鎖相環(huán)的基本組成、工作原理和應用電路

目錄：

鎖相環(huán)的基本組成

鎖相環(huán)的工作原理

鎖相環(huán)的應用

鎖相環(huán)在調(diào)制和解調(diào)中的應用

鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應用

鎖相環(huán)實驗

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與內(nèi)部的振蕩信號同步，利用鎖相環(huán)路就可以實現(xiàn)這個目的。

鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡稱PLL。鎖相環(huán)的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位。

因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，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)名稱的由來。

鎖相環(huán)通常由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)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)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，該信號經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓?，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。

延申閱讀：

鎖相環(huán)（PLL）電路、信號、模塊組成

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)外界輸入的信號電壓和壓控振蕩器輸出的信號電壓分別為:

(8-4-1)

(8-4-2)

式中的為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或為直流電壓時的振蕩角頻率，稱為電路的固有振蕩角頻率。

則模擬乘法器的輸出電壓為：

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

。

即為：

(8-4-3)

式中的為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，?和分別為輸入信號和輸出信號的瞬時位相，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時頻率和瞬時位相的關(guān)系為：

即

(8-4-4)

則，瞬時相位差為

(8-4-5)

對兩邊求微分，可得頻差的關(guān)系式為

(8-4-6)

上式等于零，說明鎖相環(huán)進入相位鎖定的狀態(tài)，此時輸出和輸入信號的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)，為恒定值。

當上式不等于零時，說明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號和輸出信號的頻率不等，隨時間而變。

因壓控振蕩器的壓控特性如圖8-4-3所示，該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率以為中心，隨輸入信號電壓的變化而變化。該特性的表達式為

(8-4-6)

上式說明當隨時間而變時，壓控振蕩器的振蕩頻率?也隨時間而變，鎖相環(huán)進入?“頻率牽引”?，自動跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環(huán)進入鎖定的狀態(tài)，并保持的狀態(tài)不變。

延申閱讀：

鎖相環(huán)原理與公式講解

3. 鎖相環(huán)的應用

3.1 鎖相環(huán)在調(diào)制和解調(diào)中的應用

3.1.1 調(diào)制和解調(diào)的概念

為了實現(xiàn)信息的遠距離傳輸，在發(fā)信端通常采用調(diào)制的方法對信號進行調(diào)制，收信端接收到信號后必須進行解調(diào)才能恢復原信號。

所謂的調(diào)制就是用攜帶信息的輸入信號來控制載波信號的參數(shù)，使載波信號的某一個參數(shù)隨輸入信號的變化而變化。

載波信號的參數(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)幅波的特點是頻率與載波信號的頻率相等，幅度隨輸入信號幅度的變化而變化；

調(diào)頻波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，頻率隨輸入信號幅度的變化而變化；

調(diào)相波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，相位隨輸入信號幅度的變化而變化。

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，又稱為調(diào)制信號；圖(b)是載波信號，圖(c)是調(diào)幅波和調(diào)頻波信號。

解調(diào)是調(diào)制的逆過程，它可將調(diào)制波還原成原信號。

3.1.2 鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電路中的應用

調(diào)頻波的特點是頻率隨調(diào)制信號幅度的變化而變化。

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。當載波信號的頻率與鎖相環(huán)的固有振蕩頻率相等時，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持不變。若壓控振蕩器的輸入信號除了有鎖相環(huán)低通濾波器輸出的信號外，還有調(diào)制信號，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以?為中心，隨調(diào)制信號幅度的變化而變化的調(diào)頻波信號。

由此可得調(diào)頻電路可利用鎖相環(huán)來組成，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，可得解調(diào)電路組成框圖如圖8-4-6所示。

3.2 鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應用

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)定的振蕩信號輸出。(搞過FPGA邏輯設(shè)計的對這個應該很熟悉)

輸出信號頻率比晶振信號頻率大的稱為鎖相倍頻器電路；

輸出信號頻率比晶振信號頻率小的稱為鎖相分頻器電路。

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，為分頻電路；當0<1時，為倍頻電路。

鎖相環(huán)實驗

之前用HC4046做過一些鎖相環(huán)實驗, HC4060提供fref, HC40103作為/N分頻器.感覺不是很方便; 此外HC4046的VCO振蕩頻率也有限, 最多十幾MHz.

某次忽然想到, 可以用MCU的兩個定時器分別作為fref和/N分頻器, 這樣只要再增加一只AHC/LVC1G86作為鑒相器, 一只AHC/LVC1G14作為VCO, 加上LPF就行了.

48M的STM32F0xx的定時器外部時鐘輸入頻率可以達到20M左右, 考慮到AHC/LVC1G14能振蕩在很高的頻率, 所以再增加一只HC390, 作為預分頻器. 原理圖如下. HC390的/10和/100輸出端由一只LVC1G3157切換, 送入STM32的TIM1_ETR.

原理圖

變?nèi)?a target="_blank">二極管這里留了一個SOD123和一個SOT23的焊接位置, 實驗時只焊了一只BAT54C, 它不是專用變?nèi)荻O管, 湊和用了.

實測電位器R105旋至最大和最小時, VCO自由振蕩頻率分別為4M左右和29M左右. 之后設(shè)置TIM3周期為48000, PWM輸出模式為Toggle, 于是在TIM3_CH4得到了500Hz占空比50%的方波. LVC1G3157這里選擇/10分頻, TIM1周期設(shè)為350, 順利鎖定在3.5MHz.

之后再試7M, 14M, 29.6M, 還算順利, 不過基本得在非常接近自由振蕩頻率的位置才能成功鎖定, 倍頻數(shù)稍高時示波器上能明顯看到抖動. 估計LPF這里還需要改進.

再試更高的頻率, 把R104從1k改為100R, 實測自由振蕩頻率最高達到95M左右. 然而這時HC390已經(jīng)不能工作了, 輸出為持續(xù)高電平. 微調(diào)R105, 發(fā)現(xiàn)輸入頻率>40M時HC390的第一級/2分頻就變成/3了. 輸入頻率接近60M時第一級/2已經(jīng)變成/5分頻了.

看來這里用HC390是個失誤, 下次考慮換成兩只LVC74試試. 此外供電只有3.3V, 變?nèi)荻O管的性能不能充分發(fā)揮. 下次在這里加個運放, LPF輸出電壓放大后再驅(qū)動變?nèi)荻O管, 性能應該可以好些。

審核編輯：湯梓紅