淺談鎖相環在信號發生器中的應用

馬秋

摘 要：鎖相環是一種可以產生輸出信號相位與輸入標準信號相位相關的控制系統。在信號發生器中采用鎖相技術，能夠使信號頻率的穩定度和準確性大大增強。本文重點介紹了鎖相環的原理及其在頻率合成中的應用。

關鍵詞：鎖相環；信號發生器；頻率合成

1 信號發生器的地位和作用

信號發生器又稱信號源或振蕩器，能夠產生多種波形，如鋸齒波、矩形波、三角波、正弦波。由于具有信號調制功能，使其在通訊、工業、農業生物醫學等領域內都有廣泛的應用。在通信和廣播、電視系統中，需要利用高頻振蕩器將音頻、視頻信號或脈沖信號運載出去。而在工農業生物等多個領域內，也需要各種功率、各種頻率的振蕩器。

2 信號發生器的結構

根據輸出波形的不同，信號發生器分為正弦波信號發生器、函數信號發生器、矩形脈沖信號發生器以及隨機信號發生器等四大類。實際測量中，正弦信號使用最為廣泛，由于不受線性電路和系統的影響而廣泛應用于各種電子元器件和組成部分的測量和檢定。正弦信號發生器又可以根據工作頻率范圍的不同而分為若干種。其中常用的低頻信號發生器和高頻信號發生器，其結構一般都采用波段式，主振級決定輸出頻率，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。主振級輸出的正弦信號經調制級和輸出級后再經輸出電路輸出。

3 鎖相技術在信號發生器中的應用

由頻率可變的RC或LC振蕩器作為主振級的信號源，其結構簡單、頻率范圍寬，但是其頻率穩定度只能做到10-4量級左右，頻率穩定性和準確性較差。頻率合成技術，能對一個基準頻率或少數幾個頻率進行加、減、乘、除基本算數運算產生一系列所需頻率，使信號發生器的頻率穩定度和準確度有了大幅度提高，間接合成法，又稱為鎖相合成法，它是利用鎖相環把壓控振蕩器的輸出頻率鎖定在基準頻率，再利用一個基準頻率通過不同形式的鎖相環從而合成所需要的頻率。

3.1 鎖相環的原理

基本鎖相環是由相位比較器（PD）、環路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成的閉合環路，相位比較器用來比較兩個輸入信號的相位，輸出信號v D （t） 是輸入信號 v i （t） 和振蕩器輸出信號 v o （t） 的相位差，該誤差電壓信號通過環路濾波器濾除高頻分量和噪聲后，輸出低頻信號 v C （t） 作為CO 的控制信號。在控制電壓 v C （t） 作用下， VCO 輸出信號 v o （t） 的頻率發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電壓進行控制，通常，可利用變容管作為回路電容。環路濾波器則是一個低通濾波器，用來濾除相位比較器輸出的噪聲和高頻成分，以改善環路性能穩定環路的工作。

當沒有基準輸入信號時，環路濾波器的輸出為零或某一固定值。這時，壓控振蕩器按其固有頻率fo進行自由振蕩。當輸入頻率fi為基準頻率fr，鎖相環開始工作時，壓控振蕩器VCO固有輸出信號頻率fo和fr是不等的，存在著固有頻差Δf，Δf=fo-fr。ui 和uo同時加到相位比較器進行鑒相，相位比較器將輸出與這個相位差變化相應的誤差電壓ud，該誤差電壓再通過環路濾波器濾去其中的高頻成分，輸出一個控制電壓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，出現頻率牽引現象，fo向fr越來越靠攏，最后使fo= fr，環路鎖定。鎖相環進入鎖相的一個基本特征就是壓控振蕩器的輸出信號uo與環路的輸入信號ui（即參考信號）之間只存在一個穩態相位差，而不存在頻率差。環路從失所狀態進入到鎖定狀態也叫捕捉過程。若環路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號，當環路處于鎖定狀態時，環路輸出頻率可以精確地捕捉并跟蹤上述輸入頻率的變化，這時環路所處的狀態為跟蹤狀態，即環路的跟蹤特性。因此，只要鎖相環處于鎖定狀態，就有fo= fr，則所需要的輸出頻率的穩定度就可提高到基準頻率的同一個量級。

3.2 鎖相環在頻率合成電路中的應用

利用鎖相環對頻率進行合成，即由一個基準頻率通過加、減、乘、除的基本算術運算，產生一系列所需頻率。在一個鎖相合成式的信號源中，需要用到不同形式的鎖相環，以便在一定頻率范圍內得到步進的或者連續可調的輸出頻率。基本鎖相環有：（1）混頻鎖相環：能對輸入頻率進行加減運算的鎖相環。在基本鎖相環的反饋支路中加入混頻器和帶通濾波器即可實現混頻鎖相環，如果混頻器是和頻式的，那么輸出頻率就是兩個基準頻率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是由連續可調的LC內插振蕩器提供，盡管fi2比fi1小兩個量級，其輸出頻率的穩定度仍能保持與基準頻率同一個量級；（2）倍頻鎖相環：可以對輸入頻率進行乘法運算的鎖相環。常見的有脈沖倍頻環和數字倍頻環，脈沖倍頻環是由基本鎖相環和包括高穩定晶體振蕩器在內的脈沖形成電路而組成的，脈沖形成電路產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在相位比較器中進行相位比較，在環路鎖定時，滿足倍頻的要求。數字倍頻環則在基本鎖相環支路中加入數字分頻器，當環路鎖定時，則fo=Nfi，改變分頻系數N就能改變倍頻的大小；（3）分頻鎖相環：可以對輸入頻率進行除法運算的鎖相環。其輸出頻率fo=fi/N，與倍頻鎖相環相似，也有脈沖環和數字環兩種；（4）組合式鎖相環：一個實用的合成信號源，采用單一的鎖相環是不夠的，一般都是由多環合成單元組成，形成組合式鎖相環。這種鎖相環就是在環路的反饋支路中加入混頻器、分頻器、帶通濾波器等，實現在兩個鎖定點之間的連續調節。

在現代電子技術中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常可用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，因此將其作為基準頻率，利用鎖相環的倍頻、分頻等頻率合成技術，獲得多頻率、高穩定度的振蕩信號輸出。

4 結論

綜上所述，鎖相式頻率合成能將基準頻率的準確度轉移到所需的任意頻率上，使信號發生器的頻率穩定度和準確度可達到與基準頻率相同的量級，即晶振的水平，且可在很寬的頻率范圍內進行精細的頻率調節。作為一種寬帶高穩信號源，它在多個領域廣泛應用。

參考文獻：

[1]曾慶貴主編.鎖相環集成電路原理與應用[M].上海科學技術出版社出版.

[2]李春雷，管莉主編.電子測量技術于電子產品檢驗[M].電子工業出版社出版.

[3]陳帥鋒，侯小偉.基于鎖相環的正弦信號發生器設計[Z].http：//www.zytxs.com.

[4]張坤，陳義，張子才.基于鎖相環的頻率合成器的設計[J].現代電子技術，2009（19）.