自动相位控制(锁相环)电路原理

自动相位控制(锁相环)电路原理

自动相位控制——锁相

自动相位控制，是指一个自激振荡器的相位，受另一个基准振荡信号相位的控制，这里所说的相位含频率与初相。当这两个振荡信号频率达到相等，且相位差保持同步时，我们称之为“相位锁定”，自动相位控制过程即锁相过程。故常将自动相位控制称之为锁相（PLL）。锁相技术在现代通信系统、电子测量、自动控制等领域中获得广泛地应用。它比用自动频率控制技术进行频率跟踪、稳频等，在性能上优越得多，因为它没有AFC中存在的剩余频差。

11.3.1 锁相环的组成及工作过程

最基本的锁相环由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成，如图11.4所示。



当输入信号与输出信号的频率不相等时，两信号间存在相位差，即相角差 ，鉴相器将此相位差转换为误差电压ud(t)，此电压通过环路（低通）滤波器，滤除高频分量，输出控制电压uc(t) 。 uc(t)控制压控振荡器使其振荡频率接近输入信号频率，通过环路的快速地循环调节，最终使输出信号与输入信号的频率相等，相位差保持恒定，此种工作状态叫环路锁定状态。

在锁定状态下，若输入信号频率在一定范围内变化，环路使输出信号的频率跟随输入信号频率变化，这种工作状态叫跟踪状态。

原在锁定状态下，若输入信号频率变化超出一定范围，超出了环路的调节能力，使压控振荡器回复到原先的自由振荡状态，输出频率 不再跟踪输入信号频率 的变化而保持不变，此工作状态称失锁状态。

在失锁状态下，当输入信号频率回调到环路所能控制的频率时，环路从开始调节到锁定的过程叫捕捉过程，该过程所用的时间称捕捉时间。

11.3.2 环路部件

如果将输入、输出两信号，经过放大限幅处理，使之成为矩形方波信号，鉴相器仍可用模拟相乘器，或者用逻辑与门、逻辑异或门、异或非门，这些都可以实现鉴相功能。对于数字信号，更多地使用异或门进行鉴相。相对于与门，异或门输出信号速率大于与门输出速率一倍，更有利于后续环路滤波器滤除高频分量，提取相差信号。