第一章 锁相环路的基本工作原理ppt课件

锁相技术,PhaselockTechniques,信息科学与工程学院,通信教研室施晓东,第一章锁相环路的基本工作原理,锁定与跟踪的概念环路组成环路的动态方程一阶锁相环路的捕获、锁定与失锁,锁定与跟踪的概念,锁定与跟踪的概念,相位关系的描述（固有频差、瞬时相差、瞬时频差）,任何一个正弦信号（或余弦信号），都可以构造成一个唯一对应的复信号，从而以向量的方式在复平面上表示。其中：向量的模（长度）表示信号的最大幅度；向量与实轴之间的夹角表示信号的瞬时相位。,锁定与跟踪的概念,相位关系的描述,锁定与跟踪的概念,参考相位,锁定与跟踪的概念,失锁状态和锁定状态,锁定与跟踪的概念,捕获过程（捕获时间、捕获带）,锁定与跟踪的概念,捕获过程（捕获时间、捕获带）,锁定与跟踪的概念,锁定状态（同步状态）,输入信号为固定频率时的稳态频差与稳态相差,锁定与跟踪的概念,将上式代入到输入信号表达式：,锁定与跟踪的概念,对比输入信号和输出信号的表达式，可以得出以下简单结论：在输入信号为固定频率信号的条件下，环路进入同步状态后，输出信号与输入信号之间频差为零，相差等于一个很小的常数（稳态相差）。即：,锁定与跟踪的概念,环路的基本性能要求,环路有两种基本的工作状态：捕获过程和同步状态。,锁定与跟踪的概念,锁定与跟踪的概念,区分捕获带与同步带,捕获带与同步带是两个不同的概念，可以根据其测量原理来辨别这两个不同的概念；其中，捕获带和同步带的测量原理如下：,锁定与跟踪的概念,环路组成,鉴相器（PD，PhaseDetection）,图：锁相环路的基本组成,环路组成,环路组成,正弦鉴相器正弦鉴相器由模拟乘法器和低通滤波器构成，其结构如下图所示：,环路组成,低通滤波器输出,正弦鉴相器的数学模型,环路组成,环路滤波器（LF，LoopFilter）,环路滤波器具有低通特性，但除此之外还对环路参数调整起着决定性的作用。常用的环路滤波器有：RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器。,RC积分滤波器,环路组成,无源比例积分滤波器,环路组成,（理想）有源比例积分滤波器,如果运放增益A很大，则有：,式中的负号表示滤波器输出和输入电压之间相位相反。假如环路原来工作在鉴相器的正斜率处，那么加入有源比例积分滤波器后就自动地工作到鉴相器的负斜率处，其负号与有源比例积分滤波器的负号相抵消。,环路组成,压控振荡器（VCO，VoltageControlOscillation）,图：压控振荡器的控制特性,即：,或,环路组成,环路相位模型,图：锁相环路的相位模型,对于环路当中的每一个单元，只关心该单元对信号的相位产生了什么样的影响。这样就得到了各个单元的相位模型。,环路组成,环路的动态方程,统一相位参考,输入信号：,输出信号：,环路的动态方程,建立环路方程,环路的动态方程,环路方程的含义,控制频差,环路的动态方程,相关结论,环路工作过程,其中，在输入信号为固定频率的情况下，固有频差在环路整个工作过程中为一个常数。,起始时刻：瞬时频差最大，控制频差等于零；捕获过程：控制频差逐渐加大，瞬时频差逐渐减小；同步状态：控制频差等于固有频差，瞬时频差等于零。,稳态相差与稳态频差（输入为固定频率信号）稳态频差：即环路在锁定状态下的瞬时频差，等于零；稳态相差：固定值,环路的动态方程,锁相环路的阶数,稳态相差,环路的动态方程,环路的动态方程,稳态相差：,环路的动态方程,或,一阶环路的捕获、锁定与失锁,一阶环路的捕获、锁定与失锁,锁相环路的图解法（相图法）,一阶环路的捕获、锁定与失锁,一阶环路的捕获、锁定与失锁,一阶环路的捕获、锁定与失锁,一阶环路的捕获、锁定与失锁,结论：一阶环的捕获过程没有周期跳跃，锁定过程是渐进的（而不是跳跃的），且捕获时间的长短与初始状态有关。,锁相环路的延滞现象若环路的起始状态处于不稳定平衡点B，环路自身并没有能力摆脱该状态，只有靠外力（噪声或人为扰动）才能使环路偏离该状态而进行捕获。一旦遇到这种情况就可能出现不稳定平稳状态的滞留，致使捕获过程延长。这种现象称为锁相环路的延滞现象。（假锁）,一阶环路的捕获、锁定与失锁,一阶环路的捕获、锁定与失锁,正弦鉴相器的输出波形（非正弦差拍波）,一阶环路的捕获、锁定与失锁,一阶环路的捕获、锁定与失锁,瞬时频差,一阶环路的捕获、锁定与失锁,具体可由下面的式子表明：,含义：在大于环路增益的基础上，固有频差相对于环路增益（最大控制频差）越小，环路