锁相环工作原理

图2：加入锁相环后的图形

图1：未加入锁相环时的图形

锁相环最基本的结构如图6.1所示。它由三个基本的部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LP 控振荡器（VCO）。

鉴相器是个相位比较装置。它把输入

信号S

(t)和压控振荡器的输出信号

i

(t)的相位进行比较，产生对应于两

S

o

个信号相位差的误差电压S

(t)。

e

环路滤波器的作用是滤除误差电压

S

(t)中的高频成分和噪声，以保证环

e

路所要求的性能，增加系统的稳定性。

压控振荡器受控制电压S

d

(t)

的控制，使压控振荡器的频率向输入

信号的频率靠拢，直至消除频差而锁

定。

锁相环是个相位误差控制系统。它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误电压来调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同频。在环路开始工作时，如果输入信号频率与荡器频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差势必一直在变化，结果鉴出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。若压器的频率能够变化到与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这就进入“锁定”状态。这就是锁相环工作的大致过程。

以上的分析是对频率和相位不变的输入信号而言的。如果输入信号的频率和相位在不断地则有可能通过环路的作用，使压控的频率和相位不断地跟踪输入频率的变化。

锁相环具有良好的跟踪性能。若输入FM信号时，让环路通带足够宽，使信号的调制频谱落之内，这时压控振荡器的频率跟踪输入调制的变化。

对于锁相环的详细分析可参阅有关锁相技术的书籍。在此仅说明锁相环鉴频原理。可以简为压控振荡器频率与输入信号频率之间的跟踪误差可以忽略。因此任何瞬时，压控振荡器的频率

与FM波的瞬时频率ω

FM

(t)相等。

FM波的瞬时角频率可表示为

假设VCO具有线性控制特性，其斜率K

v （压控灵敏度）为（弧度／秒·伏），而VCO在S

d

(t)＝0

荡频率为ω

o

’，则当有控制电压时，VCO的瞬时角频率为

令上两式相等，即ω

v (t)≈ω

FM

(t)，可得

其中ω

o 为FM波的载频，ω

o

’为压控振荡器的固有振荡频率，两者皆为常数。因此上式第一项为

可用隔直元件消除，或者开始时已经把压控振荡器的频率调整为ω

o =ω

o

’。因此上式还可进一步

可见，锁相环输出，除了常系数K

f ／K

v

之外，近似等于原调制波形f(t)，因而达到频率解调的目

同理，锁相环也可用于解调PM信号，此时只需在输出端接入一个积分器就可以了。

通过合理选择环路参数（主要是环路滤波器的参数）可以在满足解调要求的条件下使闭环可能窄，以便抑制噪声。因此锁相环具有良好的噪声性能。当接收信号电平微弱，噪声成为主要考时，采用PLL解调器可以改善解调性能，它可用于各种移动FM电台、微波接力系统、卫星通信系电视、遥测等系统中，它与普通鉴频器相比，门限改善可达6dB，所以PLL解调器又称为门限扩张或低门限解调器。