生物医学电子设备学-生物遥测-课件

第五章生物遥测1.信号的调制与解调2.生物遥测方式3.锁相环1ppt课件概述生物医学遥测分类生物医学遥测系统组成远程医疗2ppt课件1、遥测很好的适应了生物测量的特殊性，无线电生物信号遥测通过空间电磁波的发射和接收传递信息，这样能够实现生物信号的动态测试，例如：◎工作状态/运动状态下：人体生理检测。◎飞行员/宇航员：生理监测◎难以配合的动物试验-无线测量◎难以测量的部位：消化道压力、深部体温、血管中压力、颅内压2、无线遥测切断了被测对象与市电电源的联系，免除了复杂的安全措施的设置，同时避免了干扰。3ppt课件生理信号首先经过调制由发射机以电磁波方式把生理信号辐射出去，通过接收机收到调制信号，再由解调电路恢复原有的生理信号。4ppt课件5ppt课件6ppt课件按传输介质分:无线遥测有线遥测按信号变换分：模拟式遥测数字式遥测按传送的路数分：单路遥测多路遥测生物医学遥测分类7ppt课件传感及发送传输信道接收及显示8ppt课件个人与医院间、医院与医院间，实施医学信息(包括数据、声音和图像等多媒体信息)的远程传输与监控，实现家庭保健、远程会诊、医疗急救、远程医学教育、手术观摩、学术交流、共享数据库等。远程医疗9ppt课件远程传输的几个核心技术调制与解调编码与解码基带传输与频带传输多路复用技术10ppt课件信号的调制和解调生理信号调制发射。。。。。。。。。接收解调生理信号11ppt课件

5.1信号的调制和解调几个概念

调制：把信号的频谱搬移到任何所需要的频率范围；即把信号附在不同频率的载波上，目的是为了信号的电磁波发射和占据不同频带，实现多路传送。

控制高频振荡的三个基本参数(幅度，相位，频率),使高频信号按所要传递的低频信号的变化而变化,让高频信号包含低频信号的信息，这一过程称为调制。低频信号称为调制信号或调制波；高频振荡称为载波；经过调制的信号称为已调波。根据被控制的高频振荡的参数不同，调制方式分为：振幅调制AM、频率调制FM、相位调制PM,其中调频和调相统称为角度调制；另一种调制方式是脉冲调制，即用信号去调制脉冲序列的参数：脉冲幅度、脉冲宽度、脉冲位置，分别称为脉冲幅度调制PAM、脉冲宽度调制PFM、脉冲位置调制PPM。

解调：调制的逆过程。

12ppt课件13ppt课件调制信号为:

载波信号为:调幅过程中，已调波的振幅随调幅信号成正比变化，即5.1.1调幅、调频及其解调

1、振幅调制与解调14ppt课件15ppt课件16ppt课件17ppt课件18ppt课件把调制信号和载波信号同时加到一个非线性元件上，经过非线性作用产生新的频率分量，在利用谐振回路选出所需的频率成分即可实现调幅。常用三极管的非线性特性进行频率变换，再由谐振回路选出调幅波分量得到调幅信号。

根据调制信号接入电路方式不同，分为基极调幅、发射极调幅和集电极调幅。那么如何产生调幅波？如右图所示为基极调幅电路：高频振荡器通过高频变压器B1加到晶体管基极电路，低频调制信号通过一个电感线圈与高频信号串联，电阻R1和R2构成分压器以提高基极偏流，C2为高频旁路电容，C1为低频旁路电容。在基极回路，高频振荡、低频调制信号和直流电压相串联构成基极—发射极间电压ube,集电极电流ic受它的控制。再由集电极的谐振回路将各谐波分量滤除，只取出载频和旁频分量即可获得调幅波。19ppt课件从高频已调波中取出调制信号的过程为解调或称为检波。调幅波的解调称为幅度检波。检波电路的功能：1、如果输入信号为高频等幅波输出就是直流信号；2、如果输入信号为已调波，在输出端取出调制信号；从频谱关系来看检波电路的输入信号的频谱由载频和旁频分量组成，不包含低频调制分量，但检波电路的输出须还原为低频调制信号，这样的频率变化关系应当由非线性元件（如二极管和滤波元件）完成。

常用的检波电路分为大信号（大于500mV）包络检波和小信号(小于几十毫伏)平方律检波。解调20ppt课件在高频载波的正半周，检波二极管D导通，电流i的一部分为电容C充电，二级管呢组为rD,充电时间为rDC,充电过程u2幅值增大，若比u1幅值大，则D截止，电容通过R放电，时间常数为RC，此过程u2接近u1幅值。这种检波电路输出电压与输入信号的包络一致，而且输出电压的大小于输入信号载体峰值接近相等，又称为峰值包络检波。21ppt课件二极管平方律检波平方律检波：工作于检波二极管伏安特性弯曲部分，电路中需加偏置E，保证锗二极管输入信号小于0.2V。22ppt课件相干检波：又叫做乘积检波，它和包络检波的最大区别是在接收端必须有一个本地载波信号，本地载波信号与接收到的已调波相乘可以产生调制信号频率分量和其他谐波组合频率分量，再经过低通滤波器可还原出调制信号。23ppt课件2、频率调制与解调：调制信号控制载波的频率使载波频率按照调制信号的规律变化，即由已调信号的频率或相位的变化来携带信息。24ppt课件25ppt课件26ppt课件可见调频波的旁频分量有无穷多，因此占用频谱宽度为无穷大。但旁频分量的幅度随阶数的增加而迅速下降，mf=1,n>4后旁频分量相对幅度已经小于0.01，可以忽略，因此频带宽度ΔB=6Ω/2。可以看出调频波主要的特点是其频谱结构与调制系数mf有密切关系。27ppt课件

实现频率调制的方法很多。以直接调频为例，在振荡回路中串联或并联一种特殊的电抗元件，这种电抗元件的电抗值在调制信号作用下随调制信号的大小而变化，从而改变振荡频率，实现调频。如图所示：LC振荡器的振荡频率由L和C决定，把可变电抗元件（可变电容或电感）作为振荡回路的一部分，电抗元件的参量用低频调制信号控制，产生随调制信号而变化的调频波。如何实现频率调制28ppt课件电抗元件：变容二极管特性：PN结势垒电容，二极管反向电压绝对值减小，电容增大；反之减小。其电容量CD与反向电压u关系为29ppt课件变容二极管调频电路：把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路。在调制信号的作用下通过变容二极管电容量的变化控制振荡频率。（适当选择变容二极管的参数和静态值可以使振荡频率的变化近似与调制信号成线性关系）。变容二极管调频电路简单，容易获得较大的频偏，而且在频偏不大的情况下非线性失真很小。但是变容二极管的特征离散带来应用的不变，而且在偏压的漂移、温度变化等都会引起频率不稳定。30ppt课件多谐振荡器调频：多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。是生物遥测中广泛使用的另一种直接调频电路。

多谐振荡器的脉冲重复频率与基极偏置电压有关，若以调制信号作为这一偏压，那么多谐振荡器的脉冲重复频率就随之改变，并产生脉冲调频波，再把脉冲波加到低通滤波器去除各次谐波分量而得到载波为正弦的调频信号，其工作频率可高达几十兆赫，亦可以低至几千、几百赫，而变容二极管调频电路受电容变化范围限制不能工作在这样低的频率。31ppt课件鉴频从接收到的已调频波中检出原调制信号—鉴频器。其主要功能是实现已调频波的频率变化到电压变化变换。但是直接进行这种变换是困难的，可以分为两步实现，先把等幅的已调波变成幅度随频率变化的已调频波，幅度的变化规律和频率变化规律一样，然后通过检波得到原调制信号。可以概括为：调频—调幅（频-幅变换）和振幅检波，如图所示：调频波调频调幅波解调输出波32ppt课件鉴频器的性能指标：1、灵敏度：假设在中心频率f0附近频率偏离Δf时输出电压为U0，则称U0/Δf称为鉴频灵敏度。2、线性范围：即鉴频特性近似为直线的频率范围，如图范围B，此范围应大于调频信号最大频偏。3、非线性失真：尽可能小的非线性失真。33ppt课件常用鉴频电路：1、斜率鉴频器（又称为振幅鉴频器）V(t)包络检波器FM线性网络

(变换器)34ppt课件

原理：利用调谐回路幅频特性倾斜部分对FM波解调的，因此称为斜率鉴频法。缺点线性度较差线性范围小，在频偏较大时有严重非线性失真回路谐振曲线f0为谐振频率，fc为调频波中心频率输入信号频率变化曲线35ppt课件L12.平衡斜率鉴频器

单调谐回路的谐振曲线，其倾斜部分的线性范围是很小。为了扩展鉴频特性的线性范围，实用的斜率鉴频器都是采用两个鉴频器构成的平衡电路。平衡鉴频器36ppt课件37ppt课件上述谈论的调制技术是采用连续振荡波形(正弦型信号)作为载波的，然而，正弦型信号并非是唯一的载波形式。在时间上离散的脉冲串，同样可以作为载波，这时的调制是用时间上离散的调制信号去改变脉冲的某些参数而达到的，人们常把这种调制称为脉冲调制。通常，按改变脉冲参数(幅度、宽度、时间位置)的不同，把脉冲调制分为脉冲幅度调制(PAM)、脉冲宽度调制(PDM)和脉冲位置调制(PPM)，又称为脉冲模拟调制；另一类脉冲调制是脉冲数字调制，如脉冲编码调制。脉冲调制38ppt课件所谓脉冲幅度调制，即是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则所说的抽样定理，就是脉冲幅度调制的原理。脉冲幅度调制满足采样定理：采样间隔TS</m，m为被采样信号的最高角频率39ppt课件但是，实际上真正的冲激脉冲串是不可能实现的，仅仅是理想采样，传递一个极窄的脉冲要求电路具有极宽的带宽，冲击函数带宽为无限宽。因此通常只能采用一定宽度的窄脉冲序列作为采样脉冲。下图为用高速开关电路实现采样的原理：场效应管作为开关元件，用适当的驱动器提供采样脉冲；当采样信号处于高电平时，输入接通至输出，当处于低电平时，断开，称为自然采样。平顶采样：采样—保持。40ppt课件所谓脉冲宽度调制，即是脉冲载波的幅度保持不变，只是采用采样脉冲的宽度变化来传输信号。原理如右图所示：脉冲宽度调制PAM恢复过程用低通滤波器实现，在满足采样定理的条件下，通过截止角频率为m的低通滤波器来恢复原来的信号。采样信号脉冲序列单边带调制：前沿不变双边带调制：前后沿都变41ppt课件根据PDM形成的结果来看，分为均匀采样和非均匀采样。首先形成PAM信号锯齿波a，b叠加c通过双稳态触发器：脉冲宽度=0+KPDM（t），0为未调制时的脉冲宽度，KPDM（t）为调宽指数（调制信号的幅度与PDM信号脉冲宽度的比例关系）c通过双稳态触发器调制信号锯齿波a，b叠加c通过双稳态触发器决定于采样时刻的调制信号瞬间值决定于达到触发门限的调制信号瞬间值42ppt课件脉冲宽度PDM解调原则上可以采用截止角频率为m的低通滤波器来恢复原来的信号；更好的办法是先把PDM变成PAM信号，然后解调PAM信号的方法恢复原来的调制信号，解调过程如右图所示。调宽波形成台阶波：高度与脉冲宽度成正比等幅度的窄脉冲序列叠加在台阶波上与限幅器门限比较后得到PAM43ppt课件脉冲位置PPM调制PDM反应在已调脉冲波形前后测位置的变化上面，与脉冲自身的宽度无关；可以把脉冲波形的前后位置变化提取出来转换成窄脉冲传输，既反应出了调制信号又节省了传输功率—脉冲位置调制的设计思想——PDM基础上通过微分整形形成PPM。调宽波PDM通过微分电路形成正负尖脉冲经过单稳态触发器整形将负脉冲形成调制波：幅度和宽度保持不变，时间位置与调制信号呈线性模拟关系44ppt课件根据PPM形成的结果来看，也分为均匀采样和非均匀采样。首先形成PAM信号同等宽度锯齿波a，b叠加：形成不同过零点的锯齿波c通过单稳态触发器形成窄脉冲序列调制信号锯齿波a，b叠加c通过单稳态触发器均匀采样非均匀采样45ppt课件脉冲位置PPM解调在采样频率适当提高后，可以通过低通滤波器来恢复原来的信号；更好的办法是先把PPM变成PAM信号，然后再通过低通滤波器接收。PPM信号定时脉冲序列与PPM信号轮流推动双稳态电路得到PDM定时脉冲序列调宽波台阶波：高度与脉冲宽度成正比等幅度的窄脉冲序列叠加在台阶波上与限幅器门限比较后得到PAM46ppt课件如何产生PDM和PPM？u1>u2给出高电平U1<u2给出低电平微分：非均匀采样47ppt课件张弛振荡利用单结管得负阻特性和RC电路充放电过程，可以构成频率可变的振荡电路，即张弛振荡。改变外加电阻R和R1可以实现振荡周期和脉冲宽度的变化。常用于生物遥测（电路简单、调整方便）48ppt课件脉冲三种调制比较

PDM,PPM脉冲幅度恒定，因此可以用限幅的方法去除幅度噪声和干扰。从功率利用方面来看，脉冲调制中信息只包含前沿或后沿，脉冲本身不携带信息，即窄脉冲和宽脉冲都代表同样多的信息。因此PDM功率利用不充分，发射机功率需要满足最宽的脉冲信号。而PPM脉冲宽度和幅度都一致，可以充分利用功率，而且具有更强的抗干扰能力。

PDM接收端较容易恢复调制信号，而PPM为了准确得到相对位置的变化信息，在接收端与发射端保持同步。49ppt课件编码与解码（数字式遥测系统）编码与解码：发送端应将被测物理量按一定的规律变换成二进制数字码进行传输，这个过程称为编码过程，与此相反的过程，即解码过程(发生在接收端)。编码方式：模拟脉冲调制中，如果系统的频带不够宽或在传送过程中混入噪声和干扰，那么在接收端解调后的信号存在一定失真。脉冲编码调制(PCM)50ppt课件脉冲编码调制(PCM)相当于PAM信号编码采样量化调制优点：数字信号在传输中不会使噪声累积，只要噪声的幅度不足以在接收设备内产生误码，经过传输之后，可以做到和发生的数字信号完全一样。解调：在接收端收到PCM信号后先译码恢复为量化信号，再经过低通滤波器得到模拟信号。51ppt课件数字信号调制方式：和模拟信号调制和解调在原理上是一样的。

幅移键控ASK,频移键控FSK和相移键控PSK,本质是就是前面介绍的调幅、调频、调相。幅度键控信号解调二进制频率键控信号数字信号正弦载波A,U0(t)相乘得到调幅信号幅度检波器检出调幅信号包络整形：判决电平EP=U/2利用频率为f1,f2的两个正弦振荡按照数字信号序列出现+1，-1规律轮流工作，从而产生二进制频率键控信号52ppt课件频率键控信号解调：分为两种：鉴频和零点解调。零点鉴频电路框图和波形：用尖顶窄脉冲序列去触发单稳态触发器产生幅度为E，宽度为的矩形窄脉冲序列，同样的时间内矩形脉冲的数目等于频率键控信号的零点数令n1,n2分别表示振荡频率为f1，f2时单位时间内的零点数，则n1=2f1，n2=2f2，则f1时触发器输出电压平均值为得到尖顶窄脉冲序列53ppt课件相位键控信号波形：数字信号序列载波绝对调相信号：码元取1不变，码元取0相差180°相对调相信号：码元取1载波相位与相邻的前一码元载波相位相同，取0相位差180°54ppt课件如何实现多相数字调相？若干个不同相位的载波55ppt课件数字调相信号解调方式：相干解调数字调相信号相干信号相乘：把高频分量滤除，正脉冲判断为1，负脉冲判断为0初始相位无法确定因此相干解调只用于相对调相信号。56ppt课件5.2生物遥测方式CMOS集成电路的发展，脉冲数字调制已经用于航天医学的研究；国内已经成功应用于对飞行员心电、脑电、肌电、体温等多种生理信号的遥测。PCM为生物遥测的理想方式，但是线路相对复杂；目前在医学遥测系统中大量采用模拟调制方式，包括高频正弦和脉冲的模拟调制。57ppt课件1、调制方式的选择（1）FM频率调制：最早应用的生物遥测方式，也称为单调频方式。植入式生理遥测多用此方式。缺点：抗干扰能力不够强（2）单调幅方式：只简单用于实验跟踪，由于发射机和接收机之间距离的变化会使信号振幅发生变化，造成解调后波形有较大失真，一般不单独使用。（3）双重调制方式：双重调频FM-FM（将生理信号对副载波进行调频，然后再把已调的副载波对高频载波进行二次调频。调制、解调均在发射机和接收机内部进行，具有较强的抗干扰能力）,调频调幅FM-AM（将生理信号对副载波进行调频，然后再把已调的副载波对高频载波进行二次调幅，可以缩减接收机频带，提高信噪比）。脉宽调频PDM-FM目的：提高抗干扰能力。58ppt课件5.2.1调制方式的选择1、调制方式的选择2、调制方式多路化方式的选择：时分制、频分制3、频段的选择：生物遥测射频载波选择在甚高频段（VHF上限为250Hz）,比中频、高频段干扰小，传递信号的强度没有昼夜区别；对于天线的依赖性不大，天线尺寸小，使遥测方便、易行；高于这个频段，人体对电磁波的吸收明显变大；医用遥测波段为36.7-37.9Hz和146Hz-176Hz4、发射功率：发射功率的大小取决于遥测距离。生物遥测中发射功率的增加受限于以下三个方面：（1）耗电限制，要减小功耗，功率高、耗电大，发射机体积大，工作时间缩短（2）发射功率过大，强辐射被人体吸收形成干扰（3）强射频谐波分量造成相邻频段的干扰。因此对发射机和接收机的主要设计要求是提高其灵敏度，在不增加辐射场强的情况下加大遥测距离。59ppt课件多路传输方式目的：适应生物遥测系统同时传输多种生理信号多路传输定义：把多路信号合并为一个传递信息。多路化方式：时间分割多路化方式（时分制）和频率分割多路化方式（频分制）时分制：按照采样定理把采样的各个信号点在时间上错开按照顺序排列之后进行传输。分配给各个通道的时间间隔区段包含各通道的采样值。60ppt课件同步信号较宽时分制：采样间隔取决于频带最宽的信号，因此如果各路信号的频带相等则可以充分利用频带。设在一个采样周期T内有n路信号传送，那么时分制多路遥测系统的总采样频率为f=n/T。时分制遥测系统一般采用双重调制。61ppt课件频分制：如图所示采用FM-FM双重调制，把各副载波w01，w02…….等分配到各个信号通道，各路信号分别对每道副载波进行调制。各通道在频谱上是依次排列，各个副载波的调制信号的频谱与相邻通道的调制信号的频谱不重叠。如何高效率的利用整个频带是频分系统的主要问题；为了防止路际干扰通常在调制后的每一路已调波再经过带通滤波器限定各自的频率范围。边际干扰随遥测路数的增加而更加突出，因此一般FM-FM的路数不宜超过10；单边带调制可以适当增加。62ppt课件5.2.2心电遥测生物遥测中，心电信号的遥测是主要应用指标，心电信号遥测对临床心电图监护、动态观察来说非常重要。在生物遥测中，心电遥测起步早，比较成熟。

心电遥测一般采用双重调制方式。其典型发射机电路如图所示，由心电放大器、压控振荡器、调制发射电路组成。心电放大器压控振荡器调制发射电路T1，T2组成多谐振荡器，T3，T4组成恒流源。63ppt课件变流式压控振荡器：实现第一次调频，电流随放大器输出电压变化从而改变充放电周期实现频率调制，压控振荡器为心电信号提供高频载波，中心频率为f0=1300Hz，调制范围600-2100Hz,最大频偏为750Hz。若调制系数为10，则能够容纳信号频率为150Hz，实现副载波调频调频发射电路：实现二次调频，为149MHz调谐振荡器，用149MHz晶体振荡稳频。T1，T2组成多谐振荡器，T3，T4组成恒流源。实现增益1000，降噪、滤波限流电阻，控制VCO灵敏度分压电阻64ppt课件经过0.7m拉杆天线接收到149MHz的调频信号。经过放大、射频鉴频得到频率变化范围为600-2100Hz的幅载波信号。因载波频率很高，不能直接鉴频。采用两次混频：用石英振荡器为本振，94MHz本振与149MHz混频得到第一中频55MHz，65.7MHz第二本振信号与55MHz混频后得到第二中频10.7MHz，在经过限幅、振幅鉴幅获得600-2100Hz副载波信号。第二次解调，还原为心电图，常采用脉冲均值鉴频器（先通过低通滤波器去除高频干扰，再经过放大、整形、单稳态触发器等得到等幅、等宽的脉冲序列，其重复频率与调频波相同，最后由心电信号的高频分量限定低通滤波器上限截止频率实现恢复心电图）心电解调65ppt课件采用锁相环PLL实现副载波调频和解调利用单片集成锁相环CD4046实现心电遥测中副载波振荡电路：生物遥测选择超高频段，通常直接利用现有的超短波调频广播接收机实现遥测接收。副载波解调利用单片集成锁相环CD4046实现心电遥测中副载波鉴频电路：输入实现副载波线性调频低通滤器，去除高频载波调频振荡器：由功率管、变容二极管、石英体振荡器组成，实现载波调频（双重调频）输入解调输出整流滤波信号丢失报警电路包括比较器和555：高于基准电压，输出低电平，555停振状态；反之，555产生频率为1kHz的自激振，发出声光报警比较器副载波调制信号输入直流电平基准电平66ppt课件5.2.3植入式遥测微电子技术的发展迅速促进电子器件的高可靠性、低功耗、小型化，为植入人体内的遥测装置提供了实现的条件。利用植入人体的电子装置可以获得体内各种生理信息的检测，而且能够实现自然状态下的动态测量。

1、植入式遥测的特点：

（1）植入人体测量系统具有无毒、无菌、无腐蚀及与生物组织相容的表面封装；具有足够的机械强度，完好耐用；体积小、重量轻、尺寸外形与植入器官、部位相适应（2）可靠性高、功耗低，能够长时间可靠稳定工作（3）通常植入式发射机用调频方式，抗干扰能力强。植入深度应小于穿透深度保证接收机能够接受足够的电磁强度。67ppt课件2、固定植入的颅内压遥测：

固定植入遥测用于长时间连续监视体内生理参数的变化情况，例如脑外科手术后的危重病人的颅内压力的监测。植入式颅内压遥测方法是在颅骨上钻一孔，植入一个微型发射装置，装置固定好后缝合头皮，以防止颅内和手术切口引起的感染，比较安全，而且人的头部能够自由移动。68ppt课件颅内压遥测电路：电容式压力传感器CPT1组成哈特莱振动器：振荡频率选择为8-10MHz，实现频率调制T2功率放大器：高频功率放大已调频压力信号以8-10MHz频率向体外发射采用体外供电方式射频振荡器：发射调谐回路：接收电波得到稳定的直流电压为体内的振荡、发射电路供电整流稳压体外发射能量的电路装置安放在小盒中可以用绷带固定在人体的头部，并调整其发射线圈使其于颅内装置距离为31cm，以便保证期能量传送效率。由于植入的发射装置无需电池供电，因此此装置的体积可以做到很小，长期连续使用。69ppt课件3、无线电探测胶丸胃肠内的各生理参数传统的测量方法是用胃插管提取胃液测定，而压力也是用插入管子进行测量。不仅给患者造成很大的痛苦而且有的消化道部位还难以触及，例如PH值测量。采用遥测的方法，吞服无线电胶丸实现消化道内诸如温度、压力等各种生理信息的测量从根本上改变测量手段具有很大的临床价值。无线电胶丸为外型类似药用胶丸的遥测发射装置，直径约10mm，长10-30mm，能够顺利吞服，吞服后沿消化道自上而下移动，最后随粪便由肛门排出体外。胶丸内封入传感器（把人体的各待测物理量变成电信号）和振荡器（调制并向体外发射）。无线电胶丸供电方式：电池供电和无源（无电池式）（发射机和接收机）70ppt课件

5.3锁相环路（PLL）及应用71ppt课件1锁相环路概述2锁相环的基本结构和工作原理5环路的捕捉与跟踪过程6锁相环的应用内容3锁相环的基本组成分析4锁相环的环路模型72ppt课件锁相环路是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。具有载波跟踪特性，构成窄带跟踪滤波器，可以提取淹没在噪声中的信号；用高稳定度的参考振荡器锁定时，能够提供一系列频率的高稳定性的频率源；各种数字锁相环路，在数字信号传输的载波同步，相干解调等方面有独特的重要作用。锁相技术在航天医学和生物遥测中具有重要的应用。73ppt课件一、基本概念1锁相环路概述引例调频广播系统

广播电台发射信号频率不稳定，或者超外差式收音机的本机振荡频率不稳，收听时会“跑台”或“串台”，严重影响收听效果。

假设收音机具有自动跟踪电台的功能，能根据电台信号频率的变化随时调整本振频率，确保二者频率的同步，则上述问题就会迎刃而解。其中，采取的解决途径之一就是采用锁相环电路。

因这种电路为负反馈结构，且能实现其输出信号频率对输入信号频率的跟踪（同步），因此也称为闭环跟踪系统（电路）。74ppt课件其中，当其输出信号频率与输入信号频率相同时，输出信号与输入信号之间的相位差同步（相位差为0，或为常数）。故称为锁相环路，简称为锁相环。1锁相环路概述一、基本概念（绪）锁相环是一种自动相位控制（APC)电路（系统）。返回其中，频率相同是目的，相位同步（锁定）是手段。（具体）：锁相环将输入信号（参考信号）与输出信号间的相位进行比较，产生相位误差电压，来调整输出信号的相位，最终达到：相位锁定，信号同频。75ppt课件2锁相环的基本结构和工作原理锁相环路（PLL）组成框图如下图所示：工作原理——锁相环是利用两个信号之间的相位误差来控制压

控振荡器输出信号的频率，最终使两个信号之间

的相位差保持恒定，从而达到使两个信号频率相

等的目的。ui(t)LP76ppt课件2锁相环的基本结构和工作原理

锁相环路中，如果压控振荡器输出信号角频率o与输入信号角频率ωi不相同时，则称锁相环路处于失锁状态失锁状态：锁定状态：当失锁时，由鉴相器，环路滤波器，压控振荡器及反馈回路完成一系列的调节后，最终达到的输入、输出同频并相位差同步（锁定）的状态，即为锁定状态捕捉过程：

锁相环路刚开始处于失锁状态．由失锁状态→锁定状态的过程称为捕捉过程。工作过程中包含四个状态（过程）：77ppt课件跟踪过程：

当环路锁定后，由于某种原因引起ωi与o发生变化时（只

要变化不很大），环路通过自身的调节作用，可使o跟踪

ωi而变，从而维持环路的锁定。此过程即为跟踪过程。2锁相环的基本结构和工作原理捕捉与跟踪是锁相环路的两种不同的自动调节过程。78ppt课件.3锁相环的基本组成分析1、鉴相器（PD）2、环路滤波器（LP）3、压控振荡器（VCO）返回LP79ppt课件3锁相环的基本组成分析1、鉴相器（PD）常用的鉴相器有数字鉴相器、模拟鉴相器、抽样鉴相器等。作为原理分析，通常使用具有正弦鉴相特性的鉴相器。φi(t)是输入信号的瞬时相位；φo(t)是压控振荡器反馈信号的瞬时相位80ppt课件模拟乘法器即为一种具有正弦鉴相特性的鉴相器。3锁相环的基本组成分析1、鉴相器（PD）（续）（1）正弦波鉴相器（基于模拟乘法器）设外界输入的信号电压为：式中，是为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。设乘法器的增益系数为K，则鉴相器（乘法器）的输出电压

压控振荡器输出的信号电压为：瞬时相位81ppt课件.3锁相环的基本组成分析1、鉴相器（PD）（续）（1）正弦波鉴相器（基于模拟乘法器）（续）将上式通过环路低通滤波器（LP),将其中的合频分量滤掉，保留差频分量作为压控振荡器的输入控制电压ud(t)，则ud(t)为：82ppt课件3锁相环的基本组成分析1、鉴相器（PD）（续）（1）正弦波鉴相器（基于模拟乘法器）（续）令则有：表明具有正弦鉴频特性。83ppt课件3锁相环的基本组成分析1、鉴相器（PD）（续）（2）正弦波鉴相器（基于模拟乘法器）的功能模型返回当

时，有（3）正弦波鉴相器（基于模拟乘法器）的线性化因具有正弦特性此时，鉴相特性为线性，即有：84ppt课件2、环路滤波器（LP）3锁相环的基本组成分析线性低通滤波器

锁相环路中通常采用一阶滤波器电路；有时需要较强地抑制鉴相器输出中的交流分量时，也采用高阶滤波电路。两个功能：滤除误差信号中的高频分量及噪声；为锁相环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时噪声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。组成——电阻、电容和电感及运算放大器。锁相环路中通常采用的滤波器电路RC积分滤波器无源比例积分滤波器有源比例积分滤波器85ppt课件2、环路滤波器（LP）（续）3锁相环的基本组成分析（1）RC积分滤波器

功能模型86ppt课件（2）无源比例积分滤波器2、环路滤波器（LP）（续）3锁相环的基本组成分析87ppt课件（3）有源比例积分滤波器2、环路滤波器（LP）（续）3锁相环的基本组成分析返回88ppt课件电压-频率变换器（有线性控制特性的调频振荡器）在外加控制电压的作用下，输出信号频率按一定规律变化的振荡电路。。作用——使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种关系，达到相位锁定的目的3、压控振荡器（VCO）3锁相环的基本组成分析89ppt课件3、压控振荡器（VCO）3锁相环的基本组成分析

输入输出特性：压控灵敏度，等于频率偏移和控制电压之比压控振荡器中心频率90ppt课件3、压控振荡器（VCO）3锁相环的基本组成分析例令：则有：若当uc(t)为零或直流电压时，其固有振荡角频率为ωo,则上式可写为91ppt课件在锁相环路中，压控振荡器的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位。3、压控振荡器（VCO）（续）3锁相环的基本组成分析对积分，得对应于式则有92ppt课件改为拉氏变换形式功能模型或p为微分算子3、压控振荡器（VCO）（续）3锁相环的基本组成分析return93ppt课件4锁相环的环路模型及环路动态方程将锁相环路的三个组成部分的相位模型连接起来便构成环路模型。可知，输入信号的幅度不携带信息，输入信息全部包含i（t）中，输出信息包含在0（t）中，由给定的输入i（t）求解环路的输出0（t）94ppt课件95ppt课件96ppt课件通过环路的动态方程可以说明锁相环的工作过程：97ppt课件

稳态相位差是维持相位差电压和控制电压所必须的（如果没有，控制电压消失，压控振荡器的振荡频率又将回到其中心振荡频率0，环路不能被锁定。锁相环为一个相位反馈的误差控制系统，存在剩余误差即环路中相位误差）是误差控制系统的特征。

在环路开始工作瞬间，控制作用尚未建立，控制频差为零，此时环路的瞬时频差就等于输入的固有频差。随着环路的反馈作用，控制作用逐渐增强，控制频差加大，进入锁定状态的这一过程称为捕捉过程。

已经锁定的锁相环路，若改变其固有频差Δ0，稳态相位差将随之改变。当Δ0增大到某一值时，环路将不能维持锁定状态。我们称能够维持锁相环路锁定状态的最大固有频差称为环路的同步带，在同步带内环路处于同步工作状态。例题p250

98ppt课件锁相环捕捉过程的定性分析

若环路原本是失锁的，但环路能够通过自身的调节由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程。称为捕捉带（PullinRange，CaptureRange），用表示。

一般情况下，捕捉带不等于同步带，且前者小于后者，锁相环路的捕捉过程属于非线性过程，在工程上广泛采用图解的方法分析。6.4能够由失锁进入锁定所允许的最大输入固有角频差

99ppt课件一、相图概念以相位差为横坐标，以为纵坐标相平面内的任意点称为相点，它表示一个状态点。

系统的状态随时间的变化过程可以用相点在平面上的移动过程来表示，相点的移动描述出的曲线称为相轨迹，绘有相轨迹的平面称为相图。构成的平面称为相平面。100ppt课件二、一阶环路捕捉过程的讨论不包含低通滤波器的锁相环路F(s)=1，用一阶非线性微分方程描述，构成一阶环路，是锁相环路中最简单形式。假设输入信号为固定频率的信号：环路的动态方程表现为瞬间频差和瞬时相差之间的简单关系。由此画出一阶环路的状态图，只要某一瞬间

和的值确定，则环路的状态就被唯一的确定下来。依据固有频差Δ0与环路增益K=KUd的关系，分布有三种环路状态，分析如下：

101ppt课件包括三种情况：（1）Δ0<K(2)Δ0>K(3)Δ0=K(1)Δ0<K以为纵坐标为横坐标画出曲线，还包含Δ0的水平线和幅度等于K的正弦曲线，因为Δ0<K，所以正弦曲线与横轴相交。曲线上的任何一点均满足：随着时间的推移，环路状态发生变化，反应下相平面上就是状态点的移动，移动的轨迹称为相轨迹，反映环路状态的变化。

102ppt课件

在图中，在横轴的上方，

说明位于横轴上方点的环路不稳定，这时是随时间增长，状态点必然沿相轨迹向右移动，直至达到，环路状态不再改变。

在图中，在横轴的下方，说明位于横轴下方点的环路也不稳定，这时是随时间减小，状态点必然沿相轨迹向左移动，直至达到，环路状态不再改变，达到状态平衡。因此相轨迹为一条有方向性的曲线，在一个2范围内相轨迹与横轴有两个交点，例如A.B点均对应环路的平衡、稳定状态103ppt课件但是A点为稳定平衡点，即环路处于A时，如果小的扰动使得A偏离到右方或左方，扰动去除后，状态会自动退回到A。B点为不稳定平衡点，B点为不稳定平衡点，一旦状态偏离了B点，就会沿箭头所示方向进一步偏离B点，最终稳定到邻近的稳定平衡点A，而不可能再返回B点。因此只有稳定平衡点才能成为环路的稳定解，环路在这一状态点上处于锁定状态。令即可求出稳定平衡点104ppt课件可见:1、无论起始状态处于相轨迹上的哪一点abcd，其达到平衡稳定点的变化量均不含超过2.2、捕获时间长短与起始状态有关，且环路增益K与Δ0相比越大，捕获时间越短，故因增大K3、只要K>Δ0,便存在稳态解，环路即能够锁定。105ppt课件(2)Δ0>K如图所示，相轨迹与横轴不相交，不存在平衡点。相轨迹为一条单方向运动的正弦曲线，不论初始状态处于相轨迹上的哪一点，状态都按照箭头的方向沿相轨迹一直向右移动，永远不可能等于0，环路不能进入锁定状态，称为失锁。

换锁时，

Δ0>K,所以可以写为

106ppt课件右图为和波形。此时鉴频器的输出为上下不对称的非正弦差拍波形，显然在差拍下uc(t)存在一个正值的直流分量，它迫使压控振荡器的振荡频率向输入信号的频率靠拢，这种现象称作“频率牵引”。

牵引作用的大小直接取决于控制电压uc(t)的直流分量大小，即差拍波形的不对称程度。此时差拍信号频率等于输入信号频率和控制信号频率之差，记为Δo’107ppt课件108ppt课件(3)Δ0=K此时为一临界状态，相轨迹恰与横轴相切，AB重合，但这一点所对应的环路状态实际上是不稳定的。如果环路原来处于锁定状态，环路将稳定在A点；当固定频差Δ0慢慢加大，稳定平衡点与不稳定平衡点逐渐靠拢，此过程中环路一直维持锁定。当Δ0增大到等于K时出现临界状态，环路无法维持原锁定状态。Δ0=K是能够维持环路锁定的最大固有频差，称为锁相环路的同步带宽ΔH.一阶环路的同步带宽即ΔH=K。

如果环路原来已经处于失锁差拍状态，即Δ0>K,则慢慢减小固有频差Δ0时，环路的牵引作用越来越明显，直到Δ0减小到等于K时出现临界状态，存在一个的不稳定平衡点，环路仍不锁定。继续减小Δ0环路即可被锁定。Δ0=K提供了一个临界值，只要固有频差小于此值环路可通过频率牵引而捕获进入锁定状态。所以K为一阶环路捕获带Δp=K

109ppt课件由上面的讨论可以得到以下两点：1、当时，因为在每一个区间之内都有一个稳定的平衡点A，所以不论起始状态处于相轨迹上哪一点，环路均会在一周期内到达A点，不会超过2即一阶环路捕捉过程不经过周期跳跃。

不经过周期跳跃就能入锁的捕捉过程称为快捕过程，对应快捕所允许的最大固有角频差称为快捕带，用符号2、综上所述，一阶环路的同步带、捕捉带和快捕带都相等，在数值上等于环路直流总增益，即例题：p254110ppt课件理想的跟踪是输出信号的频率和相位时刻与输入信号相同，实际上存在一个跟踪过程，在暂态过程中，存在暂态相位误差；在达到稳定状态后，根据输入信号形式不同，有不同的稳态相位误差。由于输入信号变化而引起的暂态相位误差和稳态相位误差的大小，是衡量环路线性跟踪性能的主要标准。

对于一个锁定固定频率输入的二阶锁相环路来说，当出现暂态相位信号时，环路的跟踪产生暂态过程，最后进入稳态。

实际使用的锁相环路通常是加入适当的环路滤波器以改善环路的性能。常用的是二阶锁相环路。在环路已经锁定的前提下，环路的特性分析即稳态分析可以视为低通滤波电路。只允许输入信号频率附近的频谱成分通过，远离信号的频谱成分别抑制、衰减，实际上相当于带通滤波器。111ppt课件5.3.2环路组成单元及集成PLL

锁相环路由鉴相器、压控振荡器和环路滤波器三个独立的单元电路组成。

鉴相器的电路结构有多种形式，总的分为两大类：1、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2、序列电路，它的输出电压时输入信号过零点与反馈电压过零点之间时间差的函数，此类鉴相器的输出只与波形的边沿有关，适用于方波输入，属于数字鉴相电路。

鉴相器性能包括：鉴相特性，斜率，输出电压幅度、工作频率以及输入输出阻抗等。112ppt课件（1）、鉴相器的相乘器电路：工作频带宽、线性度好、运算精度高

T1和T2，T3和T4，T5和T6组成三对差动放大器恒流源输入电压输入电压U2>>U1时具有正弦鉴相特性113ppt课件（2）、数字鉴相器：门电路输入电压：为同周期方波，相差为e114ppt课件2、压控振荡器：电压—频率变换器压控振荡器的要求：（1）有一定的频率调制范围：最大绝对频偏或相对频偏表示（2）有一定的频率调制灵敏度：频偏与控制电压之比表示（3）中心频率稳定（4）调频线性度好要求之间互相矛盾，设计中应当折中考虑。集成压控振荡器输出波形一般为矩形波，有的同时输出三角形波、正弦波或锯齿波。锁相环中常用集成的压控振荡器。115ppt课件射极耦合多谐振荡器压控振荡器原理：输入电压同时控制I1和I2恒流源I1=I2振荡频率为：116ppt课件环路滤波器电路在集成锁相环路中设置成外接的方式。117ppt课件通用单片集成PLL:

按照电路类型可分为模拟式和数字式；按照频率可分为低频、高频和超高频；按照功能分为多功能和部分功能。例如高频单片模拟锁相环L562：最高频率达30MHz，为多功能单片锁相环路。鉴相器用模拟乘法器组成，具有正弦鉴相特性为射极耦合多谐振荡器改变振荡器固有频率118ppt课件例如低频多功能单片数字锁相环5G4046：最高频率1MHz，功耗低；119ppt课件5.3.3锁相环的应用1．锁相环的优良特性：（1）跟踪特性：压控振荡器输出频率跟随输入信号频率变化（2）滤波特性：具有窄带滤波特性，去除噪声和干扰（3）低门限特性：门限取决于环路信噪比，而环路通带较窄具有较高的环路信噪比，可取得较低门限，可以把淹没在噪声中的微弱信号提取出来。（4）锁定状态下不产生频差,只存在一个剩余相位差，在频率控制和频率合成技术中的得到广泛应用。2、应用（1）窄带跟踪滤波（2）频率合成（3）锁相调频与解调（4）相干解调（5）电机转速控制120