如何仅用三只IC建立一个数字PLL

　　本设计思想中的简单电路给出了一个传统模拟锁相环的基础特性，但电路中除了基准振荡器以外，没有其它的模拟元件。虽然其它可用的数字PLL，包括那些采用加/减计数器的数字PLL，但本文这个更简单也更灵活。

　　此电路最早在30多年前用作时钟再生器，用于磁记录中自带时钟码(如曼彻斯特码或双相码)的数据分隔器。很快人们就明白了它有很多其它应用。该电路亦可以作为伺服控制器的基础，用于磁带驱动器的走带轮电机/转速计。LSI磁盘/磁带控制芯片同时包括了数据分隔器和走带轮伺服控制器，其优点是没有模拟电路，不需要调节。由于它很早以前就已用于批量的产品中，因此今天已没有专利问题，可以免费使用。

　　图1中的例子只使用了三只IC，可快速制作出原型电路，解释也很简单。74161计数器输出与预置输入端之间的连接，构成了一个实现查询表的基本ROM(表1)。16XREF应是一个方波，或至少不是一个窄脉冲，因为必须考虑在上升沿和下降沿以及设置时间出现的情况。INPUT脉冲必须足够长，以满足为7474 D触发器所挑选逻辑系列器件对时钟脉冲宽度的要求。

　　

 

　　图1 计数器装入自己的数据输入，从而产生一个锁定到输入信号的输出。

　　在原型测试时，使INPUT大约为16XREF频率的1/16，当缓慢改变INPUT频率时，查看输出。使用一台能够精细调节INPUT的信号发生器，测量1/16 XREF源的略偏上和偏下处的锁定范围。抖动等于16XREF的时钟周期，但当INPUT变化为±20%或更多时，输出会保持锁定住INPUT。当频率互相接近时，可以临时断开计数器的Pin 9，观察输出滑过INPUT。重新连接Pin 9可证明锁定动作。当INPUT是16XREF的精确1/16时，输出为方波，当高于或低于中心频率时，输出会成为长方形。

　　

 

　　表1 最小计数器预置

　　运行时，计数器连续计数，但INPUT信号的每个上升沿都会在计数器产生一个预置脉冲。从表1的计数与预置值，可以推测出，每当计数器得到一个预置脉冲，计数就会更接近于7或8。如果它已经是7或8，则就会保持不变。伺服循环误差信号是在预置信号到达的时刻，计数器当前状态与7或8之间的差。这个简单例子使用了计数值，将用于预置的误差信号减半。

　　如果INPUT信号是基准的精确1/16，但起始的相位差180°，则第一个预置脉冲可能在计数器为15时出现。于是，计数器预置为11，从这里恢复计数。在下一个预置脉冲时，计数器为10，预置到9。接下来的预置脉冲出现在计数为8时，并预置到8。然后会预置到7;当计数器为6下一个预置脉冲到来时，它再次预置为7，现在就同步了。预置脉冲恰于计数器的最高有效位从0变1时到来，这也是INPUT信号正在做的动作。

　　如果INPUT信号略慢于基准的1/16，则当计数器计到超过8时(如到12)，预置脉冲到来。它将预置值设为10。但由于INPUT信号太慢，当下个预置脉冲到来时，计数器再次回到12。电路仍然锁定，但MSB会延长以适配于较慢的INPUT信号。对于快于1/16基准的INPUT信号，相同过程维持着锁定，但MSB信号的周期缩小，以维持锁定。

　　如果INPUT过慢，计数器超过了15并返回到0，或在预置发生以前就超出，则发生失锁情况。如果在下一个预置脉冲到来以前，计数器甚至不能计数到0，也很可能会失锁。电路可以锁定在16X基准的倍数或约数上。

　　可以对锁定特性作一些调整，增加更多的计数器位，在计数器输出端与预置的输入端之间放一个ROM，减少抖动(图2和图3)。例如，使用一只PROM，可以将误差除以3或4，增加锁定区间。另外，还可以用一只PROM，将误差信号减1或减2，而不是将误差除以2。这种方法可明显收窄锁定区间。PROM的多余输出线(不用于计数器预置)还可以用于其它功能。

　　由于计数器的预置脉冲出现于有误差信号的那个时刻，因此可以在PROM里写更多的位，锁存供其它应用使用的错误条件，如指示一个未锁存的状态，或指示INPUT频率相对于基准信号的高、低或正中。这种方法用于电机控制器时，可以指出电机的负载是轻、中等还是重。对于其它应用，可以编写第二个并行PROM，将采样送给一个DAC而生成一个正弦波，或为一个电源转换器生成一个准正弦波。

　　

 

　　图2 两个计数器和一个PROM增强了锁定功能的多用性。

　　作为走带轮电机伺服控制器时，转速计是给PLL的INPUT，而电机速度锁定到晶体的基准频率。PROM的一个输出位(针对电机PWM信号作了修正)使伺服控制更好地控制占空比。预置的MSB为0，迫使系统在锁定情况下，工作在下半地址空间内。这种方案空出了PROM的最高输出线，使之成为电机控制信号。

　　

 

　　图3 用示波器中上方轨迹的输入信号作触发，可以在示波器的下面轨迹看到被锁定的输出信号抖动。

　　使用一个8 bit计数器和一个256×8-bit PROM，可提供很多空间和选项，以优化电机在各种变化负载状况下的性能。对PROM最高线的编程决定了在计数器周期中，电机PWM信号开和关的位置。如果电机负载大，则它会降速，使计数器计数更长，较大于预置发生前。当计数器计数较高时，电机位保持有效的时间更久，增加了PWM信号的占空比，对重载作出补偿。伺服的中点是63/64，将锁定操作保持在下半地址空间内。因此，上半地址空间只用于电机起动时，所以，每当计数器是在这个高数时，就将PROM的电机PWM位写为“on”，可以提供额外的起动转矩。

　　写入ROM还可以控制锁定区间，或回路增益，以适配于负载的变化;还可以修改占空比以配合电机的转矩特性;并且还可以控制起动转矩。