鎖相環路（Phase Lock Loop，PLL）是一種自動相位控制（APC）系統，是現代電子系統中應用廣泛的一個基本部件。它的基本作用是在環路中產生一個振蕩信號（有時也稱本地振蕩），這個信號的頻率受控制電壓的作用，當環路鎖定時，振蕩信號的輸出頻率與輸入信號的頻率完全相等，兩個信號的相位差保持恒定。實現了無頻率誤差的信號跟蹤，合理地選擇PLL的直流增益、振蕩頻率和相應帶寬可有效地改善環路性能，達到理想的效果。

1、鎖相環路的組成與特性

1．1 鎖相環路的組成

鎖相環路由3部分組成：鑒相器PD（Phase Detector）、環路濾波器LF（Loop Fillter）和壓控振蕩器VCO（Voltage—Controlled Oscillator）。組成框圖如圖1所示：

鑒相器PD通常鑒相器由模擬相乘器和低通濾波器組成；作用是將輸入信號的相位與VCO的輸出信號相位進行比較，并比較結果轉化為誤差電壓Ud（t）；該電壓是兩個信號相位差的函數。

環路濾波器LF 是低通濾波器，作用是濾除誤差電壓Ud（t）中的高頻分量后得到控制電壓Uc（t），并加給壓控振蕩器。

壓控振蕩器VCO 通常由變容二極管和電抗管等組成振蕩電路；VCO的輸出頻率受Uc（t）的控制。

當輸入信號和輸出信號頻率相同相差恒定時，鑒相器輸出中的低頻分量為零，環路濾波器的輸出也為零，壓控振蕩器的振蕩頻率不發生變化。如果二者的頻率不一致，則鑒相器將產生低頻分量，并通過環路濾波器使壓空振蕩器的頻率發生變化。環路設計得恰當，這種變化將不斷使輸出信號的頻率與輸入信號的頻率趨于一致，最終二者頻率相等相位差恒定，Ud（t），Uc（t）均為直流電壓，VCO的輸出頻率將停止變化，環路處于“鎖定”狀態。當輸入信號的頻率發生變化時 （VCO的控制范圍），VCO的輸出就能跟上這個變化，實施跟蹤和捕捉的過程，達到頻率相等的要求。

1．2 鎖相環路的基本特性

正常工作時鎖相環路具有以下基本特性：

（1）良好的窄帶特性：當環路處于鎖定狀態時，鑒相器輸出的誤差電壓Ud（t）是一個能順利通過環路濾波器的直流電壓，如果此時輸入信號中有干擾成分，則干擾信號與VCO的輸出信號在鑒相器PD中比較所形成的誤差電壓受到環路濾波器的抑制（處于低通的通頻帶外），于是VCO的輸出信號中的干擾成分大為減少，此時環路相當于一個濾除噪聲的高頻窄帶濾波器，其通頻帶可以做得很窄，如在幾十兆赫茲至幾百兆赫茲的中心頻率上實現幾赫茲至幾十赫茲的窄帶濾波。這種窄帶濾波特性是LC，RC、石英晶體等濾波器很難達到的。

（2）鎖定后沒有頻差：在環路處于鎖定狀態時，環路的輸出信號和輸入信號的頻率相等，沒有剩余頻差，只有剩余相位差。它比AFC系統更好地實現了頻率控制，因而在自動頻率控制、頻率合等技術方面獲得了廣泛的應用。

（3）自動跟蹤特性：一個已經處于鎖定狀態的環路，當輸入信號的頻率稍有變化時，VCO的頻率立即發生相應的變化，使輸出頻率與輸入頻率接近并最終達到相等。有時環路雖未達到鎖定狀態，經過自身的調節作用可以捕捉到輸入信號并最終鎖定。

（4）易于集成化：組成鎖相環路的基本部件都易于采用集成電路，隨著集成技術的發展，整個環路包括一些放大元件、控制元件等均可集成在1塊芯片上，目前常用的主要有L562，L565，L564，CD4046等集成鎖相環。集成化可以減小設備體積、降低成本、提高設備的可靠性和穩定性，大大提高整機性能。

2 、鎖相環路的應用

由于鎖相環路性能優越，現廣泛用于無線電通信技術中，可實現濾波、模擬和數字信號的調制與解調、倍頻、分頻、混頻、頻率合成等方面。

2．1 鎖相倍頻、分頻和混頻

在基本鎖相環路中，若將VCO的振蕩頻率鎖定在所需要的頻率上，就可進行倍頻、分頻和混頻。

（1）倍頻：在反饋環路中接入一分頻器，當環路處于鎖定狀態時，ωi=ωo／n，輸出的頻率ωo=nωi為輸入信號頻率的n倍。如圖2所示。

（2）分頻：同理要在反饋環路中接入一倍頻器，當環路處于鎖定狀態時，ωi=nωo，ωo=ωi／n，VCO輸出的頻率為輸入頻率的1／n。

（3）混頻：在反饋環路中加入混頻器或中頻放大器，就可實現混頻功能。如圖3所示。

當環路處于鎖定狀態時ωi=ωo一ωL，ωo=ωL+ωi。

2．2 鎖相調頻與鑒頻

（1）調頻

用鎖相環路調頻，能夠得到中心頻率高度穩定的調頻信號如圖4所示。

鎖相環路的VCO中心頻率穩定在晶振頻率上，同時調制信號也加到VC0上，從而實現頻率調制獲得所需的調頻信號。調制信號的頻譜應處于LF的帶通之外，并且調頻系數不能太大，因此不形成調制信號的環路，鎖相環路僅是載波的跟蹤環，調制頻率對鎖相環路無影響，只對VCO的中心頻率不穩定起作用。這樣鎖定后 VCO的中心頻率就鎖定在晶振頻率上，輸出的調頻波中心頻率穩定度很高。克服了直接調頻中心頻率穩定度不高的缺點。

（2）鑒頻

根據鎖相環路的頻率跟蹤特性，在系統處于調頻跟蹤狀態時，可用于調頻信號的解調，其框圖如圖5所示。

若輸入為調頻波，且其最大瞬時頻率滿足跟蹤條件，則當輸入調頻波的頻率發生變化時，經過PD和LF后，將產生一個與輸入信號頻率變化規律相對應的控制電壓，以保證VCO的輸出頻率與輸入頻率相同，經環路濾波輸出的控制電壓就是解調信號。

2．3 調幅波的同步解調

對于DSB和SSB調幅信號進行解調時，必須使用同步檢波，即保證本振產生的載波信號與調幅信號中的載波信號同頻同相，此外在數字通信中還有位同步、幀同步、網同步等，可見同步信號的產生非常重要。利用濾波法、導頻法、重生法所產生的本振信號很難做到與載波信號同頻同相。而利用載波跟蹤型的鎖相環路就能得到這樣的信號，再將其移相90°與輸入的調幅信號相乘，通過低通濾波就可解調出調制信號。如圖6所示。

2．4 鎖相接收機

鎖相接收機實質是一個窄帶跟蹤鎖相環路，其框圖如圖7所示。

對于一般的超外差接收機，當接收機的信號載波頻率不穩定，而本振頻率又不能自動跟蹤時，必將引起混頻器輸出的中頻信號頻率的變動，為了適應這種變化，中頻放大器的頻帶應有一定的帶寬。

對在空間技術中應用的通信機，這個問題就更顯得突出，當地面接收站接收衛星發送到無線電信號時，由于衛星離地距離遠，再加上衛星發射功率小，天線在增益低，地面接收站收到的信號是極微弱的。衛星環繞地球飛行時，由于多普勒效應，地面接收站收到的信號頻率將偏離衛星發射的信號頻率，并且其值往往在較大范圍內變化。對于這種中心頻率在較大范圍內變化的微弱信號若采用普通接收機，勢必要求有足夠的帶寬，這樣接收機的輸出信噪比將嚴重下降，無法有效地檢出信號，若采用鎖相接收機，利用環路的窄帶跟蹤特性，就可有效地提高輸出信噪比，獲得滿意的接收效果。

2．5 頻率合成

無線電通信技術的迅速發展，對振蕩信號源的要求在不斷提高，不但要求它的頻率穩定度的準確高度，而且要求能方便地改換頻率，頻率合成技術就能滿足上述要求。

在鎖相環路的鑒相器中進行相位比較的2個頻率應該相等，而參考晶振頻率是固定值，而頻率合成器所需輸出的頻率（即VC0的頻率）則是多個數值。為了使這二者的頻率在鑒相器處相等，以便比較它的相位，可采用脈沖控制鎖相法、模擬鎖相環路法與數字鎖相環路法。脈沖鎖相法是利用參考晶振頻率的某次諧波（通過脈沖形成電路來獲得）與VCO輸出頻率在鑒相器中比較。如圖8所示。

模擬鎖相環路法與數字鎖相環路法則是利用適當的降頻電路將VCO的頻率降低（PD工作于較低的頻率），然后與參考頻率在鑒相器中相比較，實現鎖相功能。二者的區別在于二者的降頻方式不同，模擬式采用加減法降頻，數字式采用除法降頻。鎖相環路的應用不僅如此，還有可以解決專門問題鎖相環，如彩電電視彩色副載波的提取，振蕩器的頻率穩定與提能，相關應答器等，在電子設備，無線電通信，航空航天，雷達等領域被廣泛采用。

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