通信电子电路 第七章锁相原理.ppt

通信电子电路 9.1 概述 反馈控制系统的组成 频率跟踪的实现方法 9.2 锁相环路的基本原理 鉴相器（PD） 2. 低通滤波器（LF） 3.压控振荡器（VCO）及相位模型 （二）锁相环的时域模型 * * 文凤 书山有路勤为径 学海无崖苦作舟 作用：1）为了提高通信和电子系统的性能指标 2）实现某些特定的要求。必须采用自动控制方式。由此，各种类型的反馈控制电路便应运而生了。 分类（根据控制对象参量的不同）： 自动增益控制（Automatic Gain Control） 自动频率控制（Automatic Frequency Control） 自动相位控制（Automatic Phase Control） 自动相位控制电路又称为锁相环路（Phase Locked Loop），是应用最广的一种反馈控制电路。 锁相技术能高性能地完成信号跟踪，信号提取等许多电路功能，因而广泛应用于通信、空间技术和精密仪器等领域。 现代通信和测量系统中，需要能够跟随参考频率的变化而作相应变化的特种功能电路。具体如：滤波器的中心频率能随某个特定频率变化的特殊滤波电路，能产生与某个特定频率的频差恒定的正弦信号产生电路（混频电路中的本振信号的频率fL要能正确跟踪接收载波频率fc的变化，使其频差fI为恒定值），以及能完成同步提取载波的载波提取电路等（同步解调电路中的同步载波产生）。本章所要讲解的锁相环路正是解决这类问题的好方法。 锁相技术的基本理论是反馈控制（Feedback Control）系统理论，其本质是利用反馈来实现自动跟踪参考频率或相位的变化。 反馈控制系统由反馈控制器和执行部件组成： 比较信号的振幅为幅度控制电路，如自动电平控制电路ALC 作用：完成输出信号xo与输入信号xi中相应参量的比较识别 比较信号的频率为频率控制电路，如自动频率控制电路AFC 比较信号的相位为相位控制电路，如自动相位控制电路APC (如锁相环路PLL) 误差信号xe其值越小，说明xo跟踪xi性能越好。但不能为零。 只是能将被跟踪的信号xi进行某种参数修正的电路部件。其作用是：形成一个受误差信号控制的跟踪信号xo ，从而达到跟踪中xi对应参量变化的电路功能。 前进 频率跟踪和相位跟踪原则上是两回事。 相位跟踪的目的是：xo的瞬时相位跟随xi的瞬时相位而变。 频率跟踪的目的是：xo的瞬时频率跟随xi的瞬时频率而变。 反馈控制器直接对频率进行跟踪，则xe 的大小取决于xi 和xo 的频差。在实际中，xo 的频率必须是受xe 控制的，因此在保证xo 的频率情况下，xe 一般不应等于零，即输出xo 的频率不可能完全等于xi的频率，两信号之间肯定存在频差。 返回 而当两信号的相位相差为常数时，两信号的频差一定为零。也就是说，在反馈控制器以相位进行比较的情况下，电路在整体上也能完成对频率的跟踪。 即频率跟踪的最好方法不是直接跟踪频率。而是通过跟踪输入信号的相位来达到跟踪频率。 锁相环路（Phase locked loop）是一种相位自动控制电路，其作用是实现环路输出信号与输入信号之间无误差的频率跟踪，仅存在某一固定的相位差。 (一）、锁相环路的组成框图 下面我们就通过相位跟踪来实现频率的跟踪。相位跟踪电路即锁相电路进行分析 是一个相位比较器，是用来比较输入信号vi(t)与输出信号vo(t)的瞬时相位，而在其输出端产生一个与两信号瞬时相差相对应的误差电压vd(t)及其它无用分量。 作用是：对鉴相器的输出电压进行必要的处理，以改善环路性能。如虑除vd(t)中的高频无用分量等。 它是振荡器，它的振荡频率受误差电压ve(t)控制。要求该电路的输出电压的瞬时频率与控制电压的关系为线性关系。 鉴相器PD 低通滤波器LF 压控振荡器VCO θi(t) θe(t) θo(t) 为了分析方便，将输入和输出信号分别设为： 其中ωr为参考基准频率。 反馈控制器在数学上应满足如下关系： K为常数，单位为V/rad ，θe 为输入和输出信号之间的相差大小。 正弦形鉴相器为例进行分析 误差电压 鉴相器是一个相位比较器，输出信号是两个输入信号相位差的函数,即 鉴相特性的形式有许多种，其中最基本的是正弦波特性，它可用一个模拟乘法器与低通滤波器串接而成。 θe(t) ve(t) 乘法器 低通滤波 PD vi(t) vo(t) ve(t) （鉴相器输出电压） 低通滤波器 θi(t) θo(t) 当 时 注意：鉴相器数学模型处理的是相角，而不是原信号本身， 这是它与原理方框图的区别。 鉴相器的数学模型如