锁相环路的基本工作原理.ppt

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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，方框表示如图1-1(a)。设输入信号(1-1)图1-1相位跟踪系统框图式中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，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。设输出信号(1-2)式中Uo是输出信号的

2、幅度；ωo是环内被控振荡器的自由振荡角频率，它是环路的一个重要参数；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。图1-2(a)所示。从图上可以得到两个信号的瞬时相位之差(1-3)前面已经说到，被控振荡器的自由振荡角频率ωo是系统的一个重要参数，它的载波相位ωot可以作为一个参考相位。这样一来，输入信号的瞬时相位可以改写为(1-4)(1-5)为输入信号频率与环路自由振荡频率之差，称为环路的固有频差。再令(1-6)为输入信号以ω

3、ot为参考的瞬时相位，因此，(1-4)式可以改写为同理，输出信号（以ωot为参考）的瞬时相位可以改写为(1-7)(1-8)(1-9)式中θ2(t)也是以ωot为参考的输出瞬时相位。利用(1-6)式和(1-9)式可表示输入和输出信号的相位。由于有了共同的参考，就很便于比较。将(1-6)式和(1-9)式代入(1-3)式，得到环路的瞬时相位差(1-10)应用上述描述方法，矢量图可以画成图1-2(b)。系统的瞬时相差θe(t)=θ1(t)-θ2(t)，瞬时频差(1-11)图1-2输入信号和输出信号的相位关系二、捕获

4、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。一般情况，输入信号频率ωi与被控振荡器自由振荡频率ωo不同，即两者之差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。图1-3捕获过程中瞬时相差与瞬时频差的典型时间图三、锁定状态捕获状态终了，环路的状态稳定在(1-12)下面讨论环路输入固定频率信号，即dθi(t)／dt=0时的特殊情况。这是环路分析中经常遇到的一种情况。此时式中θi为常数，是输入信号的起始相位。而将此式代入输出信号表达式(1-2)，得由上

5、可知，在输入固定频率信号的条件之下，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(1-13)四、环路的基本性能要求如上所述，环路有两种基本的工作状态。其一是捕获过程。评价捕获过程性能有两个主要指标。一个是环路的捕获带Δωp，即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)另一个指标是捕获时间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。即捕获时间Tp的大小除决定于环路参数

6、之外，还与起始状态有关。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。(1-15)环路的另一种基本工作状态是同步。环路锁定以后，稳态频差为零，稳态相差通常总是存在的，它是一个固定值，反映了环路跟踪的精度，是一个重要指标。已经锁定的环路，如改变固有频差Δωo，稳态相差θe（∞）也会随着改变。当Δωo增大到某个值的时候，环路将不能维持锁定。这个锁相环路能够保持锁定状态所允许的最大固有频差称为环路的同步带ΔωH。第2节环路组成锁相环路为什么能

7、够进入相位跟踪，实现输出与输入信号的同步呢？因为它是一个相位的负反馈控制系统。这个负反馈控制系统是由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和电压控制振荡器(VCO)三个基本部件组成的,基本构成如图1-4。图1-4锁相环路的基本构成一、鉴相器鉴相器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，即鉴相特性f［θe(t)］可以是多种多样的，有正弦形特性、三角形特性、锯齿形特性等等。常用的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤

8、波器的串接作为模型，如图1-5(a)所示。图1-5正弦鉴相器模型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(t)经相乘作用再经过低通滤波器(LPF)滤除2ωo成分之后，得到误差电压(1-16)为鉴相器的最大输出电压，则(1-17)图1-6正弦鉴相器特性二、环路滤波器环路滤波器具有低通特性，它可以起到图1-5(a)中低通滤波器的作用，更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用。环路滤