淺析鎖相環(huán)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

【摘要】 信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，本文主要論述鎖相環(huán)技術(shù)，如何輸出頻率穩(wěn)定、準(zhǔn)確的模擬信號(hào)。鎖相環(huán)技術(shù)廣泛應(yīng)用于通信、航空航天、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，用途廣且重要。本文將重點(diǎn)論述鎖相環(huán)技術(shù)的基本原理、組成和發(fā)展應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 鎖相環(huán) 信號(hào) 頻率

一、鎖相環(huán)技術(shù)的基本原理

現(xiàn)代頻率合成技術(shù)常應(yīng)用間接合成法、電路的反饋，通過(guò)鎖相環(huán)技術(shù)將主振源的頻率和參考信號(hào)的頻率通過(guò)鑒相比較聯(lián)系起來(lái)，所需硬件設(shè)備少，可靠性高，頻率范圍大。其核心是鎖相環(huán)路，原理框見(jiàn)下圖1：

鎖相環(huán)路是一種典型反饋電路，鎖相環(huán)的英文全稱(chēng)為Phase-Locked Loop簡(jiǎn)稱(chēng)PLL。鎖相環(huán)路（PLL）是一個(gè)閉環(huán)的跟蹤系統(tǒng)，它能夠跟蹤輸入信號(hào)的相位。確切地講，鎖相環(huán)是一個(gè)使輸出頻率（由振蕩器產(chǎn)生的）與參考頻率產(chǎn)生頻率和相位上同步的電路。在同步（通常稱(chēng)為鎖定）狀態(tài)，振蕩器輸出信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位差為零，或者保持常數(shù)。

二、鎖相環(huán)技術(shù)的基本組成

在PLL中，鑒相器是一個(gè)相位比較器，比較參考信號(hào)（輸入信號(hào)）與輸出信號(hào)之間的相位偏差，并由此產(chǎn)生誤差信號(hào)；環(huán)路濾波器是一個(gè)低通濾波器，用來(lái) 濾除誤差信號(hào)中的高頻成分，起濾波平滑作用，以保證環(huán)路穩(wěn)定和改善環(huán)路跟蹤性能，也決定著輸出信號(hào)相位噪聲的好壞。最終輸出控制電壓，壓控振蕩器VCO是一個(gè)電壓、頻率變換裝置，產(chǎn)生本地振蕩頻率，其振蕩頻率受誤差信號(hào)電壓控制，產(chǎn)生頻率偏移，從而跟蹤輸入?yún)⒖夹盘?hào)的頻率。整個(gè)鎖相環(huán)路根據(jù)輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率與本地振蕩信號(hào)頻率之間的相位誤差對(duì)壓控振蕩器產(chǎn)生信號(hào)的相位進(jìn)行連續(xù)不斷的反饋調(diào)節(jié)，從而達(dá)到使VCO輸出信號(hào)相位跟參考頻率相位一致或保持常數(shù)。

1、鑒相器。鑒相器是一個(gè)相位比較器，比較兩個(gè)輸入信號(hào)的相位，產(chǎn)生誤差相位，并轉(zhuǎn)換為誤差電壓。鑒相器一般由分頻器、電荷泵等組成，把參考信號(hào)頻率和反饋輸出信號(hào)進(jìn)行R分頻和N分頻，對(duì)分頻完的頻率進(jìn)行相位比較，產(chǎn)生誤差電壓，誤差電壓經(jīng)電荷泵調(diào)節(jié)，最后輸出。

2、環(huán)路濾波器 。環(huán)路濾波器是一個(gè)線性低通濾波器，通常由RC無(wú)源濾波器或環(huán)路中有放大器的有源濾波器組成，具有低通特性。改變環(huán)路的帶寬，可以適量調(diào)整輸出信號(hào)的相噪好壞。

3、壓控振蕩器 。在鎖相環(huán)路中，壓控振蕩器是受外控電壓來(lái)改變振蕩頻率的器件。起著電壓轉(zhuǎn)換為相位的作用。其振蕩頻率的相位受濾波器輸出電壓的控制，而其輸出信號(hào)的相位隨參考頻率相位變化而變化，從而保持相位跟蹤。

4、參考頻率。在鎖相環(huán)中，參考頻率一般由晶振產(chǎn)生，晶振是由晶體的壓電效應(yīng)與內(nèi)部電路產(chǎn)生諧振的頻率，晶振的頻率穩(wěn)定性相當(dāng)?shù)暮?。常用的參考頻率100MHz、10MHz等。

5、單片機(jī)分頻器。單片機(jī)在鎖相環(huán)中一般對(duì)應(yīng)鑒相器，在開(kāi)機(jī)時(shí)起到為鑒相器置數(shù)的作用。常用的單片機(jī)為51系列。鑒相器一般包含了分頻器，分頻器在鎖相環(huán)中很少作為一個(gè)單獨(dú)器件出現(xiàn)。

三、鎖相環(huán)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

近百年以來(lái)，無(wú)論是有線相連的電話，還是無(wú)線發(fā)送的廣播電視，很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都是用模擬信號(hào)來(lái)傳遞信號(hào)。由于鎖相環(huán)路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠等特點(diǎn)，在當(dāng)今的調(diào)頻廣播技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

另外鎖相環(huán)技術(shù)應(yīng)用于頻率綜合器，由參考信號(hào)頻率獲得不同頻率的組件稱(chēng)為頻率綜合器；也用于調(diào)制解調(diào)器，其本身就是一個(gè)調(diào)頻解調(diào)器，經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)應(yīng)用，鎖相環(huán)路可以做任何方式的調(diào)制器和解調(diào)器；鎖相環(huán)也可以用作時(shí)鐘發(fā)生器，鎖相環(huán)鎖定后輸出時(shí)鐘頻率是輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘的N倍，鎖相環(huán)可以從低頻輸入時(shí)鐘產(chǎn)生高頻輸出時(shí)鐘，系數(shù)N是固定的稱(chēng)為時(shí)鐘發(fā)生器；也可以用于頻率合成技術(shù)，將一個(gè)參考信號(hào)頻率如晶振參考源，經(jīng)過(guò)電路運(yùn)算，變成具有同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的多個(gè)所需頻率的技術(shù)，稱(chēng)為頻率合成技術(shù)。該技術(shù)廣泛應(yīng)用在超外差接收中進(jìn)行自動(dòng)頻率控制、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的倍頻和分頻、空間技術(shù)和頻率合成中。

四、結(jié)論和展望

21世紀(jì)注定是通信技術(shù)迅猛發(fā)展的世紀(jì)。而產(chǎn)生信號(hào)源的鎖相環(huán)技術(shù)鎖出的頻率有頻率穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性非常高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也能很好的抑制雜散，避免大量使用濾波器，因而有利于小型化和集成化。而鎖相環(huán)中鑒相器分頻比可以使用單片機(jī)進(jìn)行控制，易于實(shí)現(xiàn)輸出頻率的變換及其頻率顯示的程控和遙控，促進(jìn)信號(hào)源模塊的數(shù)字化、集成化和智能化。將廣泛的應(yīng)用于科研、生產(chǎn)、生活中。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張厥盛，鄭繼禹，萬(wàn)心平. 鎖相技術(shù)M] .西安電子科技大學(xué)出版社， 2003.9

[2]樊昌信.通信原理[M] .國(guó)防工業(yè)出版社，2002