锁相环的基本形式及频率合成原理

1.锁相环的组成原理

（1）组成

基本锁相环是由鉴相器（PD）、低通滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）三部分组成的一个闭环相位负反馈环路，如图9-20所示。图中各部分的作用是：

图9-20 基本锁相环

1）锁相环的输出频率f_o是从压控振荡器（VCO）引出的。所谓压控振荡器是指它的输出频率f_o受外加电压u_c控制的一种振荡器，例如利用变容二极管作为振荡器的回路电容，当改变变容管的反向电压时，其结电容将改变，从而使振荡频率随反向偏压而变。

2）产生控制电压的电路单元是鉴相器（PD），它比较两个输入信号（输入频率f_i和VCO输出频率f_o）的相位，并输出一个与两输入信号的相位差成正比的误差电压u_D。

3）误差电压u_D可以直接去控制VCO，但考虑到u_D中含有不需要的高频成分和噪声，通常用一个低通滤波器（LPF），滤除掉u_D中无用成分后，形成需要的控制电压u_c，以达到稳定环路工作和改善环路性能的目的。

（2）原理

锁相环的输入频率f_i为基准频率，当锁相环开路时，即u_c未加至VCO以前，VCO的自由振荡频率称为它的固有频率。通常固有频率并不等于输入频率f_i，其频率之差称为固有频差。在锁相环闭合的瞬间，环路并未锁定，则PD两输入信号之间的相位差将随时间而变化。鉴相器将这个相位差变化鉴出并形成误差电压，通过环路滤波器加到VCO上。VCO受误差电压控制，其输出频率朝着减小f_o与f_i之间频差的方向变化，即f_o向f_i靠拢，这一过程称为频率牵引。只要f_o尚未等于f_i，牵引过程就会继续，直到f_o等于f_i，环路进入锁定状态。环路从失锁状态进入锁定状态的过程，称为锁相环的捕捉过程。所以，锁相的过程是一个从失锁状态→频率牵引→锁定状态的过程。

当锁相环处于锁定状态时，输入信号和VCO输出信号之间只存在一个稳定的相位差，而不存在频率差，即f_o=f_i。锁相合成法正是利用锁相环的这一特性，把VCO的输出频率锁定在基准频率上，并且把VCO输出频率稳定度提高到与基准频率同一量级。通常，f_i是石英晶体振荡器的振荡频率，频率稳定度可达10^-8数量级，因此，环路锁定时，普通振荡器VCO的输出频率稳定度就可提高到与石英晶体振荡器频率同一量级，这是LC、RC振荡器所远远不能达到的。

锁相式或称间接式频率合成器只有在频率锁定时，其输出频率的准确度和稳定度才与基准信号相同或相近。因此，明确指示环路是否锁定是重要的。判定锁相环是否处于锁定状态主要通过观察鉴相器的工作。锁定时它有三个特点：一是鉴相器的两输入信号频率相同；二是两输入信号的相位差为常数；三是鉴相器的输出基本上是直流电压。锁定时鉴相器的输出基本上为直流的特点常被用作锁定指示。只有在未锁定时鉴相器才有较大的交流输出，所以可把u_D进行交流放大、检波，并用所得电压控制电子开关，当鉴相器输出交流成分很小时锁定指示灯燃亮，表示锁相环工作在正常锁定状态。

（3）同步带宽和捕捉带宽

除了关注频率合成器应工作在锁相环的锁定状态外，也需要对从锁定到失锁及其相反过程有所了解。

锁相环的锁定能力不是无限的，不断加大固有频差也会使原来锁定的锁相环失锁。从锁定状态连续加大固有频差，到刚刚失锁时对应的固有频差称为同步带宽，它说明锁相环保持VCO输出与基准频率一致的能力。

反之，并不是有任何大的固有频差，锁相环都能进入锁定状态。从失锁状态逐渐减小固有频差，到环路刚刚能够进入锁定过程，所对应的固有频差称为捕捉带宽，它说明锁相环能通过频率牵引进入锁定的能力。

当锁相环内没有低通滤波器时，u_D等于u_c，这时锁相环称为一阶环。对一阶环来说，同步带宽等于捕捉带宽。当加有低通滤波器时，环路称为二阶环或高阶环，处于锁定状态时鉴相器输出的直流成分经低通滤波器时传递函数大，控制能力强；在失锁状态时鉴相器的输出主要是交流成分，它经低通滤波器时传递函数小，控制能力弱。所以二阶或高阶锁相环的同步带宽大于捕捉带宽。

2.锁相环的基本形式

在锁相式合成信号源中，为了产生在一定频率范围内步进的或连续可调的输出频率，需要采用不同形式的锁相环，来完成频率的加、减、乘、除运算。常用的锁相环形式有以下几种。

（1）倍频式锁相环（倍频环）

倍频环是实现对输入频率进行乘法运算的锁相环。倍频环主要有两种形式：谐波倍频环和数字倍频环。倍频式锁相环的组成原理如图9-21所示。

图9-21 倍频式锁相环原理图

a）谐波倍频环 b）数字倍频环 c）倍频环的简化图标

1）谐波倍频环如图9-21a所示。输入频率f_i信号经谐波形成电路形成含丰富谐波分量的窄脉冲，通过调谐VCO的固有频率靠近第N次谐波，使第N次谐波与VCO信号在鉴相器中进行相位比较，从而VCO被锁定在输入信号的N次谐波上，环路锁定后，f_o=Nf_i。

2）数字倍频环如图9-21b所示。它是在反馈回路中加入数字分频器，将输出信号N分频后送入相位比较器，与输入频率信号进行比较，当环路锁定时，f_o=Nf_i。

倍频式锁相环的功能可用图9-21c所示的简化图标表示。

（2）分频式锁相环（分频环）(www.xing528.com)

分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也有两种基本形式，如图9-22所示。

图9-22 分频式锁相环原理图

a）谐波分频环 b）数字分频环 c）分频环的简化图标

1）谐波分频环与倍频不同的是，在谐波分频式锁相环中，谐波形成电路放于反馈回路中（见图9-22a），在鉴相器中将输入频率与输出频率的N次谐波进行相位比较，因此锁定后，输出频率f_o=f_i/N。

2）数字分频环在数字分频式锁相环中，数字分频器置于锁相环外（见图9-22b），分频器的输出频率与VCO的输出频率进行相位比较，则当环路锁定时，f_o=f_i/N。

分频式锁相环的简化图标如图9-22c所示。

（3）混频式锁相环（混频环）

混频环实现对频率的加减运算，图9-23a是一个进行加法运算的混频环，图9-23b是一个进行减法运算的混频环。

图9-23 混频锁相环

a）相加混频环 b）相减混频环 c）相加环的简化图标 d）相减环的简化图标

1）相加环。在图9-23a中输出频率f_o与输入频率f_i2混频后，取差频f_o-f_i2与输入频率f_i1进行相位比较，因此环路锁定后，f_o=f_i1+f_i2。

2）相减环。在图9-23b中输出频率f_o与输入频率f_i2混频后，取和频f_o+f_i2与输入频率f_i1进行相位比较，因此环路锁定后，f_o=f_i1-f_i2。

相加混频器的简化图标如图9-23c所示，相减混频器的简化图标如图9-23d所示。

3.多环组合式锁相频率合成原理

上述几种锁相环都是单环型式，它们存在频率点数目较少、频率分辨力不高等缺点，所以，合成信号源通常是由多环合成单元组成的。多环结构的形式可以是多种多样的，下面以图9-24所示的双环合成单元为例，说明多环合成的原理。

图9-24 双环合成器原理结构图

a）双环合成器原理结构框图 b）双环合成器的简化图标

图9-24所示的双环合成器由一个倍频环（虚线下方部分）和一个加法混频环（虚线上方部分）组成，倍频环的输出Nf_i1作为加法混频环的一个输入，内插振荡器的连续可变输出f_i2作为加法混频环的另一个输入，则混频环的输出频率为

f_o=Nf_i1+f_i2 （9-14）

由此可知，通过调谐VCO1的固有频率来改变倍频系数N，调谐f_i2即可实现输出频率的连续可调，下面以一个具体例子说明。

为了从图9-24的双环合成单元获得在3400～5100kHz之间连续可调的输出频率，N、f_i1、f_i2可选择如下：

取输入基准频率f_i1为10kHz，N在330～500之间变化，则倍频环输出Nf_i1为3300～5000kHz之间，间隔为10kHz的离散频率，如3300kHz，3310kHz，…，4990kHz，5000kHz等。为了实现f_o在3400～5100kHz之间连续可调，选择内插振荡器的输出频率f_i2具有10kHz的覆盖，即可把f_i2的10kHz连续可调范围“插入”到倍频环输出频率相邻的两个离散锁定点之间。这里取f_i2的连续可调范围为100～110kHz，则可实现要求区间内的连续覆盖，例如，若要求输出频率f_o为2153.5kHz，首先调谐VCO1使之锁定在2050kHz（N为205），然后调节内插振荡器使其输出频率f_i2为103.5kHz，则通过混频环后VCO2输出合成频率f_o=（2050+103.5）kHz=2153.5kHz。VCO2和VCO1的可变电容是同轴统调的，当VCO1的频率从一个锁定点调到另一个锁定点时，VCO2的固有频率也作相应改变，使其始终能进入混频环的捕捉带宽之内。

如果f_i2采用高稳定的石英晶体振荡器，f_i1采用可调的LC振荡器，则可以实现f_o在一定范围的连续可调，而且当f_i2比f_i1高得多时，输出频率稳定度仍可以达到与输入频率f_i2同一量级。