代码收藏家技术教程 2023-05-13

【STM32】知识补充锁相环原理与应用解析

概述

锁相环 (Phase-Locked Loop) 在现代电子与通信系统中, 扮演着至关重要的角色. 凭借其独特的同步和频率调整能力, 锁相环已成为实现高性能, 高稳定性系统的基石. 那边, 锁相环究竟是什么? 它是如何工作的? 又在哪些领域中发挥着关键作用呢? 小白我来带大家一探究竟.

锁相环原理与应用解析

什么是锁相环 (PPL)

锁相环是一种闭环反馈控制系统. 用于生成与输入信号同步且相位相同的输出信号. 它的核心功能是在输入信号的相位变化时, 自动调整输出信号以保持同步. 这使得锁相环成为了一种理想的频率和相位控制技术.

锁相环原理图

锁相环的基本组成

锁相环主要由以下几个部分组成:

相位比较器 (Phase Detector): 相位比较器负责比较输入信号和反馈信号的相位差, 并将其转换为电压信号
低通滤波器 (Low-Pass Filter): 低通滤波器对相位比较器的输出信号进行滤波, 以消除高频噪声和相位抖动
电压控制振荡器 (Voltage-Controlled Oscillator): 根据低通过滤波器的输出电压调整输出信号的频率和相位
反馈分频器 (Feedback Divider): 反馈分频器对 VCO 的输出信号进行分频处理, 并将其反馈给相位比较器

锁相环的工作原理

锁相环的工作原理可以分为以下几个步骤:

当输入信号和反馈信号的相位不同步时, 相位比较器检测到相位差, 并生成一个与相位差成正比的电压信号
低通过滤波器对电压信号进行滤波出来, 去除噪声和抖动
电压控制振荡器根据滤波后的电压信号调整输出信号的频率和相位, 使输出信号逐渐接近输入信号的相位
当输出信号与输入信号的相位达到同步时, 锁相环进入锁定状态, 系统维持稳定度相位同步

锁相环应用

锁相环在各种领域具有广泛的应用, 以下是一些主要的应用:

频率合成: 锁相环可以用于生成一定倍数的输入频率, 从而实现高精度的频率合成. 在无线电通信, 雷达和导航系统中, 频率合成器是关键组件之一
时钟恢复: 在数字系统通信中, 锁相环可以从接受到的数据信号中恢复时钟信号, 从而实现时钟同步. 这对于高速数据传输和串行通信协议 (如 USB, PCI Express 和 SATA 等) 至关重要
频率和相位调制: 锁相环可以用于实现频率调制 (FM) 和相位调制 (PM), 这些都是无线通信中常用的调制方式. 通过控制 VCO 的输入电压, 可以实现信号的调制和解调
频偏补偿: 锁相环可以用于补偿频率源和飘逸, 从而实现高稳定性的时钟信号. 在卫星通信, 全球定位系统 (GPS) 和高精度测量仪器中, 频偏补偿功能至关重要
告诉数据转换: 在告诉数据采集和信号处理应用中, 锁相环可以用于生成精确的采样时钟, 从而实现高性能的模块转换 (ADC) 和数模转换 (DAC)
电源管理: 在开关电源和电压调节器中, 锁相环可以用于控制开关频率, 以实现高效的电源转换和稳定的输出电压

STM32 中锁相环的应用

在 STM32 中, 锁相环主有以下作用:

系统时钟生成: STM32 通常使用锁相环从外部晶振或内部时钟源生成所需的洗头工时钟. 例如: 通过使用 PLL, 可以将外部 8 MHz 晶振提升到 72 MHz 或更高, 以满足高性能应用的需求
USB 时钟生成: 在具有 USB 功能的 STM32 微控制器中, 锁相环可以用于生成精确的 48 MHz 时钟, 以满足 USB 2.0 全速 (12 Mbps) 或高速 (480 Mbps) 通信的要求
音频时钟生成: 在音频处理器应用中, STM32 微控制器的锁相环可以用于生成特定的硬盘采样率 (如 44.1 kHz, 48 kHz 等) 以及 I2S 和 SPDIF 接口所需的位时钟和帧时钟
ADC 和 DAC 时钟生成: 在高速数据采集和信号处理应用中, 所喜爱你该换可以用于为 ADC 和 DAC 提供精确的采样时钟, 从而实现高性能的数据转换

锁相环 PLL

STM32 配置锁相环

void SystemClock_Config(void)
{
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    // 配置外部晶振作为HSE时钟源
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    // 根据外部晶振频率和所需系统时钟频率设置PLL参数
    // 这里假设外部晶振为8 MHz，目标系统时钟频率为72 MHz
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL
}