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淺談鎖相環(huán)在信號發(fā)生器中的應(yīng)用
江蘇省邗江中等專業(yè)學校 馬秋 2014/12/3 21:03:36
【摘要】鎖相環(huán)是一種可以產(chǎn)生輸出信號相位與輸入標準信號相位相關(guān)的控制系統(tǒng)。在信號發(fā)生器中采用鎖相技術(shù)，能夠使信號頻率的穩(wěn)定度和準確性大大增強。本文重點介紹了鎖相環(huán)的原理及其在頻率合成中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】鎖相環(huán)、信號發(fā)生器、頻率合成
一、信號發(fā)生器的地位和作用
信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波、正弦波。由于具有信號調(diào)制功能，使其在通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)生物醫(yī)學等領(lǐng)域內(nèi)都有廣泛的應(yīng)用。在通信和廣播、電視系統(tǒng)中，由于需要射頻發(fā)射，把音頻、視頻信號或脈沖信號運載出去，這就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學等領(lǐng)域內(nèi)，高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。
二、信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)
信號發(fā)生器可以根據(jù)輸出波形的不同，分為正弦波信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器、矩形脈沖信號發(fā)生器和隨機信號發(fā)生器等四大類。在實際測量中，正弦信號是使用最廣泛的測試信號，廣泛應(yīng)用于各種電子元器件和組成部分的測量和檢定。正弦信號發(fā)生器又可以根據(jù)工作頻率范圍的不同劃分為若干種。常用的低頻信號發(fā)生器和高頻信號發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)一般都采用波段式，主振級決定輸出頻率，低于視頻頻段的主振器一般采用RC振蕩器，而高頻段的主振器一般采用LC振蕩器。主振級輸出的正弦信號經(jīng)調(diào)制級和輸出級后再經(jīng)輸出電路輸出。
三、鎖相技術(shù)在信號發(fā)生器中的應(yīng)用
由頻率可變的RC或LC振蕩器作為主振級的信號源，其結(jié)構(gòu)簡單、頻率范圍寬，但是其頻率穩(wěn)定度只能做到10-4量級左右，頻率穩(wěn)定性和準確性較差。頻率合成技術(shù)，能對一個基準頻率或少數(shù)幾個頻率進行加、減、乘、除基本算數(shù)運算產(chǎn)生一系列所需頻率，使信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度和準確度有了大幅度提高，特別是鎖相合成的應(yīng)用，利用鎖相環(huán)把壓控振蕩器的輸出頻率鎖定在基準頻率上，再利用基準頻率通過不同形式的鎖相環(huán)可以合成所需要的頻率。
（一）鎖相環(huán)的原理
鎖相環(huán)的實質(zhì)是一種反饋電路，英文全稱是Phase-Locked Loop,簡稱PLL。其作用是使得電路上的時鐘和某一外部時鐘的相位同步。因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，鎖相環(huán)是一種非常有用的同步技術(shù)，因為通過鎖相環(huán)，可以使得不同的數(shù)據(jù)采集板卡共享同一個采樣時鐘。因此，所有板卡上各自的本地 80MHz和20MHz時基的相位都是同步的，從而采樣時鐘也是同步的。因為每塊板卡的采樣時鐘都是同步的，所以都能嚴格地在同一時刻進行數(shù)據(jù)采集。
基本鎖相環(huán)是由相位比較器（ phase detector ）、環(huán)路濾波器（ loop filter ）壓控振蕩器（ voltage control oscillator）組成，相位比較器的輸出信號v D (t) 是輸入信號 v i (t) 和振蕩器輸出信號 v o (t) 的相位差，該誤差電壓信號通過環(huán)路濾波器濾除高頻分量和噪聲后，輸出低頻信號 v C (t) 作為CO 的控制信號。在控制電壓 v C (t) 作用下， VCO 輸出信號 v o (t) 的頻率發(fā)生變化并反饋到相位比較器。
鎖相環(huán)可用來實現(xiàn)輸出和輸入兩個信號之間的相位同步。當沒有基準（參考）輸入信號時，環(huán)路濾波器的輸出為零（或為某一固定值）。這時，壓控振蕩器按其固有頻率fv進行自由振蕩。當有頻率為fR的參考信號輸入時，uR 和uv同時加到相位比較器進行鑒相。如果fR和fv相差不大，相位比較器對uR和uv進行鑒相的結(jié)果，輸出一個與uR和uv的相位差成正比的誤差電壓ud，再經(jīng)過環(huán)路濾波器濾去ud中的高頻成分，輸出一個控制電壓uc，uc將使壓控振蕩器的頻率fv（和相位）發(fā)生變化，出現(xiàn)頻率牽引現(xiàn)象，朝著參考輸入信號的頻率靠攏，最后使fv= fR，環(huán)路鎖定。環(huán)路一旦進入鎖定狀態(tài)后，壓控振蕩器的輸出信號與環(huán)路的輸入信號（參考信號）之間只有一個固定的穩(wěn)態(tài)相位差，而沒有頻差存在，這時我們就稱環(huán)路已被鎖定。若環(huán)路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號，而且環(huán)路能使壓控振蕩器的頻率和相位不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化，則這時環(huán)路所處的狀態(tài)為跟蹤狀態(tài)。因此，只要鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)，就有fv= fR，則所需要的輸出頻率的穩(wěn)定度就可提高到基準頻率的同一個量級。
（二）鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用
利用鎖相環(huán)對頻率進行合成，即進行加、減、乘、除算術(shù)運算。在一個鎖（未完，下一頁）
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