然后會預(yù)置到7；當(dāng)計數(shù)器為6下一個預(yù)置脈沖到來時，它再次預(yù)置為7，現(xiàn)在就同步了。預(yù)置脈沖恰于計數(shù)器的最高有效位從0變1時到來，這也是INPUT信號正在做的動作。

如果INPUT信號略慢于基準(zhǔn)的1/16，則當(dāng)計數(shù)器計到超過8時（如到12），預(yù)置脈沖到來。它將預(yù)置值設(shè)為10。但由于INPUT信號太慢，當(dāng)下個預(yù)置脈沖到來時，計數(shù)器再次回到12。電路仍然鎖定，但MSB會延長以適配于較慢的INPUT信號。對于快于1/16基準(zhǔn)的INPUT信號，相同過程維持著鎖定，但MSB信號的周期縮小，以維持鎖定。

如果INPUT過慢，計數(shù)器超過了15并返回到0，或在預(yù)置發(fā)生以前就超出，則發(fā)生失鎖情況。如果在下一個預(yù)置脈沖到來以前，計數(shù)器甚至不能計數(shù)到0，也很可能會失鎖。電路可以鎖定在16X基準(zhǔn)的倍數(shù)或約數(shù)上。

可以對鎖定特性作一些調(diào)整，增加更多的計數(shù)器位，在計數(shù)器輸出端與預(yù)置的輸入端之間放一個ROM，減少抖動（圖2和圖3）。例如，使用一只PROM，可以將誤差除以3或4，增加鎖定區(qū)間。另外，還可以用一只PROM，將誤差信號減1或減2，而不是將誤差除以2。這種方法可明顯收窄鎖定區(qū)間。PROM的多余輸出線（不用于計數(shù)器預(yù)置）還可以用于其它功能。

由于計數(shù)器的預(yù)置脈沖出現(xiàn)于有誤差信號的那個時刻，因此可以在PROM里寫更多的位，鎖存供其它應(yīng)用使用的錯誤條件，如指示一個未鎖存的狀態(tài)，或指示INPUT頻率相對于基準(zhǔn)信號的高、低或正中。這種方法用于電機控制器時，可以指出電機的負載是輕、中等還是重。對于其它應(yīng)用，可以編寫第二個并行PROM，將采樣送給一個DAC而生成一個正弦波，或為一個電源轉(zhuǎn)換器生成一個準(zhǔn)正弦波。

圖2 兩個計數(shù)器和一個PROM增強了鎖定功能的多用性。

作為走帶輪電機伺服控制器時，轉(zhuǎn)速計是給PLL的INPUT，而電機速度鎖定到晶體的基準(zhǔn)頻率。PROM的一個輸出位（針對電機PWM信號作了修正）使伺服控制更好地控制占空比。預(yù)置的MSB為0，迫使系統(tǒng)在鎖定情況下，工作在下半地址空間內(nèi)。這種方案空出了PROM的最高輸出線，使之成為電機控制信號。

圖3 用示波器中上方軌跡的輸入信號作觸發(fā)，可以在示波器的下面軌跡看到被鎖定的輸出信號抖動。

使用一個8 bit計數(shù)器和一個256×8-bit PROM，可提供很多空間和選項，以優(yōu)化電機在各種變化負載狀況下的性能。對PROM最高線的編程決定了在計數(shù)器周期中，電機PWM信號開和關(guān)的位置。如果電機負載大，則它會降速，使計數(shù)器計數(shù)更長，較大于預(yù)置發(fā)生前。當(dāng)計數(shù)器計數(shù)較高時，電機位保持有效的時間更久，增加了PWM信號的占空比，對重載作出補償。伺服的中點是63/64，將鎖定操作保持在下半地址空間內(nèi)。因此，上半地址空間只用于電機起動時，所以，每當(dāng)計數(shù)器是在這個高數(shù)時，就將PROM的電機PWM位寫為“on”，可以提供額外的起動轉(zhuǎn)矩。

寫入ROM還可以控制鎖定區(qū)間，或回路增益，以適配于負載的變化；還可以修改占空比以配合電機的轉(zhuǎn)矩特性；并且還可以控制起動轉(zhuǎn)矩。