锁相环路的工作原理

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1、第2章锁相环路的工作原理锁相环路是一个闭环相位控制系统。对它的研究须建立完整的数学模型，继而以模型为基础，分析它在各种工作状态下的性能。因此，在进行分析研究锁相环的性能之前，先就锁相环的基本工作原理、相位模型及传递函数进行阐述，这些都是分析锁相环性能的基础。2.1锁相环路的基本工作原理2.2锁相环路的相位模型及动态方程2.3锁相环路的传递函数本章结构32.1锁相环路的基本工作原理2.1.1锁相的基本概念锁相是相位锁定的简称，是表示两个信号之间的相位同步。如两个正弦信号为：因为锁相环是相位控制系统，所以，在输入或输出信号中起作用的是它的瞬时频率或瞬时相位，其幅值通常是固定的。——瞬时

2、角频率；——初始相位；——瞬时相位——瞬时角频率；——初始相位；——瞬时相位42.1.1锁相的基本概念两个信号相位同步的条件：固定值（1）当时，两者的瞬时相差不随时间变化，称这两个信号相位同步。为常数（2）当时，只要有时间变化，瞬时相位差就不可能为一固定值，而是随时间变化，称这两个信号相位不同步。52.1.2锁相环的构成（一）构成鉴相器环路滤波器压控振荡器锁相环路是由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三个基本部件组成的。通常采用英文缩写表示：鉴相器——PD(Phasedetector)环路滤波器——LF(LoopFilter)压控振荡器——VCO(Voltage-ControlledO

3、scillator)6（1）PD的功能鉴相器对两个输入信号的相位进行比较，其输出误差电压反映了它的两个输入信号相位差的大小。（二）各部件的功能2.1.2锁相环的构成（2）LF的功能环路滤波器是低通滤波器，用于滤除鉴相器输出误差电压中的高频成分，起平滑滤波作用，它对环路参数调整起着决定性的作用，对环路性能有着重要的影响。（3）VCO的功能压控振荡器是一个电压/频率变换装置，它的输出振荡频率受输入电压的控制线性变化。72.1.3环路的工作过程压控振荡器工作在“自由振荡”状态（不受控），其振荡频率为，输出信号：（2）当有信号输入时，且固有频差大于环路滤波器截止频率时，即：锁相环路如何进行

4、相位锁定与跟踪，实现输出与输入信号的相位同步呢？下面对环路的入锁过程和跟踪过程作定性描述。（1）当环路无输入信号时：——VCO的固有振荡频率；——VCO的初始相位；输入信号：——输入信号的角频率；——输入信号的初始相位；82.1.3环路的工作过程为频率很高的正弦电压信号，经环路滤波器（低通）将被完全滤除，则加到VCO控制端的电压所以，压控振荡器输出频率仍然维持在固有频率上。此时，环路没有起到控制作用，环路处于不受控状态，，也称为失锁状态。（2）当有信号输入，且固有频差大于环路滤波器截止频率时：固有频差：很大92.1.3环路的工作过程失锁状态：102.1.3环路的工作过程（3）当有信

5、号输入，且固有频差低于环路滤波器的截止频率时：为频率较低的正弦误差电压信号该误差电压信号经过环路滤波器就不会被滤除掉，其滤波输出信号作为控制电压加在压控振荡器上，使VCO输出调频信号。固有频差：较小112.1.3环路的工作过程当压控振荡器就会受到这个差拍电压调制时，输出电压为中心角频率为、调制频率为的调频信号。VCO瞬时输出频率牵引频率固有频率122.1.3环路的工作过程捕捉状态（起始）：132.1.3环路的工作过程VCO瞬时频率时，瞬时频差最小，的频率低；时，瞬时频差最大，的频率高；所以，鉴相器的输出为一个上下不对称的差拍波。（4）VCO输出的调频波反馈到输入端时该VCO调频波与

6、输入正弦信号进行鉴相的结果是：捕捉状态（起始）：14（5）由于是上下不对称的差拍波，所以，含的直流成分和低频交流成分通过LF，而高频成分被LF滤除。的直流分量经LF加在VCO上，形成牵引电压，使VCO输出调频波的中心振荡频率向着的方向产生迁移。的基频交流成分对VCO进行调制，使VCO输出调频波。2.1.3环路的工作过程VCO瞬时频率捕捉状态（牵引过程）：基频交流分量的频率：152.1.3环路的工作过程捕捉状态（牵引过程）：162.1.3环路的工作过程直流成分低频交流成分牵引频率牵引后的中心频率172.1.3环路的工作过程（6）由于牵引电压的存在，鉴相器输出的误差电压更加不对称，那么

7、，误差电压中的直流成分就越来越大，基频交流成分的频率越来越低。基频交流分量的频率：（7）如此反复循环，越来越小，牵引电压越来越大，使VCO振荡频率向着输入频率逐渐靠近，最终。182.1.3环路的工作过程这个逐渐变大的直流分量经过环路滤波器后去控制压控振荡器，以更快的速度使压控振荡器的中心频率趋向输入频率。最后，压控振荡器的频率由原来的变成，环路便稳定在这个频率上，即所谓锁定状态。此时，鉴相器输出为一个直流电压，上述过程是环路通过频率牵引而得到锁定的过程，也称为捕捉过程