專利名稱：鎖相環(huán)及鎖相環(huán)操作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子電路，特別涉及一種具有多重操作曲線鎖相環(huán)(Phase Lock Loop，PLL)的電路和操作方法。
背景技術：
信號處理技術在現(xiàn)今已能處理Giga赫茲的頻率，而鎖相環(huán)是各種廣泛應用的基礎?；旧湘i相環(huán)是一種電路，用以輸入低頻率周期性信號并輸出高頻率周期性的信號，而輸入與輸出之間具有某種恒定的相位關系。
圖1是現(xiàn)有鎖相環(huán)的方塊圖。輸入外部參考源fref，輸出振蕩信號fosc。該外部參考源fref經(jīng)過第一分頻器102分頻R倍，得到降頻參考信號f’ref。該降頻參考信號f’ref和一反饋信號fback同時輸入相差檢測器104進行相位或頻率的比較，檢測出相位的領先或延后，產(chǎn)生對應的一誤差信號。該回路濾波器106接收該誤差信號，累積對應的電量而產(chǎn)生工作電壓VLF。最后壓控振蕩器108則根據(jù)該工作電壓VLF決定工作點，并輸出對應的振蕩信號fosc。其中該反饋信號fback即為該振蕩信號fosc經(jīng)過第二分頻器110分頻N倍而得。
現(xiàn)有壓控振蕩器(VCO)為了涵蓋較廣的操作頻率，發(fā)展出多重VCO以提供多種操作曲線的技術。通常為了工作在某些適合的操作頻率，必須手動切換，以選擇對應的操作曲線。
圖2是現(xiàn)有鎖相環(huán)的多重操作曲線圖。圖1中的壓控振蕩器108可以包含多個操作曲線，每一操作曲線對應不同范圍的工作頻率。因為所產(chǎn)生的振蕩信號fosc的范圍極廣，所以增加了鎖相環(huán)的使用彈性。對該壓控振蕩器108而言，輸入工作電壓VLF，則所輸出振蕩信號fosc取決于所選定的操作曲線VCO1～VCOn。在已知所需要的fosc的前提下，在一固定電壓源下如何自動切換適當控制壓控振蕩器108，為一急需解決的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例之一提供一鎖相環(huán)，包含一第一分頻器、一相差檢測器、一回路濾波器、一壓控振蕩器、一第二分頻器和一控制單元。該第一分頻器接收一外部參考源，并將該外部參考源分頻R倍得到一降頻參考信號。該相差檢測器比較該降頻參考信號和一反饋信號，產(chǎn)生一比較信號。該回路濾波器，接收該比較信號，產(chǎn)生一工作電壓。該壓控振蕩器可操作在多個操作曲線其中之一，每一操作曲線對應一頻率范圍，其中該壓控振蕩器根據(jù)一選擇信號選擇該等操作曲線其中之一，并根據(jù)該工作電壓決定該操作曲線上的一工作點，以產(chǎn)生一振蕩信號。該第二分頻器將該振蕩信號分頻N倍，產(chǎn)生該反饋信號。該控制單元在一初始模式下產(chǎn)生一分頻信號，使該第一分頻器的R值和該第二分頻器的N值提高A倍，并根據(jù)一參考時鐘，遞歸地比較該反饋信號和該降頻參考信號，計算該選擇信號。其中當該選擇信號在遞歸過程中收斂在一固定值后，該鎖相環(huán)進入一正常模式，工作在該選擇信號所對應的一操作曲線。而該控制單元在該正常模式下關閉。
該鎖相環(huán)更進一步包含一第三分頻器，在該初始模式下將該振蕩信號分頻M倍，產(chǎn)生該參考時鐘。該第三分頻器在該正常模式下關閉，其M值范圍可以是在2到4之間以獲得最佳效果，但本發(fā)明不限定于此。鎖相環(huán)更進一步包含一定電壓源，用以在該初始模式之下，將該工作電壓預充電至一默認值，使該工作點固定在一預設位置。該定電壓源在該正常模式下關閉。
該控制單元包含一第一使能器、一第二使能器、一第一計數(shù)器、一第二計數(shù)器、一比較器以及一搜尋引擎。該第一使能器接收該反饋信號，產(chǎn)生一第一使能信號。該第二使能器接收該降頻參考信號，產(chǎn)生一第二使能信號。該第一計數(shù)器接收該第一使能信號而開啟，在開啟期間計數(shù)該參考時鐘的振蕩次數(shù)，算出一第一振蕩次數(shù)。該第二計數(shù)器接收該第二使能信號而開啟，在開啟期間計數(shù)該參考時鐘的振蕩次數(shù)，算出一第二振蕩次數(shù)。該比較器接收并比較該第一振蕩次數(shù)和該第二振蕩次數(shù)，產(chǎn)生一誤差信號。該搜尋引擎根據(jù)該誤差信號產(chǎn)生該選擇信號，使壓控振蕩器選擇對應的操作曲線。
該第一使能器以該反饋信號周期的一第一倍數(shù)決定該第一使能信號的周期。該第二使能器以該降頻參考信號周期的該第一倍數(shù)決定該第二使能信號的周期。該第一使能器及第二使能器更進一步接收一控制信號以決定該第一倍數(shù)的值。該搜尋引擎以二元搜尋法產(chǎn)生該選擇信號。該誤差信號可以是一邏輯值，用以指出該第一振蕩次數(shù)和該第二振蕩次數(shù)何者較大。當該誤差信號在第一范圍時，產(chǎn)生該選擇信號使該壓控振蕩器選擇更高頻率的操作曲線。當該誤差信號在第二范圍時，產(chǎn)生該選擇信號使該壓控振蕩器選擇更低頻率的操作曲線。
本發(fā)明另一實施例提供一鎖相環(huán)操作方法，用于包含多個操作曲線的一鎖相環(huán)。首先，在一初始模式下進行下列步驟。接收一外部參考源，并將該外部參考源分頻AR倍得到一降頻參考信號。根據(jù)一預設操作曲線上的一預設工作點，產(chǎn)生一振蕩信號。將該振蕩信號分頻AN倍，產(chǎn)生該反饋信號。比較該反饋信號和該降頻參考信號，產(chǎn)生一比較結果。當該比較結果不符合一條件時，根據(jù)該比較結果重新選擇該等操作曲線其中之一，重新產(chǎn)生反饋信號和降頻參考信號，并回到比較該反饋信號和該降頻參考信號的步驟。當該比較結果符合該條件時，該鎖相環(huán)進入一正常模式。接著在該正常模式下，根據(jù)該比較結果所選定的操作曲線，使該鎖相環(huán)根據(jù)該降頻參考信號輸出該振蕩信號。其中該降頻參考信號等于該外部參考源分頻R倍，而該反饋信號等于該振蕩信號分頻N倍。


圖1是為現(xiàn)有鎖相環(huán)的方塊圖；圖2是為現(xiàn)有鎖相環(huán)的多重操作曲線圖；圖3是為本發(fā)明實施例的一的鎖相環(huán)架構圖；圖4是為本發(fā)明實施例的一的控制單元306架構圖；圖5是為本發(fā)明實施例的一的使能信號時序圖；和圖6是本發(fā)明鎖相環(huán)操作方法的流程圖。
附圖符號說明102第一分頻器 104相差檢測器106回路濾波器 108壓控振蕩器110第二分頻器 300鎖相環(huán)302定電壓源304第三分頻器306控制單元402第一使能器404第二使能器 406第一計數(shù)器408第二計數(shù)器 410比較器412搜尋引擎
具體實施例方式
圖3是為本發(fā)明實施例之一的鎖相環(huán)架構圖。為了選擇壓控振蕩器108中的操作曲線，新增了定電壓源302，第三分頻器304和控制單元306。鎖相環(huán)300的運作分為兩個模式，一是初始模式，應用定電壓源302，第三分頻器304和控制單元306協(xié)助壓控振蕩器108快速決定正確的操作曲線。接著是正常模式，在決定操作曲線后，即依照圖1般以現(xiàn)有方式正常運作。在初始模式中，首先，定電壓源302將回路濾波器106預充電至一個定值，使回路濾波器106輸出的工作電壓VLF設定在一預定工作范圍，例如圖2的Vop所指之處，藉此使隨后操作曲線的搜尋程序較為方便。接著控制單元306發(fā)出一個分頻信號#SDIV，命令第一分頻器102的轉(zhuǎn)換倍率從原來的1/R降為1/AR，第二分頻器110的轉(zhuǎn)換倍率從原來的1/N降為1/AN。藉此，該控制單元306接收該第一分頻器102所輸出的降頻參考信號f’ref和第二分頻器110所輸出的反饋信號fback，進行精細的比對。因為此時降頻參考信號f’ref和反饋信號fback的值相較于正常模式小了A倍，更有助于判斷些微的誤差。比較的標準，是借助第三分頻器304將振蕩信號fosc除以M倍而得到參考時鐘fM，當成基準時鐘，來計算反饋信號fback和降頻參考信號f’ref的振蕩次數(shù)并求出誤差量。最后根據(jù)反饋信號fback和降頻參考信號f’ref的誤差量，決定選擇信號#SVCO，輸送至壓控振蕩器108選擇對應的工作曲線。舉例來說，如果誤差量為正值，可以產(chǎn)生選擇信號#SVCO命令壓控振蕩器108選擇更高頻的操作曲線，如果誤差量為負值，則產(chǎn)生選擇信號#SVCO命令壓控振蕩器108選擇更低頻的操作曲線。藉此，控制單元306在初始模式下遞歸執(zhí)行，以二元搜尋的概念，發(fā)出數(shù)次選擇信號#SVCO調(diào)整壓控振蕩器108后，便能夠找到最接近理想的一操作曲線。當操作曲線已決定后，便進入正常模式，定電壓源302，第三分頻器304和控制單元306皆關閉，而第一分頻器102恢復原來的轉(zhuǎn)換倍率1/R，第二分頻器110恢復原來的轉(zhuǎn)換倍率1/N，該鎖相環(huán)300以如同圖1的方式運作。
圖4是為本發(fā)明實施例之一的控制單元306架構圖。該控制單元306包含第一使能器402、第二使能器404、第一計數(shù)器406、第二計數(shù)器408、比較器410和搜尋引擎412。首先，由第二分頻器110和第一分頻器102傳來的反饋信號fback和降頻參考信號f’ref，在第一使能器402和第二使能器404中轉(zhuǎn)換成第一使能信號#en1和第二使能信號#en2。該第一計數(shù)器406和第二計數(shù)器408各別接收該第一使能信號#en1和第二使能信號#en2，并共同接收參考時鐘fM。其中，反饋信號fback和降頻參考信號f’ref是一種周期性的信號，每隔一周期出現(xiàn)一峰值。該第一使能器402產(chǎn)生第一使能信號#en1的方法是，在反饋信號fback的多個周期之內(nèi)，使第一使能信號為高電位。因此第一使能信號#en1即為一個在一段時間內(nèi)為高電位，其余時間為零電位的信號。而這段時間等于該反饋信號fback的多個周期。同理，第二使能器404產(chǎn)生第二使能信號#en2的方式亦同。至于該多個周期的實際長短，可取決于外部的一控制信號#ctrl。輸入該第一計數(shù)器406和第二計數(shù)器408的參考時鐘fM，是用來作為一種時鐘基準。在第一計數(shù)器406中，在該第一使能信號#en1為高電位的期間，該第一計數(shù)器406計算該參考時鐘fM的振蕩次數(shù)，得到一第一振蕩次數(shù)#cnt1。同理，在該第二計數(shù)器408中，在該第二使能信號#en2為高電位的期間，該第二計數(shù)器408計算該參考時鐘fM的振蕩次數(shù)，得到一第二振蕩次數(shù)#cnt2。該第一振蕩次數(shù)#cnt1和第二振蕩次數(shù)#cnt2被傳送至比較器410，經(jīng)過比較得到一誤差信號#err。該比較器410可以是一減法器，直接將第一振蕩次數(shù)#cnt1減第二振蕩次數(shù)#cnt2得到該誤差信號#err。搜尋引擎412接著根據(jù)誤差信號#err的值，發(fā)出選擇信號#SVCO以命令壓控振蕩器108選擇操作曲線。以圖2舉例來說，壓控振蕩器108中有1024條操作曲線，編號由VCO1到VCO1024，依序代表由低頻至高頻的工作范圍。該搜尋引擎412可以利用二元搜尋法來決定最后的操作曲線。例如，在初始模式開始時，預設選擇第512條操作曲線進行試算，假設發(fā)現(xiàn)誤差信號#err大于零，代表fback周期較f’ref長，所以必須加快壓控振蕩器108的頻率。因此發(fā)出選擇信號#SVCO令壓控振蕩器108增加頻率，選擇第768條操作曲線，再進行遞歸試算。這次試算發(fā)現(xiàn)誤差信號#err小于零，則發(fā)出另一選擇信號#SVCO令壓控振蕩器108選擇第640條操作曲線。依此類推，在很短的時間內(nèi)，便能找到最接近理想的操作曲線。搜尋引擎412可以是一種狀態(tài)機器(state machine)，用以進行操作曲線的選擇及判斷。
圖5是為本發(fā)明實施例之一的使能信號時序圖。參考時鐘fM是經(jīng)過振蕩信號fosc分頻M倍之后得到的振蕩信號，用來做為計數(shù)的時鐘基準。M的值可以是介于2到4之間。第一使能信號#en1在一段時間內(nèi)為高電位。這段時間等于反饋信號fback多個周期的時間。而第一振蕩次數(shù)#cnt1即為在第一使能信號#en1為高電位這段期間，參考時鐘fM的振蕩次數(shù)。同理降頻參考信號f’ref，第二使能信號#en2和第二振蕩次數(shù)#cnt2的關系亦同。其中反饋信號fback和降頻參考信號f’ref的計數(shù)順序并不一定是同步。如圖5所示，第一使能信號#en1和第二使能信號#en2開啟的時機，可能有些時間差。因此比較器410必須等到第一振蕩次數(shù)#cnt1和第二振蕩次數(shù)#cnt2的結果都產(chǎn)生之后，才能計算出誤差信號#err供搜尋引擎412運算。
圖6是為本發(fā)明鎖相環(huán)操作方法的流程圖。首先在步驟602中，鎖相環(huán)啟動在一初始模式。在步驟604中，接收一外部參考源fref，并將該外部參考源fref分頻AR倍得到一降頻參考信號f’ref。在步驟606中，根據(jù)一預設操作曲線上的一預設工作點，產(chǎn)生一振蕩信號fosc。在步驟608中，將該振蕩信號fosc分頻AN倍，產(chǎn)生該反饋信號fback。在步驟610中，比較該反饋信號fback和該降頻參考信號f’ref，產(chǎn)生一比較結果。在步驟612中，當該比較結果不符合一條件時，跳至步驟616。在步驟616中，根據(jù)該比較結果重新選擇該等操作曲線其中之一，重新產(chǎn)生反饋信號fback和降頻參考信號f’ref，并回到步驟610，重新比較該反饋信號fback和該降頻參考信號f’ref。在步驟612中若該比較結果符合該條件時，該進入步驟614，鎖相環(huán)進入一正常模式。在該正常模式下，該鎖相環(huán)操作在該比較結果所選定的操作曲線，根據(jù)降頻參考信號f’ref輸出該振蕩信號fosc。在初始模式時，該降頻參考信號f’ref等于該外部參考源fref分頻AR倍，而該反饋信號fback等于該振蕩信號fosc分頻AN倍。在正常模式式，該降頻參考信號f’ref等于該外部參考源fref分頻R倍，而該反饋信號fback等于該振蕩信號fosc分頻N倍。
此外，圖3中的參考時鐘fM，是以第三分頻器304在該初始模式下將該振蕩信號分頻M倍而產(chǎn)生。但也可以是由外部振蕩源直接輸入。該第三分頻器304的M值范圍在2到4之間可獲得最佳效果，但選擇其它的數(shù)值亦可，故本發(fā)明的精神不限定于此。在圖4中的誤差信號#err，可以是一邏輯值，用以指出該第一和第二振蕩次數(shù)何者較大。例如將該第一振蕩次數(shù)#cnt1減去第二振蕩次數(shù)#cnt2所得結果的正負號。
本發(fā)明雖以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可做各種的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視后附的申請專利范圍所界定者為準。
權利要求
1.一種鎖相環(huán)，包含一第一分頻器，接收一外部參考源，并將該外部參考源分頻R倍得到一降頻參考信號；一相差檢測器，比較該降頻參考信號和一反饋信號，產(chǎn)生一比較信號；一回路濾波器，接收該比較信號，產(chǎn)生一工作電壓；一壓控振蕩器，可操作在多個操作曲線其中之一，每一操作曲線對應一頻率范圍，其中該壓控振蕩器根據(jù)一選擇信號選擇該等操作曲線其中之一，并根據(jù)該工作電壓決定該操作曲線上的一工作點，以產(chǎn)生一振蕩信號；一第二分頻器，將該振蕩信號分頻N倍，產(chǎn)生該反饋信號；一控制單元，用以在一初始模式下根據(jù)一參考時鐘，遞歸地比較該反饋信號和該降頻參考信號，計算該選擇信號；其中當該選擇信號在遞歸過程中收斂在一固定值后，該鎖相環(huán)進入一正常模式，工作在該選擇信號所對應的一操作曲線。
2.如權利要求1所述的鎖相環(huán)，其中，該控制單元在該初始模式下，更進一步產(chǎn)生一分頻信號，使該第一分頻器的R值和該第二分頻器的N值提高A倍。
3.如權利要求1所述的鎖相環(huán)，更進一步包含一第三分頻器，在該初始模式下將該振蕩信號分頻M倍，產(chǎn)生該參考時鐘；其中，該第三分頻器和該控制單元在該正常模式下關閉。
4.如權利要求3所述的鎖相環(huán)，其中，該第三分頻器的M值范圍在2到4之間。
5.如權利要求1所述的鎖相環(huán)，更進一步包含一定電壓源，用以在該初始模式之下，將該工作電壓預充電至一默認值，使該工作點固定在一預設位置；其中，該定電壓源在該正常模式下關閉。
6.如權利要求1所述的鎖相環(huán)，其中，該控制單元包含一第一使能器，接收該反饋信號，產(chǎn)生一第一使能信號；一第二使能器，接收該降頻參考信號，產(chǎn)生一第二使能信號；一第一計數(shù)器，接收該第一使能信號而開啟，在開啟期間計數(shù)該參考時鐘的振蕩次數(shù)，算出一第一振蕩次數(shù)；一第二計數(shù)器，接收該第二使能信號而開啟，在開啟期間計數(shù)該參考時鐘的振蕩次數(shù)，算出一第二振蕩次數(shù)；一比較器，接收并比較該第一振蕩次數(shù)和該第二振蕩次數(shù)，產(chǎn)生一誤差信號；以及一搜尋引擎，根據(jù)該誤差信號，產(chǎn)生該選擇信號，使壓控振蕩器選擇對應的操作曲線。
7.如權利要求6所述的鎖相環(huán)，其中該第一使能器以該反饋信號周期的一第一倍數(shù)決定該第一使能信號的周期；該第二使能器以該降頻參考信號周期的該第一倍數(shù)決定該第二使能信號的周期；以及該第一使能器及第二使能器更進一步接收一控制信號以決定該第一倍數(shù)的值。
8.如權利要求6所述的鎖相環(huán)，其中，該搜尋引擎以二元搜尋法產(chǎn)生該選擇信號。
9.如權利要求8所述的鎖相環(huán)，其中該誤差信號是一邏輯值，用以指出該第一和第二振蕩次數(shù)何者較大；當該誤差信號在第一范圍時，產(chǎn)生該選擇信號使該壓控振蕩器選擇更高頻率的操作曲線；以及當該誤差信號在第二范圍時，產(chǎn)生該選擇信號使該壓控振蕩器選擇更低頻率的操作曲線。
10.如權利要求9所述的鎖相環(huán)，其中，該搜尋引擎更進一步包含一有限狀態(tài)機器，用以判斷該選擇信號是否已收斂至穩(wěn)定狀態(tài)，如果是，則結束該初始模式，進入該正常模式，如果否，則輸出該選擇信號繼續(xù)遞歸比較下一工作曲線所產(chǎn)生的降頻參考信號和反饋信號。
11.一鎖相環(huán)操作方法，用于包含多個操作曲線的一鎖相環(huán)，包含在一初始模式下接收一外部參考源，并將該外部參考源分頻AR倍得到一降頻參考信號；根據(jù)一預設操作曲線上的一預設工作點，產(chǎn)生一振蕩信號；將該振蕩信號分頻AN倍，產(chǎn)生該反饋信號；比較該反饋信號和該降頻參考信號，產(chǎn)生一比較結果；當該比較結果不符合一條件時，根據(jù)該比較結果重新選擇該等操作曲線其中之一，重新產(chǎn)生反饋信號和降頻參考信號，并回到比較該反饋信號和該降頻參考信號的步驟；當該比較結果符合該條件時，該鎖相環(huán)進入一正常模式；以及在該正常模式下根據(jù)該比較結果所選定的操作曲線，使該鎖相環(huán)根據(jù)該降頻參考信號輸出該振蕩信號；其中該降頻參考信號等于該外部參考源分頻R倍，而該反饋信號等于該振蕩信號分頻N倍。
12.如權利要求11所述的鎖相環(huán)操作方法，其中，比較該反饋信號和該降頻參考信號的步驟包含提供一參考時鐘；產(chǎn)生一第一使能信號，周期等于該反饋信號周期的第一倍數(shù)；產(chǎn)生一第二使能信號，周期等于該降頻參考信號周期的第一倍數(shù)；在該第一使能信號開啟期間，計數(shù)該參考時鐘的振蕩次數(shù)，算出一第一振蕩次數(shù)；在該第二使能信號開啟期間，計數(shù)該參考時鐘的振蕩次數(shù)，算出一第二振蕩次數(shù)；比較該第一振蕩次數(shù)和該第二振蕩次數(shù)，產(chǎn)生一誤差信號；以及根據(jù)該誤差信號，選擇該操作曲線。
13.如權利要求12所述的鎖相環(huán)操作方法，其中，提供該參考時鐘的步驟包含該振蕩信號分頻M倍，產(chǎn)生該參考時鐘。
14.如權利要求13所述的鎖相環(huán)操作方法，其中，該M值范圍在2到4之間。
15.如權利要求12所述的鎖相環(huán)操作方法，其中，該第一倍數(shù)是接收一控制信號而決定。
16.如權利要求12所述的鎖相環(huán)操作方法，其中，根據(jù)該誤差信號選擇操作曲線的算法是為二元搜尋法。
17.如權利要求12所述的鎖相環(huán)操作方法，其中該誤差信號是為該第一振蕩次數(shù)與該第二振蕩次數(shù)的大小比較結果；當該誤差信號在第一范圍時，產(chǎn)生該選擇信號使該壓控振蕩器選擇更高頻率的操作曲線；以及當該誤差信號在第二范圍時，產(chǎn)生該選擇信號使該壓控振蕩器選擇更低頻率的操作曲線。
全文摘要
本發(fā)明提供一鎖相環(huán)，包含第一分頻器接收一外部參考源，并將該外部參考源分頻R倍得到一降頻參考信號。一相差檢測器比較該降頻參考信號和一反饋信號，產(chǎn)生一比較信號。一回路濾波器接收該比較信號，產(chǎn)生一工作電壓。一壓控振蕩器，根據(jù)一選擇信號選擇多個操作曲線其中之一，并根據(jù)該工作電壓決定該操作曲線上的一工作點，以產(chǎn)生一振蕩信號。一第二分頻器將該振蕩信號分頻N倍，產(chǎn)生該反饋信號。一控制單元在一初始模式下產(chǎn)生一分頻信號，使該第一分頻器的R值和該第二分頻器的N值提高A倍，并根據(jù)一參考時鐘，遞歸地比較該反饋信號和該降頻參考信號，計算該選擇信號。
文檔編號H03L7/22GK1893278SQ20051008191
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月6日 優(yōu)先權日2005年7月6日
發(fā)明者王中正, 莊朝喜, 劉益全 申請人:絡達科技股份有限公司