锁相环设计

锁相环测量简述

一、锁相环路的基本工作原理

锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。它由以下三个基本部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。其组成方框图如下所示。

锁相环路的基本方框图

锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。当有频率为fR的参考信号输入时，uR 和uv同时加到鉴相器进行鉴相。

如果fR和fv相差不大，鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv= fR，环路锁定。

环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格同步，而且还具有频率跟踪特性，所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。

二、环路部件的测量

I.鉴相器特性的测量

鉴相器的主要性能可用鉴相特性曲线和鉴相灵敏度来表示。

鉴相特性曲线是表示鉴相器的输出电压Vd与两个输入比相信号之间相位差θe的关系曲线，其测量方法如右图所示，在测量精度要求不高的情况下，可用双踪示波器来代替相位计。

测得鉴相特性曲线之后，则根据的定义，可从Vd～θe曲线上求得鉴相灵敏度K.

II.压控振荡器特性的测量

压控振荡器的特性可用压控特性曲线和压控灵敏度来表示。

压控特性曲线是表示压控振荡器的输出频率fv与控制电压Vv之间的关系曲线。其测量框图如右图所示。改变可调电源的输出电压Vcc，测出VCO相应的振荡频率fv，即可得VCO的压控特性曲线fv～Vv。

压控灵敏度Kv的定义是：控制电压的单位变化量ΔVv所引起的振荡频率的变化量Δfv，即Kv = Δfv/ΔVv，可由压控特性曲线上求得。

三、环路参数的测量

锁相环路的主要参数很多，在此我们介绍同步带ΔfH、捕捉带ΔfP、环路开环增益K和稳态相位误差θe(∞)的测量。

I. 同步带ΔfH和捕捉带ΔfP的测量

测量ΔfH和ΔfP的框图如上图所示。具体的方法是：用双踪示波器同时观察Vi和Vv的波形，并用频率计测量Vv的频率fv。先调节信号源频率fi< fv，使环路失锁。然后，缓慢地调节信号源频率使fi逐步升高，注意观察Vi和Vv的波形，用频率计测出Vi和Vv刚刚进入同步状态（Vi和Vv同为稳定的，形状清晰的波形）时所对应的频率fi（与fv相等），记为fi1，继续升高fi，直至Vi和Vv刚刚脱离同步状态（Vi为不稳定的、模糊不清的波形）时所对应的fi，记为f 'i2。再反方向调节fi，使之逐步降低，直至Vi和Vv又重新刚刚进入同步状态，测出此时的fi，记为fi2，接着继续降低fi，直至Vi和Vv又重新脱离同步状态，测出此时的fi，记为f 'i1。

如右图所示，环路的同步带和捕捉带分别为：ΔfH = f 'i2 -f 'i1

ΔfP= f i2 - f i1

II. 环路开环增益K的测量

环路开环增益K的测量框图如上图所示。这是一种以环路鉴相器为参考的测量方法。具体步骤是：先令环路失锁，测出VCO的中心频率fv，然后调节信号源频率f i使环路锁定并使之与fv相等，测出此时鉴相器的输出电压V0，然后改变fi使之分别等于：f0±Δf=f0±5kHz。分别测出对应于

f0+5kHz和f0-5kHz时鉴相器的输出电压，记为V01和V02，于是可求得相应的ΔV1=|V01|-|V0|和ΔV2=|V02|-|V0|，又由环路输入信号作频率阶跃时的环路稳态相位误差公式。

式中，ΔVd是与频偏Δf对应的鉴相器输出电压的平均值。

求得KvF(0)后，乘以鉴相器的鉴相灵敏度Kd，便得环路的开环增益K=KdKvF(0)。

III. 稳态相位误差θe(∞)的测量

稳态相位误差的测量框图如上图所示。具体的方法是：先调节VCO的中心频率fv为某个整数值，例如1MHz，然后调节信号源频率fi也为1MHz，环路锁定。此时可从双踪示波器上同时观察到Vi 和Vv的稳定波形，由示波器上可测出Vi和Vv之间的相位差为θ0(如果fi和fv精确相等，则θ0=90°)，接着再缓慢改变fi为fi+Δf，环路继续保持锁定，再次从示波器上测出Vi和Vv之间的相位差θ1，则对应于频偏Δf的环路稳态相位误差为θe(∞)=θ1-θ0=θ1-90°。