通信电子电路 教学课件 作者 何丰 第09章.ppt

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1、第九章锁相原理及应用通过更广泛的分析，我们可以说现代通信和测量系统中，需要能够跟随参考频率(如上述提到的载波)的变化而作相应变化的特种功能电路。9.1概述9.2模拟输入锁相环路的组成原理9.3锁相环路的基本运用方案9.4数字输入锁相环路的组成原理9.5电路系统的基准信号与锁相环9.1概述锁相技术的基本理论是反馈控制(FeedbackControl)系统理论，其本质是利用反馈比较来实现自动跟踪参考频率或相位的变化。其反馈控制系统的组成方框图可归结为反馈控制器和执行部件两部分，如图9-1-1所示。图中反馈控制器的作用是完成输出信号xo与输入参考信号x

2、i的电量或对应参量的比较识别。xe反映了比较识别后形成的误差大小。比较误差越小，说明xo跟踪xi的性能越好。常称xe为误差信号，其量纲为伏特或安培。图9-1-1反馈控制框图本章讲的反馈控制系统比较的是信号中的某个参数，因此，我们可以将本章的反馈控制系统称为参量反馈控制系统。若反馈控制器比较的是信号振幅，则称为幅度反馈控制电路，如自动电平控制(AutomaticLevelControl，ALC)电路；若比较的是信号频率，则称为频率反馈控制电路，如自动频率控制(AutomaticFrequencyControl，AFC)电路；若比较的是信号相位，则

3、称为相位反馈控制电路，如自动相位控制(AutomaticPhaseControl，APC)电路，如锁相环路(PhaseLockLoop，PLL)。原则上，频率跟踪和相位跟踪是两个不同的概念。相位跟踪的目的是xo的瞬时相位跟随xi的瞬时相位而改变；频率跟踪的目的则是xo的频率跟随xi的频率而改变。9.2模拟输入锁相环路的组成原理图9-2-1为对应的锁相环实现方框，它包括鉴相器(PD)，低通滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成的锁相环方框图。图9-2-1锁相环路组成方框图9.2.1锁相环路组成分析1.鉴相器(PD)图9-2-1中鉴相器是用来

4、比较输入vi(t)与输出vo(t)信号的瞬时相位比较器，其输出必然含有与相位差对应的误差电压信号分量。2.低通滤波器(LF)低通滤波器，也称环路滤波器，它的作用是滤除vd中的高频无用分量。为了跟踪的及时性，低通滤波器的截止频率不能太低。一旦输入信号频率保持不变，即dφi(t)/dt=0时，则在环路跟踪条件下最终可使vi(t)和vo(t)的频率相等，相差固定。通常称这种情况为相位的“锁定”，相应的vd为常数。3.压控振荡器(VCO)图9-2-1的压控振荡器是振荡频率受误差电压ve(t)控制的正弦振荡电路，它的输出振幅与误差电压ve(t)无关。因

5、此，我们可以说，在输入φi(t)缓慢变化(dφi(t)/dt较小)情况下，ve(t)应属于“小信号”工作。ωo=K0ve(t)+ωr式中，K0为VCO特性曲线在原点的斜率，称为压控灵敏度，单位为rad/(s·V)。由于鉴相器关心的是压控振荡器的输出相位φo(t)，因此上述线性关系可变为φo(t)=ωrt+∫Kove(t)dt式中的积分关系称为环路的固有积分环节9.2.2锁相环路的模型分析θe(t)=φi(t)－φo(t)=φi(t)－ωrt－Kove(t)/p=［φi(t)－ωrt］－Kove(t)/p=φΔi(t)－φoΔ(t)式中，φΔi

6、(t)=φi(t)－ωrt表示ve(t)=0时，输入vi(t)的相位与VCO输出相位之间的固有相差；φoΔ(t)=Kove(t)/p表示在θe(t)作用下，通过ve(t)对VCO输出相位的修正。式中，ωe为信号和vo(t)之间的瞬时频差。［dφi(t)/dt－ωr］为ve(t)=0时，输入vi(t)的频率与VCO输出频率ωr之间的原始频差，也称固有频差，记为Δωo。1.环路频率跟踪的定性分析如上所述，锁相环路就是受输入信号相位参数控制的压控振荡器，其负反馈控制过程使VCO输出信号相位与输入信号相位保持特定的跟踪关系，从而达到两信号频率的相等。为分

7、析方便，假设θe(t)处于一、四象限。2.环路的基本跟踪分析问题锁相电路的跟踪分析包含在vi(t)引起的不同φΔi(t)变化条件下，对环路相位跟踪的分析。最典型的情况有：在锁定条件下输入vi(t)的相位跳变以及输入vi(t)的频率变化两大类。9.2.3锁相跟踪的基本过程和概念1.环路相位跟踪的分析举例设环路滤波器为RC低通滤波器，如图9-2-8(a)所示。若VCO的输入阻抗为无穷大，则有F(s)=1/［1＋sτ］图9-2-8相位跟踪举例2.环路频率跟踪的分析举例设输入信号的频率变化为阶跃，即φΔi(t)=10/s2时，在式(9-2-15)

8、的RC低通滤波器条件下，可以求得θe(t)为整理得：θe(s)=10/ωn｛2ζ/s＋［－2ζs＋ωn（1－4ζ2）］/［s2＋2ζωn