模拟电子技术( 二 )

山西综合职业技术学院电子信息系

2006 年 10 月

模拟电子技术（二）

学习项目六 锁相环

锁相环路锁相环路的基本工作原理

锁相环路的性能分析集成锁相环路及其应用

内容提要

模拟电子技术（二）

6.1 锁相环路的基本原理 组成框图

ui(t) 和 VCO 的 uo(t) 在 PD 中进行比较， PD 输出的误差电压 ud(t) 是二者相位差的函数。如果两者频率相同，相位差恒定，则经 LF 后无输出；如果两者频率不同，则经 LF 后得到控制电压去控制 VCO 的振荡频率，直至环路进入“锁定”状态。

工作原理

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6.2 锁相环路的性能分析

鉴相器的电路模型 环路滤波器的电路模型 压控振荡器的电路模型 锁相环的相位模型及环路方程 捕捉过程 跟踪过程 锁相环的基本特性

主要内容：

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鉴相器的电路模型

1. 鉴相器的输出电压是 ui(t) 和 uo(t) 相位差的函数 。2. 典型的乘积型鉴相器中，鉴相器的低频分量输出为：

)()()()(sin)( Oieedd ttttAtu 其中

鉴相器框图 鉴相器电路模型

分析

3. 乘积型鉴相器具有正弦规律的鉴相特性。

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环路滤波器的电路模型

微分方程 ：

)()()( dFC tupAtu

常见环路滤波器的形式

环路滤波器电路模型

其中， AF(p) 为传递函数。

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压控振荡器的电路模型 压控振荡器的特性可用调频特性来表示

)(C0r0 tuA

压控振荡器的电路模型

P=d/dt 为微分算子

在一定范围内 ωo 与 uc(t) 几乎成线性关系 有：A0 为 VCO 的压控灵敏度。

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锁相环的相位模型及环路方程 锁相环的相位模型

)(sin1)()()()()( eFodio tp

pAAAtttt ie

)()(sin)()( ieFode tpttAAAtp

瞬时频差 控制频差 固有频差

环路方程

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捕捉过程—环路由失锁进入锁定的过程

a. Δωi 较小→ ud(t) 能顺利通过 LF 得到uC(t) → 控制 VCO→ 环路锁定

捕捉带 (Δωp )—— 环路由失锁进入锁定所允许信号频率偏离 ωr 的最大值。捕捉时间 (τP )—— 环路由失锁状态进入锁定状态所需的时间

b. Δωi 较大→ ud(t) 通过 LF 有较大衰减→ uC(t) 较小→经频率牵引过程时间长→环路锁定

c. Δωi 很大→ ud(t) 不能通过 LF 产生 uC(t) →VCO 不受控→环路失锁

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跟踪过程—环路维持锁定的过程

能够维持环路锁定所允许的最大固有频差 |Δωi| ，称为锁相环路的跟踪带或同步带。

跟踪过程（同步过程）

跟踪带（同步带）

跟踪带（同步带）和环路滤波器的带宽及压控振荡器的频率控制范围有关。

如果输入信号频率 ωi 或 VCO 振荡频率 ωo 发生变化，则 VCO 振荡频率 ωo 跟踪 ωi 而变化，维持 ωo =ωi 的锁定状态，称为跟踪过程或同步过程。

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锁相环的基本特性

环路锁定后，输出信号与输入信号频率相等，没有剩余频差（有微小固定相差）

良好的窄带特性

锁定后没有频差

自动跟踪特性

环路相当于一个高频窄带滤波器，只让输入信号频率附近的频率成份通过

环路在锁定时，输出信号频率和相位能在一定范围内跟踪输入信号频率和相位的变化

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6.3 集成锁相环路及其应用

主要内容

集成锁相环路简介 锁相环的应用

频率合成

锁相倍频、分频与混频 锁相调频与鉴频 调幅波的同频检波

主要技术指标 锁相频率合成器

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集成锁相环简介 集成锁相环按其内部电路结构可分为 模拟锁相环和数字锁相环 集成锁相环按其用途可分为 通用型和专用型 集成锁相环按其工作频率可分为 低频（ 1MHz 以下）、高频（ 1~30MHz ）和超

高频（ 30MHz 以上） 几种通用的集成锁相环 L565（低频）、 L562 （高频）和 L564（超高

频）

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应用之一：锁相倍频、分频与混频 倍频电路框图

当反馈环路是分频器时→倍频电路 当反馈环路是倍频器时→分频电路 当反馈环路是混频器和中频放大器时→混频电路

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应用之二：锁相调频和鉴频 锁相环调频

锁相环使 VCO 的中心

频率稳定在晶振频率上，同时调制信号也加至 VCO 上，从而实现调频

当输入调频波的频率发生变化时，经 PD 和 LF 后将

得到一个与输入信号的频率变化相同的控制电压， 即实现鉴频

锁相环鉴频

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应用之三：调幅波的同步检波 原理框图

工作原理在对 DSB 及 SSB 调幅信号解调的同步检波器中，必须有一与载波信号同频同相 的同步参考信号。图中用载波跟踪锁相环路，在 VCO 输出端经 900

移相后而得到该信号 。

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频率合成器的主要技术指标 频率范围

——频率合成器的工作频率范围 频率间隔

——相邻频率之间的最小间隔，又称分辨力 频率转换时间

——从一个工作频率转换到另一个工作频率，并达到稳定工作所需要的时间

频率稳定度与准确度 稳定度——在一定时间内频率偏差标称频率的程度 准确度——实际工作频率与标称频率之间的偏差

频谱纯度——输出信号接的正弦波的程度

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由晶体振荡器产生标准频率源 fs，经参考分频器 R分频后，得到参考频率 fr = fs /R 送到鉴相器的一输入端， VCO 输出频率 fo 经 N分频后送到鉴相器的二输入 端 。环路锁定时有 fr=fo /N，因此 VCO 输出信号频率为 fo = N fS /R= N fr 。即输出信号频率 fo 为输入参考信号频率 fr的 N倍，改变 N( 分频系数 )就可得到不同频率的输出。

单环式锁相频率合成器

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频率合成器实例 由 CD4046组成的频率合成器：

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单环式频率合成器存在的问题 减小输出频率间隔和减小频率转换时间是矛盾的 。要减

小输出频率间隔，就必须减小输入参考频率 fr。因环路滤波器的带宽必须小于参考频率，因而环路滤波器的带宽也要压缩。环路的捕捉时间或跟踪时间就要加长，即频率合成器的频率转换时间加大。

锁相环路内接入分频器后，其环路增益将下降为原来的 1/N。当要求频率间隔很小时，其分频比 N的变化范围将很大，导致环路增益也大幅度的变化，从而影响到环路的动态工作性能。

可编程分频器的分频比的数目决定了合成器输出信道的数目，而程序分频的输入频率就是合成器的输出频率。由于可编程分频器的工作频率比较低，无法满足大多数通信系统中工作频率高的要求。

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多环式锁相频率合成器

上图为三环频率合成器组成框图。它由三个锁相环路组成。环路 A 和 B为单环频率合成器，环 C 为混频环。

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学习小结： AGC 电路是接收机的重要辅助电路之一，它使接收机的输出

信号在输入信号变化时能基本稳定，故得到广泛的应用。 自动频率控制 (AFC) 也称自动频率微调，是用来控制振荡

器的振荡频率以提高频率稳定度 。 锁相环路是利用相位的调节，以消除频率误差的自动控制系

统，它由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等组成。 在锁相环路中，由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程；环路

通过自身的调节来维持锁定的，称为跟踪过程。捕捉特性可用捕捉带来描述，跟踪特性可用同步带来描述。

锁相频率合成是用锁相技术间接合成高稳定度频率的合成方法，它由基准频率产生器和锁相环路两部分构成。