锁相环路

项目六 锁相环路

主要内容：

模块介绍

项目训练

1、模块介绍

1.1 锁相环路基本工作原理

图6-1 锁相环路的基本组成框架

鉴相器（PD ）：用以比较i u 、o u 相位， 输出反映相位误差 的电压()D u t 。 环路滤波器（LF ）：用以滤除误差信号中的高频分量和噪声，提高系统稳定性。 压控振荡器（VCO ）：在()C u t 控制下输出相应频率o f 。

图6-2 o U 与i U 的频率和相位之间的关系

两个正弦信号的频率和相位之间的关系如图6-2所示，若能保证两个信号之间的相位差恒定，则这两个信号的频率必相等。

若i o ωω≠，则称电路处于失锁状态，()i u t 和()o u t 之间产生相位变化，鉴相器

输出误差电压()D u t ，它与瞬时误差相位成正比，经过环路滤波，滤除了高频分量和噪声而取出缓慢变化的电压()C u t ，控制VCO 的角频率o ω，去接近i ω。最终使

i o ωω=，相位误差为常数，环路锁定，这时的相位误差称为剩余相位误差或稳态

相位误差。

1. 2 锁相环路的相位模型及性能分析 一、鉴相器(PD)

设压控振荡器的输出电压为

[])(cos )(o 0o om o t t U t u ϕω+=

ωo0 是压控振荡器未加控制电压时固有振荡角频率， ϕo(t)是以ωo0为参考的瞬时相位， 环路输入电压为)sin()(i im i t U t u ω=，

其相位可改写为)()(i o0o0i o0i t t t t t ϕωωωωω+=-+=， 则()i u t 与()o u t 之间的瞬时相位差为)()()(o i e t t t ϕϕϕ-=， 设鉴相器具有正弦鉴相特性，则[])(sin )(e d D t A t u ϕ=。 二、压控振荡器(VCO)

在c u = 0 附近，控制特性近似线性：

o o0o c ()()t A u t ωω=+

o rad /(s )A V ⋅式中，是控制灵敏度（增益系数），单位

可见压控振荡器是一个理想的积分器，将积分符号用微分算子p =d/d t 的 倒数表示，则得

)()(c o

o t u p

A t =

ϕ 1. 3 集成锁相环路

按电路构成分类，继承锁相环分为模拟锁相环和数字锁相环；按用途分类，集成锁相环分为通用PLL 和专用PLL 。

1.3.1模拟锁相环

L562

图6-3 L562的原理框图及芯片图

L562的原理框图如图5-3所示。

L562内部VCO 采用射极耦合多谐振荡器电路。

设起始时V 1导通、 V2截止，则V CC 通过V 3 、 V 1向C 充电，充电电流为I 02 。由于V 1导通时U E1≡ V CC –U BE(on) ，故C 充电使U E2下降，当其下降到（ V CC – U D –U BE(on) ）时， V 2导通,使U C2由V CC 下降为 （ V CC – U D ），致使V 1截止， V CC 通过V 4、 V 2向C 反向充电，充电电流为I 01 ，使U E1下降，直到引起V 1重新导通、 V2又截止。

如此循环振荡频率为

0m c 0o D D

()

()44c I g u t f A u t CU CU =

== 0m c m

o D ()

VCO 4I g u t g A CU ==式中是的控制灵敏度

1.3.2数字锁相环CC4046

锁相环CC4046为数字PLL ，内有两个PD 、VCO 、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。它具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点，其工作频率达1MHz ，内部VCO 产生50% 占空比的方波，输出电平可与TTL 电平或CMOS 电平兼容。同时，它还具有相位锁定状态指示功能。

锁相环CC4046的原理框图及芯片图如图6-4所示。

图6-4 锁相环CC4046的原理框图及芯片图

信号输入端：允许输入0.1V左右的小信号或方波，经A1放大和整形，提供满足PD要求的方波。PDⅠ由异或门构成，具有三角形鉴相特性。它要求两个输入信号均为50%占空比的方波。当无输入信号时，其输出电压为V DD/2，用以确定VCO的自由振荡频率PDⅠ由异或门构成，具有三角形鉴相特性。它要求两个输入信号均为50%占空比的方波。当无输入信号时，其输出电压为V DD/2，用以确定VCO的自由振荡频率。通常输入信噪比以及固有频差较小时采用PD ，输入信噪比较高或固有频差较大时，采用PDⅡ。

R1 、R2、C 确定VCO 频率范围。R1 控制最高频率，R2 控制最低频率。R2=∞时，最低频率为零。无输入信号时，PDⅡ将VCO 调整到最低频率

1.4 锁相环路的应用简介

一、锁相环路的基本特性

（1）环路锁定时，鉴相器的两个输入信号频率相等，没有频率误差。

（2）频率跟踪特性：环路锁定时，VCO 输出频率能在一定范围内跟踪输入信号频率的变化。

（3）窄带滤波特性：可以实现高频窄带带通滤波。

二、锁相鉴频电路

图6-5 锁相鉴频电路原理框图

工作原理：输入为调频信号，当环路锁定后，压控振荡器的振荡频率就精确地跟踪输入调频信号的瞬时频率而变化，产生具有相同调制规律的调频信号。只要压控振荡器的频率控制特性是线性的，压控振荡器的控制电压u c(t) 就是输入调频信号的原调制信号。

要求：捕捉带＞输入调频信号的最大频偏环路带宽大于输入调频信号中调

制信号的频谱宽度

三、调幅波的同步检波

图6-6锁相同步检波的原理框图

工作原理：输入为调幅信号或带有导频的单边带信号，LF的通频带很窄，使锁相环路锁定在调幅信号的载频上，这样压控振荡器就可以提供能跟踪调幅信号载波频率变化的同步信号。再利用同步检波器可以得到解调电压输出。

注意：压控振荡器输出电压与输入已调信号的载波电压间有π/2的固定相移，因此须经过π/2的移相器加到同步检波器上，这样才能使VCO输出电压与已调信号的载波电压同相。

四、锁相接收机（利用窄带跟踪特性）

信号频率漂移较严重时，若采用普通接收机，就要求带宽较宽，这可能导致接收机输出信噪比严重下降而无法检出有用信号

采用锁相接收机，利用PLL 的窄带跟踪特性，就可自动跟踪信号频率进行接收，有效提高输出信噪比。

图6-7 锁相接收机原理框图

学习项目小结：

通信与电子设备中广泛采用的反馈控制电路有自动增益控制电路（AGC）、自动频率控制电路（AFC）和自动相位控制电路（APC），它们用来改善和提高整机的性能。

AGC用来稳定输出电压或电流的幅度；AFC 用于维持工作频率的稳定；APC 又称锁相环路（PLL），用于实现两个电信号的相位同步。

锁相环路是利用相位的调节以消除频率误差的自动控制系统，由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等组成。当环路锁定时，环路输出信号频率与输入信号（参考信号）频率相等，但两信号之间保持一恒定的剩余相位误差。

锁相环路广泛应用于滤波、频率合成、调制与解调等方面。在锁相环路中应搞清楚两种自动调节过程，若锁相环路的初始状态是失锁的，通过自身的调节，由失