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本文給大家介紹了鎖相環(huán)的組成和工作原理。 1.鎖相環(huán)的基本組成 許多電子設備要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內部的振蕩信號同步，利用鎖相環(huán)路就可以實(shí)現這個(gè)目的。 鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡(jiǎn)稱(chēng)鎖相環(huán)(PLL)。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內部振蕩信號的頻率和相位。 因鎖相環(huán)可以實(shí)現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過(guò)程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱(chēng)的由來(lái)。 鎖相環(huán)通常由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，鎖相環(huán)組成的原理框圖如圖8-4-1所示。 鎖相環(huán)中的鑒相器又稱(chēng)為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉換成uD(t)電壓信號輸出，該信號經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC(t)，對振蕩器輸出信號的頻率實(shí)施控制。 2.鎖相環(huán)的工作原理 鎖相環(huán)中的鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖8-4-2所示。 鑒相器的工作原理是：設外界輸入的信號電壓和壓控振蕩器輸出的信號電壓分別為： (8-4-1) (8-4-2) 式中的ω0為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或為直流電壓時(shí)的振蕩角頻率，稱(chēng)為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓uD為： 用低通濾波器LF將上式中的和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓uC(t)。即uC(t)為： (8-4-3) 式中的ωi為輸入信號的瞬時(shí)振蕩角頻率，θi(t)和θO(t)分別為輸入信號和輸出信號的瞬時(shí)位相，根據相量的關(guān)系可得瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)位相的關(guān)系為： 即 (8-4-4) 則，瞬時(shí)相位差θd為 (8-4-5) 對兩邊求微分，可得頻差的關(guān)系式為 (8-4-6) 上式等于零，說(shuō)明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài)，此時(shí)輸出和輸入信號的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)，uc(t)為恒定值。當上式不等于零時(shí)，說(shuō)明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號和輸出信號的頻率不等，uc(t)隨時(shí)間而變。 因壓控振蕩器的壓控特性如圖8-4-3所示，該特性說(shuō)明壓控振蕩器的振蕩頻率ωu以ω0為中心，隨輸入信號電壓uc(t)的變化而變化。該特性的表達式為 (8-4-6) 上式說(shuō)明當uc(t)隨時(shí)間而變時(shí)，壓控振蕩器的振蕩頻率ωu也隨時(shí)間而變，鎖相環(huán)進(jìn)入“頻率牽引”，自動(dòng)跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài)，并保持ω0=ωi的狀態(tài)不變。 8.4.2鎖相環(huán)的應用 1.鎖相環(huán)在調制和解調中的應用 (1)調制和解調的概念 為了實(shí)現信息的遠距離傳輸，在發(fā)信端通常采用調制的方法對信號進(jìn)行調制，收信端接收到信號后必須進(jìn)行解調才能恢復原信號。 所謂的調制就是用攜帶信息的輸入信號ui來(lái)控制載波信號uC的參數，使載波信號的某一個(gè)參數隨輸入信號的變化而變化。載波信號的參數有幅度、頻率和位相，所以，調制有調幅(AM)、調頻(FM)和調相(PM)三種。 調幅波的特點(diǎn)是頻率與載波信號的頻率相等，幅度隨輸入信號幅度的變化而變化;調頻波的特點(diǎn)是幅度與載波信號的幅度相等，頻率隨輸入信號幅度的變化而變化;調相波的特點(diǎn)是幅度與載波信號的幅度相等，相位隨輸入信號幅度的變化而變化。調幅波和調頻波的示意圖如圖8-4-4所示。 上圖的(a)是輸入信號，又稱(chēng)為調制信號;圖(b)是載波信號，圖(c)是調幅波和調頻波信號。 解調是調制的逆過(guò)程，它可將調制波uO還原成原信號ui。 2.鎖相環(huán)在調頻和解調電路中的應用 調頻波的特點(diǎn)是頻率隨調制信號幅度的變化而變化。由8-4-6式可知，壓控振蕩器的振蕩頻率取決于輸入電壓的幅度。當載波信號的頻率與鎖相環(huán)的固有振蕩頻率ω0相等時(shí)，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持ω0不變。若壓控振蕩器的輸入信號除了有鎖相環(huán)低通濾波器輸出的信號uc外，還有調制信號ui，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以ω0為中心，隨調制信號幅度的變化而變化的調頻波信號。由此可得調頻電路可利用鎖相環(huán)來(lái)組成，由鎖相環(huán)組成的調頻電路組成框圖如圖8-4-5所示。 根據鎖相環(huán)的工作原理和調頻波的特點(diǎn)可得解調電路組成框圖如圖8-4-6所示。 3.鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應用 在現代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術(shù)，可以獲得多頻率、高穩定的振蕩信號輸出。 輸出信號頻率比晶振信號頻率大的稱(chēng)為鎖相倍頻器電路;輸出信號頻率比晶振信號頻率小的稱(chēng)為鎖相分頻器電路。鎖相倍頻和鎖相分頻電路的組成框圖如圖8-4-7所示。 |
