锁相环(PLL)基本原理

第1页锁相环(PLL)基本原理设计与应用第2页第一节反馈控制电路简介第二节自动增益控制电路（AGC）第三节自动频率控制（AFC）电路第四节锁相环路(PLL)基本原理一、PLL概述二、基本锁相环的构成三、锁相环的基本原理四、锁相环各组成部分分析五、环路的锁定、捕获和跟踪，同步带和捕捉带第六节锁相环路的应用一、集成锁相环芯片二、方波发生器三、PLL在调制解调技术中的应用四、PLL在空间技术上的应用五、PLL在稳频技术中的应用六、PLL在频率合成器中的应用第3页在无线电技术中，为了改善电子设备的性能，广泛采用各种的反馈控制电路。常用的有自动相位控制（APC）电路，也称为锁相环路（PLL-PhaseLockedLoop），自动增益控（AGC）电路以及自动频率控制（AFC）电路。它们所起的作用不同，电路构成也不同，但它们同属于反馈控制系统，其基本工作原理和分析方法是类似的。第一节锁相环路(PLL)及其反馈控制电路简介第4页第二节自动增益控制电路（AGC）自动增益控制电路是某些电子设备特别是接收设备的重要辅助电路之一，其主要作用是使设备的输出电平保持一定的数值。所以也叫自动电平控制（ALC）电路。自动增益控制电路是一种反馈控制电路，当输入信号电平变化时，用改变增益的方法，维持输出信号电平基本不变的一种反馈控制系统。第5页AGC电路接收方框图如图2-1所示。图2-1AGC电路的接收方框图第6页工作原理:它的工作过程是输入信号经放大、变频、再放大后，到中频输出信号，然后把此输出电压经检波和滤波，产生控制电压，反馈回到中频、高频放大器，对他们的增益进行控制。所以这种增益的自动调整主要由两步来完成：第一，产生一个随输入信号而变化的直流控制电压(叫AGC电压)；第二，利用AGC电压去控制某些部件的增益,使接收机的总增益按照一定规律而变化。第7页产生控制信号的简单的AGC电路如图1-2所示。图2-2简单的AGC电路第8页工作原理:图2-2是简单AGC电路,这是一种常用的电路。是中频放大管，中频输出信号经检波后，除了得到音频信号外，还有一个平均分量（直流），它的大小和中频输出载波幅度成正比，经滤波器，把检波后的音频分量滤掉，使控制电压不受音频电压的影响，然后把此电压（AGC控制电压）加到的基极，对放大器进行增益控制。第9页从曲线可知:当Ui较小时，控制电压Up也较小,这时增益可K虽略有减小，但变化不大，因此振幅曲线基本上仍是一段直线；当足够大时，Up的控制作用较强，增益K显著减小。这时UO基本保持不变，振幅特性曲线2‘的bc段所示。通常把UO基本上保持不变这部分叫做AGC的可控范围。可控范围越大，AGC的特性越好。图2-3简单的AGC特性加上AGC后，放大器增益K随Ui的增加而减小(曲线1)，因而输出电压UO和输入电压Ui不再是线性关系，振幅特性UO～Ui不再是一条直线，而是如图2-3所示的曲线2’。Ui与UO的关系曲线Ui与增益K的关系曲线Ui与增益K的关系曲线Ui与UO的关系曲线第10页第三节自动频率控制（AFC）电路AFC电路也是一种反馈控制电路。他控制的对象是信号的频率，其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。例如，在调频发射机中如果振荡频率漂移，则利用AFC反馈控制作用，可以适当减少频率变化，可以提高频率稳定度。又如在超外差接收机中，依靠AFC系统的反馈调整作用，可以自动控制本振频率，使其与外来信号频率之差值维持在接近中频得数值。第11页•自动频率控制(AFC)的原理框图图3-1AFC的原理方框图第12页工作原理:图3-1是AFC的原理框图。被稳定的振荡器频率f0与标准频率fr在频率比较器中进行比较。当f0=fr时，频率比较器无输出，控制元件不受影响；当f0≠fr时，频率比较器有误差电压输出，该电压大小与|f0-fr|成正比。此时，控制元件的参数即受到控制而发生变化，从而使发生变化，直到使频率误差减小到某一定值Δf，自动频率微调过程停止，被稳定的振荡器就稳定在f0=f0±Δf的频率上。AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路,由于它的基本原理利用频率误差电压去消除频率误差,这样,当电路达到平衡时,必然有剩余的频率误差存在,无法达到现代通信中对高精度频率同步(频差为0)和相位跟踪的广泛要求.要实现频率和相位的跟踪,必须采用自动相位控制电路,即锁相环(PLL:PraseLockedLoop)第13页第四节锁相环路(PLL)一、PLL概述锁相环路是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目的。参考信号输出信号图4-1锁相环系统框图鉴相器环路滤波器压控振荡器第14页在锁相频率合成器中，锁相环路具有稳频作用，能够完成频率的加、减、乘、除等运算，可以作为频率的加减器、倍频器、分频器等使用。锁相环路应用锁相接收机微波锁相振荡源锁相调频器锁相鉴频器定时提取（滤波）锁相频率合成器……第15页二、基本锁相环的构成鉴相器(PD-PhaseDetector)基本的锁相环路组成环路滤波器(LF-LoopFilter)压控振荡器(VOC:VoltageControlledOscillater)参考信号鉴相器环路滤波器压控振荡器输出信号图4-2基本锁相环框图压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t)的相位，它的输出电压ud(t)是对应于这两个信号相位差的函数。第16页鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t)的相位，它的输出电压ud(t)是对应于这两个信号相位差的函数。环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。压控振荡器:指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输入信号电压的函数的振荡器VCO，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电压的控制，就可构成一个压控振荡器式中C0是零反向偏压时变容二极管的电容量；φ是变容二极管的结电压；γ是结电容变化指数。第17页三、锁相环的基本原理设输入信号ui(t)和本振信号(VCO输出信号）uo(t)分别是正弦和余弦信号，它们在鉴相器内进行比较，鉴相器的输出是一个与两者间的相位差成比例的电压ud(t)，一般把ud(t)称为误差电压。环路低通滤波器滤除鉴相器中的高频分量，然后把输出电压ud(t)加到VCO的输入端，VCO送出的本振信号频率随着输入电压的变化而变化。如果二者频率不一致，则鉴相器的输出将产生低频变化分量并通过低通滤波器使VCO的频率发生变化。只要环路设计恰当，则这种变化将使本振信号的频率一致起来。最后如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两者的相位差将保持某一恒定值，则鉴相器的输出将是一个恒定直流电压（高频分量忽略），环路低通滤波器的输出也是一个直流电压，VCO的频率将停止变化，这时，环路处于“锁定状态”。第18页四、锁相环各组成部分分析1．鉴相器鉴相器是锁相环路的关键部件，它的形式很多,我们仅介绍其中常用的“正弦波鉴相器”。1）正弦波鉴相器的数学模型任何一个理想模拟乘法器都可以作为有正弦特性的鉴相器。设输入信号为:压控振荡器的输出信号为:)(sin)(1ttUtuiimi)(cos)(2ttUtuoomo第19页在一般情况下，ωi不一定等于ωo，所以为了便于比较两者之间的相位差，现都以ωot为参考相位。这样ui(t)的瞬时相位为:)()()(tttttttioioioii)()()(tttttiioiioi是输入信号角频率与VCO振荡器信号角频率之差，称之为固有频差。其中:第20页按上面的新定义，可将式PLL输入、输出信号改写为式中，经乘法器相乘后，其输出为)(sin)(1ttUtuiomi)(cos)(cos)(0202ttUttUtuomomo)()(ttoo)()(sin)()(2sin21)()(21tttttUUAAtutuoioiommmmoi高频成分低频成分第21页通过环路滤波器，把上式中高频分量滤除。则鉴相器的输出为)()(sin21)(21ttUUAtuoimmmd)(sin)(tKtudd式中mmmdUUAK2121其中Am为乘法器的增益系数，量纲为1/V。)()()(tttoi鉴相器的作用：将两个输入信号的相位差φ(t)转变为输出电压ud(t)。第22页由式可得出鉴相特性，如图4-3所示。由于ud(t)随φ(t)作周期性的正弦变化，因此这种鉴相器称为正弦波鉴相器。图4-3正弦特性曲线)(sin)(tKtudd第23页)()()()(tKttKtudoidd2）鉴相器线性化的数学模型因此可以把式写成所以，当φ(t)≤30°时,鉴相器特性近似为直线，ud(t)与φ(t)成正比。)()()()(sin30)()(ttttttoioiooi时，当)(sin)(tKtudd第24页在时域中鉴相器数学模型如图4-4所示图4-4鉴相器的线性数学化模型（时域）第25页2．环路滤波器（LoopFilter，简称LF)环路滤波器是线性电路，由线性元件电阻、电感和电容组成，有时还包括运算放大器在内。它是低通滤波器。在锁相环路中，常用的滤波器有以下的三种，如图4-5所示。图4-5三种常用的环路滤波器第26页环路滤波器的作用是滤除ud(t)中的高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。环路滤波器如果用的是图4-5（b）或（c）所示的比例积分器时，比例积分器把鉴相器输出的即使是非常微小的电压积累起来，形成一个相当大的VCO控制电压，并保持到φo(t)=φi(t)时刻。只要改变环路滤波器的R1、R2、C就能改变环路滤波器的性能，也就方便的改变了锁相环的性能。第27页3．压控振荡器VOC压控振荡器受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的的相位保持某种关系，达到相位锁定的目的。第28页压控振荡器就是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制元件。压控元件一般都是变容二极管。由环路滤波器送来的控制信号电压uc(t)加在压控振荡器振荡回路中的变容二极管，当uc(t)变化时，引起变容二极管结电容的变化，从而使振荡器的频率发生变化。因此压控振荡器实际上就是一种电压-频率变换器。它在锁相环路中起着电压-相位变化的作用。压控振荡器的特性可用调频特性（即瞬时振荡频率ωo(t)相对于输入控制电压uc(t)的关系）来表示，如图4-6所示。第29页在一定范围内，ωo(t)与uc(t)是成线形关系的，可用下式表示，即)()(tuKtcoo式中ωo：压控振荡器的中心频率Kω是一个常数,其量纲为1/s·V或Hz/V。它表示单位控制电压所引起的振荡角频率变化的大小。图4-6压控振荡器VCO的频率变化由环路滤波器的特性决定，截止频率越小，环路滤波器输出的用于控制VCO的信号uc(t)变化越缓慢，这样VCO输出的信号变化较缓慢；截止频率越高，uc(t)变化较快，VCO输出的信号变换也较快。第30页但在锁相环路中,我们需要的是它的相位变化,即把由控制电压所引起的相位变化作为输出信号。由式ωo(t)可求出瞬时相位为所以由控制电压所引起的相位变化，有由此可见压控