鎖相環(huán)(PLL)電路存在于各種高頻應(yīng)用中，從簡單的時鐘凈化電路到用于高性能無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)可以準確跟蹤施加的頻率 或相位調(diào)制信號的頻率。鎖相環(huán)可用來從固定的低頻信號生 成穩(wěn)定的輸出頻率信號。首批鎖相環(huán)由法國工程師de Bellescize 在20世紀30年代初實現(xiàn)。然而，直到20世紀60年代中期，集 成式PLL成為一種成本相對較低的元件之后，鎖相環(huán)才得到 市場的廣泛認可。

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，簡稱鎖相環(huán)(PLL,Phase-Locked Loop)。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,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uD(t)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uC(t)，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。

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)外界輸入的信號電壓和壓控振蕩器輸出的信號電壓分別為：

(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為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，θi(t)和θo(t)分別為輸入信號和輸出信號的瞬時相位，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時頻率和瞬時相位的關(guān)系為：

(8-4-4) 則，瞬時相位差θd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)，uc(t)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，uc(t)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ωu以ω0為中心，隨輸入信號電壓uc(t)的變化而變化。該特性的表達式為

(8-4-6)上式說明當uc(t)隨時間而變時，壓控振蕩器的振蕩頻率ωu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(fù)原信號。所謂的調(diào)制就是用攜帶信息的輸入信號ui來控制載波信號uc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uo還原成原信號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ω0相等時，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持ω0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uc外，還有調(diào)制信號ui，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以ω0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。

若輸入FM信號時，讓環(huán)路通帶足夠?qū)挘剐盘栒{(diào)制頻譜落在帶寬之內(nèi)，這時壓控振蕩器的頻率跟蹤輸入調(diào)制的變化,如圖6.1所示。對于鎖相環(huán)的詳細分析可參閱有關(guān)鎖相技術(shù)的書籍。在此僅說明鎖相環(huán)鑒頻原理。可以簡單地認為壓控振蕩器頻率與輸入信號頻率之間的跟蹤誤差可以忽略。因此任何瞬時，壓控振蕩器的頻率ωv(t)與FM波的瞬時頻率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)定的振蕩信號輸出。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;N小于1時，為倍頻電路。

審核編輯：湯梓紅