压控振荡器的输出信号为:
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在一般情况下，ωi 不一定等于ωo ，所以为了便于比较两者 之间的相位差，现都以ωo t 为参考相位。这样 ui(t) 的瞬时相位 为:
it i (t ) ot i o t i (t )
ot i (t )
其中:
第六节 锁相环路的应用
一、集成锁相环芯片 二、 方波发生器 三、PLL在调制解调技术中的应用 四、PLL在空间技术上的应用 五、PLL在稳频技术中的应用 六、PLL在频率合成器中的应用
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第一节 锁相环路(PLL)及其反馈控制电路简介
在无线电技术中，为了改善电子设备的性能，广泛采用各种 的反馈控制电路。常用的有自动相位控制（APC）电路，也称为锁 相环路（PLL-Phase Locked Loop），自动增益控（AGC）电路以 及自动频率控制（AFC）电路。
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3．压控振荡器VOC
压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t) 的控制，使振荡频 率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输 出信号的相位和输入信号的的相位保持某种关系，达到相位锁定 的目的。
压控振荡器: 指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是 式中C0是零反向偏压时 输入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的工作状态或振荡回 变容二极管的电容量；φ 路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器 是变容二极管的结电压； γ 是结电容变化指数。
三、锁相环的基本原理
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AGC电路接收方框图如图2-1所示。
图2-1 AGC电路的接收方框图
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工作原理: 它的工作过程是输入信号 经放大、变频、再放大后，到 中频输出信号，然后把此输出电压经检波和滤波，产生控制电压 ， 反馈回到中频、高频放大器，对他们的增益进行控制。所以这种增 益的自动调整主要由两步来完成：第一，产生一个随输入 信号而变 化的直流控制电压 (叫AGC电压)；第二，利用AGC电压去控制某些 部件的增益, 使接收机的总增益按照一定规律而变化。
uo (t ) U 2 m cos0t o (t ) U 2 m cos0t o (t )
式中 o (t ) o (t ) ，经乘法器相乘后，其输出为
1 ui (t ) uo (t ) Am AmU1mU 2 m sin 2o t i (t ) o (t ) sin i (t ) o (t ) 2
环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分 量及噪声，以保证环路所要求的性能。 环路 滤波器 压控
输出信号
鉴相器是相位比较装置，用来比较输入 信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t) 的 相位，它的输出电压ud(t)是对应于这两 个信号相位差的函数。 参考信号
鉴相器
振荡器
压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振 荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同， 使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种 特定的关系，达到相位锁定的目的。
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设输入信号ui(t)和本振信号(VCO输出信号）uo(t)分别是正弦和 余弦信号，它们在鉴相器内进行比较，鉴相器的输出是一个与两者 间的相位差成比例的电压ud(t)，一般把ud(t)称为误差电压。 环路低通滤波器滤除鉴相器中的高频分量，然后把输出电压ud(t) 加到VCO的输入端，VCO送出的本振信号频率随着输入电压的变化而 变化。如果二者频率不一致，则鉴相器的输出将产生低频变化分量 并通过低通滤波器使VCO的频率发生变化。只要环路设计恰当，则这 种变化将使本振信号的频率一致起来。 最后如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两者的 相位差将保持某一恒定值，则鉴相器的输出将是一个恒定直流电压 （高频分量忽略），环路低通滤波器的输出也是一个直流电压，VCO 的频率将停止变化，这时，环路处于“锁定状态”。
所以，当φ(t)≤30°时,鉴相器特性近似为直线，ud(t)与φ(t)成 正比。
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在时域中鉴相器数学模型如图4-4所示
图4-4 鉴相器的线性数学化模型（时域）
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2．环路滤波器（Loop Filter，简称LF)
环路滤波器是线性电路，由线性元件电阻、电感和电容组成， 有时还包括运算放大器在内。它是低通滤波器。在锁相环路中， 常用的滤波器有以下的三种，如图4-5所示。
高频成分
低频成分
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通过环路滤波器，把上式中高频分量滤除。则鉴相器的输出为
u d (t ) 1 AmU 1mU 2 m sin i (t ) o (t ) 2
ud (t ) K d sin (t )
式中 K d
1 AmU 1mU 2 m 2
其中Am 为乘法器的增益系数，量纲为1/V。
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第四节
锁相环路(PLL)
一、PLL概述
锁相环路是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号 之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位， 以达到与参考信号同频的目的。
环路 滤波器 压控
振荡器 输出信 号
参考信 号
鉴相器
图4-1 锁相环系统框图
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锁相接收机 微波锁相振荡源
图4-2 基本锁相环框图
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鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号ui(t)与压控振荡 器输出信号uo(t) 的相位，它的输出电压ud(t)是对应于这两个信号 相位差的函数。
环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声，以保 证环路所要求的性能。
压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡 频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO 输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达 到相位锁定的目的。
i (t ) i o t i (t ) t i (t )
i o 是输入信号角频率与VCO振荡器信号角频率之差， 称之为固有频差。
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按上面的新定义，可将式PLL输入、输出信号改写为
ui (t ) U1m sino t i (t )
锁相环路应用
锁相调频器
锁相鉴频器
定时提取（滤波） 锁相频率合成器 ……
在锁相频率合成器中，锁相环路具有稳频作用，能够完成频 率的加、减、乘、除等运算，可以作为频率的加减器、倍频器、 分频器等使用。
二、基本锁相环的构成
基本的锁相环路组成
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鉴相器(PD-Phase Detector) 环路滤波器(LF-Loop Filter) 压控振荡器(VOC: Voltage Controlled Oscillater)
第 9 页 Ui与增益K的关系曲线 Ui与增益K的关系曲线
Ui与UO的关系曲线
加上AGC后，放大 器增益K随Ui的增加而减 小(曲线1)，因而输出电 压UO 和输入电压Ui不再 是线性关系，振幅特性 UO～ Ui不再是一条直线， 而是如 图2-3 所示的曲 线2’。
图2-3 简单的AGC特性
从曲线可知:当Ui 较小时，控制电压Up 也较小, 这时增益可K虽略有减小，但变化 不大，因此振幅曲线基本上仍是一段直线；当 足够大时，Up的控制作用较强，增益K 显著减小。这时UO基本保持不变，振幅特性曲线2‘的bc段所示。通常把UO基本上保持 不变这部分叫做AGC的可控范围。可控范围越大，AGC的特性越好。
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四、锁相环各组成部分分析
1．鉴相器 鉴相器是锁相环路的关键部件，它的形式很多,我们仅介绍其 中常用的“正弦波鉴相器”。 1）正弦波鉴相器的数学模型 任何一个理想模拟乘法器都可以作为有正弦特性的鉴相 器。设输入信号为:
ui (t ) U1m sini t i (t )
uo (t ) U 2m coso t o (t )
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•自动频率控制(AFC)的原理框图
图3-1 AFC的原理方框图
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工作原理: 图3-1是AFC的原理框图。被稳定的振荡器频率f0 与标准 频率fr 在频率比较器中进行比较。当f0 = fr时，频率比较器无输出， 控制元件不受影响；当 f0 ≠ fr时，频率比较器有误差电压输出，该电 压大小与| f0 - fr | 成正比。此时，控制元件的参数即受到控制而发生 变化，从而使 发生变化，直到使频率误差 减小到某一定值Δ f ，自 动频率微调过程停止，被稳定的振荡器就稳定在 f0 = f0± Δf 的频率 上。 AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路,由于它的基本 原理利用频率误差电压去消除频率误差,这样,当电路达到平衡时,必然 有剩余的频率误差存在,无法达到现代通信中对高精度频率同步(频差 为0)和相位跟踪的广泛要求.要实现频率和相位的跟踪,必须采用自动 相位控制电路,即锁相环(PLL: Prase Locked Loop)
产生控制信号的简单的AGC电路如图1-2所示。
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图2-2 简单的AGC电路
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工作原理: 图2-2是简单AGC电路, 这是一种常用的电路。 是中 频放大管，中频输出信号经检波后，除了得到音频信号外，还 有一个平均分量（直流） ，它的大小和中频输出载波幅度成正 比，经滤波器 ，把检波后的音频分量滤掉，使控制电压 不受音 频电压的影响，然后把此电压（AGC控制电压）加到 的基极， 对放大器进行增益控制。
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2）鉴相器线性化的数学模型
当 i (t ) o (t ) 30o 时，
sin i (t ) o (t ) i (t ) o (t )
因此可以把式
u d (t ) K d sin (t ) 写成
ud (t ) K d i (t ) o (t ) K d (t )
它们所起的作用不同，电路构成也不同，但它们同属于反馈 控制系统，其基本工作原理和分析方法是类似的。