淺析鎖相環技術的應用和發展

【摘要】 信號分為模擬信號和數字信號，本文主要論述鎖相環技術，如何輸出頻率穩定、準確的模擬信號。鎖相環技術廣泛應用于通信、航空航天、自動控制等領域，用途廣且重要。本文將重點論述鎖相環技術的基本原理、組成和發展應用。

【關鍵詞】 鎖相環 信號 頻率

一、鎖相環技術的基本原理

現代頻率合成技術常應用間接合成法、電路的反饋，通過鎖相環技術將主振源的頻率和參考信號的頻率通過鑒相比較聯系起來，所需硬件設備少，可靠性高，頻率范圍大。其核心是鎖相環路，原理框見下圖1：

鎖相環路是一種典型反饋電路，鎖相環的英文全稱為Phase-Locked Loop簡稱PLL。鎖相環路（PLL）是一個閉環的跟蹤系統，它能夠跟蹤輸入信號的相位。確切地講，鎖相環是一個使輸出頻率（由振蕩器產生的）與參考頻率產生頻率和相位上同步的電路。在同步（通常稱為鎖定）狀態，振蕩器輸出信號和參考信號之間的相位差為零，或者保持常數。

二、鎖相環技術的基本組成

在PLL中，鑒相器是一個相位比較器，比較參考信號（輸入信號）與輸出信號之間的相位偏差，并由此產生誤差信號；環路濾波器是一個低通濾波器，用來 濾除誤差信號中的高頻成分，起濾波平滑作用，以保證環路穩定和改善環路跟蹤性能，也決定著輸出信號相位噪聲的好壞。最終輸出控制電壓，壓控振蕩器VCO是一個電壓、頻率變換裝置，產生本地振蕩頻率，其振蕩頻率受誤差信號電壓控制，產生頻率偏移，從而跟蹤輸入參考信號的頻率。整個鎖相環路根據輸入參考信號頻率與本地振蕩信號頻率之間的相位誤差對壓控振蕩器產生信號的相位進行連續不斷的反饋調節，從而達到使VCO輸出信號相位跟參考頻率相位一致或保持常數。

1、鑒相器。鑒相器是一個相位比較器，比較兩個輸入信號的相位，產生誤差相位，并轉換為誤差電壓。鑒相器一般由分頻器、電荷泵等組成，把參考信號頻率和反饋輸出信號進行R分頻和N分頻，對分頻完的頻率進行相位比較，產生誤差電壓，誤差電壓經電荷泵調節，最后輸出。

2、環路濾波器 。環路濾波器是一個線性低通濾波器，通常由RC無源濾波器或環路中有放大器的有源濾波器組成，具有低通特性。改變環路的帶寬，可以適量調整輸出信號的相噪好壞。

3、壓控振蕩器 。在鎖相環路中，壓控振蕩器是受外控電壓來改變振蕩頻率的器件。起著電壓轉換為相位的作用。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。在鎖相環中，參考頻率一般由晶振產生，晶振是由晶體的壓電效應與內部電路產生諧振的頻率，晶振的頻率穩定性相當的好。常用的參考頻率100MHz、10MHz等。

5、單片機分頻器。單片機在鎖相環中一般對應鑒相器，在開機時起到為鑒相器置數的作用。常用的單片機為51系列。鑒相器一般包含了分頻器，分頻器在鎖相環中很少作為一個單獨器件出現。

三、鎖相環技術的發展應用

近百年以來，無論是有線相連的電話，還是無線發送的廣播電視，很長的時間內都是用模擬信號來傳遞信號。由于鎖相環路結構簡單，性能可靠等特點，在當今的調頻廣播技術中得到廣泛應用。

另外鎖相環技術應用于頻率綜合器，由參考信號頻率獲得不同頻率的組件稱為頻率綜合器；也用于調制解調器，其本身就是一個調頻解調器，經過合理的設計應用，鎖相環路可以做任何方式的調制器和解調器；鎖相環也可以用作時鐘發生器，鎖相環鎖定后輸出時鐘頻率是輸入參考時鐘的N倍，鎖相環可以從低頻輸入時鐘產生高頻輸出時鐘，系數N是固定的稱為時鐘發生器；也可以用于頻率合成技術，將一個參考信號頻率如晶振參考源，經過電路運算，變成具有同一穩定度和準確度的多個所需頻率的技術，稱為頻率合成技術。該技術廣泛應用在超外差接收中進行自動頻率控制、標準信號的倍頻和分頻、空間技術和頻率合成中。

四、結論和展望

21世紀注定是通信技術迅猛發展的世紀。而產生信號源的鎖相環技術鎖出的頻率有頻率穩定性和準確性非常高的優點，同時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。而鎖相環中鑒相器分頻比可以使用單片機進行控制，易于實現輸出頻率的變換及其頻率顯示的程控和遙控，促進信號源模塊的數字化、集成化和智能化。將廣泛的應用于科研、生產、生活中。

參 考 文 獻

[1]張厥盛，鄭繼禹，萬心平. 鎖相技術M] .西安電子科技大學出版社， 2003.9

[2]樊昌信.通信原理[M] .國防工業出版社，2002