一文了解鎖相環(huán)原理及工作方式

鎖相環(huán)(PLL)電路存在于各種高頻應(yīng)用中，從簡(jiǎn)單的時(shí)鐘凈化電路到用于高性能無(wú)線電通信鏈路的本振(LO)，以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)中的超快開(kāi)關(guān)頻率合成器。

鎖相環(huán)是一種反饋系統(tǒng)，其中電壓控制振蕩器和相位比較器 相互連接，使得振蕩器頻率(相位)可以準(zhǔn)確跟蹤施加的頻率 或相位調(diào)制信號(hào)的頻率。鎖相環(huán)可用來(lái)從固定的低頻信號(hào)生 成穩(wěn)定的輸出頻率信號(hào)。首批鎖相環(huán)由法國(guó)工程師de Bellescize 在20世紀(jì)30年代初實(shí)現(xiàn)。然而，直到20世紀(jì)60年代中期，集 成式PLL成為一種成本相對(duì)較低的元件之后，鎖相環(huán)才得到 市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。

1.鎖相環(huán)的基本組成

許多電子設(shè)備要正常工作，通常需要外部的輸入信號(hào)與內(nèi)部的振蕩信號(hào)同步，利用鎖相環(huán)路就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡(jiǎn)稱(chēng)鎖相環(huán)(PLL,Phase-Locked Loop)。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱(chēng)的由來(lái)。鎖相環(huán)通常由鑒相器(PD,Phase Detector)、環(huán)路濾波器(LF,Loop Filter)和壓控振蕩器(VCO,Voltage Controlled Oscillator)三部分組成，鎖相環(huán)組成的原理框圖如圖8-4-1所示。

鎖相環(huán)中的鑒相器又稱(chēng)為相位比較器，它的作用是檢測(cè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差，并將檢測(cè)出的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)換成uD(t)電壓信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC(t)，對(duì)振蕩器輸出信號(hào)的頻率實(shí)施控制。

2.鎖相環(huán)的工作原理

鎖相環(huán)中的鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖8-4-2所示。鑒相器的工作原理是：設(shè)外界輸入的信號(hào)電壓和壓控振蕩器輸出的信號(hào)電壓分別為：

(8-4-2) 式中的ω0為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或?yàn)橹绷麟妷簳r(shí)的振蕩角頻率，稱(chēng)為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓uD為：

用低通濾波器LF將上式中的和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓uC(t)。即uC(t)為：

(8-4-3) 式中的ωi為輸入信號(hào)的瞬時(shí)振蕩角頻率，θi(t)和θo(t)分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的瞬時(shí)相位，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位的關(guān)系為：

(8-4-4) 則，瞬時(shí)相位差θd為

(8-4-5) 對(duì)兩邊求微分，可得頻差的關(guān)系式為

(8-4-6) 上式等于零，說(shuō)明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài)，此時(shí)輸出和輸入信號(hào)的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)，uc(t)為恒定值。當(dāng)上式不等于零時(shí)，說(shuō)明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率不等，uc(t)隨時(shí)間而變。因壓控振蕩器的壓控特性如圖8-4-3所示，該特性說(shuō)明壓控振蕩器的振蕩頻率ωu以ω0為中心，隨輸入信號(hào)電壓uc(t)的變化而變化。該特性的表達(dá)式為

(8-4-6)上式說(shuō)明當(dāng)uc(t)隨時(shí)間而變時(shí)，壓控振蕩器的振蕩頻率ωu也隨時(shí)間而變，鎖相環(huán)進(jìn)入“頻率牽引”，自動(dòng)跟蹤捕捉輸入信號(hào)的頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài)，并保持ω0=ωi的狀態(tài)不變。

3. 鎖相環(huán)的應(yīng)用

[1] 鎖相環(huán)在調(diào)制和解調(diào)中的應(yīng)用

(1)調(diào)制和解調(diào)的概念

為了實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，在發(fā)信端通常采用調(diào)制的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，收信端接收到信號(hào)后必須進(jìn)行解調(diào)才能恢復(fù)原信號(hào)。所謂的調(diào)制就是用攜帶信息的輸入信號(hào)ui來(lái)控制載波信號(hào)uc的參數(shù)，使載波信號(hào)的某一個(gè)參數(shù)隨輸入信號(hào)的變化而變化。載波信號(hào)的參數(shù)有幅度、頻率和位相，所以，調(diào)制有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)三種。調(diào)幅波的特點(diǎn)是頻率與載波信號(hào)的頻率相等，幅度隨輸入信號(hào)幅度的變化而變化;調(diào)頻波的特點(diǎn)是幅度與載波信號(hào)的幅度相等，頻率隨輸入信號(hào)幅度的變化而變化;調(diào)相波的特點(diǎn)是幅度與載波信號(hào)的幅度相等，相位隨輸入信號(hào)幅度的變化而變化。調(diào)幅波和調(diào)頻波的示意圖如圖8-4-4所示。

上圖的(a)是輸入信號(hào)，又稱(chēng)為調(diào)制信號(hào);圖(b)是載波信號(hào)，圖(c)是調(diào)幅波和調(diào)頻波信號(hào)。解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程，它可將調(diào)制波uo還原成原信號(hào)ui。

[2] 鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電路中的應(yīng)用

調(diào)頻波的特點(diǎn)是頻率隨調(diào)制信號(hào)幅度的變化而變化。由8-4-6式可知，壓控振蕩器的振蕩頻率取決于輸入電壓的幅度。當(dāng)載波信號(hào)的頻率與鎖相環(huán)的固有振蕩頻率ω0相等時(shí)，壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率將保持ω0不變。若壓控振蕩器的輸入信號(hào)除了有鎖相環(huán)低通濾波器輸出的信號(hào)uc外，還有調(diào)制信號(hào)ui，則壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率就是以ω0為中心，隨調(diào)制信號(hào)幅度的變化而變化的調(diào)頻波信號(hào)。由此可得調(diào)頻電路可利用鎖相環(huán)來(lái)組成，由鎖相環(huán)組成的調(diào)頻電路組成框圖如圖8-4-5所示。根據(jù)鎖相環(huán)的工作原理和調(diào)頻波的特點(diǎn)可得解調(diào)電路組成框圖如圖8-4-6所示。

若輸入FM信號(hào)時(shí)，讓環(huán)路通帶足夠?qū)?，使信?hào)調(diào)制頻譜落在帶寬之內(nèi)，這時(shí)壓控振蕩器的頻率跟蹤輸入調(diào)制的變化,如圖6.1所示。對(duì)于鎖相環(huán)的詳細(xì)分析可參閱有關(guān)鎖相技術(shù)的書(shū)籍。在此僅說(shuō)明鎖相環(huán)鑒頻原理。可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為壓控振蕩器頻率與輸入信號(hào)頻率之間的跟蹤誤差可以忽略。因此任何瞬時(shí)，壓控振蕩器的頻率ωv(t)與FM波的瞬時(shí)頻率ωFM(t)相等。

[3] 鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用

在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術(shù)，可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號(hào)輸出。輸出信號(hào)頻率比晶振信號(hào)頻率大的稱(chēng)為鎖相倍頻器電路;輸出信號(hào)頻率比晶振信號(hào)頻率小的稱(chēng)為鎖相分頻器電路。鎖相倍頻和鎖相分頻電路的組成框圖如圖8-4-7所示。

圖中的N大于1時(shí)，為分頻電路;N小于1時(shí)，為倍頻電路。

審核編輯：湯梓紅