6.2 锁相环路的应用

6.2 锁相环路的应用 6.2.1 锁相调频/鉴频电路锁相环调频电路原理框图如图6.2.1所示。采用锁相环的调频器可以解决在普通的直接调
频电路中振荡器的中心频率稳定度较差，而采用晶体振荡器的调频电路其调频范围又太窄的问题。图6.2.1 锁相环调频电路原理框图实现锁
相调频的条件是调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外。使压控振荡器的中心频率锁定在稳定度很高的晶振频率上，而随着输入调制信号的变化
，振荡频率可以发生很大偏移。这种锁相环路称载波跟踪型锁相环路。锁相环调频解调电路原理方框图如图6.2.2所示，用锁相环路可实现调频
信号的解调。 图6.2.2 锁相环调频解调电路原理方框图如果将环路的频带设计得足够宽，则压控振荡器的振荡频率跟随输入信号的频率而
变。若压控振荡器的电压?频率变换特性是线性的，则加到压控振荡器的电压，即环路滤波器输出电压的变化规律必定与调制信号的规律相同。故从
环路滤波器的输出端，可得到解调信号。用锁相环进行调频波解调是利用锁相环的跟踪特性，这种电路称调制解调型锁相环路。与普通的鉴频器相比
较，锁相鉴频电路可以改善门限值特性，但改善的程度取决于信号的调制度。调制指数越高，门限改善的分贝数也越大。一般可以改善几个分贝，调
制指数高时，可改善10dB以上。6.2.2 锁相接收机电路 采用锁相接收机，利用环路的窄带跟踪特性，可以有效接收十分微弱的空间信
号，锁相接收机方框图如图6.2.3所示。锁相接收机在接收空间信号方面得到广泛应用。在图6.2.3中，若中频信号与本地信号频率有偏差
，鉴相器的输出电压就去调整压控振荡器的频率，使混频输出的中频信号的频率锁定在本地标准中频上。由于中频信号可以被锁定，所以中频放大器
的频带可以做得很窄，因而使输出信噪比大大提高，接收微弱信号的能力加强。由于锁相接收机的中频频率可以跟踪接收信号频率的漂移，且中频放
大器带宽又很窄，故又被称做窄带跟踪滤波器。 图6.2.3 锁相接收机方框图6.2.3 基本型单环频率合成器电路 基本型单环频率
合成器电路的方框图如图6.2.4所示，环路中的÷N分频器可采用可编程分频器，合成器的输出频率为
（6.2.1）式中，fr为环路鉴相器PD的输入鉴相频率，也称之参考频率。f
r是从高稳定的晶体振荡频率，即基准频率fi，经参考分频器分频（÷R）取得的。这种合成器的频率分辨率即为参考频率fr。基本型单环锁相
频率合成器的优点是电路简单、容易实现。图6.2.4 基本型单环频率合成器电路的方框图6.2.4 前置分频型单环频率合成器电路前
置分频型锁相环频率合成器电路方框图如图6.2.5所示。目前高速固定分频器的工作频率已可达到几千兆赫，完全可以适应合成器VCO输出频
率。因此，为了提高合成器的输出频率，可以先将输出频率fo送入高速固定分频器进行分频，再把分频降低以后的频率送入能适应这一工作频率的
可编程分频器，构成前置分频型锁相环频率合成器。 图6.2.5 前置分频型锁相环频率合成器电路方框图图6.2.5中，÷M即为高速前
置分频器，环路锁定时输出频率fo为
（6.2.2）因为M为固定分频数，改变可编程分频器N时，就可以改变输出合成频率。显然，合成器的输出频率分辨率为
（6.2.3）前置分频型单环合成器的输出频率
取决于高速固定前置分频器的最高工作频率，目前的前置分频器工作频率已达几千MHz，因此合成器VCO的输出频率也可以做到几千MHz。但
是，这种合成器的频率分辨率却被前置分频器的固定分频比M降低了M倍，这是一个缺点。 6.2.5 下变频型单环频率合成器电路将混频器
和低通滤波器代替原高速前置固定分频器插入锁相环路中，就组成了下变频型单环频率合成器，如图6.2.6所示，其中低通滤波器取混频的差值
（即下变频）。当环路锁定时，由图6.2.6中可知输出频率关系为
（6.2.4）式中，fL为频率较高的高稳定标准频率，式（6.2.4）表示提高fL的
频率可以提高输出频率fo。图6.2.6 下变频型单环频率合成器电路方框图由式（6.2.4）可以看出下变频型单环频率合成器的输出频
率分辨率仍为fr，因此可以解决提高合成器输出频率和不降低频率分辨率的矛盾。另外，从式（6.2.4）中也可以看出，下变频型锁相频率合
成器只是用混频器将N fr搬移到fL两边的频率上。下变频型锁相频率合成器的环路分析和环路参数的计算与基本单环频率合成器相同。然而，
由于混频器和滤波器插入锁相环路，这不仅使整个锁相环路的电路复杂化，而且低通滤波器的参数还会使环路性能变坏，更主要的是混频器对合成器
输出频谱质量将产生严重的影响，这是值得注意的问题。6.2.6 双模前置分频型单环频率合成器电路 双模前置分频型锁相频率合成器电路
方框图如图6.2.7所示。变模前置分频器是在不改变频率分辨率的同时，又能提高合成器输出频率的一种有效方法。图6.2.7 双模前置
分频型锁相频率合成器电路方框图 图6.2.7中，÷为高速双模前置分频器，分频模数为P+1或P，P为正整数。A为脉冲吞咽可编程计数器
。M为主可编程计数器，MC为模数控制逻辑电路。分频计数开始时，MC输出低电平，前置分频器在低电平逻辑控制下按P+1模式计数，A和M
计数器则接收前置分频器的输出脉冲同时计数。前置分频器按P+1模式工作时，它就每次比固定÷P分频多计数一个脉冲，或者称做多吞掉一个脉
冲。在一个循环中将吞掉多少个脉冲，由脉冲吞咽可编程计数器A来记录。当A计数器计满以后，A计数器就停止计数，并通知模数控制逻辑电路M
C输出高电平，前置分频器在高电平逻辑控制下按P模式计数。M计数器则继续接收前置分频器的输出脉冲进行计数，直到M计数器计满以后，便输
出一个分频脉冲到鉴相器PD。同时M计数器还通知模数控制逻辑电路恢复低电平输出，促使前置分频器也恢复P+1模式计数，从而就完成了一个
计数周期。前置分频器恢复P+1模式计数以后，第二个新的计数循环也就开始了。上述分频过程中，前置分频器先以P+1模式计数A次，也即多
吞掉A个脉冲，然后再以P模式计数（M?A）次，完成一个计数循环。这种分频方式称为吞脉冲分频，其分频比N可以用下式表示，即
（6.2.5）A
计数器对前置分频器吞掉的脉冲数进行检测和控制（通过MC），所以A计数器又称为脉冲吞咽计数器。由上述分析可知，A计数器的计数容量必须
小于计数器M的容量，即A＜M。由双模前置分频器、计数器A、M及模数控制逻辑电路MC一起组成了吞脉冲程序分频器，完成吞脉冲分频方式。
合成器输出频率关系为
（6.2.6）由式（6.2.6）可知，输出频率fo的频率分辨率?fo=fr。因此，双模前置分频型单环合成器采用吞脉冲分频技术以
后，将保持合成器输出频率分辨率不变。 双模前置分频型单环频率合成器采用吞脉冲计数分频技术以后，合成器中只有双模前置分频器工作在合成
器VCO输出的最高工作频率上，而计数器A和M均工作在比VCO输出频率低P倍的频率上。因此，吞脉冲程序分频器的工作频率取决于双模前置
分频器的工作频率，而比一般的可编程程序分频器的工作频率有很大的提高。因而可以实现合成器输出频率高的要求。双模前置分频器只有两个计数
工作模式，只要求一个模数控制信号控制，就可以实现简单的换模计数工作，而不需要采用类似可编程分频器那样复杂的预置操作，因而其工作频率
可以做得像固定分频器那样高。双模前置分频器很好地解决了固定前置分频器提高fo和降低?fo的矛盾。6.2.7 小数分频频率合成器电
路小数分频频率合成器电路方框图如图6.2.8所示。为了能提高频率分辨率，又不降低参考频率，在小数分频频率合成器电路中设计可编程分频
器提供小数的分频比，每次改变某频率位小数实现输出频率切换，这样就可以在不降低参考频率的情况下提高输出频率分辨率。利用双模分频原理可
以实现小数分频。例如：若要实现m=10.5的小数分频，可以先除一次10，再除一次11，交替进行。这样一个循环为两次，总的分频比为图
6.2.8 小数分频频率合成器电路方框图小数分频比m有如下关系：
（6.2.7）式中，P是一个循环周期内的分频次数，取决于小数部分的数值；Q是在一
个循环周期内删除的脉冲个数，Q=F?P，Q是最小的正整数值。F为小数部分数值；N为整数部分数值，N=A。在小数分频锁相环中，鉴相器
的每次比相都产生相位误差。而且，每比相一次，相差就增加一次，这样类推得到的相位差随时间的变化呈下降阶梯状，这时鉴相器的输出电压也呈
下降阶梯状波形，经环路滤波器滤波后加到VCO上，就会使VCO产生附加调制，造成VCO输出信号相位抖动。6.2.8 多环锁相频率合
成器电路单环锁相频率合成器的组成比较简单，但是当可变分频比较大时，输出噪声也较大，而且要求频率分辨率小于1kHz时，单环锁相频率合
成器难以实现。采用多环锁相频率合成器电路可以克服这些缺点，多环锁相频率合成器电路是在不降低参考频率的情况下，提高输出频率分辨率的一
种方法。一个双环式锁相频率合成器电路方框图如图6.2.9所示。图中采用了两个锁相环路和一个混频（取和频）滤波电路。可以推证，当环路
锁定时频率合成器输出频率为
（6.2.8）图6.2.9 双环式锁相频率
合成器电路方框图图6.2.9中标出了某通信接收机频率合成器的频率值。可见，当基准频率fr1=1kHz, fr=100kHz，而且两
个÷N2分频器具有相同的分频比范围并在任何时候取相同数值，即它们同步方式工作时，频率合成器输出频率fo为73～101.1MHz，频
率间隔为100Hz。这种双环式锁相频率合成器具有结构简单、同步方式好、输出噪声较小的优点；但为了降低噪声，要求采用环形混频器及窄带
机械滤波器，因而工艺结构稍复杂。图6.2.10 三环锁相频率合成器电路方框图一个三环锁相频率合成器电路如图6.2.10所示。图6
.2.10中A环输出fa经后置固定分频器M分频后为fA，所以有
（6.2.9）fA的分辨率比单环分频率提高了M倍。由于固定分频器M后
置，所以fA一般是比较低的。因此，A环是输出频率较低的高分辨率环，又称低位环。B环的，可使它工作在所需求的合成器输出频率范围。因此，B环又称为高位环，C环标为混频相加环。 由图6.2.10可知，输出频率fo和分辨率?fo的关系为 （6.2.10） （6.2.11）通常NA>M，可见三个环的参考频率均为fr或大于fr，其中C环的参考频率fA≥fr ，而输出分辨率?fo则提高了M倍，从而实现了不降低参考频率的高输出分辨率的设计方案。