锁相环(PLL)的工作原理

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1、锁相环(PLL)的工作原理i.锁相环的基本组成许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信 号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环(PLL,Phase-Locked Loop)。锁相环的特点是： 利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪 电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输 入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由 来。锁相环通常由鉴相器(PD,Phase De

2、tector)、环路滤波器(LF,Loop Filter)和压控振荡器 (VCO,Voltage Controlled Oscillator)三部分组成，锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。Ms锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测 出的相位差信号转换成UD(t)电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控 制电压uC (t)，对振荡器输出信号的频率实施控制。2锁相环的工作原理锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别

3、为：询二人刑#+$(8-4-1)口二九!込【琢+ %(8-4-2)式中的3为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振 荡角频率。则模拟乘法器的输出电压uD为：吆=盹&加畀）=疋人% sin週f +妬匚。阳+兔（）=g EQ伽sin咚+色f） +田店+兔（0+ *口皿 Sin列+耳（切-+耳用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC（t）。即 uC （t）为:心尸字珥 sin（円心恥）一时+毘=% 呗（迥珂”+甸毘(8-4-3)式中的卩为输入信号的瞬时振荡角频率，ei （t）和eO（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时 位

4、相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：dt则，瞬时相位差ed为:爲=（四-珂）f+唄）-风(8-4-4)(8-4-5)对两边求微分，可得频差的关系式为処就耳珂为R恥）妬（纽+(8-4-6)didtdt上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变 的状态，uc（t）为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出 信号的频率不等，uc（t）随时间而变。因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示,该特性说明压控振荡器的振荡频率3u以30为中心, 随输入信号电压uc（t）的变化而变化。该特性的表达式为開 a-4 :!叫（） =毗+

5、&）牝的（8-4-7）上式说明当uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率 3u也随时间而变，锁相环进入频率牵引”，自动跟踪捕捉 输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持3。=卩 的状态不变。2.锁相环的应用1 锁相环在调制和解调中的应用（1）调制和解调的概念为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号 后必须进行解调才能恢复原信号。所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uC的参数，使载波信号的某一个参 数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（AM）、 调频（FM）和调相（PM）三种。调幅波的特

6、点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点 是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波 信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。调幅波和调频波的示意图如图8-4-4所 示。2a 8-1 I上图的（a）是输入信号，又称为调制信号；图（b）是载波信号，图（c）是调幅波和调频波信 号。解调是调制的逆过程，它可将调制波uO还原成原信号5。2 锁相环在调频和解调电路中的应用调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由8-4-6式可知，压控振荡器的振荡频率 取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率3相

7、等时，压控振荡器输 出信号的频率将保持3。不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号U c外，还有调制信号片，则压控振荡器输出信号的频率就是以3。为中心，随调制信号幅度的变 化而变化的调频波信号。由此可得调频电路可利用锁相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成 框图如图8-4-5所示。根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图8-4-6所示。fit选Um-创H I S若输入FM信号时，让环路通带足够宽，使信号调制频谱落在带宽之内，这时压控振荡器的频率 跟踪输入调制的变化，如图6.1所示。对于锁相环的详细分析可参阅有关锁相技术的书籍。在此 仅说明锁相环鉴频原理。可

8、以简单地认为压控振荡器频率与输入信号频率之间的跟踪误差可以忽略。因此任何瞬时，压控振荡器的频率3v(t)与FM波的瞬时频率3FM(t)相等。图锁相环工作原理图FM波的瞬时角频率可表示为二珂+心了卩)假设VCO具有线性控制特性，其斜率Kv (压控灵敏度)为(弧度/秒伏)，而VCO在Sd(t) =0时的振荡频率为3。，则当有控制电压时，VCO的瞬时角频率为0% 二 %+疋平每()令上两式相等，即3v(t)“3FM(t),可得其中3。为FM波的载频，3。为压控振荡器的固有振荡频率，两者皆为常数。因此上式第一项为 直流项，可用隔直元件消除，或者开始时已经把压控振荡器的频率调整为3。= 3。因此上式还 可进一步写成可见，锁相环输出，除了常系数Kf/Kv之外，近似等于原调制波形f(t)，因而达到频率解调的 目的。3 锁相环在频率合成电路中的应用在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器 的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡 信号输出。输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路；输出信号频率比晶振信号频率小的称为 锁相分频器电路。锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图8-4-7所示。图中的N大于1时，为分频电路；N小于1时，为倍频电路。