锁相环

锁相环（PLL）及应用1锁相环路概述2锁相环的基本结构和工作原理5环路的捕捉与跟踪过程6锁相环的应用基本内容3锁相环的基本组成分析4锁相环的环路模型一、基本概念1锁相环路概述引例调频广播系统广播电台发射信号频率不稳定，或者收音机的本机振荡频率不稳，收听时会“跑台”或“串台”，严重影响收听效果。假设收音机具有自动跟踪电台的功能，能根据电台信号频率的变化随时调整本振频率，确保二者频率的同步，则上述问题就会迎刃而解。其中，采取的解决途径之一就是采用锁相环电路。因这种电路为负反馈结构，且能实现其输出信号频率对输入信号频率的跟踪（同步），因此也称为闭环跟踪系统（电路）。其中，当输出信号频率与输入信号频率相同时，输出信号与输入信号之间的相位差同步（相位差为常数）。故称为锁相环路，简称为锁相环。1锁相环路概述一、基本概念（绪）锁相环是一种自动相位控制电路（系统）。其中，频率相同是目的，相位同步（锁定）是手段。（具体）：锁相环将输入信号与输出信号间的相位进行比较，产生相位误差电压，来调整输出信号的频率，最终达到：相位锁定，信号同频。1锁相环路概述二应用概述（1）在通信中的应用主要用于短波、超短波发、收信机中的主振与本振源，有线通信中的载波供给，微波卫星通信中的微波固态源与微波功率放大器，数字通信中的载波同步、码元同步和网同步，以及上述各种通信系统中的调制与解调，电调与天调、自动频率微调等系统中。（2）在雷达中的应用主要用于雷达的微波固态源，微波功率放大器、相共阵雷达的多相激励源、天线自动跟踪与精密辅角偏转测量等系统中（3）在导航设备中的应用主要用于飞机、轮船和舰艇的导航定位监视系统中。（4）在空间技术中的应用主要用于卫星、导弹、火箭和飞船的测速定轨、测距与遥测数据获取系统中。（5）在电视及高保真设备中的应用主要用于电视机同步、门限扩展解调、色差副载波提取与色差信号的同步检波，全国电视台的锁相连播同步系统，高保真度设备中的立体声多路解码（MPX）、频率合成式调谐器、四声道解调器（CD-4）及走带电机速度控制系统中。（6）在测量仪表中的应用主要用于频率合成器、自锁信号发生器、相位振幅仪（矢量电压表、微波网络分析仪）、相位噪声测试仪、频谱分析仪、锁相计数器、阻抗测试仪、电平振荡器、频偏仪、微波固态源、微波功率放大器以及微波相位调整器等仪表中。1锁相环路概述二应用概述（7）在工矿企业中的应用主要用于电网同步与频率变换（60Hz变成50Hz）、电机转速控制、可控硅整流器通角控制；大型齿轮与抛物面天线加工精度的测量、大型振动平台支柱运动的同步，地下流沙速度的测量、地层矿藏（石油、煤层）的普查以及地震预测等。（8）在原子能、激光和红外系统中的应用主要用于原子能加速器的同步、原子能电站反应堆应力形变监测、激光稳频和红外夜视瞄准设备中。（9）在生物、医疗电子学中的应用主要用于医疗仪表中，目前国外还提出用锁相理论来探讨癫痫病理，以寻找物理治疗的方法等。返回（10）计算机应用在计算机系统中，时钟信号的产生电路中，采用锁相环技术，可根据系统的运行状态，调节系统的时钟。2锁相环的基本结构和工作原理锁相环路（PLL）组成框图如下图所示：工作原理——ui(t)和压控振荡器（VCO）的uo(t)在鉴相器（PD）中进行比较，PD输出的误差电压ud(t)是二者相位差的函数。如果两者频率相同，相位差恒定，则经环路滤波器（LF）后无输出；如果两者频率不同，则经LF后得到控制电压去控制VCO的振荡频率，直至环路进入“锁定”状态。2锁相环的基本结构和工作原理锁相环路中，如果压控振荡器输出信号角频率o与输入信号角频率ωi不相同时，则称锁相环路处于失锁状态失锁状态：锁定状态：当失锁时，由鉴相器，环路滤波器，压控振荡器及反馈回路完成一系列的调节后，最终达到的输入、输出同频并相位差同步（锁定）的状态，即为锁定状态捕捉过程：锁相环路刚开始处于失锁状态．由失锁状态→锁定状态的过程称为捕捉过程。工作过程中包含四个状态（过程）：跟踪过程：当环路锁定后，由于某种原因引起输入信号频率ωi与输出信号频率o发生变化时（只要变化不很大），环路通过自身的调节作用，可使o跟踪ωi而变，从而维持环路的锁定。此过程即为跟踪过程。2锁相环的基本结构和工作原理捕捉与跟踪是锁相环路的两种不同的自动调节过程。3锁相环的基本组成分析1、鉴相器（PD）2、环路滤波器（LF）3、压控振荡器（VCO）3锁相环的基本组成分析1、鉴相器（PD）1.鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位和输出信号相位之间的相位差，输出的误差电压是相位差的函数。2.鉴相器特性可以是正弦形特性、三角形特性、锯齿形特性等。常用的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤波器的串接而成。)()()()(sin)(OieeddttttAtu其中鉴相器框图鉴相器电路模型模拟相乘器即为一种具有正弦鉴相特性的鉴相器。3锁相环的基本组成分析1、鉴相器（PD）（1）正弦波鉴相器（基于模拟相乘器）设外界输入的信号为：压控振荡器输出的信号为：imiimiUttUtusin)](sin[)(110omoomoUttUtucos)](cos[)(22式中，是为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡频率，称为电路的固有振荡频率。设乘法器的增益系数为Am，则鉴相器输出的误差电压ud(t))(),(ttoi瞬时相位3锁相环的基本组成分析1、鉴相器（PD）（1）正弦波鉴相器（基于模拟相乘器）将误差电压ud(t)通过环路低通滤波器（LF),将其中的合频分量滤掉，保留差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uc(t)，则uc(t)为：]}[)](sin{[21)]()(sin[21)](cos[)](sin[)()(212121ttttUUAttttUUAttttUUAtutuAooiimmmooiimmmooiimmmoim即有：)]}()([)sin{[(21)]}()([)sin{(21)()(2121tttUUAtttUUAtutuAoioimmmoioimmmoim)]}()([)sin{()]}([)](sin{[21)(21tttKttttUUAtuoioidooiimmmc)]()([)()(ttttoioid3锁相环的基本组成分析1、鉴相器（PD）（1）正弦波鉴相器（基于模拟相乘器）其中：mmmdUUAK2121令则有：)(sin)(tKtuddc表明具有正弦特性。)(tuc2、环路滤波器（LF）3锁相环的基本组成分析线性低通滤波器锁相环路中通常采用一阶滤波器电路；有时需要较强地抑制鉴相器输出中的交流分量时，也采用高阶滤波电路。两个功能：•滤除误差信号中的高频分量及噪声；•为锁相环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时噪声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。组成——电阻、电容和电感及运算放大器。锁相环路中通常采用的滤波器电路•RC积分滤波器•无源比例积分滤波器•有源比例积分滤波器微分方程：)()()(dFCtupAtu常见环路滤波器的形式环路滤波器电路模型其中，AF(p)为传递函数。2、环路滤波器（LF）3锁相环的基本组成分析2、环路滤波器（LF）3锁相环的基本组成分析（1）RC积分滤波器ssHCRjRCjCjjHCR11)(1111)(功能模型（2）无源比例积分滤波器21221221211)(1111)(1122sssHRRCjCRjRRCjRCjjHCRCR2、环路滤波器（LF）3锁相环的基本组成分析（3）有源比例积分滤波器1212121)(11)(1122sssHCRjCRjRRCjjHCRCR2、环路滤波器（LF）3锁相环的基本组成分析电压-频率变换器（具有线性控制特性的调频振荡器）在控制电压的作用下，输出信号频率在固有频率的基础上按一定规律变化的振荡电路。作用——使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，相位差恒定。3、压控振荡器（VCO）3锁相环的基本组成分析3、压控振荡器（VCO）)()(tuAtcooooA压控灵敏度输入输出特性（线性）：3锁相环的基本组成分析3、压控振荡器（VCO）3锁相环的基本组成分析例ZiOUtuCRRRt)(22)(314令：oZAUCRRR122314则有：)()(tuAtcoo)()(tutuic若当uc(t)为零或直流电压时，其固有振荡角频率为ωo,则上式可写为)()(tuAtcooo压控振荡器传递给鉴相器的反馈信号起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位。所以，VCO在锁相环中起了一次积分作用，因此也称为环路中的固有积分环节。3、压控振荡器（VCO）)()(tuAtcoooomoomoUttUtucos)](cos[)(22对积分，得dttuAtdttctoooto)()(00对应于式P=d/dt为微分算子3锁相环的基本组成分析压控振荡器的模型锁相环的相位模型)(sin1)()()()()(eFodiotppAAAttttie)()(sin)()(ieFodetptpAAAtp瞬时频差控制频差固有频差环路方程4锁相环的环路模型捕捉过程—环路由失锁进入锁定的过程捕捉带(Δωp)——环路由失锁状态进入锁定状态所允许信号频率偏离的最大值。捕捉时间(τP)——环路由失锁状态进入锁定状态所需的时间跟踪过程—环路维持锁定的过程跟踪带（同步带）——能够维持环路锁定所允许的最大固有频差，称为锁相环路的跟踪带或同步带。跟踪带（同步带）和环路滤波器的带宽及压控振荡器的频率控制范围有关。锁相环的基本特性环路锁定后，输出信号与输入信号频率相等，没有剩余频差（有微小固定相差）良好的窄带特性锁定后没有频差自动跟踪特性环路相当于一个高频窄带滤波器，只让输入信号频率附近的频率成份通过环路在锁定时，输出信号频率和相位能在一定范围内跟踪输入信号频率和相位的变化应用之一：锁相倍频、分频与混频倍频电路框图当反馈环路是分频器时→倍频电路当反馈环路是倍频器时→分频电路当反馈环路是混频器和中频放大器时→混频电路应用之二：锁相调频和鉴频锁相环调频锁相环使VCO的振动频率稳定在晶振频率上，同时调制信号也加至VCO上，从而实现调频当输入调频波的频率发生变化时，经PD和LF后将得到一个与输入信号的频率变化相同的控制电压，即实现鉴频锁相环鉴频应用之三：彩色电视色副载波的提取原理框图工作原理在彩色电视中，为了重现彩色，接收端必须要有与发送端完全相同的色副载波。而其中的色同步信号是其产生的基准。图中利用锁相环产生色副载波。根据锁相环的工作特点，该信号的频率和相位受输入端色同步信号的控制。THEENDThankYou!