锁相环的应用.ppt

1、锁相环的应用,现在锁相环已成为通信、雷达、导航、 深空探测、电子设备等设备中不可缺少的部分。 锁相环之所以能得到广泛的应用，是因为它具有独特的窄带跟踪特性，能完成频率合成、调制解调、同步提取、测速测距、微量频率变换等任务。 锁相环能得到广泛应用的另一个原因是目前已有许多价格便宜，性能良好的集成锁相环部件及,通用和专用集成相锁环。 人们只要掌握锁相环的基本原理和集成电路的外特性，就可方便地设计出完成各种任务的环路。 目前，锁相技术已成为每一个从事电子技术工作的工程技术人员必须掌握的基础知识。,一.锁相环路的特性简介,锁相环路就是一种反馈控制电路,它控制的参量是输出信号的相位。因此，也称为自动相位

2、控制电路。 锁相的目的是使系统输出信号的相位始终与 输入信号的相位同步。,为什么一般研究锁相而不去研究锁频？ 因为相位可以唯一地确定频率,反之却不然。只知频率时,初相未知。,因为锁相环路是一个相位控制系统，输入 对环路起作用的是它的瞬时相位，输出 的瞬时相位也是受输入相位的控制。,二. PLL的组成及工作原理 PLL包括： 1. PD： Phase Detector 2. LF： Loop Filter 3. VCO： Voltage Controlled Oscillator 受控对象,控制器,基本构成如下图:,PD,VCO,LF,H(P)=1,1. 鉴相器 PD 输出的误差信号 是相差e(

3、t)的函数，即： 正弦鉴相器用模拟相乘器与低通滤波器的串接作为模型。,LPF,UdSin , (t),+,-,2 (t),UdSine(t),1,e(t),设相乘器的相乘系数为Km单位为1/V,则 输入信号与输出信号相乘 误差电压 令,正弦鉴相特性,0,2,-,-2,e(t),鉴相器电路分为两类 1.相乘器电路：对输入信号波形与输出信号波形的乘积取平均，从而获得直流的误差输出。 2.序列电路：其输出电压是输入信号过零点 与反馈电压过零点之间的时间差的函数，只与 波形的边沿有关，常用数字电路构成。,2.环路滤波器 LF 环路滤波器具有低通特性，它对环路参数调整起着决定性的作用。 LF的特性决定了

4、环路的不同特性。,F(P),F(s),时域,频域,S=j代入F(S)得到频率响应F(j),常用的三种LF： 1.RC积分Filter,频率特性 F(j)=1/(1+j1 ) 1=RC |F(j)|=1/ 1+(1 )2 (j)= arctg1,幅频特性,相频特性,2.无源比例积分Filter, = (R + R 2 ) C , 2 = R2 C,1,1,F(j) =,1+j1,1+j2,|F(j)| =,1+,1+212,2,2,(j)= arctg arctg1,2,相位超前因子1+j2 ，有助于改善环路的稳定。,2,幅频特性,相频特性, =(R +AR +R ) C =R C,1,1,2,

5、1,F(j)=(1+j )/j,2,1,|F(j)| =,(j) = arctg /2,2,2,2,1,2,高增益的有源比例积分滤波器又称为理想积分滤波器。,1+,3.有源比例积分Filter,2, =(R +AR +R,2,幅频特性,相频特性,其控制特性如图所示：,3.,压控振荡器,VCO,VCO,振荡频率随输入控制电压,变换关系为：,线性的变化，,其相位 即： 写成算子 数学模型：,压控振荡器是PLL中的固有积分环节。,三.环路的相位模型 将以上三个模型连接起来，构成环路的模型：,UdSin ,F(P),Ko/p,+,_, (t),1,e(t),2 (t),模型给出了输入相位 与输出相位

6、之间的关系，又称为环路的相位模型。这是一个相位负反馈的误差控制系统，其特征是存在剩余误差。,因为鉴相特性的非线性，环路的动态方程是非线性方程，又因为VCO的固有积分作用，动态方程至少是一阶非线性微分方程。,锁相环电路具有三个突出的优点： (1) 载波跟踪特性：无论输入信号是已调 或未调信号，只要包含有载波频率成分，就可以将锁相环设计为窄带跟踪滤波器用于提取载波信号；,以上描述包括三重含义： 窄带特性，利用环路滤波器的低通特性来实现输入信号载频上窄带带通特性。在高频上，可将通带做到几赫兹那么窄，而这是普通滤波器难以做到的。,跟踪特性，可以在保持窄带特性的情况下跟踪输入载波频率的漂移，普通带通滤波

7、器的频率特性是固定的，为了能接收载频漂移的输入信号，滤波器的通频带宽度必须计及漂移范围，因而无法利用窄带特性来过滤噪声与干扰。,信号放大特性，将弱输入载波信号放大为强信号输出。因为环路输出的是VCO的信号，它是输入弱载波信号频率和相位的真实复制品，其幅度则比输入信号强得多。,(2)调制跟踪特性：只要让环路有适当宽度的低频通带，VCO输出的信号频率与相位就能跟踪输入调频或调相信号的频率与相位的变化，即：得到输入角调制信号的复制品。 利用此特性可制成角调制信号的调制与解调器。,(3) 低门限特性：一般的非线性系统，其门限决定于输入信噪比，而锁相环的门限由环路信噪比决定，因为(S/N)L (S/N)

8、i，所以锁相环能在较低的门限下（较低输入信噪比）工作，即具有较低的门限特性。因此，只要环路的通带足够窄，就可以提取淹没在噪声中的微弱信号。,跟踪滤波器 跟踪滤波器的定义：跟踪滤波器是一个带通滤波器，其中心频率能自动地跟踪输入信号载波频率的变化。,锁相环自身具有跟踪滤波特性(采用正弦鉴相器时，输入信号与输出信号有90o的相差)， 并且能够跟踪衰落信号（当输入信号暂时消失时，环路滤波器输出的控制电压不会立即消失，VCO能在短时间内维持振荡频率不变，即系统对输入信号的跃变需要一定的反应时间)。,两种用法： 1.载波跟踪 此时应从压控振荡器输出uo(t),在 LF设计为窄带的条件下，uo(t)是提纯了

9、的输入信号载波。 2.调制跟踪 因为要包含调制信号，LF有一定的带宽要求 若输入ui(t)是调频信号，有两种输出：,（1）从VCO输出uo(t)：uo(t)即为ui(t)复制品，也就是调频信号的再生，经过了滤波和放大。 （2）从LF输出uc(t)：uc(t)即输入调频信号的解调输出。 原理如下：,VCO的瞬时频率 环路锁定时， 因而 为调频信号的瞬时频偏。,锁相环用作调制器与解调器,理论上，在加入辅助电路的情况下，锁相环可以实现多种调制方法的调制器和解调器。,一. 模拟调频/调相信号的调制与解调,调制信号： (1)调频信号： 完整调频表达式,2 . 调制器的实现,利用VCO的频率调制特性，直接将调制信号加入到VCO的控制信号输入端可以输出调频信号；如果加上前置微分器，便可以输出调相信号。,由于VCO的振荡频率的温度漂移特性和非线性性，不能产生高质量和高稳定度的调制信号。,一种具有高频率稳定度的FM信号调制器为,合理设计使得PLL工作在载波跟踪状态下，环路输出信号的载波频率跟踪晶体振荡器的变化，可提供高稳定度的载波信号；调制信号控制VCO的瞬时输出频率，以实现FM或PM调制。,