射频通信电路- 锁相与频率合成技术

第八章锁相与频率合成技术锁相环的基本原理跟踪、捕捉特性锁相环路的实现频率合成器2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU2第八章内容目录8.1锁相环的基本组成与原理锁相环的组成及数学模型、环路的基本方程8.2锁相环的跟踪特性静态特性、跟踪特性8.3捕捉性能8.4*锁相环的噪声8.5*锁相环的稳定性8.6锁相环路的实现鉴相器、集成锁相环产品举例、锁相环设计8.7频率合成器整数分频频率合成器、分数频率合成器、DDS2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU38·1锁相环的基本组成与原理一、反馈控制电路xixexo反馈控制器对象目的：使输出量随输入量的变化而变化。输入量不变时，抑制其它因素变化所引起的变化。特点：(1)输出与输入之差为系统控制动作的起源。(2)负反馈以减小误差(3)对外部干扰和内部参数变化的影响具有抑制作用(4)有利于减小系统的非线性失真2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU48·1锁相环的基本组成与原理二、控制系统与信号处理电路对于同一个电路，从信号处理角度来讨论的输入输出及处理电路，于从控制角度所讨论的输入输出及处理电路是两个完全不同的概念：信号处理：对输入信号处理以得到有用的信息输出;反馈控制：对信号处理电路的某些参量进行控制，使信号处理电路的参数或指标符合我们的要求。性能：稳定性：t系统作用误差。系统收敛。快速性：在尽量短的时间内消除误差。准确性：使剩余误差尽量小。2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU58·1锁相环的基本组成与原理锁相环的组成vi(t)i(t)o(t)vo(t)鉴相器PD环路滤波器LPF压控振荡器VCO锁相环是一种相位负反馈技术，通过比较输入信号与压控振荡器的输出信号的相位，取出与这两个信号的相位差成正比的电压作为误差电压来控制振荡器的频率，达到使其与输入信号频率相等的目的。2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU68·1锁相环的基本组成与原理三、锁相环的组成及数学模型1、鉴相器—检测出两个输入电压之间的瞬时相位差，并产生相应的输出电压vd(t)。Adsin·vi(t)i(t)vo(t)vd(t)e(t)o(t)输入信号电压vi(t)()sinsin[()]sin[()]()()iimiimririmriiirvtVtVttVtttt其中输入相位输出信号电压vo(t)()coscos[()]cos[()]()()oomoomroromrooorvtVtVttVtttt其中输出相位2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU78·1锁相环的基本组成与原理输入固有角频差：输入信号频率偏离VCO自由振荡频率的值。iiriddt控制角频差：受控VCO的频率与其自由振荡频率之间的差值。ooroddt瞬时角频差：受控VCO的瞬时频率与输入信号频率之间的差值。()()eioeeioioeioddttt其中误差相位显然＝－2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU88·1锁相环的基本组成与原理实际中经常使用模拟乘法器鉴相器，它并不满足线性关系，而是一个正弦鉴相环节：()sin()sin()ddediovtAtAt当时，正弦鉴相可以近似为线性。6e由于乘法器鉴相器的特性是非线性的，由此导致整个环路的特性为非线性的。理想鉴相器应该产生一个与输入信号相位差成正比的控制电压信号，其中Ad为鉴相灵敏度。()()ddevtAt2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU98·1锁相环的基本组成与原理2、环路滤波器（LoopLowpassFilter)目的：滤除鉴相器输出电压信号中的无用组合频率分量和其他干扰分量，改善控制电压频谱纯度，提高系统稳定性；方式：采用低通滤波器取出鉴相器输出的平均分量。效果：通过使用不同的电路，可选择不同的滤波频率特性AF(p)，从而对环路的动态性能和稳定性产生影响。AF(p)vc(t)vd(t)2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU108·1锁相环的基本组成与原理()11()()11cFdVssCAsVsRsCsRC常用的环路滤波器有如下几种形式：(a)简单RC滤波器(b)无源比例积分滤波器221212112211()11(),FRsCsAsRRsCsRCRC2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU118·1锁相环的基本组成与原理2211112211(),FRsCsAsRsRCRC(c)有源比例积分滤波器环路滤波器的主要指标：带宽、直流增益和高频增益。简单RC滤波器：直流增益为1，高频增益为0；无源比例积分器：直流增益为1，高频增益趋于2/(12);有源比例积分器：直流增益趋于无穷，高频增益趋于2/12020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU128·1锁相环的基本组成与原理3、压控振荡器产生频率随控制电压变化的振荡电压。压控振荡器的输出频率受控制电压vc的控制而变化。一般情况下认为～vc特性是线性的。Ao/po(t)vc(t)2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU138·1锁相环的基本组成与原理四、环路基本方程Adsin·vi(t)i(t)vo(t)vd(t)e(t)AF(p)vc(t)Ao/po(t)0()()()()()sin()()()()()()sin()()()()sin()()()()()teioidoFeeioidoFeeidoFeeiottttAAApddtdtdtdtAAAptdtdtdtdtptptAAAptpttt引入微分算子2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU148·1锁相环的基本组成与原理环路基本方程给出了以下基本关系：瞬时频差＋控制频差＝固有频差若固有角频差i(t)=i为常数，即vi(t)为恒定频率的输入信号，则环路在进入锁定的过程中，瞬时角频差不断减小，而控制角频差不断增大，但二者的和恒等于i，直到瞬时角频差pe(t)=0，而控制角频差增大到i时，VCO振荡角频率等于输入信号角频率(o=i)，环路进入锁定。环路锁定时，相位误差e(t)为一固定值，称之为剩余相位误差或稳态相位误差。2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU158·2锁相环的跟踪特性跟踪：处于锁定状态的环路，若输入信号频率或相位发生变化，环路通过自身调节，来维持锁定状态的过程.捕捉：处于失锁状态的环路，通过自身的调节作用，从失锁变为锁定的过程。同步带(TrackingRange,HoldinRange)能够维持锁定所允许的输入信号频率偏离r的最大值|i|捕捉带(CaptureRange,PullinRange)能够进入锁定所允许的最大|i|2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU168·2锁相环的跟踪特性一、静态特性1、锁定时瞬时频差为零0eio进入鉴相器的两个信号频率相等2、稳态相位误差锁定时两个输入信号的相位误差是一个常数，称为稳态相位误差。该误差产生控制电压vc去控制VCO的频率，使之与输入信号频率相等。0,(0)sinoidFeiAAA锁定时1100000sin[(0)]sin(0)eidFiddFAAAAAAAAAAA环路增益，＝环路直流增益2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU178·2锁相环的跟踪特性说明：(a)为使稳态相位误差减小，需要增加环路直流总增益A0，或减小输入固有角频差i。(b)当i增大时，e∞增大，即i越大，将VCO振荡频率调整到等于输入信号频率所需的控制电压越大，因而产生该电压的e∞也越大。(c)当iA0时，e∞不存在，表明环路不存在使它锁定的稳态相位误差，也就是输入固有角频差过大，环路无法锁定。1100sinsin(0)iiedFAAAA2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU188·2锁相环的跟踪特性3、同步带能够维持环路锁定所允许的最大输入固有角频差，此时的i记做H。0HA该结论在假设VCO的频率控制范围足够大的条件下才成立。满足条件时，同步带主要受鉴相器最大输出电压限制。若H大于VCO的频率范围，那么即使有足够大的控制电压加到VCO上，也不能将VCO的输出频率o调整到i上。2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU198·2锁相环的跟踪特性二、跟踪特性跟踪性能是表示环路跟随输入信号频率或相位变化而变化的能力.讨论跟踪特性时，由于误差相位e的值一般很小，可以近似用线性函数逼近鉴相器的鉴相特性，从而使用线性系统分析的方法来进行分析。2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU208·2锁相环的跟踪特性Advi(t)i(t)vo(t)vd(t)e(t)AF(p)vc(t)Ao/po(t)线性化的PLL系统框图()sin()()ddedevtAtAt()()()()edoFeiptAAAptpt乘法器鉴相器线性化为：从而得到线性化的环路方程：对于用线性微分方程所表征的系统，可以采用传递函数的方法进行分析。2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU218·2锁相环的跟踪特性开环传递函数闭环传递函数误差传递函数()()()()odoFoesAAAsHsss00()()()()()()1()odoFidoFsAAAsHsHsssAAAsHs()()1()()()()1()()eeeieoodoFsssHssssHssAAAs2020/1/19Information&CommunicationEngineeringDept.XJTU228·2锁相环的跟踪特性说明根据近似线性条件要求，相位误差不得高于/6传递函数描述的是相位传递过程，其中的s代表输入、输出信号相位变化的频率，而不是输入信号的载频H(s)具有低通特性He(s)具有高通特性传递函数的具体形式采用不同环路滤波器时，H(s)、He(s)和Ho(s)具有不同的形式，见教材中表8.2.12020/1/19Info