电子测量技术的应用
----锁相环的应用和改进
院系：理工学院
年级：2013级
专业：电子信息科学与技术
学号：1303618029
姓名：徐洪涛
一、锁相环的概述
1.锁相环是一种相位反馈的闭环自动控制系统,环路锁定之后,平均稳态频差等于零,稳态相差为固定值，锁相环的这一重要特征使其在电视、通信、雷达、遥测遥感、测量仪表,特别是在人造卫星和宇宙飞船的无线电系统中,得到了广泛应用。
近年来,锁相环路的研究日趋深入,应用更加广泛。
由于具有线性性能的锁相环（这里称为线性锁相环在实际应用中具有不可替代的优势,它能够在很大程度上避免了非线性锁相环的缺陷,因此,人们一直没有放弃对线性锁相环的研究,并极力主张开发锁相环的线性应用范围* 但目前基本锁相环很难在线性范围内达到实际要求,其环路性能远不如非线性锁相环的性能好,当频差较大时,由于环路已超出线性工作范围,它根本不能锁定,或者能锁定但锁定时间较长,这要求对锁相环路进行改进,使其具有良好的线性性能。
2. 锁相环的组成部分
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。
一般情形下,这种锁相环的三个组成部分和相应的运作机理是：(1) 鉴相器：用于判断锁相器所输出的时钟信号和接收信号中的时钟的相差的幅度; (2) 可调相/调频的时钟发生器器：用于根据鉴相器所输出的信号来适当的调节锁相器内部的时钟输出信号的频率或者相位,使得锁相器完成上述的固定相差功能;
二、锁相环的分类与特点
1.锁相环路种类繁多，大致可将其分类如下：(1)按输入信号分：①恒定输入环路－用于稳频系统。
②随动输入环路－用于跟踪系统。
(2)按环路部件分：①模拟锁相环路－环路部件采用模拟电路。
②取样锁相环路－将模拟锁相环路中普通鉴相器改为取样保持鉴相器就构成取样锁相环路。
③数字锁相环路－环路部件采用数字电路。
根据环路部件是部分还是全部采用数字电路有部分数字环和全数字环。
④集成锁相环路－环路部件采用集成电锁相环的特点概括起来
就是“稳”、“窄”、“抗”、“同步”。
“稳”指的是锁相环的基本性能是输出信号频率稳定的跟踪输入信号的频率，它们不存在频率差而只有很小的稳态相位差。
因此可以用锁相环做成稳频系统，例如微波稳频信号源，原子频率标准等。
“窄”指的是锁相环具有窄带跟踪性能。
正是因为它的窄带特性，可以做成窄带跟踪滤波器。
从输入的已调信号中提取基准的载波信号，实现相干性。
因此在相干通信中得到广泛应用。
“抗”指的是锁相环的抗干扰性能，抑制噪声性能。
理论分析表明，锁相环的环路信噪比比输入信噪比小得多，所以它可以广泛用于抗噪声干扰的装置。
同时，锁相环又可以将深埋于噪声中的信息提取出来，因此它在弱信号提取方面发挥了很大的作用。
“同步”是指锁相环的同步跟踪性能。
如果数字信号本身含有位同步信息，利用锁相环可以从数字信号本身来提取位同步信号，所以锁相环在数字通信等系统中广泛的用做位同步装置。
2.锁相环的优点
(1)可以实现理想的频率控制。
这是由于环路锁定时，环路输出无剩余稳态频差存在所致。
(2)可以不用谐振线圈而具有较高的选择性。
(3)门限性能好。
锁相环用做调频信号解调器时，其门限性能要比普通鉴相器要改善5db左右。
(4)易于集成化与数字化。
组成环路的基本部件易于采用模拟集成电路，环路实现数字化后，更易于采用数字集成电路。
锁相环的集成化、数字化为减小体积、降低成本、提高可靠性实现多用途提供了有利条件。
3. 全数字锁相环的工作原理
当环路失锁时，异或门鉴相器比较输入信号(fin)和输出信号(fout)之间的相位差异，并产生K变模可逆计数器的计数方向控制信号(dnup)；K变模可逆计数器根据计数方向控制信号(dnup)调整计数值，dnup为高进行减计数，并当计数值到达0时，输出借位脉冲信号(borrow)；为低进行加计数，并当计数值达到预设的K 模值时，输出进位脉冲信号(carryo)；脉冲加减电路则根据进位脉冲信号(carryo)和借位脉冲信号(borrow)在电路输出信号(idout)中进行脉冲的增加和扣除操作，来调整输出信号的频率；重复上面的调整过程，当环路进入锁定状态时，异或门鉴相器的输出se为一占空比50%的方波，而K变模可逆计数器则周期性地产生进位脉冲输出carryo和借位脉冲输出borrow，导致脉冲加减电路的输出idout 周期性的加入和扣除半个脉冲。
这样对于输出的频率没有影响，也正是基于这种原理，可以把等概率出现的噪声很容易的去掉。
环路滤波器的性能优劣会直接影响到跟踪环路的性能。
而采用数字化的环路滤波器便于调试参数和提高系统可靠性。
环路滤波器的输出要直接控制频率合成器产生相应频率，使本地伪码能够准确跟踪发端信息。
数字环中使用的数字环路滤波器与模拟环中使用的环路滤波器作用一样，都对噪声及高频分量起抑制作用，并且控制着环路相位校正的速度与精度。
适当选择滤波器的参数，可以改善环路的性能。
数字环路滤波器的设计原理是建立在模拟环路滤波器的基础上的。
三、锁相环技术的应用及发展
3.1 锁相环的应用
（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。
（2）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。
3.2 锁相环的发展
传统的数字锁相环系统是希望通过采用具有低通特性的环路滤波器，获得稳定的振荡控制数据。
对于高阶全数字锁相环，其数字滤波器常常采用基于DSP的运算电路。
这种结构的锁相环，当环路带宽很窄时，环路滤波器的实现将需要很大的电路量，这给专用集成电路的应用和片上系统SOC（system on chip）的设计带来一定困难。
另一种类型的全数字锁相环是采用脉冲序列低通滤波计数电路作为环路滤波器，如随机徘徊序列滤波器、先N 后M 序列滤波器等。
这些电路通过对鉴相模块产生的相位误差脉冲进行计数运算，获得可控振荡器模块的振荡控制参数。
目前，已有单片集成全数字锁相环的商用产品，但作为某一个实际项目设计，需要的锁相电路特性不尽相同，有些现成的产品，不是成本高、体积大、资源浪费多，就是不能完全满足设计性能的要求。
根据位移检测的特点，采用高密度可编程逻辑器件，可根据实际要求，充分利用器件资源，同时把一些相关的数字电路组合在一起，不仅提高了系统的集成度和可靠性，降低了功耗，降低了成本。
而且使电路性能得到明显改善。