原创 锁相环的工作原理与应用

锁相环的工作原理与应用

锁相技术的理论早在1932年就提出了，但直到40年代在电视机中才得到广泛的应用。锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL，是实现相位自动控制的负反馈系统，它使振荡器的相位和频率与输入信号的相位和频率同步。
    锁相环包含三个主要的部分:⑴鉴相环(或相位比较器,记为PD或PC):是完成相位比较的单元,用来比较输入信号和基准信号的之间的相位.它的输出电压正比于两个输入信号之相位差.⑵低通滤波器(LPF):是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用.通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。⑶压控振荡器（VCO）：振荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率与控制电压之间成线性关系。在PLL中，压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。
   它的工作过程如下：相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从VCO输出端送来的信号进行比较。如果在它的工作范围内检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号Ve(t)，这个误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位差，通常是以交流分量调制的直流电平。 由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量，产生信号Vd(t)去控制VCO，强制VCO朝着减小相位/频率误差的方向改变其频率，使输入基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减小直至为0，这时我们就称环路已被锁定。
    如果VCO的输出频率低于输入基准信号的频率，相位比较器的输出振幅就为正，经滤波后去控制VCO，使其频率增加，直到两个信号的频率和相位精确同步。相反，若VCO输出频率高于输入基准信号，相位比较器的输出会下降，使VCO锁定在输入基准信号的频率。
    下面较详细地介绍它的捕捉过程和跟踪状态。
    设VCO在没有输入控制信号时的固有振荡频率为Wo。开机后，若相位比较器的输入信号频率Wi与Wo很接近，则相位比较器将输出这两个频率信号的差拍波，因其频率很低，它将顺利通过低通滤波器，然后加到VCO输入端去作控制电压，VCO受此差拍调频，其中心频率仍为Wo。调频信号又立即返回相位比较器中，在它的输出信号中已具有一个直流分量，经过低通滤波器的积分作用取出来，再加到VCO输入端，从而使VCO的中心频率发生偏移。这个偏移方向恰好是朝着输入信号频率Wi的方向移动，使相位比较器输出的差拍信号频率变得越来越低，相位差的直流分量也会越来越大。这个逐渐变大的直流分量经低通滤波器后去控制VCO，以更快的速度使VCO的振荡频率趋向于Wi。 
    上述过程以极快的速度反复循环进行，直至从量变发生质变：VCO的振荡频率由原来的Wo变为Wi，环路在这个频率上稳定下来，这时相位比较器的输出也由差拍波变为直流电压，环路进入锁定状态。这种锁定状态是环路通过频率的逐步牵引而进入的，这个过程叫做捕捉过程。若Wo与Wi的频差太大，环路通过频率的逐步牵引也可能始终进入不了锁定状态，就称处于失锁状态。这是因为Wo与Wi相差很大时，相位比较器输出的差拍电压的频率很高，它将被低通滤波器除掉，滤波器的输出电压基本上为0或保持不变，因此VCO的输出频率也保持Wo不变，这种情况将一直持续下去。
    对于已经锁定的环路，若输入信号的频率或相位稍有变化，立刻会在两个输入信号的相位差上反映出来，鉴相器的输出也会随着改变并驱动VCO的频率和相位以同样的规律跟着变化。环路的这种状态称为跟踪状态。因此可以说锁相环是一个相位自动控制系统，其锁定状态的取得是靠相位差的作用，锁定状态的维持也仍然依靠相位差的作用。
    以上介绍了锁相环的原理和结构，下面简单介绍PLL的应用。锁相环可以用于改善振荡器的频率稳定度，用做分频倍频及频率变换等，将它们组合起来就可以组成频率合成器。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />