锁相环设计简介

锁相环简介

锁相环 (phase locked loop)是一种利用相位同步产生的电压，去调谐压控振荡器以产生目标频率的负反馈控制系统。

锁相环在现代通讯技术中有广泛应用，如：解调技术、调制技术、稳频技术、微波技术、自动调谐跟踪、锁相式频率合成技术、数字式锁相解调、数字式位同步器。锁相环路具有以下工作特性：

1. 锁定特性 ：环路具有频率锁定的特性，对输入的固定频率锁定后，两信号的频差为零，只有一个很小的稳态剩余差

2. 载波跟踪特性 ：环路能跟踪输入信号频率载波的变化，即输入信号暂时消失，输出信号也能保持对输入信号的锁定。

3. 调制跟踪特性 ：环路可以跟踪输入信号变化，如宽带调频信号的瞬时频率等。

锁相环结构

锁相环路是一个闭环的相位控制系统，基本结构如下图所示。该负反馈系统是由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和电压控制振荡器（VCO）三个基本部件组成。这三部分就实现了利用相位同步产生的电压，去调谐压控振荡器以产生目标频率。

锁相环基本原理框图

鉴相器

鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号的相位和反馈信号的相位之间的相位差，并输出一个对应两信号相差的误差电压Ud(t)，完成相位差到电压的变换。

根据不同用途，鉴相器的要求主要有：鉴相特性形状；鉴相特性斜率和鉴相灵敏度；最高工作频率；对输入信号的泄漏；鉴相器的门限；鉴相能力。

鉴相器的具体电路很多，利用集成电路技术，单片集成鉴相器主要有：

1.相乘鉴相器：包括双平衡差分模拟相乘器和电流比率模拟相乘器等

2.门鉴相器：包括或门、异或门、与非门、或非门和异或门，D触发器、RS触发器等

3.数字式鉴相器：包括触发器型鉴相器和电压型、电流型数字式鉴相器等

现在的鉴相器均有鉴相鉴频功能，其鉴相鉴频功能如下所示：

鉴相鉴频特性

下面介绍一个常用的门鉴相器电路

典型的鉴频鉴相电路

如上图所示，蓝线相连部分是鉴相器一，是一个鉴频鉴相器，它由9个TTL与非门组成，2,3门和5,6门分别构成两个R-S触发器，上下两部分电路完全对称。8,9门输出宽度正比于两鉴相信号差和频差的开关信号。

黑线相连部分是鉴相器二，由两个TTL与非门10,11和一个反相器组成，在环路中通常用于正交锁定或作为锁定指示器。

环路滤波器

环路滤波器具有低通特性，即起到低通滤波器的作用。常用的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器：

RC滤波器

无源比例积分滤波器

有源比例积分滤波器

实际应用中，环路滤波器多为有源低通滤波器，如下图所示：

基本环路滤波器

为了增加对噪声和干扰的滤波作用，有时要在环路中增加辅助滤波器。环路中辅助滤波器都是低通型，可以增强对纹波的基波电压的滤除作用，如下图所示有源滤波附加低通滤波的电路：

有源附加一节低通滤波器其一

有源附加一节低通滤波器其二

有源附加两节低通滤波器

电容C的容量选择与R1和R2的阻值范围相关，R1和R2的阻值又与鉴相器输出阻抗、理想放大器输入和输出阻抗有关，一般R1和R2范围为1k~1M欧姆，电容C的范围在几千到几万皮法范围内选择。根据频率需求确定环路参数。

压控振荡器

压控振荡器是一个电压-频率变换的装置，振荡频率随输入电压U(t)线性变化。主要有以下一些指标：

1.控制灵敏度：指单位电压引起的频率变化量；

2.线性度：指输入控制电压与输出振荡频率的控制特性偏离直线的程度；

3.线性范围：指电压-频率控制保持线性的控制电压范围；

4.最大频偏：指最大控制电压作用下的最大频偏量；

5.最大工作频率；

6.频率稳定度：指振荡频率随各种因素（环境温度、电源电压等）变化的情况，包含短期稳定性和长期稳定度；

7.频谱纯度：包括相位噪声与各种杂散；

8.调制带宽：指控制电压频率的上限。

目前大量使用的集成压控振荡器主要有：晶体压控振荡器（VCXO）；LC压控振荡器（LCVCO）；压控多谐振荡器（VCM）。

其中，晶体振荡器频率稳定度最高，但是频率控制范围小，控制特性的线性最差，控制灵敏度也最低。压控多谐振荡器尽管频率稳定度最差，且只能产生方波，但可控范围最大、线性度最好，控制灵敏度最高。LC压控振荡器的性能介于二者之间。