1、锁相环的原理2007-01-23 00:241锁相环的基本组成许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部
2、分组成，锁相环组成的原理框图如图 8-4-1 所示。锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成 uD（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压 uC（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。2锁相环的工作原理锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图 8-4-2 所示。鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：（8-4-1）（8-4-2）式中的 0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出
3、电压 uD为：用低通滤波器 LF 将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC（t）。即 uC（t）为：（8-4-3）式中的 i为输入信号的瞬时振荡角频率， i（t）和 O（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为： 即 （8-4-4）则，瞬时相位差 d为（8-4-5）对两边求微分，可得频差的关系式为（8-4-6）上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，u c（t）为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，u c（t）随时间而变。因
4、压控振荡器的压控特性如图 8-4-3 所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率 u以 0为中心，随输入信号电压 uc（t）的变化而变化。该特性的表达式为（8-4-6）上式说明当 uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率 u也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持 0= i的状态不变。 842 锁相环的应用1锁相环在调制和解调中的应用（1）调制和解调的概念为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。所谓的调制就是用携带信息的输入信号 ui来控制载波信号 uC的参数，使载波
5、信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种。调 幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调 相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。调幅波和调频波的示意图如图 8-4-4所示。上图的（a）是输入信号，又称为调制信号；图（b）是载波信号，图（c）是调幅波和调频波信号。 解调是调制的逆过程，它可将调制波 uO还原成原信号 ui。2锁相环在调频和解调电路中的应用调频波的特点是频率随调
6、制信号幅度的变化而变化。由 8-4-6 式可知，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率 0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持 0不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外，还有调制信号 ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以 0为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。由此可得调频电路可利用锁相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成框图如图 8-4-5 所示。根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图 8-4-6 所示。 3锁相环在频率合成电路中的应用在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路；输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图 8-4-7 所示。图中的 N 大于 1 时，为分频电路；当 01 时，为倍频电路。 FONT
