前面我們稍微熟悉了電信號相位及相移的概念，今天開始初識下“高大上”的鎖相環電路，簡稱PLL電路，PLL鎖相環是個系統級電路，內部由多個模塊電路組成，雖用的不多、用起來用好也比較難，但其在特定應用設計裡可是極其重要的電路，是提升重要性能指標的關鍵一步。對於我們普通設計者、學習者而言，鎖相環，單聽這個詞就給人感覺不簡單、不一般，因其牽涉的技術面太廣、太深，包括放大電路、濾波積分、正負反饋、噪聲處理、鑑相器、分頻器、振盪器、信號動態響應優化匹配等等太多太多，用一本書的篇幅來描述該電路也未必夠用，要想充分理解、體會到PLL電路的精髓和其設計應用技巧，普通設計者、學習者僅憑勤奮還遠遠不夠，必須要有過硬的技術基礎和較強的實踐調試經驗。PLL電路可以說是名副其實的“高大上”電路，很多高精尖的電子產品裡，尤其是軍用高端武器裡，PLL電路在產品電子技術設計裡，有著不可動搖的重要地位，是提升並保障高性能參數指標的重要設計部分。PLL電路會用和善用區別很大，會用僅僅代表入門，但要想充分發揮PLL電路在設計裡的價值還遠遠不夠；善用才是充分理解透PLL電路的設計應用技巧，熟練掌握對其各項參數指標優化和穩定的方法，深知系統前後級電路對接設計的注意事項等等，善用是所有設計者追求的目標，從而真正達到“人電合一”的境界，即不要刻意為了學電路或者完成某項任務而學，學電路是為了能用、活用，能讓我們在實際項目裡，做那個能提出需求、評估需求、實現需求、優化需求的專業技術人才。
什麼是PLL鎖相環電路？
PLL鎖相環英文全稱：Phase Locked Loop，據說PLL的前身是在1932年被法國一哥們發明的，現在回想來看真是佩服那幫人，別說人家發明出這了，就是我們能熟練靈活地使用起來那也不簡單。通俗地講，PLL鎖相環電路是用於生成與輸入信號相位同步的新的信號電路，別看這簡簡單單一句話，內含豐富的信息量，宏觀上最重要理解這4點：
1.PLL鎖相環應用時，輸入輸出都是針對交流信號，且該交流信號波形種類固定，即輸入信號別用類似說話的音頻信號，波形種類變化無規律。
2.PLL鎖相環是一種反饋閉環跟蹤電路，可以實現與輸入信號相位同步（可能滯後、可能超前），不能保證與輸入信號相位相同，現實是由於內部電路的容抗、阻抗效應不可避免，輸出信號與輸入信號相位是不相同的。
3.PLL鎖相環輸出信號頻率可以被設計成是輸入信號頻率的N整數倍（N≥1），即可實現穩定倍頻的功能。
4.充分理解透“入鎖”和“失鎖”兩種狀態，從時序上理解兩者的內在聯繫，即所謂的“跟蹤”和“鎖定”之間的聯繫，所有設計應用的核心都將圍繞這兩個狀態來展開，也是理解PLL鎖相環精髓、評估PLL鎖相環電路優劣的關鍵地方。
PLL鎖相環電路基本組成
圖1：PLL鎖相環內部基本框圖
PLL鎖相環電路的基本組成框圖大家都很熟悉，由鑑相器PD、環路濾波器LF、壓控振盪器VCO三大基本部分組成（其實分頻器這一部分也很重要），對於這個技術框圖，不同的人看有不同的感受。今天這一次我們統一從基礎起點說起，化整為零，循序漸進，假以時日，你會發現PLL鎖相環其實也沒我們想得那麼難。
如何理解PD鑑相器？
鑑相器這個詞太抽象，咱們給它換個描述，何謂鑑相器？答曰：鑑相器有兩個輸入交流信號，在同一時間軸裡，能夠採集到這兩個輸入信號鄰近上升沿、鄰近下降沿到來的時差（就是大家常說的相位差），同時能夠生成並輸出與這時差成正比例關係的不同佔空比的交流信號的電路（好像還是有點繞，希望大家沒被繞暈），這就是電路的神奇之處，不僅能放大、抑制、變換調製解調信號、相位矯正信號等能力，還能抓取兩個輸入信號上升沿到來的時差，即相位差，只有我們想不到，沒有電路做不到。這次我們不討論鑑相器內部電路工作原理，可以大概瞭解下這裡面離不開觸發器的功勞，下次找機會單獨對這塊進行分析討論，這裡只要理解鑑相器在鎖相環裡的具體作用和信號輸入輸出關係即可達到應用級能力，啥也不說，看圖分析，下圖2裡的三個階段（I,II,III）分別對應相位滯後、相位鎖定、相位超前3個狀態下鑑相器輸入、輸出信號時序圖，其中第I和第III階段就是所謂的“失鎖”狀態，這時候的電路處於跟蹤捕捉狀態，第II階段就是所謂的“鎖定”狀態，即跟蹤捕捉完畢已鎖相。
圖2：鑑相器對應輸入輸出信號時序圖
如何理解LF環路濾波器？
這裡的環路濾波器也叫低通濾波器LF，但個人更願意叫積分器，合理調整RC充放電時間常數t0(t0肯定遠大於鑑相器輸出信號週期t1)，將鑑相器輸出的交流信號積分成直流信號，生成控制電壓信號，去控制VCO振盪頻率，這裡要注意，這裡的LF積分器可不是簡單的積分器，不能一味的增大積分器的RC充放電時間常數，還得肩帶濾波功能，需配合考慮截止頻率和鎖相的動態響應性能，同時某些PLL鎖相環內的電路里還兼具直流靜態信號偏移功能，既確保在鑑相器輸入信號的相位差在合理區間內無論怎麼變化（一般是0~180°），LF輸出都為正電壓信號，有效控制VCO。如下圖3所示對應輸入信號的相位差和LF輸出信號關係圖，某PLL鎖相環裡的環路濾波器LF的輸出信號波形如上圖2所示。
圖3：輸入信號的相位差和LF輸出信號關係圖
如何理解VCO壓控振盪器？
VCO壓控振盪器為PLL鎖相環電路的輸出端，根據LF輸出不同的直流控制電壓，對應輸出指定頻率的交流信號，同時也是反饋信號的源端，將VCO的輸出反饋給鑑相器的反饋信號輸入端，實現閉環反饋自動控制，從而實現與輸入標準信號的相位同步。圖4是對應LF輸出電壓和VCO輸出頻率關係圖。
圖4：LF輸出電壓和VCO輸出頻率關係圖
PLL鎖相環存在價值？
為什麼有人要發明PLL鎖相環電路？有何意義嗎？常言道存在即合理，主要作用如下：
1.解決了直接可通過單一輸入信號源，通過電路（非人為CPU邏輯運算代碼實現）來實現輸出信號的自動跟蹤鎖定，典型應用如市電220V採集計算有功功率等參數時，藉助PLL鎖相環64倍頻或128倍頻，配合過零檢測電路，實現電路自動觸發AD精確採集一個週期內的64個或128個信號點，確保換算結果的精度。
2.PLL也可用於高頻電路，對於傳統基於超外差式接收機的產品設計，如收音機、雷達等設備，藉助PLL電路，可以省去傳統超外差式接收機電路里漂移大、頻率輸出不準的本振電路模塊，用PLL代替鎖相跟蹤，使輸出信號頻率本質上得到優化，更穩定精確。
當然PLL電路作用很多很廣，限於本人能力有限，不能一一描述，今天就先到這，讓大家對PLL鎖相環有個初步認識，後期找機會再深究。
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