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自動相位控制(鎖相環)電路原理

自動相位控制(鎖相環)電路原理

自動相位控制——鎖相

自動相位控制，是指一個自激振蕩器的相位，受另一個基準振蕩信號相位的控制，這里所說的相位含頻率與初相。當這兩個振蕩信號頻率達到相等，且相位差保持同步時，我們稱之為“相位鎖定”，自動相位控制過程即鎖相過程。故常將自動相位控制稱之為鎖相（PLL）。鎖相技術在現代通信系統、電子測量、自動控制等領域中獲得廣泛地應用。它比用自動頻率控制技術進行頻率跟蹤、穩頻等，在性能上優越得多，因為它沒有AFC中存在的剩余頻差。

11.3.1 鎖相環的組成及工作過程

最基本的鎖相環由鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成，如圖11.4所示。



當輸入信號與輸出信號的頻率不相等時，兩信號間存在相位差，即相角差 ，鑒相器將此相位差轉換為誤差電壓ud(t)，此電壓通過環路（低通）濾波器，濾除高頻分量，輸出控制電壓uc(t) 。 uc(t)控制壓控振蕩器使其振蕩頻率接近輸入信號頻率，通過環路的快速地循環調節，最終使輸出信號與輸入信號的頻率相等，相位差保持恒定，此種工作狀態叫環路鎖定狀態。

在鎖定狀態下，若輸入信號頻率在一定范圍內變化，環路使輸出信號的頻率跟隨輸入信號頻率變化，這種工作狀態叫跟蹤狀態。

原在鎖定狀態下，若輸入信號頻率變化超出一定范圍，超出了環路的調節能力，使壓控振蕩器回復到原先的自由振蕩狀態，輸出頻率 不再跟蹤輸入信號頻率 的變化而保持不變，此工作狀態稱失鎖狀態。

在失鎖狀態下，當輸入信號頻率回調到環路所能控制的頻率時，環路從開始調節到鎖定的過程叫捕捉過程，該過程所用的時間稱捕捉時間。

11.3.2 環路部件

如果將輸入、輸出兩信號，經過放大限幅處理，使之成為矩形方波信號，鑒相器仍可用模擬相乘器，或者用邏輯與門、邏輯異或門、異或非門，這些都可以實現鑒相功能。對于數字信號，更多地使用異或門進行鑒相。相對于與門，異或門輸出信號速率大于與門輸出速率一倍，更有利于后續環路濾波器濾除高頻分量，提取相差信號。

2.環路濾波器

環路濾波器，就是低通濾波器，它有如下幾種形式。

（1）RC積分型濾波器。

RC積分型濾波器如圖11.7



(3) 有源比例積分濾波器

有源比例積分濾波器如圖11.8所示。其傳遞函數為

3、壓控振蕩器（VCO）

實質上是調頻振蕩器，或稱電壓—頻率變換器，它的輸出頻率受控于uc(t) ， uc(t)反映輸入信號與輸出信號之間的相位差



VCO瞬時相位為:

11.3.3 鎖相環的相位模型與環路基本方程

鎖相環的相位模型，是指相位變化信息在鎖相環中傳遞的方框圖。所謂相位變化信息，指的是扣除不受環路調節控制作用的固有相位





由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器構成的鎖相環相位模型如圖11.11所示。







此狀態稱之為相位鎖定，或者稱環路鎖定。相位鎖定的特征是輸入、輸出兩信號的頻率相等。相位差恒定（常數的導數為零），使得控制電壓為定值uc(t) 。

上面分析的是輸入信號為頻率不變的正弦簡諧信號，假若輸入信號是調頻或調相的調角信號，或者說，是一個頻率可變的信號。若環路原先處于鎖定狀態，且鎖定在輸入信號的中心頻率上，當輸入信號頻率發生變化，通過環路控制作用，使環路重新進入鎖定狀態，這種動態過程稱為環路的跟蹤過程。

11.3.4 一階環路的圖解分析法

在上述的二階鎖相環中，去掉環路濾波器，即成為一階鎖相環。一階鎖相環雖無多少實用價值，但是對分析環路的許多特性，是具有重要意義的。

由式(11.33)可得：一階鎖相環路的基本方程



我們取自變量 為橫坐標，取因變量 為縱坐標。這樣構成的平面稱為相平面。按一階鎖相環路基本方程繪出的圖，如圖11.12所示。圖上的點，稱相點。相點移動的軌跡所形成的圖形稱相圖。注意相點軌跡是具有方向性的曲線。

11.3.5 捕捉帶與同步帶

若環路原本處于失鎖狀態，由于環路的調節作用，最終進入鎖定狀態，這一過程，稱環路捕捉過程，環路能捕捉的最大起始頻差范圍稱捕捉帶或捕捉范圍，記作Δfo 。若環路原本處于鎖定狀態，由于溫度或電源電壓的變化，使VCO輸出頻率變化，或者輸入信號頻率變化，通過環路自動相位控制作用，使VCO相位（頻率）不斷跟蹤輸入信號的相位（頻率），這個過程稱跟蹤過程，或同步過程，或保持過程。

環路所能跟蹤的最大頻率范圍稱同步帶，或同步范圍或鎖定范圍，記作Δfh。



測定捕捉帶與同步帶的電路方框如圖11.13所示。



圖中：OSC是正弦波信號發生器，作為PLL的輸入信號源

f是數字頻率計，測PLL輸入信號頻率

U是數字萬用表，置于直流電壓檔，測VCO控制電壓（含VCO偏置

電壓）。

SR是示波器，X端、Y端分別連接輸入、輸出信號用于觀察李沙育

圖形。

若輸入、輸出信號頻率相等（鎖定）則出現穩定的單孔橢圓，或圓或直線段等。若輸入、輸出信號頻率不相等，則出現多孔橢圓，或橫網、豎網、斜網等圖形，從而判斷鎖定與失鎖。還可以根據橢圓長軸的傾斜程度，確定輸入、輸出信號之間相位差。

R和C是壓控振蕩VCO的定時電阻和定時電容，它們共同確定VCO的固有振蕩頻率。

測試的方法是：首先，將信號發生器的頻率，由低往高緩慢調整，觀察李沙育圖形為失鎖狀態。直流數字電壓表示值為U0。當頻率升高到f 1時，李沙育圖形為一個橢圓，即為鎖定狀態。U的示值下跳為U1，再緩慢升高信號發生器頻率，李沙育圖形仍為橢圓，但長軸傾斜角發生變化，U的示值上升。不斷升高信號發生器頻率，達f 2時，李沙育圖形由單孔橢圓變成不穩定的網形，即由鎖定變成失鎖，U的示值由U2跳回至U0 。此時繼續升高信號發生器頻率，環路仍處于失鎖狀態，的表示值不變。

然后，將信號發生器的頻率由高往低緩慢回調，當頻率降為f 3時，環路由失鎖變為鎖定，U的示值跳到U3，再繼續降低信號發生器頻率，環路仍處于鎖定狀態，U的示值不斷下降。當信號發生器頻率達到f 4時，環路由鎖定變為失鎖，U的示值由U4再度跳回到失鎖時示值U0 。繼續降低信號發生器頻率，環路仍處于失鎖狀態，直流數字電壓表示值不變。將測試記錄數據繪成圖形，如圖11.14所示。