锁相环中的鉴相器了解不?

前几天,看到一个比喻,说锁相环是一个电路的心脏,没有它,整个电路都工作不了了。
想想也是,没有锁相环,混频器没法变频,adc没法采样,确实很重要。
实际的pll电路肯定相当复杂,不过,可以从简单的看起。
一个最最简单的pll,有三部分组成,vco,鉴相器(pd)和低通滤波器。
这篇文章呢,就先讲讲鉴相器的原理。
鉴相器(phase detector/pd)
鉴相器,英文名为phase detector,简称pd。
phase detector直译过来为相位检测器,读上去好像比鉴相器通俗一点哦。
相位检测器,就如其字面意思,就是检测相位用的。不过呢,它是对两个信号的相位差做出反应。也就是说,它不管你相位的绝对值,它是比较两个相位的相对值。相位检测器的输出呢,一般是一个电压,而且这个电压与相位差呈线性关系。如下图所示。
它的主要工作时用来测量两个信号之间的相位差,然后输出一个参量,比如说电压。而这个电压与相位差呈线性关系。
如果v1(t)和v2(t)的频率不相等的话,两者的相位差则会随时间发生变化。如下图所示。
pd怎么实现呢?
那上述的功能怎么用电路实现出来呢?
异或门
或许你想不到,一个简单的异或门(xor)就可以实现上面的功能。当然,实际电路可能比这个复杂,这个等我了解到了,再谈。
目前,先从原理层面上看看。
异或门的真值表如下:
换成文字描述就是:当两个输入相同时,输出为0;当两个输入不同时,输出为1.
异或门当做pd来使用时,其工作原理如下图所示。
如上图所示,两个方波信号v1和v2,而v2的相位比v1滞后,即v2的变化沿要比v1的来的晚一点。
在一个周期内,v1和v2会有一段时间,电平不一致。
当v1和v2经过异或门时,两者电平不同时,异或门输出高;当两者电平相同时,异或门输出低。这样,异或门就将v1和v2的相位差,与电压输出连接起来了。
输出vout是一系列的脉冲信号,因为上升沿处要高一次,下降沿处要高一次,所以该脉冲信号的频率是输入信号的2倍。
脉冲宽度与信号之间相位差的大小成正比关系,也就是说,相位差大,脉冲宽;相位差小,脉冲窄。
脉冲信号的平均值如下图所示,与相位差线性相关。
当v1和v2相差180度时,这时vout的输出恒定为1, 此时vout的平均值最大。
当v1和v2的相位差超过180度时,vout的平均值开始线性下降。
因此,当xor作为pd时,其输入输出的特性曲线如下图所示。
另外,模拟乘法器(或者混频器),也可当成pd来使用。想不到吧?
其输入输出特性曲线如下图所示。


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