鎖相環(huán)電路設(shè)計

1、鎖相環(huán)的原理2007-01-23 00:241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）。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

2、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：     （8-4-1）     （8-4-2）式中的0為壓控振蕩器在輸

3、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(guān)系可得瞬時頻率和瞬時位相的關(guān)系為：      即          

4、0;              （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(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

5、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     （8-4-6）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。 842鎖相環(huán)的應用1鎖相環(huán)在調(diào)制和解調(diào)中的應用（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u

6、C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)電路中的應用調(diào)頻波的特點

7、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(diào)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(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

8、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；當0<1時，為倍頻電路。< FONT鎖相環(huán)原理 鎖相環(huán)包含三個主要的部分:鑒相環(huán)(或相位比較器,記為PD或PC):是完成相位比較的單元,用來比較輸入信號和基準信號的之間的相位.它的輸出電壓正比于兩個輸入信號之相位差.低通濾波器(LPF):是個線性電路,其作用是濾除鑒相器輸出電壓中的高頻分量,

9、起平滑濾波的作用.通常由電阻、電容或電感等組成，有時也包含運算放大器。壓控振蕩器（VCO）：振蕩頻率受控制電壓控制的振蕩器，而振蕩頻率與控制電壓之間成線性關(guān)系。在PLL中，壓控振蕩器實際上是把控制電壓轉(zhuǎn)換為相位。    圖1為上述三個部分組成PLL的方框圖，它的工作過程如下：相位比較器把輸入信號作為標準，將它的頻率和相位與從VCO輸出端送來的信號進行比較。如果在它的工作范圍內(nèi)檢測出任何相位（頻率）差，就產(chǎn)生一個誤差信號Ve(t)，這個誤差信號正比于輸入信號和VCO輸出信號之間的相位差，通常是以交流分量調(diào)制的直流電平。 由低通濾波器濾除誤差信號中的交流分量，產(chǎn)生信號

10、Vd(t)去控制VCO，強制VCO朝著減小相位/頻率誤差的方向改變其頻率，使輸入基準信號和VCO輸出信號之間的任何頻率或相位差逐漸減小直至為0，這時我們就稱環(huán)路已被鎖定。    如果VCO的輸出頻率低于輸入基準信號的頻率，相位比較器的輸出振幅就為正，經(jīng)濾波后去控制VCO，使其頻率增加，直到兩個信號的頻率和相位精確同步。相反，若VCO輸出頻率高于輸入基準信號，相位比較器的輸出會下降，使VCO鎖定在輸入基準信號的頻率。    下面較詳細地介紹它的捕捉過程和跟蹤狀態(tài)。    設(shè)VCO在沒有輸入控制信號時的固有振

11、蕩頻率為Wo。開機后，若相位比較器的輸入信號頻率Wi與Wo很接近，則相位比較器將輸出這兩個頻率信號的差拍波，因其頻率很低，它將順利通過低通濾波器，然后加到VCO輸入端去作控制電壓，VCO受此差拍調(diào)頻，其中心頻率仍為Wo。調(diào)頻信號又立即返回相位比較器中，在它的輸出信號中已具有一個直流分量，經(jīng)過低通濾波器的積分作用取出來，再加到VCO輸入端，從而使VCO的中心頻率發(fā)生偏移。這個偏移方向恰好是朝著輸入信號頻率Wi的方向移動，使相位比較器輸出的差拍信號頻率變得越來越低，相位差的直流分量也會越來越大。這個逐漸變大的直流分量經(jīng)低通濾波器后去控制VCO，以更快的速度使VCO的振蕩頻率趨向于Wi。  

12、;   上述過程以極快的速度反復循環(huán)進行，直至從量變發(fā)生質(zhì)變：VCO的振蕩頻率由原來的Wo變?yōu)閃i，環(huán)路在這個頻率上穩(wěn)定下來，這時相位比較器的輸出也由差拍波變?yōu)橹绷麟妷?，環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。這種鎖定狀態(tài)是環(huán)路通過頻率的逐步牽引而進入的，這個過程叫做捕捉過程。若Wo與Wi的頻差太大，環(huán)路通過頻率的逐步牽引也可能始終進入不了鎖定狀態(tài)，就稱處于失鎖狀態(tài)。這是因為Wo與Wi相差很大時，相位比較器輸出的差拍電壓的頻率很高，它將被低通濾波器除掉，濾波器的輸出電壓基本上為0或保持不變，因此VCO的輸出頻率也保持Wo不變，這種情況將一直持續(xù)下去。    對于已經(jīng)

13、鎖定的環(huán)路，若輸入信號的頻率或相位稍有變化，立刻會在兩個輸入信號的相位差上反映出來，鑒相器的輸出也會隨著改變并驅(qū)動VCO的頻率和相位以同樣的規(guī)律跟著變化。環(huán)路的這種狀態(tài)稱為跟蹤狀態(tài)。因此可以說鎖相環(huán)是一個相位自動控制系統(tǒng)，其鎖定狀態(tài)的取得是靠相位差的作用，鎖定狀態(tài)的維持也仍然依靠相位差的作用。    以上介紹了鎖相環(huán)的原理和結(jié)構(gòu)，下面簡單介紹PLL的應用。鎖相環(huán)可以用于改善振蕩器的頻率穩(wěn)定度，用做分頻倍頻及頻率變換等，將它們組合起來就可以組成頻率合成器鎖相環(huán)具有良好的跟蹤性能。若輸入FM信號時，讓環(huán)路通帶足夠?qū)挘剐盘柕恼{(diào)制頻譜落在帶寬之內(nèi)，這時壓控振蕩器的頻率跟

14、蹤輸入調(diào)制的變化。    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?？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(shè)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

15、者開始時已經(jīng)把壓控振蕩器的頻率調(diào)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(diào)制波形f(t)，因而達到頻率解調(diào)的目的。    同理，鎖相環(huán)也可用于解調(diào)PM信號，此時只需在輸出端接入一個積分器就可以了。    通過合理選擇環(huán)路參數(shù)（主要是環(huán)路濾波器的參數(shù)）可以在滿足解調(diào)要求的條件下使閉環(huán)帶寬盡可能窄，以便抑制噪聲。因此鎖相環(huán)具有良好的噪聲性能。當接收信號電平微弱，噪聲成為主要考慮因素時，采用PLL解調(diào)器可以改善解調(diào)性能，它可用于各種移動FM電臺、微波接力系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及電視、遙測等系統(tǒng)中

16、，它與普通鑒頻器相比，門限改善可達6dB，所以PLL解調(diào)器又稱為門限擴張解調(diào)器或低門限解調(diào)器。因為近來設(shè)計800-1000MHz射頻板,吃盡了苦頭,一塊板,在原理和器件沒有變的情況下,做了4-5次電路板,才基本達到指標要求。以下是一些教訓:1.晶振(TCXO)布線時,上下面板和周圍都不要布地線.因為TCXO是很容易通過地線泄露的,如果你不小心布了大面積地,和和,你的周遍電路都會串過TCXO的頻率。2.電源一定要有多次濾波,不要用開關(guān)電源,用環(huán)行隔離線形電源自己做整流濾波.不要用7805之類的爛片子,用317要比7805好一個數(shù)量級.射頻的電源要求很高,否則,會死的很快,如果自己對電源沒有信心,

17、可以先用干電池或手機電池試試.在每個片子電源輸入端都要加一個0.1u的電容退耦.在重要的部分,還要有源退耦.其實就是一個三極管,一個電阻和兩個電容。3.VCO的布線要特別講究,否則,會有很多的串擾,FR比相頻率干擾,如果在VCO的下面(器件面)布一層外圈,焊接面用大面積地,外圈地和大面積地用很過過孔,就會有很大的效果。4.LPF的設(shè)計也很重要.如果要頻譜好,就得老實用大電容,雖然鎖定時間長,但漂亮一些.如果用的是nF量級的電容,和和,不好辦的。5.射頻地和數(shù)字地一定要分的請清楚楚的.否則,查起來,不知道干擾是什么地方來的。鎖相環(huán)電路設(shè)計 壓控振蕩器輸出的頻率穩(wěn)定度并不能滿足工程要求，輸出頻率受

18、芯片特性、控制電壓、溫度、以及其它外界電磁干擾等因素的影響。因此必須加入鎖相環(huán)來穩(wěn)定發(fā)射頻率。其原理是發(fā)射頻率通過反饋回路與分頻電路后產(chǎn)生一個低頻的參考頻率，晶振也經(jīng)過分頻后產(chǎn)生同一個參考頻率，鑒相器對兩個頻率比較，將二者的差值f變化為電壓vmcos(2*f+),通過 R與V輸出差分信號，再通過低通濾波得到其直流成分，反饋到壓控振蕩器中，使得發(fā)射頻率始終向標準信號逼近，最終被鎖定在標準頻率上，達到與參考晶振同樣的穩(wěn)定度。鎖相環(huán)電路MC145152-2是大規(guī)模集成鎖相環(huán)，集鑒相器、可編程分頻器、參考分頻器于一體，分頻器的分頻系數(shù)可由并行輸入的數(shù)據(jù)控制，其內(nèi)部框圖如表2 所示。 圖2-12 MC1

19、45152內(nèi)部框圖圖2-13 鎖相環(huán)電路圖（1）參考分頻參考晶振從OSCin、OSCout接入，芯片內(nèi)部的÷R參考分頻器提供8種不同的分頻系數(shù)，對參考信號進行分頻。R值由RA0，RA1，RA2設(shè)定，如表1所示。本設(shè)計中，參考晶振為10.24MHz，若取比較頻率為10KHz，則對其1024分頻。查下表可知設(shè)置RA2RA1RA0=101即可。 表1 MC145152-2參考分頻器分頻系數(shù)選擇表RA200001111RA100110011RA001010101R864128256512102411602048（2）可編程分頻MC14512-2的N9N0和A5A0管腳分別是N分頻器與A分頻器

20、的編程接口，二者同時計數(shù)，N的最大分頻數(shù)為210-1=1023，A的最大分頻為26-1=63，顯然要得到10KHz的參考頻率，對于35MHz的發(fā)射頻率，MC145152的電路無法通過直接分頻實現(xiàn)，必須先用ECL電路的高速分頻器進行預分頻，然后由MC145152繼續(xù)分頻，得到10KHz的參考頻率，并進行鑒相。為使分頻系數(shù)連續(xù)可調(diào)，可編程分頻電路采用的是吞咽脈沖計數(shù)法，它由ECL（非飽和型邏輯電路）的高速分頻器MC12022及MC145152內(nèi)部的÷A減法計數(shù)器，÷N減法計數(shù)器構(gòu)成。如圖2-13所示。其中M為鎖相器的MC管腳，給A和N裝初值后，M輸出低電平：當A計數(shù)器計數(shù)完畢后

21、輸出高電平，并一直保持到N計數(shù)器計數(shù)完畢后變?yōu)榈碗娖?，重復進行。單片機圖2-14 吞咽脈沖計數(shù)器原理圖表2 MC12022的分頻系數(shù)表SWMCDIVIDE RATIOHH64HL65LH128LH129如表3 所示，MC12022有64，65，128和129四種分頻系數(shù)，由管腳電平SW與MC控制。在本設(shè)計中，只需用64和65分頻就可滿足設(shè)計要求。因而SW直接接高電平。M與鎖相器的MC相接。當M為低電平時，MC12022以P165為分頻系數(shù)，M為高電平時則以P64為分頻系數(shù)。吞咽脈沖計數(shù)器開始計數(shù)時，M的初值為0，MC12022以P+1計數(shù)。÷A和÷N兩個計數(shù)器被置入預置數(shù)并同時計數(shù)，當計到A（P+1）個輸入脈沖（fo）時，÷A計數(shù)器計完A個預置數(shù)，M變?yōu)?，MC12022開始以P計數(shù)。；此時÷A計數(shù)器被控制信號關(guān)閉，停止計數(shù)；而÷N計數(shù)