锁相环路的基本工作原理.ppt

1、第一章锁相环路的基本工作原理，第一节锁定和跟踪的概念第二节回路构成第三节回路的动态方程第四节第一阶段锁相环的捕获、锁定和解锁，第一节锁定和跟踪的概念，锁相环(PLL)是具有表示图1-1(a)的方框的相位跟踪系统。输入信号设置(1-1)，图1-1相位跟踪系统方框图，其中Ui是输入信号的振幅；i是载波角度频率。i(t)是以载波相位it为参考的瞬时相位。如果输入信号是未调节载波，则i(t)是常数，是ui(t)的初始阶段。当输入信号是角度调制信号(包括FM相位)时，i(t)是时间的函数。输出信号设置，(1-2)，类型Uo是输出信号的振幅；o是环的重要参数环内控制振荡器的自由振荡角频率。o(t)是以自由

2、振荡载波相位ot为参考的瞬时相位，在非控制之前是常数，在输入信号的控制下，o(t)是时间的函数。请参阅图1-2(a)。如上所述，两个信号的瞬时相位差(1-3)是控制振荡器的自由振荡角频率o是系统的重要参数，载波相位ot可以用作参考相位。这样，对于输入信号的瞬时相位为(1-4)、(1-5)、输入信号频率和环路的自由振荡频率之间的差异，可以说是环路的固有频率差。再次，(1-6)因为对于输入信号，ot是参考的瞬时拓扑，所以(1-4)样式可以被替换。同样，输出信号(以ot为参考)的瞬时相位是以(1-7)、(1-8)、(1-9)、样式的2(t)为参考的输出瞬时相位。要表示输入和输出信号的拓扑，请使用表达

3、式(1-6)和(1-9)。有共同的参考，容易比较。(1-6)式和(1-9)式对(1-3)式，回路的瞬时相位差获得，(1-10)，应用上述技术表达式，矢量图片可以按图1-2(b)绘制。系统的瞬时差e(t)=1(t)-2(t)，瞬时频率差(1-11)，图1-2输入和输出信号的相位关系，第二，捕获进程将循环从输入信号到相位固定循环的输入端到达锁定状态的整个过程称为捕获进程。通常，输入信号频率i不同于控制振荡器自由振荡频率o。也就是deltao0。相位跟踪系统不工作时，两种信号之间的差异会随着时间的推移而增大。描述了图1-3捕获期间瞬时差异和瞬时频率差异的一般时间图表，3，锁定状态捕获状态结束，环路状

4、态稳定(1-12)，下面描述了环路输入固定频率信号，即d I (t)/dt=0的特殊情况。这是循环分析中经常出现的情况。此时，表达式中的i是常数，是输入信号的开始阶段。此格式由输出信号表达式(1-2)替换，如上所述，在输入固定频率信号的条件下，当循环进入同步状态时，输出信号和输入信号之间的频率差等于0，并且差异具有常数(1-13)、4、循环的基本性能要求，如上所述，具有循环的两个基本操作状态。第一个是捕获过程。评估捕获进程性能的主要指标有两个：一个是环路的捕获带 p。也就是说，环路是通过捕获进程进入同步状态的最大固有频率差 o | max。op中的环路不能通过捕获处于同步状态。因此，(1-14

5、)另一指标捕获时间Tp是循环中开始时间t0到同步状态的时间ta之间的时间间隔。也就是说，捕获时间Tp的大小除了与循环参数外，还与启动状态相关。一般而言，输入起始频率差越大，Tp也越大。通常，最大捕获时间计算为起始频率差等于 p的环路的性能指标之一。(1-15)，循环的另一个默认操作状态是同步。环路锁定后的稳态频率差为零，稳态差是通常存在的固定值，是反映环路跟踪准确性的重要指标。锁定回路(例如改变固有频率差 o)也改变了稳态差e()。 o增大到值后，回路无法保持锁定。这个锁相环路可以保持锁定状态的最大固有频率差称为环路的同步带 h。配置为第2节环路，相位固定环路为什么可以进入相位跟踪以同步输入信

6、号和输出？因为这是相位的负反馈控制系统。该负反馈控制系统包括三个基本组件：相位检测器(PD)、环路滤波器(LF)和电压控制振荡器(VCO)，基本上由图1-4组成。图1-4锁相环路的基本配置，第一，相位相位相位比较装置相位相位相位1(t)和反馈信号相位2(t)之间的相位差e(t)。输出误差信号ud(t)是e(t)的区别函数。也就是说，拓扑特性f e (t)可以是正弦、三角形、锯齿等多种特性。常用正弦探测器可以将模拟乘法器和低通滤波器的线程作为模型，如图1-5(a)所示。图1-5正弦相位检测器模型，将乘法器的乘法系数设置为km 1/v单位，将输入信号ui(t)乘以反馈信号uo(t)，低通滤波器(L

7、PF)过滤了2o分量后的误差电压，(其中p(d/dt)是微分运算符。在频域分析中，可以用传递函数F(s)表示。其中s (a j)是复合频率。如果用s=j替换F(s)，则得到相应的频率响应f (j)，因此循环滤波模型可以表示为图1-7。图1-7回路过滤器模型，1，RC积分过滤器这是图1-8(a)，相应的传输运算符，(1-18)，样式的1=RC是唯一可调整的参数，时间常数。可以创建p=j(1-18)，而不是获取滤波器的频率特性(1-19)，图1-8 RC积分滤波器配置和对数频率特性(a)。(b)频率特性，2，手动比例积分过滤器手动比例积分过滤器与RC积分过滤器相比，添加与电容器相连的电阻R2，从而

8、添加可调整参数，如图1-9(a)所示。其传递运算符为(1-20)，表达式的1=(R1 R2)c；2=R2C。这是(1-21)、具有图1-9手动比例积分滤波器的配置和对数频率特性(a)的两个单独可调节参数。(b)可以生成对数频率特性的频率特性，如图1-9(b)所示。这也是低通过滤器。与RC积分过滤器不同，有效比例积分过滤器有效比例积分过滤器在回路的传输运算符中， 1=(R1 ar1 R2) c，如图1-10(a)所示；2=r2c；a是运算放大器没有反馈时的电压增益。如果运算放大器的增益a高，则构成图1-10有源比例积分滤波器的配置和对数频率特性(a)。(b)频率特性，负号对回路操作没有影响，分析

9、时可能不考虑。因此，传递运算符可以近似为样式的1=R1C。(1-22)式传输算子的分母只有一个p，是积分因子，因此高增益的有源比例积分滤波器也称为理想积分滤波器。显然，a越大，越接近理想的积分滤波器。该滤波器的频率响应为(1-22)、(1-23)、3、电压控制振荡器电压控制振荡器是在环形中用作控制振荡器的电压-频率转换装置，其振荡频率应根据必须具有转换关系的输入控制电压uc(t)线性变化，并且(1-24)不难连接由图1-12电压控制振荡器模型、图1-13所示的环路的三个基本组件分别获得的4、环路相位模型前面的图1-4的环路组成的三个模型。图1-13锁相环的拓扑模型，3子句环路的动态方程，根据图

10、1-13的环路拓扑模型，环路的动态方程(1-26)，(1-27)，环路增益(1-28)，(1-)在物理概念中，可以逐项理解其含义。PS e(t)显然是环路的瞬时频率差。右侧第一瞬时频率差=固有频率差-控制频率差，(1-30)，对环路对输入固定频率的信号锁定后的稳态频率差为0，稳态差e()为固定值。错误电压为DC，经过F(j0)过滤得出的控制电压也为DC。正常状态差异可以从方程式(1-30)中确定。(1-31)，例如已知正弦探测器的最大输出电压Ud=2V，电压控制振荡器的控制灵敏度Ko=104Hz/V，电压控制振荡器的自由振荡频率103KHz，输入的固有频率1010KHz，可锁定，锁定后控制电压

11、与稳定差回路增益K=UdKo=2104Hz=4pi104rad/s固有频率差o=I-0=2pi 104 rad/s如果回路稳定，则直流控制电压UC= o/ko=2pi 104动态方程式(p21)e(t)=(p21)1(t)-k(1p2)sine(t)(1-33)使用主动比例积分过滤器的回路，(也就是说，F(p)=1 (1-35)是回路动态方程式的一般形式(1-30)pe(t)=p1(t)-ks ine(t)-ks ine(t)-ks ine 可以解析一阶环的动态方程式(1-36)。但是，此图表确立了循环性能指标的基本概念，以便更容易理解操作的物理过程。输入是固定频率( 1 (t)= ot，p

12、1 (t)= o (1-37)，然后将(1-37)，(1-38)变为(1-)如果相位轨迹不与水平轴相交，平衡点将消失，成为单向运动的正弦曲线。无论初始状态在拓扑轨迹的哪个点，状态都将沿着拓扑轨迹沿箭头指向的方向继续向右移动，环不能锁定，并且处于解锁状态。在解锁状态下，循环在瞬间无限增长，循环继续跳跃。瞬时频率差在 ok范围内周期性摆动。图1-16 ok的一次环动态方程在图1-17(c)中，v(t)-o是控制频率差，i-v(t)是瞬时频率差，i-o是固有频率差。此计算包括(1-41)、图1-17第一环解锁状态的e(t)、Uc(t)、v(t)和时间图，计算示例已知第一环Ud=1V，ko=如果输入信

13、号频率fi=1030kHz，则回路无法锁定，并处于位状态。频率牵引现象引起的压控振荡器的平均频率是多少？回路增益K=KoUd=20kHz固有频率差 =2 (1030-1000) 103=6 104 rad/s赋值(1-41)表达式计算，即=1.00764MHz将Fi放得更靠近fo，如果不锁定，牵引效果会更明显。3， o=k的临界状态 o=k是临界状态。轨迹与水平轴完全相切，点a与点b重合，如图1-18所示。对应于这一点的环路状态实际上不稳定，这种临界状态的出现有两种情况。图1-18 o=k的一次回路动态方程是 o=k保持回路锁定状态的最大固有频率差，称为相位固定回路的定时带用 h符号表示。对于一阶环， h=k (1-