锁相环原理及构成介绍

众所周知，如果广播电台发射的信号频率不稳定，或者超外差式收音机的本级振荡频率不稳，在收听节目时就很容易发生“跑台”、“串台”现象，严重影响收听效果。假设收音机具有自动跟踪电台的本领，能根据电台频率的变化随时调整本振频率，确保465kHz的差频不变，则上述问题可迎刃而解。而这正是锁相环的用途之一。目前，在现代通信设备、彩色电视机、高档收录机中，广泛采用了锁相技术。

所谓锁相，就是实现相位同步。能使两个电信号的相位保持同步的闭环系统叫锁相环（Phase Locked Loop，PLL）。如图4-1所示，锁相环主要包括三部分：相位比较器（PD，又称鉴相器）、低通滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）。

图4-1 锁相环的基本构成

相位比较器一端接输入信号V_i（t），另一端接比较信号V_o（t），V_o（t）即压控振荡器的输出信号。相位比较器将V_i（t）与V_o（t）的相位进行比较，产生一个与二者的相位差Δφ成正比的误差电压V_φ（t）。V_φ（t）再经过低通滤波器滤除高频分量，得到平均值电压（即控制电压）V_d（t）加到VCO的控制端，使其振荡频率f₂向输入信号频率f₁靠拢，二者频率差迅速减小，直至Δf=0，f₂=f₁。此时这两个信号的频率相同且相位差Δφ保持恒定（同步），称为相位锁定，这一过程称为“捕捉”过程。能够最终锁定的最大初始频差，叫做锁相环的“捕捉范围”。一旦锁相环被锁定在输入频率f₁上，它就能在一定的频率范围内自动跟踪f₁的任何变化，此频率范围叫“锁定范围”。这表明锁相环总是先捕捉信号，然后再锁定。对锁相环而言，完成捕捉要比锁定更困难，因此捕捉范围一般要小于锁定范围。需要说明的是，当f₂≠f₁时，V_φ（t）代表的是频率差，这对应于捕捉过程；当f₂=f₁时，V_φ（t）代表相位差，对应于锁定过程。锁相环属于负反馈系统，其信号流程图如图4-2所示。

使用锁相环时一般要在负反馈电路中插入一个运算器。若分别加除法器（÷N）、乘法器（×N）、加法器（+N）、减法器（-N），锁相环的输出频率f₂就依次为Nf₁、f₁/N、f₁-N、f₁+N，如图4-3所示。(www.zuozong.com)

图4-2 信号流程图

图4-3 在负反馈中插入运算器

通用集成锁相环的典型产品有CD4046，最高工作频率为1.2MHz；高速CMOS电路74HC4046，最高工作频率可达40MHz。