自动相位控制(锁相环)电路原理

自动相位控制(锁相环)电路原理

自动相位控制——锁相

自动相位控制，是指一个自激振荡器的相位，受另一个基准振荡信号相位的控制，这里所说的相位含频率与初相。当这两个振荡信号频率达到相等，且相位差保持同步时，我们称之为“相位锁定”，自动相位控制过程即锁相过程。故常将自动相位控制称之为锁相（PLL）。锁相技术在现代通信系统、电子测量、自动控制等领域中获得广泛地应用。它比用自动频率控制技术进行频率跟踪、稳频等，在性能上优越得多，因为它没有AFC中存在的剩余频差。

11.3.1 锁相环的组成及工作过程

最基本的锁相环由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成，如图11.4所示。



当输入信号与输出信号的频率不相等时，两信号间存在相位差，即相角差 ，鉴相器将此相位差转换为误差电压ud(t)，此电压通过环路（低通）滤波器，滤除高频分量，输出控制电压uc(t) 。 uc(t)控制压控振荡器使其振荡频率接近输入信号频率，通过环路的快速地循环调节，最终使输出信号与输入信号的频率相等，相位差保持恒定，此种工作状态叫环路锁定状态。

在锁定状态下，若输入信号频率在一定范围内变化，环路使输出信号的频率跟随输入信号频率变化，这种工作状态叫跟踪状态。

原在锁定状态下，若输入信号频率变化超出一定范围，超出了环路的调节能力，使压控振荡器回复到原先的自由振荡状态，输出频率 不再跟踪输入信号频率 的变化而保持不变，此工作状态称失锁状态。

在失锁状态下，当输入信号频率回调到环路所能控制的频率时，环路从开始调节到锁定的过程叫捕捉过程，该过程所用的时间称捕捉时间。

11.3.2 环路部件

如果将输入、输出两信号，经过放大限幅处理，使之成为矩形方波信号，鉴相器仍可用模拟相乘器，或者用逻辑与门、逻辑异或门、异或非门，这些都可以实现鉴相功能。对于数字信号，更多地使用异或门进行鉴相。相对于与门，异或门输出信号速率大于与门输出速率一倍，更有利于后续环路滤波器滤除高频分量，提取相差信号。

2.环路滤波器

环路滤波器，就是低通滤波器，它有如下几种形式。

（1）RC积分型滤波器。

RC积分型滤波器如图11.7



(3) 有源比例积分滤波器

有源比例积分滤波器如图11.8所示。其传递函数为

3、压控振荡器（VCO）

实质上是调频振荡器，或称电压—频率变换器，它的输出频率受控于uc(t) ， uc(t)反映输入信号与输出信号之间的相位差



VCO瞬时相位为:

11.3.3 锁相环的相位模型与环路基本方程

锁相环的相位模型，是指相位变化信息在锁相环中传递的方框图。所谓相位变化信息，指的是扣除不受环路调节控制作用的固有相位





由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器构成的锁相环相位模型如图11.11所示。







此状态称之为相位锁定，或者称环路锁定。相位锁定的特征是输入、输出两信号的频率相等。相位差恒定（常数的导数为零），使得控制电压为定值uc(t) 。

上面分析的是输入信号为频率不变的正弦简谐信号，假若输入信号是调频或调相的调角信号，或者说，是一个频率可变的信号。若环路原先处于锁定状态，且锁定在输入信号的中心频率上，当输入信号频率发生变化，通过环路控制作用，使环路重新进入锁定状态，这种动态过程称为环路的跟踪过程。

11.3.4 一阶环路的图解分析法

在上述的二阶锁相环中，去掉环路滤波器，即成为一阶锁相环。一阶锁相环虽无多少实用价值，但是对分析环路的许多特性，是具有重要意义的。

由式(11.33)可得：一阶锁相环路的基本方程



我们取自变量 为横坐标，取因变量 为纵坐标。这样构成的平面称为相平面。按一阶锁相环路基本方程绘出的图，如图11.12所示。图上的点，称相点。相点移动的轨迹所形成的图形称相图。注意相点轨迹是具有方向性的曲线。

11.3.5 捕捉带与同步带

若环路原本处于失锁状态，由于环路的调节作用，最终进入锁定状态，这一过程，称环路捕捉过程，环路能捕捉的最大起始频差范围称捕捉带或捕捉范围，记作Δfo 。若环路原本处于锁定状态，由于温度或电源电压的变化，使VCO输出频率变化，或者输入信号频率变化，通过环路自动相位控制作用，使VCO相位（频率）不断跟踪输入信号的相位（频率），这个过程称跟踪过程，或同步过程，或保持过程。

环路所能跟踪的最大频率范围称同步带，或同步范围或锁定范围，记作Δfh。



测定捕捉带与同步带的电路方框如图11.13所示。



图中：OSC是正弦波信号发生器，作为PLL的输入信号源

f是数字频率计，测PLL输入信号频率

U是数字万用表，置于直流电压档，测VCO控制电压（含VCO偏置

电压）。

SR是示波器，X端、Y端分别连接输入、输出信号用于观察李沙育

图形。

若输入、输出信号频率相等（锁定）则出现稳定的单孔椭圆，或圆或直线段等。若输入、输出信号频率不相等，则出现多孔椭圆，或横网、竖网、斜网等图形，从而判断锁定与失锁。还可以根据椭圆长轴的倾斜程度，确定输入、输出信号之间相位差。

R和C是压控振荡VCO的定时电阻和定时电容，它们共同确定VCO的固有振荡频率。

测试的方法是：首先，将信号发生器的频率，由低往高缓慢调整，观察李沙育图形为失锁状态。直流数字电压表示值为U0。当频率升高到f 1时，李沙育图形为一个椭圆，即为锁定状态。U的示值下跳为U1，再缓慢升高信号发生器频率，李沙育图形仍为椭圆，但长轴倾斜角发生变化，U的示值上升。不断升高信号发生器频率，达f 2时，李沙育图形由单孔椭圆变成不稳定的网形，即由锁定变成失锁，U的示值由U2跳回至U0 。此时继续升高信号发生器频率，环路仍处于失锁状态，的表示值不变。

然后，将信号发生器的频率由高往低缓慢回调，当频率降为f 3时，环路由失锁变为锁定，U的示值跳到U3，再继续降低信号发生器频率，环路仍处于锁定状态，U的示值不断下降。当信号发生器频率达到f 4时，环路由锁定变为失锁，U的示值由U4再度跳回到失锁时示值U0 。继续降低信号发生器频率，环路仍处于失锁状态，直流数字电压表示值不变。将测试记录数据绘成图形，如图11.14所示。