锁相环期末论文

深圳大学考试答题纸
(以论文、报告等形式考核专用)
二○一二～二○一三学年度第一学期
课程编号2313991501 课程名
称
专业讲座主讲教师
刘静/邓小
莺/唐锡辉/
史伟伟
评分
学号2010130159 姓名程茂杰专业年级电子信息工程大三
题目：《锁相环技术》
前言
这学期有幸选修了四位老师合讲的专业讲座这门课，学生受益匪浅。

四位老师讲的方向与内容都不相同，结合自身兴趣，本人选择邓小莺老师所讲的锁相环方向来做为期末论文的课题。

在选修这门课之前，我们还没有系统的去了解锁相环技术这一十分重要的电路技术，但通过这门课的简单学习与课外资料的查阅，我对锁相环技术多少有了一定的了解。

锁相环技术发展到今天已经相当成熟，运用也十分广泛，结合自身的知识结构与兴趣，此次论文主要对锁相环路进行简单的概述并对其最新进展集成锁相环路进行论述。

多有偏差，望老师纠正。

正文
第一部分：锁相环路概述
1 锁相环路的定义：
锁相环路是一种反馈电路，英文全称是Phase-Locked Loop，简称PLL，是一种电路或者模块。

它用于在通信的接收机中,其作用是对接收到的信号进行处理,并从其中提取某个时钟的相位信息，使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。

锁相环路是锁相技术的核心，所谓的锁相环路是一个实现相位自动锁定的控制系统。

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，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。

2 锁相环路的运用与发展：
锁相环技术早期是为了解决接收机的同步接收问题，即接收机本振频率与输入信号的载频相等，相位同步。

后来在电视接收机的扫描电路中应用锁相环，减少了噪声对同步的影响，使电视图像同步性能得到很大改善，使锁相技术得到了广泛应用。

但是由于过去电子器件和材料工艺的限制，其制作复杂、成本较高，因此仅在要求较高的通讯、精密测量仪器以及电视机中采用。

随着电子技术的发展，特别是由于空间技术应用的需要，进一步推动了锁相技术的发展。

从航天技术、无线电通讯、广播、雷达、导航、激光通讯、工农业生产的自动控制、遥控遥测到精密仪器测量、测绘制图自动化等各个方面都广泛使用锁相环技术。

随着集成电路技术的发展，逐步出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及各种专用集成锁相环路，使得锁相环路逐渐变成了一个成本低，使用简便的多功能组件，这就为锁相环技术在更广泛的领域应用提供了条件。

锁相环的应用概括起来主要有：模拟与数字信号的相干解调，频率合成，锁相稳频，数字信号中同步信号的提取，跟踪与测距，自动频率控制，相干载波的提取以及模拟调频（调相）信号的产生等等方面[3]。

3 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;
（3）环路滤波器：用于对鉴相器的输出信号进行滤波和平滑,大多数情形下是一个低通滤波器,用于滤除由于数据的变化和其他不稳定因素对整个模块的影响。

从上可以看出,大致有如下框图：
┌─────┐┌─────┐┌───────┐
→─┤鉴相器├─→─┤环路滤波器├─→─┤受控时钟发生器├→┬
└──┬──┘└─────┘└───────┘│
↑↓
└──────────────────────────┘
可见,是一个负反馈环路结构,所以一般称为锁相环（PLL: Phase Locking Loop）
可以用于恢复基带信号时钟。

4 锁相环的种类：
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路。

5 锁相环的特点：
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。

6 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。

第二部分：集成锁相环路
锁相环路在电子技术的各个领域中运用极为广泛，已成为电子设备中常用的一种基本部件。

为了方便调整、降低成本和提高可靠性，以便在各种电子设备中发挥更好的作用，迫切希望它能集成化、数字化、小型化和通用化。

国外自20世纪60年代末第一个锁相集成产品问世以来锁相环技术的发展极为迅速，产品种类繁多，工艺日新月异。

目前，除某些特殊用途的锁相环路外，几乎全部集成化了，已产生数百个品种。

因此了解和掌握集成锁相环路的原理与运用显得非常有意义。

国内虽然在这方面起步较晚，但在锁相集成电路的生产上，也取得了可喜的进展。

锁相集成电路由于性能优良、价格便宜、使用方便，正被许多电子设备所采用。

当前集成锁相环路已成为锁相技术的一项重要进展。

集成锁相环路是一个相位反馈控制系统，最大特点是可以不用电感线圈，实现对输入信号频率和相位的自动跟踪。

由于锁相环路易于集成化，且性能优越，所以锁相集成电路已成为继集成运放之后，又一个用途广泛的多功能集成电路。

此外，数字集成化电路对扩大锁相环的功能和提高锁相环的性能有很大的作用，在锁相集成电路尤其在数字式集成频率合成器中被大量采用。

因此锁相集成电路又成为模拟技术和数字技术相结合的优秀典型。

因此集成锁相环路已成为引人注目的功能器件。

锁相集成电路种类多种多样，如下图所示：
锁相集成电路的工艺比较复杂，涉及到的工艺种类较多，如下图所示：
2．集成鉴相器：
目前，宜于集成的鉴相器主要有两种类型：一种为模拟乘法器；另一种为数字比相器。

后者又分为边沿触发式和电平比较式两种。

（1）模拟乘法器
用模拟乘法器作鉴相器，便于集成化，它在单片模拟集成锁相环中广泛采用。

目前许多技术可以完成相乘作用，但在集成化模拟乘法器中运用最普遍的是所谓“可变跨导”法。

以下是一些重要的电路图：
平衡模拟乘法器原理图模拟乘法器三角形鉴相特性
双平衡模拟乘法器原理图 F1496／1596模拟乘法器
改进后的双平衡模拟乘法器
（2）数字式鉴频鉴相器
数字式鉴频鉴相器是用脉冲后沿触发来进行工作的，属边沿触发型电路。

它不仅有鉴相功能，而且还有鉴频功能。

国产T4044(MC4044)，E12040(MC12040)和5G4046（CD4046）中的PD-Ⅱ就是这类鉴频鉴相器的典型例子。

T4044数字式鉴频鉴相器电路
T4044同频鉴相波形(a)R与V同相；(b)R滞后V；(c)R超前V
（3）门鉴相器
个比相脉冲的占空比都有一定的要求。

异或门鉴相器鉴相特性
异或门鉴相器 (a)原理图；(b)波形；(c)真值表
3．集成压控振荡器：
主要有以下几种电路形式。

（1）积分-施密特触发电路型压控振荡器
下图出了一个积分-施密特触发型压控振荡器原理图。

电路由恒流源(IO)、积分器(V1、V2、V3、VD1、VD2和CT)和施密特触发器组成。

积分-施密特触发型压控振荡器原理图
（2）射极耦合多谐振荡器型压控振荡器
下图出了射极耦合压控多谐振荡器的原理电路的各点波形图。

图中交叉耦合的晶体管V1、V2组成正反馈级，并分别接受有电压uc控制的恒流源IO1、IO2(通常选择IO1=IO2=IO）。

射极耦合压控多谐振荡器 (a)原理电路；(b)各点波形
（3）LC负阻型压控振荡器
图示出了一个宜于单片集成的变容管调谐的LC压控振荡器原理图。

电路由变容管电容CD、振荡回路LCs、发射极耦合电路V1、V2和恒流源IO组成。

V2基极与V1集电极之间接成正反馈级。

当出现扰动,在回路中形成10端电压uc1升高,口端电压ub1下降,因为ub2=uc1,随之引起:uc1↑→ub2↑→Ie2↑→Ie1↓→Ic1↓。

LC负阻压控振荡器原理图 CD～uD和f～uD关系曲线（4）数字门电路型压控振荡器
用数字门电路组成压控振荡器的形式很多。

压控振荡器既可以用MOS、CMOS门电路，也可以用TTL（STTL，LSTTL）等门电路来构成。

这里只介绍用CMOS门电路构成的压控振荡器。

CMOS数字门电路型压控振荡器原理图
4. 通用单片集成锁相环
通用单片集成锁相环路就是将鉴相器、压控振荡器以及某些辅助器件集成在同一基片上，各部件之间部分连接或均不连接的一种集成电路。

使用者可以按需要在电路外部连接各种部件来实现锁相环路的各种功能，因此，这种集成锁相环路具有多功能或部分功能的性质，使产品具有通用性。

通用单片集成锁相环路的产品已经很多，它们所采用的集成工艺不同，使用的频率也不同。

考虑到国内外已有产品及使用情况，下面主要介绍几种典型的单片集成锁相环路的组成与特性。

（1）高频单片集成锁相环
NE560是56系列单片集成锁相环路中最基本的一种电路，它包括鉴相器、压控振荡器、环路滤波器、限幅器和两个缓冲放大器。

鉴相器由双平衡模拟相乘器组成。

相乘电路构成的正交检波器和缓冲放大器。

这样NE561就可用于AM信号的同步检波，此时正交检波器与环路鉴相器的信号输入不同，两者应该相差90°。

典型工作电流可到10mA。

L562(国外同类产品为NE562)是目前56系列中应用广泛的一种单片集成锁相环路。

其线路、性能和应用与NE560也基本相同。

XR-215是最高工作频率可达35MHz的高频单片集成锁相环路，电路由鉴相器、压控振荡器和运算比较电路组成。

鉴相器为双平衡模拟相乘器。

（2）超高频单片集成锁相环
L564(NE564)L564是56系列中工作频率高达50MHz的一块超高频通用单片集成锁相环路。

电路由输入限幅器、鉴相器、压控振荡器、直流恢复电路和施密特触发器等六大部分组成。

μPC1477C是一块主要用作卫星直播接收机(室内装?锁相解调器的超高频单片集成锁相环路。

它由鉴相器、压控振荡器、直流放大器、缓冲放大器和若干调整环节组成。

（3）低频单片集成锁相环
SL565是56系列中一块工作频率低于1MHz的通用单片集成锁相环路。

它包含鉴相器、压控振荡器和放大器三部分。

NE567是一个高稳定性的低频单片集成锁相环路,它由主鉴相器(PDI)、直流放大器(A1)、电流控制振荡器(CCO)和外接环路滤波器组成。

5G4046是一块低频低功耗通用单片集成锁相环。

环路采用CMOS电路，最高工作频率1MHz左右，电源电压为5～15V。

当f=10kHz时，功耗为0.15～9mW。

与类似的双极性单片集成锁相环相比较，它的功耗降低了很多，这对要求功耗小的设备来说，具有十分重要的意义。

5．集成锁相环路的应用：
这里主要描述的是集成频率合成器。

集成频率合成器是近年来发展最快、种类和采用新工艺最多的一种专用锁相电路。

它区别于通用单片集成锁相环，通常总是把合成器中性质相同(或相近)的参考振荡器、参考分频器、数字鉴相器、程序分频器、各种逻辑控制电路以及高速双模或多模前置分频器等部件集成在一个或几个单片中，以构成集成频率合成器的电路系统。

以下以两种型号通用的集成芯片加以说明。

（1）中规模集成频率合成器
在这种类型的集成频率合成器中，最典型的例子是MC145100系列中的MC145104／06／07／09／12／43／等几个产品，它们都是CMOS、MSI电路（不包括VCO）。

下图是MC145106的方框图（其它产品大同小异），电路包含有参考振荡器或放大器，参考分频器，程序分频器和鉴相器。

MC145106方框图
（2）大规模集成频率合成器
MC145144／45／46／51／52／55／56／57／58／59等是MC145100系列中CMOS-LSI频率合成器的典型产品。

1.MC145145-1，它是一块用4bit数据总线输入方式置定的单模CMOS-LSI频率合成器电路。

2..MC145152-1MC145100系列中另一个典型产品是MC145152-1，它是一块用并行码输入方式置定的双模CMOS-LSI频率合成器。

电路包含参考振荡器、12bit÷R计数器、12×8ROM参考译码器、10bit÷N计数器、6bit÷A计数器、控制逻辑、鉴相器和锁定检测等部分。

3.NJ8811为了扩展合成器的频率范围，可以采用多模前置分频器。

一般包含一个
数字鉴相器，一个N
1=28的计数器、两个N
2
=N
3
=24的计数器和一个16bit输入缓冲器。

由
于它有三个计数器，故可与四模前置分频器接口，组成四模锁相环频率合成器。

并且频率转换很容易实现微机编程控制。

第三部分：总结与结尾
锁相环路在涉及电子技术的几乎所有领域都得到了广泛的应用，而且至今热度不减，这是因为其独特的优良特性所决定的。

锁相技术同其他技术一样，是一门不断发展，应用领域不断扩大的技术。

其中，集成锁相环自70年代问世以来发展迅速，是近年来锁相技术的重要进展。

可以说现代大规模集成电路中基本上都含有锁相环路这一电路模块，因此，对于有志于投身集成电路行业的人来说，应该做到对集成锁相环路原理有一定的了解。

这也是学生在此论文中重点描述它的缘由了。

尽管学生希望尽可能的做到更深入的分析，但由于所掌握的知识有限，以及篇幅的限制，只能描述到现有程度了。

此次论文以综述为主，所得出的结论与信息都来至于专业书籍与官方网站，具有很高的可信度，不过通篇下来难免有些错漏，忘见谅。

（完成时间2012年12月15号）
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