中心議題：

• 探究鎖相環的組成和工作原理
• 鎖相環在調製和解調中的應用
• 鎖相環在調頻和解調電路中的應用

 
1．鎖相環的基本組成

許多電子設備要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內部的振蕩信號同步
，利用鎖相環路就可以實現這個目的。

鎖相環路是一種反饋控製電路，簡稱鎖相環（PLL）。鎖相環的特點是：利用外部輸入的參考信號控製環路內部振蕩信號的頻率和相位。

因(yin)鎖(suo)相(xiang)環(huan)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)對(dui)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)的(de)自(zi)動(dong)跟(gen)蹤(zong)
，所(suo)以(yi)鎖(suo)相(xiang)環(huan)通(tong)常(chang)用(yong)於(yu)閉(bi)環(huan)跟(gen)蹤(zong)電(dian)路(lu)。鎖(suo)相(xiang)環(huan)在(zai)工(gong)作(zuo)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)，當(dang)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)率(lv)與(yu)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)率(lv)相(xiang)等(deng)時(shi)

，輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)與(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)保(bao)持(chi)固(gu)定(ding)的(de)相(xiang)位(wei)差(cha)值(zhi)，即(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)與(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)的(de)相(xiang)位(wei)被(bei)鎖(suo)住(zhu)，這(zhe)就(jiu)是(shi)鎖(suo)相(xiang)環(huan)名(ming)稱(cheng)的(de)由(you)來(lai)。

鎖相環通常由鑒相器（PD）
、環路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成，鎖相環組成的原理框圖如圖8-4-1所示。鎖相環中的鑒相器又稱為相位比較器
，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差
，並將檢測出的相位差信號轉換成uD（t）電壓信號輸出，該信號經低通濾波器濾波後形成壓控振蕩器的控製電壓uC（t）
，對振蕩器輸出信號的頻率實施控製。  
2．鎖相環的工作原理

鎖相環中的鑒相器通常由模擬乘法器組成
，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖8-4-2所示。

鑒相器的工作原理是：設外界輸入的信號電壓和壓控振蕩器輸出的信號電壓分別為：
 式中的ω0為壓控振蕩器在輸入控製電壓為零或為直流電壓時的振蕩角頻率，稱為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓uD為：
 
式中的ωi為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，θi（t）和θO（t）分別為輸入信號和輸出信號的瞬時位相，根據相量的關係可得瞬時頻率和瞬時位相的關係為： 上式等於零，說明鎖相環進入相位鎖定的狀態，此時輸出和輸入信號的頻率和相位保持恒定不變的狀態，uc（t）為恒定值。當上式不等於零時，說明鎖相環的相位還未鎖定
，輸入信號和輸出信號的頻率不等
，uc（t）隨時間而變。
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因壓控振蕩器的壓控特性如圖8-4-3所示，該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率ωu以ω0為中心

，隨輸入信號電壓uc（t）的變化而變化。該特性的表達式

上式說明當uc（t）隨時間而變時，壓控振蕩器的振蕩頻率ωu也隨時間而變
，鎖相環進入“頻率牽引”，自動跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環進入鎖定的狀態，並保持ω0=ωi的狀態不變。

8．4．2鎖相環的應用

1．鎖相環在調製和解調中的應用

（1）調製和解調的概念

為了實現信息的遠距離傳輸，在發信端通常采用調製的方法對信號進行調製，收信端接收到信號後必須進行解調才能恢複原信號。
所謂的調製就是用攜帶信息的輸入信號ui來控製載波信號uC的參數，使載波信號的某一個參數隨輸入信號的變化而變化。載波信號的參數有幅度、頻率和位相

，所以，調製有調幅（AM）
、調頻（FM）和調相（PM）三種。

調幅波的特點是頻率與載波信號的頻率相等，幅度隨輸入信號幅度的變化而變化；調頻波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，頻率隨輸入信號幅度的變化而變化
；調相波的特點是幅度與載波信號的幅度相等
，相位隨輸入信號幅度的變化而變化。調幅波和調頻波的示意圖如圖8-4-4所示。 上圖的（a）是輸入信號，又稱為調製信號；圖（b）是載波信號，圖（c）是調幅波和調頻波信號。

解調是調製的逆過程，它可將調製波uO還原成原信號ui。 [page]
2．鎖相環在調頻和解調電路中的應用

調頻波的特點是頻率隨調製信號幅度的變化而變化。由8-4-6式可知，壓控振蕩器的振蕩頻率取決於輸入電壓的幅度。當載波信號的頻率與鎖相環的固有振蕩頻率ω0相等時

，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持ω0不變。若壓控振蕩器的輸入信號除了有鎖相環低通濾波器輸出的信號uc外
，還有調製信號ui，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以ω0為中心，隨調製信號幅度的變化而變化的調頻波信號。由此可得調頻電路可利用鎖相環來組成，由鎖相環組成的調頻電路組成框圖如圖8-4-5所示。 根據鎖相環的工作原理和調頻波的特點可得解調電路組成框圖如圖8-4-6所示。3．鎖相環在頻率合成電路中的應用
在現代電子技術中
，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環、倍頻、分頻等頻率合成技術，可以獲得多頻率
、高穩定的振蕩信號輸出。 輸出信號頻率比晶振信號頻率大的稱為鎖相倍頻器電路；輸出信號頻率比晶振信號頻率小的稱為鎖相分頻器電路。鎖相倍頻和鎖相分頻電路的組成框圖如圖8-4-7所示。