《封面鉴相器》PPT课件.ppt

封面,鉴相器,西藏扎达土林,返回,引言,引言,本页完,返回,锁相环路在频率合成，数字通信的同频系统、调频调相信号的解调、作为跟踪飞行器的锁相相关应答器等均有广泛的应用，,锁相环路由三大部分组成，如下图所示：,PD,引言,引言,返回,锁相环路由三大部分组成，如下图所示：,PD,引言,引言,本页完,返回,锁相环路由三大部分组成，如下图所示：,PD,压控振荡频率为 vv(t)=VVmcos(Vt+V),参考频率信号为 vR(t)=VRmsin(Rt+R),当为e(t)=常数时，fV=fR，系统频率被锁定在fR上。,在锁相环路中，鉴相器PD为关键部件。,学习要点,本 节 学 习 要 点 和 要 求,鉴相器,掌握正弦波相位检波的基本工作原理,了解脉冲抽样保持相位比较器基本原理,返回,学习主页,鉴相器(PD)主页,使用说明：要学习哪部分内容，只需把鼠标移到相应的目录上单击鼠标左键即可，按空格键或鼠标左键进入下一页。,结束,正弦波相位检波器,脉冲抽样保持相位比较器,返回,藏族老汉,一、正弦波相位检波器,一、正弦波相位检波器(1)正弦波相位检波器电路(2)工作原理分析,鉴相器(PD),继续,本页完,1、压控振荡频率fV和参考频率fR的电压进行相加后加在D1和D2上。,正弦波相位检波器,(1)正弦波相位检波器电路,(2)工作原理分析,vD1=vR+vV,vD2=vR-vV,2、vD1和vD2产生电流i1和i2。其伏安特性可用二次多项式近似表示。,二极管的电流为(小信号检波),i1=b0+b1vD1+b2v2D1,i2=b0+b1vD2+b2v2D2,一、正弦波相位检波器,推导输出电压表达式,鉴相器(PD),继续,本页完,正弦波相位检波器,(1)正弦波相位检波器电路,(2)工作原理分析,vD1=vR+vV,vD2=vR-vV,二极管的电流为(小信号检波),i1=b0+b1vD1+b2v2D1,i2=b0+b1vD2+b2v2D2,i1=b0+b1(vR+vV)+b2(vR+vV)2,二极管电流的表达式为,i2=b0+b1(vR-vV)+b2(vR-vV)2,不考虑电容C时输出电压为,vd(t)=vd1-vd2=i1R-i2R=(i1-i2)R,i1-i2=2b1vV+4b2vRvV,其中,一、正弦波相位检波器,鉴相器(PD),继续,正弦波相位检波器,(1)正弦波相位检波器电路,(2)工作原理分析,vd(t)=vd1-vd2=i1R-i2R=(i1-i2)R,i1-i2=2b1vV+4b2vRvV,其中,不考虑电容C时输出电压为,一、正弦波相位检波器,推导考虑C时的输出电压,鉴相器(PD),继续,本页完,正弦波相位检波器,(1)正弦波相位检波器电路,(2)工作原理分析,vd(t)=vd1-vd2=i1R-i2R=(i1-i2)R,i1-i2=2b1vV+4b2vRvV,其中,所以,vd(t)=2b1RvV+4b2RvRvV,代入正弦函数并展开得,vd(t)=2b1RVVmcos(Vt+V),+2b2RVRmVVmsin(V+R)t+V+R,+2b2RVRmVVmsin(V-R)t+V-R,不考虑电容C时输出电压为,当考虑C滤波时输出电压为,vd(t)=2b2RVRmVVmsin(V-R)t+V-R,=2b2RVRmVVmsint+(V-R),一、正弦波相位检波器,鉴相器(PD),继续,正弦波相位检波器,(1)正弦波相位检波器电路,(2)工作原理分析,vd(t),=2b2RVRmVVmsint+(V-R),当考虑C滤波时输出电压为,一、正弦波相位检波器,Kd传输灵敏度,鉴相器(PD),继续,本页完,正弦波相位检波器,(1)正弦波相位检波器电路,(2)工作原理分析,vd(t)=2b2RVRmVVmsint+(V-R),当考虑C滤波时输出电压为,若=(V-R)=0时，即V=R,令Kd=2b2RVRmVVm,则vd(t)=Kdsin(V-R)=Kdsine,上式说明，鉴相器输出的误差直流电压vd(t)与两频率的相位差(V-R)成正弦函数关系e,正弦鉴相曲线,Kd称为传输灵敏度,显然Kd越大，(V-R)较小的变化就能引起较大的误差电压变化，因而Kd称为传输灵敏度。,一、正弦波相位检波器,(3)正弦波相位检波器的锁相范围为,鉴相器(PD),继续,本页完,正弦波相位检波器,(1)正弦波相位检波器电路,(2)工作原理分析,vd(t)=2b2RVRmVVmsint+(V-R),当考虑C滤波时输出电压为,若=(V-R)=0时，即V=R,令Kd=2b2RVRmVVm,则vd(t)=Kdsin(V-R)=Kdsine,上式说明，鉴相器输出的误差直流电压vd(t)与两频率的相位差(V-R)成正弦函数关系e,Kd称为传输灵敏度,正弦鉴相曲线,两个频率的(V-R)必须在-/2+/2之间，才能进行锁相，因而锁相范围为。,(3)正弦波相位检波器的锁相范围为。,一、正弦波相位检波器,鉴相器(PD),继续,正弦波相位检波器,(1)正弦波相位检波器电路,(2)工作原理分析,则vd(t)=Kdsin(V-R)=Kdsine,正弦鉴相曲线,(3)正弦波相位检波器的锁相范围为。,一、正弦波相位检波器,鉴相器输出的线性范围,鉴相器(PD),继续,本页完,正弦波相位检波器,(1)正弦波相位检波器电路,(2)工作原理分析,则vd(t)=Kdsin(V-R)=Kdsine,正弦鉴相曲线,(3)正弦波相位检波器的锁相范围为。,当e30时，有sinee。,则vd(t)Kde,此时鉴相器输出的电压与e成线性关系，鉴相效果最好。,一、正弦波相位检波器,正弦波相位检波器内容结束页,鉴相器(PD),继续,本页完,正弦波相位检波器,(1)正弦波相位检波器电路,(2)工作原理分析,则vd(t)=Kdsin(V-R)=Kdsine,正弦鉴相曲线,(3)正弦波相位检波器的锁相范围为。,当e30时，有sinee。,则vd(t)Kde,此时鉴相器输出的电压与e成线性关系，鉴相效果最好。,返回,继续,1、脉冲抽样保持相位比较器方框图,二、脉冲抽样保持相位比较器,二、脉冲抽样保持相位比较器1、脉冲抽样保持相位比较器方框图,鉴相器(PD),继续,本页完,在Cch上产生的锯齿波电压。,把标准正弦波转换为矩形脉冲。,把压控振荡的正弦波转换为矩形脉冲。,fV和fR相位比较误差电压输出。,脉冲抽样保持相位比较器基本原理框图,2、基本工作原理,2、基本工作原理(1)锯齿波形成,鉴相器(PD),继续,本页完,参考频率,开关(形成锯齿波),fV,fR,抽样开关,Cch,ICH,压控抽样频率,Cd,误差信号(直流)VD,记忆电容,fR,锯齿波形成开关实际是一个脉冲控制电子开关。,(1)锯齿波形成,二、脉冲抽样保持相位比较器,脉冲抽样保持相位比较器基本原理框图,抽样开关实际是一个脉冲控制电子开关。,2、基本工作原理,分析锯齿波上升沿的形成,鉴相器(PD),继续,本页完,(1)锯齿波形成,+,-,Vmax,Vmin,二、脉冲抽样保持相位比较器,脉冲抽样保持相位比较器基本原理框图,当vR=0时，开关断开，恒流源对Cch线性充电，形成锯齿波上升沿。,2、基本工作原理,分析锯齿波下降沿的形成,鉴相器(PD),继续,本页完,(1)锯齿波形成,+,(2)抽样脉冲加入的调整作用,-,Vmax,Vmin,二、脉冲抽样保持相位比较器,脉冲抽样保持相位比较器基本原理框图,当vR=1时，开关闭合，Cch迅速放电，形成锯齿波下降沿。这就形成锯齿波。,脉冲抽样保持相位比较器基本原理框图,2、基本工作原理,(2)抽样脉冲加入的调整作用,鉴相器(PD),继续,本页完,(1)锯齿波形成,+,压控抽样脉冲在锯齿波的上升沿中加入。同样vV=0时，开关断开，vV=1时，开关接通。,-,Vmax,Vmin,二、脉冲抽样保持相位比较器,(2)抽样脉冲加入的调整作用,2、基本工作原理,抽样开关接通时的误差电压输出分析,鉴相器(PD),继续,本页完,(1)锯齿波形成,+,VD,-,Vmax,Vmin,二、脉冲抽样保持相位比较器,2、Cch上的电压VD通过开关加至记忆电容Cd上，使输出电压为VD。,+,-,(2)抽样脉冲加入的调整作用,脉冲抽样保持相位比较器基本原理框图,1、当vV=1时，开关接通，Cch上的充电电压刚达到VD。,2、基本工作原理,抽样开关断开时的误差电压输出分析,鉴相器(PD),继续,本页完,(1)锯齿波形成,+,VD,-,Vmax,Vmin,二、脉冲抽样保持相位比较器,+,-,2、显然，fV=fR时，每个抽样脉冲到来时，都在锯齿波上升沿同一个地方接通开关，这时在电容Cch和Cd上的电压都为VD，即输出电压维持不变。反过来说，若输出电压不变，则有fV=fR。,VD,(2)抽样脉冲加入的调整作用,脉冲抽样保持相位比较器基本原理框图,1、当vV=0时，开关断开，Cd上的电荷无处释放，令输出电压维持VD。,2、基本工作原理,压控频率变小时误差电压输出分析,鉴相器(PD),继续,本页完,(1)锯齿波形成,+,VD,-,Vmax,Vmin,二、脉冲抽样保持相位比较器,+,-,2、当 fVfR时，抽样脉冲在锯齿波上升沿电压较高处接通开关，这时在电容Cch和Cd上的电压上升，即输出电压升高。,VD,(2)抽样脉冲加入的调整作用,脉冲抽样保持相位比较器基本原理框图,1、若fV发生变化，例如变小。,2、基本工作原理,压控频率变大时误差电压输出分析,鉴相器(PD),继续,本页完,(1)锯齿波形成,+,VD,-,Vmax,Vmin,二、脉冲抽样保持相位比较器,+,-,VD,(2)抽样脉冲加入的调整作用,脉冲抽样保持相位比较器基本原理框图,1、若fV发生变化，例如变大。,2、当 fVfR时，抽样脉冲在锯齿波上升沿电压较低处接通开关，这时在电容Cch和Cd上的电压下降，即输出电压下降。,2、基本工作原理,总结,鉴相器(PD),继续,本页完,(1)锯齿波形成,+,VD,-,Vmax,Vmin,二、脉冲抽样保持相位比较器,+,-,VD,(2)抽样脉冲加入的调整作用,脉冲抽样保持相位比较器基本原理框图,总结：由以上分析可得，只要压控振荡器的频率与标准频率不一致，电路就会输出一个变化的直流电压，此电压调整VCO的振荡频率最终令两频率相等。,2、基本工作原理,理想情形下锁相范围的确定,鉴相器(PD),继续,本页完,(1)锯齿波形成,+,VD,-,Vmax,Vmin,二、脉冲抽样保持相位比较器,+,-,VD,(2)抽样脉冲加入的调整作用,显然，抽样脉冲出现在锯齿波中上升沿的Vmin和Vmax间时，均可令误差输出电压发生线性变化，所以说理想情形下鉴相器的锁相范围在0360间。,脉冲抽样保持相位比较器基本原理框图,总结：由以上分析可得，只要压控振荡器的频率与标准频率不一致，电路就会输出一个变化的直流电压，此电压调整VCO的振荡频率最终令两频率相等。,2、基本工作原理,实际情形下锁相范围的确定,鉴相器(PD),继续,本页完,(1)锯齿波形成,+,VD,-,Vmax,Vmin,二、脉冲抽样保持相位比较器,+,-,VD,(2)抽样脉冲加入的调整作用,脉冲抽样保持相位比较器的锁相范围在理想情形下达360。实际情况稍小于360。,本例中认为锯齿波下降沿的时间为0，实际仍有一定的放电时间，所以实际上鉴相器的锁相范围小于360。,脉冲抽样保持相位比较器基本原理框图,鉴相器(PD),继续,+,VD,-,二、脉冲抽样保持相位比较器,+,-,3、实际脉冲抽样保持相位比较器框图,3、实际脉冲抽样保持相位比较器框图 源极跟随器的作用,鉴相器(PD),继续,本页完,二、脉冲抽样保持相位比较器,3、本级源极跟随器是为了与前级进行阻抗匹配。,1、本级源极跟随器是为了令电容Cch与Cd进行隔离。,2、本级源极跟随器是为了令电容Cd与负载进行隔离。,IL,基本原理框图中Cch直接向Cd充电，Cd直接向负载放电，但电容的带负载能力很差。实际使用时电路必须进行改进。,4、各部分实际电路工作过程分析,4、各部分实际电路工作过程分析(1)源极跟随器实际电路剖析,鉴相器(PD),2、源极跟随器的输出阻抗很小，带负载能力很强且输出电压等于输入电压，所以Cd充电很快，使其电压等于抽样开关接通时的锯齿波电压。,继续,本页完,二、脉冲抽样保持相位比较器,1、源极跟随器有很高的输入阻抗，所以不管抽样开关是否工作，均不影响Cch上锯齿波的形成。,4、各部分实际电路工作过程分析,源极跟随器实际电路剖析,鉴相器(PD),继续,本页完,二、脉冲抽样保持相位比较器,2、源极跟随器的输出阻抗很小，带负载能力很强且输出电压等于输入电压，所以外接负载后输出电压等于Cd上的电压。,1、源极跟随器有很高的输入阻抗，所以不管电路是否接上负载，均不影响Cd上的电压。,4、各部分实际电路工作过程分析,(2)电子开关工作过程分析 电子开关截止工作过程分析,鉴相器(PD),继续,本页完,二、脉冲抽样保持相位比较器,1、结型场效应管的栅源电压必须是负性即(VGS0)，当输入为0时，二极管导通，VGG经R1、R2分压令加在场效应管上的VGS小于夹断电压，因此管截止，相当于开关断开。,2、此时恒流源对电容Cch充电，形成锯齿波上升沿。,+,-,+,-,+,-,0,两个电子开关的电路是一样的。,4、各部分实际电路工作过程分析,电子开关导通工作过程分析,鉴相器(PD),继续,本页完,二、脉冲抽样保持相位比较器,1、当输入为1时，二极管截止，脉冲经加速电容Cs加至结型场效应管的栅极，令VGS=0，场效应完全导通，相当于开关接通。,2、Cch通过结型场效应管放电，形成锯齿波的下降沿。,-,+,+,-,1,两个电子开关的电路是一样的。,5、整机电路,鉴相器(PD),继续,本页完,二、脉冲抽样保持相位比较器,脉冲抽样保持相位比较器电路总图,5、整机电路,源极跟随器,源极跟随器,源极跟随器,电子开关,电子开关,锯齿波形成电路,记忆电容,本节结束页,鉴相器(PD),继续,本页完,二、脉冲抽样保持相位比较器,脉冲抽样保持相位比较器电路总图,5、整机电路,源极跟随器,源极跟随器,源极跟随器,电子开关,电子开关,锯齿波形成电路,记忆电容,结束,返回,再见,再见,