锁相环路及其在调频-鉴频电路中的应用

锁相环路及其在调频\鉴频电路中的应用
摘要：本文主要介绍锁相环工作原理，及其在无线电技术中发挥的优越性能，给出一种实验的方法来测量锁相环的同步带和捕捉带，分析其在调频和鉴频电路中的应用。

关键词：锁相环；原理；同步带；捕捉带
在无线电技术中，各种类型的反馈控制电路得到了广泛的应用。

锁相环路就是其中一种，它以其优越的稳频、滤波等性能，在许多反馈控制系统中发挥着重要的作用。

锁相环路在早期电视机同步系统中的应用，使电视图像的同步性能得到了很大的改善。

而在锁相环接收机中，由于中频信号可以锁定，频带可以做的很窄，带宽的大幅下降，使得输出信噪比大大提高了。

在空间技术中，比如接收来自宇宙飞行器的微弱信号，相比超外差式接收机的宽频带，信噪比也很低。

锁相环路简称锁相环（PLL）。

锁相环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。

因锁相环输出信号频率能够自动跟踪输入信号的频率，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，输出信号与输入信号电压保持某种特定的关系，即输出电压与输入电压的相位被锁定，这也是锁相环名称的由来。

锁相环路由三部分组成：鉴相器PD、环路滤波器LF和压控振荡器VCO。

1鉴相器组成
鉴相器PD通常鉴相器由模拟相乘器和低通滤波器组成。

设输入信号为Ui （t）和本振信号（压控振荡器输出信号）Uo（t）。

输入、输出信号在鉴相器中进行比较，输出一个与两者相位差成比例的电压，称作误差电压，记为Ud(t)；该电压是两个信号相位差的函数。

环路滤波器LF为线性电路低通滤波器，作用是滤除误差电压Ud（t）中的高频分量及噪声，具有窄带滤波器的特性。

如果电路设计合理，会得到一个极窄的通道。

经过LF输出的电压为Uc（t），将它加给压控振荡器。

压控振荡器VCO 通常由变容二极管和电抗管等组成振荡电路。

VCO的输出频率受Uc（t）的控制。

当Uc（t）变化时，引起二极管结电容的变化，从而振荡器频率发生改变。

因此Uc（t）控制着VCO的输出频率，直至两者频率相等。

具体就是：
当输入信号和输出信号频率相同相差恒定时，鉴相器输出中的低频分量为零，环路滤波器的输出也为零，压控振荡器的振荡频率不发生变化。

如果二者的频率不一致，则鉴相器将产生低频分量，通过环路滤波器后输入压控振荡器，使其频率发生变化。

环路设计得合适，这种变化会不断地使输出信号的频率与输入信号的频率趋于一致，最终二者频率相等相位差恒定，此时的Ud（t），Uc（t）均为直流电压，VCO的输出频率将不再变化，环路处于“锁定”状态。

当输入信号的频率发生变化时，VCO的输出跟随着这个变化，进入了跟踪和捕捉的过程，达到频率相等的要求。

所以，压控振荡器实质就是电压—频率变换器，其特性可
用调频特性来表示。

2锁相环路应用
锁相环路在调频电路中的应用，克服了普通的直接调频电路中存在的缺点。

比如振荡器的中心频率稳定度差，而晶体振荡器的调频范围又很窄。

4046芯片组成的电路进行分析。

控制电压为音频信号，VCO的振荡频率也会按照音频的规律的变化，从而达到了调频的目的。

压控振荡器输出是方波，因此，电路输出是调频非正弦波。

在这个电路里，为了更好地理解锁相环的特性，可以对锁相环的同步带与捕捉带进行测量。

通过加入一个外加基准频率信号，利用双踪示波器测量。

首先将基准频率fi调至较小值，环路处于失锁状态。

压控振荡器的输出频率记为fo。

然后逐渐加大基准信号的频率，在双踪示波器中观察基准信号和压控振荡器的输出波形。

当两信号由不同步变为同步时，表明环路进入了锁定状态，记下此时频率为f1,这是捕捉带的下限频率。

继续加大fi，发现fo跟踪fi变化，但当fi达到频率f4时，不再跟踪。

这时的f4即为同步带的上限频率。

然后逐步减小fi，同上述方法，环路入锁时记下频率f2，这是捕捉带的上限频率。

再失锁时记下频率f3，即为同步带的下限频率。

在鉴频电路中，鉴频器主要利用锁相环的跟踪特性。

即工作在捕捉带内。

此时压控振荡器的输出频率跟随输入信号频率而变化。

因此，如果压控振荡器的电压—频率特性符合线性变化的规律，则电压的变化规律和频率变化规律相同，即解调出了。

3结语
锁相环有着良好的跟踪特性、窄带滤波特性，加上其成本低使用方便，再加上集成锁相环的出现使得其在电子技术等各个领域得到了极为广泛的应用，比如在通信中、雷达中、在测量仪表中的应用等，同样，在这些应用中锁相环都充分地发挥了它独到的效益。

参考文献：
[1] 于洪珍.通信电子电路[M].北京:人民邮电出版社,2007.。