锁相环路的工作原理学习教案

1、会计学1锁相环路的工作锁相环路的工作(gngzu)原理原理第一页，共25页。22.1.2 2.1.2 锁相环的构成锁相环的构成(guchng)(guchng)（一）构成（一）构成(guchng)鉴相器鉴相器环路滤波器环路滤波器压控振荡器压控振荡器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(bjin)组成的。组成的。通常采用英文缩写表示：通常采用英文缩写表示：鉴相器鉴相器 PD ( Phase detector )环路滤波器环路滤波器LF ( Loop Filter )压控振荡器压控振荡器 VCO ( Voltage-Contro

2、lled Oscillator)第2页/共25页第二页，共25页。3（1）PD的功能的功能 鉴相器对两个鉴相器对两个(lin )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的相位进行比较，其输出误差电压反映了它的两个(lin )输入信号相位差的大小。输入信号相位差的大小。（二）各部件（二）各部件(bjin)的功能的功能（2）LF的功能的功能 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。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

3、决定性的作用，对环路性能有着重要的影响。（3）VCO的功能的功能 压控振荡器是一个电压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。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。第3页/共25页第三页，共25页。4 压控振荡器工作在压控振荡器工作在“自由振荡自由振荡”状态（不受控），其振荡频率为状态（不受控），其振荡频率为 ，输出信号：，输出信号：o（2）当有信号输入）当有信号输入(shr)时，且固有频差大于环路滤波器截止频率时，即：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(su dn)与跟踪，实现输出与输入信号的相位同步

4、呢？下面对环路的入锁过程和跟踪过程作定性描述。 ooootVtVcos（1）当环路无输入信号时：）当环路无输入信号时： VCO的的固有振荡频率固有振荡频率； VCO 的初始相位的初始相位 ；oo iiiitVtVsin输入信号：输入信号： 输入信号的角频率；输入信号的角频率； 输入信号的初始相位输入信号的初始相位 ；ii第4页/共25页第四页，共25页。5oioiddtVtV)(sin)(为频率很高的正弦电压为频率很高的正弦电压(diny)信号，信号， 0tVc经环路滤波器（低通）将被完全滤除，则加到经环路滤波器（低通）将被完全滤除，则加到VCO控制端的电压控制端的电压所以，压控振荡器输出频率

5、仍然维持在固有频率所以，压控振荡器输出频率仍然维持在固有频率 上。上。o 此时，环路没有起到控制作用，环路处于不受控状态，此时，环路没有起到控制作用，环路处于不受控状态， ，也称为，也称为失锁状态失锁状态。oi（2）当有信号输入）当有信号输入(shr)，且固有频差大于环路滤波器截止频率时：，且固有频差大于环路滤波器截止频率时：oio固有频差：固有频差：很大很大第5页/共25页第五页，共25页。6失锁状态失锁状态(zhungti)：第6页/共25页第六页，共25页。7（3）当有信号输入，且固有）当有信号输入，且固有(gyu)频差低于环路滤波器的截止频率时：频差低于环路滤波器的截止频率时：oioi

6、ddtVtV)(sin)(为频率较低的正弦误差电压信号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该误差电压信号经过环路滤波(lb)器就不会被滤除掉，其滤波器就不会被滤除掉，其滤波(lb)输出信号作为控制电压加在压控振荡器上，使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。输出调频信号。oio固有频差：固有频差：较小较小第7页/共25页第七页，共25页。8 当压控振荡器就会受到这个差拍电压调制时，输出电压当压控振荡器就会受到这个差拍电压调制时，输出电压 为中心角频率为为中心角频率为 、调制频率为、调制频率为 的调频信号。的调频信号。 tV00o tVKtcoV0VCO

7、瞬时输出频率瞬时输出频率牵引频率牵引频率固有频率固有频率( yu pn l)第8页/共25页第八页，共25页。9捕捉状态捕捉状态(zhungti)（起始）：（起始）：第9页/共25页第九页，共25页。10VCO瞬时(shn sh)频率1tt 时，瞬时频差时，瞬时频差 最小，最小，vi tVd的频率低；的频率低；时，瞬时频差时，瞬时频差 最大，最大，vi tVd的频率高；的频率高；3tt 所以，鉴相器的输出为一个上下不对称的差拍波。所以，鉴相器的输出为一个上下不对称的差拍波。（4）VCO输出的调频波反馈到输入输出的调频波反馈到输入(shr)端时端时 该该VCO调频波与输入调频波与输入(shr)正

8、弦信号进行鉴相的结果是：正弦信号进行鉴相的结果是：捕捉状态捕捉状态（起始）（起始）：第10页/共25页第十页，共25页。11 （5）由于）由于 是上下不对称的差拍波，所以是上下不对称的差拍波，所以 ，含的直流成分和低频，含的直流成分和低频交流成分通过交流成分通过LF ，而高频成分被，而高频成分被LF滤除。滤除。 的直流分量的直流分量 经经LF加在加在VCO上，形成牵引电压，使上，形成牵引电压，使VCO输出调频波的中心振荡频率向着输出调频波的中心振荡频率向着 的方向产生迁移。的方向产生迁移。 的基频交流成分对的基频交流成分对VCO进行调制，使进行调制，使VCO输出调频波。输出调频波。 tVdit

9、Vd tVdVCO瞬时(shn sh)频率捕捉状态捕捉状态(zhungti)（牵引过程）：（牵引过程）：)(vi 基频交流分量的频率：基频交流分量的频率： tVd第11页/共25页第十一页，共25页。12捕捉状态（牵引捕捉状态（牵引(qinyn)过程）：过程）：第12页/共25页第十二页，共25页。13 tVKVKtccooV100 tVVtVccoc1直流成分直流成分(chng fn)低频低频(dpn)交流成分交流成分牵引频率牵引频率牵引后的中心频率牵引后的中心频率第13页/共25页第十三页，共25页。14 tVd tVd （6）由于牵引电压的存在，鉴相器输出的误差电压由于牵引电压的存在，鉴

10、相器输出的误差电压 更加不对称，那么，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，基频交流成分中的直流成分就越来越大，基频交流成分 的频率越来越低。的频率越来越低。 tVd tVd)(vi 基频交流分量的频率：基频交流分量的频率： tVd（7）如此反复循环，）如此反复循环， 越来越小，牵引电压越来越小，牵引电压(diny)越来越大，使越来越大，使VCO振荡频率向着输入频率逐渐靠近，最终振荡频率向着输入频率逐渐靠近，最终 。iv第14页/共25页第十四页，共25页。15 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，以更快的速度这个逐渐变大的直流分量经过环路滤波器后去控

11、制压控振荡器，以更快的速度(sd)使压控振荡器的中心频率趋向输入频率。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最后，压控振荡器的频率由原来的 变成变成 ，环路便稳定在这个频率，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。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。oii第15页/共25页第十五页，共25页。16 鉴相器和环路滤波器输出鉴相器和环路滤波器输出(shch)信号均为一直流电压。信号均为一直流电压。在环

12、路锁定在环路锁定(su dn)状态下：状态下：0oiv 环路的输入信号频率与压控振荡器输出频率相等，即：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。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。e常数常数 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。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

13、频并保持相位差为一固定值。第16页/共25页第十六页，共25页。17锁定锁定(su dn)状态：状态：第17页/共25页第十七页，共25页。18（8）环路同步）环路同步(tngb)跟踪跟踪 环路一旦环路一旦(ydn)锁定后，当输入信号的相位锁定后，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。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。锁相环路是稳频系统。mimv当当时，则时，则 当输入信号的相位当输入信号的相位/频率的变化超出环路的跟踪能力时，环

14、路将失去控制，由锁定变为失锁。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，当输入信号的相位在环路锁定条件下，当输入信号的相位/频率发生变化，频率发生变化，且满足环路跟踪条件时，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。频率进行变化。锁相环是相位跟踪系统。锁相环是相位跟踪系统。第18页/共25页第十八页，共25页。19（3）列举出几种判定环路锁定）列举出几种判定环路锁定(su dn)的测试方法，并简要说明其原理。的测试方法，并简要说明其原理。（2）能否断言控制电压能否断言控

15、制电压 是一直流时，环路一定处于锁定状态？是一直流时，环路一定处于锁定状态？ tVc （1 1） 试说明环路分别处于试说明环路分别处于(chy)“(chy)“失锁失锁”、 “ “捕捉捕捉” ” 与与“锁定锁定” ” 状态时，状态时， 应该是什么样的波形？应该是什么样的波形？ 应该是什么样的波形呢？应该是什么样的波形呢？ tVd tVc （4） 试说明环路分别处于试说明环路分别处于“失锁失锁”、 “捕捉捕捉”与与 “锁定锁定” 状态时，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？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？应该是什么样的波形呢？其输出

16、频率等于什么？ tV0 tVi第19页/共25页第十九页，共25页。20 共计共计96份作业，其中份作业，其中46份全部正确。份全部正确。 在存在问题的在存在问题的50份作业中，失锁、捕捉、锁定份作业中，失锁、捕捉、锁定3种状态的解答中，锁定状态的解答正确率达种状态的解答中，锁定状态的解答正确率达96%，仅有，仅有2人出错；出现人出错；出现(chxin)问题最多的是捕捉过程。问题最多的是捕捉过程。 tVc失锁状态的错误情况：失锁状态的错误情况： 不对称差拍波不对称差拍波 ； 直流直流 直流直流 tVd tVd 0tVc捕捉状态的错误情况：捕捉状态的错误情况： 正弦波正弦波 ； 正弦波正弦波 调

17、频波调频波 直流直流 tVd tVc tVc tVc第20页/共25页第二十页，共25页。21使用使用(shyng)时，直接删时，直接删除本页！除本页！精品课件，你值得精品课件，你值得(zh d)拥有！拥有！精品课件，你值得精品课件，你值得(zh d)拥有！拥有！第21页/共25页第二十一页，共25页。22使用时，直接使用时，直接(zhji)删除删除本页！本页！精品精品(jn pn)课件，你值课件，你值得拥有！得拥有！精品课件，你值得精品课件，你值得(zh d)拥有！拥有！第22页/共25页第二十二页，共25页。23使用使用(shyng)时，直接时，直接删除本页！删除本页！精品精品(jn pn)课件，你值得课件，你值得