锁相环编辑本段回目录
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能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。锁相环的基本结构如图1，其中鉴相器用来鉴别输入信号ui与输出信号u0之间的相位差,并输出误差电压ud。ud中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器(VCO)的控制电压uC。uC作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率f0拉向环路输入信号频率fi,当二者相等时，环路被锁定，称为入锁。维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。环路闭合后能自动进入锁定状态的输入信号频率最大变化范围的二分之一称为捕捉带。环路能保持锁定状态的输入信号频率最大变化范围的二分之一称为同步带。捕捉带通常小于同步带，在极限情况下二者相等。捕捉带与同步带是锁相环的重要参数，前者影响入锁的可靠性，后者决定入锁后相位误差的大小，因而实用的锁相环应具有足够大的捕捉带与同步带。
环路部件 鉴相器有多种类型，余弦型鉴相器最为常用,其特性如图2。其中墹ψ是两个输入信号之间的相位差，U
是误差电压ud的最大值。鉴相特性的表示式为ud=Ucos墹ψ。鉴相特性正向过零点的斜率kd称为鉴相器灵敏度（伏/弧度）,对于余弦型鉴相器kd的数值等于U。压控振荡器的控制特性如图3。图中f0是压控振荡器输出信号频率,f
是控制电压为零时的频率，称为压控振荡器的自由振荡频率。特性曲线在f处的斜率k0称为压控振荡器的灵敏度（弧度/秒·伏）。常用的环路滤波器电路如图4。它们的传递函数为kFF(s)。对于图4a
采用余弦型鉴相器的锁相环入锁后，鉴相器两端的剩余相位差墹ψs的计算公式为，称为开环频差;kDC=kdkFF(0)k0,称为环路直流总增益。如果环路内只有鉴相器是非线性部件，则锁相环的同步带就等于kDC。采用无源比例积分滤波器的环路通常取R1>>R2,这时捕捉带与同步带的比值近似等于
。对于高频信号,比例积分滤波器的传递函数蜕化为kF,因而乘积kdkFk0称为环路高频交流总增益，简称交流总增益，用k表示。对于kDC>>k的环路，称为高增益二阶锁相环；大多数实际应用的锁相环属于高增益二阶锁相环。以输入信号相位ψi为输入量、压控振荡器信号相位ψ0为输出量时，二阶高增益锁相环的传递函数为 
,ωn 的取值随用途不同差别很大,窄带环路的ωn值小,反之则大。ζ和ωn的计算公式分别为
采样锁相环 用采样保持电路作鉴相器的环路（图5）,亦称脉冲锁相环。采样保持电路由采样器和保持电路两部分组成。采样器是一个电子开关，在采样脉冲存在的时间内输出被采信号的瞬时值电压。保持电路使离散的采样器输出电压变成时间上连续的阶梯电压，此电压取决于采样脉冲和被采信号之间的相位关系,故可作为误差信号以控制压控振荡器,使环路入锁。对于被采信号，可以每周采样一次，也可以每隔N个周期采样一次，因此图5的环路等效于一个分频器，入锁后有f0=fi/N。如果把图5中的脉冲形成电路移到环路输入端，使输入信号形成采样脉冲并使之对压控振荡器信号采样，则可形成f0=Nfi的倍频环。调整f即可得到不同的N值，非常灵活方便,因此采样锁相环在频率合成器等仪器中应用甚广。
参考书目
F.M.Gardner,Phaselock Techniques, 2nd ed.,Wiley,New York,1979.
A.J.Viterbi，Principles of Coherent Communication,McGraw-Hill，New York，1966.
W.C.Lindsey，Synchronization Systems in Communication and Control，Prentice Hall，Englewood Cliffs,NewJersey,1972.
环路部件 鉴相器有多种类型，余弦型鉴相器最为常用,其特性如图2。其中墹ψ是两个输入信号之间的相位差，U
是误差电压ud的最大值。鉴相特性的表示式为ud=Ucos墹ψ。鉴相特性正向过零点的斜率kd称为鉴相器灵敏度（伏/弧度）,对于余弦型鉴相器kd的数值等于U。压控振荡器的控制特性如图3。图中f0是压控振荡器输出信号频率,f是控制电压为零时的频率，称为压控振荡器的自由振荡频率。特性曲线在f处的斜率k0称为压控振荡器的灵敏度（弧度/秒·伏）。常用的环路滤波器电路如图4。它们的传递函数为kFF(s)。对于图4a 
采用余弦型鉴相器的锁相环入锁后，鉴相器两端的剩余相位差墹ψs的计算公式为
，称为开环频差;kDC=kdkFF(0)k0,称为环路直流总增益。如果环路内只有鉴相器是非线性部件，则锁相环的同步带就等于kDC。采用无源比例积分滤波器的环路通常取R1>>R2,这时捕捉带与同步带的比值近似等于。对于高频信号,比例积分滤波器的传递函数蜕化为kF,因而乘积kdkFk0称为环路高频交流总增益，简称交流总增益，用k表示。对于kDC>>k的环路，称为高增益二阶锁相环；大多数实际应用的锁相环属于高增益二阶锁相环。以输入信号相位ψi为输入量、压控振荡器信号相位ψ0为输出量时，二阶高增益锁相环的传递函数为 
,ωn 的取值随用途不同差别很大,窄带环路的ωn值小,反之则大。ζ和ωn的计算公式分别为 
采样锁相环 用采样保持电路作鉴相器的环路（图5）,亦称脉冲锁相环。采样保持电路由采样器和保持电路两部分组成。采样器是一个电子开关，在采样脉冲存在的时间内输出被采信号的瞬时值电压。保持电路使离散的采样器输出电压变成时间上连续的阶梯电压，此电压取决于采样脉冲和被采信号之间的相位关系,故可作为误差信号以控制压控振荡器,使环路入锁。对于被采信号，可以每周采样一次，也可以每隔N个周期采样一次，因此图5的环路等效于一个分频器，入锁后有f0=fi/N。如果把图5中的脉冲形成电路移到环路输入端，使输入信号形成采样脉冲并使之对压控振荡器信号采样，则可形成f0=Nfi的倍频环。调整f
即可得到不同的N值，非常灵活方便,因此采样锁相环在频率合成器等仪器中应用甚广。 
参考书目
F.M.Gardner,Phaselock Techniques, 2nd ed.,Wiley,New York,1979.
A.J.Viterbi，Principles of Coherent Communication,McGraw-Hill，New York，1966.
W.C.Lindsey，Synchronization Systems in Communication and Control，Prentice Hall，Englewood Cliffs,NewJersey,1972.
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