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
一、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，如三角波、锯齿波、矩形波、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，由于需要射频发射，把音频、视频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。
二、信号发生器的结构
信号发生器可以根据输出波形的不同，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和随机信号发生器等四大类。在实际测量中，正弦信号是使用最广泛的测试信号，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划分为若干种。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。
三、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，特别是锁相合成的应用，利用锁相环把压控振荡器的输出频率锁定在基准频率上，再利用基准频率通过不同形式的锁相环可以合成所需要的频率。
（一）锁相环的原理
锁相环的实质是一种反馈电路，英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。
在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。因此，所有板卡上各自的本地 80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。
基本锁相环是由相位比较器（ phase detector ）、环路滤波器（ loop filter ）压控振荡器（ voltage control oscillator）组成，相位比较器的输出信号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。
锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。当有频率为fR的参考信号输入时，uR 和uv同时加到相位比较器进行鉴相。如果fR和fv相差不大，相位比较器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，出现频率牵引现象，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv= fR，环路锁定。环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在，这时我们就称环路已被锁定。若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态为跟踪状态。因此，只要锁相环处于锁定状态，就有fv= 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。
（二）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，即进行加、减、乘、除算术运算。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（M）和带通滤波器（BPF）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。
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，改变分频系数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。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，一般都是由多换合成单元组成，形成组合式锁相环。在环路的支路中加入混频器、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，通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，因此利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。
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），且可以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，在多个领域广泛应用。
相关文献
[1]曾庆贵主编.《锁相环集成电路原理与应用》.上海科学技术出版社出版
[2]李春雷,管莉主编.《电子测量技术于电子产品检验》.电子工业出版社出版
[3]陈帅锋,侯小伟.《基于锁相环的正弦信号发生器设计》https://www.kj009.net
[4]张坤,陈义,张子才.《基于锁相环的频率合成器的设计》 .现代电子技术,2009,(19)
