鑒頻鑒相器的工作原理解析

在這篇文章中，我們將介紹鑒頻鑒相器（PFD）的工作原理。

鑒頻鑒相器是鎖相環中的一個器件，我們要求這個器件能對如下條件做出響應，由此我們就能通過適當的調節實現負反饋，從而使得輸出信號的頻率不斷地接近輸入信號的頻率。

• 輸出信號與輸入信號頻率不同時，鑒頻鑒相器輸出一個電壓反映兩個信號頻率還不相等。
• 輸出信號與輸入信號相位不同時，鑒頻鑒相器輸出一個電壓反映兩個信號相位還不相等。
• 當輸入信號與輸出信號同頻同相時，鑒頻鑒相器沒有信號輸出。

于是，人們設計出了邊沿觸發型PFD，其工作原理如上圖，A，B兩個輸入端口接的是時鐘信號；當A時鐘信號的上升沿先到，QA升到高電平，直至B時鐘信號上升到高電平，QA電平降至低電平，其間保持低電平；B上升沿先到也是同樣的邏輯。在上圖（理想情形）中展示出了頻率不同(a)和相位不同(b)的QA、QB輸出波形。QA、QB即為鑒頻鑒相器通過比較A、B信號的相位信息給出的電壓信息。我們把 fi,fa分別接在A,B端口，我們就能得到fi,fa之間的頻率差和相位差的信息了。如下是我們自己搭建的鑒頻鑒相器的仿真結果。

同頻不同相

不同頻率

從功能描述上看，每當輸入信號上升沿到來時輸出就會發送反應，所以我們需要的是設置合適的觸發器以及觸發器的邏輯。當A端（B端）輸入信號上升沿先到來時，QA(QB)輸出信號就會上升，然后A當B與同時達到高電平時，輸出信號就會同時變為低電平，由此設計出了如下電路結構：

鑒頻鑒相器原理圖

接下來我們分兩步地來分析這個電路結構。

1.帶異步復位端的觸發器

討論異步復位觸發器之前，我們可以稍微聊一下，同步復位、異步復位的區別：

同步復位的意思是，當復位端滿足復位信號時，輸出信號并不會立刻變成置零信號，而是要等系統的時鐘的觸發沿（比如上升沿）到來時，這個觸發器才會輸出置零信號；在我們理解里，同步的意思是觸發器的變化與整個系統同步或者說是與系統的時鐘信號同步變化，也就是每過一個時鐘周期觸發器才能發送一次改變；而異步復位則不是這個意思，它是說只要復位信號滿足了復位要求，輸出信號就會立刻置零，這樣的觸發器的復位與系統時鐘無關。在瀏覽器前端里也有同步和異步的概念，哈哈哈，忘了互聯網瀏覽器概念里的同步異步的概念了，不知道是不是一個意思。

實現異步復位的關鍵三端口或非門

帶異步復位端鎖存器的結構

帶異步復位端觸發器的結構

2.輸出端信號處理

有了對異步觸發器的原理圖和理解，后面我們只需要理解鑒頻鑒相器后面一長串器件的功能就可以了。

由此，在這里引入一個與延時緊密關聯的概念：

復位脈沖 ：當輸入相位差為0的情況下，鑒頻鑒相器的輸出QA，QB也會同時出現一段高電平脈沖信號，這樣的脈沖被稱為復位脈沖。

1. 這個脈沖是我們所希望出現的，所以我們在這里經過與非門加一個非門的運算后，刻意又加了兩個非門來做延時，由此加長復位脈沖時間。

總結與討論

至此，我們講述完了鑒頻鑒相器的原理和功能，在下一章節中，我們將講述電荷泵，然后結合壓控振蕩器的原理，綜合理解一下，為什么我們需要鑒頻鑒相器這樣的器件；當然也可以回到我們的上一篇文章，深化理解我們為什么需要鑒頻鑒相器。

鑒頻鑒相器在文章中一般都沒有直接展示其內部構造，為了實現這個功能，我想了一天，反復調試邏輯才最終完成了這份工作，挺有成就感的.