自動相位控制(鎖相環)電路原理

自動相位控制——鎖相

自動相位控制，是指一個自激振蕩器的相位，受另一個基準振蕩信號相位的控制，這里所說的相位含頻率與初相。當這兩個振蕩信號頻率達到相等，且相位差保持同步時，我們稱之為“相位鎖定”，自動相位控制過程即鎖相過程。故常將自動相位控制稱之為鎖相（PLL）。鎖相技術在現代通信系統、電子測量、自動控制等領域中獲得廣泛地應用。它比用自動頻率控制技術進行頻率跟蹤、穩頻等，在性能上優越得多，因為它沒有AFC中存在的剩余頻差。

11.3.1 鎖相環的組成及工作過程

最基本的鎖相環由鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）組成，如圖11.4所示。



當輸入信號與輸出信號的頻率不相等時，兩信號間存在相位差，即相角差 ，鑒相器將此相位差轉換為誤差電壓ud(t)，此電壓通過環路（低通）濾波器，濾除高頻分量，輸出控制電壓uc(t) 。 uc(t)控制壓控振蕩器使其振蕩頻率接近輸入信號頻率，通過環路的快速地循環調節，最終使輸出信號與輸入信號的頻率相等，相位差保持恒定，此種工作狀態叫環路鎖定狀態。

在鎖定狀態下，若輸入信號頻率在一定范圍內變化，環路使輸出信號的頻率跟隨輸入信號頻率變化，這種工作狀態叫跟蹤狀態。

原在鎖定狀態下，若輸入信號頻率變化超出一定范圍，超出了環路的調節能力，使壓控振蕩器回復到原先的自由振蕩狀態，輸出頻率 不再跟蹤輸入信號頻率 的變化而保持不變，此工作狀態稱失鎖狀態。

在失鎖狀態下，當輸入信號頻率回調到環路所能控制的頻率時，環路從開始調節到鎖定的過程叫捕捉過程，該過程所用的時間稱捕捉時間。

11.3.2 環路部件

如果將輸入、輸出兩信號，經過放大限幅處理，使之成為矩形方波信號，鑒相器仍可用模擬相乘器，或者用邏輯與門、邏輯異或門、異或非門，這些都可以實現鑒相功能。對于數字信號，更多地使用異或門進行鑒相。相對于與門，異或門輸出信號速率大于與門輸出速率一倍，更有利于后續環路濾波器濾除高頻分量，提取相差信號。