高频高频电路 (VIV)电路

1、Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,1 主講主講:張必產張必產Date:2002/12/16Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,2除了单频道无绳电话之外，所有的多频道无绳电话都采用除了单频道无绳电话之外，所有的多频道无绳电话都采用了频率合成技术，而锁相环是实现频率合成中最常用、了频率合成技术，而锁相环是实现频率合成中最常用、 最最有效的单元电路，所以把锁相环和频率合成技术放在一起有效的

2、单元电路，所以把锁相环和频率合成技术放在一起讨论。讨论。频率合成器频率合成器 随着无线通信技术的不断发展，通信频道迅速增加，对通信设随着无线通信技术的不断发展，通信频道迅速增加，对通信设备振荡器的要求越来越高，不但要求它的频率准确、稳定，而备振荡器的要求越来越高，不但要求它的频率准确、稳定，而且要求能方便地切换频率。晶体振荡器振荡频率稳定、准确且要求能方便地切换频率。晶体振荡器振荡频率稳定、准确Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,3 度高，但切换频率不方便；度高，但切换频率不方便；LC振荡

3、器切换方便，但频率振荡器切换方便，但频率 稳定性、准确性较差。频率合成器能将这两种振荡器的稳定性、准确性较差。频率合成器能将这两种振荡器的 优点结合起来，具有频率稳定性、准确性高，同时切换优点结合起来，具有频率稳定性、准确性高，同时切换 频率方便的优点。频率方便的优点。 实际工作中，把一个基准频率实际工作中，把一个基准频率(有时称为参考频率有时称为参考频率)信号信号 变换成另外一个或多个频率信号的技术，称为频率合成技变换成另外一个或多个频率信号的技术，称为频率合成技 术。完成频率合成的电路叫做频率合成器。术。完成频率合成的电路叫做频率合成器。 频率合成分直接合成法和锁相环路法两大类。频率合成分

4、直接合成法和锁相环路法两大类。 1. 直接合成法直接合成法Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,4 直接合成法是利用一个或多个石英晶体振荡频率作为基准频直接合成法是利用一个或多个石英晶体振荡频率作为基准频 率，由这些基准频率产生一系列的谐波，这些谐波分量具有率，由这些基准频率产生一系列的谐波，这些谐波分量具有 与石英晶体振荡器同样的频率稳定性和准确性。将这些谐波与石英晶体振荡器同样的频率稳定性和准确性。将这些谐波 分量放在混频器中混频，然后从这些谐波中取出两个或两个分量放在混频器中混频，然后

5、从这些谐波中取出两个或两个 以上的频率进行组合，得出这些频率的和频或差频，再经过以上的频率进行组合，得出这些频率的和频或差频，再经过 滤波器选频滤波，选出所需要的频率成份。滤波器选频滤波，选出所需要的频率成份。 例如，要将参考频率为例如，要将参考频率为1.0MHZ信号变换成信号变换成28.156MHZ频频率率 信号，可按以下方法实现：信号，可按以下方法实现： 28.156MHZ=(1MHZ 10 2)+(1MHZ 8)+1MHZ+(1MHZ 5 1/10)+(1MHZ 6 1/10 1/10) 1/10Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunic

6、ations Products Co. Ltd.,5实现框图如图实现框图如图9-19-1所示所示图图9-1 9-1 频率直接合成举例频率直接合成举例Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,6 图中，表示取混频后的和频，图中，表示取混频后的和频， 表示倍频，表示倍频， n表示表示n分频。分频。 由此可见，频率直接合成法是通过一系列的分频、倍频和由此可见，频率直接合成法是通过一系列的分频、倍频和 混频得到的。本图举例是取混频的和频，实际上也可以取混频得到的。本图举例是取混频的和频，实际上也可以取

7、混频后的差频得到，只是它的分频系数和倍频数要重新考混频后的差频得到，只是它的分频系数和倍频数要重新考 虑。直接合成法的缺点是电路复杂、体积大、成本高和调虑。直接合成法的缺点是电路复杂、体积大、成本高和调 试繁琐，目前几乎被锁相环路法所取代。试繁琐，目前几乎被锁相环路法所取代。2. 锁相环路频率合成法锁相环路频率合成法 锁相环路频率合成器由锁相环和分频器组成。它利用锁相锁相环路频率合成器由锁相环和分频器组成。它利用锁相 环获取高准确度、稳定度的振荡，利用分频器中不同的分环获取高准确度、稳定度的振荡，利用分频器中不同的分 频系数获取不同的频率输出。频系数获取不同的频率输出。Copyright 20

8、02 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,7 由于锁相环集成组件早已实现商品化，性能稳定，价格由于锁相环集成组件早已实现商品化，性能稳定，价格低低 廉，加上微电脑芯片应用的日益普及，锁相环频率合成廉，加上微电脑芯片应用的日益普及，锁相环频率合成技技 术已经相当成熟。所以现在电子产品使用的频率合成器，术已经相当成熟。所以现在电子产品使用的频率合成器， 基本上都是锁相环频率合成器。基本上都是锁相环频率合成器。3. 频率合成器主要技术指标频率合成器主要技术指标 1). 工作频率范围工作频率范围 频率合成器的工作频率范围根据用

9、途而定。要求在规频率合成器的工作频率范围根据用途而定。要求在规定的频率范围内，在任何指定的频点上，频率合成器定的频率范围内，在任何指定的频点上，频率合成器都能正常工作，而且满足电路电气性能要求。比如，都能正常工作，而且满足电路电气性能要求。比如，国标规定，无绳话机子机发射频率范围为国标规定，无绳话机子机发射频率范围为48.00MHz 48.475MHz 主机为主机为45.00MHz 45.475MHz (20频道无频道无Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,8 绳电话绳电话)。因此，它们所采

10、用的发射通道频率合成器的工。因此，它们所采用的发射通道频率合成器的工 作频率范围，相应也应该是作频率范围，相应也应该是48.00MHz 48.475MHz和和 45.00MHz 45.475MHz。 2). 频率间隔频率间隔 频率合成器输出的振荡频率是不连续的，两个相邻输出频率合成器输出的振荡频率是不连续的，两个相邻输出 频率之间的最小间隔，就是频率间隔。频率间隔视用途频率之间的最小间隔，就是频率间隔。频率间隔视用途 而定。例如，国标无绳电话频率间隔为而定。例如，国标无绳电话频率间隔为25KHz，所以所以国国 标无绳电话机所用频率合成器的频率间隔为标无绳电话机所用频率合成器的频率间隔为25KH

11、z。 3). 频率转换时间频率转换时间 频率转换时间是指频率合成器输出从一个频率转换到频率转换时间是指频率合成器输出从一个频率转换到Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,9 另一个频率所需要的时间。对无绳电话来说，频率转换时另一个频率所需要的时间。对无绳电话来说，频率转换时 间就是无绳电话切换频道所需要的时间。希望转换时间尽间就是无绳电话切换频道所需要的时间。希望转换时间尽 量短。量短。4). 频率稳定性频率稳定性 频率合成器的频率稳定性由基准频率决定，由于基准频率频率合成器的频率稳定性由基

12、准频率决定，由于基准频率 振荡器采用高稳定性的石英晶振，一般都能满足电路要求。振荡器采用高稳定性的石英晶振，一般都能满足电路要求。 锁相环锁相环 1. 含义和功能含义和功能 Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,10 锁相环是一种相位自动控制系统，通过这个系统，使一个自锁相环是一种相位自动控制系统，通过这个系统，使一个自 激振荡的相位受某一个基准振荡的控制。当一个自激振荡器激振荡的相位受某一个基准振荡的控制。当一个自激振荡器 被一个外来基准振荡器所控制，自激振荡器所产生振荡的相被一个外来基准

13、振荡器所控制，自激振荡器所产生振荡的相 位，和外来基准振荡的相位保持持某种特定关系，称为位，和外来基准振荡的相位保持持某种特定关系，称为“相相 位锁定位锁定”。相位自动控制一般是为了达到相位锁定的目的，。相位自动控制一般是为了达到相位锁定的目的， 故相位自动控制又称故相位自动控制又称“锁相锁相”。相位自动控制系统是一个闭。相位自动控制系统是一个闭 环系统，所以又称为锁相环，其英文代号为环系统，所以又称为锁相环，其英文代号为PLL（Phase Locked Loop)。锁相环在电子学和通信技术中应用十分广锁相环在电子学和通信技术中应用十分广 泛。用锁相技术进行稳频，比用频率自动控制技术进行稳频，

14、泛。用锁相技术进行稳频，比用频率自动控制技术进行稳频， 在性能上要好的多。因为锁相环在性能上要好的多。因为锁相环PLL（自动相位控制系统自动相位控制系统)与与Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,11 自动频率控制系统（自动频率控制系统（AFC）一样，都是一种反馈控制电路，一样，都是一种反馈控制电路， 它们都是利用反馈的原理实现对自身的反馈作用来实现对它们都是利用反馈的原理实现对自身的反馈作用来实现对 输出量的自动调节，从而减小输出量与输入量的误差，利输出量的自动调节，从而减小输出量与输入量

15、的误差，利 用误差来减少误差，因此它们只能减小误差，而不能使误用误差来减少误差，因此它们只能减小误差，而不能使误 差为零，否则反馈作用就失去了它存在的条件。采用差为零，否则反馈作用就失去了它存在的条件。采用AFC 电路进行稳频时，电路进行稳频时，AFC电路是以消除被控振荡和基准振荡电路是以消除被控振荡和基准振荡 之间频率误差为目的一种反馈控制电路，它是利用频率误之间频率误差为目的一种反馈控制电路，它是利用频率误 差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态以后必差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态以后必 然有剩余频率误差存在，即频差不可能为零，这是然有剩余频率误差存在，即频差不可能为零

16、，这是AFC电电 路的一个不可克服的缺点。而用路的一个不可克服的缺点。而用PLL电路进行稳频时，它电路进行稳频时，它Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,12 也是一种以消除频率误差为目的反馈控制电路，它的基本也是一种以消除频率误差为目的反馈控制电路，它的基本 原理则是利用被控振荡和基准振荡之间相位误差电压去消原理则是利用被控振荡和基准振荡之间相位误差电压去消 除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余 相位误差存在，但频率误差可以降

17、低到零，从而实现无频相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频 差的频率跟踪和相位控制。因此在实际的稳频电路中，多差的频率跟踪和相位控制。因此在实际的稳频电路中，多 数情况是采用锁相技术。数情况是采用锁相技术。2. 锁相环的构成及工作及原理锁相环的构成及工作及原理 锁相环的基本组成框图如图锁相环的基本组成框图如图92所示。可以看出，锁相环所示。可以看出，锁相环 路路PLL主要由鉴相器主要由鉴相器PD、环路滤波器环路滤波器LF和压控振荡器和压控振荡器VCOCopyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. L

18、td.,13 所组成。其中所组成。其中PD和和LF构成反馈控制器，而构成反馈控制器，而VCO就是它的就是它的对对 象。整个环路是一个闭环反馈系统，其工作原理如下：象。整个环路是一个闭环反馈系统，其工作原理如下： 图图9-2 PLL基本组成框图基本组成框图 如果输入信号如果输入信号ui(t)的频率的频率 i和和VCO振荡信号振荡信号(即输出信即输出信号号)uo(t) 的频率的频率 o不相等，则称锁相环路处于失锁状态。由于正弦不相等，则称锁相环路处于失锁状态。由于正弦 信号的频率是单位时间内相位的变化量信号的频率是单位时间内相位的变化量,而相位是频率变化而相位是频率变化Copyright 2002

19、 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,14 对时间的积分，所以频率与相位是相关的，因而此时两个对时间的积分，所以频率与相位是相关的，因而此时两个 信号必然存在变动的相位差。鉴相器对加在上边的两个信信号必然存在变动的相位差。鉴相器对加在上边的两个信 号的相位进行比较，输出一个与相位差成比例的误差电号的相位进行比较，输出一个与相位差成比例的误差电ud(t)。 该电压经环路滤波器该电压经环路滤波器LF(实际上就是低通滤波器实际上就是低通滤波器)，滤除高，滤除高 频分量，取出其中缓慢变化的直流或低频电压分量，作为频分量，取出其

20、中缓慢变化的直流或低频电压分量，作为 控制电压控制电压uc(t)加到加到VCO上。显然，上。显然， uc(t)也随着相位差的也随着相位差的变变 动作相应的变化。动作相应的变化。uc(t)加到加到VCO上，从而控制上，从而控制VCO的振荡的振荡 频率频率 o，使使 o不断改变，使其趋向输入信号频率不断改变，使其趋向输入信号频率 i,于是于是uo(t) 与与ui(t)的相位差不断减小，最终可能等于某一较小的恒定的相位差不断减小，最终可能等于某一较小的恒定 Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,1

21、5 值，即二者的相位被值，即二者的相位被“锁定锁定”， VCO的频率的频率 o与输入信号与输入信号 频率频率 i相等，我们称此时环路处于锁定状态。环路锁定后，相等，我们称此时环路处于锁定状态。环路锁定后， VCO振荡信号和输入信号的频率相等，但二者存在恒振荡信号和输入信号的频率相等，但二者存在恒定的定的 相位差，称为稳态相位差或剩余相差。这个稳态相位差经相位差，称为稳态相位差或剩余相差。这个稳态相位差经 鉴相器转变为直流误差电压，通鉴相器转变为直流误差电压，通 过环路滤波器去控制过环路滤波器去控制VCO， 保证保证 o 与与 i同步，也就是同步，也就是 o= i。 一般，一般，PLL刚工作时都

22、处于失锁状态。刚工作时都处于失锁状态。PLL由失锁进入由失锁进入 锁定的过程称为捕捉过程。不难理解，当环路锁定后，若由锁定的过程称为捕捉过程。不难理解，当环路锁定后，若由 于某种原因引起输入信号频率于某种原因引起输入信号频率 i或或VCO振荡频率振荡频率 o 发生变发生变 化，只要变化不很大，环路通过自身的调节作用，可使化，只要变化不很大，环路通过自身的调节作用，可使VCO Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,16 振荡频率振荡频率 o跟踪跟踪 i而变化，从而维持环路的锁定，这过程而变化，

23、从而维持环路的锁定，这过程 称为跟踪过程。相应地，锁相环路的这种状态称为跟踪状称为跟踪过程。相应地，锁相环路的这种状态称为跟踪状 态。可见，捕捉态。可见，捕捉 与跟踪是与跟踪是PLL两种不同的自动调节过程，两种不同的自动调节过程， PLL可通过这两个自动调节过程，通过相位来控制频率，可通过这两个自动调节过程，通过相位来控制频率， 实现无误差的频率跟踪。实现无误差的频率跟踪。3. 鉴相器、环路滤波器及压控振荡器鉴相器、环路滤波器及压控振荡器 1). 鉴相器鉴相器PD(phase Detector) 鉴相器鉴相器PD(phase Detector)是一个相位比较器，它是一个相位比较器，它对输入对输

24、入 的基准信号的基准信号ui(t)的相位和的相位和VCO输出的振荡信号电压输出的振荡信号电压uo(t) 的相位进行比较，输出一个正比于两信号之间相位差的的相位进行比较，输出一个正比于两信号之间相位差的Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,17 误差电压误差电压ud(t)，ud(t)的极性反映了基准信号的相位是超前、的极性反映了基准信号的相位是超前、 还是滞后于还是滞后于VCO信号的相位，从而反映了信号的相位，从而反映了VCO信号频率是信号频率是 大于还是小于基准信号频率。因此，我们将误差电压

25、作为大于还是小于基准信号频率。因此，我们将误差电压作为 控制电压去控制控制电压去控制VCO。 目前广泛应用于集成锁相环的鉴相器，是一个模拟相目前广泛应用于集成锁相环的鉴相器，是一个模拟相乘乘 器。用模拟相乘器构成鉴相器的原理图如图器。用模拟相乘器构成鉴相器的原理图如图9-3所示。所示。 图图9-3 模拟乘法器作鉴相器模拟乘法器作鉴相器 在图中，接到模拟相乘器输入端的两信号为在图中，接到模拟相乘器输入端的两信号为 :Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,18 ui(t)=UimSin vt+

26、i(t)(基准信号电压基准信号电压), uo(t)=UomSin vt+ o(t)(VCO输出电压输出电压), 式中式中 v为为VCO的固有振荡角频率，即控制电压为零时的固有振荡角频率，即控制电压为零时的的 振荡角频率，则相乘器振荡角频率，则相乘器(鉴相器鉴相器)的输出电压为的输出电压为 ud(t)=Kmui(t)uo(t)=1/2KmUimUom Sin2 vt+ i(t)+ o(t)+1/2KmUim Uom Sin i(t)- o(t) 上式右端第一项为高频分量，将被环路滤波器上式右端第一项为高频分量，将被环路滤波器(低通滤波器低通滤波器) 所滤除，起作用的分量为上式右端第二项，故所滤除

27、，起作用的分量为上式右端第二项，故ud(t)可表示可表示为为 ud(t)=1/2Km Uim UomSin i(t)- o(t)=Kd Sin e(t) 1).式中式中Kd=1/2Km UimUom称为鉴相灵敏度，它表示鉴相器称为鉴相灵敏度，它表示鉴相器的的Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,19 最大输出电压。最大输出电压。 e(t)= i(t)- o(t)称为鉴相器的误差相位，它表示输入到称为鉴相器的误差相位，它表示输入到鉴鉴 相器的基准电压与相器的基准电压与VCO输出电压间的瞬时相差

28、。式输出电压间的瞬时相差。式(1)称称为为 鉴相器特征表达式，它说明鉴相器的输出电压是误差相位鉴相器特征表达式，它说明鉴相器的输出电压是误差相位 的函数，它具有把相位误差转换为误差电压输出的功能。的函数，它具有把相位误差转换为误差电压输出的功能。满满 足该式的鉴相特性称为正弦鉴相特性，如图足该式的鉴相特性称为正弦鉴相特性，如图9-4所示。所示。 图图9-4 模拟乘法器的正弦鉴相特性模拟乘法器的正弦鉴相特性Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,20 这种鉴相器称为正弦特性鉴相器。在实际工作中，

29、这种鉴相器称为正弦特性鉴相器。在实际工作中， e(t)往往 往很小，一般往很小，一般| e(t) |/6，此时，此时ud(t) Kd e(t),可见，当可见，当| e(t)| /6时，鉴相特性近似为线性，鉴相器件可以作为线性元时，鉴相特性近似为线性，鉴相器件可以作为线性元 件来处理。件来处理。鉴相器除模拟相乘器外，还有异或门鉴相器，鉴相器除模拟相乘器外，还有异或门鉴相器，存存 储式边沿触发数字鉴相器等。储式边沿触发数字鉴相器等。2). 环路滤波器环路滤波器LF(Loop Filter) 环路滤波器环路滤波器LF是一个低通滤波器，它在是一个低通滤波器，它在PLL中的作用是滤中的作用是滤 除鉴相器

30、输出的误差电压除鉴相器输出的误差电压ud(t)中的高频分量和干扰分量，中的高频分量和干扰分量，得得 到控制电压到控制电压uc(t)，加在加在VCO上，它对上，它对PLL环路的性能有很环路的性能有很大大Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,21 影响，因此，它也是影响，因此，它也是PLL环路中的一个基本环节。环路中的一个基本环节。 图图9-5 环路滤波器环路滤波器 图图9-5所示的低通滤波器是所示的低通滤波器是PLL中常用的三种环路滤波器。中常用的三种环路滤波器。(a).图为简单图为简单RC滤

31、波器，滤波器，(b).图为图为RC比例积分滤波器，比例积分滤波器，(c).图为有原比例积分滤波器。图为有原比例积分滤波器。 Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,22 3). 压控振荡器压控振荡器VCO(voltage controlled oscillater) VCO是指振荡频率由外加电压控制的振荡器，它在锁相环是指振荡频率由外加电压控制的振荡器，它在锁相环 路中的作用是产生频率随控制电压路中的作用是产生频率随控制电压uc(t)变化的振荡电压变化的振荡电压uo(t)。 在第在第V1单元中

32、介绍的变容管直接调频电路就是一种简单单元中介绍的变容管直接调频电路就是一种简单的的 VCO。在这类调频电路中，通常采用电容三点式或电感三在这类调频电路中，通常采用电容三点式或电感三 点式振荡电路，反向偏置的变容二极管作为振荡回路的一点式振荡电路，反向偏置的变容二极管作为振荡回路的一部部 分。当外加控制电压变化时，变容分。当外加控制电压变化时，变容 二极管电容量改变，二极管电容量改变，使使 回路的电容或电感数值改变，导致振荡频率改变。因此，回路的电容或电感数值改变，导致振荡频率改变。因此， VCO实际上是一种电压实际上是一种电压-频率变换器，其特性可用瞬时振频率变换器，其特性可用瞬时振荡荡 频率

33、频率 o与控制电压与控制电压uc之间的关系曲线来表示，如图之间的关系曲线来表示，如图9-6所所示。示。Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,23 图图9-6 VCO特性曲线特性曲线 在图在图9-6中，中心频率中，中心频率 v(固有振荡频率固有振荡频率)是在没有外加控制是在没有外加控制电电 压压(uc=0)而仅有静态偏压时的振荡频率，称为固有角频率。而仅有静态偏压时的振荡频率，称为固有角频率。 o以以 v为中心而变化。显然，在没有输入调制信号时，调为中心而变化。显然，在没有输入调制信号时，调

34、整回路的电感或电容，中心点频率整回路的电感或电容，中心点频率 v将发生变化。为保证将发生变化。为保证 Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,24 调频信号瞬时频率与调制信号大小线性变化，在一定的频调频信号瞬时频率与调制信号大小线性变化，在一定的频 率范围内，要求率范围内，要求 o与与uc之间是线性关系。另外，由图之间是线性关系。另外，由图9-2可可 见，见，VCO输出，一方面作为整个输出，一方面作为整个PLL输出，另一方面将它输出，另一方面将它 送回鉴相器，在鉴相器里同基准信号进行相位比较。

35、送回鉴相器，在鉴相器里同基准信号进行相位比较。 VCO应该满足下列要求：控制电压应该满足下列要求：控制电压-频率特性的线性频率特性的线性要要 好好(即控制电压变化与瞬时频率变化为稳定的正比关系即控制电压变化与瞬时频率变化为稳定的正比关系)，线线 性的范围要宽性的范围要宽(即控制电压的动态范围都在线性范围内即控制电压的动态范围都在线性范围内)；振振 荡频率覆盖范围要满足整个荡频率覆盖范围要满足整个VCO工作频率范围，并留有适工作频率范围，并留有适 当余地；输出当余地；输出信号幅度要稳定，在整个信号幅度要稳定，在整个VCO工作频率范围工作频率范围 内都要保持幅度稳定。内都要保持幅度稳定。VCO除变

36、容管直接调频电路外，还除变容管直接调频电路外，还Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,25 有积分有积分 施密特触发器型施密特触发器型VCO，射极耦合型射极耦合型VCO和交叉充和交叉充放放 电型电型VCO等。等。4.PLL的性能分析的性能分析 1).捕捉过程捕捉过程 先介绍几个名词术语：先介绍几个名词术语： 捕捉过程：捕捉过程：PLL由起始的失锁状态进入锁定状态的过程。由起始的失锁状态进入锁定状态的过程。 捕捉带捕捉带p：能够由失锁进入锁定所允许的输入信号频率能够由失锁进入锁定所允许的输入信

37、号频率 i偏离偏离 v(VCO的固有振荡频率的固有振荡频率)的最大值的最大值| i |(最大起最大起始始 频差频差)。Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,26 捕捉时间捕捉时间Ep：完成捕捉过程所需要的时间，即环路由起始完成捕捉过程所需要的时间，即环路由起始的的 失锁状态进入锁定状态所需要的时间。失锁状态进入锁定状态所需要的时间。 下面对捕捉过程进行分析：下面对捕捉过程进行分析： 当环路未加输入信号当环路未加输入信号ui(t)时，时，VCO上没有控制电压，此时上没有控制电压，此时 的振荡频

38、率为的振荡频率为 v，若将频率若将频率 i恒定的输入信号恒定的输入信号(基准信号基准信号) 加到环路上去，则固有频偏加到环路上去，则固有频偏(起始频差起始频差) i= i- v，因而因而 在接入在接入ui(t)的瞬间，加到鉴相器的两个信号的瞬时相位差的瞬间，加到鉴相器的两个信号的瞬时相位差 e(t)=it，相应地鉴相器输出误差电压相应地鉴相器输出误差电压ud(t)=KdSin e(t)= KdSin it。显然显然ud(t)是频率为是频率为i差拍电压，所谓差拍差拍电压，所谓差拍电电 压是指其角频率压是指其角频率i(起始频差起始频差)是两个角频率是两个角频率( i和和 v)的差的差值。值。Cop

39、yright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,27 起始频差起始频差i的大小不同，环的大小不同，环路的工作情况也不同。路的工作情况也不同。A. 若若i较小，即较小，即VCO的固有振荡频率的固有振荡频率 v与输入信号频率与输入信号频率 i相相 差较小，处于环路滤波器的通频带内，则差拍电压差较小，处于环路滤波器的通频带内，则差拍电压ud(t)能能顺顺 利通过环路滤波器加到利通过环路滤波器加到VCO上，控制上，控制VCO的振荡频率，使的振荡频率，使 其随差拍电压的变化而变化，所以其随差拍电压的变化而变化，所以V

40、CO输出是一个调频波，输出是一个调频波， 即即 o(t)将在将在 o(o)= v上擺动。由于上擺动。由于i较小，所以较小，所以 o(t)很很容容 易擺动到易擺动到 i，环路进入锁定状态，这时鉴相器将输出环路进入锁定状态，这时鉴相器将输出 一个一个 与稳态相位差对应的直流电压；维持环路的锁定状态。与稳态相位差对应的直流电压；维持环路的锁定状态。B. 若若i较大，即较大，即 v和和 i相差较大，使相差较大，使i超出环路滤波器的超出环路滤波器的 通频带，但仍小于捕捉带，这时鉴相器输出的差拍电压通频带，但仍小于捕捉带，这时鉴相器输出的差拍电压ud(t)Copyright 2002 by TE Dept

41、. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,28 通过环路滤波器时受到较大的衰减，则加到通过环路滤波器时受到较大的衰减，则加到VCO上的控制上的控制 电压电压uc(t)很小，很小，VCO振荡频率振荡频率 o(t)在在 v基础上的变化幅度基础上的变化幅度 也很小，使得也很小，使得 o(t)不能立即变化到等于不能立即变化到等于 i，则捕捉过程需则捕捉过程需 要许多个差拍周期才能完成。每经过一个差拍周期的反馈要许多个差拍周期才能完成。每经过一个差拍周期的反馈 和控制，和控制， o(t)的平均值向的平均值向 i靠近一些，靠近一些， 如此循环下去，直如此循

42、环下去，直 到到 o(t)等于等于 i为止。显然，这样的捕捉时间较长。图为止。显然，这样的捕捉时间较长。图9-7示示 出捕捉过程中鉴相器输出的误差电压出捕捉过程中鉴相器输出的误差电压ud(t)的波形，通常将的波形，通常将 o(t)的平均值靠近的平均值靠近 i的现象称为频率牵引现象，它是捕捉的现象称为频率牵引现象，它是捕捉时时 间变长的主要原因。间变长的主要原因。C. i很大，即很大，即 v与与 i相差很大，使相差很大，使 i不但远大于环路滤波不但远大于环路滤波Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Lt

43、d.,29 图图9-7 捕捉过程中捕捉过程中ud(t)波形波形 器的通频带，而且大于捕捉带器的通频带，而且大于捕捉带 p。这时鉴相器输出的差。这时鉴相器输出的差拍拍 电压电压 ud(t)不能通过环路滤波器不能通过环路滤波器,则则VCO上没有控制电压上没有控制电压uc(t), 环路处于失锁状态。应该指出，如果环路处于失锁状态。应该指出，如果 i不是特别大，则环不是特别大，则环 路尽管不能锁定，但也存在频率牵引现象，因此，路尽管不能锁定，但也存在频率牵引现象，因此，VCO振振 荡频率的平均值向着输入信号的标准频率荡频率的平均值向着输入信号的标准频率 i靠近了。综上所靠近了。综上所Copyright 2002 by TE Dept. of CCT Telecommunications Products Co. Ltd.,30 述，并不是任何情况下环路都能锁定。如果述，并不是任何情况下环路都能锁定。如果VCO固有振荡固有振荡 频率频率 v与输入信号频率与输入信号频率 i相差太大，环路失锁；而只当相差太大，环路失锁；而只当 v 与与 i相差不太大时，环路才能锁定。相差不太大时，环路才能锁定。2). 跟踪过程跟踪过程 当