锁相环原理及应用

锁相电路（PLL）及其应用自动相位控制（APC）电路，也称为锁相环路（PLL），它能使受控振荡器的频率和相位均与输入参考信号保持同步，称为相位锁定，简称锁相。它是一个以相位误差为控制对象的反馈控制系统，是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整受控振荡器输出信号的相位，从而使受控振荡器输出频率与参考信号频率相一致。在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能稳定在一个很小的范围内。目前，锁相环路在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多技术领域获得了广泛的应用，在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。一、锁相环路的基本工作原理1．锁相环路的基本组成锁相环路主要由鉴频器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分所组成，其基本组成框图如图3-5-16所示。图1锁相环路的基本组成框图将图3-5-16的锁相环路与图1的自动频率控制（AFC）电路相比较，可以看出两种反馈控制的结构基本相似，它们都有低通滤波器和压控振荡器，而两者之间不同之处在于：在AFC环路中，用鉴频器作为比较部件，直接利用参考信号的频率与输出信号频率的频率误差获取控制电压实现控制。因此，AFC系统中必定存在频率差值，没有频率差值就失去了控制信号。所以AFC系统是一个有频差系统，剩余频差的大小取决于AFC系统的性能。在锁相环路（PLL）系统中，用鉴相器作为比较部件，用输出信号与基准信号两者的相位进行比较。当两者的频率相同、相位不同时，鉴相器将输出误差信号，经环路滤波器输出控制信号去控制VCO，使其输出信号的频率与参考信号一致，而相位则相差一个预定值。因此，锁相环路是一个无频差系统，能使VCO的频率与基准频率完全相等，但二者间存在恒定相位差（稳态相位差），此稳态相位差经鉴相器转变为直流误差信号，通过低通滤波器去控制VCO，使0f与rf同步。2．锁相环路的捕捉与跟踪过程当锁相环路刚开始工作时，其起始时一般都处于失锁状态，由于输入到鉴相器的二路信号之间存在着相位差，鉴相器将输出误差电压来改变压控振荡器的振荡频率，使之与基准信号相一致。锁相环由失锁到锁定的过程，人们称为捕捉过程。系统能捕捉的最大频率范围或最大固有频带称为捕捉带或捕捉范围。当锁相环路锁定后，由于某些原因引起输入信号或压控振荡器频率发生变化，环路可以通过自身的反馈迅速进行调节。结果是VCO的输出频率、相位又被锁定在基准信号参数上，从而又维持了环路的锁定。这个过程人们称为环路的跟踪过程。系统能保持跟踪的最大频率范围或最大固有频带称为同步带或同步范围，或称锁定范围。捕捉过程与跟踪过程是锁相环路的两种不同的自动调节过程。由此可见，自动频率控制（AFC）电路，在锁定状态下，存在着固定频差。而锁相环路控制（PLL）电路，在锁定状态下，则存在着固定相位差。虽然锁相环存在着相位差，但它和基准信号之间不存在频差，即输出频率等于输入频率．这也表明，通过锁相环来进行频率控制，可以实现无误差的频率跟踪．其效果远远优于自动频率控制电路．3．锁相环路的基本部件1）鉴相器（PD—PhaseDetector）鉴相器是锁相环路中的一个关键单元电路，它负责将两路输入信号进行相位比较，将比较结果从输出端送出。鉴相器的电路类型很多，最常用的有以下三种电路．（1）模拟乘法器鉴相器，这种鉴相器常常用于鉴相器的两路输入信号均为正弦波的锁相环电路中。（2）异或门鉴相器，这种鉴相器适合两路输入信号均为方波信号的锁相环电路中，所以异或门鉴相器常常应用于数字电路锁相环路中。（3）边沿触发型数字鉴相器，这种鉴相器也属于数字电路型鉴相器，对输入信号要求不严，可以是方波，也可以是矩形脉冲波．这种电路常用于高频数字锁相环路中。图2是异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线。图2异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线a)异或门鉴相器b)鉴相器输出波形C)鉴相特性2）环路滤波器（LF-LoopFilter）鉴相器输出的电压信号是交流电压，它并不能直接控制压控振荡（VCO）电路，鉴相器输出的电压信号必须经过环路滤波器平滑滤波后，才能用于控制VCO电路。环路滤波器从实质上讲也是低通滤波，其作用主要是滤除鉴相器输出误差电压中的高频及干扰成分，得到控制电压dU，因为控制电压dU是决定VCO工作频率的电压，因此它的变化对锁相环路的性能参数有很大的影响关系。图3是目前比较常用的三种环路滤波器电路。从图中可以看出，三种电路的复杂程度不一样。第一种简单的滤波器所用元件最少，电路也最简单。有源比例积分滤波器，使用元件最多，电路也比较复杂。图3环路滤波器a)简单RC滤波器b)RC比例积分滤波器c)有源比例积分滤波器但从滤波效果的角度来衡量，有源比例积分滤波器的滤波效果最好，简单RC滤波器滤波效果最差，RC比例积分滤波器的滤波效果介于二者之间。设计电路时，可以根据锁相环路的要求选择不同的环路滤波器。3）压控振荡器（VCO-VoltageControlledOscillator）压控振荡器（VCO）是锁相环（PLL）的被控对象。压控振荡器是一个电压—频率变换装置，在环路中作为频率可调振荡器，其振荡频率应随输入控制电压线性地变化。它输出的信号根据锁相环的不同要求，可分为正弦波压控振荡器与非正弦波压控振荡器两大类．正弦波压控振荡器一般由LC点式振荡器与变容二极管组成．它的工作原理与计算公式和电容三点式正弦波振荡器完全一样。由于正弦波VCO受到变容二极管结电容变化范围的限制，因此一般振荡频率变化范围都不是太大。非正弦波压控振荡器的种类较多，由于它的频率变化范围大，控制线性好，所以应用比较广泛。这类压控振荡器常见的几种电路有射极定时压控多谐振荡器、积分型施密特压控振荡器、数字门电路压控振荡器。图4是两种方波压控振荡器电路。图4两种方波压控振荡器电路a)积分施密特VCO电路b)CMOS门电路VCO电路二、锁相环路的基本特性1．良好的载波跟踪特性。无论输入锁相环的信号是已调制或未调制的，只要信号中包含有载波成分，就可将环路设计成一个窄带跟踪滤波器，跟踪输入信号载波成分的频率与相位变化，环路输出信号就是需要提取的载波信号。载波跟踪特性包含窄带、跟踪和弱输入载波信号的放大三重含意。2．调制跟踪特性。当环路具有适当宽度的低频通带时，压控振荡器输出信号的频率与相位就能跟踪输入调频或调相信号的频率与相位的变化。3．窄带滤波特性。锁相环路通过环路滤波器的作用，具有窄带滤波器特性，当压控振荡器的输出频率锁定在输入参考频率上时，位于信号频率附近的干扰成分将以低频干扰的形式进入环路，绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性的抑制，从而将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除掉。在设计较好时，这个通带能做得极窄，例如在几十兆赫的频率范围内，实现几十赫甚至几赫的窄带滤波。这种窄带滤波特性是任何LC、RC及石英晶体等滤波器均难以达到的。4．低门限特性。锁相环路也是一个非线性器件，用作鉴频器时同样存在门限效应，但锁相环路的门限并不取决于输入信噪比而取决于环路信噪比，由于环路的窄带特性，环路信噪比明显高于输入信噪比，环路能在低输入信噪比条件下工作，即具有低门限的优良特性。5．锁定状态无剩余频差，易于集成化等。三、集成锁相环74HC4046单片锁相环集成电路74HC4046是一种高速CMOS混合电路，含有锁相环路全部功能的单片集成锁相环电路，其最高工作频率可达18MHz。它的内部功能框图及标准应用电路，如图5所示。从图5中74HC4046的外接元件可以看出，集成锁相环只需外接极少的元件，即可组成一个完整的锁相电路。以图5的电路为基准，根据各种用途对电路的不同要求，在锁相环电路中若配不同的应用电路，即可组成各种类型的应用电路。例如，在74HC4046的3脚、4脚之间插人N分频电路，就可以组成频率合成器电路。图574HC4046内部功能框图及标准应用电路四、锁相环路的应用1．在空间技术中的应用——窄带跟踪接收机（锁相接收机）锁相接收机是一种具有窄带跟踪性能的接收机。主要用于空间技术中的测速与测距，来确定飞行器的运行轨道。由于飞行器发射功率小，通信距离远，所以收到的信号极其微弱。另外，考虑到信号有多普勒频移以及振荡器产生的频率漂移，接收机的中频通带又必须足够宽，这样，接收机解调器前的信噪功率比必然相当低，一般在-10～-30dB左右。采用窄带锁相跟踪接收机由于它的带宽很窄，又能跟踪信号，因此，能大大提高接收机的信噪比。—般说来，可比普通接收机信噪比提高30～40dB，这一优点是很重要的。图6是锁相接收机的简化框图。其工作过程如下：图6锁相接收机的简化框图混频器输入信号电压为1()ut，它是调频高频信号，中心频率为1，，它与外差本振信号2()ut相混频，2()ut频率为2，它是由压控振荡器频率2/M经M次倍频后得到的。混频后输出的中频信号3()ut，其中频频率为3,312，经中频放大器放大后在鉴相器内与下一个频率稳定的本地标准中频参考信号4()ut进行相位比较，4()ut的频率为4。如果两者的频率有偏差，鉴相器的输出电压()dut经环路滤波器滤波后就去调整压控振荡器的振荡频率，使混频器的输出频率被锁定在本地标准中频上，即34。由图可见，接收机的中频放大器设置在环路内部，依靠环路的跟踪作用，中频信号的频率将保持在调谐回路的中心。这样，中频放大器的通频带可以做得很窄（例如3～300Hz），只需覆盖调频信号在载波频率固定情况下的占据频宽就够了。在载频因多普勒频移等原因产生较大漂移的情况下，由于窄带跟踪环路的作用，将使载频有漂移的已调信号频谱，经混频后仍能准确地落在中频通频带的中央，这就实现了窄带跟踪。在实际空间通信中，飞行器实际的多普勒频移产生的频率变化要比调频信号本身占据的频宽大得多，因而必须采用锁相环构成的窄带跟踪滤波器，才能使这种空间通信有满意的结果，这种窄带跟踪接收机的灵敏度很高，接收微弱信号的能力很强。2．在调制解调技术中的应用（1）锁相调频电路应用图7所示的锁相环路调频器电路，可以获得载波频率稳定度很高的调频信号。实现PLL调频的条件是，调制信号的频谱要处于环路低通滤波器通带之外，并且调制指数不能太大。这样，锁相环路实际上是载波跟踪环，调制信号不能通过低通滤波器，也就不能参与环路的交流反馈，因而调制信号对锁相环路没有影响，压控振荡器的中心频率被锁定在晶体振荡频率上。同时，调制信号加在压控振荡器上，对其中心频率进行调制，因此，输出调频信号的中心频率稳定度与晶振频稳度有相同的数量级，而调频灵敏度则与VCO的电压控制灵敏度相同，克服了直接调频中心频率稳定度不高的缺点。这种电路的缺点是调制频偏（或相偏）较小。为了保证调制器具有优良的低频调制特性，可用锁相环路构成一种所谓两点调制的宽带FM调制器，这种调制器在很宽的调制频率范围内，频偏正比于调制信号。图7锁相环路调频器电路（2）锁相环路鉴频器图8为锁相环路鉴频器原理框图。调频信号由鉴相器输入，如果环路滤波器的带宽设计得足够宽，使鉴相器的输出电压能顺利通过，则压控振荡器在环路滤波器输出电压的控制下，其输出信号频率将跟踪输入调频信号频率的变化，也就是VCO的输出是一个与输入调频信号具有相同调制规律的调频波，而环路滤波器的输出电压则正好就是调频信号解调出的调制信号电压。锁相环路鉴频器的优点是它的门限电平比普通鉴频器低。调制指数越高，门限改善的分贝数也越大。图8锁相环路鉴频器原理框图（3）调幅信号的同步检波电路边带的调幅信号要进行同步检波，必须先从己调信号中恢复出与载波信号同频同相的本地载波信号，用载波跟踪型锁相环就能获得本地载波信号。图9为锁相同步检波电路原理框图。由于压控振荡器输出信号与输入调幅波的载频分量之间有固定的/2相移，因此，必须经过/2移相器变成与已调波中载波分量同相的信号，此信号即为本地载波信号，与已调波信号共同加到同步检波器上，才能获得解调信号。图9锁相同步检波电路以上是用PLL实现模拟信号的调制与解调，同样可以用PLL实现数字调频、调相信号的调制与解调，最常见的是移频键控（FSK）及移