锁相环路的工作原理.ppt

3 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 4 2 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 瞬时角频率 初始相位 瞬时相位 瞬时角频率 初始相位 瞬时相位 5 2 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 6 2 1 2锁相环的构成 一 构成 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 ControlledOscillator 7 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 8 2 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 9 2 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 10 2 1 3环路的工作过程 失锁状态 11 2 1 3环路的工作过程 3 当有信号输入 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 12 2 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 固有频率 13 2 1 3环路的工作过程 捕捉状态 起始 14 2 1 3环路的工作过程 VCO瞬时频率 4 VCO输出的调频波反馈到输入端时该VCO调频波与输入正弦信号进行鉴相的结果是 捕捉状态 起始 15 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 16 2 1 3环路的工作过程 捕捉状态 牵引过程 17 2 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 18 2 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 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 19 2 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 20 2 1 3环路的工作过程 鉴相器和环路滤波器输出信号均为一直流电压 在环路锁定状态下 环路的输入信号频率与压控振荡器输出频率相等 即 输入信号与压控振荡器输出信号之间的相位差为一固定值 常数 由此可见 锁相环是一个相位误差控制系统 它通过比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差 产生误差电压来调整压控振荡器的频率和相位 以达到与输入信号同频并保持相位差为一固定值 21 2 1 3环路的工作过程 锁定状态 22 2 1 3环路的工作过程 8 环路同步跟踪 环路一旦锁定后 当输入信号的相位 频率不稳 产生漂移或受到干扰时 锁相环路都会自动进行控制调整 使环路输出频率稳定地锁定在输入频率上 锁相环路是稳频系统 当输入信号的相位 频率的变化超出环路的跟踪能力时 环路将失去控制 由锁定变为失锁 在环路锁定条件下 当输入信号的相位 频率发生变化 且满足环路跟踪条件时 环路的输出频率和输出相位会跟踪输入信号的相位 频率进行变化 锁相环是相位跟踪系统 23 课堂练习 3 列举出几种判定环路锁定的测试方法 并简要说明其原理 2 能否断言控制电压是一直流时 环路一定处于锁定状态 1 试说明环路分别处于 失锁 捕捉 与 锁定 状态时 应该是什么样的波形 应该是什么样的波形呢 4 试说明环路分别处于 失锁 捕捉 与 锁定 状态时 应该是什么样的波形 其输出频率等于什么 应该是什么样的波形呢 其输出频率等于什么 24 共计96份作业 其中46份全部正确 在存在问题的50份作业中