PLL锁相环的特性、应用与其基本工作过程

　　PLL（Phase Locked Loop），也称为锁相环路（PLL）或锁相环，它能使受控振荡器的频率和相位均与输入参考信号保持同步，称为相位锁定，简称锁相。它是一个以相位误差为控制对象的反馈控制系统，是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整受控振荡器输出信号的相位，从而使受控振荡器输出频率与参考信号频率相一致。在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能稳定在一个很小的范围内。

　　目前，锁相环路在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多技术领域获得了广泛的应用，在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。

　　PLL锁相环的基本特性

　　1、良好的跟踪特性

　　当环路具有适当宽度的低频通带时，压控振荡器输出信号的频率与相位就能跟踪输入调频或调相信号的频率与相位的变化。锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化，环路锁定后，输入参考信号和输出信号之间的稳态相位误差，可以通过增加环路增益而被控制在所需数值范围内。这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性。

　　2、良好的载波跟踪特性

　　无论输入锁相环的信号是已调制或未调制的，只要信号中包含有载波成分，就可将环路设计成一个窄带跟踪滤波器，跟踪输入信号载波成分的频率与相位变化，环路输出信号就是需要提取的载波信号。载波跟踪特性包含窄带、跟踪和弱输入载波信号的放大三重含意。

　　3、良好的窄带滤波特性

　　锁相环路通过环路滤波器的作用，具有窄带滤波器特性，当压控振荡器的输出频率锁定在输入参考频率上时，位于信号频率附近的干扰成分将以低频干扰的形式进入环路，绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性的抑制，从而将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除掉。在设计较好时，这个通带能做得极窄，例如在几十兆赫的频率范围内，实现几十赫甚至几赫的窄带滤波。这种窄带滤波特性是任何LC、RC及石英晶体等滤波器均难以达到的。

　　当压控振荡器的输出频率锁定在输入参考频率上时，由于信号频率附近的干扰形式将以低频干扰的成分进入环路，绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性的抑制，从而减少了对压控振荡器的干扰作用。所以，锁相环路具有好的窄带滤波特性，环路对干扰的抑制作用就相当于一个窄带的高频带通滤波器，其通带可以做得很窄（如在数百兆赫兹的中心频率上，带宽可做到几赫兹）。不仅如此，还可以通过改变环路滤波器的参数和环路增益来改变带宽，作为性能优良的跟踪滤波器，用以接收信噪比低、载频漂移大的空间信号。

　　4、良好的门限特性

　　锁相环路也是一个非线性器件，用作鉴频器时同样存在门限效应，但锁相环路的门限并不取决于输入信噪比而取决于环路信噪比，由于环路的窄带特性，环路信噪比明显高于输入信噪比，环路能在低输入信噪比条件下工作，即具有低门限的优良特性。

　　在调频通信中，锁相环路用做鉴频器时也有门限效应存在。但是，在相同的调制系数的条件下，它比普通鉴相器的门限低。当锁相环路处于调制跟踪状态时，环路有反馈控制作用，跟踪相位差小，这样，通过环路的作用，限制了跟踪的变化范围，减少了鉴相特性的非线性影响，改善了门限特性。

　　5、锁定状态无剩余频差，易于集成化等。

　　PLL锁相环的基本工作过程

　　锁相环的基本工作过程如下：

　　（1）设输入信号ui（t）和本振信号（压控振荡器输出信号）uo（t）分别是正弦和余弦信号，它们在鉴相器内进行比较，鉴相器的输出是一个与两者间的相位差成比例的电压ud（t），一般把ud （t）称为误差电压。

　　（2）环路低通滤波器滤除鉴相器输出中的高频分量，然后把输出电压uc（t）加到VCO的输入端，VCO的本振信号频率随着输入电压的变化而变化。如果二者频率不一致，则鉴相器的输出将产生低频变化分量，并通过低通滤波器使VCO的频率发生变化。只要环路设计恰当，则这种变化将使本振信号uo（t）的频率与鉴相器输入信号ui （t）的频率一致。

　　（3）最后，如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两者的相位差将保持某一恒定值，则鉴相器的输出将是一个恒定直流电压（忽略高频分量），环路低通滤波器的输出也是一个直流电压，VCO的频率将停止变化，这时，环路处于"锁定状态"。

　　在锁相环的工作过程中，环路存在锁定、捕获和跟踪三个状态。

（1）当没有输入信号时，VCO以自由振荡频率wo振荡。如果环路有一个输入信号ui（t），开始时，输入频率总是不等于VCO的自由振荡