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)可以準確跟蹤施加的頻率或相位調制信號的頻率。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30年代初實現(xiàn)。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(huán)才得到市場的廣泛認可。

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)鑒相器產生的信號，對輸出信號的頻率和相位進行調整。

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(huán)進入相位鎖定的狀態(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(huán)進入“頻率牽引”，自動跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環(huán)進入鎖定的狀態(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(huán)的應用

鎖相環(huán)在調制和解調中的應用

為了實現(xiàn)信息的遠距離傳輸，在發(fā)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(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(huán)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(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(huán)來組成，由鎖相環(huán)組成的調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(huán)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(huán)鑒頻原理。可以簡單地認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用

在現(xiàn)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(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術，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。