鎖相環(huán)(PLL)的工作原理

1、精品好資料學習推薦鎖相環(huán)(PLL)的工作原理1鎖相環(huán)的基本組成 許多電子設備要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內部的振蕩信號同步，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,Phas

2、e 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換成uD（t）電壓信號輸出，該信號經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：

3、 （8-4-1） （8-4-2）式中的0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i為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，i（t）和O（t）分別為輸入信號和輸出信號的瞬時位相，根據(jù)相量的關系可得瞬時頻率和瞬時位相的關系為：即（8-4-4）則，瞬時相位差d為:（8-4-5）對兩邊求微分，可得頻差的關系式為（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)

4、，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u以0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（8-4-7）上式說明當uc（t）隨時間而變時，壓控振蕩器的振蕩頻率u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0=i的狀態(tài)不變。2. 鎖相環(huán)的應用1 鎖相環(huán)在調制和解調中的應用 （1）調制和解調的概念為了實現(xiàn)信息的遠距離傳輸，在發(fā)信端通常采用調制的方法對信號進行調制，收信端接收到信號后

5、必須進行解調才能恢復原信號。所謂的調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，調制有調幅（AM）、調頻（FM）和調相（PM）三種。調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。調幅波和調頻波的示意圖如圖8-4-4所示。上圖的（a）是輸入信號，又稱為調制信號；圖（b）是載波信號，圖（c）是調幅波和調頻波信號。解調是調制的逆過程，它

6、可將調制波uO還原成原信號ui。 2 鎖相環(huán)在調頻和解調電路中的應用 調頻波的特點是頻率隨調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0相等時，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持0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，還有調制信號ui，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以0為中心，隨調制信號幅度的變化而變化的調頻波信號。由此可得調頻電路可利用鎖相環(huán)來組成，由鎖相環(huán)組成的調頻電路組成框圖如圖8-4-5所示。根據(jù)鎖相環(huán)的工作原理和調頻波的特點可得解調電路組成框圖如圖8-4-6所示。 若輸入FM信

7、號時，讓環(huán)路通帶足夠寬，使信號調制頻譜落在帶寬之內，這時壓控振蕩器的頻率跟蹤輸入調制的變化,如圖6.1所示。對于鎖相環(huán)的詳細分析可參閱有關鎖相技術的書籍。在此僅說明鎖相環(huán)鑒頻原理?？梢院唵蔚卣J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v(t)與FM波的瞬時頻率FM(t)相等。FM波的瞬時角頻率可表示為假設VCO具有線性控制特性，其斜率Kv（壓控靈敏度）為（弧度秒伏），而VCO在Sd(t)0時的振蕩頻率為o，則當有控制電壓時，VCO的瞬時角頻率為令上兩式相等，即v(t)FM(t)，可得其中o為FM波的載頻，o為壓控振蕩器的固有振蕩頻率，兩者皆為常數(shù)。因此上式第一項為直流項，可用隔直元件消除，或者開始時已經把壓控振蕩器的頻率調整為o=o。因此上式還可進一步寫成可見，鎖相環(huán)輸出，除了常系數(shù)KfKv之外，近似等于原調制波形f(t)，因而達到頻率解調的目的。3 鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應用在現(xiàn)代電子技術中，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，可以獲得多頻率