锁相环的结构原理及其应用

1、锁相环的结构原理及其应用本 科 生：丁嘉裕专 业：电子信息工程研究方向：电子测量技术学 号：2011021192二 一 四 年 四 月锁相环的结构原理及其应用专业名称电子信息工程 论文提交日期 2014年4月学校名称成都信息工程学院（2014年4月）锁相环的结构原理及其应用摘要关键词：锁相环, 环路滤波器；锁相技术振荡器是许多电子系统的主要部分，应用范围从微处理器中的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成，要求的结构和性能参数差别很大。利用CMOS工艺设计的稳定、高性能的振荡器通常嵌在相位锁定系统中。锁相环的迅速发展和广泛应用使其成为当前模拟集成电路的核心技术之一。作为通讯系统应用最为广泛的一个模块，

2、锁相环在高速处理器的时钟产生中有着广泛的应用。相环路是一种反馈控制电路，由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成，具有锁定特性、载波跟踪特性、调制跟踪特性和低门限特性，广泛应用于无线电通信系统中的调制解调，频率合成等许多技术领域，是现代电子产品中非常重要的部件，本文主要介绍了锁相环PLL电路的设计与应用，内容包括PLL工作原理与电路构成，PLL电路的传输特性，PLL电路中环路滤波器的设计方法，得到一种很精准程控相移信号发生器，输出频率稳定度高，分辨率高。ABSTRACTOscillator are an integral part of many electroni

3、c systems, the application range from the clock in microprocessor that produce to cellular phone carrier in the synthesis, the requirements of the structure and performance parameters of the difference is very big. Using CMOS process stability, high performance oscillator is usually embedded in the

4、phase locking system. The rapid development of the phase-locked loop and is widely used to make it become one of the core technology of the analog integrated circuit. As the most widely used communication system of a module, phase-locked loop in high-speed processor clock generation has been widely

5、used. Phase loop is a kind of feedback control circuit, the phase discriminator (PD), loop filter (LF) and voltage-controlled oscillator (VCO) of three parts, with a lock, carrier tracking, modulation tracking characteristic and low threshold characteristics, widely used in radio communication syste

6、m of modulation demodulation, frequency synthesis and so on many technical areas, is a very important part of modern electronic products, this article mainly introduced the phase-locked loop PLL circuit design and application, including contentii目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 相环路的应用11.2.1. 锁相环在调频和解调电路中的应用11.2

7、.2. 锁相环路在频率合成方面的应用2第2章 锁相环的结构32.1 鉴相器32.2 环路滤波器32.3 压控振荡器(VCO)42.4 分频器5第3章 锁相环技术的工作原理及特性53.1 锁相环技术的作原理53.2 锁相环的特性5第4章 锁相环的发展与应用64.1 发展64.2 锁相环的应用6第5章 结束7I第1章 绪论1.1 引言自60年代以来，锁相技术在通信、航天、测量、电视、原子能、电机控制等领域，能够高性能地完成信号的提出、信号的跟踪与同步、模拟和数字通信中的调制和解调、频率合成、噪声过滤等功能，已经成为电子设备中常用的基本部件之一。锁相环能够在一定范围内，使输出信号和输入信号保持固定的

8、相位差（并由此而得名），从而达到输出信号频率跟踪输入信号频率的目的。它有锁定特性：在一定的频率范围内，锁相环可以通过“频率牵引”捕捉输入信号频率，使锁相环进人锁定状态。锁相环对输入的固定基准频率锁定后，压控振荡器的振荡频率与输入信号频率的。频差为零，且具有同样的频率稳定性。它们之间仅存在相位差，而不存在频率差。因而广泛用于自动频率控制、频率合成技术等方面。它还有跟踪特性；锁相环一旦进入锁定状态，就能对输入信号一定范围频率的变化具有良好的跟踪特性。因而广泛用于信号的跟踪、提取、提纯、调制和解调。1.2 相环路的应用由于锁相环路性能优越，现广泛应用于无线电通信系统中，可实现模拟和数字信号的调制和解

9、调、频率合成，锁相接收机等方面。1.2.1. 锁相环在调频和解调电路中的应用调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由压控振荡器表达式可知，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率W0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持W0不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号U。外，还有调制信号U1；，则压控振荡器输出信号的频率就是以W0为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。由此可得调频电路可利用锁相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成框图如图2所示。1.2.2. 锁相环路在频率合成方面的应用所谓频率合成器，就是以一个精确度、稳

10、定度极好的石英晶体震荡器作为基准频率，并利用加、减、乘、除等基本运算技术，以获得与石英晶体振荡器同等精确度和稳定度的大量离散频率信号的设备称作频率合成器。为什么用频率合成器来代替收、发信机的振荡频率源，那么，就应当知道原来收、发信机的振荡频率有什么问题。我们知道，在超外差收信机中，总是要求收到的中频信号是一个恒定的频率值。可是在实际工作中，发信机的载波频率和收信机的本机振荡频率，可能由于温度、电源电压和负载的变化引起频率漂移，从而使混频后的中频频率也发生变化。这样，一方面会给调制信号造成寄生调制而引起接收信号的失真，另一方面义会使收信机的选择性、灵敏性显著地降低，尤其严重的情况是，如果中频频率

11、漂移的范围超m收信机的中频放大器的通频带，则可能完全收不到信号。因此，为了克服上述的缺点，就要求现代的发信机、收信机都采用稳频措施。以提高频率的精确度和稳定度。频率合成器便是一种优良的稳频设备。锁相式频率合成在实际应用中采用IGO环路，这种环路的框图。通常在这种环路中，图中的鉴相器是采用取样保持电路组成的脉冲取样鉴相器，图中的基准输入脉冲对压控振荡器的输出信号进行周期取样，如果压控振荡器输出频率f0恰好是基准输入脉冲的某次谐波，则脉冲鉴相器输出直流，环路锁定，其环路输出频率f0为：f0=N*f （N=I、2、3、4)式中N是脉冲的谐波次数。由此可得出：（1）环路输出频率f0的稳定度取决于基准输

12、入信号频率fi，若fi是石英晶体振荡器的频率，则f0具有与fi相同的频率稳定度，即有较高的频率稳定度。（2）IGO环路，实际上是起着倍频作用，即输出频率f0等于N倍的输入信号频率fi，当然锁相式频率合成的实际应用有很多种，在这里只是列举出了其中的一种。第2章 锁相环的结构它主要由鉴相器（Phase Dectector），简称PD，环路滤波器（Loops Filter）简称LF和压控振荡器（voltage-controlled oscillator）简称VCO。锁相环的框图如下图所示。主要由VCO和鉴相器构成，只要外部增设分频器和环路滤波器用R和C，就可以构成PLL频率合成器。第2章 2.1 鉴

13、相器鉴相器是一个其平均输出与其两个输入的相位差成线性比例的电路，它的工作类似于差分放大器，即检测两个输入的差值并产生与之成正比的输出。理想情况下，平均输出与相位差的关系是直线，且相位差为零时直线过原点，这条直线的斜率KPD就是鉴相器的增益，单位是伏弧度。鉴相器的结构有很多种，在混合信号锁相环系统中，主要使用三种：模拟鉴相器、异或门鉴相器和鉴频鉴相器。2.2 环路滤波器环路滤波器可分为无源滤波器和有源滤波器。I：单通路有源滤波器用高增益DC放大器构成的有源滤波器电路。我们现在假设放大器的DC增益实际上是无穷大的(用现代的放大器技术很容易逼近这个情况)，所以这个电路方程可写为，。II：双通路有源滤

14、波器图58是一种比例加积分(P+I)的环路滤波器。不同于前面那个只有一条通路的有源滤波器，这个滤波器有两条通路。滤波器的传递函数为其中Kl为滤波器的比例通路的增益系数，K2为滤波器的积分通路的增益系数。III：无源滤波器与电荷泵一起使用的典型环路滤波器见图59。当相位缓慢变化时，电荷泵电流线性地对Cl和C2充电，起到求均值的作用。当相位快速变化时，电荷泵只是驱动电阻R(假设C2很小)，没有求均值的作用，从而使VCO能够跟踪输入数据的快速变化。2.3 压控振荡器(VCO)压控振荡器(vco)是PLL的重要部分，它消耗了锁相环的大部分功率，它的相位噪声性能直接影响到锁相环的性能。有两种模拟振荡器对

15、PLL很重要：采用选频谐振器的振荡器和依靠弛张原理工作的振荡器。弛张振荡器中主要是环形振荡器。在高频条件下，一般采用LC压控振荡器，在论文的前面已有详细介绍，这里不再赘述。而在频率要求不高的情况下，通常采用环形振荡器。虽然品质因数不高盯1，但环形振荡器有频率调节范围大(>50)，芯片面积小，制造工艺简单，易于集成的优势。2.4 分频器分频器在锁相环路中有三个最主要的功能：变更输入范围、倍频及整波。当需要追踪相当高频的信号时，相位频率侦测器却没办法操作在此高频下，此时则可采用分频器降频。第3章 锁相环技术的工作原理及特性第3章 3.1 锁相环技术的作原理锁相环的主要结构十分简单。它由鉴相器

16、、环路滤波器、压控振荡器(VCO)和分频器构成。锁相环电路在启动时处于“失锁”状态，这时，VCO分频后的输出频率与参考信号的频率无关。鉴相器是相位比较部件，把相位差转换成成比例电压信号；环路滤波器具有低通特性，消除误差信号的高频分量及噪声，同时他还是整个环路动态特性的主要调节部件；压控振荡器受控于环路滤波器输出电压的控制，并形成所要求的频率信号。对于数字锁相环的具体丁作过程：在锁相环环路处于失锁状态时，参考时钟的上升沿与VCO输出时钟的I升沿之间存在一个相位差，这个相位差经过积分之后，反馈回来控制VCO的输出频率，使之向参考时钟的频率靠近，直到锁定。锁相环进入“锁定”状态，鉴相器鉴测m来的相位

17、误差就进入要求的相位误差范围中，因为此时VCO的频率和相位都与参考时钟的频率和相位一致。鉴相器只对分频后的VC0输出信号与参考时钟进行比较，因而锁相环的实际输出频率比参考频率高N倍。因此，锁相环还可以实现倍频功能。3.2 锁相环的特性锁相环技术已广泛存在于各个领域中,这主要归功于锁相环路具有其他控制系统所没有的优越性能,简单地说有以下重要特性。(1)跟踪特性。 在环路锁定下,输入频率一旦发生变化,压控振荡器就会响应这个变化,迅速跟踪这个频率,最终使输入与输出同步。 常见于锁相接收机。(2)滤波特性。 通过环路滤波器的作用, 锁相环路具有窄带滤波特性,能够将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除。

18、通带可以做的很窄,性能更优于任何Lc、 RC、陶瓷滤波器。(3)锁定状态无剩余频差。 正是理想频率控制特性,使得它在自动频率控制、 频率合成技术等方面得到广泛的应用。(4)易于集成化。 环路的基本部件都可采用模拟集成电路实现。 环路实现数字化之后,更易于采用数字集成电路。 体积减小、 成本降低、 可靠性增强。因此,对于当今更多的嵌入系统芯片内的全数字锁相环研究,提高其环路的工作性能,显得更具有十分重要的意义。第4章 锁相环的发展与应用第4章 4.1 发展De Bellescize于1932年提出同步检波理论,首次公开发表了对锁相环的描述,实现同步检波。到1940年,锁相环第一次用于电视接收机扫描同步装置中,改善了电视图像质量。 随后,由杰斐和里希廷利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器获得成功,第一次发表了包含有噪声效应的锁相环路线性理论分析的文章,同时解决了锁相环路最佳化设计的问题。 随着集成电路技术的发展,逐渐出现了集成的环路部件、 通用单片集成锁相环及多种专用集成锁相环,PLL变成一个成本低、 使用简便的多功能组件。 目前,锁相原理的应用已经深入到通信、 雷达、 原子物理学,流体力学等。4.2 锁相环的应用由于锁相环路结构简单,性能优越等特点,现在广泛应用于无线电通信、 数字电视、 广播等众多领域。 概括起来,锁相环的应用主要以下几方面。(1)时钟发生器/频率综合器。