锁相环的基本组成、工作原理和应用电路

目录：

锁相环的基本组成

锁相环的工作原理

锁相环的应用

锁相环在调制和解调中的应用

锁相环在频率合成电路中的应用

锁相环实验

1. 锁相环的基本组成

许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。

锁相环路是一种反馈控制电路，简称PLL。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。

因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成，锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。

锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压 ，对振荡器输出信号的频率实施控制。

延申阅读：

锁相环（PLL）电路、信号、模块组成

2. 锁相环的工作原理

锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。

鉴相器的工作原理是:

设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为:

(8-4-1)

(8-4-2)

式中的为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。

则模拟乘法器的输出电压为：

用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压

。

即为：

(8-4-3)

式中的为输入信号的瞬时振荡角频率， 和分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：

即

(8-4-4)

则，瞬时相位差为

(8-4-5)

对两边求微分，可得频差的关系式为

(8-4-6)

上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，为恒定值。

当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，随时间而变。

因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率以为中心，随输入信号电压的变化而变化。该特性的表达式为

(8-4-6)

上式说明当随时间而变时，压控振荡器的振荡频率 也随时间而变，锁相环进入 “频率牵引” ，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持的状态不变。

延申阅读：

锁相环原理与公式讲解

3. 锁相环的应用

3.1 锁相环在调制和解调中的应用

3.1.1 调制和解调的概念

为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。

所谓的调制就是用携带信息的输入信号来控制载波信号的参数，使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。

载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种。

调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；

调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；

调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。

调幅波和调频波的示意图如图8-4-4所示。

上图的(a)是输入信号，又称为调制信号；图(b)是载波信号，图(c)是调幅波和调频波信号。

解调是调制的逆过程，它可将调制波还原成原信号。

3.1.2 锁相环在调频和解调电路中的应用

调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。

由8-4-6式可知，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号外，还有调制信号，则压控振荡器输出信号的频率就是以 为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。

由此可得调频电路可利用锁相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成框图如图8-4-5所示。

根据锁相环的工作原理和调频波的特点，可得解调电路组成框图如图8-4-6所示。

3.2 锁相环在频率合成电路中的应用

在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。(搞过FPGA逻辑设计的对这个应该很熟悉)

输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路；

输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。

锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图8-4-7所示。

图中的N大于1时，为分频电路；当0<1时，为倍频电路。

锁相环实验

之前用HC4046做过一些锁相环实验, HC4060提供fref, HC40103作为/N分频器.感觉不是很方便; 此外HC4046的VCO振荡频率也有限, 最多十几MHz.

某次忽然想到, 可以用MCU的两个定时器分别作为fref和/N分频器, 这样只要再增加一只AHC/LVC1G86作为鉴相器, 一只AHC/LVC1G14作为VCO, 加上LPF就行了.

48M的STM32F0xx的定时器外部时钟输入频率可以达到20M左右, 考虑到AHC/LVC1G14能振荡在很高的频率, 所以再增加一只HC390, 作为预分频器. 原理图如下. HC390的/10和/100输出端由一只LVC1G3157切换, 送入STM32的TIM1_ETR.

原理图

变容二极管这里留了一个SOD123和一个SOT23的焊接位置, 实验时只焊了一只BAT54C, 它不是专用变容二极管, 凑和用了.

实测电位器R105旋至最大和最小时, VCO自由振荡频率分别为4M左右和29M左右. 之后设置TIM3周期为48000, PWM输出模式为Toggle, 于是在TIM3_CH4得到了500Hz占空比50%的方波. LVC1G3157这里选择/10分频, TIM1周期设为350, 顺利锁定在3.5MHz.

之后再试7M, 14M, 29.6M, 还算顺利, 不过基本得在非常接近自由振荡频率的位置才能成功锁定, 倍频数稍高时示波器上能明显看到抖动. 估计LPF这里还需要改进.

再试更高的频率, 把R104从1k改为100R, 实测自由振荡频率最高达到95M左右. 然而这时HC390已经不能工作了, 输出为持续高电平. 微调R105, 发现输入频率>40M时HC390的第一级/2分频就变成/3了. 输入频率接近60M时第一级/2已经变成/5分频了.

看来这里用HC390是个失误, 下次考虑换成两只LVC74试试. 此外供电只有3.3V, 变容二极管的性能不能充分发挥. 下次在这里加个运放, LPF输出电压放大后再驱动变容二极管, 性能应该可以好些。

审核编辑：汤梓红