CN1441554A - 锁相回路运作方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锁相回路运作方法与装置，利用计数器计算外在振荡器产生的输入频率一个周期的时间计算的值作为期许值，及计算电压控制振荡器产生的输出频率一个周期的时间计算的值，比较这两值的大小，而输出比较值为控制信号，电压控制振荡器依比较值的大小而改变调整输出频率的速率，使比较值大时，调整速度较快，使比较值小时，调整速度较慢，因此，可以使输出频率更快调整至欲输出的频率，更可避免无法收敛的情况。

Description

锁相回路运作方法与装置

技术领域

本发明涉及用于锁相回路的方法，特别是利用计数器来控制电压控制器调整速度的锁相回路运作方法与装置。

背景技术

现在，各种各样的锁相回路(Phase-locked Loop，PLL)已被广泛应用于电子技术和自动控制的各个方面。从普通的无线接收机到精密的导弹，几乎都有锁相回路的影子。

锁相回路100最基本的结构如图1A所示。它由三个基本的组件：相位比较电路14(Phase Comparator)、低通回路滤波器18(Low PassFilter，LPF)和电压控制振荡20(voltage control oscillation，VCO)。相位比较电路14是个相位比较装置。它把输入信号10和电压控制震荡器的输出信号12的相位进行比较，然后产生对应于两个信号相位差的误差信号16。低通回路滤波器18的作用是用以滤除误差信号16中含有的高频成分和一些回路中产生的高频杂讯，用以确保锁相回路100的性能，并增加系统的稳定度。

误差信号16经过低通回路滤波器18后会得到控制电压22。电压控制振荡器20受到控制电压22的控制，使电压控制振荡器20所产生的输出信号12的频率向输入信号10的频率靠近，直到消除输出信号12的频率与输入信号10的频率的频差而锁定。

锁相回路100是相位误差的控制系统，利用比较输入信号10和电压控制振荡信号之间的相位差，从而产生误差信号16控制电压22来调整电压控制振荡器20，以达到与输入电压同频。在锁相回路100开始工作时，如果输入信号10的频率与电压控制振荡器20输出信号12的频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必一直变化，结果相位比较电路14的误差信号16就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，电压控制振荡20的频率也在变化，此时称锁相回路100位于未锁定状态。若电压控制振荡20的频率能够变化到与输入信号10频率相等，在满足稳定性条件下，输出信号12会稳定在此频率上，输入信号10与输出信号12之间的频差为零，相位不再随时间变化，误差电压为一固定值，此时称锁相回路100位于锁定状态。相反的，当输出信号12的频率与输入信号10的频率的频差未消除前，锁相回路100位于未锁定状态。

一般输入信号10是固定值，例如石英振荡器提供约十四百万赫兹的频率，而实际使用时，配合不同的情况，必须有不同的频率作为输入信号10。因此常会在锁相回路100内增加除频器一24、除频器二26，变成锁相回路合成器200，参考图1B。除频器一24置于相位比较电路14之前，用以来将输入信号10除一倍率N，除频器二26置于电压控制振荡器20与相位比较电路14之间，将输出信号12的频率除一固定的倍率M，利用相位比较电路14把除频输入信号10a和电压控制震荡器的除频输出信号12a的相位进行比较，然后产生对应于两个信号相位差的误差信号16a。误差信号16a经过低通回路滤波器18后会得到控制电压22。电压控制振荡器20受到控制电压22的控制，使电压控制振荡器20所产生的输出信号12的频率向输入信号10的频率靠近，直到消除输出信号12的频率与输入信号10的频率的频差而锁定。此时锁定的输出信号12的频率与输入信号10会有M/N的比率而不一定相等。于是利用除频器一24、除频器二26的加入，可使锁相回路合成器200的输出信号12的频率不再只能和输入信号10的频率相同，可以依不同的频率需求调整除频器一24、除频器二26的比例，而输出不同的频率。

但现有的锁相回路合成器会有一些缺点，例如除错频的问题。除错频的问题主要是发生在低通回路滤波器的设计不良，造成一些较高频的频率没有滤掉，而一些与欲输出信号有一整数比的频率部分在相位比较电路上无法判别出，而使输出信号的频率锁定于较高的频率上。参考图1C与图1D的两个例子，在除频输入信号的一个周期的启始点与若恰巧与除频输出信号的某一个周期的启始点或终止点同时出现及除频输入信号的一个周期的终止点与若恰巧与除频输出信号的另一个周期的启始点或终止点同时出现时(图1C与图1D的30与32处)，相位比较电路会无法判别出，造成倍错频的现象。或者由于电压控制振荡器仅能提供单一的速率来使调整输出信号，使频率往欲输出的频率调整，但一些情况下，例如：调整幅度过大，使原本输出的频率比理想频率慢(或快)，经一次调整后变成快(或慢)，下次调整后又变成比理想频率慢(或快)，如此周而复始；或者相位比较电路14的误差信号16的输出较慢，造成调整上的落差等，这些都可能使调整的输出频率会以欲输出的频率为中心上下振荡变化而无法收敛，使频率无法锁定于欲输出的频率。再者，在高倍率的频率合成中，现有的锁相回路合成器的比较相位电路需要较长的时间才能比较而产生误差信号，所以锁定的时间也因此变长，而且收敛也较为不易，因此容易产生频率飘移而无法有效地锁定的问题。

因此，本发明提供一个方法，可以有效地克服现有的锁相回路合成器的缺点，使锁相回路合成器能有更高的效率及稳定性。

发明内容

鉴于上述的背景技术中，现有技术中的锁相回路合成器会有倍错频、频率无法收敛及高倍率的合成频率容易飘移的问题。因此，本发明的主要目的在于提供一种控制电压控制振荡器速率的方法，利用除频输入频率与除频输出频率的周期上时间差异，以计数器来计算此差异，可准确得出两频率的时间差异来调整输出频率，以避免倍错频的情况，减少错误的机率，增加锁相回路合成器的可信度。

本发明的另一目的为提供一种控制电压控制振荡器速率的方法，利用除频输入频率与除频输出频率的周期上时间差异，以计数器来计算此差异，以差异的大小来调整电压控制振荡器的调整速率，使锁相回路合成器能有效地收敛而不发散。

本发明的再一目的为提供一种控制电压控制振荡器速率的方法，利用除频输入频率与除频输出频率的周期上时间差异，以计数器来计算此差异，以差异的大小来调整电压控制振荡器的调整速率，如此调整速率可配合实际差异而增快或减慢，整体而言，可使输出频率快速收敛至预定的频率，减少锁定过程所需时间，增加锁相回路合成器的效率。

本发明的又一目的为提供一种控制电压控制振荡器速率的方法，利用除频输入频率与除频输出频率的周期上时间差异，以计数器来计算此差异，其计算过程可在一个周期内完成，故调整电压控制振荡器速率使锁相回路合成器在高倍率的频率合成中也能快速收敛至预定的频率，因此可使高倍率的合成频率中不会因需长时间来比较相位而产生频率飘移的问题，增加锁相回路合成器的系统稳定度。

本发明的另一目的为提供一种控制电压控制振荡器速率的方法，可以有效避免倍错频的情况，因此可以不需低通回路滤波器来除去高频中可能误判而产生倍错频的频率，，因此可以减少低通回路滤波器，以减少成本，并且节省电路所需的空间。

根据以上所述的目的，本发明提供了一种控制电压控制振荡器速率的方法。本发明利用调整电压控制振荡器的速率，可以确保输出信号的频率可收敛至预定的输出频率，增加系统的可信度，并利用非单一、线性的收敛速度，使锁定的时间缩短，增加系统的效率，而且于高倍率的频率合成中也能有效，并快速收敛至预定的频率，因此可解决在高倍率的合成频率中容易飘移的问题，增加锁相回路合成器的系统稳定度。另外，在无低通回路滤波器的情况也能有效锁住频率，因此可以减少低通回路滤波器，以减少成本，并且节省电路所需的空间。

附图说明

图1A-B为现有技术的锁相回路合成器的结构方块图；

图1C-D为现有技术的锁相回路合成器的除错频的示意图；

图2A-B为本发明一较佳实施例的锁相回路合成器的结构方块图；

图2C-E为本发明另一较佳实施例的锁相回路合成器的结构方块图；

图2F为计数器计算数值的示意图。

图中符号说明

10    输入信号

10a   除频输入信号

12    输入信号

12a   除频输入信号

14    相位比较电路

16    误差信号

18    低通回路滤波器

20    电压控制振荡器

22    控制电压

24    除频器一

26    除频器二

30    信号周期的启始点或终止点

32    另一信号周期的启始点或终止点

40    计数器

42    误差信号

44    回路滤波器

100   锁相回路

200  锁相回路合成器

300  锁相回路合成器

E    期许值

M    除频器倍率

N    除频器倍率

X    计数值

具体实施方式

本发明的一些实施例会详细描述如下。然而，除了详细描述外，本发明还可以广泛地在其它的实施例施行，且本发明的保护范围不受限定，其以权利要求书的范围为准。

本发明的一较佳实施例如图2A所示。在本实施例中，锁相回路合成器300主要包含了两个组件：计数器40(counter)、电压控制振荡器20。计数器40计算输入信号10一个周期时间，计数器40计算的值，参考图2F，而这产生的值为期许值E，而输出频率12的一个周期时间，计数器40所产生的值则为计数值X。因此，计数器40可输出期许值E与计数值X之差作为误差信号42。所以，当输入信号10与输出信号12的频率相差较大时，其误差信号42的值也较大，而输入信号10与输出信号12的频率相差较小时，其误差信号42的值也也跟着变小。利用误差信号42值的大小控制电压控制振荡器20，使电压控制振荡器20的速率加快或减缓，使输出频率12的调整速率跟着与输入信号10的频率的误差大小变化，如此可避免现有技术中，相位比较器仅能输出单一的正或负的信号，而仅有单一调整速率的情况。

因此，在本实施例中，锁相回路合成器300利用计数器40，产生输出信号12的计数值X与输入信号10的期许值E的误差为误差信号42，可以控制电压控制振荡器20的速率，而非单一性的调整速度。如此，输出信号12的频率离预期远时，可以快速往预期的频率修正，而输出信号12的频率接近预期时，可以微调往预期的频率修正，以避免过度修正，故可达到快速锁定及避免发散而无法收敛的情况，提高锁相回路合成器300的效率、可信度及稳定度。而且计数器40可在一个输入信号10或输出信号12的周期内产生期许值E与计数值X，故误差信号的产生时间不会因高频而变长，高倍率的合成中也可快速锁定频率。

另外，本发明也可以使用回路滤波器44(参考图2B)，用以滤除差频信号中高频的噪声，使电压控制振荡器20的输出更为平滑，则输出信号可避免频率凸波(spurious)的产生。

本发明的另一较佳实施例如图2C所示，在本实施例中，锁相回路合成器300主要包含了三个组件：计数器40、电压控制振荡器20及除频器24。除频器24有一除频倍率N，可将输入频率10除以N，产生除频输入频率10a到计数器40。计数器40计算除频输入频率10a在一个周期时，计数器40所产生的值为期许值E，而输出频率12的一个周期计数器40所产生的值为计数值X。因此，计数器40可输出期许值E与计数值X之差作为误差信号42。所以，当除频输入信号10a与输出信号12的频率相差较大时，其误差信号42的值也较大，而除频输入信号10a与输出信号12的频率相差较小时，其误差信号42的值也也跟着变小。利用误差信号42值的大小控制电压控制振荡器20，使电压控制振荡器20的速率加快或减缓，使输出频率12的调整速率跟着误差信号42大小变化。相同的，除频器也可以是置于电压控制振荡器20输出输出信号12到计数器40的电路上，用以将输出信号除频后输入计数器40，而计数器40比较除频输出信号12a与输入信号10，计数器40再将比较后的误差信号传送给电压控制振荡器20。

因此，在本实施例中，锁相回路合成器300利用计数器40，产生输出信号12的计数值X与除频输入信号10a的期许值E的误差为误差信号42；或者，除频器置于电压控制振荡器20输出输出信号12到计数器40的电路上时，计数器40产生除频输出信号12a的计数值X与输入信号10的期许值E的误差为误差信号42，利用误差信号42可以控制电压控制振荡器20的速率，产生非单一性、非线性的收敛，如此就算在高倍率的的合成频率中也可以达到快速锁定及避免无法收敛的情况，因此可提高锁相回路合成器300的效率、可信度及稳定度。而且，利用除频器，可使输出频率12与输入频率10维持一倍率N，如此输出频率12的范围可不限于必须和输入频率10相同，而可以配合不同的环境需求，调整为不同的除频倍率N，即可得到适合的输出频率。再者亦可同时在计数器40输出误差信号42至电压控制振荡器20的线路上加入除频器24(除频倍率N)及在电压控制振荡器20输出信号至计数器40的线路上加入除频器26(除频倍率为M)，可使计数器40接收到除频输入频率10a与除频输出频率12a，使输出频率变为输入频率的M/N倍，提供更多的倍率转换，参考图2D。另外，本发明可以使用回路滤波器44(例如：参考图2E)，用以滤除差频信号中高频的杂讯，使电压控制振荡器20的输出更为平滑，则输出信号可避免频率凸波(spurious)的产生。

本发明的实施例的计数器40可以与除频器结合，而成为可编程计数器，如此可以配合不同需求产生多种频率。而也可以使用石英振荡器，来提供输入频率给计数器40，产生所需的输出频率。

综合以上所述，本发明揭露了一种锁相回路频率合成器控制电压控制振荡的方法。根据本发明的锁相回路频率合成器控制电压控制振荡的方法，可以确保输出信号的频率可收敛至预定的输出频率，增加系统的可信度，并利用非单一、线性的收敛速度，使锁定的时间缩短，增加系统的效率，而且于高倍率的频率合成中也能有效，并快速收敛至预定的频率，因此可解决在高倍率的合成频率中容易飘移的问题，增加锁相回路合成器的系统稳定度。另外，在无低通回路滤波器的情况下也能有效锁住频率，因此可以减少低通回路滤波器，以减少成本，并且节省电路所需的空间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的保护范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种锁相回路运作方法，其特征在于，包含：

用一计数器，分别计算来自一输入端的一输入频率与来自一电压控制振荡器的一输出频率的一个周期所计算的值，并比较该两计算值的差为一比较值；以及

用该电压控制振荡器，接收该比较值，依该比较值来修正该输出频率，然后输出修正的该输出频率至该计数器及一输出端。

2.如权利要求1所述的锁相回路运作方法，其特征在于，上述的电压控制振荡器的调整输出频率速率会随着该比较值变化，该比较值数值较大时，该调整输出频率速率会较快，该比较值数值较小时，该调整输出频率速率会较慢。

3.如权利要求1所述的锁相回路运作方法，其特征在于，更包含一除频器，以调整来自该输入端的该输入频率与来自一电压控制振荡器的一输出频率，该计数器，分别计算该调整后的该输入频率与该输出频率的一个周期所计算的值，并比较该两计算值的差为该比较值，该电压控制振荡器，接收该比较值，调整并产生该输出频率。

4.如权利要求1所述的锁相回路运作方法，其特征在于，更包含一回路滤波器，位于该计数器输出该比较值至该电压控制振荡器的一电路上，用以滤除电路中高频的杂讯。

5.如权利要求1所述的锁相回路运作方法，其特征在于，上述的计数器与一除频器结合，形成一可编程的计数器，可产生多种频率。

6.一种用于锁相回路运作方法，其特征在于，包含：

用一除频器，接收来自一输入端的一输入频率，使该输入频率除一倍率而成为一除频输入频率。

用一计数器，分别计算该除频输入频率与来自一电压控制振荡器的一输出频率的一个周期所计算的值，并比较该两计算值的差为一比较值；以及

用该电压控制振荡器，接收该比较值，依该比较值来修正该输出频率，然后输出修正的该输出频率至该计数器及一输出端。

7.如权利要求6所述的锁相回路运作方法，其特征在于，上述的电压控制振荡器的调整输出频率速率会随着该比较值变化，该比较值数值较大时，该调整输出频率速率会较快，该比较值数值较小时，该调整输出频率速率会较慢。

8.如权利要求6所述的锁相回路运作方法，其特征在于，更包含一回路滤波器，位于该计数器输出该比较值至该电压控制振荡器的一电路上，用以滤除电路中高频的杂讯。

9.一种锁相回路合成器，其特征在于，包含：

一计数器，分别计算来自一输入端的一输入频率与来自一电压控制振荡器的一输出频率的一个周期所计算的值，并比较该两计算值的差为一比较值；以及

该电压控制振荡器，接收该比较值，依该比较值来修正该输出频率，然后输出修正的该输出频率至该计数器及一输出端。

10.如权利要求9所述的锁相回路运作方法，其特征在于，上述的电压控制振荡器的调整输出频率速率会随着该比较值变化，该比较值数值较大时，该调整输出频率速率会较快，该比较值数值较小时，该调整输出频率速率会较慢。

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