锁相环电路设计.docx

锁相环的原理
2007-01-23 00:24
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，简称锁相环
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 uD（ t ）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 uC（ t ），对振荡器输出信号的频率实施控制。
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 ω 0 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 uD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
（t ）。即 uC（ t ）为：

uC
（ 8-4-3

）
式中的 ω i 为输入信号的瞬时振荡角频率， θ i （ t ）和 θ O（ t ）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 θ d 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， uc（ t ）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， uc（ t ）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 ω u 以 ω0 为中心，
随输入信号电压 uc（ t ）的变化而变化。该特性的表达式为
（ 8-4-6

）
上式说明当 uc（t ）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率 ω u 也随时间而变