最后编辑于: 2008-09-03 13:00 | 分类: 电子 | 标签: 锁相环 | 浏览数: 1185 | 评论数: 0
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。
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 ω0 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 ωi 为输入信号的瞬时振荡角频率， θi(t) 和 θO(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 θd 为
(8-4-5)
对两边求微分，可得频差的关系式为
(8-4-6)
因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 ωu 以 ω0 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 ωu 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 ω0=ωi 的状态不变。
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 。
调频波的特点是频率随调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 ω0 相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持 ω0 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 ω0 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。
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。(搞过FPGA逻辑设计的对这个应该很熟悉)
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0<1时，为倍频电路。