本發(fā)明對(duì)各種不同類(lèi)型及用途的高阻型數(shù)字鑒相器，提供一個(gè)含有全自動(dòng)鎖定工作狀態(tài)控制環(huán)節(jié)電路的IC或者模塊內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)方案。

本發(fā)明所涉及的內(nèi)容與電路形式，其理論在現(xiàn)有發(fā)行刊物與書(shū)籍中并不存在，所依據(jù)的理論是發(fā)明者本人編寫(xiě)的專(zhuān)著《PLL設(shè)計(jì)的理論與應(yīng)用》相關(guān)章節(jié)，例如第4.3節(jié)《環(huán)路濾波器LF充放電過(guò)程的解析》中相關(guān)內(nèi)容。作為一種鎖相環(huán)全自動(dòng)鎖定工作狀態(tài)的高阻型數(shù)字鑒相器，這是一個(gè)全新概念的鑒相器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有高阻型數(shù)字鑒相器僅有一種形式，其中之一型號(hào)為74HC4046的IC式鑒相器，該系列鑒相器并未涉及到鎖相環(huán)全自動(dòng)鎖定概念。

a. LF輸出值有效壓縮化的意義

鎖相環(huán)在一個(gè)實(shí)際使用的工作環(huán)境中，它的VCO使用的頻帶范圍是有限而不是控端信號(hào)在供電電源所對(duì)應(yīng)的頻帶范圍。即無(wú)論是控端信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化范圍還是輸出頻率的動(dòng)態(tài)變化范圍，在一個(gè)實(shí)際使用的鎖相環(huán)路中都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VCO自身可以提供的動(dòng)態(tài)變化范圍，尤其非石英晶振子型VCO；甚至考慮到設(shè)計(jì)參數(shù)的變化都是如此。同時(shí)，降低一個(gè)實(shí)際使用中的VCO動(dòng)態(tài)變化范圍對(duì)于提高鎖相環(huán)輸出信號(hào)的性能指標(biāo)是一種有效方法。所采用的方法都與壓縮LF輸出值有關(guān)，這是前提條件。

同時(shí)，一個(gè)實(shí)際使用中的鎖相環(huán)路其同步狀態(tài)下VCO工作頻率所對(duì)應(yīng)控端信號(hào)電平完全可能存在于VCO全動(dòng)態(tài)變化范圍內(nèi)一個(gè)不確定的電位上。由此，需要一個(gè)可調(diào)式參考基準(zhǔn)電平將這一實(shí)際使用中的鎖相環(huán)路VCO控端信號(hào)電平覆蓋在內(nèi)。即需要二段式VCO控端信號(hào)電平調(diào)整方式，一種是粗調(diào)式，通過(guò)可調(diào)式參考基準(zhǔn)電平這一方式將控端信號(hào)電平調(diào)整到覆蓋著同步工作頻率對(duì)應(yīng)的控端信號(hào)電平，一種是細(xì)調(diào)式，符合工程設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)際使用的鎖相環(huán)路中自主同步工作頻率對(duì)應(yīng)控端信號(hào)電平的被壓縮調(diào)整范圍的電平，這就是對(duì)LF的輸出做壓縮并且這一壓縮后輸出電平范圍有效地符合覆蓋工程設(shè)計(jì)要求。

b. LF充放電模型的理論分析結(jié)果

發(fā)明者本人編寫(xiě)的專(zhuān)著《PLL設(shè)計(jì)的理論與應(yīng)用》的第4.3節(jié)《環(huán)路濾波器LF充放電過(guò)程的解析》中有一個(gè)分析結(jié)果如圖4所示，說(shuō)明著環(huán)路濾波器LF在充放電的過(guò)程中零輸入響應(yīng)有著自然回歸到Vcc/2的趨勢(shì)，同時(shí)使得LF的輸出朝著回繞Vcc/2作震蕩變化的趨勢(shì)。

對(duì)于高阻型數(shù)字鑒相器組環(huán)的鎖相環(huán)路，LF輸出中的高阻態(tài)輸出處在Vcc/2是其處在各種不同電平位置中一個(gè)最佳形式，而且是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的形式。這就是本發(fā)明的最為重要理論依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

新型高阻型數(shù)字鑒相器IC的內(nèi)部電路配置方案，包含了以下技術(shù)，記：

a. 適用于所有的高阻型數(shù)字鑒相器類(lèi)型，包括依據(jù)發(fā)明名稱(chēng)為《標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)高阻型數(shù)字鑒相器的結(jié)構(gòu)原理方案》設(shè)計(jì)的鑒相器。鑒相器的輸出接口電路原為CMOS型開(kāi)關(guān)，現(xiàn)適配于CMOS型開(kāi)關(guān)型，二選一數(shù)字模擬開(kāi)關(guān)型，OPAMP型，場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)型；

b. 計(jì)數(shù)脈沖合成、吞除、形成技術(shù)；

c. 電平窗口比較器技術(shù)；

d. LF輸出的壓縮移動(dòng)輸出技術(shù)。

這里，高阻型數(shù)字鑒相器是指鑒相器處理的信號(hào)符合通用型數(shù)字集成電路輸入信號(hào)規(guī)格要求的信號(hào)波形即具有“H”與“L”二種態(tài)值的信號(hào)形式，鑒相器的輸出規(guī)格也符合通用型數(shù)字集成電路輸出信號(hào)規(guī)格要求，輸出信號(hào)不僅具有“H”與“L”二種態(tài)值，還具有高阻態(tài)輸出的信號(hào)形式即輸出信號(hào)電平依賴(lài)于輸出端外接電路的結(jié)構(gòu)、輸出阻抗為高阻即屏蔽輸出。鑒相器的輸入輸出信號(hào)間關(guān)系，作為一個(gè)示例如圖1所示。

附圖說(shuō)明

圖1是鑒相器輸入信號(hào)及內(nèi)部鑒相器輸出與相關(guān)控制信號(hào)關(guān)系示例圖。

其中，Wr,Wc為鑒相器外部輸入(端)信號(hào)，PDo,INH,CP為鑒相器內(nèi)部節(jié)點(diǎn)上的信號(hào)。

圖2為全自動(dòng)鎖定工作狀態(tài)的高阻型數(shù)字鑒相器內(nèi)部電路方框圖，各個(gè)標(biāo)識(shí)的器件說(shuō)明如下：

a. 標(biāo)識(shí)1即PD：鑒相器，作為《標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)高阻型數(shù)字鑒相器的結(jié)構(gòu)原理方案》中的規(guī)定，有INH信號(hào)形成器，該信號(hào)在本發(fā)明的鑒相器作為一個(gè)控制信號(hào)需要使用；

b. 標(biāo)識(shí)2即IC6的或門(mén)：Wr,Wc信號(hào)合成器，WrWc=00時(shí)輸出“0”，其余輸出“1”。

c. 標(biāo)識(shí)3即IC7的與門(mén)：計(jì)數(shù)器觸發(fā)信號(hào)數(shù)字開(kāi)關(guān)，標(biāo)識(shí)4即IC8的輸出為“1”時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，為“0”時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，常態(tài)為“0”。

d. 標(biāo)識(shí)4即IC8的與門(mén)：計(jì)數(shù)器觸發(fā)信號(hào)數(shù)字開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)形成數(shù)字開(kāi)關(guān)；數(shù)字開(kāi)關(guān)控端信號(hào)為“1”時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，為“0”時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，常態(tài)為“0”。開(kāi)關(guān)的控端信號(hào)如果INH為有效屏蔽控制信號(hào)則直接為INH信號(hào)，如果INH為有效屏蔽控制信號(hào)則該信號(hào)經(jīng)反相輸出后的信號(hào)；開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)為標(biāo)識(shí)10的與非門(mén)輸出信號(hào)。

e. 標(biāo)識(shí)5即CP：計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度大于n+1，可以連續(xù)輸出[2,n+1]地址碼，其中n為標(biāo)識(shí)為6的DAC位數(shù)。

f. 標(biāo)識(shí)6即DAC：n位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸出電壓V_ref是由V_refL,V_refH二個(gè)設(shè)定電平所決定的。

g. 標(biāo)識(shí)8,9的IC9,IC10與標(biāo)識(shí)10的與非門(mén)構(gòu)成電平窗口比較器：窗口比較器的二個(gè)閥值V1,V2(V1>V2)是外部輸入信號(hào)所決定的，當(dāng)LF的輸出電平位于窗口，則輸出“L”，否則輸出“H”。

h. 標(biāo)識(shí)7即IC12：參考基準(zhǔn)電平可調(diào)式電位壓縮器，參考基準(zhǔn)電平為DAC的輸出電平；對(duì)LF的輸出電平作壓縮輸出，壓縮比是由R4/R3的阻值比所決定的。

i. 標(biāo)識(shí)11即反相器IC13：鑒相器屬于INH有效型的則無(wú)需反相器直通，鑒相器屬于INH有效型的則無(wú)需要反相器。

其它標(biāo)識(shí)的器件說(shuō)明如下：

a. IC1,IC2的緩沖器：IC1為輸入信號(hào)Wr，IC2為輸入信號(hào)Wc的緩沖器。

b. IC4的反相器(不帶窗口型)：與內(nèi)部電阻R1與外部電阻R2及電容C1構(gòu)成一個(gè)有源積分型LF。

c. IC5的跟隨器：向外部輸出有源積分型LF的輸出值。

d. IC3的反相器(不帶窗口型)：供形成內(nèi)部VCO使用。

IC芯片的16端口分配說(shuō)明如下：

a. 電源類(lèi)的3個(gè)端口，各為數(shù)模電源Vcc與Vcca，模擬數(shù)字GND各一。

b. Wr,Wc的2個(gè)鑒相器輸入信號(hào)端口。

c. IN,OUT的用于內(nèi)部VCO的2個(gè)端口。

d. R2,RC的有源積分型LF的電阻與電容接入端口。

e. R3的壓縮器參照電阻接入端口。

f. LFout的LF跟隨輸出端口。

g. VCOin的VCO控端輸入信號(hào)端口。

h. V_ref的DAC輸出上限值設(shè)置端口。

i. V1,V2的窗口比較器上閥值V1與下閥值V2設(shè)置端口。

圖3是全自動(dòng)鎖定工作部分的電路方框圖，內(nèi)中各個(gè)標(biāo)識(shí)的器件說(shuō)明如下：

a. 標(biāo)識(shí)1的加法器：對(duì)應(yīng)圖2中標(biāo)識(shí)2的IC6或門(mén)；

b. 標(biāo)識(shí)2的數(shù)字開(kāi)關(guān)S1：對(duì)應(yīng)圖2中標(biāo)識(shí)3的IC7與門(mén)，常態(tài)為“0”，控端為S2的輸出；

c. 標(biāo)識(shí)3的數(shù)字開(kāi)關(guān)S2：對(duì)應(yīng)圖2中標(biāo)識(shí)4的IC8與門(mén)，常態(tài)為“0”，控端為INH信號(hào)；

d. 標(biāo)識(shí)4的CP：對(duì)應(yīng)圖2中標(biāo)識(shí)5的計(jì)數(shù)器CP；

e. 標(biāo)識(shí)5的電平窗口比較器：對(duì)應(yīng)圖2中標(biāo)識(shí)8,9的IC9,IC10與標(biāo)識(shí)10與非門(mén)構(gòu)成電平窗口比較器；

f. 標(biāo)識(shí)6的DAC：對(duì)應(yīng)圖2中標(biāo)識(shí)6的DAC；

g. 標(biāo)識(shí)7的加法器與標(biāo)識(shí)8的壓縮器：對(duì)應(yīng)圖2中標(biāo)識(shí)7的IC12。

圖4是LF充放電模式在占空比為1:1下的響應(yīng)輸出，討論時(shí)電容器有二個(gè)不同初始電平值這一條件。

圖5是使用模擬開(kāi)關(guān)串聯(lián)電阻取代DAC的電路圖，R的取值根據(jù)Vref而定。

具體實(shí)施方式

由于本發(fā)明內(nèi)容是基于《標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)高阻型數(shù)字鑒相器的結(jié)構(gòu)原理方案》和《LF內(nèi)置化高阻型數(shù)字鑒相器IC的設(shè)計(jì)案》這二項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)案基礎(chǔ)上的，涉及上述二項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)案的內(nèi)容這里不做轉(zhuǎn)引。

a. LF采用有源積分型濾波器

1) 具有相對(duì)的高速性；

2) 可以實(shí)現(xiàn)增益大于1；

3) 相對(duì)提高LF后級(jí)的阻抗；

4) 反相輸出予以匹配后級(jí)的一次反相輸出。

b. 全自動(dòng)鎖定工作狀態(tài)的控制電路即標(biāo)識(shí)1至標(biāo)識(shí)11部分電路的工作原理

1) 標(biāo)識(shí)4的IC8數(shù)字開(kāi)關(guān)，控端信號(hào)為INH(以INH有效為例)。當(dāng)INH=0即鑒相器有效檢出Wr,Wc輸入信號(hào)相位差時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，濾除標(biāo)識(shí)3計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，開(kāi)關(guān)常態(tài)為“0”；當(dāng)INH=1時(shí)該開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，輸出標(biāo)識(shí)10電平窗口比較器的檢出結(jié)果；如果檢出結(jié)果為“1”則形成一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖有效時(shí)間窗口期，為“0”則無(wú)法形成一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖有效時(shí)間窗口期。

2) 標(biāo)識(shí)2的IC6即Wr,Wc信號(hào)合成器，形成計(jì)數(shù)脈沖作為標(biāo)識(shí)3的IC7數(shù)字開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)。

3) 標(biāo)識(shí)5的CP計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)脈沖輸入為標(biāo)識(shí)3的IC7的輸出信號(hào)，計(jì)數(shù)器輸出作為DAC的地址碼。

4) 標(biāo)識(shí)6的DAC的n位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，DAC的輸出值是由DAC地址碼所決定的；輸出電平上下閥值分別為外置設(shè)定輸入端VrefH與VrefL所決定。

5) 標(biāo)識(shí)8～10的IC9～I(xiàn)C11構(gòu)成一個(gè)電平窗口比較器，窗口比較器上下電平邊界值分別為外置設(shè)定輸入端V1與V2所決定；輸入信號(hào)即LF的輸出信號(hào)為有效時(shí)(注：由IC8計(jì)數(shù)器觸發(fā)信號(hào)數(shù)字開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)形成數(shù)字開(kāi)關(guān)所選取)，如果LF輸出電平即高阻態(tài)輸出電平位于窗口比較器內(nèi)的電平值時(shí)窗口比較器輸出為“0”，否則輸出為“1”。

6) 標(biāo)識(shí)7即IC12的電平加法器，作為VCO控端信號(hào)輸出的電平是在DAC輸出電平上疊加一個(gè)經(jīng)過(guò)壓縮比為R4/R3阻值比的LF輸出電平絕對(duì)值。

c. 本發(fā)明鑒相器的工作原理

1) 初態(tài)

根據(jù)標(biāo)識(shí)1鑒相器的形式與輸入信號(hào)接入方式，可以分為標(biāo)識(shí)6的DAC無(wú)變化LF輸出電平值最大與最小二種情況，和DAC變化后至高阻態(tài)輸出電平在電平窗口比較器內(nèi)保持不變的LF輸出電平值最大與最小二種情況。

以圖3的方框圖為準(zhǔn)作說(shuō)明是：在PD輸出為高阻態(tài)期間標(biāo)識(shí)1的加法器有否計(jì)數(shù)脈沖的形成取決于PD的定義與結(jié)構(gòu)，但是在非高阻態(tài)期間標(biāo)識(shí)1的加法器無(wú)法形成計(jì)數(shù)脈沖。最終，如果形成了計(jì)數(shù)脈沖則將引起DAC輸出值的變化，這一變化直至高阻態(tài)電平值在電平窗口比較器內(nèi)為止；如果無(wú)法形成計(jì)數(shù)脈沖則停止在DAC最初的輸出值不變。二者無(wú)論如何都有根據(jù)輸入信號(hào)接入條件及原有PD的定義所規(guī)定的初始狀態(tài)。

2) 同步工作狀態(tài)

初態(tài)時(shí)當(dāng)另一輸入信號(hào)加入后，如果高阻態(tài)輸出電平不在電平窗口比較器內(nèi)時(shí)由于d=1，則cp有計(jì)數(shù)脈沖輸入，調(diào)整DAC的輸出電平值直至d=0；此時(shí)由于cp無(wú)計(jì)數(shù)脈沖輸入則DAC的輸出電平值保持在一個(gè)固定的值上，最終通過(guò)LF的調(diào)整，將高阻態(tài)輸出電平鎖定在[V2,V1]內(nèi)的同步工作狀態(tài)。反之，高阻態(tài)輸出電平在電平窗口比較器內(nèi)時(shí)由于d=0直接cp無(wú)計(jì)數(shù)脈沖輸入，經(jīng)過(guò)LF調(diào)整將高阻態(tài)輸出電平鎖定在[V2,V1]內(nèi)的同步工作狀態(tài)。相應(yīng)地圖3方框圖為準(zhǔn)的說(shuō)明也有類(lèi)似結(jié)果。

d. 使用時(shí)參數(shù)設(shè)計(jì)公式

在使用時(shí)電路參數(shù)必須滿(mǎn)足以下三個(gè)條件：

1) R4<<R3Vcc/(Vcc-Vref)；

2) R4<<R3Vcc/(Vcc-V1)；

3) R4<<R3Vcc/V2。

e. 分立元器件組建時(shí)DAC取代方法

本發(fā)明的鑒相器也可由分立元器件組建而成，此時(shí)DAC也可由串聯(lián)電阻的分壓輸出方法取代，具體電路為圖5所示。

綜合以上內(nèi)容，一個(gè)更為符合實(shí)際應(yīng)用需求，同時(shí)適合于發(fā)明名稱(chēng)為《標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)高阻型數(shù)字鑒相器的結(jié)構(gòu)原理方案》中鑒相器要求的高阻型數(shù)字鑒相器IC的設(shè)計(jì)案是適用的方案。

備注：

1. 發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)中的《標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)高阻型數(shù)字鑒相器的結(jié)構(gòu)原理方案》是本發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)的發(fā)明人與申請(qǐng)人為同一人，在同一申請(qǐng)日提交的一組發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)文件；

2. 發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)中的《LF內(nèi)置化高阻型數(shù)字鑒相器IC的設(shè)計(jì)案》是本發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)的發(fā)明人與申請(qǐng)人為同一人，在同一申請(qǐng)日提交的一組發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)文件。