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摘要：本文首先介绍锁相环的基本组成及原理，进而分析锁相环路锁定状态，归纳总结出三种判断锁相环路锁定的方法，并对三种方法进行对比分析。
关键词：锁相环；频率测量法；电平指示法；波形观察法
锁相技术是一种相位负反馈控制技术，锁相环电路具有极优良的性能，它的主要特点是：①锁定时无剩余频差；②具有良好的窄带载波跟踪性能；③具有良好的宽带调制跟踪性能；④门限性能好；⑤易于集成。所谓锁相环是能够实现两个信号相位同步的闭环反馈自动控制系统。一旦环路相位锁定，输出信号的频率就跟踪输入信号的频率，两个信号之间保持一个固定的相位差。正是由于锁相环的自动频率跟踪的特点，该技术可以用于频率合成，数字通信的同步系统、窄带跟踪接收、调频调相、双边带或单边带调幅信号的同步解调，以及作为跟踪飞行器（如人造卫星、火箭等）的锁相相关应答器等。从以上对锁相环的论述上，出现最多的词是“跟踪” 和“ 同步”，也就是锁相环可以使两个信号保持一个稳定的关系，这被称之为“锁定”，锁定是锁相环的重要特征，当进人锁定状态后，输出信号的频率将严格地随着输入信号的频率变化，说明锁相环进人了正常的工作状态，所以，判别锁相环的锁定是非常重要的，而且，锁相环的许多重要指标如同步带和捕捉带均与锁定状态有关。以下归纳和总结几种判别锁相环锁定的常用方法。
1． 频率测量法
频率测量法是判别锁相环是否锁定的最常用的方法，它正是从锁相环的特点得来的。锁相环锁定后，其输出信号的频率与输入信号的频率严格保持一个同步关系，甚至输出信号的频率等于输入信号的频率。因此，可以采用测量输入、输出信号的频率的方法，来判别锁相环是否锁定。如图1所示。
图1 频率测量法的测试框图
图1 是一个基本锁相环（分频比为1），测量输入、输出频率的示意图，当锁相环锁定后，输入信号的频率和输出信号的频率相等，即：f0= fR。因此，通过观察输入端和输出端频率计上所测量的频率值是否相等，便可知该锁相环是否锁定。
在测量锁相环的同步带和捕捉带时，用此方法非常方便。比如测量捕捉带。先把输入信号频率调到一个较小的值，此值的选择原则是测量输出信号频率的频率计上的显示值与测量输入信号频率的频率计上的显示值不一致即可。然后，慢慢增大输入信号的频率直到出现输入端频率计显示的频率与输出端频率计上显示的频率相等了，此频率点就是捕捉带的下端频率fRmin。同理，将输入信号频率调到一个较大值，使锁相环失锁。然后，慢慢减小输入信号的频率直到出现输入端频率计显示的频率与输出端频率计上显示的频率相等，此频率点为捕捉带的上端频率fRmax。因此可测得捕捉带为：
△fv = fRmax -fRmin
同步带可以照此方法测量测量得到。
2.电平指示法
电平指示法是取出能反映锁相环锁定状态的信号，加在一个外电路上，通过该电路来表现出锁相环是否锁定。也就是说要采用电平指示法判别锁相环的锁定状态，必须与波形观察法一样，锁相环电路必须有能说明是否锁定的输出信号。以CD4046为例，解释如何应用电平指示法判断锁相环的锁定状态。通过波形观察法中的叙述，我们知道，CD4046的1脚所提供的输出信号能反映出该锁相环锁定与否。为此，可以在1脚外加一个电平指示电路，如图2 所示，来显示出其锁定状态。
（A）失锁状态 （B）锁定状态
图2 电平指示法电路
图2（A）是失锁状态电路，二极管D1的负极端接的是CD4046 的1脚，即当1脚输出是脉冲信号（失锁状态）时，二极管D1在脉冲的高电平时关断，低电平时导通，因此电容C1上无法积累电荷，三极管Q1也就无法导通，所示发光二极管LED1不发光。图2（B）是锁定状态电路，当1脚输出是直流电平（锁定状态）时，二极管D1总是处于关断状态，电容C1由电源12V通过R2充电，给三极管Q1基极加上偏置信号，Q1导通，发光二极管LED1被点亮。所以，该电路作为电平指示电路，能够表现出锁相环的锁定状态。
3.波形观察法
波形观察法是通过用示波器观察锁相环电路中某点的波形来判别是否锁定。在一些锁相环电路特别是数字锁相环电路中，有一个或多个输出脚上的波形能反映出它是否锁定。仍以CD4046数字锁相环集成电路为例。CD4046数字锁相环芯片中有两个鉴相器，一个是由数字逻辑异或门组成的鉴相器，一个是由边沿控制的数字比相器和互补CMOS输出结构组成的三态输出式鉴相器。第二个鉴相器的工作原理是输入信号f0和fR 输出信号f0分别加在其输入端，通过两个信号的上升沿触发，产生一个脉冲信号，脉冲信号再经过后面的低通滤波器，变成控制电压，控制压控振荡器调节其振荡频率，使其与输入信号的频率一致。如果输入信号和输出信号不存在相位差，即处于锁定状态，那么，鉴相器的输出处于高阻状态。正是由于CD4046的鉴相器有这样的特点，便可以利用它，采用观察其输出波形来判断锁相环是否锁定。
4.结论
在此总结的三种判定锁相环锁定的方法以第一种最为可靠、准确和通用，因为第一种方法是为锁相环的特点出发，来判别其锁定状态的，因此对于所有的锁相环电路均可用此方法进行判别和测量。后两种方法使用起来有较大的局限性，必须要求锁相环电路中有能反映锁定状态的输出信号，方可使用。特别是现在所用锁相环基本都是集成锁相环芯片，有的芯片有提供该信号的引脚，有的则没有，因此，这两种方法的普遍性较差，而且这两种方法仅能反映锁定状态，不能进行测量锁定频率。所以，后两种方法可以作为第一种方法的辅助和补充。
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论文作者:苏振玲
论文发表刊物:《基层建设》2015年22期供稿
论文发表时间:2016/3/21
标签：频率论文; 锁相环论文; 信号论文; 频率计论文; 状态论文; 测量论文; 电路论文; 《基层建设》2015年22期供稿论文;