淺析鎖相環技術的應用和發展

國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心 王 倩

淺析鎖相環技術的應用和發展

國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心 王 倩

本文從鎖相環的基本概念出發，介紹了鎖相環的基本結構和工作原理；然后對鎖相環進行了模擬鎖相環技術、數模混合及全數字鎖相環技術的分類，分析了其各自的優缺點；介紹了鎖相環技術的發展歷程；最后以雙音頻報警器和倍頻電路為例，闡述了鎖相技術的具體應用。

鎖相環；信號頻率；應用

0 前言

鎖相環（Phase Locked Loop, PLL）是通信系統中廣泛采用的一種同步技術。從本質上看，鎖相環路是一個相位反饋自動控制系統[1]，它可以準確跟隨輸入信號的相位。在鎖定狀態下，振蕩器輸出信號的相位和參考信號的相位之差始終為常數，并且具有頻率跟蹤的特性，因此在電子技術中得到了廣泛的應用。

1 鎖相環基本原理和結構

鎖相環基本原理框如圖1所示。鎖相環通過檢測輸入、輸出信號的相位差，并經由鑒相器轉換成電壓形式的信號輸出，再經過低通濾波器濾波，把此時的信號作為壓控振蕩器的控制電壓，就可以實現對振蕩器輸出信號的頻率控制。然后經反饋通道把振蕩器輸出信號的頻率和相位反饋到鑒相器的輸入端，從而形成閉環控制[2]。如果輸出信號的頻率與輸入信號的頻率成正比，那么輸出電壓與輸入電壓之間的相位差將保持恒定，最終實現輸出電壓與輸入電壓的“鎖相”。如果環路輸入的信號在頻率和相位上都是瞬變的，那么壓控振蕩器的頻率和相位也是可以不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化，這種狀態又稱為跟蹤狀態。

圖1 鎖相環基本結構

鎖相環的基本組成部分有鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）。鑒相器實際上是一個相位比較器，它的主要作用就是比較兩個輸入信號的相位，把相位差轉換為相應的電壓信號。鑒相器可以對參考信號頻率和反饋輸出信號進行分頻，通過相位比較生成誤差電壓，經內部的電荷泵處理后輸出到環路濾波器。壓控振蕩器在沒有電壓輸入時，其輸出為零或一常數。當有信號電壓輸入時候，其振蕩頻率會受到外控電壓信號的調制，從而把電壓轉換為相位。其輸出信號的相位隨基準頻率相位變化而變化，因此具有相位跟蹤作用。

2 鎖相環的分類及特點

鎖相環分為模擬鎖相環技術、數模混合及全數字鎖相環技術。三種鎖相環各有優勢和不足，在各類電子產品中均有相應的應用。模擬鎖相環又稱為線性鎖相環，它對正弦特性信號的相位跟蹤特性十分優良，具有結構簡單，輸出穩定等優點，但其正常工作必須依靠基準頻率。數模混合鎖相環部分實現了數字化，但其核心控制環路仍是模擬電路，主要是在頻率合成和時鐘處理等場合中使用[3]。全數字鎖相環的輸入輸出都實現了數字化，其中的環路也由數字電路實現。全數字鎖相環具有比模擬鎖相環更多的優點，例如精度高、穩定性好、環路帶寬和中心頻率可調、可實現高階鎖相環等，但受時鐘源的噪聲影響嚴重，并且該影響會不斷累積。

3 鎖相環技術的發展

荷蘭物理學家Huygens于17 世紀首次提出了“同步振蕩器”（synchronized oscillator)的概念。直至20世紀中期， 黑白電視機的發明才使鎖相環路技術得到普遍的應用，因為黑白電視機需要一個水平同步電路來抑制噪聲并改善圖像的同步性能。

在軍事上，鎖相環路可用于導彈信標的跟蹤濾波，實現鎖相環路的最佳設計化。在人造衛星方面，通過以鎖相環路為核心的窄帶鎖相跟蹤接收機就可以把淹沒在噪聲中的微弱信號提取出來，因此鎖相技術在空間技術上的應用也大大地推動了鎖相技術的發展。十九世紀中期以后，鎖相技術開始在通信、雷達、航空、航天、航海、儀器、儀表、化工、光源、核能、家電、地質和眾多工業領域得到廣泛應用。在集成電路的帶動下，集成鎖相環、單片鎖相環和各類專用集成鎖相環路也相繼出現，如今的鎖相環路已經尤為成本低、高效率的多功能電子元部件，使鎖相技術在更多領域的應用創造了可能性。

4 鎖相環技術的應用

本文以通用集成鎖相環CD4046為例介紹鎖相環技術的應用。

4.1 方波發生器

圖2所示電路是由集成鎖相環CD4046的VCO組成的方波發生器，只要9腳與電源連接就能實現一個基本方波振蕩器。6腳與7腳之間的電容C1的作用是為振蕩器進行充、放電。通過調節可變電阻R1的阻值就能控制振蕩器的振蕩頻率，由4腳負責輸出所需的方波信號。

圖2 雙音頻報警器電路

4.2 信號調頻

圖3所示電路是一個鎖相環調頻電路。只需讓調制信號由壓控振蕩器（VCO）的控制端輸入，如果載波頻率與自由振蕩頻率相當，則載波頻率將會與壓控振蕩器的振蕩頻率產生鎖定，兩者之間的相位差自由通過低通濾波器，與調制信號一起經加法器后用以調節壓控振蕩器的輸出頻率，這樣就生成了所需的調頻信號。

圖3 鎖相環調頻電路原理框圖

5 結論

鎖相環電路具有結構簡單、頻率穩定、精確度高等優點，還能有效抑制雜散，可代替部分濾波器，因而有利于實現系統的小型化和集成化。鑒相器的分頻比通過單片機控制就能輕易實現，輸出頻率的變換非常方便，這對于通信系統中的信號源模塊實現數字化、集成化和智能化是非常有意義的。可以預見，鎖相環電路在今后的應用領域將進一步擴展。

[1]邱伶俐．鎖相環的綜合設計[D]．北京交通大學,2016．

[2]簡晨,王梓宇．一種級聯鎖相環頻率合成器的設計與實現[J]．微型機與應用,2015,(07):39-41+44．

[3]王照峰,王仕成,蘇德倫．鎖相環電路的基本概念及應用研究[J]．電氣應用,2005,(08):46-48．

王倩（1988—），女，四川南充人，碩士研究生。