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§8-3 锁相环路

§8-3 锁相环路. 学习要点： PLL 的基本工作原理 PLL 的捕捉与跟踪过程 锁相环路的基本特性. 自动增益、频率控制电路. 8-3-1 PLL 基本工作原理. 8-3-2 PLL 基本组成电路分析. 8-3-3 PLL 锁相模型. 8-3-4 PLL 的捕捉与跟踪过程. 8-3-5 PLL 的基本特性. 8-3-6 集成锁相环. 8-3-7 锁相环的应用. —— 通过相位自动控制来精确的实现频率自动控制

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§8-3 锁相环路

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Presentation Transcript

  1. §8-3 锁相环路 • 学习要点： • PLL的基本工作原理 • PLL的捕捉与跟踪过程 • 锁相环路的基本特性

  2. 自动增益、频率控制电路 8-3-1 PLL基本工作原理 8-3-2 PLL基本组成电路分析 8-3-3 PLL锁相模型 8-3-4 PLL的捕捉与跟踪过程 8-3-5 PLL的基本特性 8-3-6 集成锁相环 8-3-7 锁相环的应用

  3. ——通过相位自动控制来精确的实现频率自动控制 AFC系统的缺点——存在固有频率误差，达不到所需频率精度 PLL系统（锁相环路）——通过控制相位来控制频率。利用相位 反馈控制技术，只存在剩余相位差， 消除了剩余频差，即通过相位自动控 制系统可实现精确的频率自动控制。 uD(t) uC(t) 输入参考信号 输出信号 VCO PD LF uo(t) ui(t) ωo ωi 8-3-1 PLL基本工作原理 锁相环路（PLL）组成框图如图所示：

  4. 包括三个主要的部分：1)鉴相器（PD）； 2)环路滤波器（LF）； 3)压控振荡器（VCO）。 工作原理——锁相环是利用两个信号之间的相位误差来控制压 控振荡器输出信号的频率，最终使两个信号之间 的相位差保持恒定，从而达到使两个信号频率相 等的目的。 失锁状态——锁相环路中，如果压控振荡器的角频率o与输 入信号角频率ωi不相同时，则称锁相环路处于 失锁状态

  5. 此时输入到鉴相器的电压ui(t)和uo(t)之间相位差变动,并输出一与相位差成比例的误差电压uD(t) →该电压经环路滤波器（实际为低通滤波器）取出直流或低频分量uC(t)作为控制电压（uC(t)随相位差而变化）加到压控振荡器上→压控振荡器频率不断改变→ui(t)和uo(t)之间的相位差减小，最终二者相位被“锁定”且频率相等，此时我们称环路处于锁定状态。 捕捉过程——锁相环路刚开始处于失锁状态．由失锁→锁定的 过程称为。 跟踪过程——当环路锁定后，由于某种原因引起ωi与o发生变 化时（只要变化不很大），环路通过自身的调节 作用，可使o跟踪ωi而变化，从而维持环路的锁 定。 捕捉与跟踪是锁相环路的两种不同的自动调节过程。

  6. 8-3-2 PLL基本组成分析 ——锁相环路的性能主要取决于鉴相器、压控振荡器和环路 滤波器三个基本组成部分 1. 鉴相器 设环路输入参考信号电压为 ui(t)=Uimsinωi t 压控振荡器的输出电压为 uo(t)=Uomcos[ωr t+φo(t)] 输入、输出信号间的瞬时相差为 φe(t)＝[ωrt+φi(t)]－[ωrt+φo(t)]= φi(t)－φo(t) 鉴相器将此相位差转换成相应的电压，然后再利用该电压去控制压控振荡器。

  7. 鉴相器的电路很多。当采用模拟乘法器作鉴相器时，其输出为鉴相器的电路很多。当采用模拟乘法器作鉴相器时，其输出为 uD(t)=KmUimUomsin[2ωrt+φi(t)+φo(t)]+KmUimUomsin[φi(t)－φo(t)] 讨论：1）第一项为高频分量，被环路滤波器所滤除。 2）第二项为鉴相器的输出电压 uD(t)= KmUimUomsin[φi(t)－φo(t)] 令：　 Kd=KmUimUom ——鉴相灵敏度，表示鉴相器的最大输出 电压 又已知　　 φe(t)＝φi(t)－φo(t) 所以上式可化为uD(t)= Kdsinφe(t) 2. 环路滤波器 ——滤除鉴相器输出电压中的高频分量，起平滑滤波的作用， 提高环路的稳定性

  8. 环路滤波器分类——1）简单RC积分滤波器； 2）无源RC比例积分滤波器； 3）有源比例积分滤波器，

  9. φo (t) uC(t) (b) 压控振荡器的控制特性及其电路模型 (a) VCO特性曲线 (b) VCO电路模型 3. 压控振荡器 ——是一种瞬时振荡角频率受控制电压uC(t)控制的振荡器， 也就是一种电压—频率变换器。 VCO特性曲线——振荡角频率随控制电压uC(t)变化的曲线。一般 为非线性曲线， 压控振荡器的控制特性及其电 路模型如图所示。

  10. uC(t) uC(t) F(p) F(p) ＋ ＋ φo(t) φo(t) φe(t) φe(t) uD(t) uD(t) φi(t) φi(t) Kdsinφe(t) Kdsinφe(t) Ko/p Ko/p － － φo(t) φo(t) 锁相环路相位模型 锁相环路相位模型 8-3-3 PLL相位模型 锁相环路的相位模型如下图所示。 它明确地表示了锁相环路的相位反馈调节关系 8-3-4 PLL的捕捉与跟踪过程

  11. 1. 捕捉过程 ——是锁相环路由起始的失锁状态进入锁定状态的过程。 捕捉带（ΔωP）——能够由失锁进入锁定所允许的输入信号角频 率ωi偏离r的最大值|Δωi|(最大固有角频 差) 捕捉时间（τP）——捕捉过程所需要的时间。 当未加ui(t)时，VCO上没有控制电压，振荡角频率为r。 当加入恒定ωi的输入时→产生固有角频差Δωi= ωi-r，同时形 成瞬时相差φe(t) = =Δωi t→鉴相器输出误差电压 uD(t) = KdsinΔωit。 显然，uD(t)是频率为Δωi的差拍电压。

  12. (1) Δωi较小：这时由于Δωi在环路滤波器的通频带内，uD(t)的 基波分量能够顺利通过环路滤波器加到VCO 上，控制VCO的振荡频率向输入信号频率的方向 偏移，直到o=ωi，环路进入锁定状态。 (2) Δωi较大：这时Δωi超出环路滤波器的通频带，但仍在捕捉 频带内。这时uD(t)通过环路滤波器有较大衰减， 使控制电压uC(t)很小，o(t)不能立即变化到ωi。 经过多个差拍(ωi-o)周期，VCO振荡频率o(t)的 平均值逐步靠近ωi，最终o(t) =ωi，环路锁定。 频率牵引：通常将o(t)的平均值逐步靠近ωi的现象。它是 使捕捉时间变长的主要原因。 (3) Δωi很大：Δωi远远大于环路滤波器的通频带和捕捉频带。 这时鉴相器输出的电压uD(t)不能通过环路滤波 器，滤波器的输出为零或保持不变，VCO的输出 频率也保持不变，环路处于失锁状态。

  13. 2. 跟踪过程 跟踪过程——已锁定的环路，若ωi（或o）发生变化时，则 VCO振荡角频率o跟踪ωi而变化，维持o=ωi 的锁定状态，这个过程就是跟踪过程。 跟踪带（ΔωH）——维持环路锁定所允许的最大固有角频差 |Δωi|称为锁相环路的同步带或跟踪带。 跟踪的基本原理与捕捉类似，跟踪范围也是有限的，它取决 于环路的控制频差。 捕捉带小于跟踪带——因为在捕捉过程中，由于环路滤波器的 存在，当固有角频差|Δωi|较大时，误 差电压uD(t)将受到较大衰减，此时环路 的控制能力较差。

  14. uD(t) 0 (a) o ωa ωb ωi ΔωP (捕捉带) uD(t) (b) 0 o ωd ωc ωi ΔωH (跟踪带) 捕捉带与跟踪带 8-3-5 PLL的基本特性 1. 锁定特性 2. 跟踪特性 3. 窄带滤波特性

  15. 8-3-6 集成锁相环 特点——成本降低，可靠性提高，使用方便，应用广泛。 分类——按电路组成分1）模拟锁相环路：本组成部件以模拟电 路为主 2）数字锁相环路：本组成部件以数字电 路为主 按按其用途分1）通用型：通常使用的皆属通用型 2）专用型：用于调频立体声解码电路及电 视机中的正交色差信号同步检 波环路等专用场合的锁相环路 属于专用型。 8-3-7 锁相环的应用

  16. φi(t) uC(t) PD LF 输出解调信号 输入调频信号 φo(t) VCO 调频信号的锁相解调电路 ——具有许多独特优点，所以在通信、电视、广播、空间技 术等方面得到广泛的应用。 1. 锁相鉴频电路 2. 调幅信号的同步检波

  17. ui(t) π/2移相器 VCO PD LF ur(t) 解调电压输出 同步 检波器 LPF 中频信号输出 输入信号 本地标准 混频器 中频放大器 PD ωi 中频信号 o VCO LF 3. 锁相接收机

  18. 课后小结——见黑板 作业题： P192 1、4、5 预习：个人完成总复习

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