第五章集成锁相环路与集成频率合成器.ppt

第一节 锁相环路的工作原理与性能,第五章 集成锁相环路与集成频率合成器,第二节 集成锁相环路中常用单元电路,第三节 通用单片集成锁相环路,第五节 锁相环频率合成器的组成及原理,第四节 集成锁相环路的应用,第六节 单片集成锁相环频率合成器,锁相技术是相位同步的自动反馈技术。它能使一个自激正振荡器的振荡频率和相位受基准信号的控制，使振荡信号和基准信号在频率上保持相等，而相位保持某一个固定的最小差值。锁相环路(Phase Lock Loop，PLL)是一种自动相位控制(APC)系统，是现代电子系统中应用广泛的一个基本部件。它的基本作用是在环路中产生一个振荡信号(有时也称本地振荡)，这个信号的频率受控制电压的作用，当环路锁定时，振荡信号的输出频率与输入信号的频率完全相等，两个信号的相位差保持恒定。实现了无频率误差的信号跟踪，合理地选择PLL的直流增益、振荡频率和相应带宽可有效地改善环路性能，达到理想的效果。,第一节 锁相环路的工作原理与性能,一、发展历史,三、锁相环路分析方法,二、锁相环路的特点,四、锁相环路的组成,五、锁相环路的工作原理,一.发展历史,.具有频率准确跟踪性能.具有良好窄带高频跟踪性能（称载波跟踪型）.具有良好的带通滤波性能（称调制跟踪型）.具有良好门限效应.易集成化，数字化,三、锁相环路分析方法图解法:相图法.描述函数法,总之,锁相环路是朝着集成化.多用化.数字化的方向发展。,二、锁相环路的特点,四、锁相环路的组成,(一)鉴相器,(二)环路滤波器,(三)压控振荡器,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,(1-1),图5-1 相位跟踪系统框图,式中Ui是输入信号的幅度；i是载波角频率；i(t)是以载波相位it为参考的瞬时相位。若输入信号是未调载波,i(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),i(t)即为时间的函数。设输出信号,(1-2),式中Uo是输出信号的幅度；o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；o(t)是以自由振荡的载波相位ot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,o(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,(1-3),前面已经说到,被控振荡器的自由振荡角频率o是系统的一个重要参数,它的载波相位ot可以作为一个参考相位。这样一来,输入信号的*瞬时相位可以改写为,(1-4),(1-5),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,(1-6),为输入信号以ot为参考的瞬时相位,因此,(1-4)式可以改写为,同理,输出信号的瞬时相位可以改写为,(1-7),(1-8),(1-9),式中2(t)也是以ot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,(1-10),应用上述描述方法,矢量图可以画成图1-2(b)。系统的瞬时相差e(t)=1(t)-2(t),瞬时频差,(1-11),图1-2 输入信号和输出信号的相位关系,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i与被控振荡器自由振荡频率o不同,即两者之差o0。若没有相位跟踪系统的作用,两信号之*间相差,将随时间不断增长。,图1-3 捕获过程中瞬时相差与瞬时频差的典型时间图,锁定状态 捕获状态终了,环路的状态稳定在,(1-12),下面讨论环路输入固定频率信号,即di(t)dt=0时的特殊情况。这*是环路分析中经常遇到的一种情况。此时,式中i为常数,是输入信号的起始相位。而,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,常数,(1-13),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p,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 omax。若op,环路就不能通过捕获进入同步状态。故,(1-14),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p,来计算最大捕获时间,并把它作为环路的性能指标之一。,(1-15),环路组成,问题1：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PLL是一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。,图1-4 锁相环路的基本构成,注意两个转换：1）PLL通过控制和之间的相位达到控制频率与控制相位的目的；2）VCO：作用到VCO控制的频率达到控制相位。,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1(t)与反馈信号相位2(t)之间的相位差e(t)。输出的误差信号ud(t)是相差e(t)的函数,即 鉴相特性fe(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。,图1-5 正弦鉴相器模型,设相乘器的相乘系数为Km单位为1V,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2o成分之后,得到误差电压,(1-16),为鉴相器的最大输出电压,则,(1-17),图1-6 正弦鉴相器特性,环路滤波器的电路模型,微分方程：,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。,压控振荡器的电路模型,压控振荡器的特性可用调频特性来表示,压控振荡器的电路模型,P=d/dt为微分算子,在一定范围内o与 uc(t)几乎成线性关系 有：,A0为VCO的压控灵敏度。,五 锁相环路基本工作原理,一、框图与各部分作用,二、环路工作原理,三、环路相位模式和环路方程,四、环路滤波器,五 锁相环路基本工作原理,（一）框图与各部分作用,PLL环路在某一因素作用下，利用输入与输出信号的相位差 产生误差电压，并滤除其中非线性成分与噪声后的纯净控制信号 控制压控振荡器，使 朝着缩小固有角频差方向变化，一旦 趋向很小常数（称为剩余相位差）时，则锁相环路被锁定了，即,1、原理与环路锁定的充分必要条件,（二）环路工作原理,2.举例说明（以一阶锁相环为例）,未锁定,锁定,可见，环路锁定过程中 是从02周期的变化，若干周期后使，则环路被锁定。,1.相位模式 求环路中各部件的数学表示式与数学模式 A,鉴相器(PD),叠加型,其中：,（三）环路相位模式和环路方程,乘积型,B，环路滤波器(LF),C，压控振荡器(VCO),则数学模型为,.环路的相位模型,若上述经PD输出的误差电压可表示为,2.环路方程及其物理意义,物理意义,方程,各项的物理意义b)方程的物理意义:在任何时候环路开环输入固有角频率永远恒等于环路闭环瞬时角频差和环路控制角频差之和。在锁定过程瞬时角频差逐渐减小,控制角频差逐渐增大,它们之和永远恒等于开环时输入固有角频差。,3.结论,只有环路锁定时，瞬时角频差为0,才实现了频率准确跟踪.,环路进入锁定的条件为 显然 愈大 愈,小,环路稳定性愈好。,1.RC积分滤波器,其中，为一个极点而无零点的多,四、环路滤波器,常用的环路滤波器有：,电压传输系数为：,，,若作为作为环路滤波器,锁定 Vd为直流电压。,环路锁定过程 是变化的,所以vd(t)是交变的电压;一旦,环路方程是非线性微分方程,其中非线性取决于鉴相器,而微分方程阶数取决于环路滤波器多项式F(P)的阶数。,项式,2.无源RC比例积分滤波器,为一个极点一个零点的多项式,电压传输系数为：,若作为环路滤波器：,其中,，,3.有源RC比例积分（或RC理想积分）滤波器,项式因为极点在原点，所以是理想的积分环节。,电压传输系数为：,若作为环路滤波器：,其中,为一个极点一个零点的多,，,锁相环路分析,1 锁相环路线性化分析的条件和环路传递函数,2 环路的非线性分析,一、环路线性化 1.线性化条件：2.线性化环路方程：3.线性化环路相位模式：,锁相环路分析,锁相环路线性化分析的条件和环路传递函数,1.复频域中线性环路方程(PS代之),2.环路传递函数定义:环路传递函数是表示输出与输入相位拉氏变换之比,二、环路传递函数,4.结论 H(s).He(s)均与 Ho(s)有关 环路滤波器不同，F(s)不同，环路传递函数也不同，可将分母标准化后进行比较。,3.环路传递函数类型 开环传递函数 闭环传递函数 误差传递函数,三、环路传递函数分母标准化(了解）,频域中传递函数,L.R.C串联振荡网络标准化传递函数并画出幅频特性,先求传递函数H(S):,把分母进行标准化为：,标准化传递函数,1.举例说明：,若，对应0.707中幅频特性下降了3dB,称 为截止角频率，此频率用下标c，记为c=n,结论：分母标准化便于环路比较，呈低通滤波特性 截止频率,2.不同环路分母标准化的环路传递函数,不同环路、都不同（由下表表示）,四、环路跟踪性能分析以一阶环路频响特性为例（对输入相位的调制频率而言）,环路不同，环路传递函数不同，、也不相同 无环路滤波器的环路为一阶环，常用的环路滤波器形 式中任意取一节作为环路滤波器构成的环路均是二阶 环，二阶 环路得到广泛应用。环路通常称为阶型环，其中“阶”用大写一、二、三表示，它取决于环路传递函数分母的最高次幂数，“型”用1、2、3表示，取决于环路中理想积分环节的 个数。,结论：,1.闭环传递函数频响特性,截止角频率,可见：,一阶环闭环传递函数频响特性呈低通滤波特性,2.误差传递函数频响特性,一阶环路误差传递函数呈高滤波特性,可见：,a）一阶环闭环传递函数频响特性呈低通滤波；误差传递函数频响特性呈高通滤波,b）一阶环截止角频率，为提高环路抑制干扰和噪声能力，应使c 愈小愈好，这与提高环路稳定性使 A0 愈大愈好二者出现矛盾，所以一阶锁相环无实用价值。,c）实际中二阶锁相环可以兼顾环路抑制干扰、噪声能力与环路稳定性能，所以得到广泛应用。,2.一阶环路的同步带、捕捉带和快捕带,环路原先是锁定的，在某外因作用下，环路偏离了锁定状态，使环路能重新入锁的允许最大输入固有角频差，称一阶环路的同步带。,环路原先是失锁的，在某外因作用下，逐渐缩小输入固有角频差，一旦环路能进入锁定所允许的最大固有角频，的称一阶环路的捕捉带,.捕捉带,.快捕带,不经2 周期跳跃即可入锁，允许最大固有角频差称为一阶环路的快捕带,.同步带,3.一阶环路差拍状态和频率牵引现象 差拍现象 频率牵引现象,可见 经若干周期频率牵引后可进入锁定亦即:使VOC的输出频率 缓慢的趋于输入信号频率,这可以由下面频率牵引图的演示过程看出。,【计算举例】已知一阶环Ud=1V,Ko=20kHzV,fo=1MHz。当输入信号频率fi=1030kHz时,环路不能锁定,处于差拍状态。试计算由于频率牵引现象,压控振荡器的平均频率为多少？环路增益 K=KoUd=20kHz 固有频差 o=2(1030-1000)103=6104rads 代入(1-41)式计算,即=1.00764MHz,已使压控振荡器频率向fi方向牵引7.64kHz。若再使fi向fo靠拢一些,仍不使它锁定,则牵引作用会更加明显。,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,第四节 集成锁相环路的应用,4-1 锁相倍频.分频和混频,4-2 锁相调频、调相、鉴频、鉴相及其同步检波,锁相环路的应用功能分类：见P189,4-1 锁相倍频.分频和混频,锁定时,一、锁相倍频,二、锁相分频,锁定时,三、锁相混频,5 锁相调频、调相、鉴频、鉴相及其同步检波,锁相调频：,锁定时,一、锁相调频、调相,二、鉴频、鉴相,三、锁相同步检波,锁相调相:,第五节 锁相环频率合成器的组成及原理,5-1 概念,5-2 锁相频率合成器,5-3 直接数字式频率合成器,第五节 频率合成,5-1 概念,一、频率合成含义 二、频率合成的优缺点 三、频率合成技术实现方法 四、性能指标 1.频率转换时间 2.频率稳定度和准确度 3.频谱纯度 4.频率间隔 5.频率范围,5-2 锁相频率合成器,目前最广泛应用的是数字锁相频率合成器,一、单环频率合成器,1.基本单环频率合成器,2.带有前置分频的数字频率合成器,3.下变频型的单环频率合成器,4.双模前置分频器型单环频率合成器,二、多环频率合成器,5-3 直接数字式频率合成器,有极高的分辨率、快速的频率转换时间、很宽的相对带宽，,三、小数分频频率合成器,任意的波形输出能力和数字调制等优点，是实现设备全,数字化的一个关键技术。,DDS合成器结构框图,直接数字频率合成器原理框图,1.框图,一、DDS原理,2.DDS和混频器组合的合成器,DDS和锁相环混合合成器框图,作业,PLL到底是由那些基本部件组成？并画出其组成框图？已知一阶环Ud=1V,Ko=20kHzV,fo=1MHz。当输入信号频率fi=1030kHz时,环路不能锁定,处于差拍状态。试计算由于频率牵引现象,压控振荡器的平均频率为多少？,