摘要：鎖相環(huán)是一種通過對壓控振蕩器產(chǎn)生的信號分頻后與參考時鐘信號進行比較，根據(jù)比較結(jié)果不斷調(diào)整振蕩器輸出，最終得到穩(wěn)定的信號頻率的一種負反饋系統(tǒng)。本文對鎖相環(huán)的工作原理、組成部分及各部分的功能做了簡要的分析，根據(jù)工作原理，在Multisim仿真軟件中建立了一種鎖相環(huán)電路模型，并對該模型進行仿真，驗證了鎖相環(huán)鎖定后測試結(jié)果與理論值的一致性。

關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)、分頻、負反饋系統(tǒng)、鎖定、Multisim仿真軟件、電荷泵鎖相環(huán)模型

1、引言

隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，通信機對其所使用的振蕩電路的要求越來越高，不僅要求振蕩頻率要廣，還需要頻率穩(wěn)定度高。常用的晶體振蕩電路雖然頻率穩(wěn)定度較LC振蕩電路要高許多，但是只能通過數(shù)字電路分頻來改變其頻率。相較而言，鎖相環(huán)電路就有優(yōu)勢多了，不僅振蕩頻率范圍廣，而且頻率穩(wěn)定度高。所以現(xiàn)在通信系統(tǒng)中多采用鎖相環(huán)電路來產(chǎn)生需要的信號頻率。

2、鎖相環(huán)工作原理及組成部分介紹

鎖相環(huán)是一個由鑒相器、分頻器、壓控振蕩器、環(huán)路濾波器四部分組成的負反饋系統(tǒng)[1]。壓控振蕩器通過自由振蕩輸出一個信號，該信號被分頻器進行1/N分頻后輸入至鑒相器反饋端與鑒相器的參考時鐘信號作比較，比較后產(chǎn)生一個相位差值信號并在鑒相器中轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號通過環(huán)路濾波器處理后給到壓控振蕩器，控制壓控振蕩器輸出。通過不斷的比較調(diào)整，壓控振蕩器最終輸出信號頻率將穩(wěn)定在鑒相器參考時鐘頻率的N倍。

下面將對鎖相環(huán)的各個組成部分的主要功能進行分析。

鑒相器：將負反饋信號與參考時鐘信號的相位進行比較，得到一個相位差值信號，電荷泵將該相位差值信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號，并將該電壓信號傳輸?shù)江h(huán)路濾波器。

分頻器：將壓控振蕩器輸出的頻率信號按所需倍數(shù)進行分頻，將分頻后的低頻信號送入鑒相器與參考時鐘信號進行比較。

壓控振蕩器：根據(jù)環(huán)路濾波器給的輸入電壓信號，輸出對應的頻率信號。

環(huán)路濾波器：濾除鑒相器中相位差值電壓信號的高頻成分，保留其直流部分[2]。

3、一種鎖相環(huán)電路的設計及Multisim仿真

根據(jù)鎖相環(huán)工作原理，在Multisim仿真軟件中建立一種輸出信號頻率為輸入信號頻率兩倍的電荷泵鎖相環(huán)電路的仿真模型[3]，如圖1所示。為了模型的簡明，并且方便仿真，本電路直接調(diào)用了 Multisim 中的電流源器件，開關(guān)器件和壓控振蕩器件，用D 觸發(fā)器替代分頻器實現(xiàn)對輸入信號的二分頻[4]，具體實現(xiàn)方法為將輸入信號接至 D 觸發(fā)器的是時鐘（ CLK ）端，D 端和Q 端連接作為輸出端，輸出信號即為輸入信號的二分頻。

圖中電阻R1 的阻值為3084Ω，電容C1的容值891PF，電容C2的容值為136PF。壓控振蕩器自由振蕩信號的頻率為0，電壓增益為15MHz/V。電流源Ip1、Ip2均設置為50 A，環(huán)路濾波器的帶寬是159.2KHz，信號源輸出一個2MHz的信號作為參考時鐘信號。

頻率計XFC1接在壓控振蕩器的信號輸出端用來測量該鎖相環(huán)電路輸出信號的頻率，頻率計XFC2接在壓控振蕩器輸出的反饋信號端用來測量反饋信號的頻率，萬用表接在環(huán)路濾波電路后端用來測量環(huán)路濾波器輸出到壓控振蕩器的控制信號的電壓值。

模型運行初期，頻率計XFC1顯示值為1.432MHz，頻率計XFC2顯示值為625.94kHz，萬用表顯示值為103.822mV。從數(shù)據(jù)可以看出，通過D 觸發(fā)器分頻后，頻率計XFC1顯示的值是頻率計XFC2顯示值的兩倍。通過壓控振蕩器作用后，萬用表測量的電壓值與頻率計XFC1中顯示頻率為15M倍關(guān)系，滿足壓控振蕩器的電壓增益要求。

模型運行一段時間后，兩個頻率計和萬用表均達到穩(wěn)定，此時頻率計XFC1顯示值為4MHz，頻率計XFC2顯示值為2MHz，萬用表顯示值為266.666mV。模型穩(wěn)定后最終輸出信號的頻率是參考時鐘信號頻率的 2 倍?？刂菩盘柕碾妷褐蹬c輸出信號頻率滿足15M倍的關(guān)系。反饋信號頻率與參考時鐘信號的頻率一致，測試值與理論值相符，該鎖相環(huán)達到了鎖定狀態(tài)。

4、結(jié)語

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展背景下，高穩(wěn)定度鎖相環(huán)的應用越來越廣泛。本文從基本理論出發(fā)，分析了鎖相環(huán)電路的工作原理、組成結(jié)構(gòu)及功能，并基于Multisim環(huán)境以電荷泵鎖相環(huán)為例進行了建模及仿真，驗證了鎖相環(huán)頻率范圍廣、穩(wěn)定度高的特點。

參考文獻

[1]鄭繼禹，萬心平，張厥盛.鎖相技術(shù)（第二版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，2012.

[2]曾興雯，劉乃安，陳健 等著 .高頻電子線路（第 2 版）[M].北京：高等教育出版社，2009。

[3]都伊林.基于 Multisim 7 的鎖相電路研究[J].集成電路應用，2005.

[4]游國福.電荷泵鎖相環(huán)設計及其 IP 實現(xiàn)技術(shù)研究[D].國防科學技術(shù)大學工程碩士學位論文，2006.

作者簡介：吳雅娟（1992—），女，四川雅安人，本科，助理工程師，研究方向：模擬電子線路