用三只IC建立一個(gè)數(shù)字PLL

本設(shè)計(jì)思想中的簡(jiǎn)單電路給出了一個(gè)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(méi)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(jì)數(shù)器的數(shù)字PLL，但本文這個(gè)更簡(jiǎn)單也更靈活。

此電路最早在30多年前用作時(shí)鐘再生器，用于磁記錄中自帶時(shí)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(dòng)器的走帶輪電機(jī)/轉(zhuǎn)速計(jì)。LSI磁盤(pán)/磁帶控制芯片同時(shí)包括了數(shù)據(jù)分隔器和走帶輪伺服控制器，其優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)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(méi)有專(zhuān)利問(wèn)題，可以免費(fèi)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(jiǎn)單。74161計(jì)數(shù)器輸出與預(yù)置輸入端之間的連接，構(gòu)成了一個(gè)實(shí)現(xiàn)查詢(xún)表的基本ROM（表1）。16XREF應(yīng)是一個(gè)方波，或至少不是一個(gè)窄脈沖，因?yàn)楸仨毧紤]在上升沿和下降沿以及設(shè)置時(shí)間出現(xiàn)的情況。INPUT脈沖必須足夠長(zhǎng)，以滿(mǎn)足為7474 D觸發(fā)器所挑選邏輯系列器件對(duì)時(shí)鐘脈沖寬度的要求。

圖1 計(jì)數(shù)器裝入自己的數(shù)據(jù)輸入，從而產(chǎn)生一個(gè)鎖定到輸入信號(hào)的輸出。

在原型測(cè)試時(shí)，使INPUT大約為16XREF頻率的1/16，當(dāng)緩慢改變INPUT頻率時(shí)，查看輸出。使用一臺(tái)能夠精細(xì)調(diào)節(jié)INPUT的信號(hào)發(fā)生器，測(cè)量1/16 XREF源的略偏上和偏下處的鎖定范圍。抖動(dòng)等于16XREF的時(shí)鐘周期，但當(dāng)INPUT變化為±20%或更多時(shí)，輸出會(huì)保持鎖定住INPUT。當(dāng)頻率互相接近時(shí)，可以臨時(shí)斷開(kāi)計(jì)數(shù)器的Pin 9，觀(guān)察輸出滑過(guò)INPUT。重新連接Pin 9可證明鎖定動(dòng)作。當(dāng)INPUT是16XREF的精確1/16時(shí)，輸出為方波，當(dāng)高于或低于中心頻率時(shí)，輸出會(huì)成為長(zhǎng)方形。

表1 最小計(jì)數(shù)器預(yù)置

運(yùn)行時(shí)，計(jì)數(shù)器連續(xù)計(jì)數(shù)，但I(xiàn)NPUT信號(hào)的每個(gè)上升沿都會(huì)在計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)預(yù)置脈沖。從表1的計(jì)數(shù)與預(yù)置值，可以推測(cè)出，每當(dāng)計(jì)數(shù)器得到一個(gè)預(yù)置脈沖，計(jì)數(shù)就會(huì)更接近于7或8。如果它已經(jīng)是7或8，則就會(huì)保持不變。伺服循環(huán)誤差信號(hào)是在預(yù)置信號(hào)到達(dá)的時(shí)刻，計(jì)數(shù)器當(dāng)前狀態(tài)與7或8之間的差。這個(gè)簡(jiǎn)單例子使用了計(jì)數(shù)值，將用于預(yù)置的誤差信號(hào)減半。

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

如果INPUT信號(hào)略慢于基準(zhǔn)的1/16，則當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到超過(guò)8時(shí)（如到12），預(yù)置脈沖到來(lái)。它將預(yù)置值設(shè)為10。但由于INPUT信號(hào)太慢，當(dāng)下個(gè)預(yù)置脈沖到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器再次回到12。電路仍然鎖定，但MSB會(huì)延長(zhǎng)以適配于較慢的INPUT信號(hào)。對(duì)于快于1/16基準(zhǔn)的INPUT信號(hào)，相同過(guò)程維持著鎖定，但MSB信號(hào)的周期縮小，以維持鎖定。

如果INPUT過(guò)慢，計(jì)數(shù)器超過(guò)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(gè)預(yù)置脈沖到來(lái)以前，計(jì)數(shù)器甚至不能計(jì)數(shù)到0，也很可能會(huì)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(duì)鎖定特性作一些調(diào)整，增加更多的計(jì)數(shù)器位，在計(jì)數(shù)器輸出端與預(yù)置的輸入端之間放一個(gè)ROM，減少抖動(dòng)（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(hào)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(xiàn)（不用于計(jì)數(shù)器預(yù)置）還可以用于其它功能。

由于計(jì)數(shù)器的預(yù)置脈沖出現(xiàn)于有誤差信號(hào)的那個(gè)時(shí)刻，因此可以在PROM里寫(xiě)更多的位，鎖存供其它應(yīng)用使用的錯(cuò)誤條件，如指示一個(gè)未鎖存的狀態(tài)，或指示INPUT頻率相對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)的高、低或正中。這種方法用于電機(jī)控制器時(shí)，可以指出電機(jī)的負(fù)載是輕、中等還是重。對(duì)于其它應(yīng)用，可以編寫(xiě)第二個(gè)并行PROM，將采樣送給一個(gè)DAC而生成一個(gè)正弦波，或?yàn)橐粋€(gè)電源轉(zhuǎn)換器生成一個(gè)準(zhǔn)正弦波。

圖2 兩個(gè)計(jì)數(shù)器和一個(gè)PROM增強(qiáng)了鎖定功能的多用性。

作為走帶輪電機(jī)伺服控制器時(shí)，轉(zhuǎn)速計(jì)是給PLL的INPUT，而電機(jī)速度鎖定到晶體的基準(zhǔn)頻率。PROM的一個(gè)輸出位（針對(duì)電機(jī)PWM信號(hào)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(xiàn)，使之成為電機(jī)控制信號(hào)。

圖3 用示波器中上方軌跡的輸入信號(hào)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(hào)抖動(dòng)。

使用一個(gè)8 bit計(jì)數(shù)器和一個(gè)256×8-bit PROM，可提供很多空間和選項(xiàng)，以?xún)?yōu)化電機(jī)在各種變化負(fù)載狀況下的性能。對(duì)PROM最高線(xiàn)的編程決定了在計(jì)數(shù)器周期中，電機(jī)PWM信號(hào)開(kāi)和關(guān)的位置。如果電機(jī)負(fù)載大，則它會(huì)降速，使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)更長(zhǎng)，較大于預(yù)置發(fā)生前。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)較高時(shí)，電機(jī)位保持有效的時(shí)間更久，增加了PWM信號(hào)的占空比，對(duì)重載作出補(bǔ)償。伺服的中點(diǎn)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(jī)起動(dòng)時(shí)，所以，每當(dāng)計(jì)數(shù)器是在這個(gè)高數(shù)時(shí)，就將PROM的電機(jī)PWM位寫(xiě)為“on”，可以提供額外的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

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