淺談鎖相環(huán)在信號(hào)發(fā)生器中的應(yīng)用

馬秋

摘 要：鎖相環(huán)是一種可以產(chǎn)生輸出信號(hào)相位與輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相位相關(guān)的控制系統(tǒng)。在信號(hào)發(fā)生器中采用鎖相技術(shù)，能夠使信號(hào)頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確性大大增強(qiáng)。本文重點(diǎn)介紹了鎖相環(huán)的原理及其在頻率合成中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)；信號(hào)發(fā)生器；頻率合成

1 信號(hào)發(fā)生器的地位和作用

信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，能夠產(chǎn)生多種波形，如鋸齒波、矩形波、三角波、正弦波。由于具有信號(hào)調(diào)制功能，使其在通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)都有廣泛的應(yīng)用。在通信和廣播、電視系統(tǒng)中，需要利用高頻振蕩器將音頻、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去。而在工農(nóng)業(yè)生物等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，也需要各種功率、各種頻率的振蕩器。

2 信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)輸出波形的不同，信號(hào)發(fā)生器分為正弦波信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、矩形脈沖信號(hào)發(fā)生器以及隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類(lèi)。實(shí)際測(cè)量中，正弦信號(hào)使用最為廣泛，由于不受線性電路和系統(tǒng)的影響而廣泛應(yīng)用于各種電子元器件和組成部分的測(cè)量和檢定。正弦信號(hào)發(fā)生器又可以根據(jù)工作頻率范圍的不同而分為若干種。其中常用的低頻信號(hào)發(fā)生器和高頻信號(hào)發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)一般都采用波段式，主振級(jí)決定輸出頻率，低于視頻頻段的主振器一般采用RC振蕩器，而高頻段的主振器一般采用LC振蕩器。主振級(jí)輸出的正弦信號(hào)經(jīng)調(diào)制級(jí)和輸出級(jí)后再經(jīng)輸出電路輸出。

3 鎖相技術(shù)在信號(hào)發(fā)生器中的應(yīng)用

由頻率可變的RC或LC振蕩器作為主振級(jí)的信號(hào)源，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率范圍寬，但是其頻率穩(wěn)定度只能做到10-4量級(jí)左右，頻率穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性較差。頻率合成技術(shù)，能對(duì)一個(gè)基準(zhǔn)頻率或少數(shù)幾個(gè)頻率進(jìn)行加、減、乘、除基本算數(shù)運(yùn)算產(chǎn)生一系列所需頻率，使信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度有了大幅度提高，間接合成法，又稱為鎖相合成法，它是利用鎖相環(huán)把壓控振蕩器的輸出頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率，再利用一個(gè)基準(zhǔn)頻率通過(guò)不同形式的鎖相環(huán)從而合成所需要的頻率。

3.1 鎖相環(huán)的原理

基本鎖相環(huán)是由相位比較器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成的閉合環(huán)路，相位比較器用來(lái)比較兩個(gè)輸入信號(hào)的相位，輸出信號(hào)v D （t） 是輸入信號(hào) v i （t） 和振蕩器輸出信號(hào) v o （t） 的相位差，該誤差電壓信號(hào)通過(guò)環(huán)路濾波器濾除高頻分量和噪聲后，輸出低頻信號(hào) v C （t） 作為CO 的控制信號(hào)。在控制電壓 v C （t） 作用下， VCO 輸出信號(hào) v o （t） 的頻率發(fā)生變化并反饋到相位比較器。壓控振蕩器的振蕩頻率可通過(guò)電壓進(jìn)行控制，通常，可利用變?nèi)莨茏鳛榛芈冯娙?。環(huán)路濾波器則是一個(gè)低通濾波器，用來(lái)濾除相位比較器輸出的噪聲和高頻成分，以改善環(huán)路性能穩(wěn)定環(huán)路的工作。

當(dāng)沒(méi)有基準(zhǔn)輸入信號(hào)時(shí)，環(huán)路濾波器的輸出為零或某一固定值。這時(shí)，壓控振蕩器按其固有頻率fo進(jìn)行自由振蕩。當(dāng)輸入頻率fi為基準(zhǔn)頻率fr，鎖相環(huán)開(kāi)始工作時(shí)，壓控振蕩器VCO固有輸出信號(hào)頻率fo和fr是不等的，存在著固有頻差Δf，Δf=fo-fr。ui 和uo同時(shí)加到相位比較器進(jìn)行鑒相，相位比較器將輸出與這個(gè)相位差變化相應(yīng)的誤差電壓ud，該誤差電壓再通過(guò)環(huán)路濾波器濾去其中的高頻成分，輸出一個(gè)控制電壓uc，加到壓控振蕩器VCO上，uc將使壓控振蕩器VCR的頻率朝著減小Δf的方向變化，出現(xiàn)頻率牽引現(xiàn)象，fo向fr越來(lái)越靠攏，最后使fo= fr，環(huán)路鎖定。鎖相環(huán)進(jìn)入鎖相的一個(gè)基本特征就是壓控振蕩器的輸出信號(hào)uo與環(huán)路的輸入信號(hào)ui（即參考信號(hào)）之間只存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)相位差，而不存在頻率差。環(huán)路從失所狀態(tài)進(jìn)入到鎖定狀態(tài)也叫捕捉過(guò)程。若環(huán)路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號(hào)，當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，環(huán)路輸出頻率可以精確地捕捉并跟蹤上述輸入頻率的變化，這時(shí)環(huán)路所處的狀態(tài)為跟蹤狀態(tài)，即環(huán)路的跟蹤特性。因此，只要鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)，就有fo= fr，則所需要的輸出頻率的穩(wěn)定度就可提高到基準(zhǔn)頻率的同一個(gè)量級(jí)。

3.2 鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用

利用鎖相環(huán)對(duì)頻率進(jìn)行合成，即由一個(gè)基準(zhǔn)頻率通過(guò)加、減、乘、除的基本算術(shù)運(yùn)算，產(chǎn)生一系列所需頻率。在一個(gè)鎖相合成式的信號(hào)源中，需要用到不同形式的鎖相環(huán)，以便在一定頻率范圍內(nèi)得到步進(jìn)的或者連續(xù)可調(diào)的輸出頻率?；炬i相環(huán)有：（1）混頻鎖相環(huán)：能對(duì)輸入頻率進(jìn)行加減運(yùn)算的鎖相環(huán)。在基本鎖相環(huán)的反饋支路中加入混頻器和帶通濾波器即可實(shí)現(xiàn)混頻鎖相環(huán)，如果混頻器是和頻式的，那么輸出頻率就是兩個(gè)基準(zhǔn)頻率fi1和fi2之差，如果混頻器是差頻式的，則輸出頻率就是fi1和fi2之和。通常，fi1 是由石英晶振提供，fi2是由連續(xù)可調(diào)的LC內(nèi)插振蕩器提供，盡管fi2比f(wàn)i1小兩個(gè)量級(jí)，其輸出頻率的穩(wěn)定度仍能保持與基準(zhǔn)頻率同一個(gè)量級(jí)；（2）倍頻鎖相環(huán)：可以對(duì)輸入頻率進(jìn)行乘法運(yùn)算的鎖相環(huán)。常見(jiàn)的有脈沖倍頻環(huán)和數(shù)字倍頻環(huán)，脈沖倍頻環(huán)是由基本鎖相環(huán)和包括高穩(wěn)定晶體振蕩器在內(nèi)的脈沖形成電路而組成的，脈沖形成電路產(chǎn)生的窄脈沖包含多次諧波成分，選擇其中的第N次諧波和壓控振蕩器信號(hào)在相位比較器中進(jìn)行相位比較，在環(huán)路鎖定時(shí)，滿足倍頻的要求。數(shù)字倍頻環(huán)則在基本鎖相環(huán)支路中加入數(shù)字分頻器，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，則fo=Nfi，改變分頻系數(shù)N就能改變倍頻的大?。唬?）分頻鎖相環(huán)：可以對(duì)輸入頻率進(jìn)行除法運(yùn)算的鎖相環(huán)。其輸出頻率fo=fi/N，與倍頻鎖相環(huán)相似，也有脈沖環(huán)和數(shù)字環(huán)兩種；（4）組合式鎖相環(huán)：一個(gè)實(shí)用的合成信號(hào)源，采用單一的鎖相環(huán)是不夠的，一般都是由多環(huán)合成單元組成，形成組合式鎖相環(huán)。這種鎖相環(huán)就是在環(huán)路的反饋支路中加入混頻器、分頻器、帶通濾波器等，實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)鎖定點(diǎn)之間的連續(xù)調(diào)節(jié)。

在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，通?？捎檬⒕w振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，因此將其作為基準(zhǔn)頻率，利用鎖相環(huán)的倍頻、分頻等頻率合成技術(shù)，獲得多頻率、高穩(wěn)定度的振蕩信號(hào)輸出。

4 結(jié)論

綜上所述，鎖相式頻率合成能將基準(zhǔn)頻率的準(zhǔn)確度轉(zhuǎn)移到所需的任意頻率上，使信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度可達(dá)到與基準(zhǔn)頻率相同的量級(jí)，即晶振的水平，且可在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)的頻率調(diào)節(jié)。作為一種寬帶高穩(wěn)信號(hào)源，它在多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

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