國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心 王 倩

淺析鎖相環(huán)技術(shù)的應用和發(fā)展

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心 王 倩

本文從鎖相環(huán)的基本概念出發(fā)，介紹了鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；然后對鎖相環(huán)進行了模擬鎖相環(huán)技術(shù)、數(shù)?；旌霞叭珨?shù)字鎖相環(huán)技術(shù)的分類，分析了其各自的優(yōu)缺點；介紹了鎖相環(huán)技術(shù)的發(fā)展歷程；最后以雙音頻報警器和倍頻電路為例，闡述了鎖相技術(shù)的具體應用。

鎖相環(huán)；信號頻率；應用

0 前言

鎖相環(huán)（Phase Locked Loop, PLL）是通信系統(tǒng)中廣泛采用的一種同步技術(shù)。從本質(zhì)上看，鎖相環(huán)路是一個相位反饋自動控制系統(tǒng)[1]，它可以準確跟隨輸入信號的相位。在鎖定狀態(tài)下，振蕩器輸出信號的相位和參考信號的相位之差始終為常數(shù)，并且具有頻率跟蹤的特性，因此在電子技術(shù)中得到了廣泛的應用。

1 鎖相環(huán)基本原理和結(jié)構(gòu)

鎖相環(huán)基本原理框如圖1所示。鎖相環(huán)通過檢測輸入、輸出信號的相位差，并經(jīng)由鑒相器轉(zhuǎn)換成電壓形式的信號輸出，再經(jīng)過低通濾波器濾波，把此時的信號作為壓控振蕩器的控制電壓，就可以實現(xiàn)對振蕩器輸出信號的頻率控制。然后經(jīng)反饋通道把振蕩器輸出信號的頻率和相位反饋到鑒相器的輸入端，從而形成閉環(huán)控制[2]。如果輸出信號的頻率與輸入信號的頻率成正比，那么輸出電壓與輸入電壓之間的相位差將保持恒定，最終實現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓的“鎖相”。如果環(huán)路輸入的信號在頻率和相位上都是瞬變的，那么壓控振蕩器的頻率和相位也是可以不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化，這種狀態(tài)又稱為跟蹤狀態(tài)。

圖1 鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)

鎖相環(huán)的基本組成部分有鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）。鑒相器實際上是一個相位比較器，它的主要作用就是比較兩個輸入信號的相位，把相位差轉(zhuǎn)換為相應的電壓信號。鑒相器可以對參考信號頻率和反饋輸出信號進行分頻，通過相位比較生成誤差電壓，經(jīng)內(nèi)部的電荷泵處理后輸出到環(huán)路濾波器。壓控振蕩器在沒有電壓輸入時，其輸出為零或一常數(shù)。當有信號電壓輸入時候，其振蕩頻率會受到外控電壓信號的調(diào)制，從而把電壓轉(zhuǎn)換為相位。其輸出信號的相位隨基準頻率相位變化而變化，因此具有相位跟蹤作用。

2 鎖相環(huán)的分類及特點

鎖相環(huán)分為模擬鎖相環(huán)技術(shù)、數(shù)模混合及全數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)。三種鎖相環(huán)各有優(yōu)勢和不足，在各類電子產(chǎn)品中均有相應的應用。模擬鎖相環(huán)又稱為線性鎖相環(huán)，它對正弦特性信號的相位跟蹤特性十分優(yōu)良，具有結(jié)構(gòu)簡單，輸出穩(wěn)定等優(yōu)點，但其正常工作必須依靠基準頻率。數(shù)?；旌湘i相環(huán)部分實現(xiàn)了數(shù)字化，但其核心控制環(huán)路仍是模擬電路，主要是在頻率合成和時鐘處理等場合中使用[3]。全數(shù)字鎖相環(huán)的輸入輸出都實現(xiàn)了數(shù)字化，其中的環(huán)路也由數(shù)字電路實現(xiàn)。全數(shù)字鎖相環(huán)具有比模擬鎖相環(huán)更多的優(yōu)點，例如精度高、穩(wěn)定性好、環(huán)路帶寬和中心頻率可調(diào)、可實現(xiàn)高階鎖相環(huán)等，但受時鐘源的噪聲影響嚴重，并且該影響會不斷累積。

3 鎖相環(huán)技術(shù)的發(fā)展

荷蘭物理學家Huygens于17 世紀首次提出了“同步振蕩器”（synchronized oscillator)的概念。直至20世紀中期， 黑白電視機的發(fā)明才使鎖相環(huán)路技術(shù)得到普遍的應用，因為黑白電視機需要一個水平同步電路來抑制噪聲并改善圖像的同步性能。

在軍事上，鎖相環(huán)路可用于導彈信標的跟蹤濾波，實現(xiàn)鎖相環(huán)路的最佳設計化。在人造衛(wèi)星方面，通過以鎖相環(huán)路為核心的窄帶鎖相跟蹤接收機就可以把淹沒在噪聲中的微弱信號提取出來，因此鎖相技術(shù)在空間技術(shù)上的應用也大大地推動了鎖相技術(shù)的發(fā)展。十九世紀中期以后，鎖相技術(shù)開始在通信、雷達、航空、航天、航海、儀器、儀表、化工、光源、核能、家電、地質(zhì)和眾多工業(yè)領域得到廣泛應用。在集成電路的帶動下，集成鎖相環(huán)、單片鎖相環(huán)和各類專用集成鎖相環(huán)路也相繼出現(xiàn)，如今的鎖相環(huán)路已經(jīng)尤為成本低、高效率的多功能電子元部件，使鎖相技術(shù)在更多領域的應用創(chuàng)造了可能性。

4 鎖相環(huán)技術(shù)的應用

本文以通用集成鎖相環(huán)CD4046為例介紹鎖相環(huán)技術(shù)的應用。

4.1 方波發(fā)生器

圖2所示電路是由集成鎖相環(huán)CD4046的VCO組成的方波發(fā)生器，只要9腳與電源連接就能實現(xiàn)一個基本方波振蕩器。6腳與7腳之間的電容C1的作用是為振蕩器進行充、放電。通過調(diào)節(jié)可變電阻R1的阻值就能控制振蕩器的振蕩頻率，由4腳負責輸出所需的方波信號。

圖2 雙音頻報警器電路

4.2 信號調(diào)頻

圖3所示電路是一個鎖相環(huán)調(diào)頻電路。只需讓調(diào)制信號由壓控振蕩器（VCO）的控制端輸入，如果載波頻率與自由振蕩頻率相當，則載波頻率將會與壓控振蕩器的振蕩頻率產(chǎn)生鎖定，兩者之間的相位差自由通過低通濾波器，與調(diào)制信號一起經(jīng)加法器后用以調(diào)節(jié)壓控振蕩器的輸出頻率，這樣就生成了所需的調(diào)頻信號。

圖3 鎖相環(huán)調(diào)頻電路原理框圖

5 結(jié)論

鎖相環(huán)電路具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率穩(wěn)定、精確度高等優(yōu)點，還能有效抑制雜散，可代替部分濾波器，因而有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和集成化。鑒相器的分頻比通過單片機控制就能輕易實現(xiàn)，輸出頻率的變換非常方便，這對于通信系統(tǒng)中的信號源模塊實現(xiàn)數(shù)字化、集成化和智能化是非常有意義的?？梢灶A見，鎖相環(huán)電路在今后的應用領域?qū)⑦M一步擴展。

[1]邱伶俐．鎖相環(huán)的綜合設計[D]．北京交通大學,2016．

[2]簡晨,王梓宇．一種級聯(lián)鎖相環(huán)頻率合成器的設計與實現(xiàn)[J]．微型機與應用,2015,(07):39-41+44．

[3]王照峰,王仕成,蘇德倫．鎖相環(huán)電路的基本概念及應用研究[J]．電氣應用,2005,(08):46-48．

王倩（1988—），女，四川南充人，碩士研究生。