锁相环电路设计

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1、锁相环的原理2007-01-2300:241.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，利川锁相环路就可以实现这个H的。锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁和环(PI丄)。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和位差值，即输出电压与输入电压的和位被锁住，这就是锁和环名称的由來。锁相环通常r

2、fl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。锁相环小的鉴相器乂称为相位比较器，它的作用是检测输入信号利输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成Un(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),对振荡器输岀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山模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。鉴相器的工作原埋是：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

3、)式中的3。为压控振荡器在输入控制电压为零或为立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5为：帆呼丸呼十殆©1+評卫g呼+4G)］-g•略©D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uc(t)。即Uc(t)为：%©=申皿«｛［码"4©卜［呻+%©D(8-4-3)式中的3：为输入信号的瞬时振荡角频率，0i(t)和()0(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4)则，瞬时相位差X为為=g—叫)<4■第e)_4i0)对两

4、边求微分，可得频并的关系式为弋,-现右贞第©]

5、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3。二3j的状态不变。8.4.2锁相环的应用1.锁相环在调制和解调中的应用(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Ui來控制载波信号Uc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。载波信号的参数冇幅度、频率和位相，所以，调制冇调幅(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

6、，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，和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。图8-1-t上图的(a)是输入信号，乂称为调制信号；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山。1.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

7、冇振荡频率3。相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持3。不变。若压控振荡器的输入信号除了彳j锁相环低通滤波器输出的信号Uc外，还有调制信号山，则压控振荡器输出信号的频率就是以3。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和环來组成，由锁和环组成的调频电路组成框图如图8-4-5所示。调制依v图8-4-6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。1.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，

8、利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，町以获得多频率、高稳定的振荡信号输岀。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-