鎖相環作為通信系統中提供本振信號(LO)，實現頻率生成和相位管理單元，被廣泛應用于通信設備，測量儀器，手持終端等各式產品中，市場應用極其廣泛。本文主要解析鎖相環基本原理，典型鎖相環方案介紹。

基礎理論

鎖相環(Phase Locked Loop)是一個閉環的相位控制系統，它的輸出信號的相位能自動跟蹤輸入信號相位。系統框圖如下：

當θ1(t)與θ2(t)相等時，兩矢量以相同的角速度旋轉，相對位置，即夾角維持不變，通常數值又較小，這就是環路的鎖定狀態。

從輸入信號加到鎖相環路的輸入端開始，一直到環路達到鎖定的全過程，稱為捕獲過程。設系統最初進入同步狀態

的時間為ta。那么從t = t0的起始狀態到達進入同步狀態的全部過程就稱為鎖相環路的捕獲過程。捕獲過程所需的時間TP = ta - t0稱為捕獲時間。顯然，捕獲時間TP的大小不但與環路的參數有關，而且與起始狀態有關。

對一定的環路來說，是否能通過捕獲而進入同步完全取決于起始頻差。

若Δω0超過某一范圍，環路就不能捕獲了。這個范圍的大小是鎖相環路的一個重要性能指標，稱為環路的捕獲帶Δωp。

捕獲狀態終了，環路的狀態穩定在

這就是同步狀態的定義。只要在整個變化過程中一直滿足(1-1)式，那么仍稱環路處于同步狀態。由上可知，在輸入固定頻率信號的條件之下，環路進入同步狀態后，輸出信號與輸入信號之間頻差等于零，相差等于常數，即

這種狀態就稱為鎖定狀態。

鎖相環路的組成

鎖相環路為什么能夠進入相位跟蹤，實現輸出與輸入信號的同步呢?因為它是一個相位的負反饋控制系統。這個負反饋控制系統是由鑒相器(PD)、環路濾波器(LF)和電壓控制振蕩器(VCO)三個基本部件組成的，基本構成如圖：

實際應用中有各種形式的環路，但它們都是由這個基本環路演變而來的。下面逐個介紹基本部件在環路中的作用。

鑒相器(PD)是一個相位比較裝置，用來檢測輸入信號相位與反饋信號相位之間的相位差。輸出的誤差信號是相差的函數，即鑒相特性可以是多種多樣的，有正弦形特性、三角形特性、鋸齒形特性等等。常用的正弦鑒相器可用模擬相乘器與低通濾波器的串接作為模型。

環路濾波器(LP)具有低通特性，它可以起到圖中低通濾波器的作用，更重要的是它對環路參數調整起差決定性的作用。

壓控振蕩器(VCO)是一個電壓—―頻率變換裝置，在環中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率應隨輸入控制電壓uc(t)線性地變化。實際應用中的壓控振蕩器的控制特性只有有限的線性控制范圍，超出這個范圍之后控制靈敏度將會下降。

壓控振蕩器應是一個具有線性控制特性的調頻振蕩器，對它的基本要求是：頻率穩定度好(包括長期穩定度與短期穩定度);控制靈敏度K0要高;控制特性的線性度要好;線性區域要寬等等。這些要求之間往往是矛盾的，設計中要折衷考慮。

壓控振蕩器電路的形式很多，常用的有LC壓控振蕩器、晶體壓控振蕩器、負阻壓控振蕩器和RC壓控振蕩器等幾種。前兩種振蕩器的頻率控制都是用變容管來實現的。由于變容二極管結電容與控制電壓之間具有非線性的關系，所以壓控振蕩器的控制特性肯定也是非線性的。為了改善壓控特性的線性性能，在電路上采取一些措施，如與線性電容串接或并接，以背對背或面對面方式連接等等。在有的應用場合，如頻率合成器等，要求壓控振蕩器的開環噪聲盡可能低，在這種情況下，設計電路時應注意提高有載品質因素和適當增加振蕩器激勵功率，降低激勵級的內阻和振蕩管的噪聲系數。

環路的性能

1. 環路的基本性能

如上所述，環路有兩種基本狀態。

其一是捕獲過程。

評價捕獲過程性能有兩個主要指標。一個是環路的捕獲帶Δωp，即環路能通過捕獲過程而進入同步狀態所允許的最大固有頻差 |Δω0|max。若Δω0 > Δωp，環路就不能通過捕獲進入同步狀態。故

另一個指標是捕獲時間TP，它是環路由起始時刻到進入同步狀態的時刻之間的時間間隔，捕獲時間的大小除決定于環路參數之外，還與起始狀態有關。一般情況下輸入起始頻差越大，TP就越大，通常以起始頻差等于Δωp，來計算最大捕獲時間，并把它作為環路的性能指標之一。

環路的另一個基本工作狀態是同步。

環路鎖定之后穩態頻差等于零。穩態相差通?？偸谴嬖诘?。它是一個固定值，反映了環路跟蹤的精度，是一重要的指標。此外，已經鎖定的鎖相環路，若再改變其固有頻差Δω0，穩態相差會隨之改變。當固有頻差Δω0增大到某一值時，環路將不能維持鎖定。這個鎖相環路能夠保持鎖定狀態所允許的最大固有頻差稱為環路的同步帶，也是環路的一個重要參數。

上面提到的幾項指標是對環路最基本的性能要求。鎖相環路作為一個控制系統，要全面衡量它的性能尚有一系列的指標，諸如穩定性、響應速度、對干擾和噪聲的過濾能力等等。

2. 環路的跟蹤性能

實際的鎖相環路在鎖定狀態之下的穩態相差通常是比較小的。鎖定之后，若輸入信號的相位θ1(t)發生變化，被控振蕩器的輸出相位θ2(t)將進行跟蹤，在此過程中環路相差θe(t)是變化的。假如在整個跟蹤過程中，環路相差θe(t)始終比較小。這種可以將環路近似為線性系統來進行分析的跟蹤過程稱為線性跟蹤。應該注意，線性跟蹤是在環路的同步狀態下進行的，這是鎖相環路正常工作時最常見的情況，工程上有實用價值，應引起我們的重視。

當環路處于鎖定狀態時，輸出頻率與輸入頻率相同，兩者之間只有一穩態相差。在此條件下，若輸入信號發性相位或頻率的變化(干擾或調制所引起的)，通過環路自身的控制作用，環路輸出信號，也即壓控振蕩器的振蕩頻率和相位，會跟蹤輸入信號的變化。如果是理想的跟蹤，輸出信號的頻率和相位應時時與輸入信號相同。其實不然，環路需有一個跟蹤過程。首先，出現過程，有暫態相位誤差，其次在到達穩定狀態后，據輸入信號形式的不同，有不同的相位誤差。上述由于輸入信號變化而引起的暫態相位誤差和穩態相位誤差的大小，是衡量環路線性跟蹤性能好壞的重要標志。它們不僅與環路本身的參數有關，還與輸入信號的變化形式有關。

根據分析可知：

對于同一種環路來說，輸入信號變化越快，跟蹤性能就越差，頻率越高越難。

同一信號加入不同的鎖相環路，其穩態相差是不同的。

事實上，決定環路穩態跟蹤相差的不是環路開環傳遞函數總極點的個數，而是在原點處的極點個數。

3. 環路噪聲性能

鎖相環路無論工作在哪種應用場合，都不可避免地受到噪聲和干擾的作用。噪聲和干擾的來源主要有兩類：一類是與信號一起進入環路的輸入噪聲與諧波干擾。輸入噪聲包括信號源或信道產生的白高斯噪聲、環路作載波提取用時信號調制形成的調制噪聲，另一類是環路部件產生的內部噪聲與諧波干擾，以及壓控振蕩器控制端感應的寄生干擾等，其中壓控振蕩器內部的噪聲是主要的噪聲源。

噪聲與干擾的作用必然會增加環路捕獲的困難，降低跟蹤性能，是環路輸出相位產生隨機的抖動。若環路用作頻率合成信號源與微波固態信號源，則輸出頻譜不純，短期頻率穩定度變差;若環路用作調制解調器，則輸出信噪比下降，較強的干擾與噪聲還會使環路發生跳周和失鎖的概率加大，以致出現門限效應。

4. 環路捕獲性能

捕獲概念在開機、換頻、和由開環到閉環，一開始環路總是失鎖的，因此環路需經由失鎖進入鎖定的過程。通常把使環路進入鎖定的過程稱為捕獲。

在我們應用的鎖相環中，存在相位捕獲和頻率捕獲兩個捕獲過程。

自捕獲和輔助捕獲：如果環路依靠自己的控制能力達到捕獲鎖定，稱這種捕獲過程為自捕獲。若環路借助于輔助電路才能實現捕獲鎖定，則稱這種捕獲過程為輔助捕獲。

在固定頻率輸入下，視固有頻差Δω0的大小，二階環路有產生穩定的差拍狀態和進入鎖定兩種可能性。保證環路必然進入鎖定的最大固有頻差值，稱為捕獲帶。由于二階環的捕獲過程包含頻率捕獲和相位捕獲兩個過程，通常又把保證環路只有相位捕獲一個過程的最大固有頻差值，稱為快捕帶。頻率捕獲所需的時間，稱為頻率捕獲時間(或頻率牽引時間)。相位捕獲所需要的時間稱為快捕時間(或相位捕獲時間)。通常頻率捕獲時間總是遠大于相位捕獲時間的，所以一般所說的捕獲時間，就是指頻率捕獲時間，而不考慮相位捕獲時間的影響。

依靠環路的自身捕獲，捕獲時間長，捕獲帶窄，另外還可能出現延滯、假鎖等不能可靠捕獲的現象。因此研究各種有效的輔助捕獲方法，是十分必要的。

為改善環路捕獲性能，總希望捕獲帶越寬越好，捕獲時間越短越好。為了加大環路的捕獲帶，應提高環路的增益K或者增加濾波器的帶寬。為縮短環路的捕獲時間，除用與前者相同的措施以外，還可設法減小作用到環路上的起始頻差。但是加大環路增益或濾波器帶寬往往是與提高環路的跟蹤性能和濾波性能的要求相矛盾的。一般在設計還路時，總是優先考慮環路的跟蹤性能和濾波性能，而對捕獲性能的要求，則采用一些輔助捕獲的方法來得到滿足。此外，為了有效地克服延滯與假鎖，在環路中也往往要求加入輔助捕獲裝置。

主要介紹輔助頻率捕獲方法，它的基本出發點是：

(1)減小作用到環路上的起始頻差使之快速落入快捕帶內，達到快速鎖定。屬于這方面的有人工電調、輔助掃描、輔助鑒頻和鑒頻鑒相等幾種方法;

(2)使用兩種不同的環路帶寬和增益，捕獲時使環路具有較大的帶寬和增益，鎖定以后是環路帶寬或增益減小。這就是所謂的變帶寬和變增益法。

在下一篇里，將進行電路實解和經典方案介紹，敬請關注期待。