目錄：

鎖相環(huán)的基本組成

鎖相環(huán)的工作原理

鎖相環(huán)的應(yīng)用

鎖相環(huán)在調(diào)制和解調(diào)中的應(yīng)用

鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用

鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)

1. 鎖相環(huán)的基本組成

許多電子設(shè)備要正常工作，通常需要外部的輸入信號(hào)與內(nèi)部的振蕩信號(hào)同步，利用鎖相環(huán)路就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。

鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡(jiǎn)稱PLL。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。

因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。

鎖相環(huán)通常由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，鎖相環(huán)組成的原理框圖如圖8-4-1所示。

鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測(cè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差，并將檢測(cè)出的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓?，對(duì)振蕩器輸出信號(hào)的頻率實(shí)施控制。

延申閱讀：

鎖相環(huán)（PLL）電路、信號(hào)、模塊組成

2. 鎖相環(huán)的工作原理

鎖相環(huán)中的鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖8-4-2所示。

鑒相器的工作原理是:

設(shè)外界輸入的信號(hào)電壓和壓控振蕩器輸出的信號(hào)電壓分別為:

(8-4-1)

(8-4-2)

式中的為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或?yàn)橹绷麟妷簳r(shí)的振蕩角頻率，稱為電路的固有振蕩角頻率。

則模擬乘法器的輸出電壓為：

用低通濾波器LF將上式中的和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓

。

即為：

(8-4-3)

式中的為輸入信號(hào)的瞬時(shí)振蕩角頻率，?和分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的瞬時(shí)位相，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)位相的關(guān)系為：

即

(8-4-4)

則，瞬時(shí)相位差為

(8-4-5)

對(duì)兩邊求微分，可得頻差的關(guān)系式為

(8-4-6)

上式等于零，說明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài)，此時(shí)輸出和輸入信號(hào)的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)，為恒定值。

當(dāng)上式不等于零時(shí)，說明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率不等，隨時(shí)間而變。

因壓控振蕩器的壓控特性如圖8-4-3所示，該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率以為中心，隨輸入信號(hào)電壓的變化而變化。該特性的表達(dá)式為

(8-4-6)

上式說明當(dāng)隨時(shí)間而變時(shí)，壓控振蕩器的振蕩頻率?也隨時(shí)間而變，鎖相環(huán)進(jìn)入?“頻率牽引”?，自動(dòng)跟蹤捕捉輸入信號(hào)的頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài)，并保持的狀態(tài)不變。

延申閱讀：

鎖相環(huán)原理與公式講解

3. 鎖相環(huán)的應(yīng)用

3.1 鎖相環(huán)在調(diào)制和解調(diào)中的應(yīng)用

3.1.1 調(diào)制和解調(diào)的概念

為了實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，在發(fā)信端通常采用調(diào)制的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，收信端接收到信號(hào)后必須進(jìn)行解調(diào)才能恢復(fù)原信號(hào)。

所謂的調(diào)制就是用攜帶信息的輸入信號(hào)來控制載波信號(hào)的參數(shù)，使載波信號(hào)的某一個(gè)參數(shù)隨輸入信號(hào)的變化而變化。

載波信號(hào)的參數(shù)有幅度、頻率和位相，所以，調(diào)制有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)三種。

調(diào)幅波的特點(diǎn)是頻率與載波信號(hào)的頻率相等，幅度隨輸入信號(hào)幅度的變化而變化；

調(diào)頻波的特點(diǎn)是幅度與載波信號(hào)的幅度相等，頻率隨輸入信號(hào)幅度的變化而變化；

調(diào)相波的特點(diǎn)是幅度與載波信號(hào)的幅度相等，相位隨輸入信號(hào)幅度的變化而變化。

調(diào)幅波和調(diào)頻波的示意圖如圖8-4-4所示。

上圖的(a)是輸入信號(hào)，又稱為調(diào)制信號(hào)；圖(b)是載波信號(hào)，圖(c)是調(diào)幅波和調(diào)頻波信號(hào)。

解調(diào)是調(diào)制的逆過程，它可將調(diào)制波還原成原信號(hào)。

3.1.2 鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電路中的應(yīng)用

調(diào)頻波的特點(diǎn)是頻率隨調(diào)制信號(hào)幅度的變化而變化。

由8-4-6式可知，壓控振蕩器的振蕩頻率取決于輸入電壓的幅度。當(dāng)載波信號(hào)的頻率與鎖相環(huán)的固有振蕩頻率相等時(shí)，壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率將保持不變。若壓控振蕩器的輸入信號(hào)除了有鎖相環(huán)低通濾波器輸出的信號(hào)外，還有調(diào)制信號(hào)，則壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率就是以?為中心，隨調(diào)制信號(hào)幅度的變化而變化的調(diào)頻波信號(hào)。

由此可得調(diào)頻電路可利用鎖相環(huán)來組成，由鎖相環(huán)組成的調(diào)頻電路組成框圖如圖8-4-5所示。

根據(jù)鎖相環(huán)的工作原理和調(diào)頻波的特點(diǎn)，可得解調(diào)電路組成框圖如圖8-4-6所示。

3.2 鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用

在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術(shù)，可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號(hào)輸出。(搞過FPGA邏輯設(shè)計(jì)的對(duì)這個(gè)應(yīng)該很熟悉)

輸出信號(hào)頻率比晶振信號(hào)頻率大的稱為鎖相倍頻器電路；

輸出信號(hào)頻率比晶振信號(hào)頻率小的稱為鎖相分頻器電路。

鎖相倍頻和鎖相分頻電路的組成框圖如圖8-4-7所示。

圖中的N大于1時(shí)，為分頻電路；當(dāng)0<1時(shí)，為倍頻電路。

鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)

之前用HC4046做過一些鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn), HC4060提供fref, HC40103作為/N分頻器.感覺不是很方便; 此外HC4046的VCO振蕩頻率也有限, 最多十幾MHz.

某次忽然想到, 可以用MCU的兩個(gè)定時(shí)器分別作為fref和/N分頻器, 這樣只要再增加一只AHC/LVC1G86作為鑒相器, 一只AHC/LVC1G14作為VCO, 加上LPF就行了.

48M的STM32F0xx的定時(shí)器外部時(shí)鐘輸入頻率可以達(dá)到20M左右, 考慮到AHC/LVC1G14能振蕩在很高的頻率, 所以再增加一只HC390, 作為預(yù)分頻器. 原理圖如下. HC390的/10和/100輸出端由一只LVC1G3157切換, 送入STM32的TIM1_ETR.

原理圖

變?nèi)?a target="_blank">二極管這里留了一個(gè)SOD123和一個(gè)SOT23的焊接位置, 實(shí)驗(yàn)時(shí)只焊了一只BAT54C, 它不是專用變?nèi)荻O管, 湊和用了.

實(shí)測(cè)電位器R105旋至最大和最小時(shí), VCO自由振蕩頻率分別為4M左右和29M左右. 之后設(shè)置TIM3周期為48000, PWM輸出模式為Toggle, 于是在TIM3_CH4得到了500Hz占空比50%的方波. LVC1G3157這里選擇/10分頻, TIM1周期設(shè)為350, 順利鎖定在3.5MHz.

之后再試7M, 14M, 29.6M, 還算順利, 不過基本得在非常接近自由振蕩頻率的位置才能成功鎖定, 倍頻數(shù)稍高時(shí)示波器上能明顯看到抖動(dòng). 估計(jì)LPF這里還需要改進(jìn).

再試更高的頻率, 把R104從1k改為100R, 實(shí)測(cè)自由振蕩頻率最高達(dá)到95M左右. 然而這時(shí)HC390已經(jīng)不能工作了, 輸出為持續(xù)高電平. 微調(diào)R105, 發(fā)現(xiàn)輸入頻率>40M時(shí)HC390的第一級(jí)/2分頻就變成/3了. 輸入頻率接近60M時(shí)第一級(jí)/2已經(jīng)變成/5分頻了.

看來這里用HC390是個(gè)失誤, 下次考慮換成兩只LVC74試試. 此外供電只有3.3V, 變?nèi)荻O管的性能不能充分發(fā)揮. 下次在這里加個(gè)運(yùn)放, LPF輸出電壓放大后再驅(qū)動(dòng)變?nèi)荻O管, 性能應(yīng)該可以好些。

審核編輯：湯梓紅