锁相环设计简介怎么写（锁相环设计简介图片）

锁相环简介

锁相环是一种负反馈控制系统，它使用相位同步生成的电压来调整压控振荡器以产生目标频率。

锁相环在现代通信技术中应用广泛，如：解调技术、调制技术、稳频技术、微波技术、自动调谐跟踪、锁相频率合成技术、数字锁相解调、数字比特同步装置等。锁相环具有以下工作特性：

1、锁定特性：环路具有锁频特性。锁定输入固定频率后，两个信号之间的频率差为零，仅存在很小的稳态残余差。

2、载波跟踪特性：环路可以跟踪输入信号频率载波的变化，即输入信号暂时消失，输出信号也可以保持对输入信号的锁定。

3、调制跟踪特性：环路可以跟踪输入信号的变化，例如宽带调频信号的瞬时频率。

锁相环结构

锁相环是一种闭环相位控制系统。基本结构如下图所示。负反馈系统由三个基本组件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）。这三个部分实现了利用相位同步产生的电压来调谐压控振荡器以产生目标频率。

锁相环基本原理框图

鉴相器

相位检测器是相位比较器件，用于检测输入信号的相位与反馈信号的相位之间的相位差，并输出与两个信号之间的相位差相对应的误差电压Ud(t)，以完成相位检测。将相位差转换为电压。

根据不同的用途，对鉴相器的要求主要包括：鉴相特性形状；相位检测特性斜率和相位检测灵敏度；最大工作频率；输入信号泄漏；鉴相器阈值；相位检测能力。

鉴相器有许多专用电路。采用集成电路技术，单片集成鉴相器主要包括：

1、乘法鉴相器：包括双平衡差分模拟乘法器、电流比模拟乘法器等。

2、门鉴相器：包括或门、异或门、与非门、或非门、异或门、D触发器、RS触发器等。

3、数字鉴相器：包括触发器鉴相器、电压型、电流型数字鉴相器等。

现在的鉴相器都具有相位和频率检测功能，其相位和频率检测功能如下：

相位和频率识别特性

下面介绍一种常用的门鉴相器电路。

典型频率和相位检测电路

如上图所示，蓝线连接的部分是鉴相器1，也就是鉴频器。它由9个TTL与非门组成。门2、3和门5、6分别构成两个R-S触发器。上下电路完全对称。 8,9 门输出宽度与两个识别信号之间的差值和频率差的开关信号成正比。

黑线连接的部分是鉴相器2，它由两个TTL与非门10、11和一个反相器组成。它通常用于正交锁定或作为环路中的锁定指示器。

环路滤波器

环路滤波器具有低通特性，即起到低通滤波器的作用。常用的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器：

RC滤波器

无源比例积分滤波器

有源比例积分滤波器

实际应用中，环路滤波器多为有源低通滤波器，如下图所示：

基本环路滤波器

为了增加对噪声和干扰的滤波效果，有时会在回路中添加辅助滤波器。环路中的辅助滤波器均为低通型，可以增强对纹波基波电压的滤波效果。带低通滤波的有源滤波电路如下图所示：

有源附加低通滤波器之一

有源附加低通滤波器2

有源附加两段低通滤波器

电容C的容量选择与R1、R2的阻值范围有关。 R1和R2的阻值与鉴相器的输出阻抗和理想放大器的输入输出阻抗有关。一般情况下，R1和R2的范围为1k~1M欧姆。电容器C的范围选择为几千皮法至几万皮法。根据频率要求确定环路参数。

压控振荡器

压控振荡器是一种压频变换器件，振荡频率随输入电压U(t)线性变化。主要有以下几个指标：

1、控制灵敏度：指单位电压引起的频率变化；

2、线性度：指输入控制电压与输出振荡频率的控制特性偏离直线的程度；

3、线性范围：指压频控制保持线性的控制电压范围；

4、最大频率偏差：指在最大控制电压作用下的最大频率偏差；

5、最大工作频率；

6、频率稳定度：指振荡频率随各种因素（环境温度、电源电压等）的变化，包括短期稳定度和长期稳定度；

7、频谱纯度：包括相位噪声和各种杂散；

8、调制带宽：指控制电压频率的上限。

目前广泛使用的集成压控振荡器主要有：晶体压控振荡器（VCXO）； LC压控振荡器（LCVCO）；压控多谐振荡器（VCM）。

其中晶体振荡器的频率稳定性最高，但频率控制范围较小，控制特性线性度最差，控制灵敏度最低。压控多谐振荡器虽然频率稳定性最差，只能产生方波，但可控范围最大，线性度最好，控制灵敏度最高。 LC 压控振荡器的性能介于两者之间。

审稿人：刘庆