毛振東

（94347 部隊，沈陽 110043）

1 引 言

鎖相環(huán)可以控制環(huán)路內(nèi)部電路的頻率和相位，從而實現(xiàn)輸出信號對輸入信號相位和頻率的自動跟蹤，早在上世紀三十年代已有相關(guān)研究開展。最初的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)被應(yīng)用在無線電同步接收中，為同步檢波信號提供一個與輸入信號載波同頻的本地參考信號。由于在應(yīng)用過程中，尤其在低信噪比條件下，能較好地保證信號的失真比，從而廣受關(guān)注。隨著20世紀科技飛速發(fā)展，在通信及電子系統(tǒng)領(lǐng)域中，鎖相環(huán)路的理論和設(shè)計研究日趨成熟，從40年代的電視接收同步電路、50年代的導(dǎo)彈信標跟蹤濾波器，直至今日被廣泛應(yīng)用于無線電傳輸、電子通信及航空航天等領(lǐng)域。隨著通信行業(yè)對低成本、低功耗、大帶寬、低失真、高傳輸速率等方面的要求，鎖相環(huán)技術(shù)也不斷向高集成度、低功耗、高可靠性的方向發(fā)展。自第一個鎖相環(huán)產(chǎn)品問世以來，在新設(shè)計技術(shù)、更精細加工能力、更完善應(yīng)用平臺等的不斷推動下，鎖相環(huán)產(chǎn)品發(fā)展迅速，產(chǎn)品種類繁多，工藝日新月異。鎖相技術(shù)已成為一門系統(tǒng)的理論科學(xué)，在通信、計算機、紅外、激光、雷達、航天、精密測量、馬達控制及圖像處理等方面得到廣泛應(yīng)用。鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器、分頻器和壓控振蕩器等部分組成[1]。隨著數(shù)字電路的發(fā)展，其中的鑒相器部分開始由數(shù)字電路替代，但其他部分仍是模擬電路。這種鎖相環(huán)就是最初的數(shù)?；旌湘i相環(huán)。此類結(jié)構(gòu)隨著技術(shù)和理論的發(fā)展不斷完善，目前成為鎖相環(huán)發(fā)展的主流方向。

鎖相環(huán)廣泛用于衛(wèi)星定位、信號接收等領(lǐng)域，對數(shù)?；旌湘i相環(huán)技術(shù)進行研究并實現(xiàn)產(chǎn)品的國產(chǎn)化，具有深遠的現(xiàn)實意義。因此，以典型產(chǎn)品如74HC4046（飛利浦公司）等為例，展開研究，探索其鑒相器、環(huán)路濾波器、分頻器等的結(jié)構(gòu)及工作原理。

2 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)及工作原理

鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器、分頻器和壓控振蕩器等部分組成，基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它是一種典型的反饋控制電路。

圖1 鎖相環(huán)的基本構(gòu)成

其中，鑒相器用于比較輸入信號與壓控振蕩器的相位差；環(huán)路濾波器用于濾除鑒相器輸出的交流干擾噪聲，提高直流信號質(zhì)量；分頻器用于自由控制輸出信號頻率與輸入信號頻率比例；壓控振蕩器根據(jù)輸入的直流信號控制振蕩頻率。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，即可實現(xiàn)所需要的高頻信號。

鎖相環(huán)是一種相位負反饋系統(tǒng)，當沒有基準（參考）輸入信號時，環(huán)路濾波器的輸出為零（或某一固定值），此時壓控振蕩器會按照其固有頻率fv自由振蕩。

鎖相環(huán)的工作原理如圖2所示，當有基準脈沖振蕩器介入，并提供頻率為fr的信號（參考）輸入時，壓控振蕩器經(jīng)過采集，給出一個信號，一部分作為輸出，另一部分通過分頻與鎖相環(huán)電路所產(chǎn)生的信號進行對比。此部分工作由鑒相器完成。當存在相位差時，鑒相器輸出一個誤差信號PD，通過環(huán)路濾波器變換為電壓信號Vr。信號Vr可使壓控振蕩器的輸出頻率fo（和相位）不斷發(fā)生變化，朝著參考輸出信號不斷靠攏，最終使fo和fr頻率一致。此時，壓控振蕩器的輸出信號與環(huán)路的輸出信號（參考信號）之間只有一個穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)相位差，而沒有頻率的差異，稱為環(huán)路被鎖定。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，鎖定環(huán)會使壓控振蕩器的頻率和相位持續(xù)不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化，稱為跟蹤狀態(tài)。

圖2 鎖相環(huán)工作原理

鎖相環(huán)具有環(huán)路鎖定和頻率跟蹤特性，使其在電子技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電子技術(shù)尤其是集成電路的飛速發(fā)展，促進了鎖相環(huán)設(shè)計、加工、應(yīng)用等技術(shù)的發(fā)展，包括模擬器件公司的ADF4 系列芯片、國半公司的LMX2 系列芯片、飛利浦的74 系列芯片等等[2]，早已實現(xiàn)將鑒相器、環(huán)路濾波器、分頻器和壓控振蕩器等結(jié)構(gòu)集成為單個鎖相環(huán)芯片，并維持較高的集成度，使功能、性能得到很大提升。通過開展和借鑒對國外成熟產(chǎn)品如74HC4046（飛利浦公司）的研究工作，分析研究鎖相環(huán)各個組成結(jié)構(gòu)的原理和設(shè)計要點，對數(shù)?；旌湘i相環(huán)的技術(shù)研究和相關(guān)產(chǎn)品國產(chǎn)化，具有重要意義。

3 鎖相環(huán)研究和設(shè)計

3.1 鑒相器結(jié)構(gòu)設(shè)計

飛利浦74HCT4046 芯片采用的鑒相器為數(shù)字鑒相器，兩個輸入信號是脈沖序列，其前沿（或后沿）分別代表了各自的相位。比較這兩種脈沖序列的頻率和相位可以得到與相位差有關(guān)的輸出。輸出信號會隨輸入信號振幅的變化而變化，增益會受到振幅的變化影響[3]。

74HC4046 芯片在鑒相器結(jié)構(gòu)中增加了CMOS結(jié)構(gòu)，如圖3所示。輸出為三態(tài)電路——低電平、高阻態(tài)、高電平信號。當比較同相位輸入信號時，鎖相環(huán)可以鎖定為高阻狀態(tài)，這對環(huán)路濾波器得到無紋波的高質(zhì)量直流電壓很有幫助[4]。

圖3 CMOS 結(jié)構(gòu)

74HC4046 芯片在使用過程中仍暴露出一些問題，如在輸入電源電壓1/2 處存在貫通電流、工作頻率較低等問題，限制了產(chǎn)品的應(yīng)用。通過研究其他產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，采用電流輸出型鑒相器可以很好地消除經(jīng)典互補CMOS 結(jié)構(gòu)在輸入電源電壓1/2 處存在貫通電流的缺點。此類優(yōu)化在飛利浦74HCT9046、模擬器件公司ADF411x 等芯片上得到較好的體現(xiàn)。另外采用高速鑒相器還可提高環(huán)路增益，優(yōu)化頻譜波形，提高工作頻率。諸如Maxim 的MAX9382H 和模擬器件公司的AD9901 等都已經(jīng)利用高速鑒相器展現(xiàn)出了這方面的優(yōu)勢。

因此在產(chǎn)品設(shè)計過程中可充分借鑒這些國外產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)方案，再根據(jù)其具體使用環(huán)境選擇鑒相器的設(shè)計方案。

3.2 環(huán)路濾波器設(shè)計研究

環(huán)路濾波器是由電阻、電容、放大器等組成的線性電路，其作用主要是濾除鑒相器輸出的高頻分量和噪音分量，得到一個干凈的控制電壓以控制壓控振蕩器的頻率輸出。常見的環(huán)路濾波器可分為RC積分濾波器、無源環(huán)路濾波器和有源環(huán)路濾波器。其中最簡單的一階RC 低通濾波器如圖4所示。

圖4 一階RC 低通濾波器

這一濾波器的傳輸特性可如下式表示：

其中含有兩個可調(diào)整的時間常數(shù)，調(diào)整方便，在鎖相環(huán)中應(yīng)用較廣泛。

對于環(huán)路濾波器而言，在選用時的一個重要參數(shù)是截止頻率，如下式所示：

為保證環(huán)路濾波器的增益和窄帶濾波特性[5]，需要合理地設(shè)定截止頻率。一方面，截止頻率越高，環(huán)路濾波器響應(yīng)速度越快，保證了鎖相速度；另一方面，截止頻率設(shè)計過高，環(huán)路濾波器除去鑒相器比較頻率中寄生成分的能力就會大大降低，輸出頻譜中就會產(chǎn)生大量的比較頻率的寄生成分，即窄帶濾波特性很差。因此，設(shè)計環(huán)路濾波器要折中考慮截止頻率和響應(yīng)速度。另外包括環(huán)路帶寬等方面也需要折中考慮，以保證濾除效果和捕獲性能。

3.3 分頻器設(shè)計

分頻器可以對輸入信號的頻率作出處理，使輸出信號的頻率滿足要求，通過分頻后可以得到不同頻率的時鐘信號，提供各設(shè)備使用。

分頻系數(shù)是分頻器的主要參數(shù)指標，多個不同頻率的信號可通過對某個基準頻率進行分頻獲得。分頻系數(shù)決定了分頻器的使用范圍和分辨率。一般來說，分頻系數(shù)的設(shè)計要滿足：①不影響設(shè)定的頻率分辨率；②使得壓控振蕩器具有較寬的輸出頻率范圍；③具有足夠的響應(yīng)速度。74HC4046 產(chǎn)品中采用的可編程分頻器可以實現(xiàn)分頻系數(shù)的自由控制，滿足上述要求。

為實現(xiàn)更高分頻功能，在某些應(yīng)用上可以采取多芯片從屬連接的方式，但此種方式會使電路工作變復(fù)雜，速度和輸出頻率都會降低，此時以固定的分頻系數(shù)N 來設(shè)定分辨率fp效果很差。這些問題，在74HC191、74HC4012、74HC4013 等產(chǎn)品中都有體現(xiàn)。為擴大壓控振蕩器輸出頻率的范圍，實現(xiàn)GHz 高頻鎖相環(huán)電路，同時保證分頻器的分辨率，可以采用加入雙模數(shù)前置頻率倍減器等方式改善分頻器電路，如圖5所示。采用這一方案的典型產(chǎn)品有東芝的TC9198P 芯片,在保證了分辨率fp和輸出頻率fout的前提下，豐富了分辨率fp的選擇[6]。

圖5 加入前置頻率倍減器的分頻器結(jié)構(gòu)

4 仿真驗證結(jié)果

由Multisim 軟件實施模擬仿真[7-8]。首先在軟件中構(gòu)造鎖相環(huán)的仿真模型。輸入選用1kHz 方波信號；利用74HC4046 實現(xiàn)鑒相器和壓控振蕩器；環(huán)路濾波器選用一階RC 濾波器；分頻器選用74HC4013計數(shù)器實現(xiàn)50 倍分頻。由此實現(xiàn)模擬鎖相環(huán)功能，并分別模擬在不同截止頻率和分頻系數(shù)下的工作情況，如圖6所示為在濾波器工作狀態(tài)下的測試結(jié)果，可見鎖相環(huán)工作良好，輸入頻率在535~1605kHz 之間變化，壓控振蕩器輸出頻率在1000~2070kHz 之間，較好保證了輸出維持在一個固定中頻，未出現(xiàn)功能失效情況，同時輸入噪音也得到了較理想的抑制。

圖6 工作狀態(tài)下濾波器測試結(jié)果

5 結(jié) 束 語

通過鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)、工作原理等方面的研究，尤其是對包括鑒相器、環(huán)路濾波器、分頻器等結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并采用Multisim 軟件仿真模擬進行仿真驗證，加深了對鎖相環(huán)的理解和認識，在實際應(yīng)用中對鎖相環(huán)電路的選擇、應(yīng)用具有一定的參考意義，有助于對新型鎖相環(huán)的研究開展，積極促進相關(guān)產(chǎn)品的國產(chǎn)化進程。