浅谈锁相环路的基本原理及应用

摘 要:锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步,以提高抗干扰能力。随着通信系统的发展,锁相技术在通信、雷达、导航、遥测遥控、仪表测量等领域有着广泛的应用。目前,锁相技术正朝多用途、集成化、数字化、系列化方向发展。文章简要概述了锁相环路的基本原理及应用。

关键词:锁相 原理 应用

中图分类号:TN850.4文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)12-0053-01

1 锁相环简介

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。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。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1-1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 锁相环基本原理

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:

(1-1)

(1-2)

式中的ω0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uC(t)。即uC(t)为:

(1-3)

式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率,θi(t)和θO(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:(1-4)

则,瞬时相位差θd为

(1-5)

对两边求微分,可得频差的关系式为

(1-6)

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3所示,

该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu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

(1-7)

上式说明当uc(t)随时间而变时,压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变,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ω0=ωi的状态不变。

3 锁相环的应用

锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步,以提高抗干扰能力。20世纪50年代后期随着空间技术的发展,锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。60年代初随着数字通信系统的发展,锁相环应用愈广,例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起来的。在电子仪器方面,锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用。锁相环技术目前的应用集中在以下三个方面:第一信号的调制和解调;第二信号的调频和解调;第三信号频率合成电路。

4 结语

总的来说,锁相环路(PLL)是一种自动相位控制系统,它能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持稳定的关系,即保持相位同步(称为锁相)。已获得相位锁定的锁相环路有两个突出的特性:一是载波跟踪特性,即锁相环路对输入信号而言,可等效为一个窄带跟踪滤波器,它不但能有效地利用窄带滤除干扰和噪声,而且能跟踪输入信号的载频变化,从受噪声污染的输入信号中提取纯净的载波。二是调制跟踪特性,若适当设计环路的通频带,使输入已调信号的频谱落在环路的通频带内,则环路输入信号的频率和相位能够良好的跟踪输入信号的频率和相位的调制变化。输出经过提纯的已调信号,其信噪比比输入的已调信号明显提高。这两个突出特性使得锁相环路成为相干通信、稳频、位同步、跟踪与测距等技术中的重要手段,在通信、雷达、导航、遥测遥控、仪表测量等领域有着广泛的应用。目前,锁相技术正朝多用途、集成化、数字化、系列化方向发展。

参考文献

[1] 无名,基于压控振荡器(VCO)的高性能锁相环(PLL)设计.电子技术论文,2010.

[2] (美)贝斯特.锁相环.清华大学出版社,2007年04月.

[3] 张洪涛.通信电子线路.第二炮兵士官学校,2007.

[4] 许克平,许天增,许茹等.基于水声的水下无线通信研究,厦门大学学报(自然科学版),2001,40(02).

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