鎖相環簡介

鎖相環 (phase locked loop)是一種利用相位同步產生的電壓，去調諧壓控振蕩器以產生目標頻率的負反饋控制系統。

鎖相環在現代通訊技術中有廣泛應用，如：解調技術、調制技術、穩頻技術、微波技術、自動調諧跟蹤、鎖相式頻率合成技術、數字式鎖相解調、數字式位同步器。鎖相環路具有以下工作特性：

1. 鎖定特性 ：環路具有頻率鎖定的特性，對輸入的固定頻率鎖定后，兩信號的頻差為零，只有一個很小的穩態剩余差

2. 載波跟蹤特性 ：環路能跟蹤輸入信號頻率載波的變化，即輸入信號暫時消失，輸出信號也能保持對輸入信號的鎖定。

3. 調制跟蹤特性 ：環路可以跟蹤輸入信號變化，如寬帶調頻信號的瞬時頻率等。

鎖相環結構

鎖相環路是一個閉環的相位控制系統，基本結構如下圖所示。該負反饋系統是由鑒相器（PD）、環路濾波器（LF）和電壓控制振蕩器（VCO）三個基本部件組成。這三部分就實現了利用相位同步產生的電壓，去調諧壓控振蕩器以產生目標頻率。

鎖相環基本原理框圖

鑒相器

鑒相器是一個相位比較裝置，用來檢測輸入信號的相位和反饋信號的相位之間的相位差，并輸出一個對應兩信號相差的誤差電壓Ud(t)，完成相位差到電壓的變換。

根據不同用途，鑒相器的要求主要有：鑒相特性形狀；鑒相特性斜率和鑒相靈敏度；最高工作頻率；對輸入信號的泄漏；鑒相器的門限；鑒相能力。

鑒相器的具體電路很多，利用集成電路技術，單片集成鑒相器主要有：

1.相乘鑒相器：包括雙平衡差分模擬相乘器和電流比率模擬相乘器等

2.門鑒相器：包括或門、異或門、與非門、或非門和異或門，D觸發器、RS觸發器等

3.數字式鑒相器：包括觸發器型鑒相器和電壓型、電流型數字式鑒相器等

現在的鑒相器均有鑒相鑒頻功能，其鑒相鑒頻功能如下所示：

鑒相鑒頻特性

下面介紹一個常用的門鑒相器電路

典型的鑒頻鑒相電路

如上圖所示，藍線相連部分是鑒相器一，是一個鑒頻鑒相器，它由9個TTL與非門組成，2,3門和5,6門分別構成兩個R-S觸發器，上下兩部分電路完全對稱。8,9門輸出寬度正比于兩鑒相信號差和頻差的開關信號。

黑線相連部分是鑒相器二，由兩個TTL與非門10,11和一個反相器組成，在環路中通常用于正交鎖定或作為鎖定指示器。

環路濾波器

環路濾波器具有低通特性，即起到低通濾波器的作用。常用的環路濾波器有RC積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器：

RC濾波器

無源比例積分濾波器

有源比例積分濾波器

實際應用中，環路濾波器多為有源低通濾波器，如下圖所示：

基本環路濾波器

為了增加對噪聲和干擾的濾波作用，有時要在環路中增加輔助濾波器。環路中輔助濾波器都是低通型，可以增強對紋波的基波電壓的濾除作用，如下圖所示有源濾波附加低通濾波的電路：

有源附加一節低通濾波器其一

有源附加一節低通濾波器其二

有源附加兩節低通濾波器

電容C的容量選擇與R1和R2的阻值范圍相關，R1和R2的阻值又與鑒相器輸出阻抗、理想放大器輸入和輸出阻抗有關，一般R1和R2范圍為1k~1M歐姆，電容C的范圍在幾千到幾萬皮法范圍內選擇。根據頻率需求確定環路參數。

壓控振蕩器

壓控振蕩器是一個電壓-頻率變換的裝置，振蕩頻率隨輸入電壓U(t)線性變化。主要有以下一些指標：

1.控制靈敏度：指單位電壓引起的頻率變化量；

2.線性度：指輸入控制電壓與輸出振蕩頻率的控制特性偏離直線的程度；

3.線性范圍：指電壓-頻率控制保持線性的控制電壓范圍；

4.最大頻偏：指最大控制電壓作用下的最大頻偏量；

5.最大工作頻率；

6.頻率穩定度：指振蕩頻率隨各種因素（環境溫度、電源電壓等）變化的情況，包含短期穩定性和長期穩定度；

7.頻譜純度：包括相位噪聲與各種雜散；

8.調制帶寬：指控制電壓頻率的上限。

目前大量使用的集成壓控振蕩器主要有：晶體壓控振蕩器（VCXO）；LC壓控振蕩器（LCVCO）；壓控多諧振蕩器（VCM）。

其中，晶體振蕩器頻率穩定度最高，但是頻率控制范圍小，控制特性的線性最差，控制靈敏度也最低。壓控多諧振蕩器盡管頻率穩定度最差，且只能產生方波，但可控范圍最大、線性度最好，控制靈敏度最高。LC壓控振蕩器的性能介于二者之間。

審核編輯：劉清