锁相环基础

锁相环基础

锁相环技术是整个通信和电子领域应用最广泛的一种技术之一。现代电子设备中，几乎无处不有。

从本质上讲，锁相环就是一个相位负反馈误差控制系统，其工作过程可以用一个微分方程来描述。一般情况下，这种方程是一个非线性微分方程；有关应用系统性能的研究只要从它入手，在不同工程条件下，将方程作以相应近似，均可以获得适用的结论。下图是锁相环的基本组成：

锁相环基本框图

从上图可以看出，锁相环的基本功能就是跟踪输入信号的相位。通过相位的跟踪使VCO以固定的相位关系锁住输入信号。在这里要说明一点的就是：锁相环与频率反馈环是不一样的，它们在技术上的差异是在误差信号产生的方式上不同。频率反馈环是检测输入信号与VCO输出信号的频率差以实现频率跟踪，而锁相环是检测输入信号与VCO输出信号的相位差实现相位跟踪。下面就鉴相器、环路滤波器和压控振荡器作出简要说明。

（1）鉴相器

鉴相器就是一个相位比较器，用来比较输入信号和参考信号之间的相位，输出一个相差函数值，其构成电路有许多，如：乘法电路、序列电路等，其输出波形有正弦波（模拟）、三角波和方波（数字）。在数字电路中，应用最多的是序列电路，它输出方波序列，作为后级环路滤波器的输入。

序列电路一般由数字门电路构成，它在工作中不是用脉冲的边沿触发，而是电平触发，因此，两个比相脉冲的占空比对鉴相电路

的效果有着重大影响。一般建议用同频方波进行鉴相。附图1是一个典型的鉴相电路，其输出UP和Down信号是后一级环路滤波器的输入，其输入与输出有一定的对应关系。我们目前在NSM系统中，是在FPGA设计中实现数字鉴相功能。而通常简单的设计就直接使用专用IC（例如Motorola公司的芯片MC4044）来实现。（2）环路滤波器

环路滤波器一般是线性电路，由线性元件电阻、电容组成，有时还包括运算放大器在内，它一般是一个低通滤波器（LPF），LPF 的频率响应F（jw）与滤波器脉冲响应f(t)是一对富氏变换，一般要求LPF能滤除2Wi频率成份，而让Wi-Wo的信号通过。跟踪滤波器类型不同，锁相环的性能也有很大差异。

①一阶环

若F(s)=1，即环路内没有低通滤波器，从而环路增益K=KpKv（Kp 为鉴相器灵敏度，Kv为VCO的增益系数）是设计者唯一能调整的参数，此时若需要一个大的环路增益，则需要一个很宽的带宽，故一阶环使得窄频带和良好的跟踪特性是互不相容的，因此除非有一个非常宽的带宽才会用它，一般不推荐使用。

②二阶环

环路采用普通RC低通滤波器时，环路有两个有效的电路参数

T(T=RC)和KpKv，通常将它们化为：Wn2=K/T，2xWn=1/T，显然，这几个参数是不能独立选用的。如果需有大增益和窄频带，则环路将产生非常弱的阻尼，并且其过渡特性也会变差。为了解决以上不足，有时采用带滞后超前滤波器的形式，即环内采用可比例积分滤波器：F(s)=(1+ST1)/(1+ST2)。

R1

R2

C

这样，环路具有两个独立的时间常数，使得锁相环增益、环路自然谐振频率和阻尼系数可独立选用。

跟踪不同特性，还可将环路改造成二阶二型、三阶三型等锁相环路，但有一条原则是要遵守的，那就是稳态的准确度和相对稳定性必须兼顾。一般而言，高阶环路能较好跟踪一定的输入范围，但稳定性会变差，附图二是应用较好的电路，推荐使用。

③压控振荡器（VCO）

在锁相环中，压控振荡器的作用是完成电压到频率的变换，即其输出频率为输入控制电压的线性函数，它一般具有下列函数形式：W0(t)=W0+KvUe(t)。VCO形式有很多，如RC型、LC型、晶体型等，在应用中究竟采用哪一种，要视场合和要求而定。如：只要一个很宽的调谐范围而对相位噪声没有要求，可采用RC型；如果要求调谐范围较宽，且要较低的相位噪声，可选用LC型；若对相位噪声有较高的要求。而调节范围并不太宽，可用晶体型。（3）VCO一般性能指标：

?长期频率稳定度

?电压-频率线性特征

?频率调节范围与Kv

?开环相位噪声

?振幅与输出波形电平特性

附图一