锁相环基本原理.pdf

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1、锁相环基本原理一个典型的锁相环（PLL）系统，是由鉴相器（PD），压控荡器（VCO）和低通滤波器（LPF）三个基本电路组成，如图1，Ud=Kd(θi–θo)UF=UdF（s）UiPDLPFVCOUoθidθo=KUOFθodt图1一．鉴相器（PD）构成鉴相器的电路形式很多，这里仅介绍实验中用到的两种鉴相器。1．异或门鉴相器异或门的逻辑真值表示于表1，图2是逻辑符号图。输入输出AABFFB000011101__110F=AB+AB表1图2从表1可知，如果输入端A和B分别送2π入占空比为50%的信号波形，则当两者A存在相位差Δθ时，输出端F的波

2、形的占空比与Δθ有关，见图3。将F输出波B形通过积分器平滑，则积分器输出波形F的平均值，它同样与Δθ有关，这样，我们就可以利用异或门来进行相位到电压Δθ的转换，构成相位检出电路。于是经积图3分器积分后的平均值（直流分量）为：UU=Vdd*Δθ/π(1)Vcc不同的Δθ，有不同的直流分量Vd。Δθ与V的关系可用图4来描述。从图中可知，两者呈简单线形关1/2Vcc系：Ud=Kd*Δθ(2)1/2ππΔθKd为鉴相灵敏度图412．边沿触发鉴相器前已述及，异或门相位比较器在使用时要求两个作比较的信号必须是占空比为50%的波形，这就给应用带来了一些不

3、便。而边沿触发鉴相器是通过比较两输入信号的上跳边沿（或下跳边沿）来对信号进行鉴相，对输入信号的占空比不作要求。二．压控振荡器（VCO）压控振荡器是振荡频率ω0受控制电压UF（t）控制的振荡器，即是一种电压——频率变换器。VCO的特性可以用瞬时频率ω0（t）与控制电压UF（t）之间的关系曲线来表示。未加控制电压时（但不能认为就是控制直流电压为0，因控制端电压应是直流电压和控制电压的叠加），VCO的振荡频率，称为自由振荡频率ωom，或中心频率，在VCO线性控制范围内，其瞬时角频率可表示为：ωo（t）=ωom+K0UF（t）式中，K0——VCO控

4、制特性曲线的斜率，常称为VCO的控制灵敏度，或称压控灵敏度。三．环路滤波器这里仅讨论无源比例积分滤波器如图5。其传递函数为：R1U(s)sτ+1O2K(s)==FR2Ui(s)s(τ1+τ2)+1UiUo式中：τ1=R1CCτ2=R2C图5四．锁相环的相位模型及传输函数ei+oKdKF(s)Ko/s-A图6图6为锁相环的相位模型。要注意一点，锁相环是一个相位反馈系统，在环路中流通的是相位，而不是电压。因此研究锁相环的相位模型就可得环路的完整性能。由图6可知：2（1）当A点断开环路时，锁相环的开环相位传输函数为θ(s)KKK(s)odoFKL

5、(S)==θ(s)Si（2）环路闭合时的相位传输函数为θ(S)KKK(S)OdoFH（S）==θ(S)S+KKK(S)idoF（3）环路闭合时的相位误差传输函数为θi(S)−θo(S)θe(S)SHe（S）===θ(S)θ(S)S+KKK(S)iidoF当环路滤波器选用无源比例积分滤波器时，经推导可得：22ωnω+2(ξω−)SnnKH（S）=22S+2ξωS+ωnn2K式中，ω=，τ1=R1C,τ2=R2Cnτ+τ121Kτ22ξω=+nτ+ττ+τ12121K1ξ=(τ+),K=KdKo22τ+τK12同样可得：2ωnS+SKHe(S)

6、=22S+2ξωS+ωnnωn称为系统的固有频率或自然角频率；ξ称为系统的阻尼系数。要注意的是上面讨论中的ω指的是输入信号相位的变化角频率，而不是输入信号本身的角频率。如输入信号是调频信号，则ω指的是调制信号的角频率而不是载波的角频率。五．锁相环的同步与捕捉锁相环的输出频率（或VCO的频率）ωo能跟踪输入频率ωi的工作状态，称为同步状态，在同步状态下，始终有ωo=ωi。在锁相环保持同步3的条件下，输入频率ωi的最大变化范围，称为同步带宽，用ΔωH表示。超出此范围，环路则失锁。失锁时，ωo≠ωi，如果从两个方向设法改变ωi，使ωi向ωo靠拢，

7、进而使Δωo=（ωi－ωo）↓，当Δωo小到某一数值时，环路则从失锁进入锁定状态。这个使PLL经过频率牵引最终导致入锁的频率范围称为捕捉带Δωp。同步带ΔωH，捕捉带Δωp和VCO中心频率ωo的关系如图7。o-PH图7实验原理及步骤利用CMOS固有的低功耗、宽工作电源、集成度高等特点，可以设计出性能良好、使用方便的锁相环单片电路。其中CD4046是一种能工作在1MHZ以下的通用PLL产品，它广泛应用于通信计算机接口领域。图8示出CD4046的电路方框功能图。16在这个单片集成电路中，内含两个相位4046VCC14UiA1比较器，其中PD1是

8、异或门鉴相器；PD2PD12是边沿触发式鉴相器。另外电路中含有一个VCO，一个前置放大器A1，一个313低通滤波器输出缓冲放大器A2和一个PD241内部5V基准稳压管。96从图8