硬件電路設計之鎖相環電路設計

1 簡介

鎖相環是一種 反饋系統 ，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)可以準確跟蹤施加的頻率或相位調制信號的頻率。鎖相環可用來從固定的低頻信號生成穩定的輸出頻率信號。首批鎖相環由法國工程師De Bellescize 在20世紀30年代初實現。然而，直到20世紀60年代中期，集成式PLL成為一種成本相對較低的元件之后，鎖相環才得到市場的廣泛認可。

因鎖相環可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環通常用于閉環跟蹤電路。鎖相環在工作的過程中，當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，這就是鎖相環名稱的由來。

2 鎖相環基本組成

鎖相環一般由 鑒相器(PD) 、 環路濾波器（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換為電壓信號。
• 環路濾波器 ：主要功能是濾除鑒相器輸出的高頻分量。
• 電壓控制振蕩器：根據鑒相器產生的信號，對輸出信號的頻率和相位進行調整。

3 鎖相環基本原理

鎖相環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，根據相量的關系可得瞬時頻率和瞬時相位的關系為：

那么，

瞬時相位為：

對兩邊同時積分，可得頻差的關系為：

上式等于零，說明鎖相環進入相位鎖定的狀態，此時輸出和輸入信號的頻率和相位保持恒定不變的狀態，為恒定值。當上式不等于零時，說明鎖相環的相位還未鎖定，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。該特性的表達式為

上式說明當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，鎖相環進入“頻率牽引”，自動跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環進入鎖定的狀態，并保持ω0=ωi的狀態不變。

4 鎖相環的電路設計

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 鎖相環的應用

鎖相環在調制和解調中的應用

為了實現信息的遠距離傳輸，在發信端通常采用調制的方法對信號進行調制，收信端接收到信號后必須進行解調才能恢復原信號。

所謂的調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，使載波信號的某一個參數隨輸入信號的變化而變化。載波信號的參數有幅度、頻率和位相，所以，調制有調幅（AM）、調頻（FM）和調相（PM）三種。

調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。調幅波和調頻波的示意圖如圖所示：

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

注意 ：解調是調制的逆過程，它可將調制波uo還原成原信號ui。

鎖相環在調頻和解調電路中的應用

調頻波的特點是頻率隨調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。當載波信號的頻率與鎖相環的固有振蕩頻率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低通濾波器輸出的信號uc外，還有調制信號ui，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以ω0為中心，隨調制信號幅度的變化而變化的調頻波信號。由此可得調頻電路可利用鎖相環來組成，由鎖相環組成的調頻電路組成框圖如圖所示：

若輸入FM信號時，讓環路通帶足夠寬，使信號調制頻譜落在帶寬之內，這時壓控振蕩器的頻率跟蹤輸入調制的變化,如圖6.1所示。對于鎖相環的詳細分析可參閱有關鎖相技術的書籍。在此僅說明鎖相環鑒頻原理?？梢院唵蔚卣J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。

鎖相環在頻率合成電路中的應用

在現代電子技術中，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、倍頻、分頻等頻率合成技術，可以獲得多頻率、高穩定的振蕩信號輸出。

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。