PLL基本原理-设计及应用

第1页2006年电子技术竞赛讲座锁相环(PLL)基本原理、设计与应用()、刘颖刘颖第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页第一节锁相环路(PLL)及其反馈控制电路简介在无线电技术中，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。反馈控制系统，其基本工作原理和分析方法是类似的。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，产个输变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22是简单AGC电路这是种常用的电路工作原理: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个平均分量（直流）它的大小和中频输号外，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Ui与UO的关系曲线加上AGC后，放大器增益K随Ui的增加而减小(曲线1)因而而减小(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UOUi不再图2-3简单的AGC特性振幅特性UO～Ui不再是一条直线，而是如图2-3所示的曲线2’。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U基本保持不变振幅特性曲线2‘的bc段所示通较强，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。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31AFC的原理方框图图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f与工作原理: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f≠f时频率比较器有误差无输出，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)第四节锁相环路(PLL)一PLL概述一、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。输出参考信号输出信号鉴相器环路滤波器压控振荡器信号滤波器振荡器图4-1锁相环系统框图第14页锁相接收机锁相接收机微波锁相振荡源锁相环路应用锁相调频器锁相鉴频器锁相鉴频器定时提取（滤波）锁相频率合成器在锁相频率合成器中锁相环路具有稳频作用能够完……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。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(LFLFilt)基本的锁相环路组成环路滤波器(LF-LoopFilter)压控振荡器(VOC:VoltageControlledOscillater)参考信号环路压控输出信号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ui(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uo(t)的相位，它的输出电压ui(t)是对应于这两个信号相位差的函数。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。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ui(t)是对应于这两个信号相位差的函数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，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。第17页三、锁相环的基本原理设输入信号(t)和本振信号(VCO输出信号）(t)分别是正设输入信号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(t)般把(t)称为误差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者频率不致则鉴相器的输出将产压的变化而变化。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致起来要环路设计恰当，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、成1．鉴相器鉴相器是锁相环路的关键部件，它的形式很多,我们仅介其中常的波鉴相绍其中常用的“正弦波鉴相器”。1）正弦波鉴相器的数学模型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:鉴相器设输入信号为)(sin)(1ttUtuiimi压控振荡器的输出信号为:)()()(cos)(2ttUtuoomo第19页在一般情况下，ω不一定等于ω，所以为了便于比在般情况下，ωi不定等于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:)()(tttttioioii)()()(ttioioioii)()(tttioii其中:)(tti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。第20页按上面的新定义，可将式PLL输入、输出信号改写为)(sin)(1ttUtuiomi)(cos)(cos)(02ttUttUtuomo式中，经乘法器相乘后，其输出为)(cos02ttUom)()(ttoo式中，经乘法器相乘后，其输出为)()(ttoo)()(sin)()(2sin21)()(21tttttUUAAtutuoioiommmmoi2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)()(2)(21oimmmd)(sin)(tKtudd)()(dd式中mmmdUUAK21212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转变为输出鉴相器的作用：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。)(sin)(tKtudd由式可得出鉴相特性，如图3所示。)()(dd图43正弦特性曲线由于ud(t)随φ(t)作周期性的正弦变化，因此这种鉴相器图4-3正弦特性曲线由于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。第23页2）鉴相器线性化的数学模型30)()(ttooi时，当)()()()(sinttttoioi)()()()(tKttKt因此可以把式写成)(sin)(tKtudd)()()()(tKttKtudoidd所以当φ(t)≤30°时鉴相器特性近似为直线u(t)与所以，当φ(t)≤30时,鉴相器特性近似为直线，ud(t)与φ(t)成正比。第24页在时域中鉴相器数学模型如图44所示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