鎖相環(huán)原理及應用

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上鎖相電路（PLL）及其應用自動相位控制（APC）電路，也稱為鎖相環(huán)路（PLL），它能使受控振蕩器的頻率和相位均與輸入參考信號保持同步，稱為相位鎖定，簡稱鎖相。它是一個以相位誤差為控制對象的反饋控制系統(tǒng)，是將參考信號與受控振蕩器輸出信號之間的相位進行比較，產生相位誤差電壓來調整受控振蕩器輸出信號的相位，從而使受控振蕩器輸出頻率與參考信號頻率相一致。在兩者頻率相同而相位并不完全相同的情況下，兩個信號之間的相位差能穩(wěn)定在一個很小的范圍內。目前，鎖相環(huán)路在濾波、頻率綜合、調制與解調、信號檢測等許多技術領域獲得了廣泛的應用，在模擬與數字通信系統(tǒng)中已成為不可缺少的基本部件。一、鎖

2、相環(huán)路的基本工作原理1鎖相環(huán)路的基本組成鎖相環(huán)路主要由鑒頻器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分所組成，其基本組成框圖如圖3-5-16所示。圖1  鎖相環(huán)路的基本組成框圖將圖3-5-16的鎖相環(huán)路與圖1的自動頻率控制（AFC）電路相比較，可以看出兩種反饋控制的結構基本相似，它們都有低通濾波器和壓控振蕩器，而兩者之間不同之處在于：在AFC環(huán)路中，用鑒頻器作為比較部件，直接利用參考信號的頻率與輸出信號頻率的頻率誤差獲取控制電壓實現控制。因此，AFC系統(tǒng)中必定存在頻率差值，沒有頻率差值就失去了控制信號。所以AFC系統(tǒng)是一個有頻差系統(tǒng)，剩余頻差的大小取決于AFC系統(tǒng)的性能

3、。在鎖相環(huán)路（PLL）系統(tǒng)中，用鑒相器作為比較部件，用輸出信號與基準信號兩者的相位進行比較。當兩者的頻率相同、相位不同時，鑒相器將輸出誤差信號，經環(huán)路濾波器輸出控制信號去控制VCO，使其輸出信號的頻率與參考信號一致，而相位則相差一個預定值。因此，鎖相環(huán)路是一個無頻差系統(tǒng)，能使VCO的頻率與基準頻率完全相等，但二者間存在恒定相位差（穩(wěn)態(tài)相位差），此穩(wěn)態(tài)相位差經鑒相器轉變?yōu)橹绷髡`差信號，通過低通濾波器去控制VCO，使與同步。2鎖相環(huán)路的捕捉與跟蹤過程當鎖相環(huán)路剛開始工作時，其起始時一般都處于失鎖狀態(tài)，由于輸入到鑒相器的二路信號之間存在著相位差，鑒相器將輸出誤差電壓來改變壓控振蕩器的振蕩頻率，使之與

4、基準信號相一致。鎖相環(huán)由失鎖到鎖定的過程，人們稱為捕捉過程。系統(tǒng)能捕捉的最大頻率范圍或最大固有頻帶稱為捕捉帶或捕捉范圍。當鎖相環(huán)路鎖定后，由于某些原因引起輸入信號或壓控振蕩器頻率發(fā)生變化，環(huán)路可以通過自身的反饋迅速進行調節(jié)。結果是VCO的輸出頻率、相位又被鎖定在基準信號參數上，從而又維持了環(huán)路的鎖定。這個過程人們稱為環(huán)路的跟蹤過程。系統(tǒng)能保持跟蹤的最大頻率范圍或最大固有頻帶稱為同步帶或同步范圍，或稱鎖定范圍。捕捉過程與跟蹤過程是鎖相環(huán)路的兩種不同的自動調節(jié)過程。由此可見，自動頻率控制（AFC）電路，在鎖定狀態(tài)下，存在著固定頻差。而鎖相環(huán)路控制（PLL）電路，在鎖定狀態(tài)下，則存在著固定相位差。雖

5、然鎖相環(huán)存在著相位差，但它和基準信號之間不存在頻差，即輸出頻率等于輸入頻率這也表明，通過鎖相環(huán)來進行頻率控制，可以實現無誤差的頻率跟蹤其效果遠遠優(yōu)于自動頻率控制電路3鎖相環(huán)路的基本部件1）鑒相器（PDPhase Detector）鑒相器是鎖相環(huán)路中的一個關鍵單元電路，它負責將兩路輸入信號進行相位比較，將比較結果從輸出端送出。鑒相器的電路類型很多，最常用的有以下三種電路（1）模擬乘法器鑒相器，這種鑒相器常常用于鑒相器的兩路輸入信號均為正弦波的鎖相環(huán)電路中。（2）異或門鑒相器，這種鑒相器適合兩路輸入信號均為方波信號的鎖相環(huán)電路中，所以異或門鑒相器常常應用于數字電路鎖相環(huán)路中。（3）邊沿觸發(fā)型數字鑒

6、相器，這種鑒相器也屬于數字電路型鑒相器，對輸入信號要求不嚴，可以是方波，也可以是矩形脈沖波這種電路常用于高頻數字鎖相環(huán)路中。圖2 是異或門鑒相器的鑒相波形與鑒相特性曲線。圖2 異或門鑒相器的鑒相波形與鑒相特性曲線            a) 異或門鑒相器 b) 鑒相器輸出波形 C) 鑒相特性2）環(huán)路濾波器（LF-Loop Filter）鑒相器輸出的電壓信號是交流電壓，它并不能直接控制壓控振蕩（VCO）電路，鑒相器輸出的電壓信號必須經過環(huán)路濾波器平滑濾波后，才能用于控制VCO電路。環(huán)路濾

7、波器從實質上講也是低通濾波，其作用主要是濾除鑒相器輸出誤差電壓中的高頻及干擾成分，得到控制電壓，因為控制電壓是決定VCO工作頻率的電壓，因此它的變化對鎖相環(huán)路的性能參數有很大的影響關系。圖3是目前比較常用的三種環(huán)路濾波器電路。從圖中可以看出，三種電路的復雜程度不一樣。第一種簡單的濾波器所用元件最少，電路也最簡單。有源比例積分濾波器，使用元件最多，電路也比較復雜。圖3 環(huán)路濾波器a)簡單濾波器   b)比例積分濾波器  c) 有源比例積分濾波器但從濾波效果的角度來衡量，有源比例積分濾波器的濾波效果最好，簡單濾波器濾波效果最差，比例積分濾波器的濾波效果介于二者之間。設

8、計電路時，可以根據鎖相環(huán)路的要求選擇不同的環(huán)路濾波器。3）壓控振蕩器（VCO-Voltage Controlled Oscillator）壓控振蕩器（VCO）是鎖相環(huán)（PLL）的被控對象。壓控振蕩器是一個電壓頻率變換裝置，在環(huán)路中作為頻率可調振蕩器，其振蕩頻率應隨輸入控制電壓線性地變化。它輸出的信號根據鎖相環(huán)的不同要求，可分為正弦波壓控振蕩器與非正弦波壓控振蕩器兩大類正弦波壓控振蕩器一般由點式振蕩器與變容二極管組成它的工作原理與計算公式和電容三點式正弦波振蕩器完全一樣。由于正弦波VCO受到變容二極管結電容變化范圍的限制，因此一般振蕩頻率變化范圍都不是太大。非正弦波壓控振蕩器的種類較多，由于它的

9、頻率變化范圍大，控制線性好，所以應用比較廣泛。這類壓控振蕩器常見的幾種電路有射極定時壓控多諧振蕩器、積分型施密特壓控振蕩器、數字門電路壓控振蕩器。圖4是兩種方波壓控振蕩器電路。圖4兩種方波壓控振蕩器電路a) 積分施密特VCO電路  b) CMOS門電路VCO電路二、鎖相環(huán)路的基本特性1良好的載波跟蹤特性。無論輸入鎖相環(huán)的信號是已調制或未調制的，只要信號中包含有載波成分，就可將環(huán)路設計成一個窄帶跟蹤濾波器，跟蹤輸入信號載波成分的頻率與相位變化，環(huán)路輸出信號就是需要提取的載波信號。載波跟蹤特性包含窄帶、跟蹤和弱輸入載波信號的放大三重含意。2調制跟蹤特性。當環(huán)路具有適當寬度的低頻通帶時，壓

10、控振蕩器輸出信號的頻率與相位就能跟蹤輸入調頻或調相信號的頻率與相位的變化。3窄帶濾波特性。鎖相環(huán)路通過環(huán)路濾波器的作用，具有窄帶濾波器特性，當壓控振蕩器的輸出頻率鎖定在輸入參考頻率上時，位于信號頻率附近的干擾成分將以低頻干擾的形式進入環(huán)路，絕大部分的干擾會受到環(huán)路濾波器低通特性的抑制，從而將混進輸入信號中的噪聲和雜散干擾濾除掉。在設計較好時，這個通帶能做得極窄，例如在幾十兆赫的頻率范圍內，實現幾十赫甚至幾赫的窄帶濾波。這種窄帶濾波特性是任何、及石英晶體等濾波器均難以達到的。4低門限特性。鎖相環(huán)路也是一個非線性器件，用作鑒頻器時同樣存在門限效應，但鎖相環(huán)路的門限并不取決于輸入信噪比而取決于環(huán)路信

11、噪比，由于環(huán)路的窄帶特性，環(huán)路信噪比明顯高于輸入信噪比，環(huán)路能在低輸入信噪比條件下工作，即具有低門限的優(yōu)良特性。5鎖定狀態(tài)無剩余頻差，易于集成化等。三、集成鎖相環(huán)74HC4046單片鎖相環(huán)集成電路74HC4046是一種高速CMOS混合電路，含有鎖相環(huán)路全部功能的單片集成鎖相環(huán)電路，其最高工作頻率可達18MHz。它的內部功能框圖及標準應用電路，如圖5所示。從圖5中74HC4046的外接元件可以看出，集成鎖相環(huán)只需外接極少的元件，即可組成一個完整的鎖相電路。以圖5的電路為基準，根據各種用途對電路的不同要求，在鎖相環(huán)電路中若配不同的應用電路，即可組成各種類型的應用電路。例如，在74HC4046的3腳

12、、4腳之間插人N分頻電路，就可以組成頻率合成器電路。圖5 74HC4046內部功能框圖及標準應用電路四、鎖相環(huán)路的應用1在空間技術中的應用窄帶跟蹤接收機（鎖相接收機）鎖相接收機是一種具有窄帶跟蹤性能的接收機。主要用于空間技術中的測速與測距，來確定飛行器的運行軌道。由于飛行器發(fā)射功率小，通信距離遠，所以收到的信號極其微弱。另外，考慮到信號有多普勒頻移以及振蕩器產生的頻率漂移，接收機的中頻通帶又必須足夠寬，這樣，接收機解調器前的信噪功率比必然相當低，一般在-10-30dB左右。采用窄帶鎖相跟蹤接收機由于它的帶寬很窄，又能跟蹤信號，因此，能大大提高接收機的信噪比。般說來，可比普通接收機信噪比提高30

13、40dB，這一優(yōu)點是很重要的。圖6是鎖相接收機的簡化框圖。其工作過程如下：圖6 鎖相接收機的簡化框圖混頻器輸入信號電壓為，它是調頻高頻信號，中心頻率為，它與外差本振信號相混頻，頻率為，它是由壓控振蕩器頻率經M次倍頻后得到的。混頻后輸出的中頻信號，其中頻頻率為,，經中頻放大器放大后在鑒相器內與下一個頻率穩(wěn)定的本地標準中頻參考信號進行相位比較，的頻率為。如果兩者的頻率有偏差，鑒相器的輸出電壓經環(huán)路濾波器濾波后就去調整壓控振蕩器的振蕩頻率，使混頻器的輸出頻率被鎖定在本地標準中頻上，即。由圖可見，接收機的中頻放大器設置在環(huán)路內部，依靠環(huán)路的跟蹤作用，中頻信號的頻率將保持在調諧回路的中心。這樣，中頻放大

14、器的通頻帶可以做得很窄（例如3300Hz），只需覆蓋調頻信號在載波頻率固定情況下的占據頻寬就夠了。在載頻因多普勒頻移等原因產生較大漂移的情況下，由于窄帶跟蹤環(huán)路的作用，將使載頻有漂移的已調信號頻譜，經混頻后仍能準確地落在中頻通頻帶的中央，這就實現了窄帶跟蹤。在實際空間通信中，飛行器實際的多普勒頻移產生的頻率變化要比調頻信號本身占據的頻寬大得多，因而必須采用鎖相環(huán)構成的窄帶跟蹤濾波器，才能使這種空間通信有滿意的結果，這種窄帶跟蹤接收機的靈敏度很高，接收微弱信號的能力很強。2在調制解調技術中的應用（1）鎖相調頻電路應用圖7所示的鎖相環(huán)路調頻器電路，可以獲得載波頻率穩(wěn)定度很高的調頻信號。實現PLL調

15、頻的條件是，調制信號的頻譜要處于環(huán)路低通濾波器通帶之外，并且調制指數不能太大。這樣，鎖相環(huán)路實際上是載波跟蹤環(huán)，調制信號不能通過低通濾波器，也就不能參與環(huán)路的交流反饋，因而調制信號對鎖相環(huán)路沒有影響，壓控振蕩器的中心頻率被鎖定在晶體振蕩頻率上。同時，調制信號加在壓控振蕩器上，對其中心頻率進行調制，因此，輸出調頻信號的中心頻率穩(wěn)定度與晶振頻穩(wěn)度有相同的數量級，而調頻靈敏度則與VCO的電壓控制靈敏度相同，克服了直接調頻中心頻率穩(wěn)定度不高的缺點。這種電路的缺點是調制頻偏（或相偏）較小。為了保證調制器具有優(yōu)良的低頻調制特性，可用鎖相環(huán)路構成一種所謂兩點調制的寬帶FM調制器，這種調制器在很寬的調制頻率范

16、圍內，頻偏正比于調制信號。圖7  鎖相環(huán)路調頻器電路（2） 鎖相環(huán)路鑒頻器圖8為鎖相環(huán)路鑒頻器原理框圖。調頻信號由鑒相器輸入，如果環(huán)路濾波器的帶寬設計得足夠寬，使鑒相器的輸出電壓能順利通過，則壓控振蕩器在環(huán)路濾波器輸出電壓的控制下，其輸出信號頻率將跟蹤輸入調頻信號頻率的變化，也就是VCO的輸出是一個與輸入調頻信號具有相同調制規(guī)律的調頻波，而環(huán)路濾波器的輸出電壓則正好就是調頻信號解調出的調制信號電壓。鎖相環(huán)路鑒頻器的優(yōu)點是它的門限電平比普通鑒頻器低。調制指數越高，門限改善的分貝數也越大。圖8鎖相環(huán)路鑒頻器原理框圖（3）調幅信號的同步檢波電路邊帶的調幅信號要進行同步檢波，必須先從己調信號

17、中恢復出與載波信號同頻同相的本地載波信號，用載波跟蹤型鎖相環(huán)就能獲得本地載波信號。圖9為鎖相同步檢波電路原理框圖。由于壓控振蕩器輸出信號與輸入調幅波的載頻分量之間有固定的相移，因此，必須經過移相器變成與已調波中載波分量同相的信號，此信號即為本地載波信號，與已調波信號共同加到同步檢波器上，才能獲得解調信號。圖9鎖相同步檢波電路以上是用PLL實現模擬信號的調制與解調，同樣可以用PLL實現數字調頻、調相信號的調制與解調，最常見的是移頻鍵控（FSK）及移相鍵控信號的調制與解調。3在穩(wěn)頻技術中的應用利用鎖相環(huán)路的頻率跟蹤特性，可實現分頻、倍頻、混頻等頻譜變換功能，并從而構成頻率綜合器與標準頻率源。（1）

18、鎖相倍頻電路在窄帶鎖相環(huán)路壓控振蕩器輸出到鑒相器的反饋支路中插入一個分頻器就得到一個鎖相倍頻器，如圖10所示。圖10 鎖相倍頻電路框圖根據鎖相原理，當環(huán)路輸入信號鎖定后，鑒相器的兩個相位進行比較的輸入信號的頻率應該相等，即 這樣就完成了鎖相倍頻的任務，倍頻次數等于分頻器的分頻次數。若采用具有高分頻次數的可變數字分頻器，則鎖相倍頻電路可做成高倍頻次數的可變倍頻器。鎖相倍頻的優(yōu)點是頻譜純度很純，且倍頻次數可做得很高。（2）鎖相分頻電路如果在基本鎖相環(huán)路的反饋通道中插入倍頻器，就可組成基本的鎖相分頻電路，如圖11所示。圖11 鎖相分頻電路框圖當環(huán)路鎖定時，鑒相器輸入信號角頻率與壓控振蕩器經倍頻后反饋

19、至鑒相器的信號角頻率應相等，即 （3）鎖相混頻電路鎖相混頻電路的框圖如圖12所示。在反饋通道中插入混頻器和中頻放大器?；祛l器加入本振信號，其頻率為，因此混頻器輸出信號的頻率為，經中頻放大器放大后加至鑒相器上。當環(huán)路鎖定時，即，這樣環(huán)路就實現了混頻作用。至于是還是取，在環(huán)路濾波器帶寬足夠窄時，取決于VCO輸出頻率是高于還是低于，當高于時，??；低于時，取。圖12  鎖相混頻電路的框圖(4）頻率合成器（頻率綜合器）指能對頻率進行加、減、乘、除運算，將一個或幾個標準頻率變成一系列標準頻率信號的設備或裝置為頻率合成器。頻率合成的方法有以下三種：第一種為直接頻率合成法，它是利用混頻器、倍頻器、分

20、頻器及濾波器等來完成頻率的加、減、乘、除四種運算。直接式頻率合成器的優(yōu)點是頻率變換速度快、相位噪聲小，但它的雜波大、硬件設備復雜、體積大、造價高。日前己很少采用。第二種為鎖相式頻率合成法，是利用一個或幾個鎖相環(huán)來完成頻率變換任務，其特點是體積小，性能好、價格低廉、已獲得廣泛應用。第三種為直接數字式頻率合成法（DDS），它利用計算機查閱表格上所存儲的正弦波的取樣值，再通過數模變換來產生模擬正弦信號，改變查表速度就可以變換頻率。這種方法實際上是通過對相位的運算進行頻率合成的。也可以用計算機求解數字遞推關系式等方法來產生正弦信號。除正弦信號外，也能產生其他各種波形的信號。這種方法也稱為波形合成法。其

21、優(yōu)點是體積小、功耗低、性能優(yōu)良，己超過傳統(tǒng)的頻率合成技術，這種方法隨著計算機技術的不斷發(fā)展，正獲得十分廣泛的應用。這里僅簡單介紹鎖相頻率合成器的原理框圖。圖 13示出單環(huán)數字頻率合成器的原理框圖。圖13 鎖相混頻電路的組成框圖圖中可見在基本鎖相環(huán)路的反饋支路中，接入具有高分頻比的可變分頻器，分頻比為N控制可變分頻器的分頻比就可得到若干個標準頻率輸出。為了得到所需的頻率間隔，往往在電路中還加一個前置分頻器。頻率合成器的電路構成和鎖相倍頻電路是一樣的，僅僅分頻器采用可變分頻器。          &

22、#160;                       其工作原理如下：環(huán)路輸入來源于高穩(wěn)定晶體振蕩器，當輸入參考信號的頻率為時，  環(huán)路在鎖定后將沒有頻差，輸入頻率等于反饋頻率，環(huán)路輸出頻率為             可見，只要改變分頻比N，就可以

23、改變輸出頻率。同時，當改變合成器輸出頻率的間隔，即為改進單環(huán)頻率合成器的性能，可以在環(huán)路中可變分頻器前加入固定分頻比的前置分頻器，或在反饋支路中加入混頻器。電路設計與驗證1.調頻調頻是用調制信號直接線性地改變載波振蕩的瞬時頻率，即使載波振蕩頻率隨調制信號的失真變化而變化。其逆過程為頻率解調（也稱頻率檢波或鑒頻）。圖14 鎖相環(huán)調頻電路原理框圖將調制信號加到壓控振蕩器（VCO）的控制端，使壓控振蕩器的輸出頻率（在自振頻率(中心頻率)f0上下）隨調制信號的變化而變化，于是生成了調頻波。當載波頻率與自由振蕩頻率相近時，載波頻率與壓控振蕩器的振蕩頻率鎖定。低通濾波器只保證壓控振蕩中心振蕩頻率與載波頻率

24、鎖定時所產生的相位誤差電壓通過，該電壓與調制信號同經加法器，用以控制壓控振蕩器的頻率，從而獲得與載波頻率具有同樣頻率穩(wěn)定度的調頻波。2鑒頻圖14 鎖相環(huán)解調電路原理框圖調頻波（經過放大器放大后）與壓控振蕩器的輸出被送入鑒相器，經鑒相獲得變化著的相位誤差電壓，該誤差電壓通過低通濾波器被濾掉其高頻成份，繼而獲得隨調制信號頻率變化而變化的信號，經跟隨器得到解調信號，從而實現了解調（鑒頻）過程。                 

25、60;        圖4 鎖相環(huán)（4046）典型電路圖 相位比較器(鑒相器)；VCO 壓控振蕩器；C1,R1、R2 決定自振頻率；R3、C2 低通濾波器；14腳 高頻輸入端，要求輸入方波信號；4腳VCO輸出端。IN1端輸入幅值為3.5VP-P、頻率與自振頻率相同方波信號（定義為載波）。IN2端輸入幅值為0.4VP-P、頻率lKHz的正弦波（定義為調制波）。用雙蹤示波器仔細觀測OUT1和IN2，為了可清楚地觀看到調頻波的疏密變化，可微調調制信號的頻率。圖1 頻率合成電路結構框圖1. 鎖相式數字頻率合成電路的組成及工作原理圖中結構可由CD4046及外圍電路組成，其中相位比較器和壓控振蕩器功能電路由CD4046完成。1N分頻電路是由三組可預置分頻電路完成，各組均由CD4522可編程二進制4位1N計數器組成，每組分頻可用“接入+5V的方法”以8421碼的形式對計數器進行預置，也可用單片機編程去控制，分頻比的選擇范圍為1999（針對三組分頻電路而言），總共可預置999個頻率點，它是構成鎖相式數字頻率合成器的重要單元電路，即可編程分頻電路。按所需分頻比，先預置各位（即個位、十位和百位）的數據，然后輸入頻率為fi的方波信號Ui到C