笫7章锁相环路课件.ppt

笫7章 锁相环路,一、锁相环路的基本概念反馈控制电路概 述 PLL各部件的特性与数学模型二、PLL的线性分析P L L 的线性模型与传递函数P L L 的稳态相差PLL的稳定性（*）三、PLL的非线性分析一阶环路的非线性分析 二阶环路的非线性分析四、集成锁相环介绍PLL电路实例与应用举例,PLL基本原理PLL的环路方程与相位模型P L L 的跟踪特性P L L 的频率特性PLL的噪声特性（*）,四、集成锁相环,集成PLL（环路滤波器外加）类型：模拟环（APLL）鉴相器为模拟相乘器 通用型：VCO，PD，（+放大器）,专用型：锁相解调，调频立体声解调，电视的色同步环,数字环（DPLL）由部分数字电路，（主要是鉴相器为数字鉴相器）和全部数字电路（包括数字鉴相器、数字滤波器、数控振荡器）构成。通用型：VCO，PD，（+分频器） 专用型：用于频率合成器，电机控制,集成锁相环主要部件,1、集成鉴相器：数字比相型、模拟相乘器型、抽样保持型。,模拟相乘器型： 灵敏度较低，线性较好，锁定时两信号有90度相移。数字鉴相器：,异或门：输入为对称方波，锁定时两信号有90度相移R-S触发器：输入为脉冲或方波，锁定时两信号有90度相移边沿触发(上升沿或下降沿）鉴频鉴相器：输入为脉冲或方波，锁定时两信号有0度或180度相移，有鉴频和鉴相功能。常用于锁相频率合成器中。,集成鉴相器举例,数字式鉴频鉴相器,特点：有鉴相功能及鉴频功能。能使PLL的快捕带加宽，捕捉时间大为缩短，而且其鉴相特性的线性范围很宽。,组成:,由数字比相器、电荷泵和滤波器三部分组成。,电路工作原理: 以T4044数字式鉴频鉴相器电路 为例,9个与非门 组成数字比相器,将输入信号R与来自VCO的频率可变的信号 比相（后沿比）,在比相器输出端U和D，以逻辑电平给出相位超前、滞后以及超前、滞后量的信息。,T1T7组成电荷泵，作用是在数字比相器输出U和D的高低电平控制下，使T1T7管子导通、截止，变换成模拟电压。,组成有源比例积分滤波器形成所需的控制电压,电路图,数字式鉴频鉴相器（续）,T4044数字式鉴频鉴相器,比相器,电荷泵,有源比例积分滤波器,返回,T4044同频鉴相波形（a）R与V同相；（b）R滞后V；（c）R超前V,T4044的鉴频波形,数字式鉴频鉴相器（续）,当环路存在频差时，通过比相器和电荷泵的共同作用，有一数值上接近的正向或负向阶跃电压加到达林顿电路的输入端，使它输出的直流控制电压迅速地向最小或最大值跳变，从而控制VCO的频率迅速地向减小频差的方向变化，故电路起到了鉴频的作用。,数字式鉴频鉴相器（续）,鉴频作用,集成压控振荡器两种基本类型。 电流积分型，它的基本原理是：定时电容在被控电流源的作用下交替充电放电，形成振荡波形。振荡频率取决于充电和放电速度，在电容容量一定时，取决于电流源的电流大小。通过外加电压控制电流源电流大小可以实现对振荡频率的控制。这类电路具有良好的线性压控特性。 变容管调谐的集成LC振荡器。在集成电路内，由正反馈电路产生和维持振荡。振荡频率由LC决定，因此只要用控制电压改变变容二极管的电容，便可以改变振荡频率，这种电路的电压频率特性往往是非线性的。,集成VCO,集成VCO举例：变流式电容充放电压控振荡器,变流式电容充放电VCO原理框图,高， 闭合， 断开,低， 断开， 闭合,返回,返回2,电流转发器的功能是保持电流 和 的大小相等；幅度鉴别器的作用是当其输入端的电压高于其正触发电平时，它的输出为高电平，反之输出为低电平。,工作过程 :,为低，则 断开， 闭合。恒流源电流 全部流入电容，使其两端电压升高。当增加到幅度鉴别器的正触发电平 时，它的输出 变成高电平。 闭合， 断开，电流源电流 全部变成 流入电流转发器。根据电流转发器的特性， ，电容器以电流 放电,变流式电容充放电压控振荡器(续1),上升和下降的斜率是一样的。当 下降到幅度鉴别器的反向触发电平时，它的输出 又变为低电平，重复开始时的过程，从而形成了周期性的振荡。若电流源电流随控制信号变化，则输出信号的频率随控制信号的变化而变化。,(1) 可控电流源它使 ，而 的值是由电源电压 、外接电阻 和控制电压 决定的。当 和 选定后， 的值将随 变化。这个电流源的总输出电流I0 = 2 ，用改变 的办法调整压控振荡器的中心频率。二极管是为防止发射结被反向击穿而加入的保护管。,可控电流源电路,(2) 电流转发器,构成改进型电流源电路，它使得 和 两个支路的电流相等。 、 、 和 构成开关，它等效框图中的 。 和 在这里等效于 。,变流式电容充放电VCO NE566原理图,PLL电路实例,PD,VCO,AMP,-集成锁相环NE565介绍,2,3,5,4,10,7,1,9,8,为VCO定时电阻和电容,为环路滤波器,NE565工作频率低于1MHz 电源电压: 最大锁定范围 输入电阻: 10 典型工作电流: 8mA,集成锁相环NE565介绍(续1),适用于FSK解调,单音解码,数据同步,倍频等.,电路: 鉴相器双平衡模拟相乘器 VCO-变流式电容充放电VCO, 决定VCO中心频率 滤波器滤波电容外 接。 VCO输出端与鉴相器反馈输入端是断开的,NE565 PLL内部电路,集成锁相环NE565介绍(续2),集成锁相环NE565介绍(续3),利用附录中PLL的宏模型对NE565进行PSPICE仿真,12 K， 10NF ,VCOf02.5KHz，VCO的压控灵敏度为1KHz/V左右。Rf为片内电阻，其值为3.6 K，电容外接,（2）端输入一个变化速率缓慢的频率正斜升信号,VCO自由振荡频率2.5KHz,观察环路滤波器输出的控制电压波形 。环路刚工作时，输入信号频率低，它与VCO输出频率间频差较大，环路滤波器输出为一频率较高且上下不对称的差拍信号 。随时间增长，一是因输入信号频率渐渐增大，它与VCO的输出频差慢慢减小，二是由于环路滤波器的积分作用，输出直流电压不断增加，频率牵引作用增强，差拍频率明显变低。频率牵引阶段频率为2.116KHz时，控制电压突然产生一个负跳变。相位锁定此后，VCO输出频率便跟踪输入信号变化（图上表现为环路滤波器输出的直流电压与信号源的控制电压重合。）,用仿真法测量PLL的捕捉带、同步带,几十ms后在频率3.284KHz时，误差电压突然下降，而后，环路滤波器输出的控制电压与输入信号的控制电压分离，环路滤波器又输出差拍信号。失锁,从以上现象得到：当环路滤波器Cf170NF时捕捉带低端为: 2.5-2.116=0.384KHz，同步带高端为 : 3.284-2.5=0.784KHz,输入为慢变化、负斜率的频率斜升信号时,观察环路滤波器输出的控制电压波形，可得到：,当环路滤波器Cf170NF时, 捕捉带高端为: 2.913-2.5=0. 413KHz，同步带低端为 : 2.5-1.717=0.783KHz,输入为慢变化、正斜率的频率斜升信号时,环路滤波器输出的控制电压波形,340nF,170nF,返回,170nF,340nF,输入为慢变化、负斜率的频率斜升信号时,环路滤波器输出的控制电压波形,返回,Cf170nF时,滤波器电容Cf=340nF时（带宽减小）,结论:,仿真结果,在低端的入锁频率为2.116KHz，在高端的失锁频率3.284KHz，在高端的入锁频率2.913KHz，在低端的失锁频率1.717KHz。,环路的捕捉带低端为0.384KHz，高端为0.413KHz；同步带低端为0.783KHz，高端为0.784KHz。,环路的捕捉带低端为0.237KHz，高端为0.293KHz；同步带低端为0.753KHz，高端为0.773KHz,二阶环路捕捉过程分频率牵引和相位锁定两阶段减小环路滤波器带宽，会使环路捕捉时间增加，捕捉带与同步带均减小，而在抑制干扰和噪声方面有改善.,PLL的基本特性与应用举例,PLL的基本特性,（1）优良的窄带滤波特性 普通滤波器无法实现PLL锁定时，位于输入信号频率附近的干扰成分将以低频干扰形式进入环路，而绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性的抑制，使误差信号得到平滑不再抖动，VCO输出得到提纯。环路对干扰的抑制作用就相当于一个很窄的高频带通滤波器，它的带宽可以做得很窄。另一方面，由于PLL能自动跟踪输入信号频率，以保证窄带的实现。而普通滤波器无法跟踪。,（2）优良的载波跟踪和调制跟踪特性无论输入信号是已调制或未调制的，只要含有载波分量，用载波跟踪环可获得频率稳定度很高的载波。只要环路有适当带宽，调制跟踪环能跟踪输入调角信号的频率与相位变化。,（4）低门限特性：门限取决于环路信噪比，一般环路的带宽总比环路输入端的前置通频带窄得多，因而具有较高的环路信噪比，可取得低门限性能。它用作调频解调时，与一般限幅鉴频器相比门限可改善35dB。,主要应用：窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复；频率合 成 等。,（3）、理想的频率控制特性PLL是一个相差控制系统，当环路处于锁定状态时，环路输出只有稳态相差而无剩余频差存在，即能实现理想的频率控制，而自动频率控制（AFC）系统总是有剩余频差的。,（5）易于集成：体积小型、使用方便。,1、空间技术应用窄带跟踪滤波器（锁相接收机）,（1）空间信号的基本特性,卫星或其它宇宙飞行器向地面发回的信号通常都很微弱。,频率漂移严重（因存在多普勒效应与振荡器中心频率不稳）。,例如：频率为100MHZ，多普勒频移为 3KHZ。,信标信号本身频带宽度较窄。约为6HZ左右。,若使用普通接收机，带宽至少6KHZ左右。接收机带宽比信号带宽大1000倍，接收的噪声大1000倍，在接收机解调器前的信噪比1030dB。信号被噪声淹没。,锁相接收机的中频频率可以跟踪接收信号频率的漂移，而且带宽又很窄，故又称为“窄带跟踪滤波器”。比普通接收机信噪比提高3040dB。,测速与测距是确定飞行器运行轨道的两种重要技术手段，测速定轨就是接收信标信号。,窄带跟踪滤波器-锁相接收机（续1）,（2）方框原理图,PD,LF,VCO,中放,混频,倍频,本地标准中频参考信号 ，是高度稳定的。,载频漂移的输入信号在环路锁定时，混频器输出中频信号的频率与本地中频参考信号的频率相等，即能准确落在中频频带中央。中频滤波器可用窄的带通滤波器，解调不失真。,有漂移， 跟踪 的漂移。,PLL电路设计为窄带（几100HZ）,窄带跟踪滤波器（续2）,（3）跟踪滤波器的频率特性,跟踪范围,跟踪滤波器带宽为环路3dB带宽的两倍。跟踪范围为同步带的两倍。,2、用作相干解调器中的载波恢复电路-平方环,对于抑制载波调幅信号和数字相位键控信号，相干解调是最佳解调方式。,实现相干解调，需要一个与输入信号频率相等和有很小相差的本地参考载波。,如果输入信号内含有载波频率分量，则可用一个带宽很窄的滤波器将其提取出来。PLL的带宽可以做得很窄，而且能够跟踪载波频率的变化，所以用它来提取载波特别合适。,对于移相键控(PSK)信号，由于其频谱中不包含有载频及其倍频成分，故不能直接用载波跟踪环提取载波，必须选用非线性变换（利用平方律器件的平方作用），将PSK信号中的载波信息变换成载波分量；再用PLL提取出来作相于解调载波使用。,用作相干解调器中的载波恢复电路-平方环（续）,利用平方律器件的平方作用，将无载频分量的输入信号变换为有载频倍频分量的信号输出，用载波跟踪环提取出2倍频分量，再经分频可获得相干载波。然后进行相干解调。,PD,LF,VCO,带通,带通,低通,平方,解调输出,抑制载波调幅波的解调框图,3、锁相鉴频-调制跟踪环,（1）方框原理图,鉴相器 （PD）,环路滤波器 （LF ）,压控振荡器 (VCO),解调信号的输出,环路对于输入相位的变化相当于一低通滤波器。,若输入信号为调频信号，中心角频率为 ，相位变化部分为 。当环路已锁定于 ，并且假定对输入相位 ，环路的传输特性近似为1，则有 ，即压控振荡器的相位变化部分与输入信号相同。,产生 的变化所需的控制电压 与调制信号成正比。,返回,锁相鉴频-调制跟踪环（续1）,（2）求解调信号的输出,设：,锁定时：,有：,上图,锁相鉴频-调制跟踪环（续2）,（3）NE565鉴频实验电路,PD,VCO2,AMP,VCO1,NE565,NE566,10,7,1,8,9,2,3,5,4,PLL小结,PLL是一个由鉴相器，环路滤波器和压控振荡器三个主要部件组成的相位误差的反馈控制系统。,两种基本工作过程：由失锁进入锁定状态的捕捉过程，与在锁定状态下VCO跟踪输入信号频率和相位变化的过程。捕捉是非线性过程，鉴相器输出为差拍信号；而跟踪可视作是线性的，鉴相器输出是直流误差电压或稳定的调制信号。,线性PLL的特性与分析的方法,跟踪特性：采用拉氏变换及其逆变换的方法求解瞬变过程；,频率特性：利用闭环传递函数求相位传递的幅频特性和相频特性，环路 3dB 带宽。,采用拉氏终值定理求稳态相差。,*稳定特性：利用开环传递函数、波特图，相位余量,*噪声特性：对输入相位噪声抑制低通特性，对VCO的高通,非线性分析的几个问题,相平面图的特点（一阶环）：,稳定平衡点与不稳定平衡点的含义。,同步带的 含义。,捕捉带 ，快捕带 与捕捉时间 的含义。,捕捉过程：频率牵引过程与相位锁定过程。,PLL这些性能与环路哪些参数有关？,PLL小结（续4）,PLL的应用,载波跟踪环-窄带跟踪滤波。,调制跟踪环-调角信号的解调。,平方环-载波恢复。,频率合成,