7.3锁相基础环路

7.3锁相环路（PLL）主要要求：

掌握PLL的作用、基本组成和工作原理了解PLL的数学模型了解PLL的捕捉与跟踪了解集成PLL及其应用7.3.1锁相环路基本原理鉴相器（PD）：用以比较ui、uo相位，输出反映相位误差的电压uD(t)。环路滤波器（LF）：用以滤除误差信号中的高频分量和噪声，提高系统稳定性。压控振荡器（VCO）：在uC(t)控制下输出相应频率fo。两个正弦信号的频率和相位之间的关系若能保证两个信号之间的相位差恒定，则这两个信号的频率必相等。若wi≠wo，则ui(t)和uo(t)之间产生相位变化，鉴相器输出误差电压uD(t)，它与瞬时误差相位成正比，经过环路滤波，滤除了高频分量和噪声而取出缓慢变化的电压uc(t)，控制VCO的角频率wo，去接近wi。最终使wi=wo

，相位误差为常数，环路锁定，这时的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。7.3.2锁相环路组成部件特性一、鉴相器(PD)设压控振荡器的输出电压为ωo0是压控振荡器未加控制电压时固有振荡角频率；

o(t)是以ωo0为参考的瞬时相位。环路输入电压ui(t)为其相位可改写为则ui(t)与uo(t)之间的瞬时相位差为以ωo0为参考的输入信号瞬时相位。可见,鉴相器的输出电压uD(t)与相位差可改写为

e(t)成正比。鉴相器正弦形鉴相特性多用于两路信号都是正弦信号的锁相环路三角形鉴相特性多用于两路信号都是方波的数字锁相环路边沿触发数字鉴相器的鉴相特性对输入信号的上升沿起作用，与输出、输入的占空比无关。环路滤波器的电路模型二、环路滤波器(LF)RC

积分滤波器RC

比例积分滤波器有源比例积分滤波器图（b）电路的传递函数为s=σ+jω为复频率三、压控振荡器(VCO)在uc=0附近，控制特性近似线性：以ωo0为参考的瞬时相位

o(t)为可见就

o(t)和uc(t)之间关系来说，压控振荡器是一个理想的积分器，通常称它为锁相环路中的固有积分环节。VCO的控制特性VCO的相位模型7.3.3锁相环路捕捉与跟踪由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程。能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差称为环路捕捉带，用Δωp表示。捕捉过程：失锁

锁定

一、琐相环路的捕捉无输入信号ui时，VCO以固有角频率ωo0

振荡。加入信号ui时，ω不等于VCO的固有角频率而存在固有输入角频差Δωi=ωi-ωo0

振荡，锁相环路初始状态是失锁的。鉴相器输出一误差电压，经环路滤波器变换后控制VCO的频率，使其输出信号的角频率由ωo0逐渐向输入信号角频率ωi靠拢，达到一定程度后，环路进入锁定，ωo=ωi。若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程称为跟踪过程。能够保持跟踪的输入信号频率与压控振荡器频率最大频差范围称为同步带（又称跟踪带），用ΔωH表示。跟踪过程：锁定

维持锁定二、琐相环路的跟踪三、同步带和捕捉带的测量当wi从低频至高频缓慢变化时未加控制电压(即uD(t)=0)时的VCO振荡频率失锁锁定失锁当wi从高频至低频缓慢变化时锁定2ΔωP2ΔωH通常捕捉带小于同步带锁相环路的同步带为锁相环路的捕捉带为7.3.4集成锁相环路模拟PLL：模拟PDLFVCO数字PLL：全数字：数字PD数字LF数字VCO模拟+数字：数字PD模拟LF模拟VCO按电路构成分类通用PLL专用PLL按用途分类一、通用型单片集成锁相环路L562内部结构引脚工作频率达30MHzL562内部VCO采用射极耦合多谐振荡器电路振荡频率为设起始时V1导通、V2截止，则VCC通过V3

、V1向C充电，充电电流为I02

。由于V1导通时UE1≡VCC–UBE(on)，故C充电使UE2下降，当其下降到（VCC–UD–UBE(on)）时，V2导通,使UC2由VCC下降为（VCC–UD），致使V1截止，VCC通过V4、V2向C反向充电，充电电流为I01

，使UE1下降，直到引起V1重新导通、V2又截止。如此循环二、CMOS锁相环路CD4046为数字PLL。内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点。工作频率达1MHz内部VCO产生50%占空比的方波。输出电平可与TTL电平或CMOS电平兼容。具有相位锁定状态指示PDⅠ由异或门构成，具有三角形鉴相特性。它要求两个输入信号均为50%占空比的方波。当无输入信号时，其输出电压为VDD/2，用以确定VCO的自由振荡频率。信号输入端：允许输入0.1V左右的小信号或方波，经A1放大和整形，提供满足PD要求的方波。

PDⅡ采用数字式鉴频鉴相器，输入信号只在上。升沿起作用，故该PD能处理非常窄的脉冲。便于快速锁定。通常输入信噪比以及固有频差较小时采用PD

，输入信噪比较高或固有频差较大时，采用PDⅡ。R1、R2、C确定VCO频率范围。R1控制最高频率，R2控制最低频率。R2=∞时，最低频率为零。无输入信号时，PDⅡ将VCO调整到最低频率。接低电平时才允许VCO工作7.3.5锁相环路的应用一、锁相环路的基本特性（1）环路锁定时，鉴相器的两个输入信号频率相等，

没有频率误差。（2）频率跟踪特性：环路锁定时，VCO输出频率能

在一定范围内跟踪输入信号频率的变化。（3）窄带滤波特性：可以实现高频窄带带通滤波。1.锁相鉴频电路工作原理：输入为调频信号，当环路锁定后，压控振荡器的振荡频率就精确地跟踪输入调频信号的瞬时频率而变化，产生具有相同调制规律的调频信号。只要压控振荡器的频率控制特性是线性的，压控振荡器的控制电压uc(t)就是输入调频信号的原调制信号。环路带宽大于输入调频信号中调制信号的频谱宽度。要求：捕捉带＞输入调频信号的最大频偏二、应用举例调频信号ui平衡方式输入解调输出1端输出稳定基准偏置电压注入直流，调节环路同步带L562作调频信号解调电路2.调幅波的同步检波有p/2固定相移工作原理：输入为调幅信号或带有导频的单边带信号，LF的通频带很窄，使锁相环路锁定在调幅信号的载频上，这样压控振荡器就可以提供能跟踪调幅信号载波频率变化的同步信号。再利用同步检波器可以得到解调电压输出。注意：压控振荡器输出电压与输入已调信号的载波电压间有

/2的固定相移，因此