硬件電路設(shè)計之鎖相環(huán)電路設(shè)計

1 簡介

鎖相環(huán)是一種 反饋系統(tǒng) ，其中電壓控制振蕩器和相位比較器相互連接，使得振蕩器頻率(相位)可以準(zhǔn)確跟蹤施加的頻率或相位調(diào)制信號的頻率。鎖相環(huán)可用來從固定的低頻信號生成穩(wěn)定的輸出頻率信號。首批鎖相環(huán)由法國工程師De Bellescize 在20世紀(jì)30年代初實現(xiàn)。然而，直到20世紀(jì)60年代中期，集成式PLL成為一種成本相對較低的元件之后，鎖相環(huán)才得到市場的廣泛認(rèn)可。

因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。

2 鎖相環(huán)基本組成

鎖相環(huán)一般由 鑒相器(PD) 、 環(huán)路濾波器（LPF） 、 電壓控制振蕩器（VCO ）組成。其功能如下：

• 鑒相器 ：又稱為相位比較器，其主要功能是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測的相位差轉(zhuǎn)換為電壓信號。
• 環(huán)路濾波器 ：主要功能是濾除鑒相器輸出的高頻分量。
• 電壓控制振蕩器：根據(jù)鑒相器產(chǎn)生的信號，對輸出信號的頻率和相位進(jìn)行調(diào)整。

3 鎖相環(huán)基本原理

鎖相環(huán)中的鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器。外部輸入的信號分為：

電壓控制振蕩器的輸出信號為：

其中，ω0為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或為直流電壓時的振蕩角頻率，稱為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓為：

使用LPF將上式中的高頻分兩級濾除，剩下低頻分量作為電壓控制振蕩器的輸入控制電壓，則

式中的為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，和分別為輸入信號和輸出信號的瞬時相位，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時頻率和瞬時相位的關(guān)系為：

那么，

瞬時相位為：

對兩邊同時積分，可得頻差的關(guān)系為：

上式等于零，說明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài)，此時輸出和輸入信號的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)，為恒定值。當(dāng)上式不等于零時，說明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號和輸出信號的頻率不等，隨時間而變。

因壓控振蕩器的壓控特性如圖8-4-3所示，該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率ωu以ω0為中心，隨輸入信號電壓的變化而變化。該特性的表達(dá)式為

上式說明當(dāng)uc（t）隨時間而變時，壓控振蕩器的振蕩頻率ωu也隨時間而變，鎖相環(huán)進(jìn)入“頻率牽引”，自動跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài)，并保持ω0=ωi的狀態(tài)不變。

4 鎖相環(huán)的電路設(shè)計

SI5317D-C-GM采用單電源供電，供電電壓支持 1.8V、2.5V、3.3V 。輸入/輸出頻率范圍： 1-711MHz 。

其內(nèi)部功能框圖見下：

可見，支持單時鐘輸入，兩個輸出時鐘。

5 鎖相環(huán)的應(yīng)用

鎖相環(huán)在調(diào)制和解調(diào)中的應(yīng)用

為了實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，在發(fā)信端通常采用調(diào)制的方法對信號進(jìn)行調(diào)制，收信端接收到信號后必須進(jìn)行解調(diào)才能恢復(fù)原信號。

所謂的調(diào)制就是用攜帶信息的輸入信號ui來控制載波信號uc的參數(shù)，使載波信號的某一個參數(shù)隨輸入信號的變化而變化。載波信號的參數(shù)有幅度、頻率和位相，所以，調(diào)制有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）三種。

調(diào)幅波的特點是頻率與載波信號的頻率相等，幅度隨輸入信號幅度的變化而變化；調(diào)頻波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，頻率隨輸入信號幅度的變化而變化；調(diào)相波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，相位隨輸入信號幅度的變化而變化。調(diào)幅波和調(diào)頻波的示意圖如圖所示：

上圖的（a）是輸入信號，又稱為調(diào)制信號；圖（b）是載波信號，圖（c）是調(diào)幅波和調(diào)頻波信號。

注意 ：解調(diào)是調(diào)制的逆過程，它可將調(diào)制波uo還原成原信號ui。

鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電路中的應(yīng)用

調(diào)頻波的特點是頻率隨調(diào)制信號幅度的變化而變化。由圖可知，壓控振蕩器的振蕩頻率取決于輸入電壓的幅度。當(dāng)載波信號的頻率與鎖相環(huán)的固有振蕩頻率ω0相等時，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持ω0不變。若壓控振蕩器的輸入信號除了有鎖相環(huán)低通濾波器輸出的信號uc外，還有調(diào)制信號ui，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以ω0為中心，隨調(diào)制信號幅度的變化而變化的調(diào)頻波信號。由此可得調(diào)頻電路可利用鎖相環(huán)來組成，由鎖相環(huán)組成的調(diào)頻電路組成框圖如圖所示：

若輸入FM信號時，讓環(huán)路通帶足夠?qū)?，使信號調(diào)制頻譜落在帶寬之內(nèi)，這時壓控振蕩器的頻率跟蹤輸入調(diào)制的變化,如圖6.1所示。對于鎖相環(huán)的詳細(xì)分析可參閱有關(guān)鎖相技術(shù)的書籍。在此僅說明鎖相環(huán)鑒頻原理?？梢院唵蔚卣J(rèn)為壓控振蕩器頻率與輸入信號頻率之間的跟蹤誤差可以忽略。因此任何瞬時，壓控振蕩器的頻率ωv(t)與FM波的瞬時頻率ωFM(t)相等。

鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用

在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術(shù)，可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號輸出。

輸出信號頻率比晶振信號頻率大的稱為鎖相倍頻器電路；輸出信號頻率比晶振信號頻率小的稱為鎖相分頻器電路。鎖相倍頻和鎖相分頻電路的組成框圖如圖所示：

圖中的N大于1時，為分頻電路；N小于1時，為倍頻電路。