第1章锁相环路的基本工作原理(精编).ppt

第1章 锁相环路的基本工作原理 第1节 锁定与跟踪的概念 第2节 环路组成 第3节 环路的动态方程 第4节 一阶锁相环路的捕获、锁定与失锁 第1节 锁定与跟踪的概念 锁相环路(PLL)是一个相位跟踪系统,方框表示如图1-1(a)。设输入信号 式中Ui是输入信号的幅度； ωi是载波角频率； θi(t)是以载波相位ωit为参考的瞬时相位。 若输入信号是未调载波,θi(t)即为常数,是ui(t)的初始相位；若输入信号是角调制信号(包括调频调相),θi(t)即为时间的函数。设输出信号 式中Uo是输出信号的幅度； ωo是环内被控振荡器的自由振荡角频率,它是环路的一个重要参数； θo(t)是以自由振荡的载波相位ωot为参考的瞬时相位,在未受控制以前它是常数,在输入信号的控制之下,θo(t)即为时间的函数。 图1-2(a)所示。从图上可以得到两个信号的瞬时相位之差 为输入信号频率与环路自由振荡频率之差,称为环路的固有频差。 再令 式中θ2(t)也是以ωot为参考的输出瞬时相位。利用(1-6)式*和(1-9)式可表示输入和输出信号的相位。由于有了共同的参考,就很便于比较。将(1-6)式和(1-9)式代入(1-3)式,得到环路的瞬时相位差 二、捕获过程 从输入信号加到锁相环路的输入端开始,一直到环路达到锁定的全过程,称为捕获过程。一般情况,输入信号频率ωi与被控振荡器自由振荡频率ωo不同,即两者之差Δωo≠0。若没有相位跟踪系统的作用,两信号之*间相差 三、锁定状态 捕获状态终了,环路的状态稳定在 将此式代入输出信号表达式(1-2),得 由上可知,在输入固定频率信号的条件之下,环路进入同步状态后,输出信号与输*入信号之间频差等于零,相差等于常数,即 四、环路的基本性能要求 如上所述,环路有两种基本的工作状态。 其一是捕获过程。评价捕获过程性能有两个主要指标。一个是环路的捕获带Δωp,即环路能通过捕获过程而进入同步状态所允许的最大固有频差 ｜Δωo｜max。若ΔωoΔωp,环路就不能通过捕获进入同步状态。故 另一个指标是捕获时间Tp,它是环路由起始时刻t0到进入同步状态的时刻ta之间的时*间间隔,即 捕获时间Tp的大小除决定于环路参数之外,还与起始状态有关。一般情*况下输入起始频差越大,Tp也就越大。通常以起始频差等于Δωp,来计算最大捕获时间,并把它作为环路的性能指标之一。 第2节 环路组成 锁相环路为什么能够进入相位跟踪,实现输出与输入信号的同步呢？因为它是一崐个相位的负反馈控制系统。这个负反馈控制系统是由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和电压控制振荡器(VCO)*三个基本部件组成的,基本构成如图1-4。 一、鉴相器 鉴相器是一个相位比较装置,用来检测输入信号相位θ1(t)与反馈信号相位θ2(t)之间的相位差θe(t)。输出的误差信号ud(t)是相差θe(t)的函数,即 鉴相特性f［θe(t)］可以是多种多样的,有正弦形特性、三角形特性、锯齿形特性等等。常用的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤波器的串接作为模型,如图1-5(a)所示。 设相乘器的相乘系数为Km［单位为1／V］,输入信号ui(t)与反*馈信号uo(t)经相乘作用 再经过低通滤波器(LPF)滤除2ωo成分之后,得到误差电压 二、环路滤波器 环路滤波器具有低通特性,它可以起到图1-5(a)中低通滤波器的作用,更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用。环路滤波器是一个线性电路,在时域分*析中可用一个传输算子F(p)来表示,其中p(≡d／dt)是微分算子；在频*域分析中可用传递函数F(s)表示,其中s(a+jΩ)是复频率；若用s=jΩ代入F(s)就得到它的频率响应F(jΩ),故环路滤波器模型可表示为图1-7。 1. RC积分滤波器这是结构最简单的低通滤