浅谈锁相环在信号发生器中的应用

摘 要：锁相环是一种可以产生输出信号相位与输入标准信号相位相关的控制系统。在信号发生器中采用锁相技术，能够使信号频率的稳定度和准确性大大增强。本文重点介绍了锁相环的原理及其在频率合成中的应用。

关键词：锁相环；信号发生器；频率合成

1 信号发生器的地位和作用

信号发生器又称信号源或振荡器，能够产生多种波形，如锯齿波、矩形波、三角波、正弦波。由于具有信号调制功能，使其在通讯、工业、农业生物医学等领域内都有广泛的应用。在通信和广播、电视系统中，需要利用高频振荡器将音频、视频信号或脉冲信号运载出去。而在工农业生物等多个领域内，也需要各种功率、各种频率的振荡器。

2 信号发生器的结构

根据输出波形的不同，信号发生器分为正弦波信号发生器、函数信号发生器、矩形脉冲信号发生器以及随机信号发生器等四大类。实际测量中，正弦信号使用最为广泛，由于不受线性电路和系统的影响而广泛应用于各种电子元器件和组成部分的测量和检定。正弦信号发生器又可以根据工作频率范围的不同而分为若干种。其中常用的低频信号发生器和高频信号发生器，其结构一般都采用波段式，主振级决定输出频率，低于视频频段的主振器一般采用RC振荡器，而高频段的主振器一般采用LC振荡器。主振级输出的正弦信号经调制级和输出级后再经输出电路输出。

3 锁相技术在信号发生器中的应用

由频率可变的RC或LC振荡器作为主振级的信号源，其结构简单、频率范围宽，但是其频率稳定度只能做到10-4量级左右，频率稳定性和准确性较差。频率合成技术，能对一个基准频率或少数几个频率进行加、减、乘、除基本算数运算产生一系列所需频率，使信号发生器的频率稳定度和准确度有了大幅度提高，间接合成法，又称为锁相合成法，它是利用锁相环把压控振荡器的输出频率锁定在基准频率，再利用一个基准频率通过不同形式的锁相环从而合成所需要的频率。

3.1 锁相环的原理

基本锁相环是由相位比较器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成的闭合环路，相位比较器用来比较两个输入信号的相位，输出信号v D （t） 是输入信号 v i （t） 和振荡器输出信号 v o （t） 的相位差，该误差电压信号通过环路滤波器滤除高频分量和噪声后，输出低频信号 v C （t） 作为CO 的控制信号。在控制电压 v C （t） 作用下， VCO 输出信号 v o （t） 的频率发生变化并反馈到相位比较器。压控振荡器的振荡频率可通过电压进行控制，通常，可利用变容管作为回路电容。环路滤波器则是一个低通滤波器，用来滤除相位比较器输出的噪声和高频成分，以改善环路性能稳定环路的工作。

当没有基准输入信号时，环路滤波器的输出为零或某一固定值。这时，压控振荡器按其固有频率fo进行自由振荡。当输入频率fi为基准频率fr，锁相环开始工作时，压控振荡器VCO固有输出信号频率fo和fr是不等的，存在着固有频差Δf，Δf=fo-fr。ui 和uo同时加到相位比较器进行鉴相，相位比较器将输出与这个相位差变化相应的误差电压ud，该误差电压再通过环路滤波器滤去其中的高频成分，输出一个控制电压uc，加到压控振荡器VCO上，uc将使压控振荡器VCR的频率朝着减小Δf的方向变化，出现频率牵引现象，fo向fr越来越靠拢，最后使fo= fr，环路锁定。锁相环进入锁相的一个基本特征就是压控振荡器的输出信号uo与环路的输入信号ui（即参考信号）之间只存在一个稳态相位差，而不存在频率差。环路从失所状态进入到锁定状态也叫捕捉过程。若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，当环路处于锁定状态时，环路输出频率可以精确地捕捉并跟踪上述输入频率的变化，这时环路所处的状态为跟踪状态，即环路的跟踪特性。因此，只要锁相环处于锁定状态，就有fo= fr，则所需要的输出频率的稳定度就可提高到基准频率的同一个量级。

3.2 锁相环在频率合成电路中的应用

利用锁相环对频率进行合成，即由一个基准频率通过加、减、乘、除的基本算术运算，产生一系列所需频率。在一个锁相合成式的信号源中，需要用到不同形式的锁相环，以便在一定频率范围内得到步进的或者连续可调的输出频率。基本锁相环有：（1）混频锁相环：能对输入频率进行加减运算的锁相环。在基本锁相环的反馈支路中加入混频器和带通滤波器即可实现混频锁相环，如果混频器是和频式的，那么输出频率就是两个基准频率fi1和fi2之差，如果混频器是差频式的，则输出频率就是fi1和fi2之和。通常，fi1 是由石英晶振提供，fi2是由连续可调的LC内插振荡器提供，尽管fi2比fi1小两个量级，其输出频率的稳定度仍能保持与基准频率同一个量级；（2）倍频锁相环：可以对输入频率进行乘法运算的锁相环。常见的有脉冲倍频环和数字倍频环，脉冲倍频环是由基本锁相环和包括高稳定晶体振荡器在内的脉冲形成电路而组成的，脉冲形成电路产生的窄脉冲包含多次谐波成分，选择其中的第N次谐波和压控振荡器信号在相位比较器中进行相位比较，在环路锁定时，满足倍频的要求。数字倍频环则在基本锁相环支路中加入数字分频器，当环路锁定时，则fo=Nfi，改变分频系数N就能改变倍频的大小；（3）分频锁相环：可以对输入频率进行除法运算的锁相环。其输出频率fo=fi/N，与倍频锁相环相似，也有脉冲环和数字环两种；（4）组合式锁相环：一个实用的合成信号源，采用单一的锁相环是不够的，一般都是由多环合成单元组成，形成组合式锁相环。这种锁相环就是在环路的反馈支路中加入混频器、分频器、带通滤波器等，实现在两个锁定点之间的连续调节。

在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常可用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，因此将其作为基准频率，利用锁相环的倍频、分频等频率合成技术，获得多频率、高稳定度的振荡信号输出。

4 结论

综上所述，锁相式频率合成能将基准频率的准确度转移到所需的任意频率上，使信号发生器的频率稳定度和准确度可达到与基准频率相同的量级，即晶振的水平，且可在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。作为一种宽带高稳信号源，它在多个领域广泛应用。

参考文献：

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