锁相环的组成和工作原理 #1 1．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 许多电子设备要正常工作， 号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。

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， 锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环 ）。

锁相环的特点是 （PLL）。

锁相环的特点是：利用外部输入的 ）。

锁相环的特点是： 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 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， 相环通常用于闭环跟踪电路。

锁相环在工作的过程中， 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 于闭环跟踪电路 信号的频率与输入信号的频率相等时， 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 持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住， 就是锁相环名称的由来。

就是锁相环名称的由来。

（ ） 锁相环通常由鉴相器 PD） 环路滤波器 LF） 、 （ ） 和压控振荡器 VCO） （ ） 三部分组成， 所示。

三部分组成，锁相环组成的原理框图如图 8-4-1 所示。

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 锁相环中的鉴相器又称为相位比较器， 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 出信号的相位差， ） 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 u（t） 输出， ， C ） 对振荡器输出信号的频率实施控制。

对振荡器输出信号的频率实施控制。

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 锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成， 相器电路如图 8-4-2 所示。

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 鉴相器的工作原理是： 号电压分别为： 号电压分别为： （8-4-1） ） （8-4-2） ） 式中的 ω0 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。

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：将上式中的和频分量滤掉， 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 ）。

即 控振荡器的输入控制电压 uC（t）。

即 uC（t）为： ）。

）（8-4-3） ） 为输入信号的瞬时振荡角频率， 式中的 ωi 为输入信号的瞬时振荡角频率，θi（t）和 θO（t）分别为 ） ） 输入信号和输出信号的瞬时位相， 根据相量的关系可得瞬时频率和瞬 输入信号和输出信号的瞬时位相， 时位相的关系为： 时位相的关系为：即 则，瞬时相位差 θd 为（8-4-4） ）（8-4-5） ）对两边求微分， 对两边求微分，可得频差的关系式为 （8-4-6） ） 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 上式等于零， 说明锁相环进入相位锁定的状态， 的频率和相位保持恒定不变的状态， ）为恒定值。

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 于零时， 说明锁相环的相位还未锁定， 等，uc（t）随时间而变。

）随时间而变。

所示， 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 为中心， 振荡频率 ωu 以 ω0 为中心，随输入信号电压 uc（t）的变化而变化。

）的变化而变化。

该特性的表达式为 （8-4-6） ） 上式说明当 uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率 ωu 也随 ）随时间而变时， 时间而变，锁相环进入 频率牵引 频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率， 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， 的状态不变。

使锁相环进入锁定的状态，并保持 ω0=ωi 的状态不变。

8．4．2 锁相环的应用 ． ． 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 为了实现信息的远距离传输， 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。

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 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 数， 使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。

参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（ ）、调频 参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（AM）、调频（FM） ）、调频（ ） 和调相（ ）三种。

和调相（PM）三种。

调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等， 幅度随输入信号幅度的 调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等， 变化而变化； 变化而变化； 调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等， 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； 入信号幅度的变化而变化； 变化而变化 调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相 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 等， 相位随输入信号幅度的变化而变化。

所示。

图 8-4-4 所示。

上图的（ ）是输入信号，又称为调制信号； 上图的（a）是输入信号，又称为调制信号；图（b）是载波信号， ）是载波信号， 图（c）是调幅波和调频波信号。

）是调幅波和调频波信号。

解调是调制的逆过程， 解调是调制的逆过程，它可将调制波 uO 还原成原信号 ui。

2．锁相环在调频和解调电路中的应用 ．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。

8-4-6 式可知， 由 式可知， 压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。

压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。

相等时， 当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率 ω0 相等时，压控振荡器 不变。

输出信号的频率将保持 ω0 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 uc 外，还有调制信号 ui，则压控振荡器 为中心， 输出信号的频率就是以 ω0 为中心，随调制信号幅度的变化而变化的 调频波信号。

调频波信号。

由此可得调频电路可利用锁相环来组成， 由此可得调频电路可利用锁相环来组成， 由锁相环组成 所示。

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。

所示。

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 在现代电子技术中， 为了得到高精度的振荡频率， 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、 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。

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大的称为锁相倍频器电路； 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 率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。

所示。

路的组成框图如图 8-4-7 所示。

为分频电路； 为倍频电路。

< 图中的 N 大于 1 时， 为分频电路； 0<N<1 时， 当 为倍频电路。

FONT> 能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环 电子电路。

其中鉴相器 鉴相器用来鉴别输入信号 电子电路。

锁相环的基本结构如图 1，其中鉴相器用来鉴别输入信号 之间的相位差, ui 与输出信号 u0 之间的相位差,并输出误差电压 ud。

ud 中的噪声和干 扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器(VCO)的控制 扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器(VCO)的控制 压控振荡器(VCO) 电压 uC。

C 作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率 f0 拉向环 u 当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。

路输入信号频率 fi,当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。

维持锁 定的直流控制电压由鉴相器提供， 因此鉴相器的两个输入信号间留有 定的直流控制电压由鉴相器提供， 一定的相位差。

环路闭合后能自动进入锁定状态的输入信号频率最大 一定的相位差。

变化范围的二分之一称为捕捉带。

环路能保持锁定状态的输入信号频 变化范围的二分之一称为捕捉带。

率最大变化范围的二分之一称为同步带。

率最大变化范围的二分之一称为同步带。

捕捉带通常小于同步带， 捕捉带通常小于同步带， 在 极限情况下二者相等。

捕捉带与同步带是锁相环的重要参数， 前者影 极限情况下二者相等。

捕捉带与同步带是锁相环的重要参数， 响入锁的可靠性， 后者决定入锁后相位误差的大小， 因而实用的锁相 响入锁的可靠性， 后者决定入锁后相位误差的大小， 因而实用的锁相 环应具有足够大的捕捉带与同步带。

环应具有足够大的捕捉带与同步带。

锁相环 锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步， 锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步， 视接收机的行同步和帧同步 以提高抗干 扰能力。

后来，锁相环用于彩色电视机，使彩色副载波振荡器与输入 扰能力。

后来，锁相环用于彩色电视机， 信号同步，用来恢复彩色信号。

年代后期随着空间技术的发展， 信号同步，用来恢复彩色信号。

50 年代后期随着空间技术的发展， 锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。

锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。

60 年代初随着数 字通信系统的发展， 锁相环应用愈广， 例如为相干解调提取参考载波、 字通信系统的发展， 锁相环应用愈广， 例如为相干解调提取参考载波、 建立位同步等。

建立位同步等。

具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在 60 年代初发展起来的。

年代初发展起来的。

在电子仪器方面， 在电子仪器方面， 锁相环在频率合成器和相位计 等仪器中起了重要的作用。

等仪器中起了重要的作用。

环路部件 鉴相器有多种类型， 余弦型鉴相器最为常用,其特性 鉴相器有多种类型， 余弦型鉴相器最为常用,是两个输入信号之间的相位差 入信号之间的相位差， 如图 2。

其中墹ψ是两个输入信号之间的相位差，U 是误差电压 ud 的最大值。