摘 要：鎖相環(huán)路是一種以消除頻率誤差為任務(wù)的自動(dòng)控制電路，由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成，具有自動(dòng)跟蹤、鎖定后沒有頻差、良好的窄帶特性和易于集成的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于倍頻、分頻和混頻以及濾波、模擬數(shù)字信號的調(diào)制和解調(diào)、信號檢測和接收、頻率合成等許多技術(shù)領(lǐng)域，是現(xiàn)代電子產(chǎn)品中非常重要的部件。對環(huán)路結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行分析及鎖相環(huán)路在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹，通過框圖進(jìn)一步闡述相應(yīng)內(nèi)容，使廣大讀者進(jìn)一步認(rèn)識鎖相環(huán)路及其相應(yīng)的產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)路;自動(dòng)控制電路;窄帶特性;環(huán)路結(jié)構(gòu)

Specific Properties and Application on Phase Lock Loop

SUN Ruji，HUANG Yueming

(Hebei Vocational Tourism College，Chengde，067000，China)

Abstract：Phase lock loop is an automatic control circuit，its task is to dispel frequency errors.it is formed by phase detector，loop filter and voltage-controlled oscillator.Its specific property includes automatic shadowing，few frequency errors，narrow belt and easy to integrate.It is widely used in many fields，such as times frequency，branch frequency，combined frequency，filter，modulation of imitated digital signals，signal inspection，etc.It is an important part of modern electrical products.By analyzing the structure of lock loop and its specific properties，application in different fields of phase lock loop，the content is given by a diagram，it makes lots of paople know PLL and its production.

eywords：phase lock loop;auto-controlled circuit;specific property;structure of lock loop

鎖相環(huán)路（Phase Lock Loop，PLL是一種自動(dòng)相位控制（APC）系統(tǒng)，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的一個(gè)基本部件。它的基本作用是在環(huán)路中產(chǎn)生一個(gè)振蕩信號（有時(shí)也稱本地振蕩），這個(gè)信號的頻率受控制電壓的作用，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，振蕩信號的輸出頻率與輸入信號的頻率完全相等，兩個(gè)信號的相位差保持恒定。實(shí)現(xiàn)了無頻率誤差的信號跟蹤，合理地選擇PLL的直流增益、振蕩頻率和相應(yīng)帶寬可有效地改善環(huán)路性能，達(dá)到理想的效果。

1 鎖相環(huán)路的組成與特性

1.1 鎖相環(huán)路的組成

鎖相環(huán)路由3部分組成：鑒相器PD（Phase Detector）、環(huán)路濾波器LF（Loop Fillter）和壓控振蕩器VCO（Voltage-Controlled Oscillator）。組成框圖如圖1所示：

鑒相器PD通常鑒相器由模擬相乘器和低通濾波器組成；作用是將輸入信號的相位與VCO的輸出信號相位進(jìn)行比較，并比較結(jié)果轉(zhuǎn)化為誤差電壓，Ud(t；該電壓是兩個(gè)信號相位差的函數(shù)。 

環(huán)路濾波器LF是低通濾波器，作用是濾除誤差電壓Ud(t中的高頻分量后得到控制電壓Uc(t，并加給壓控振蕩器。

壓控振蕩器VCO通常由變?nèi)荻O管和電抗管等組成振蕩電路；VCO的輸出頻率受Uc(t的控制。，

當(dāng)輸入信號和輸出信號頻率相同相差恒定時(shí)，鑒相器輸出中的低頻分量為零，環(huán)路濾波器的輸出也為零，壓控振蕩器的振蕩頻率不發(fā)生變化。如果二者的頻率不一致，則鑒相器將產(chǎn)生低頻分量，并通過環(huán)路濾波器使壓空振蕩器的頻率發(fā)生變化。環(huán)路設(shè)計(jì)得恰當(dāng)，這種變化將不斷使輸出信號的頻率與輸入信號的頻率趨于一致，最終二者頻率相等相位差恒定，，Ud(t，Uc(t，均為直流電壓，VCO的輸出頻率將停止變化，環(huán)路處于“鎖定”狀態(tài)。當(dāng)輸入信號的頻率發(fā)生變化時(shí)（VCO的控制范圍），VCO的輸出就能跟上這個(gè)變化，實(shí)施跟蹤和捕捉的過程，達(dá)到頻率相等的要求。

1.2 鎖相環(huán)路的基本特性

正常工作時(shí)鎖相環(huán)路具有以下基本特性:

（1） 良好的窄帶特性:

當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，鑒相器輸出的誤差電壓，Ud(t，是一個(gè)能順利通過環(huán)路濾波器的直流電壓，如果此時(shí)輸入信號中有干擾成分，則干擾信號與VCO的輸出信號在鑒相器PD中比較所形成的誤差電壓受到環(huán)路濾波器的抑制（處于低通的通頻帶外），于是VCO的輸出信號中的干擾成分大為減少，此時(shí)環(huán)路相當(dāng)于一個(gè)濾除噪聲的高頻窄帶濾波器，其通頻帶可以做得很窄，如在幾十兆赫茲至幾百兆赫茲的中心頻率上實(shí)現(xiàn)幾赫茲至幾十赫茲的窄帶濾波。這種窄帶濾波特性是LC，RC、石英晶體等濾波器很難達(dá)到的。

（2） 鎖定后沒有頻差：

在環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，環(huán)路的輸出信號和輸入信號的頻率相等，沒有剩余頻差，只有剩余相位差。它比AFC系統(tǒng)更好地實(shí)現(xiàn)了頻率控制，因而在自動(dòng)頻率控制、頻率合等技術(shù)方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

（3） 自動(dòng)跟蹤特性：

一個(gè)已經(jīng)處于鎖定狀態(tài)的環(huán)路，當(dāng)輸入信號的頻率稍有變化時(shí)，VCO的頻率立即發(fā)生相應(yīng)的變化，使輸出頻率與輸入頻率接近并最終達(dá)到相等。有時(shí)環(huán)路雖未達(dá)到鎖定狀態(tài)，經(jīng)過自身的調(diào)節(jié)作用可以捕捉到輸入信號并最終鎖定。

（4）易于集成化：

組成鎖相環(huán)路的基本部件都易于采用集成電路，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，整個(gè)環(huán)路包括一些放大元件、控制元件等均可集成在1塊芯片上，目前常用的主要有L562，L565，L564，CD4046等集成鎖相環(huán)。集成化可以減小設(shè)備體積、降低成本、提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，大大提高整機(jī)性能。

2 鎖相環(huán)路的應(yīng)用

由于鎖相環(huán)路性能優(yōu)越，現(xiàn)廣泛用于無線電通信技術(shù)中，可實(shí)現(xiàn)濾波、模擬和數(shù)字信號的調(diào)制與解調(diào)、倍頻、分頻、混頻、頻率合成等方面。

2.1 鎖相倍頻、分頻和混頻

在基本鎖相環(huán)路中，若將VCO的振蕩頻率鎖定在所需要的頻率上，就可進(jìn)行倍頻、分頻和混頻。

（1） 倍頻：

在反饋環(huán)路中接入一分頻器，當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，，ω_i =ω_o/n，輸出的頻率ω_o=nω_i為輸入信號頻率的n倍。如圖2所示。

[HT5”][J]圖2 鎖相倍頻框圖[HT10.]

（2） 分頻：

同理要在反饋環(huán)路中接入一倍頻器，當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)， ω_i =nω_o，ω_o=ω_i/n，VCO輸出的頻率為輸入頻率的1/n，。

（3） 混頻：

在反饋環(huán)路中加入混頻器或中頻放大器，就可實(shí)現(xiàn)混頻功能。如圖3所示。

當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，ω_i =ω_o-ω_L，ω_o=ω_L+ω_i。，

2.2 鎖相調(diào)頻與鑒頻

（1） 調(diào)頻

用鎖相環(huán)路調(diào)頻，能夠得到中心頻率高度穩(wěn)定的調(diào)頻信號如圖4所示。

鎖相環(huán)路的VCO中心頻率穩(wěn)定在晶振頻率上，同時(shí)調(diào)制信號也加到VCO上，從而實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制獲得所需的調(diào)頻信號。調(diào)制信號的頻譜應(yīng)處于LF的帶通之外，并且調(diào)頻系數(shù)不能太大，因此不形成調(diào)制信號的環(huán)路，鎖相環(huán)路僅是載波的跟蹤環(huán)，調(diào)制頻率對鎖相環(huán)路無影響，只對VCO的中心頻率不穩(wěn)定起作用。這樣鎖定后VCO的中心頻率就鎖定在晶振頻率上，輸出的調(diào)頻波中心頻率穩(wěn)定度很高?？朔酥苯诱{(diào)頻中心頻率穩(wěn)定度不高的缺點(diǎn)。

（2） 鑒頻

根據(jù)鎖相環(huán)路的頻率跟蹤特性，在系統(tǒng)處于調(diào)頻跟蹤狀態(tài)時(shí)，可用于調(diào)頻信號的解調(diào)，其框圖如圖5所示。

若輸入為調(diào)頻波，且其最大瞬時(shí)頻率滿足跟蹤條件，則當(dāng)輸入調(diào)頻波的頻率發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)過PD和LF 后，將產(chǎn)生一個(gè)與輸入信號頻率變化規(guī)律相對應(yīng)的控制電壓， 以保證VCO的輸出頻率與輸入頻率相同，經(jīng)環(huán)路濾波輸出的控制電壓就是解調(diào)信號。

2.3 調(diào)幅波的同步解調(diào)

對于DSB和SSB調(diào)幅信號進(jìn)行解調(diào)時(shí)，必須使用同步檢波，即保證本振產(chǎn)生的載波信號與調(diào)幅信號中的載波信號同頻同相，此外在數(shù)字通信中還有位同步、幀同步、網(wǎng)同步等，可見同步信號的產(chǎn)生非常重要。利用濾波法、導(dǎo)頻法、重生法所產(chǎn)生的本振信號很難做到與載波信號同頻同相。而利用載波跟蹤型的鎖相環(huán)路就能得到這樣的信號，再將其移相90°與輸入的調(diào)幅信號相乘，通過低通濾波就可解調(diào)出調(diào)制信號。如圖6所示。

2.4 鎖相接收機(jī)

鎖相接收機(jī)實(shí)質(zhì)是一個(gè)窄帶跟蹤鎖相環(huán)路，其框圖如圖7所示。

對于一般的超外差接收機(jī)，當(dāng)接收機(jī)的信號載波頻率不穩(wěn)定，而本振頻率又不能自動(dòng)跟蹤時(shí)，必將引起混頻器輸出的中頻信號頻率的變動(dòng)，為了適應(yīng)這種變化，中頻放大器的頻帶應(yīng)有一定的帶寬。

對在空間技術(shù)中應(yīng)用的通信機(jī)，這個(gè)問題就更顯得突出，當(dāng)?shù)孛娼邮照窘邮招l(wèi)星發(fā)送到無線電信號時(shí)，由于衛(wèi)星離地距離遠(yuǎn)，再加上衛(wèi)星發(fā)射功率小，天線在增益低，地面接收站收到的信號是極微弱的。衛(wèi)星環(huán)繞地球飛行時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，地面接收站收到的信號頻率將偏離衛(wèi)星發(fā)射的信號頻率，并且其值往往在較大范圍內(nèi)變化。對于這種中心頻率在較大范圍內(nèi)變化的微弱信號若采用普通接收機(jī)，勢必要求有足夠的帶寬，這樣接收機(jī)的輸出信噪比將嚴(yán)重下降，無法有效地檢出信號，若采用鎖相接收機(jī)，利用環(huán)路的窄帶跟蹤特性，就可有效地提高輸出信噪比，獲得滿意的接收效果。

2.5 頻率合成

無線電通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對振蕩信號源的要求在不斷提高，不但要求它的頻率穩(wěn)定度的準(zhǔn)確高度，而且要求能方便地改換頻率，頻率合成技術(shù)就能滿足上述要求。

在鎖相環(huán)路的鑒相器中進(jìn)行相位比較的2個(gè)頻率應(yīng)該[LL]相等，而參考晶振頻率是固定值，而頻率合成器所需輸出的頻率（即VCO的頻率）則是多個(gè)數(shù)值。為了使這二者的頻率在鑒相器處相等，以便比較它的相位，可采用脈沖控制鎖相法、模擬鎖相環(huán)路法與數(shù)字鎖相環(huán)路法。

脈沖鎖相法是利用參考晶振頻率的某次諧波（通過脈沖形成電路來獲得）與VCO輸出頻率在鑒相器中比較。如圖8所示。

模擬鎖相環(huán)路法與數(shù)字鎖相環(huán)路法則是利用適當(dāng)?shù)慕殿l電路將VCO的頻率降低（PD工作于較低的頻率），然后與參考頻率在鑒相器中相比較，實(shí)現(xiàn)鎖相功能。二者的區(qū)別在于二者的降頻方式不同，模擬式采用加減法降頻，數(shù)字式采用除法降頻。

鎖相環(huán)路的應(yīng)用不僅如此，還有可以解決專門問題鎖相環(huán)，如彩電電視彩色副載波的提取，振蕩器的頻率穩(wěn)定與提能，相關(guān)應(yīng)答器等，在電子設(shè)備，無線電通信，航空航天，雷達(dá)等領(lǐng)域被廣泛采用。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］林春方.高頻電子線路[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［2］胡宴如.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社，2004.

［3］張肅文.高頻電子線路[M].4版.北京:高等教育出版社，2004.

［4］李建偉，徐紅兵，王毅.一種鎖定相位編程可調(diào)全數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(3:84-86.