（信号与信息处理专业论文）电荷泵锁相环系统设计及噪声分析.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t t h e r e a r e s o m a n y a d v a n t a g e s i n p l l , s u c h a s m u l t i p l y i n g fr e q u e n c y , c o r r e c t i n g t h e d u t y i n c l o c k s i g n a l , e l i mi n a t i n g t h e d i s t r i b u t e d d e l a y o f c l o c k . wit h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f c o m mu n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h e re q u i r e me n t o f t h e p h a s e e r r o r b e t w e e n t w o s i g n a l b e c o m e m u c h s t r i c t e r , p l l d e s i g n i s f a c i n g b i g c h a l l e n g e . h o w t o d e c re a s e p h a s e n o i s e o r j i t t e r i s a n u r g e n t p r o b l e m . i n d e s p i t e o f t h e s i m p l e s t r u c t u r e a n d fu n c t i o n , t h e d e s i g n p r o c e s s i s c o m p l e x , i t i s d i ff i c u l t f o r t h e e x c e l l e n t e n g i n e e r t o fi n i s h p l l d e s i g n s u c c e s s f u l l y . t h e r e s e a r c h o f t h i s p a p e r i s c o n c e n t r a t e d o n p l l p h as e n o i s e b e c a u s e p h a s e j i t t e r a n d s p u r i o u s s i d e b a n d s a r e t h e m o s t d i s t u r b i n g p h e n o m e n a w i t h fr e q u e n c y s y n t h e s i z e r . t o i n v e s t i g a t e p l l p e r f o r m a n c e i n t h e p r e s e n c e o f n o i s e , w e s u p e r im p o s e c o m p o n e n t n o i s e i n t o d e s i r e d s y s t e m s e p a r a t e 琢a n d d e d u c e t h e t r a n s f e r f u n c t i o n o f t h e s y n t h e s i z e d p l l c h a p t e r 1 i s a s h o rt i n t r o d u c t i o n i n t o t h e p l l d o m a i n , a n d c h a r p t e r 2 d e s c r i b e s t h e p r i n c i p l e s o f p l l , e s p e c i a l l y t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ， w h i c h i n c l u d e s t h e l o o p l o c k e d s t a t e , t r a c k i n g b e h a v i o r , a c q u i s i t i o n t i m e , p h a s e n o i s e s p e c t r u m a n d s o o n . a s e p a r a t e c h a p t e r ( 3 ) i s d e v o t e d t o p h as e n o i s e a n a l y s i s i n c h a r g e - p u m p p l l . n e x t , w e d e t a i l e d t h e c h a r g e - p u mp p l l s i m p l e m e n t a t i o n i n c h a p t e r 4 . i n c h a p t e r 5 w e d i s p l a y t h e m e as u r e r e s u l t s w it h t h e s i m u l a t i o n a n d g i v e s o m e s u g g e s t i o n s i n d e s i g n . i n m y p a p e r , t h e s m i c 0 . 1 8 u m c m o s t e c h n o l o g y i s a d o p t e d t o r e a l i z e l o w p o w e r c o n s u m p t i o n a n d h i g h fr e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c , a n d t h e s i m u l a t i o n re s u l t s v a l i d a t e o u r d e s i g n s p e c i fi c a t i o n . k e y w o r d p h a s e - l o c k e d l o o p s ( p l l ) , f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r , c h a r g e - p u m p , p h a s e n o i s e 目录 图 目 录 图2 - 1锁相环的环路组成 ， . ” ” . . . . ， 。 . ， . “ “ . ” ，. . ， ， . ” 二 . . . . . . . . . . . . . . 4 图2 - 2相位差和鉴相器输出 信号的关系二 ” .“ “ . .” “ ” . ” . ” . ” 一“ . . . 5 图2 - 3环路滤波器的 模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 图2 - 4最常用的三种环路滤波器 ” . ， ，” .， ，.” . “ ，二 ” . . . . . . . . 6 图2 - 5 v c o控制特性. . ，. 。. . . . . . . ” ” . ” ” . . . . . . . . . 7 图2 - 6相位跟踪系统 框图二 ” ” ” . “ . . . . . . ” ” ” ” ” . ” . ，. 二 “ . . . . . 8 图2 - 7输入信号和输出信号的 相位关系， . “ “ . “ . ” ” 二 “ . . . . . . 9 图2 - 8捕获过程中瞬时相差与瞬时频差的典型时间图. . . . . . . 1 0 图2 - 9锁相环路的相位模型 ” “ “ 二 “ . ” . “ . “ “ ” . .- ， .“ .“ “ “ . . .1 1 图2 - 1 0 l p l l中 稳定性参数的 量化关系. . ， “ “ . ” .“ 二 “ ” .“ . . ， . 1 4 图2 - 1 1振荡器的能量谱 二 “ . . ” .， . “ “ “ “ . “ .” 二 ” . . . . . 1 5 图2 - 1 2周期对周期抖动 .“ :. 。 :. “ “ . . ，二 “ . . . . . . . . . . . . . . 1 5 图2 - 1 3周期抖动， :-，” .- ，.” . . . . ” . “ ” .” “ . . . “ 二 ， . 1 6 图2 - 1 4长时间抖动 二 “ . “ “ . “ 二 ” 二 ” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 图3 - 1电荷泵锁相环原理框图 . ，. .， 二 . ， . ， .一 “ . . . . . 1 9 图3 - 2鉴频鉴相器与电 荷泵电路. . ” 二 ， . . . . . . . . . . . . .2 0 图3 - 3锁相环频率综合器系统噪声模型示意图二 “ . . . . . . . . . .2 0 图3 一 考虑 v c o相位噪声的p l l . . . . . . .。 二 ” . . . . . . . . . .2 1 图3 - 5考虑鉴相器泄漏时的p l l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 图3 - 6 n分频器的 环路噪声. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 图3 - 7简单的电荷泵电 流噪声模型示意图. ” .，二 ” . . . . . . . . 2 6 图3 - 8最佳f o 选择示意图 . ” . . . . . . . ” . ” 二 ” . . . . . . . . 2 8 图4 - 1使用 p f d的 锁相环. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 目录 图4 - 2 p f d示意图. . . . . . . . . . . . . . ” 二 ” ” :. “ ” .一 “ . . . . . . 3 1 图4 一 鉴频鉴相器的工作原 理.“ ，. . . . .- . . . . ” .” 二 ” . . . . 3 1 图4 一 传统p f d架构二 ” . ” . ，. .“ “ . . ，. .-“ ， .” . “ :. “ 二 “ . . . . . . 3 2 图 4 - 5 p f d状态转化图. “ 二 ” . ” . .- . . . . . . . . . 一 ， . ” . . “ 二 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 图4 - 6 p f d的死区. . . ” . ” . . . . “ . . ” ” . . ” 二 ，. . 3 3 图4 - 7 p f d死区消除后动作波形. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 图4 - 8 p f d改进后的实现电 路. -.- . . . . “ :. “ . . ” 二 “ . . . . . . . 3 4 图4 - 9 c p 结构示意图.“ ” . . . ” . . . “ :. “ 二 “ “ . “ ” ” . . “ 二 3 5 图4 - 1 0 c p 动作示意图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 图4 - 1 1 c p 实现电 路.“ . “ 二 ，. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 图4 - 1 2改进后的c p 电路. “ ” . . . . . . . “ . ” . . 一 ” . “ 二 . . . . . 3 8 图4 - 1 3滤波器示意图，. .” . . . . . . . ， .“ “ “ . ” ” ” . “ .， . . . 3 9 图4 - 1 4电 荷泵锁相环 ( c p p l l ) 环路示意图. . . . . . . . . . 4 0 图4 - 1 5振荡器反馈系统的两种样式. ， ，. . “ . ” 二 “ : “ ，. .，. ，二 “ . 4 3 图今1 6三级环形振荡器 ” . ” 二 “ . ” ，. . ， ，” 二 ，. . . . . . . . . . . . . 4 4 图4 - 1 7使用 c m o s 反相器的v c o . . . . . . . . . 一” . . . . . . . 4 5 图4 - 1 8差分结构的v c o . . . . . “ 二 ，. ， . ” : ” :.” ” .，. “ 二 “ . . . . . 4 5 图4 - 1 9电 路状态转化图” .” .“ . . . . . ， . . ” . .” :. “ 二 “ . . . . . 4 6 图4 - 2 0图4 - 1 9 的同步时序电路二 ” . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 图4 - 2 1 1 一8 可变分频器二 ，. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 图5 - 1 c p 测试电路 . . . . 一 ” ” 二 ” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 图5 - 2复位和输出延时图.“ 二 “ . “ . 一 ，. . . . . . . . . . . . . . 5 0 图5 - 3消除 死区的p f d工作图.。 ，. . ， 二 ， . . ” 一， . . . . . . . 5 0 图5 - 4 c p测试电路 . . . . .” 二 ” 二 “ 二 ” . . . . . 一 ， ， . . “ ” .， 二 ” . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 图 5 - 5 c p充/ 放 电电流图. ” ” “ ” . “ . ” . . ， . “ “ . ，. ” 二 ” . . . . . . . . . . . . . . 5 1 目录 图5 - 6跟随器测试电 路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 图5 - 7跟随器交流特性图， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 图5 - s低通滤波器交流特性测试电路图. . . . . . . . . . . . . . 5 4 图5 - 9低通滤波器交流特性图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 图5 - 1 0 整 体 测 试 图 . ” . ” 二 “ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 图 5 - 1 1 p l l捕获特性图. “ 二 “ “ . ” ” . . . . . . . . . . .” . . . . . ” . “ . ” 二 ” . . . . 5 6 图5 - 1 2 p l l 环路特性图. . . . . . . . . . . . . . . ” ” . ，. . . . . . . 5 7 图5 - 1 3 p l l 输出结果 ( n = 6 ) ” . . ” ” .” .” ” ” ” ” . “ “ 二 “ . . 5 7 图5 - 1 4 p l l 输出对输入端与v c o端的转移函数. . . . . . . . . 5 9 目录 表 目 录 表 5 - 1 c p 充放电仿真结果表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 表5 - 2跟随器交流 特性仿真结果表二 “ . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论 文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印 刷本和电子版 本:学校有权保存学位论文的印 刷本和电 子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门 或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以赢利为目 的的前 提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 呼 a 生 2 a 年多 月 b 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名: 了 手 曦 学位论文作者签名: i li l 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部5 年 ( 最长 5 年，可少于 5 年) 秘密1 0 年 ( 最长1 0 年， 可少于1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学 位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的 成果。 除文中己 经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内 容。对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的 其他个人和集 体， 均己 在文中以明确方式 标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 芍 唯支 2 10 7 年 占 月 抽日 第一章 引言 第一章 引言 第一节 锁相环技术的发展和现状 1 . 1 . 1 锁相技术的发展背景 锁相环电路诞生于 2 0 世纪 3 0年代。锁相理论界 公认，1 9 3 2 年， 贝尔赛什 ( b e l l e c t z e ) 最先发表了相 位锁定的文章， 论述了无 线电 信号的同步接收问题， 其基本原理是在接收机中用一个与输入信号载波频率相等，相位基本一致的本 地振荡器和输入信号混频， 以恢复原 来的调制信号， 再经过音频放大， 去掉高频 成分和噪声干扰可以得到质量较 好的 频率信号。显然， 问题的关键是如何使本 振频率与输入信号载波频率完全一致而没有任何频差。因此本振必须与输入相 位锁定， 于是提出 必须发展锁相技 术。 锁相原理的 第一次广 泛应用是在4 0 年 代 开 始在电视接收机中 解决水平 扫描和垂直扫描的同步问 题，从而也避免了由于 噪 声干扰引 起的 扫描随机触发而使画 面抖动的现象【 1 。 随后， 在彩色电 视接 收 机中 也用锁相环路来同 步彩色脉 冲串。 从此锁相技术引起了 广泛重视， 发展速度 也加快了。 从 5 0年代开始， 因航天技术 方面的 要求，极大的推 动了 锁相理论技术的 发 展。因锁相环路既能跟踪输入信号频率的变化，又具有窄带滤波性能，用锁相 环路做成的相位跟踪接收机能够把深埋在噪声中的信号提取出来:此外，由于 锁相以后无频差，还可以用它来决定多普勒频谱搬移的数量，从而测出运载器 的速度。所以由于 航天技术的推 动，锁相技术的理论研究和实际应用出 现了蓬 勃发展的局面。 目前为止，锁相技术不仅在航天领域 ，而且在其他许多领域也得到了广泛 的应用。从雷达，通信，制导，遥控，遥测，激光，仪器，计算机，以及一些 工业生产部门， 如冶金， 水文地质，电 力，机械加工， 都广泛的 应用锁相技 术。 锁相技术与功能相似的 其他电 路技术相比，有性能好，成本低的优点。 此外， 组成环路的基本部件易于集成化与数字化，为减少体积，降低成本，增加可靠 性，扩大应用面等方面提供了有利条件。随着体积小，成本低，多功能的单片 集成锁相环路的发展，锁相技术的应用会更加广泛。 第1页 第一章 引言 1 .1 .2 锁相环路的 基 本特 点 锁相环路的 基本特点 概括起来可以 分为 “ 稳” “ 窄” “ 抗” 和 “ 同 步” 几个 方面 2 . “ 稳”指的是锁相环的基本性能是输出信号频率稳定地跟踪输入信号频率， 他们不 存在频差且只 有很小的稳态相位差。因 此可以用 锁相环 做成稳频系统。 “ 窄”指的是锁相环具有窄带跟踪性能。正是因为它的窄带特性，可以做 成窄带跟踪滤波器。从 输入的已调信号中提取基准的载波信号，实现相干性。 因此在相千通信中得到 广泛应用。 “ 抗” 指的是 锁相环具有抗干扰， 抑制噪声的 性能. 理论分析表明， 锁相 环的 环路信噪比比输入 信噪比 小很多， 所以 它可以 广泛用于抗 噪声 干扰的装置。 同时，锁相环又可以 将深 埋于噪声中的 信号提取出 来，因 此它在弱信号 提取方 面发挥了很大作用. “ 同步” 指锁相环的同 步跟踪性能。如果数字信号本身具有位同 步信息， 利用锁相环可以从数字信号本身来提取位同步信号。 所以 锁相环在数字通信等 系统中 广泛的作为位同 步装置。 1 . 1 . 3 锁相环路的分类 锁相环主要分为模 拟和数字两种。1 9 6 5年生产的最早的 集成锁相环路基本 上由 纯模拟器件构成。比 如用一个四象限乘法器充当鉴相 器; 无源或有源r c 滤 波器作为环路的滤波器; 然后环路经由压 控振荡器( v c 0 ) 最终输出 信号。 这类锁 相环现今被称为 “ 线性锁相环”( l p l l ) 。接下来的 几年里锁相环的设计缓慢但 稳步的踏入了数字领域。1 9 7 0年出现了最早的数字锁相环( d p l l ) ，然而准确的 讲它应属于数/ 模混合器件，因为其中只有鉴相环节使用了 数字电路。除了用 e x o r 门 或j k 触发器等 搭建的 鉴相器以外， d p l l 的其它 组成部分还是模拟电 路。 几年后，真正的纯数字 锁相环( a d p l l ) 问世了。 a d p l l完全由 数字模块构成， 其 中不含任何诸如电 阻电 容之类的无源器 件。 类似于滤波 器， 锁相环路也完全可 以用 “ 软件”构成。此时的锁相环就不是由硬件搭建的了，用计算机也一样可 以 完成锁相的功能。 最后这一类的 锁相环路称为 “ 锁相软 环”( s p l l ) ，也叫作 “ 软件锁相环h 所以总结起来锁相环路有以下四种基本类型 第2页 第一章 引言 1 )线性锁相环( l p l l ) ; 2 ) “ 经典” 数字锁相 环( d p l l ) ; 3 )纯数字锁相环 ( a d p l l ) ,- 4 )软件锁相环( s p l l ) e 目 前流行且通用性 较强的 锁相环集成电 路主要有: e m c 公司的e m 9 2 6 0 0 / 1 型 专用型锁相环，h o l t e k公司的 h t 9 2 8 6 a / b型通用型锁相环，h y u n d a i公司的 h y l 2 1 0 1 4 s / j 型专用型 锁相环， m o t o r o l a 公司的m c 系列锁相环 等等。 由 于 l p l l , d p l l , a d p l l的 工作原理完全不同 ，无法 用一 种通用的理论去 涵盖它们全部，在这里就不一一详述了，下面的几章也只介绍本次设计将会用 到c p p l l 的 基本原理 及电 路。 第二节 课题的动机与目 标 在现代电 子学的 各个领 域里，常常离不开一个高 精度， 频率可变的信号源， 这就是频率合成器。频率合成器虽不是一项新技术，但是近年来它的发展十分 迅速，合成器性能 不断 提高， 应用日 益广泛， 它不仅占 领了 传统上需要使用信 号源的各个方面， 而且开拓了 许多新的领域。 本文旨 在利用锁相环实现一 个精 确的频率合成的功能。本论文的特色如下: ( 1 )电荷泵锁相环各模 块的 分析与设 计，完 成预定的 设计指标。 ( 2 )各个模块的噪声 分析。 ( 3 )深刻解析噪声 和抖动 ( j i t t e r )的关系， 这也是本文的特点所在。 ( 4 )整体性能的优化设计。 第三节 论文内 容组织 本论文第一章提 及了 锁相环 路的 研究背景， 第二章阐 述了 系统的基本结构， 第三章基于噪声理论， 对电 荷 泵锁相环各组成模块产生的噪声 进行了详细分析， 并以电路设计实现整 个系统的 稳定性为目 标， 对如 何折衷选择各项参数进行了 讨论。论文第四 章进行系统设计，并于第五章给出了 仿真结果 和进一步改进的 设想。论文最后给出了研究结论与未来展望。 第 3页 第二章 锁相环电 路的系统结 构及基本 原理 第二章 锁相环电路的系统结构及基本原理 第一节 锁相环的环路组成 锁相环是一个相 位反馈控制系统， 它可以 使输出 信号( 由 振荡器输出 ) 在频率 和相位上与输入参考信号同步。在这样的控制作用下，输出信号的相位实际上 锁定在了参考信号的相位上。所以可以很形象的称之为 “ 锁相环” 。一个典型的 锁相环 ( p l l )系统由鉴相器 ( p d) ，压控振荡器 ( v c 0) 和低通滤波器 ( l p f ) 三个基本电路 组成。 为方便介绍，我们先把描述锁相环路工作时用到的相关信号定义如下: 输 入 参 考 信号 m ( 输入参考信号 的角频率m , 压 控 振 荡 器的 输出 信 号 u 2 ( t ) 输出 信号的 角频率c0 2 鉴 相 器的 输出 信 号u , ( 环 路 滤 波 器的 输 出 信 号 u f ( 相 位 差b ，由 信号 u , ( t ) 和u 2 ( t ) 确 定 图2 - 1锁相环的环路组成 在研究整个环路的 工作原理以 前， 先对各功能块 作简单介绍: 1 .鉴相器: 负责监测输入和反馈信号的相位差( 有的同时 监测频率 差) ， 并由 此向 环路滤 波 器输 入误 差 调 整 信 号. d ( t ) 0 u e ( t ) 与 相 位差b 的 关 系 称 为 该 鉴 相 器的 鉴 相 特 性。 第 4页 第二章 锁相环电路的系统结构及基本原理 r . (t ) p f d的鉴相特性 间 棋拟垂法器的鉴相特性 ( h ) 图2 一相位差和鉴 相器输出信号的 关系 鉴相器的类型有多种，总的来说可以归为两大类: 第一类是序列电 路，它 的输出电压是输入信号过零点与反馈信号过零点之间时间差的函数。这类鉴相 器的输出 只与波形的 边缘有关，比 较适用于方波输入，通常 用数字电 路构成加 图2 - 2 ( a ) 。 本次设计的电 荷泵p l l 用的 就是这一 类鉴 相器。 第二类是相乘器电路， 它是对输入信号波形与输出信号波形的乘积进行平均， 从而获得误差输出，如 同图2 - 2 ( b ) 所示的 模拟乘法 器。 2 .环路滤波器: 鉴相器输出的误差 调整信号含有很多 压控振荡器不能利用的高频分量，需 要经过 低通滤波产生一个 稳定的 近似直流的 控制电 压以 控制压控振荡器。 环 路 滤 波 器 是 一 个 线 性电 路 ， 我 们 通 常 用 传 输函 数f ( s ) 来 方 便的 表 示 它 (见 图2 - 3 ， 其中 巩( s ) 和 u , ( s ) 分 别 是u a ( t ) 和u , ( t ) 的 拉 氏 变 换 ) 图2 - 3环路滤波器的模型 锁相环路使用的滤波器主要有以下三种: ( 1 ) r c积分滤波器， 如图2 - 4 ( a ) 所示。这是最简单的 低通滤波 器，其传输函数 二 ( s ) = 牛 i +s r , ( 2 . 1 ) ( 2 ) 无源比 例积分滤波器， 如图2 - 4 ( b ) 所示。 与r c 积分滤 波器相比， 它增加了 一 个和电容串联的电阻，这样就增加了一个可调参数，其传输函数为: 第 5页 第二章 锁相环电路的系统结构及基本原理 f ( s ) l + s t 2 1 + s ( t , + t 2 ) ( 2 . 2 ) 这里 : t, = 凡 c , 1 2 = 凡 c ， 是 两 个 独 立 的 可 调 参 数 。 ( 3 ) 有源比 例积分滤波器， 如图2 - 4 ( c ) 所示。 与无 源比 例积分滤 波器相比该电 路多 了一个运算放大器，其传输函数为: f ( s ) 二 1 + s t 2 s 叭 ( 2 . 3 ) 其中 : t, = 凡 c , t2 = 凡 c 。 有 源比 例 积 分 滤 波 器 在: = 0 处 有一 个极 点 ， 因 此它类似一个积分器。 理论上在频率为零处它有无限大的增益，但实际上不可 能，因为运放的实际增益不会是无穷大。 ( 1 ) r c 积分滤波器( 2 ) 无源比例积分涛波器 ( 3 ) 有源比例积分滤波器 图2 - 4最常用的三种环路滤波器 3 .压控振荡 器( v c o ) 第 6页 第二章 锁相环电路的系统结构及基本原理 压控振荡器是一个电压一 频率变换装置，在环路中作为一个被控振荡器，它 的 振荡 频 率随 输 入 控 制 电 压u ., ( t ) 线 性 地 变 化 ， 理 想 状 态 下v c o 如图2 - 5 ( a ) 所 示，它满足以下的变换关系: - z ( t ) - w o ( t) + k vc o u f ( t ) (2 .4 ) w o 一 -b u r ( a ) 理想v c o伪 ) 实际v c o 图2 - 5 vc o控制特性 其中 co o 是v c o 的 中 心 振荡 频 率， k ,c a 是v c o 控 制 特 性 曲 线 的 斜 率， 也 称 v c o的 增 益 ( 单 位 s v l ) 或v c o的 控 制灵 敏 度， 或 直 接 称 为 压 控 灵 敏 度。 而实 际 上的 线 性 控 制 区 多 是 有限 的 范围 ( 见 图2 - 5 ( b ) ) ， 中 心 频 率%都 选在 线 性控制区的中点上。 第二节 锁相环工作原 理 锁相环是一个相位反馈控制系统，它可以 使输出 信号( 由 振荡器输出 ) 在频 率和相位上与输入参考信号同步。在同步状态( 通常也称锁定状态) 下， 振荡 器 输出信号与输入参考信号间的频率差为零，相位差为零或为一个很小的常数。 如果输出信号和参考信号的相差增加，环路自 身的 反馈控制机制就会作用于 振 荡器， 使相差又变为最小。在这样的控制作用下， 输出 信号的 相位实际上锁定 在了 参考信号的 相位上。 当锁相环处 于锁定 状态时，鉴相器 ( p d )的 两输入端 一定是两个频率完 全 一样但有一定相 位差的 信号。 如果它们的频率不同， 在压控振荡器 ( v c o )的 输入端就会产生一个控制信号使压控振荡器的 振荡频率发生变化，最终使鉴 相 器 ( p d ) 的 两 输 入 信 号 ( 一 个 是锁 相 环 的 输 入 信 号 u , w， 一 个 是 压 控 振 荡 器 的 输 出 信 号u , ( t ) ) 的 频 率 完 全 一 样， 从 而 使 环 路 系 统 处 于 稳 定 状 态。 首 先 假 定 输 入 参 考 信 号u , ( t ) 的 角 频 率 等 于 振 荡 器 的中 心 频 率w o ， 也即 考 虑 相 位 差优 为 零的 情 况。 因 为 嘿为 零， p d的 输出 信 号u d 就 等 于 零 ， 所以 环 路 滤 波 第7页 第二章 锁相环电路的系统结构及基本原理 器的输出信号也 是零。 这就使得v c o 可以 稳定的 振荡 在它的中心频率上。 但如 果 初 始 时 刻 两 者 的 相 位 差b 不 是 零 ， p d 就 会 产 生 一 个 非 零 信 号u d 。 经 过 一 段 延 时， 环路 滤 波 器 也 将 产生 一 定幅 度 的 信 号 o f 。 这 会 使v c o 的 振 荡 频 率不 断 变 化 ， 同时它的输出 信 号又会再次反馈到 p d ， 与输入信号进行下一次的鉴相( 鉴 频)， 如此往复直到使 得相差b 最终为零。 实际应用中 锁相环有一个重要的优点:它可以 对叠加在输入信号上的噪声 进行有效的抑制。 可以 假设一下锁相环的输 入信号 湮没在噪声里的 情况， p d不 断 地 监 测 输 入 信 号 和 输 出 信号 之 间 的 相 差 ， 输 入 端 的 噪 声 会 把 输 入 信 号u ( t ) 的 过 零 点 随 机 的 提 前 或 滞 后 ， p d的 输出 信 号u , ( t ) 就 会 在 其 平 均 值 上 下随 机 抖 动 。 因 此v c o的 振 荡 会 不 断 受到 调 整 ， 直 至 信号 u 2 ( t ) 的 相 位 与 输 入 信号 m ( t ) 的 平 均 相 位 大 致 相 等 。 如 果 环 路 滤 波 器的 通 带 起 始 频率 足 够 低 ， 信 号u f ( t ) 里 包 含 的 噪 声 分 量 几 乎 是 不 用 考 虑 的。 这 充分 说明 锁 相 环 路 是 个 可以 控制 输出 信 号 u z (0 相位的自动伺服机构。 锁相环路总是令输出信号的 相位跟踪输入参考信号的相位，但系统不会一 直维持这种理想锁定状态。当 有大的频率以 阶跃形式加在输入信号上时，就会 引起环路 “ 失锁” 。虽然锁相环固有的控制机制此时会尽力使环路再次锁定，但 这种再次锁定是需要条件的。针对这一问题，下面几节将介绍一些与此相关的 环路动态方程以及稳定性参数。 第三节 锁相环的动态变化规律 2 . 3 . 1 输入输出频率相位关系 锁相 环路( p l l ) 是一个相位跟踪系统，用方框图表示 如图2 - 6 0 91( t), 二 u,( t、 ( a ).o 4( b ) 图 2 - 6相位跟踪系统框图 设 输 入 信 号 u ; ( t ) = 认s i n m ,t + 乓 ( t ) ( 2 .5 ) 式中 u , 是 输 入 信 号 的 幅 度 ; w . 是 载 波 角 频 率; b , (t ) 是 以 载波 相 位叭 ， 为 参 考 的瞬时相位。 第 8页 第二章 锁相环电路的系统结构及基本原理 若 输 入 信 号 是 未 调 载 波， b , ( t ) 即 为 常 数 ， 是 u , ( t ) 的 初始 相 位 ; 若 输 入信 号 是 角 调 制 信 号 ( 包 括 调 频 调 相 )， b , ( t ) 即 为 时间 的 函 数 。 设 输出 信 号u o (t ) = u o c o s to o t + b o (t ) ( 2 .6 ) 式 中 u o 是 输出 信 号 的 幅 度 ;co o 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 ; b o ( t ) 是以自 由 振 荡的 载 波 相 位% 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， b o 0 为 时 间的 函 数 。 图2 刀 输入信号 和输出信号的 相位关 系 如图2 - 7 ( a ) 所示。从图 上可以 得到两个信号的 瞬时 相位之差 b , ( t ) = w t + b , ( t ) 一 ov o t + b o ( t) = ( co : 一 m o ) t + b ; ( t ) 一 8 o (t ) ( 2 . 乃 被 控 振 荡 器 的 载 波 相 位m o t 可以 作为 一个 参 考 相 位 . 这 样， 输 入 信 号 的 瞬 时 相位可以改写为 w it + 乓 ( t ) = co t + ( w i 一 气) t + 乓 ( t ) ( 2 .8 ) 令 m 0 _ w , - m 0 ， 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b , ( t) = o m ot + b , ( t ) ， 为 输 入 信 号以 m o t 为 参 考 的 瞬时 相 位， 因 此， 式2 . 8 可以改 写为 m , ( t ) + 9 , ( t ) = m a ( t ) + 0, , ( t ) ( 2 .9 ) 同理，输出信号的瞬时相位可以改写为 m o ( t ) + b a ( t ) = m o t + b 2 ( t ) ( 2 . 1 0 ) 0 2 ( t ) =9 o ( t ) ( 2 . 1 1 ) 第 9页 第二章 锁相环电路的系统结构及基本原理 式 中0 , (t ) 也 是 以 co ot 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 0 e ( t ) = 9 , ( t ) 一 0 2 ( t ) ( 2 . 1 2 ) 应用上述 描述方法， 矢量图可以 画成图2 - 7 ( b ) . 系统的瞬时频差: d b ( t) = b (t ) 一 8 ,( t) - 9 2 (t ) 一 ) rr1 + d o ,( t ) - d o 2 ( t ) ( 2 _1 3 ) d t一”一d t d t 2 .