锁相环原理及应用

1、锁相电路（PLL）及其应用自动相位控制（AP。电路，也称为锁相环路（PLL）,它能使受控振荡器的频率和相位 均与输入参考信号保持同步，称为相位锁定，简称锁相。它是一个以相位误差为控制对象的 反馈控制系统，是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整受控振荡器输出信号的相位，从而使受控振荡器输出频率与参考信号频率相一致。 在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能稳定在一个很小的范围内。目前，锁相环路在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多技术领域获得了广泛 的应用，在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。一、锁相环路的基本工作原理

2、1 .锁相环路的基本组成锁相环路主要由鉴频器（PD、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO三部分所组成, 其基本组成框图如图 3-5-16所示。比坳;旬;从而产生误I芥6号PD 基准频率 振荡器VCO电理制废解振荡频率随外而变化巴一用来比砌 旬3再经反馈 控制使4乂图1锁相环路的基本组成框图将图3-5-16的锁相环路与图1的自动频率控制（AFQ电路相比较，可以看出两种反馈 控制的结构基本相似，它们都有低通滤波器和压控振荡器，而两者之间不同之处在于：在 AFC环路中，用鉴频器作为比较部件， 直接利用参考信号的频率与输出信号频率的频率误差 获取控制电压实现控制。因此，AFC系统中必定存在频率差值，

3、没有频率差值就失去了控制信号。所以AFC系统是一个有频差系统，剩余频差的大小取决于AFC系统的性能。在锁相环路（PLL）系统中，用鉴相器作为比较部件，用输出信号与基准信号两者的相 位进行比较。当两者的频率相同、 相位不同时，鉴相器将输出误差信号，经环路滤波器输出控制信号去控制 VCO使其输出信号的频率与参考信号一致，而相位则相差一个预定值。因 此，锁相环路是一个无频差系统，能使VCOW频率与基准频率完全相等，但二者间存在恒定相位差（稳态相位差），此稳态相位差经鉴相器转变为直流误差信号，通过低通滤波器去控制VCO使f0与fr同步。2 .锁相环路的捕捉与跟踪过程当锁相环路刚开始工作时，其起始时一般

4、都处于失锁状态，由于输入到鉴相器的二路信号之间存在着相位差，鉴相器将输出误差电压来改变压控振荡器的振荡频率，使之与基准信号相一致。锁相环由失锁到锁定的过程，人们称为捕捉过程。系统能捕捉的最大频率范围或 最大固有频带称为捕捉带或捕捉范围。当锁相环路锁定后，由于某些原因引起输入信号或压控振荡器频率发生变化，环路可以通过自身的反馈迅速进行调节。结果是VCO的输出频率、相位又被锁定在基准信号参数上，从而又维持了环路的锁定。这个过程人们称为环路的跟踪过程。系统能保持跟踪的最大频率范围或最大固有频带称为同步带或同步范围，或称锁定范围。捕捉过程与跟踪过程是锁相环路的两种不同的自动调节过程。由此可见，自动频率

5、控制（AFQ电路，在锁定状态下，存在着固定频差。而锁相环路 控制（PLL）电路，在锁定状态下，则存在着固定相位差。虽然锁相环存在着相位差，但它 和基准信号之间不存在频差，即输出频率等于输入频率.这也表明，通过锁相环来进行频率控制，可以实现无误差的频率跟踪.其效果远远优于自动频率控制电路.3 .锁相环路的基本部件4 ）鉴相器（PD） Phase Detector ）鉴相器是锁相环路中的一个关键单元电路，它负责将两路输入信号进行相位比较，将比较结果从输出端送出。鉴相器的电路类型很多，最常用的有以下三种电路.5 1）模拟乘法器鉴相器，这种鉴相器常常用于鉴相器的两路输入信号均为正弦波的锁 相环电路中。

6、6 2）异或门鉴相器，这种鉴相器适合两路输入信号均为方波信号的锁相环电路中，所 以异或门鉴相器常常应用于数字电路锁相环路中。7 3）边沿触发型数字鉴相器，这种鉴相器也属于数字电路型鉴相器，对输入信号要求不严，可以是方波，也可以是矩形脉冲波.这种电路常用于高频数字锁相环路中。 图2是异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线。图2异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线a）异或门鉴相器b）鉴相器输出波形 C）鉴相特性2）环路滤波器（LF-Loop Filter ）鉴相器输出的电压信号是交流电压，它并不能直接控制压控振荡（ VCO电路，鉴相器 输出的电压信号必须经过环路滤波器平滑滤波后，才能用于控制VCO电

7、路。环路滤波器从实质上讲也是低通滤波，其作用主要是滤除鉴相器输出误差电压中的高频及干扰成分，得到控制电压 U d ,因为控制电压Ud是决定VCO工作频率的电压，因此它的 变化对锁相环路的性能参数有很大的影响关系。图3是目前比较常用的三种环路滤波器电路。从图中可以看出，三种电路的复杂程度不一样。第一种简单的 RC滤波器所用元件最少，电路也最简单。有源比例积分滤波器，使用 元件最多，电路也比较复杂。图3环路滤波器a）简单RC滤波器b） RC比例积分滤波器 c）有源比例积分滤波器但从滤波效果的角度来衡量， 有源比例积分滤波器的滤波效果最好，简单RC滤波器滤波效果最差，RC比例积分滤波器的滤波效果介于

8、二者之间。设计电路时，可以根据锁相环路的要求选择不同的环路滤波器。3）压控振荡器（VCO-Voltage Controlled Oscillator ）压控振荡器（VCO是锁相环（PLL）的被控对象。压控振荡器是一个电压一频率变换装置，在环路中作为频率可调振荡器，其振荡频率应随输入控制电压线性地变化。它输出的信号根据锁相环的不同要求，可分为正弦波压控振荡器与非正弦波压控振荡器两大类.正弦波压控振荡器一般由 LC点式振荡器与变容二极管组成.它的工作原理与计算公式和电容三点式正弦波振荡器完全一样。由于正弦波VCC受到变容二极管结电容变化范围的限制，因此一般振荡频率变化范围都不是太大。非正弦波压控振

9、荡器的种类较多，由于它的频率变化范围大，控制线性好，所以应用比较广泛。这类压控振荡器常见的几种电路有射极定时压控多谐振荡器、积分型施密特压控振荡 器、数字门电路压控振荡器。图4是两种方波压控振荡器电路。图4两种方波压控振荡器电路a)积分施密特 VCOfe路b) CMOS门电路VCO电路二、锁相环路的基本特性1 .良好的载波跟踪特性。无论输入锁相环的信号是已调制或未调制的，只要信号中包 含有载波成分，就可将环路设计成一个窄带跟踪滤波器，跟踪输入信号载波成分的频率与相位变化，环路输出信号就是需要提取的载波信号。载波跟踪特性包含窄带、跟踪和弱输入载波信号的放大三重含意。2 .调制跟踪特性。当环路具有

10、适当宽度的低频通带时，压控振荡器输出信号的频率与 相位就能跟踪输入调频或调相信号的频率与相位的变化。3 .窄带滤波特性。锁相环路通过环路滤波器的作用，具有窄带滤波器特性，当压控振荡器的输出频率锁定在输入参考频率上时，位于信号频率附近的干扰成分将以低频干扰的形从而将混进输入信号中的 例如在几十兆赫的频率范围LC、RC及石英晶体等滤式进入环路，绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性的抑制， 噪声和杂散干扰滤除掉。 在设计较好时，这个通带能做得极窄, 内，实现几十赫甚至几赫的窄带滤波。这种窄带滤波特性是任何 波器均难以达到的。4 .低门限特性。锁相环路也是一个非线性器件，用作鉴频器时同样存在门限效应

11、，但锁相环路的门限并不取决于输入信噪比而取决于环路信噪比，由于环路的窄带特性， 环路信噪比明显高于输入信噪比，环路能在低输入信噪比条件下工作，即具有低门限的优良特性。5 .锁定状态无剩余频差，易于集成化等。、集成锁相环74HC4046单片锁相环集成电路 74HC4046是一种高速CMOS1合电路，含有锁相环路全部功能的单 片集成锁相环电路，其最高工作频率可达18MHz它的内部功能框图及标准应用电路，如图5所示。从图5中74HC4046的外接元件可以看出，集成锁相环只需外接极少的元件，即可组成 一个完整的锁相电路。以图5的电路为基准，根据各种用途对电路的不同要求，在锁相环电路中若配不同的应用电路

12、，即可组成各种类型的应用电路。例如，在74HC4046的3脚、4脚之间插人 N分频电路，就可以组成频率合成器电路。图5 74HC4046内部功能框图及标准应用电路四、锁相环路的应用1在空间技术中的应用一一窄带跟踪接收机（锁相接收机）锁相接收机是一种具有窄带跟踪性能的接收机。主要用于空间技术中的测速与测距，来确定飞行器的运行轨道。由于飞行器发射功率小，通信距离远，所以收到的信号极其微弱。另外，考虑到信号有多普勒频移以及振荡器产生的频率漂移，接收机的中频通带又必须足够宽，这样，接收机解调器前的信噪功率比必然相当低，一般在 -10-30dB左右。采用窄带 锁相跟踪接收机由于它的带宽很窄，又能跟踪信号

13、，因此，能大大提高接收机的信噪比。一般说来，可比普通接收机信噪比提高3040dB,这一优点是很重要的。图6是锁相接收机的简化框图。其工作过程如下：混频器输入信号电压为 Ui(t),它是调频高频信号，中心频率为 01,它与外差本振信号U2(t)相混频，U2(t)频率为口2 ,它是由压控振荡器频率 82/M经M次倍频后得到的。 混 频后输出的中频信号 u3(t),其中频频率为03,03 =以一s2 ,经中频放大器放大后在鉴相 33312器内与下一个频率稳定的本地标准中频参考信号U4(t)进行相位比较，U4(t)的频率为«4 o如果两者的频率有偏差，鉴相器的输出电压Ud(t)经环路滤波器滤

14、波后就去调整压控振荡器的振荡频率，使混频器的输出频率被锁定在本地标准中频上，即 83=64。由图可见，接收 机的中频放大器设置在环路内部，依靠环路的跟踪作用，中频信号的频率将保持在调谐回路的中心。这样，中频放大器的通频带可以做得很窄(例如3300Hz),只需覆盖调频信号在载波频率固定情况下的占据频宽就够了。在载频因多普勒频移等原因产生较大漂移的情况下，由于窄带跟踪环路的作用，将使载频有漂移的已调信号频谱，经混频后仍能准确地落在中频通频带的中央， 这就实现了窄带跟踪。 在实际空间通信中， 飞行器实际的多普勒频移产 生的频率变化要比调频信号本身占据的频宽大得多，因而必须采用锁相环构成的窄带跟踪滤波

15、器，才能使这种空间通信有满意的结果，这种窄带跟踪接收机的灵敏度很高，接收微弱信号的能力很强。2 .在调制解调技术中的应用(1)锁相调频电路应用图7所示的锁相环路调频器电路，可以获得载波频率稳定度很高的调频信号。实现PLL调频的条件是，调制信号的频谱要处于环路低通滤波器通带之外，并且调制指数不能太大。这样，锁相环路实际上是载波跟踪环，调制信号不能通过低通滤波器，也就不能参与环路的交流反馈，因而调制信号对锁相环路没有影响，压控振荡器的中心频率被锁定在晶体振荡频率上。同时，调制信号加在压控振荡器上，对其中心频率进行调制，因此，输出调频信 号的中心频率稳定度与晶振频稳度有相同的数量级，而调频灵敏度则与

16、 VCO勺电压控制灵敏度相同，克服了直接调频中心频率稳定度不高的缺点。这种电路的缺点是调制频偏(或相偏)较小。为了保证调制器具有优良的低频调制特性，可用锁相环路构成一种所谓两点调制的宽带FM调制器，这种调制器在很宽的调制频率范围内，频偏正比于调制信号。(2)锁相环路鉴频器图8为锁相环路鉴频器原理框图。调频信号由鉴相器输入，如果环路滤波器的带宽设计得足够宽，使鉴相器的输出电压能顺利通过，则压控振荡器在环路滤波器输出电压的控制下，其输出信号频率将跟踪输入调频信号频率的变化，也就是VCO1勺输出是一个与输入调频信号具有相同调制规律的调频波，而环路滤波器的输出电压则正好就是调频信号解调出的调制信号电压

17、。锁相环路鉴频器的优点是它的门限电平比普通鉴频器低。调制指数越高， 门限改善的分贝数也越大。图8锁相环路鉴频器原理框图(3)调幅信号的同步检波电路边带的调幅信号要进行同步检波，必须先从己调信号中恢复出与载波信号同频同相的本地载波信号，用载波跟踪型锁相环就能获得本地载波信号。图9为锁相同步检波电路原理框图。由于压控振荡器输出信号与输入调幅波的载频分量之间有固定的冗/2相移，因此，必须经过冗/2移相器变成与已调波中载波分量同相的信号，此信号即为本地载波信号，与已 调波信号共同加到同步检波器上，才能获得解调信号。输出图9锁相同步检波电路以上是用PLL实现模拟信号的调制与解调，同样可以用PLL实现数字

18、调频、调相信号的调制与解调，最常见的是移频键控( FSKK及移相键控信号的调制与解调。3 .在稳频技术中的应用利用锁相环路的频率跟踪特性，可实现分频、倍频、混频等频谱变换功能， 并从而构成频率综合器与标准频率源。(1)锁相倍频电路在窄带锁相环路压控振荡器输出到鉴相器的反馈支路中插入一个分频器就得到一个锁 相倍频器，如图10所示。图10锁相倍频电路框图根据锁相原理，当环路输入信号锁定后，鉴相器的两个相位进行比较的输入信号的频率 应该相等，即i = o / N，o = N ，i这样就完成了锁相倍频的任务， 倍频次数等于分频器的分频次数。 若采用具有高分频次 数的可变数字分频器，则锁相倍频电路可做成

19、高倍频次数的可变倍频器。锁相倍频的优点是频谱纯度很纯，且倍频次数可做得很高。(2)锁相分频电路如果在基本锁相环路的反馈通道中插入倍频器，就可组成基本的锁相分频电路，如图 11所示。处 0 PD , LF 1 - VCO 1 1 *1:输出信号二 倍.器一图11锁相分频电路框图当环路锁定时，鉴相器输入信号角频率心与压控振荡器经倍频后反馈至鉴相器的信号角频率Nmo应相等，即-o 三* / N(3)锁相混频电路锁相混频电路的框图如图 12所示。在反馈通道中插入混频器和中频放大器。混频器加入本振信号UL(t),其频率为fL,因此混频器输出信号的频率为fo - fL ,经中频放大器放大后加至鉴相器上。当

20、环路锁定时，fr = fo - fL ,即fo =九± fr ,这样环路就实现了混频作用。至于f。是九十二还是取fL - fr ,在环路滤波器带宽足够窄时，取决于VCO输出频率fo是高于还是低于f L ,当然高于f L时，取fo = f L + fr ；低于人时，取fo = f L 一 fr。图12锁相混频电路的框图（4 ）频率合成器（频率综合器）指能对频率进行加、减、乘、除运算，将一个或几个标准频率变成一系列标准频率信号 的设备或装置为频率合成器。频率合成的方法有以下三种：第一种为直接频率合成法，它是利用混频器、倍频器、分频器及滤波器等来完成频率的 加、减、乘、除四种运算。直接式频

21、率合成器的优点是频率变换速度快、相位噪声小，但它 的杂波大、硬件设备复杂、体积大、造价高。日前己很少采用。第二种为锁相式频率合成法，是利用一个或几个锁相环来完成频率变换任务，其特点是体积小，性能好、价格低廉、已获得广泛应用。第三种为直接数字式频率合成法（DDS ,它利用计算机查阅表格上所存储的正弦波的取样值，再通过数模变换来产生模拟正弦信号，改变查表速度就可以变换频率。这种方法实际上是通过对相位的运算进行频率合成的。也可以用计算机求解数字递推关系式等方法来产生正弦信号。除正弦信号外，也能产生其他各种波形的信号。这种方法也称为波形合成法。 其优点是体积小、功耗低、性能优良，己超过传统的频率合成技

22、术，这种方法随着计算机技术的不断发展，正获得十分广泛的应用。 这里仅简单介绍锁相频率合成器的原理框图。图13示出单环数字频率合成器的原理框图。图13锁相混频电路的组成框图图中可见在基本锁相环路的反馈支路中，接入具有高分频比的可变分频器，分频比为N控制可变分频器的分频比就可得到若干个标准频率输出。为了得到所需的频率间隔，往往在电路中还加一个前置分频器。频率合成器的电路构成和锁相倍频电路是一样的，仅仅分频器采用可变分频器。其工作原理如下：环路输入来源于高稳定晶体振荡器，当输入参考信号的频率为fr时， 环路在锁定后将没有频差，输入频率等于反馈频率，环路输出频率为fo =Nfr可见，只要改变分频比N,

23、就可以改变输出频率。同时，当改变合成器输出频率的间隔, 即可以在环路中可变分频器前加入固定分频比的前置分频为改进单环频率合成器的性能, 器，或在反馈支路中加入混频器。电路设计与验证1.调频调频是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率，即使载波振荡频率随调制信号的失真变化而变化。其逆过程为频率解调（也称频率检波或鉴频）。载波图14 锁相环调频电路原理框图将调制信号加到压控振荡器 （VCO的控制端，使压控振荡器的输出频率 （在自振频率（中 心频率）f0上下）随调制信号的变化而变化，于是生成了调频波。当载波频率与自由振荡频率相近时，载波频率与压控振荡器的振荡频率锁定。低通滤波器只保证压控振荡中心

24、振荡频率与载波频率锁定时所产生的相位误差电压通过，该电压与调制信号同经加法器，用以控制压控振荡器的频率，从而获得与载波频率具有同样频率稳定度 的调频波。2.鉴频调频波一一图14 锁相环解调电路原理框图老调输出调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴相器， 经鉴相获得变化着的 相位误差电压，该误差电压通过低通滤波器被滤掉其高频成份， 继而获得随调制信号频率变 化而变化的信号，经跟随器得到解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。0除图4 锁相环（4046）典型电路图+ 相位比较器（鉴相器）；VCO 压控振荡器；C1,R1、R2 决定自振频率；R& C2 低通滤波器；14脚 高频输

25、入端，要求输入方波信号；4脚VCO俞出端IN1端输入幅值为3.5VP-P、频率与自振频率相同方波信号（定义为载波）。IN2端输入幅值为0.4VP-P、频率lKHz的正弦波（定义为调制波）。用双踪示波器仔细观测OUT1和IN2,为了可清楚地观看到调频波的疏密变化，可微调调制信号的频率。图1频率合成电路结构框图1.锁相式数字频率合成电路的组成及工作原理 图中结构可由CD4046及外围电路组成，其中相位比较器和压控振荡器功能电路由CD4046完成。1/N分频电路是由三组可预置分频电路完成，各组土由CD4522可编程二进制4位1/N计数器组成，每组分频可用“接入+5V的方法”以8421码的形式对计数器进行预置，也可用单片机编程去控制，分频比的选择范围为1999 （针对三组分频电路而言），总共可预置999个频率点，它是构成锁相式数字频率合成器的重要单元电路，即可编程分频电路。按所需分频比，先预置各位（即个位、十位和百位）的数据，然后输入频率为fi的方波信号Ui到CD4046的相位