鑒相器

鑒相器（phasedetector）指的是能夠鑑別出輸入信號的相位差的器件，是使輸出電壓與兩個輸入信號之間的相位差有確定關係的電路。它是PLL，即鎖相環的重要組成部分。

基本介紹

• 中文名：鑒相器
• 外文名：PhaseDetector
• 定義：能夠鑑別出輸入信號的相差的器件
• 地位：鎖相環的基本部件之一

類比說明

機理類比：大家都在跟著音樂跳舞，有一個舞蹈教練發現大家的動作節奏跟不上音樂了，慢了半個拍子（類似於有了相位差），於是換了一個緩慢一點的音樂，以便大家能跟得上節奏。

所謂鑒相器，就是指鑑別相位的射頻器件，又叫相位比較器，是輸入信號、反饋信號之間的相位差與其輸出電壓有確定關係的電路，如圖1所示。

圖1 鑒相器

鑒相器的功能就像一個相位監察機構，發現輸入信號和反饋信號的相位差別，然後通過合理的方式表示出這個差別，這個表現形式就是電壓。表示相位差和輸出電壓確定關係的函式稱為鑑相特性。鑒相器是鎖相環的基本部件之一。

定義

鑒相器，使輸出電壓與兩個輸入信號之間的相位差有確定關係的電路。表示其間關係的函式稱為鑑相特性。鑒相器是鎖相環的基本部件之一，也用於調頻和調相信號的解調。常見的鑒相特性有餘弦型、鋸齒型與三角型等。鑒相器可以分為模擬鑒相器和數字鑒相器兩種。二極體平衡鑑相器是一種模擬鑒相器。兩個輸入的正弦信號的和與差分別加於檢波二極體 ，檢波後的電位差即為鑑相器的輸出電壓。這種鑒相器的鑒相特性為鋸齒形。因它兼具鑒頻作用，故稱鑒頻鑒相器。

PLL介紹

我們所說的PLL。其實就是鎖相環路，簡稱為鎖相環。許多電子設備要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內部的振盪信號同步，利用鎖相環路就可以實現這個目的。鎖相環路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環（PLL）。

特點

鎖相環的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環路內部振盪信號的頻率和相位。

因鎖相環可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環通常用於閉環跟蹤電路。鎖相環在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環名稱的由來。

組成

鎖相環主要有模擬鎖相環，數字鎖相環以及有記憶能力（微機控制的）鎖相環。

鎖相環通常由鑒相器（PD）、環路濾波器（LF）和壓控振盪器（VCO）三部分組成。

鎖相環組成的原理框圖

鎖相環中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號之間的相位差，並將檢測出的相位差信號轉換成uD（t）電壓信號輸出，該信號經低通濾波器濾波後形成壓控振盪器的控制電壓uC（t），對振盪器輸出信號的頻率實施控制。

原理

鑒相器特性用ud（t）=kdf【θe（t）】表示。式中kd為鑑相器的增益係數；θe（t）=θ1（t）－θ2（t），表示兩個輸入信號之間的相位差。函式f【·】表示鑒相特性，它反映鑒相器的輸出電壓 ud（t）與相位差的關係。常見的鑒相特性有餘弦型、鋸齒型與三角型等。

數字鑒相器電路(圖2)

基本原理

在比相的信號雖然經過了一系列處理，但仍可能含有干擾信號。其信號的特點：

相差控制電路

1.噪聲的影響在轉變成方波後只存在於理想方波的前後沿附近，而高低電平 中 間部分不受噪聲影響；

2.被鑒相信號的頻率一致，而且存在一定的相位差，使兩路信號的沿互相錯開 ，每一路受噪聲影響的前後沿正好對應於另一路不受影響的電平部分。

而一般的鑒相器都沒有抑制噪聲的能力，即使是一點小的抖動也將導致鑒相的失敗。故本設計利用觸發器的邊沿觸發和鎖存功能設計了高抗噪聲數字鑒相器，採用VHDL語言編制調試了鑒相器功能。

分類

模擬鑒相器

二極體平衡鑑相器是一種模擬鑒相器。兩個輸入的正弦信號的和與差分別加於檢波二極體，檢波後的電位差即為鑑相器的輸出電壓。其鑒相特性通常為餘弦型的。鑒頻鑒相器是一種數字鑒相器。兩個輸入信號是脈衝序列，其前沿或後沿分別代表各自的相位。比較這兩個脈衝序列的頻率和相位即可得到與相位差有關的輸出。這種鑒相器的鑒相特性為鋸齒形。因它兼具鑒頻作用，故稱鑒頻鑒相器

二極體平衡鑑相器

這是一種模擬鑒相器。二極體D1、D2和C1R1、C2R2構成兩個峰值檢波器。兩個輸入的正弦信號u1（t）=U1sin（ωt+θ1）、u2（t）=U2sin（ωt+θ2） 的和與差分別加於檢波二極體D1和D2，檢波後的電壓差即為鑑相器的輸出電壓ud。當U2U1時，ud∝U1cos（θ1－θ2）。在這種情況下，它的鑒相特性是餘弦型的（圖2a）。

相差檢測電路

頻鑒相器

數字鑒相器

這是一種數字鑒相器。兩個輸入信號是脈衝序列，其前沿（或後沿）分別代表各自的相位。比較這兩個脈衝序列的頻率和相位即可得到與相位差有關的輸出。比相器可由觸發器構成。當兩個輸入信號u1和u2同頻同相時，觸發器沒有輸出，充電電流等於零。當u1脈衝序列超前於u2時，觸發器產生一個其寬度與相位差成正比的正脈衝，充電電路被充電，其輸出電壓為正值，大小與充電脈衝寬度成正比。若u1落後於u2,則觸發器輸出一個負脈衝，充電電路的輸出為負值。這種鑒相器的鑒相特性為鋸齒形。這種鑒相器兼具鑒頻作用，故稱鑒頻鑒相器。

樣鑒相器

由取樣器和保持電路兩部分組成。圖4是原理電路，4個二極體構成取樣器，電容器Cd構成保持電路。當被鑒相信號u0（f0,θ0）的頻率f0正好等於取樣脈衝ui（fi,θi）的頻率fi的整數倍時，每次取樣的電壓值相等。鑒相器的輸出電壓ud為保持電容器Cd上的直流電壓。當f0厵nfi時，每次取樣的電壓值不等，輸出電壓ud為階梯形的交流電壓。取樣鑒相器輸出的電壓和相位差成正弦關係。

相乘型鑒相器

包括雙平衡差分模擬鑒相器，電流比率模擬相乘器等。

門鑒相器

包括或門，異或門，與非門，或非門，異或非門等。

背景知識

隨著數字電路技術的發展，數字鎖相環在調製解調、頻率合成、FM 立體聲解碼、彩色副載波同步、圖象處理等各個方面得到了廣泛的套用。數字鎖相環不僅吸收了數字電路可靠性高、體積小、價格低等優點，還解決了模擬鎖相環的直流零點漂移、器件飽和及易受電源和環境溫度變化等缺點，此外還具有對離散樣值的實時處理能力，已成為鎖相技術發展的方向。鎖相環是一個相位反饋控制系統，在數字鎖相環中，由於誤差控制信號是離散的數位訊號，而不是模擬電壓，因而受控的輸出電壓的改變是離散的而不是連續的；此外，環路組成部件也全用數字電路實現，故而這種鎖相環就稱之為全數字鎖相環（簡稱DPLL）。數字鎖相環主要由數字鑒相器、可逆計數器、頻率切換電路及N分頻器四部分組成。數字鑒相器就是DPLL的主要單元。

信號的仿真波形

用途

電視機，VCD,DVD,錄像機，攝錄機，各種通訊接收機，測試儀器等等；在其他領域，如通訊，雷達，航天，航海，測量，計算機，紅外技術，雷射，原子能，馬達控制，地質等等獲得了廣泛的套用。