锁相与频率技术

锁相与频率技术锁相与频率技术 第一章第一章 1 锁相环路是一个相位跟踪系统 它建立了输出信号瞬时相位与输入信号瞬时 相位的控制关系 2 固有频差 输入信号环路自由振荡频率之差 称为环路的固有频差 3 锁相环路的两种基本工作状态 锁定状态和失锁状态 4 捕获过程 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 5 捕获带 对一定的环路来说 是否能通过捕获而进入同步完全取决于起始频 差 若 超过某一范围 环路就不能捕获了 这个范围的大小是锁相环路的一 个重要性能 称为环路的捕获带 6 稳态相差 当环路进入同步状态之后 环内被控振荡器的振荡频率已等于输 入信号频率 也就是说输出信号已锁定在输入信号上 两信号之间只差一个固 定的相位 这就是锁定以后的稳态相差 是一个很小的值 7 同步带 锁相环路能够保持锁定状态所允许的最大固有频差称为同步带 8 锁相环路的基本构成框图及基本工作原理 9 鉴相器电路的分类及工作原理 第一类是相乘器电路 它是对输入信号波形 与输出信号波形的乘积进行平均 从而获得直流的误差输出 第二类是序列电 路 它的输出电压是输入信号过零点与反馈电压过零点之间时间差的函数 10 常用的三种环路滤波器 RC 积分滤波器 无源比例滤波器 有源比例滤波 器三种 11 压控振荡器是一个电压与频率变换装置 环路中要求压控振荡器的输出是 相位 12 压控振荡器输出的是相位的原因 锁相环路中要求压控振荡器输出的是相 位 因此 这个积分作用是压控振荡器所固有的 正因为这样 通常称压控振 荡器是锁相环路中的固有积分环节 13 锁相环路的相位模型及环路动态方程的一般形式 14 动态方程构成的关系 瞬时频差 固有频差 控制频差 15 相轨迹 平面上相点的移动形成一条轨迹 16 相点 平面上曲线是的一个点表示了环路在某个时刻 t 状态 称为相点 17 延滞现象 出现不稳定平衡状态的滞留 致使捕获过程延长 这就是锁相 环路的延滞现象 18 频率牵引现象 经过锁相环路的控制作用 使被控振荡器的平均频率向输入 信号频率方向牵引的现象 19 快捕带 不经过周期跳越就入锁的捕获过程称为快捕 相应的捕获带就称为 快捕带 20 一阶环路的同步带 捕获带和快捕带都相等 除了一阶环外 三者都是不 相等的 第二章第二章 1 将环路近似为线性系统来进行分析的跟踪过程称为线性跟踪 2 采用 RC 积分滤波器时的二阶锁相环路的动态方程与闭环传递函数 3 二阶线性系统的欠阻尼系统 过阻尼系统和临界阻尼系统 当 0 1 时响应为单调上升的曲线 是非 振荡型的 这种系统称为过阻尼系统 1 是上述两者的临界状况 这种系统称 为临界阻尼系统 4 二阶线性系统中的名词 延迟时间 它是响应曲线首次达到稳定值的一半所需的时间 上升时间 它是响应曲线从稳态值的 10 上升到 90 所需要的时间 峰值时间 它是响应曲线到达第一个过冲峰点所需的时间 暂态时间 它是响应曲线达到并最终保持在允许的稳态值误差范围之内所需的 时间 最大过冲量 若响应曲线的稳态值 u0 1 则最大过冲量为 响应的稳态值 若响应的稳态值不等于 1 通常使用最大百分比过冲量 5 从系统的角度看 研究二阶环对输入暂态信号的响应的方法是 第一步先写出输入信号的拉氏变换 第二步写出环路的传递函数 第三步将两 者相乘得到输出量的拉氏变换 第四步求输出量拉氏变换的反变换 得到输出 量的时间函数 6 对于同一种环路来说 输入信号变化得越快 跟踪性能就越差 同一信号加 入不同锁相环路 其稳态相差是不同的 7 对于锁相环路来说 频率响应的意义 不论采用何种滤波器的二阶环路 其 闭环频率响应都具有低通性质 只要输入信号的相拉调制频率低于环路的自然 频率 那么环路的误差就可以良好地传递相位调制 压控振荡器的输出相位就 可以良好地跟踪输入相位的变化 环路的误差相位很小 而当相位调制频率远 高于环路自然频率时 那么环路就不能传递相位调制 压控振荡器的输出相位 就不能再跟踪输入相位的变化 9 调制跟踪 环内压控振荡器的输出电压跟踪了输入电压的相位调制 这种跟 踪状态称为调制跟踪 10 载波跟踪 当环路输出相位没有跟踪输入的相位调制 而是跟踪了输入信 号载频的漂移 这也是一种跟踪状态 称为载波跟踪 11 环路稳定性的差别方法 根据奈奎斯特准则 可以用锁相环路开环频率响 应的伯德图来直接判定锁相环路闭环时的稳定性 12 相位余量 是指开环增益降至 0dB 时 开环相移量与的差值 13 增益余量 是指开环相移达到时 开环增益低于 0dB 的 dB 数 14 为确保环路稳定 通常要求相位 30 度至 60 度之间 15 若不考虑寄生相移 采用无源比例积分滤波器的二阶环总是无条件的 第三章第三章 1 噪声不慌不忙干扰的主要来源 一类是与信号一起进入环路的输入噪声与谐 波干扰 别一类是环路部件产生的内部噪声与谐波干扰 噪声与干扰的作用必然会增加环路捕获的困难 降低跟踪性能 3 环路单边噪声声带愈小 环路带宽愈窄 环路对输噪声抑制能力愈强 环路 单边噪声带宽的大小很好的反映了环路对环路输入噪声的滤除能力 BL 很好 地反映了环路对输入噪声的滤除能力 4 环路信噪比 5 跳周 在低 S N L 时 出现的另一个现象是环路相差可能跳越一个 2 派 或几个 2 派才能重新稳定下来 这个现象就是跳周 6 噪声门限 目前以 S N L 6dB 作为环路门限标准是合理的 它能更 好地保证环路正常工作 第四章第四章 1 相位捕获 通常我们把环路由失锁进入锁定的过程称为相位捕获 2 频率捕获 3 自捕获与辅助捕获 如果环路依靠自己的控制能力达到捕获锁定 这个种过 程为自捕获 若环路借助于辅助电路才能实现捕获锁定 则称这种捕获过程为 辅助捕获 4 辅助性能的分析方法 相平面法 这是一种图解分析二创非线性微分方程的 方法 准线性法 它基于环路中含有低通滤波环节的事实鉴相器输出的任何 形式的差拍同期信号 经过低通滤波器以后 都可近似为直流与正弦信号的和 5 相位捕获过程 一阶环在捕获过程中不产生相位差的 2 派同期跳越 即只有 相位捕获过程 6 相平面图 7 二阶环路的捕获过程的特点 1 由于二阶环中存在环路滤波器 在捕获 过程中 环路滤波器起到对差拍电压中的交流分量进行按比例衰减的作用 同 时对其中的直流分量进行积分 2 只要 直流分量不断积分的结果 将牵 引着 向 方向靠拢 3 交流分量被比例衰减后 对压控振荡器进行调频 4 当 时 一阶和非理想二阶环都不能锁定 而且出现稳定的差拍状态 8 快捕时间 相位捕获过程所需要的时间 称为快捕时间 9 辅助频率捕获的基本出发点 1 减小作用到环路上的起始频差 使之尽 快地落入快捕内 达到快捕锁定 2 使用两种不同的环路带宽或增益 捕获 时使环路具有较大的带宽或增益 锁定以后使环路带宽或增益减小 10 自动扫描法的基本原理 当环路尚未锁定时 在压控振荡控制端加一个周 期线性性扫描电压 使它的频率在足够宽的范围内摆动 等到环路进入频率锁 定时 扫描发生器停止工作 使它的频率在足够宽的范围内摆动 等到环路进 入频率锁定时 扫描发生器停止工作 然后通过环路本身的控制作用 使环路 快捕锁定 11 改善环路捕获性能 总希望捕获带宽越宽越好 时间越短越好 12 辅助鉴频环路法的优点 由于鉴频器带宽较宽 因此频率捕获范围较大 适当选择鉴频器增益 K 可使频差减小到 13 变带宽法的基本原理 在捕获过程中使环路具有较大的不带宽 以扩大捕 获带 在锁定之后 则使环路带宽变窄 以保证跟踪和滤波性能 第五章第五章 1 按电路程式 锁相集成电路可分为摸拟式与数字式 锁相集成环路的分类 锁相集成电路种类很多 按用途 无论模拟式还是数字式的又都可分为通用型 与专用型两种 2 集成鉴相器现种类型 一种为摸拟乘法器 用摸拟乘法器作鉴相器 便于集 成化 它在单片机摸拟集成锁相环中广泛采用 另一种为数字比相器 3 数字式鉴相器是用脉冲后沿触发来进行工作的 属于沿触发型电路 4 T4044 的组成 由数字比相器 申荷泵和一个作为 LF 用的放大器三个部分 组成 其鉴相特性具有三角形鉴相特性 5 门鉴相器是一种电平触发型数字鉴相器 以或门和异或门鉴相器为代表 它 们对两个比相脉冲的占空比都有一定的要求 6 集成压控振荡的电路形式 集成压控振荡的电路形式很多 常用的有积分 施密特电路型 射极耦合多谐振荡器型 变容二极管调谐 LC 振荡器型和数字门 电路型等 7 通用单边集成锁相环路是将鉴相器 压控振荡器以及某些辅助器件集成在同 一基片上 各部件之间部分连接或不连接的一种集成电路 以构成集成频率合 成器的电路系统 8 NE560R 的组成 由鉴相器 压控振荡器 环路滤波器 限幅器和两个缓冲 放大器 9 XR 215 的组成 电路由鉴相器 压控振荡器和运算比较器电路组成 最高 工作频率 35MHZ 10 L564 的组成 电路由输入限幅器 鉴相器 压控振荡器 放大器 直流恢 复电路和施密特触发器等六大部分组成 最高工作频率 50MHZ 11 SL565 的组成 它包含鉴相器 压控振荡器 放大器三部分 工作频率低 于 1MHZ 12 NE567 的组成 它由鉴相器 直流放大器 电流控制振荡器和外接环路滤 波器组成 第六章第六章 1 载波跟踪特性及其三重含义 一是窄带 环路可以有效地滤除输入信号伴随 的噪声与干扰 二是跟踪 环路可以在保持窄带特性的情况下跟踪输入载波频 率的漂移 三是可以将弱输入载波信号放大为强信号输出 2 跟踪滤波器 跟踪滤波器是一个带通滤波器 其中心频率能自动地跟踪输入 信号载波频率的变化 3 假锁现象 当振荡器谐波或分谐波与输入信号的频率相同时 可能出现假锁 现象 4 解调器 调制跟踪的锁相环路本身就是一个 FM 解制器 从压控振荡器输入 端得到解调输出 5 频率合成器 将一个高精度和高稳定度的标准参考频率 经过混频 倍频与 分频等对它进行加 减 乘 除的四则运算 最终产生大量的具有同样精度和 稳定度的频率源 6 频率合成的三种方法及各自特点 1 直接频率合成 特点是 比另两种 使用的设备多很多 体积大 造价高 2 锁相频率合成 难以满足多方面的 性能要求 3 直接数字频率合成 体积小 功耗低 并且可以几乎是实时地 以连续相位转换频率 给出非常高的频率分辨力 7 锁相频率合成器的基本特点 每当可编程分频器的分频比改变 1 时 得到输 出频率增量这参考频率 F 为提高频率的分辨力就需减小参考频率 F 这对转换 时间等性能是十分不利的 8 相干载波 在相干解调中 要求在接收端提供一个参考载波 它应与信号载 波相同步 9 插入导频法 在发送信号的同时 辅助传送一个较弱的载波信号 10 位同步 也称为码元同步 是要在接收端确定每一个码元的起止时刻 11 外同步法 若在传送数字信号的同时 再专门传送一个位同步信号 如直 接传送位速率或传送用作同步的伪随机序等 称