锁相环路的基本工作原理nh

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1、第1章锁相环路的基本工作原理第1节锁定与跟踪的概念第2节环路组成第3节环路的动态方程第4节一阶锁相环路的捕获、锁定与失锁第1节锁定与跟踪的概念锁相环路(PLL)是一个相位跟踪系统,是关于相位的负反馈自动控制系统。Ui是输入信号的幅度；ωi是载波角频率；θi(t)是以载波相位ωit为参考的瞬时相位。若输入信号是未调载波（固定频率）,θi(t)即为常数,是ui(t)的初始相位；若输入信号是角调制信号(包括调频调相),θi(t)即为时间的函数。(1-1)设输入信号Uo是输出信号的幅度；ωo是环内被控振荡器的自由振荡角频率；θo(t)是以自由振荡的载波相位ωot为

2、参考的瞬时相位,在未受控制以前它是常数,在输入信号的控制之下,θo(t)即为时间的函数。(1-2)设输出信号Uo是输出信号的幅度；ωo是环内被控振荡器的自由振荡角频率；θo(t)是以自由振荡的载波相位ωot为参考的瞬时相位,在未受控制以前它是常数,在输入信号的控制之下,θo(t)即为时间的函数。(1-2)设输出信号锁相环是相位控制系统，输入信号的幅度通常是固定的，对环路起作用的是其瞬时相位；输出信号的幅度通常也是固定的，但其瞬时相位受输入信号瞬时相位的控制。研究：瞬时相位的控制关系一.相位关系的描述(1-1)(1-2)由于参考不同，θi(t)和θo(t)无法

3、直接比较。为便于比较，需要选择统一的参考相位。以ωot可作为参考，输入信号的瞬时相位(1-4)(1-5)环路的固有频差再令(1-6)以ωot为参考的输入瞬时相位(1-7)同理,输出信号的瞬时相位：(1-8)(1-9)环路的瞬时相位差（二矢量间夹角）(1-10)瞬时频差（二矢量旋转速度差）(1-11)环路的工作状态：当输入信号频率（输入矢量的旋转速度）与输出信号频率（输出矢量的旋转速度）不同时，二矢量相对旋转，夹角随时间无限增大，绕过一周又一周——失锁状态；环路的工作状态：当输入信号频率（输入矢量的旋转速度）与输出信号频率（输出矢量的旋转速度）相同时，二矢量相

4、对位置（夹角）维持不变,通常数值较小——锁定状态。环路的工作状态：当输入角频率（输入矢量的旋转速度）与输出角频率（输出矢量的旋转速度）不同时，二矢量相对旋转，夹角随时间无限增大，绕过一周又一周——失锁状态；当输入角频率（输入矢量的旋转速度）与输出角频率（输出矢量的旋转速度）相同时，二矢量相对位置（夹角）维持不变,通常数值较小——锁定状态。二、捕获过程从输入信号加到锁相环路的输入端开始,一直到环路达到锁定的全过程,称为捕获过程。一般Δωo≠0，若没有相位跟踪系统的作用,两信号之间相差将随时间不断增长。在环路的控制作用下，只要Δωo在一定范围内，会迫使输出信号的

5、相位跟踪输入信号相位的变化，二信号相差不会随时间无限增长，最终会保持在有限范围内。图1-3捕获过程中瞬时相差与瞬时频差的典型时间图三、锁定状态同步（跟踪）状态：捕获状态终了,环路的状态稳定在(1-12)实际运行中的锁相环，由于信号调制或干扰、噪声等原因，输入信号的相位通常是随时间变化的；经过环路的跟踪作用，输出信号的相位跟随其变化，其间相差也会随之变化，只要在此过程中，始终满足上式，则仍称其处于同步状态。环路输入固定频率信号,即θi(t)=θi=常数，dθi(t)／dt=0：将同步状态条件代入：将此式代入输出信号表达式：由上可知,在输入固定频率信号的条件之下

6、,环路进入同步状态后,输出信号与输*入信号之间频差等于零,相差等于常数,即常数锁定状态四、环路的基本性能要求1.捕获过程性能主要指标:环路的捕获带Δωp:环路能通过捕获过程而进入同步状态所允许的最大固有频差｜Δωo｜max。若Δωo>Δωp,环路就不能通过捕获进入同步状态。故(1-14)图1-3捕获过程中瞬时相差与瞬时频差的典型时间图捕获时间Tp:它是环路由起始时刻t0到进入同步状态的时刻ta之间的时*间间隔,即决定于环路参数及起始状态有关。一般情况下输入起始频差越大,Tp也就越大。通常以起始频差等于Δωp,来计算最大捕获时间,并把它作为环路的性能指标之一

7、。(1-15)2.同步状态主要性能指标:环路的同步带ΔωH:环路能够保持锁定状态所允许的最大固有频差｜Δωo｜max。Δωo>ΔωH,环路将不能维持锁定。图1-4锁相环路的基本构成第2节环路组成一、鉴相器作用：是一个相位比较装置,用来检测输入信号相位θ1(t)与反馈信号相位θ2(t)之间的相位差θe(t)。输出的误差信号ud(t)是相差θe(t)的函数。鉴相特性有正弦形、三角形以及锯齿形特性等等。正弦鉴相器模型常用的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤波器的串接作为模型：正弦鉴相器特性设相乘器的相乘系数为Km［单位为1／V］,输入信号ui(t)与反馈信号uo(

8、t)经相乘作用再经过低通滤波器(LPF)滤除2ωo成