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锁相环 (PLL) 基本原理、设计与应用. 2006 年电子技术竞赛讲座. 刘 颖. 第一节 反馈控制电路简介 第二节 自动增益控制电路（ AGC ） 第三节 自动频率控制（ AFC ）电路 第四节 锁相环路 (PLL) 基本原理 一、 PLL 概述 二、基本锁相环的构成 三、锁相环的基本原理 四、锁相环各组成部分分析 五、环路的锁定、捕获和跟踪，同步带和捕捉带 第六节 锁相环路的应用 一、集成锁相环芯片 二、 方波发生器 三、 PLL 在调制解调技术中的应用 四、 PLL 在空间技术上的应用
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锁相环(PLL)基本原理、设计与应用 2006年电子技术竞赛讲座 刘 颖
第一节 反馈控制电路简介 第二节 自动增益控制电路（AGC） 第三节 自动频率控制（AFC）电路 第四节 锁相环路(PLL)基本原理 一、PLL概述 二、基本锁相环的构成 三、锁相环的基本原理 四、锁相环各组成部分分析 五、环路的锁定、捕获和跟踪，同步带和捕捉带 第六节 锁相环路的应用 一、集成锁相环芯片 二、 方波发生器 三、PLL在调制解调技术中的应用 四、PLL在空间技术上的应用 五、PLL在稳频技术中的应用 六、PLL在频率合成器中的应用
在无线电技术中，为了改善电子设备的性能，广泛采用各种的反馈控制电路。常用的有自动相位控制（APC）电路，也称为锁相环路（PLL-Phase Locked Loop），自动增益控（AGC）电路以及自动频率控制（AFC）电路。 它们所起的作用不同，电路构成也不同，但它们同属于反馈控制系统，其基本工作原理和分析方法是类似的。 第一节 锁相环路(PLL)及其反馈控制电路简介
第二节 自动增益控制电路（AGC） 自动增益控制电路是某些电子设备特别是接收设备的重要辅助电路之一，其主要作用是使设备的输出电平保持一定的数值。所以也叫自动电平控制（ALC）电路。 自动增益控制电路是一种反馈控制电路，当输入信号电平变化时，用改变增益的方法，维持输出信号电平基本不变的一种反馈控制系统。
AGC电路接收方框图如图2-1所示。 图2-1 AGC电路的接收方框图
工作原理:它的工作过程是输入信号 经放大、变频、再放大后，到中频输出信号，然后把此输出电压经检波和滤波，产生控制电压 ，反馈回到中频、高频放大器，对他们的增益进行控制。所以这种增益的自动调整主要由两步来完成：第一，产生一个随输入 信号而变化的直流控制电压 (叫AGC电压)；第二，利用AGC电压去控制某些部件的增益, 使接收机的总增益按照一定规律而变化。
产生控制信号的简单的AGC电路如图1-2所示。 图2-2 简单的AGC电路
工作原理: 图2-2是简单AGC电路, 这是一种常用的电路。 是中频放大管，中频输出信号经检波后，除了得到音频信号外，还有一个平均分量（直流） ，它的大小和中频输出载波幅度成正比，经滤波器 ，把检波后的音频分量滤掉，使控制电压 不受音频电压的影响，然后把此电压（AGC控制电压）加到 的基极，对放大器进行增益控制。
Ui与增益K的关系曲线 Ui与增益K的关系曲线 Ui与UO的关系曲线 Ui与UO的关系曲线 加上AGC后，放大器增益K随Ui的增加而减小(曲线1)，因而输出电压UO 和输入电压Ui不再是线性关系，振幅特性UO～ Ui不再是一条直线，而是如 图2-3所示的曲线2’。 图2-3 简单的AGC特性 从曲线可知:当Ui 较小时，控制电压Up 也较小, 这时增益可K虽略有减小，但变化不大，因此振幅曲线基本上仍是一段直线；当 足够大时，Up的控制作用较强，增益K显著减小。这时UO基本保持不变，振幅特性曲线2‘的bc段所示。通常把UO基本上保持不变这部分叫做AGC的可控范围。可控范围越大，AGC的特性越好。
第三节 自动频率控制（AFC）电路 AFC电路也是一种反馈控制电路。他控制的对象是信号的频率，其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。例如，在调频发射机中如果振荡频率漂移，则利用AFC反馈控制作用，可以适当减少频率变化，可以提高频率稳定度。又如在超外差接收机中，依靠AFC系统的反馈调整作用，可以自动控制本振频率，使其与外来信号频率之差值维持在接近中频得数值。
自动频率控制(AFC)的原理框图 图3-1 AFC的原理方框图
工作原理: 图3-1是AFC的原理框图。被稳定的振荡器频率f0与标准频率fr 在频率比较器中进行比较。当f0= fr时，频率比较器无输出，控制元件不受影响；当 f0≠ fr时，频率比较器有误差电压输出，该电压大小与| f0 - fr| 成正比。此时，控制元件的参数即受到控制而发生变化，从而使 发生变化，直到使频率误差 减小到某一定值Δf，自动频率微调过程停止，被稳定的振荡器就稳定在 f0 = f0± Δf的频率上。 AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路,由于它的基本原理利用频率误差电压去消除频率误差,这样,当电路达到平衡时,必然有剩余的频率误差存在,无法达到现代通信中对高精度频率同步(频差为0)和相位跟踪的广泛要求.要实现频率和相位的跟踪,必须采用自动相位控制电路,即锁相环(PLL: Prase Locked Loop)
第四节 锁相环路(PLL) 一、PLL概述 锁相环路是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目的。 输出信号 压控 振荡器 环路 滤波器 参考信号 鉴相器 图4-1 锁相环系统框图
锁相接收机 微波锁相振荡源 锁相调频器 锁相鉴频器 定时提取（滤波） 锁相频率合成器 …… 锁相环路应用 在锁相频率合成器中，锁相环路具有稳频作用，能够完成频率的加、减、乘、除等运算，可以作为频率的加减器、倍频器、分频器等使用。
二、基本锁相环的构成 鉴相器(PD-Phase Detector) 基本的锁相环路组成 环路滤波器(LF-Loop Filter) 压控振荡器(VOC: Voltage Controlled Oscillater) 输出信号 压控 振荡器 环路 滤波器 参考信号 鉴相器 图4-2 基本锁相环框图 压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。 环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。 鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t)的相位，它的输出电压ui(t)是对应于这两个信号相位差的函数。
鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t)的相位，它的输出电压ui(t)是对应于这两个信号相位差的函数。 环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。 压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。
三、锁相环的基本原理 设输入信号ui(t)和本振信号(VCO输出信号）uo(t)分别是正弦和余弦信号，它们在鉴相器内进行比较，鉴相器的输出是一个与两者间的相位差成比例的电压ud(t)，一般把ud(t)称为误差电压。 环路低通滤波器滤除鉴相器中的高频分量，然后把输出电压ud(t)加到VCO的输入端，VCO送出的本振信号频率随着输入电压的变化而变化。如果二者频率不一致，则鉴相器的输出将产生低频变化分量并通过低通滤波器使VCO的频率发生变化。只要环路设计恰当，则这种变化将使本振信号的频率一致起来。 最后如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两者的相位差将保持某一恒定值，则鉴相器的输出将是一个恒定直流电压（高频分量忽略），环路低通滤波器的输出也是一个直流电压，VCO的频率将停止变化，这时，环路处于“锁定状态”。
四、锁相环各组成部分分析 1．鉴相器 鉴相器是锁相环路的关键部件，它的形式很多,我们仅介绍其中常用的“正弦波鉴相器”。 1）正弦波鉴相器的数学模型 任何一个理想模拟乘法器都可以作为有正弦特性的鉴相器。设输入信号为: 压控振荡器的输出信号为:
在一般情况下，ωi不一定等于ωo，所以为了便于比较两者之间的相位差，现都以ωot为参考相位。这样 ui(t)的瞬时相位为: 其中: 是输入信号角频率与VCO振荡器信号角频率之差，称之为固有频差。
按上面的新定义，可将式PLL输入、输出信号改写为 式中 ，经乘法器相乘后，其输出为 低频成分 高频成分
通过环路滤波器，把上式中高频分量滤除。则鉴相器的输出为 式中 其中Am为乘法器的增益系数，量纲为1/V。 鉴相器的作用：将两个输入信号的相位差φ(t) 转变为输出电压ud(t)。
由式 可得出鉴相特性，如图4-3所示。 图4-3 正弦特性曲线 由于 ud(t) 随 φ(t) 作周期性的正弦变化，因此这种鉴相器称为正弦波鉴相器。
2）鉴相器线性化的数学模型 因此可以把式 写成 所以，当φ(t)≤30°时,鉴相器特性近似为直线，ud(t)与φ(t)成正比。
在时域中鉴相器数学模型如图4-4所示 图4-4 鉴相器的线性数学化模型（时域）
2．环路滤波器（Loop Filter，简称LF) 环路滤波器是线性电路，由线性元件电阻、电感和电容组成，有时还包括运算放大器在内。它是低通滤波器。在锁相环路中，常用的滤波器有以下的三种，如图4-5所示。 图4-5 三种常用的环路滤波器
环路滤波器的作用是滤除 ud(t)中的高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。 环路滤波器如果用的是图4-5（b）或（c）所示的比例积分器时，比例积分器把鉴相器输出的即使是非常微小的电压积累起来，形成一个相当大的VCO控制电压，并保持到 φo(t)=φi(t) 时刻。只要改变环路滤波器的R1、R2、C就能改变环路滤波器的性能，也就方便的改变了锁相环的性能。
3．压控振荡器VOC 压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的的相位保持某种关系，达到相位锁定的目的。
压控振荡器就是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制元件。压控元件一般都是变容二极管。由环路滤波器送来的控制信号电压uc(t)加在压控振荡器振荡回路中的变容二极管，当uc(t)变化时，引起变容二极管结电容的变化，从而使振荡器的频率发生变化。因此压控振荡器实际上就是一种电压-频率变换器。它在锁相环路中起着电压-相位变化的作用。压控振荡器就是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制元件。压控元件一般都是变容二极管。由环路滤波器送来的控制信号电压uc(t)加在压控振荡器振荡回路中的变容二极管，当uc(t)变化时，引起变容二极管结电容的变化，从而使振荡器的频率发生变化。因此压控振荡器实际上就是一种电压-频率变换器。它在锁相环路中起着电压-相位变化的作用。 压控振荡器的特性可用调频特性（即瞬时振荡频率ωo(t)相对于输入控制电压uc(t)的关系）来表示，如图4-6所示。
在一定范围内，ωo(t)与uc(t)是成线形关系的，可用下式表示，即在一定范围内，ωo(t)与uc(t)是成线形关系的，可用下式表示，即 式中ωo： 压控振荡器的中心频率 图4-6 压控振荡器 Kω是一个常数,其量纲为1/s·V或Hz/V。它表示单位控制电压所引起的振荡角频率变化的大小。 VCO的频率变化由环路滤波器的特性决定，截止频率越小，环路滤波器输出的用于控制VCO的信号uc(t)变化越缓慢，这样VCO输出的信号变化较缓慢；截止频率越高， uc(t)变化较快，VCO输出的信号变换也较快。
但在锁相环路中,我们需要的是它的相位变化,即把由控制电压所引起的相位变化作为输出信号。由式ωo(t)可求出瞬时相位为 所以由控制电压所引起的相位变化，有 由此可见压控振荡器在环路中起了一次理想积分作用，因此压控振荡器是一个固有积分环节。
五、环路的锁定、捕获和跟踪，同步带和捕捉带五、环路的锁定、捕获和跟踪，同步带和捕捉带 1．环路的锁定 当没有输入信号时，VCO以自由振荡频率ωo振荡。如果环路有一个输入信号ui(t),开始时，输入频率总是不等于VCO的自由振荡频率的，即ωi≠ωo,如果ωi和ωo相差不大，在适当范围内，鉴相器输出一误差电压，经环路滤波器变换后控制VCO的频率，使其输出频率变化到接近ωi，而且两信号的相位误差为φ（常数）,这叫环路锁定。
2．环路的捕捉 从信号的加入到环路锁定以前叫环路的捕捉过程。 3.环路的跟踪 环路锁定以后，如果输入相位φi 有一变化，鉴相器鉴出 φi与φo之差，产生一正比于这个相位差的电压，并反应相位差的极性，经过环路滤波器变换去控制VCO的频率，使φo改变，减少它与 φi 之差，直到保持ωi=ωo，相位差为 φ，这一过程叫做环路跟踪过程。
4.环路的同步带和捕捉带 当输入信号超过同步带范围，PLL将失锁。VCO输出为自由振荡频率 。一旦入锁后，压控频率就等于基准频率，且PLL输出频率 随输入频率而变化，这就称为跟踪。
5.判断环路是否锁定的方法 1）在有双踪示波器的情况下 开始fi<fo，环路处于失锁状态，加大输入信号频率fi，用双踪示波器观察压控振荡器的输出信号和环路的输入信号，当两个信号由不同步变成同步，且 fi=fo 时，表示环路已经进入锁定状态。 2）单踪──普通示波器 在没有双踪示波器的情况下，在单踪示波器上可以用李沙育图形来判定环路是否处于锁定状态。
第五节 锁相环路的应用 锁相环路之所以广泛应用于电子技术的各个领域，是由于它具有一些特殊的性能。 1）良好的跟踪特性 2）良好的窄带滤波特性 3）良好的门限特性
一、集成锁相环芯片极其典型应用 集成锁相环芯片类型较多，现介绍CC4046集成锁相环， CC4046为CMOS单片锁相环电路，工作频率为1MHz。 CC4046和J691其逻辑结构和引出端功能完全相同，仅电参数略有差异。
常用锁相环电路集成电路 EM92600/1 EMC 专用型锁相环HT9286A/B HOLTEK 通用型锁相环HT9287A/B HOLTEK 专用型锁相环HT9288A/B HOLTEK 专用型锁相环HYL21011S/J HYUNDAI 通用型锁相环HYL21012S/J HYUNDAI 专用型锁相环HYL21014S/J HYUNDAI 专用型锁相环MC145162 MOTOROLA 通用型锁相环 MC145166 MOTOROLA 专用型锁相环MC145167 MOTOROLA 专用型锁相环KS8805B SAMSUNG 通用型锁相环GM6532 LG 专用型锁相环DMD5603 DAEWOO 专用型锁相环DMD5602 DAEWOO 专用型锁相环KA567 SAMSUNG 锁相环 KA567L SAMSUNG 锁相环 LM567 NSC 锁相环 DBL567 DAEWOO 锁相环 (资料来源：诚胜电子)
CC4046逻辑图和引出端功能 • CC4046的逻辑图和引出端功能图如图5-1和图5-2所示。 图5-1 CC4046引出端功能图
图5-3 CC4066典型波形图 图5-2 CC4046的逻辑图
相位比较器Ⅱ是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波。它提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当达到锁定时，在相位比较器Ⅱ的两个输人信号之间保持0°相移。相位比较器Ⅱ是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络。它对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，它具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波。它提供数字误差信号和锁定信号（相位脉冲）两种输出，当达到锁定时，在相位比较器Ⅱ的两个输人信号之间保持0°相移。 对相位比较器Ⅱ而言，当14脚的输入信号比3脚的比较信号频率低时，输出为逻辑“0”；反之则输出逻辑“1”。如果两信号的频率相同而相位不同，当输人信号的相位滞后于比较信号时，相位比较器Ⅱ输出的为正脉冲，当相位超前时则输出为负脉冲。在这两种情况下，从1脚都有与上述正、负脉冲宽度相同的负脉冲产生。从相位比较器Ⅱ输出的正、负脉冲的宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间的相位差。而当两个输入脉冲的频率和相位均相同时，相位比较器Ⅱ的输出为高阻态，则1脚输出高电平。上述波形如图5-3所示。由此可见，从1脚输出信号是负脉冲还是固定高电平就可以判断两个输入信号的情况了。
CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，必须外接电容C1和电阻R1作为充放电元件。当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2。由于VCO是一个电流控制振荡器，对定时电容C1的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使VCO的振荡频率亦正比于该控制电压。当VCO控制电压为0时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压VDD时，输出频率则线性地增大到最高输出频率。VCO振荡频率的范围由R1、R2和C1决定。由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成，故它的输出波形是对称方波。一般规定CD4046的最高频率为1。2MHz(VDD=15V），若VDD<15V，则fmax要降低一些。 CD4046内部还有线性放大器和整形电路，可将14脚输入的100mV左右的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至两相位比较器。源跟踪器是增益为1的放大器，VCO的输出电压经源跟踪器至10脚作FM解调用。齐纳二极管可单独使用，其稳压值为5V，若与TTL电路匹配时，可用作辅助电源。
CC4046、J691包含相位比较器、压控振荡器两部分，使用时需外接低通滤波器（阻、容元件）形成完整的锁相环。此外，它们内部设有一个6.2V的齐纳稳压管。齐纳管是在需要用的时候作为辅助电源。 CC4046的1脚是相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。2脚相位比较器Ⅰ的输出端。3脚比较信号输入端。4脚压控振荡器输出端。5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。6、7脚外接振荡电容。8、16脚电源的负端和正端。9脚压控振荡器的控制端。10脚解调输出端，用于FM解调。11、12脚外接振荡电阻。13脚相位比较器Ⅱ的输出端。14脚信号输入端。15脚内部独立的齐纳稳压管负极。
综上所述，CD4046工作原理如下：输入信号 Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器Ⅰ、Ⅱ的输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压UΨ则反映出两者的相位差。UΨ经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2＝f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则相位比较器Ⅱ工作，过程与上述相同，不再赘述。下面介绍CD4046典型应用电路。
二、 方波发生器 图5-4是用CD4046的VCO组成的方波发生器，当其9脚输入端固定接电源时，电路即起基本方波振荡器的作用。振荡器的充、放电电容C1接在6脚与7脚之间，调节电阻R1阻值即可调整振荡器振荡频率，振荡方波信号从4脚输出。按图示数值，振荡频率变化范围在20Hz至2kHz。 图5-4 CC4046产生方波发生器电路
三、在调制解调技术中的应用 1．锁相调频电路 图5-5 锁相调频电路原理框图
图5-6所示为CC4046用于锁相调频的实际电路。晶振接于CC4046的14端，调制信号从9端加入，调频波中心频率锁定在晶振频率上，在 3与4的连接端得到调频信号。VCO的频率可用100kΩ的电位器调节。CC4046的最高工作频率为1.2MHz。 图5-6 锁相调频的实际电路
2．锁相鉴频电路 图5-7所示为CC4046用于锁相鉴频的实际电路。 图5-7 CC4046锁相环解调电路
