第六章锁相环.ppt

1、第 6 章反馈控制电路,6.1反馈控制电路概述,6.2锁相环路性能分析,6.3集成锁相环及其应用,第 6 章反馈控制电路,6.1反馈控制电路概述,6.1.1自动电平控制电路,6.1.2自动频率控制电路,6.1.3自动相位控制电路(锁相环路),为了提高通信系统和电子设备的性能指标或实现某些特定要求，必须采用各种反馈控制电路。,反馈控制电路的预定关系：xo = g(xi),反馈控制器：比较 xo、xi 产生误差量 xe。,对象：根据 xe 对 xo 调解，稳定时接近预定关系。,反馈控制电路是一种有误差的控制电路。,根据控制对象参数不同反馈控制电路分为以下三类：,自动电平控制电路,自动频率控制电路,

2、自动相位控制电路,自动相位控制电路(锁相环路),锁相环路 (PLL) 是一种实现频率跟踪的自动控制电路，而且跟踪是无误差的，即 VCO 输出信号频率恒等于输入信号频率。,一、组成框图,二、控制过程,o (o i) o(t) - i(t) 调整 VCO o = i,环路锁定，保持固有相差 o。,图 613用旋转矢量说明锁相环路的控制过程 (a)失锁( 0 i) (b)锁定( 0 = i),第 6 章反馈控制电路,6.2锁相环路性能分析,6.2.1基本环路方程,6.2.2捕捉过程的定性讨论,6.2.3跟踪特性,分析环路锁定的动态过程及其性能特点。,6.2.1基本环路方程,(a) 图 621鉴相器的

3、电路模型,一、鉴相器,作用：比较两个输入电压之间的相位差，产生相应的输出电压 vd(t) 。,设 r 为参考角频率。,r VCO 未加控制电压时的固有振荡角频率。,(a) 图 621鉴相器的电路模型,即 vo(t) = Vom cosrt + o(t) + ,一般取,(a) 图 621鉴相器的电路模型,即vo(t) = Vom sinrt + o(t),鉴相器输出的平均电压 vd(t) = Ad sine(t),Ad 鉴相器最大输出电压 e(t) = i(t) - o(t),电路模型,(b) 图 621鉴相器的电路模型,二、压控振荡器(VCO),压控振荡器是振荡频率随控制电压变化的振荡器，是环

4、路中固有的积分环节。,特性曲线,(a) 图 622VCO 的电路模型,在有限的控制电压范围内，用线性方程近似表示,o - r = Aovc(t),Ao 压控灵敏度，vc = 0处的斜率，单位 rad/s V,根据,可得,或,用微分算子 p = d/dt 表示,电路模型,三、环路低通滤波器,作用：滤除鉴相器输出电流中的无用组合分量及其干扰分量，以达到环路要求的性能，并保证环路的稳定性。,1简单 RC 滤波器,图 623环路低通滤波器 (a)简单 RC 滤波器,传递函数,式中， = RC。,2无源比例积分滤波器,图 623环路低通滤波器 (b)无源比例积分滤波器,传递函数,式中，1 = R1C ，

5、2 = R2C 。,3有源比例积分滤波器,图 623环路低通滤波器 (c)无源比例积分滤波器,传递函数,集成运放满足理想化条件时,式中，1 = R1C ，2 = R2C,以微分算子 p 替换 s ，得微分方程,vc(t) = AF(p)vd(t),电路模型,四、基本环路方程,基本回路方程,或,pe(t) + AdAoAF(p)sine(t) = pi(t),瞬时角频差 e(t),控制角频差 o(t),固有角频差 i(t),根据回路方程，回路闭合后的任何时刻,e(t) + o(t) = i(t),若输入固有角频差i(t) = i,环路锁定时,即 i = o，e(t) 为固定值，以 e 表示，称为

6、稳态相位误差。,据回路方程有,AdAoAF(0)sine = i,式中， AF(0) 为低通滤波器的直流增益。,所以,式中，A0 = AdAoAF(0) 为环路直流总增益。,i A0，无解，环路失锁。,环路能锁定的最大输入固有频差 I ，称为同步带以 L 表示,L = A0,在 VCO 的最大频率控制范围内，若增大同步带，必须提高直流总增益。,6.2.2捕捉过程的定性讨论,捕捉过程就是环路从失锁状态进入锁定状态的过程。,无信号输入时，VCO 振荡角频率为 r。,加入输入信号，固有角频差 i = i - r。,瞬时相差，,鉴相器输出电压，vd(t) = Adsin it,如果 I 很大，vd(t

7、) 被低通滤波器衰减，环路失锁。,如果 I 很小，vd(t) 通过低通滤波器，环路锁定。,若 I 处于两者之间，分两种情况讨论。,1I 较大，超过环路滤波器的通频带,vd(t) 虽然受到较大衰减，但仍可以使 VCO 振荡频率摆到 i ，环路很快锁定。称为快捕过程。,快捕带：能够锁定的最大 |i| ，以 c 表示,c AdAoAF(c),2I 比第一种情况大,vd(t) 受到很大衰减，不能使 VCO 振荡频率摆到 I 。捕捉过程如下：,o r ，i - o 减小，e(t) 随时间增长变慢。,o r ，i - o 增大，e(t) 随时间增长变快。,vd(t) 变为不对称波形，经低通滤波器输出直流电

8、压 VD ，使 o 的平均值由 r 上升为 r(av) ，r 上升，e(t) 随时间增长变的更慢，不对称加大，VD 上升，o 进一步靠近 r ，当 o 摆动到 I ，并符合正确的相位关系，环路锁定。,o 的平均值逐渐靠近 I 的过程称为频率牵引。,Ad 和 Ao 的数值越大，捕捉带越大，环路滤波器通频带越宽，捕捉带越大。,6.2.3跟踪特性,环路在锁定状态下，由于某种原因使环路偏离锁定，通过自身调节重新维持锁定的过程称为跟踪过程。,跟踪过程中 e 很小，环路近似为线性系统。,vd(t) = Adsine(t) Ade(t),环路基本方程,pe(t) + AdAoAF(p)e(t) = pe(t

9、),或,se(s) + AdAoAF(s)e(s) = si(s),e(s) = i(s) - o(s),第 6 章反馈控制电路,6.3集成锁相环及其应用,6.3.1集成锁相环路,6.3.2锁相环在解调和锁相接收机中的应用,6.3.3锁相环在频率合成器中的应用,6.3.1集成锁相环路,按电路结构可分为：,模拟锁相环,数字锁相环(数字鉴相器、数字滤波器、数控振荡器),按用途可分为：,通用型(鉴相器、VCO 等),专用型(调频接收机、电视机、通信、仪器、电动机速度控制等),6.3.2锁相环在解调和锁相接收机中的应用,一、锁相解调电路,1调频波锁相解调电路,锁相解调电路的门限电平比普通鉴频器低。,实

10、现不失真解调应满足：,环路的捕捉带 调频波的最大频偏,环路的带宽 调制信号的频谱宽度,VCO 输出为具有相同调制规律的调频波，环路滤波器输出解调输出电压。,设 VCO 的频率控制特性是线性的,设输入调频波为单音调制,i(t) = mcos t,解调电压的复振幅,2振幅调制信号的同步检波,锁相环路恢复载波信号，VCO 输出电压与载波电压之间有 /2 的固定相移，经移相 /2 后送入同步检波器。同步检波可以避免一般包络检波器检波弱信号时门限电平高，检波效率低与失真大等问题。,6.3.3锁相环在频率合成器中的应用,一、概述,频率合成技术是利用一个或多个高稳定晶体振荡器产生出一系列等间隔的频率信号的一种技术，这些离散频率的准确度和稳定度与晶体振荡器相同。,二、锁相倍频和锁相混频电路,1锁相倍频电路,环路的反馈通路中插入分频器。,环路锁定时,所以o = Ni,2锁相混频电路,环路的反馈通路中插入混频器和中频放大器。,混频器输出电压的角频率：|o - L|,环路锁定时： i = |o - L|,所以 o = L I,o L，取 o = L + I,o L，取 o = L - I,多环频率合成器,以三环频率合成器为例,fi = 100 kHz,300 NA 399,351