鎖相環(huán)工作原理

鎖相環(huán)工作原理鎖相環(huán)路是一種反饋電路，鎖相環(huán)的英文全稱是Phase-LockedLoop,簡稱PLL。其作用是使得電路上的時鐘和某一外部時鐘的相位同步。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(dāng)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。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，鎖相環(huán)是一種非常有用的同步技術(shù)，因為通過鎖相環(huán)，可以使得不同的數(shù)據(jù)采集板卡共享同一個采樣時鐘。因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz時基的相位都是同步的，從而采樣時鐘也是同步的。因為每塊板卡的采樣時鐘都是同步的，所以都能嚴(yán)格地在同一時刻進行數(shù)據(jù)采集。鎖相環(huán)路是一個相位反饋自動控制系統(tǒng)。它由以下三個基本部件組成：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）。

鎖相環(huán)的工作原理：

1.壓控振蕩器的輸出經(jīng)過采集并分頻；

2.和基準(zhǔn)信號同時輸入鑒相器；

3.鑒相器通過比較上述兩個信號的頻率差，然后輸出一個直流脈沖電壓；

4.控制VCO，使它的頻率改變；

5.這樣經(jīng)過一個很短的時間，VCO的輸出就會穩(wěn)定于某一期望值。

鎖相環(huán)可用來實現(xiàn)輸出和輸入兩個信號之間的相位同步。當(dāng)沒有基準(zhǔn)（參考）輸入信號時，環(huán)路濾波器的輸出為零（或為某一固定值）。這時，壓控振蕩器按其固有頻率fv進行自由振蕩。當(dāng)有頻率為fR的參考信號輸入時，uR和uv同時加到鑒相器進行鑒相。如果fR和fv相差不大，鑒相器對uR和uv進行鑒相的結(jié)果，輸出一個與uR和uv的相位差成正比的誤差電壓ud，再經(jīng)過環(huán)路濾波器濾去ud中的高頻成分，輸出一個控制電壓uc，uc將使壓控振蕩器的頻率fv（和相位）發(fā)生變化，朝著參考輸入信號的頻率靠攏，最后使fv=fR，環(huán)路鎖定。環(huán)路一旦進入鎖定狀態(tài)后，壓控振蕩器的輸出信號與環(huán)路的輸入信號（參考信號）之間只有一個固定的穩(wěn)態(tài)相位差，而沒有頻差存在。這時我們就稱環(huán)路已被鎖定。

環(huán)路的鎖定狀態(tài)是對輸入信號的頻率和相位不變而言的，若環(huán)路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號，而且環(huán)路能使壓控振蕩器的頻率和相位不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化，則這時環(huán)路所處的狀態(tài)稱為跟蹤狀態(tài)。

鎖相環(huán)路在鎖定后，不僅能使輸出信號頻率與輸入信號頻率嚴(yán)格同步，而且還具有頻率跟蹤特性，所以它在電子技術(shù)的各個領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用．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(dāng)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。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(dāng)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。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；當(dāng)0鎖相環(huán)最基本的結(jié)構(gòu)如圖6.1所示。它由三個基本的部件組成：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）。鑒相器是個相位比較裝置。它把輸入信號Si(t)和壓控振蕩器的輸出信號So(t)的相位進行比較，產(chǎn)生對應(yīng)于兩個信號相位差的誤差電壓Se(t)。

環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓Se(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

壓控振蕩器受控制電壓Sd(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定。

鎖相環(huán)是個相位誤差控制系統(tǒng)。它比較輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的相位差，從而產(chǎn)生誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達到與輸入信號同頻。在環(huán)路開始工作時，如果輸入信號頻率與壓控振蕩器頻率不同，則由于兩信號之間存在固有的頻率差，它們之間的相位差勢必一直在變化，結(jié)果鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內(nèi)變化。在這種誤差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號頻率相等，在滿足穩(wěn)定性條件下就在這個頻率上穩(wěn)定下來。達到穩(wěn)定后，輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的頻差為零，相差不再隨時間變化，誤差電壓為一固定值，這時環(huán)路就進入“鎖定”狀態(tài)。這就是鎖相環(huán)工作的大致過程。

以上的分析是對頻率和相位不變的輸入信號而言的。如果輸入信號的頻率和相位在不斷地變化，則有可能通過環(huán)路的作用，使壓控的頻率和相位不斷地跟蹤輸入頻率的變化。

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)?，使信號的調(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。

對于鎖相環(huán)的詳細(xì)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(rèn)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。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ωo’，則當(dāng)有控制電壓時，VCO的瞬時角頻率為

令上兩式相等，即ωv(t)≈ωFM(t)，可得

其中ωo為FM波的載頻，ωo’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(jīng)把壓控振蕩器的頻率調(diào)整為ωo=ωo’。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)Kf／Kv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(dāng)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，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

查看文章鎖相環(huán)的工作原理與應(yīng)用2007年06月25日16:29鎖相技術(shù)的理論早在1932年就提出了，但直到40年代在電視機中才得到廣泛的應(yīng)用。鎖相環(huán)的英文全稱是Phase-LockedLoop,簡稱PLL，是實現(xiàn)相位自動控制的負(fù)反饋系統(tǒng)，它使振蕩器的相位和頻率與輸入信號的相位和頻率同步。

鎖相環(huán)包含三個主要的部分:⑴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(zhǔn)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.⑵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,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。⑶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(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)信號，相位比較器的輸出會下降，使VCO鎖定在輸入基準(zhǔn)信號的頻率。

下面較詳細(xì)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。

上述過程以極快的速度反復(fù)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