浅析锁相环技术的应用和发展

国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心 王 倩

浅析锁相环技术的应用和发展

国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心 王 倩

本文从锁相环的基本概念出发，介绍了锁相环的基本结构和工作原理；然后对锁相环进行了模拟锁相环技术、数模混合及全数字锁相环技术的分类，分析了其各自的优缺点；介绍了锁相环技术的发展历程；最后以双音频报警器和倍频电路为例，阐述了锁相技术的具体应用。

锁相环；信号频率；应用

0 前言

锁相环（Phase Locked Loop, PLL）是通信系统中广泛采用的一种同步技术。从本质上看，锁相环路是一个相位反馈自动控制系统[1]，它可以准确跟随输入信号的相位。在锁定状态下，振荡器输出信号的相位和参考信号的相位之差始终为常数，并且具有频率跟踪的特性，因此在电子技术中得到了广泛的应用。

1 锁相环基本原理和结构

锁相环基本原理框如图1所示。锁相环通过检测输入、输出信号的相位差，并经由鉴相器转换成电压形式的信号输出，再经过低通滤波器滤波，把此时的信号作为压控振荡器的控制电压，就可以实现对振荡器输出信号的频率控制。然后经反馈通道把振荡器输出信号的频率和相位反馈到鉴相器的输入端，从而形成闭环控制[2]。如果输出信号的频率与输入信号的频率成正比，那么输出电压与输入电压之间的相位差将保持恒定，最终实现输出电压与输入电压的“锁相”。如果环路输入的信号在频率和相位上都是瞬变的，那么压控振荡器的频率和相位也是可以不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，这种状态又称为跟踪状态。

图1 锁相环基本结构

锁相环的基本组成部分有鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。鉴相器实际上是一个相位比较器，它的主要作用就是比较两个输入信号的相位，把相位差转换为相应的电压信号。鉴相器可以对参考信号频率和反馈输出信号进行分频，通过相位比较生成误差电压，经内部的电荷泵处理后输出到环路滤波器。压控振荡器在没有电压输入时，其输出为零或一常数。当有信号电压输入时候，其振荡频率会受到外控电压信号的调制，从而把电压转换为相位。其输出信号的相位随基准频率相位变化而变化，因此具有相位跟踪作用。

2 锁相环的分类及特点

锁相环分为模拟锁相环技术、数模混合及全数字锁相环技术。三种锁相环各有优势和不足，在各类电子产品中均有相应的应用。模拟锁相环又称为线性锁相环，它对正弦特性信号的相位跟踪特性十分优良，具有结构简单，输出稳定等优点，但其正常工作必须依靠基准频率。数模混合锁相环部分实现了数字化，但其核心控制环路仍是模拟电路，主要是在频率合成和时钟处理等场合中使用[3]。全数字锁相环的输入输出都实现了数字化，其中的环路也由数字电路实现。全数字锁相环具有比模拟锁相环更多的优点，例如精度高、稳定性好、环路带宽和中心频率可调、可实现高阶锁相环等，但受时钟源的噪声影响严重，并且该影响会不断累积。

3 锁相环技术的发展

荷兰物理学家Huygens于17 世纪首次提出了“同步振荡器”（synchronized oscillator)的概念。直至20世纪中期， 黑白电视机的发明才使锁相环路技术得到普遍的应用，因为黑白电视机需要一个水平同步电路来抑制噪声并改善图像的同步性能。

在军事上，锁相环路可用于导弹信标的跟踪滤波，实现锁相环路的最佳设计化。在人造卫星方面，通过以锁相环路为核心的窄带锁相跟踪接收机就可以把淹没在噪声中的微弱信号提取出来，因此锁相技术在空间技术上的应用也大大地推动了锁相技术的发展。十九世纪中期以后，锁相技术开始在通信、雷达、航空、航天、航海、仪器、仪表、化工、光源、核能、家电、地质和众多工业领域得到广泛应用。在集成电路的带动下，集成锁相环、单片锁相环和各类专用集成锁相环路也相继出现，如今的锁相环路已经尤为成本低、高效率的多功能电子元部件，使锁相技术在更多领域的应用创造了可能性。

4 锁相环技术的应用

本文以通用集成锁相环CD4046为例介绍锁相环技术的应用。

4.1 方波发生器

图2所示电路是由集成锁相环CD4046的VCO组成的方波发生器，只要9脚与电源连接就能实现一个基本方波振荡器。6脚与7脚之间的电容C1的作用是为振荡器进行充、放电。通过调节可变电阻R1的阻值就能控制振荡器的振荡频率，由4脚负责输出所需的方波信号。

图2 双音频报警器电路

4.2 信号调频

图3所示电路是一个锁相环调频电路。只需让调制信号由压控振荡器（VCO）的控制端输入，如果载波频率与自由振荡频率相当，则载波频率将会与压控振荡器的振荡频率产生锁定，两者之间的相位差自由通过低通滤波器，与调制信号一起经加法器后用以调节压控振荡器的输出频率，这样就生成了所需的调频信号。

图3 锁相环调频电路原理框图

5 结论

锁相环电路具有结构简单、频率稳定、精确度高等优点，还能有效抑制杂散，可代替部分滤波器，因而有利于实现系统的小型化和集成化。鉴相器的分频比通过单片机控制就能轻易实现，输出频率的变换非常方便，这对于通信系统中的信号源模块实现数字化、集成化和智能化是非常有意义的。可以预见，锁相环电路在今后的应用领域将进一步扩展。

[1]邱伶俐．锁相环的综合设计[D]．北京交通大学,2016．

[2]简晨,王梓宇．一种级联锁相环频率合成器的设计与实现[J]．微型机与应用,2015,(07):39-41+44．

[3]王照峰,王仕成,苏德伦．锁相环电路的基本概念及应用研究[J]．电气应用,2005,(08):46-48．

王倩（1988—），女，四川南充人，硕士研究生。