本章內容8.1鎖相環路8.2集成鎖相環芯片8.3鎖相環路的應用返回總目錄

本章重點與難點（一）本章重點

1．鎖相環的構成及工作原理；

2．鎖相環路各組成部分的分析；鎖相環路的數學模型；

3．環路的捕獲、鎖定和跟蹤、環路的同步帶和捕捉帶；

4．CD4046CMOS單片鎖相環路邏輯圖和引出端功能圖以及使用說明；

5．鎖相環路的特性以及應用。（二）本章難點

1．鎖相環的工作原理；

2．鎖相環路的數學模型。1)PhaseLockedLoop鎖相環2)LowPassFilter低通濾波器3)VoltageControlledOscillator

壓控振蕩器4)PhaseDetecting鑒相器相關英文詞匯8.1鎖相環路(PLL)一、概述二、基本鎖相環的構成三、鎖相環路的基本工作原理四、環路的捕獲、鎖定和跟蹤五、環路的同步帶與捕捉帶六、鎖相環路各組成部分的分析七、鎖相環路的數學模型

在無線電技術中，為了改善電子設備的性能，廣泛采用各種的反饋控制電路。常用的有鎖相環路（PLL）即自動相位控制電路，自動增益（AGC）電路以及自動頻率控制（AFC）電路。

一、概述

鎖相環路早期應用于電視機的同步系統，使電視圖像的同步性能得到了很大的改善。上世紀50年代后期，隨著空間科學的發展，鎖相環(PLL)在跟蹤和接收來自宇宙飛行器(人造衛星、宇宙飛船)的微弱信號方面顯示出了很大的優越性。普通的超外差接收機,頻帶做得相當寬、噪聲大,同時信噪比也大大降低。而在鎖相環接收機中，由于中頻信號可以鎖定，所以頻帶可以做得很窄（幾十赫茲以下），則帶寬可以下降很多。所以輸出信噪比也就大大提高了。只有采用鎖相環路（PLL）做成的窄帶鎖相跟蹤接收機才能把深埋在噪聲中的信號提取出來。

鎖相環路----是一個相位誤差控制系統，是將參考信號與輸出信號之間的相位進行比較，產生相位誤差電壓來調整輸出信號的相位，以達到與參考信號同頻的目的。隨著電子技術的發展，集成鎖相環的出現，各種電子系統中鎖相環路的用途極為廣泛。例如，鎖相接收機、微波鎖相振蕩源、鎖相調頻器、鎖相鑒頻器等等，在鎖相頻率合成器中，鎖相環路具有穩頻作用，能夠完成頻率的加、減、乘、除等運算，可以作為頻率的加減器、倍頻器、分頻器等使用。

鎖相環路不僅能完成頻率合成的任務，而且還具有優良的濾波性能。這種濾波性能不僅能夠得到很窄的通頻帶，而且其中心頻率又可變。這些性能是普通的濾波器所不能比擬的。目前在比較先進的模擬和數字通信系統中大都使用了鎖相環路。煤礦中目前主要開始應用的是鎖相環調制器和解調器。二、基本鎖相環的構成

基本的鎖相環路是由鑒相器（PD）、環路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成，如下圖所示。圖8-1

鎖相環的基本組成

鑒相器是相位比較器，用來比較輸入信號ui(t)與壓控振蕩器輸出信號uo(t)的相位，輸出電壓對應于這兩個信號相位差的函數。環路濾波器是濾除ud(t)高頻分量及噪聲，以保證環路所要求的性能。

壓控振蕩器受環路濾波器輸出電壓uc(t)的控制,使振蕩頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至兩者的頻率相同，使得VCO輸出信號的相位和輸入信號的相位保持某種特定的關系，達到相位鎖定的目的。三、鎖相環路的基本工作原理

設輸入信號和本振信號（壓控振輸出信號）分別是正弦和余弦信號，它們在鑒相器內進行比較，鑒相器的輸出是一個與兩者的相位差成比例的的電壓，一般把它稱為誤差電壓。環路低通濾波器濾除鑒相器中的高頻分量，然后把輸出電壓加到VCO的輸入端，VCO送出的本振信號頻率隨著輸入電壓的變化而變化。鎖相環路的基本原理

如果二者頻率不一致，則鑒相器的輸出將產生低頻變化分量并通過低通濾波器使VCO的頻率發生變化。最后如果本振信號的頻率和輸入信號的頻率保持一致，兩者的相位差保持某一恒定值，則鑒相器的輸出將是一個恒定直流電壓，環路低通濾波器的輸出也是一個直流電壓，這時，環路處于“鎖定狀態”。四、環路的捕獲、鎖定和跟蹤1.環路鎖定如果環路有一個輸入信號u(t)

，開始時輸入頻率總是不等于VCO的自由振蕩頻率，即ωi≠ωo

。如果ωi與ωo相差不大，在適當的范圍內，鑒相器輸出一誤差電壓，經環路濾波器變換后控制VCO的頻率，使其輸出頻率變化接近到ωi

，ωi=ωo，而且兩信號的相位差為常數。2.環路捕獲從信號加入到環路鎖定，叫環路的捕獲過程。3.環路跟蹤

環路鎖定以后，這時環路進入鎖定狀態。一旦入鎖以后，壓控頻率就等于基準頻率，且fo隨fi而變化，這就稱為跟蹤。

1）在有雙蹤示波器的情況下

開始，環路處于失鎖狀態，加大輸入信號頻率，用雙蹤示波器觀察壓控振蕩器的輸出信號和環路的輸入信號，當兩個信號由不同步變成同步，且fi=fo時，表示環路已經進入鎖定狀態。

2）單蹤──普通示波器在沒有雙蹤示波器的情況下，在單蹤示波器上可以用李沙育圖形來判定環路是否處于鎖定狀態。把鑒相器的輸入信號ui(t)加到示波器的垂直偏轉板上，把uo(t)加到水平偏轉板（或者相反），并使兩信號幅度相等。如果環路已鎖定，且在理想情況下，即李沙育圖形應是一個圓。

4.判斷環路是否鎖定的方法李沙育圖形圖8-8用李沙育圖形判斷環路是否鎖定

設壓控振蕩器的自由振蕩頻率fo與輸入基準信號頻率fi

相差較遠

。隨著基準頻率fo向壓控振蕩頻率fo靠攏，達到某一頻率，這時環路進入鎖定狀態。一旦入鎖以后，壓控頻率就等于基準頻率，且

fo

隨fi

而變化，這就稱為跟蹤。若再繼續增加fi

，fo不再隨fi

之變化。但反之，若降低fi

，則當它回到f2

時，環路并不入鎖，只有當fi

降低到一個更低的頻率f2

的時候，環路才重新入鎖。五、環路的同步帶與捕捉帶

系統能保持跟蹤的最大頻差稱為同步帶。環路能捕捉成功的最大初始頻差稱為環路的捕捉帶，圖8-9環路同步帶和捕捉帶環路捕獲、跟蹤與鎖定環路同步帶和捕捉帶圖8-9環路同步帶和捕捉帶六、鎖相環路各組成部分的分析1.鑒相器1）鑒相器（正弦波鑒相器）及其數學模型任何一個理想的模擬乘法器可以作為有正弦特性的鑒相器。設輸入信號為

(8-1)

壓控振蕩器的輸出信號為

(8-2)

這樣ui(t)瞬時相位為

按上面的新定義，可將式（8-1）、（8-2）改寫為

通過環路濾波器，則鑒相器的輸出為

（8-8）式中其中為乘法器的增益系數，量綱為1/V

。鑒相器的作用是將兩個輸入信號的相位差轉變為輸出電壓。圖8-2正弦鑒相特性曲線由式（8-8）可得鑒相特性，如圖8-2所示。

圖8-2正弦鑒相特性曲線2)鑒相器線性化的數學模型

當|φi(t)-φo(t)|≤π/6時，sin[φi(t)-φo(t)]≈φi(t)-φo(t),因此可以把式（8-8）寫成

ud(t)≈Kd

[φi(t)-φo(t)]=Kdφ(s)

所以，當φ(t)

≤π/6時，鑒相特性近似為直線，ud(t)

與φ(t)

成正比。

式（8-11）表示時域的關系，若對它進行拉氏變換，便可得到頻域內的鑒相特性，表示為

ud(s)=Kd

φ(s)

(8-11)

時域中鑒相器數學模型如圖8-3所示。頻率域中鑒相器數學模型如圖8-4所示。圖8-3鑒相器的線形化數學模型（時域）圖8-4鑒相器的線形化數學模型（頻域）2.環路濾波器環路濾波器是線性電路，由線性元件電阻、電感和電容組成，有時還包括運算放大器在內。它是低通濾波器。在鎖相環路中，常用的濾波器有以下三種。

圖8-5確三種常用的環路濾波器1)RC積分濾波器

圖8-5（a）為一階RC低通濾波器，它的作用是將ud(t)

中高頻分量濾掉，得到控電壓uc。濾波器的傳遞函數為輸出電壓與輸入電壓之比，即

改為拉氏變換形式，用s

代替jω

得（τ=RC

）

(8-12)2)無源比例積分濾波器

其傳遞函數為(τ1=R1C,τ2=R2C)(8-13)（8-14）

3）有源比例積分濾波器在運算放大器的輸入電阻和開環增益趨于無窮大的條件下，其傳遞函數為3.壓控振蕩器

壓控振蕩器就是在振蕩電路中采用壓控元件作為頻率控制器件。壓控元件一般都是變容二極管，它實際上就是一種電壓—頻率變換器。它在鎖相環路中起著電壓—相位變換的作用。壓控振蕩器的特性可用調頻特性來表示，如圖8-6（a）所示。在一定范圍內，與uc(t)

是成線性關系的，可用下式表示，即