锁相环的基本组成、工作原理和应用电路

目录：

锁相环的基本组成

锁相环的工作原理

锁相环的应用

锁相环在调制和解调中的应用

锁相环在频率合成电路中的应用

锁相环实验

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 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 ，对振荡器输出信号的频率实施控制。

延申阅读：

锁相环 （PLL）电路、信号、模块组成

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 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 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

。

即为：

(8-4-3)

式中的 为输入信号的瞬时振荡角频率， 和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，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，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 以为中心，随输入信号电压的变化而变化。该特性的表达式为

(8-4-6)

上式说明当随时间而变时，压控振荡器的振荡频率 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，并保持的状态不变。

延申阅读：

锁相环原理与公式讲解

3. 锁相环的应用

3.1 锁相环在调制和解调中的应用

3.1.1 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来控制载波信号的参数，使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。

载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有 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，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，相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。

上图的(a)是输入信号，又称为调制信号；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。

3.1.2 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有振荡频率相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号外，还有调制信号，则压控振荡器输出信号的频率就是以 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相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成框图如图8-4-5所示。

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。

3.2 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，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。(搞过FPGA逻辑设计的对这个应该很熟悉)

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8-4-7所示。

图中的N大于1时，为分频电路；当0<1时，为倍频电路。

锁相环实验

之前用HC4046做过一些锁相环实验, HC4060提供fref, HC40103作为/N分频器.感觉不是很方便; 此外HC4046的VCO振荡频率也有限, 最多十几MHz.

某次忽然想到, 可以用MCU的两个定时器分别作为fref和/N分频器, 这样只要再增加一只AHC/LVC1G86作为鉴相器, 一只AHC/LVC1G14作为VCO, 加上LPF就行了.

48M的STM32F0xx的定时器外部时钟输入频率可以达到20M左右, 考虑到AHC/LVC1G14能振荡在很高的频率, 所以再增加一只HC390, 作为预分频器. 原理图如下. HC390的/10和/100输出端由一只LVC1G3157切换, 送入STM32的TIM1_ETR.

原理图

变容二极管这里留了一个SOD123和一个SOT23的焊接位置, 实验时只焊了一只BAT54C, 它不是专用变容二极管, 凑和用了.

实测电位器R105旋至最大和最小时, VCO自由振荡频率分别为4M左右和29M左右. 之后设置TIM3周期为48000, PWM输出模式为Toggle, 于是在TIM3_CH4得到了500Hz占空比50%的方波. LVC1G3157这里选择/10分频, TIM1周期设为350, 顺利锁定在3.5MHz.

之后再试7M, 14M, 29.6M, 还算顺利, 不过基本得在非常接近自由振荡频率的位置才能成功锁定, 倍频数稍高时示波器上能明显看到抖动. 估计LPF这里还需要改进.

再试更高的频率, 把R104从1k改为100R, 实测自由振荡频率最高达到95M左右. 然而这时HC390已经不能工作了, 输出为持续高电平. 微调R105, 发现输入频率>40M时HC390的第一级/2分频就变成/3了. 输入频率接近60M时第一级/2已经变成/5分频了.

看来这里用HC390是个失误, 下次考虑换成两只LVC74试试. 此外供电只有3.3V, 变容二极管的性能不能充分发挥. 下次在这里加个运放, LPF输出电压放大后再驱动变容二极管, 性能应该可以好些。

审核编辑：汤梓红