通信电子电路-锁相环路的应用-ppt课件.ppt

1、1ppt课件 本章内容本章内容8.1 8.1 锁相环路锁相环路 8.2 8.2 集成锁相环芯片集成锁相环芯片8.3 8.3 锁相环路的应用锁相环路的应用返回总目录返回总目录2ppt课件 本章重点与难点本章重点与难点（一）本章重点（一）本章重点 1 1锁相环的构成及工作原理；锁相环的构成及工作原理； 2 2锁相环路各组成部分的分析；锁相环路的数学锁相环路各组成部分的分析；锁相环路的数学 模型；模型； 3 3环路的捕获、锁定和跟踪、环路的同步带和捕环路的捕获、锁定和跟踪、环路的同步带和捕 捉带；捉带； 4 4CD4046 CMOS单片锁相环路逻辑图和引出端单片锁相环路逻辑图和引出端 功能图以及使用

2、说明；功能图以及使用说明； 5 5锁相环路的特性以及应用。锁相环路的特性以及应用。3ppt课件（二）本章难点（二）本章难点 1 1锁相环的工作原理；锁相环的工作原理； 2 2锁相环路的数学模型。锁相环路的数学模型。4ppt课件1) Phase Locked Loop 1) Phase Locked Loop 锁相环锁相环2) Low Pass Filter 2) Low Pass Filter 低通滤波器低通滤波器3) Voltage Controlled Oscillator3) Voltage Controlled Oscillator 压控振荡器压控振荡器4) Phase Detecti

3、ng 4) Phase Detecting 鉴相器鉴相器相关英文词汇相关英文词汇5ppt课件8.1 8.1 锁相环路锁相环路 (PLL)一、概述一、概述二、基本锁相环的构成二、基本锁相环的构成三、锁相环路的基本工作原理三、锁相环路的基本工作原理四、环路的捕获、锁定和跟踪四、环路的捕获、锁定和跟踪五、环路的同步带与捕捉带五、环路的同步带与捕捉带六、锁相环路各组成部分的分析六、锁相环路各组成部分的分析七、锁相环路的数学模型七、锁相环路的数学模型6ppt课件 在无线电技术中，在无线电技术中，为了改善电子设备的性为了改善电子设备的性能，广泛采用各种的反能，广泛采用各种的反馈控制电路。馈控制电路。常用的

4、有常用的有锁相环路（锁相环路（PLL）即自）即自动相位控制电路，动相位控制电路，自动自动增益（增益（AGC）电路以及）电路以及自动频率控制（自动频率控制（AFC）电路。电路。 一、概述一、概述7ppt课件 锁相环路早期应用于电视机的同步锁相环路早期应用于电视机的同步系统，使电视图像的同步性能得到了很系统，使电视图像的同步性能得到了很大的改善。大的改善。 上世纪上世纪5050年代后期，随着空间科学年代后期，随着空间科学的发展，的发展，锁相环锁相环(PLL)在跟踪和接收来在跟踪和接收来自宇宙飞行器自宇宙飞行器( (人造卫星、宇宙飞船人造卫星、宇宙飞船) )的的微弱信号方面显示出了很大的优越性。微弱

5、信号方面显示出了很大的优越性。普通的超外差接收机普通的超外差接收机, ,频带做得相当宽、频带做得相当宽、噪声大噪声大, ,同时信噪比也大大降低。同时信噪比也大大降低。8ppt课件9ppt课件n而在锁相环接收机中，由于中频信号可以而在锁相环接收机中，由于中频信号可以锁定，所以频带可以做得很窄（几十赫兹锁定，所以频带可以做得很窄（几十赫兹以下），则带宽可以下降很多。所以输出以下），则带宽可以下降很多。所以输出信噪比也就大大提高了。信噪比也就大大提高了。 只有采用锁相只有采用锁相环路（环路（PLLPLL）做成的窄带锁相跟踪接收机）做成的窄带锁相跟踪接收机才能把深埋在噪声中的信号提取出来。才能把深埋在

6、噪声中的信号提取出来。 10ppt课件 锁相环路锁相环路-是一个相位误差控制系统，是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，是将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目的达到与参考信号同频的目的。 随着电子技术的发展，集成锁相环的出随着电子技术的发展，集成锁相环的出现，各种电子系统中锁相环路的用途极为广泛。现，各种电子系统中锁相环路的用途极为广泛。例如，例如，锁相接收机、微波锁相振荡源、锁相调锁相接收机、微波锁相振荡源、锁相调频器、锁相鉴频器频器、锁相鉴频器等等，等等，在

7、锁相频率合成器中，在锁相频率合成器中，锁相环路具有稳频作用，能够完成频率的加、锁相环路具有稳频作用，能够完成频率的加、减、乘、除等运算，减、乘、除等运算，可以作为频率的加减器、可以作为频率的加减器、倍频器、分频器等使用。倍频器、分频器等使用。11ppt课件 锁相环路不仅能完成频率合成的锁相环路不仅能完成频率合成的任务，而且还具有任务，而且还具有优良的滤波性能。优良的滤波性能。这种滤波性能不仅能够得到很窄的通这种滤波性能不仅能够得到很窄的通频带，而且其中心频率又可变。这些频带，而且其中心频率又可变。这些性能是普通的滤波器所不能比拟的。性能是普通的滤波器所不能比拟的。 目前在比较先进的模拟和数字通

8、目前在比较先进的模拟和数字通信系统中大都使用了锁相环路。信系统中大都使用了锁相环路。煤矿煤矿中目前主要开始应用的是锁相环调制中目前主要开始应用的是锁相环调制器和解调器器和解调器。12ppt课件二、基本锁相环的构成二、基本锁相环的构成 基本的锁相环路是由鉴相器（基本的锁相环路是由鉴相器（PDPD）、）、环路滤波器（环路滤波器（LFLF）和压控振荡器）和压控振荡器（VCOVCO）三部分组成，如下图所示。）三部分组成，如下图所示。图图8-18-1 锁相环的基本组成锁相环的基本组成13ppt课件 鉴相器是相位比较器，鉴相器是相位比较器，用来比较输入信用来比较输入信号号ui(t)与压控振荡器输出信号与压

9、控振荡器输出信号uo(t)的相位，输的相位，输出电压对应于这两个信号相位差的函数。出电压对应于这两个信号相位差的函数。 环路滤波器环路滤波器是滤除是滤除ud(t)高频分量及噪声，高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能。以保证环路所要求的性能。 压控振荡器压控振荡器受环路滤波器输出电压受环路滤波器输出电压uc(t)的控制的控制, ,使振荡频率向输入信号的频率靠拢，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，直至两者的频率相同，使得使得VCOVCO输出信号的相输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，位和输入信号的相位保持某种特定的关系，达到相位锁定的目的。达到相位锁定的目的。14

10、ppt课件三、锁相环路的基本工作原理三、锁相环路的基本工作原理 设输入信号和本振信号（压控振输出信设输入信号和本振信号（压控振输出信号）分别是正弦和余弦信号，它们在鉴相器号）分别是正弦和余弦信号，它们在鉴相器内进行比较内进行比较，鉴相器的输出是一个与两者的，鉴相器的输出是一个与两者的相位差成比例的的电压，一般把它称为相位差成比例的的电压，一般把它称为误差误差电压。电压。环路低通滤波器滤除鉴相器中的高频环路低通滤波器滤除鉴相器中的高频分量，然后把输出电压加到分量，然后把输出电压加到VCOVCO的输入端，的输入端，VCOVCO送出的本振信号频率随着输入电压的变送出的本振信号频率随着输入电压的变化而

11、变化。化而变化。15ppt课件锁相环路的基本原理锁相环路的基本原理16ppt课件 如果二者频率不一致，如果二者频率不一致，则鉴相器的输出将则鉴相器的输出将产生低频变化分量并通过低通滤波器使产生低频变化分量并通过低通滤波器使VCOVCO的的频率发生变化。频率发生变化。最后如果本振信号的频率和输最后如果本振信号的频率和输入信号的频率保持一致，入信号的频率保持一致，两者的相位差保持某两者的相位差保持某一恒定值一恒定值，则鉴相器，则鉴相器的输出将是一个恒定直流的输出将是一个恒定直流电压电压，环路低通滤波器的输出也是一个直流电，环路低通滤波器的输出也是一个直流电压，这时，环路处于压，这时，环路处于“锁定

12、状态锁定状态”。17ppt课件四、四、 环路的捕获、锁定和跟踪环路的捕获、锁定和跟踪1.1.环路锁定环路锁定 如果环路有一个输入信号如果环路有一个输入信号 u(t) ，开始时输入频，开始时输入频率总是不等于率总是不等于VCOVCO的自由振荡频率，即的自由振荡频率，即i o 。如果如果i 与与o 相差不大，在适当的范围内，鉴相器相差不大，在适当的范围内，鉴相器输出一误差电压，输出一误差电压，经环路滤波器变换后控制经环路滤波器变换后控制VCO的的频率，使其输出频率变化接近到频率，使其输出频率变化接近到i ，i= =o ，而且而且两信号的相位差为常数两信号的相位差为常数 。18ppt课件2. 环路捕

13、获环路捕获 从信号加入到环路锁定，叫环路的捕获过程。从信号加入到环路锁定，叫环路的捕获过程。3.3.环路跟踪环路跟踪 环路锁定以后，这时环路进入锁定状态。一环路锁定以后，这时环路进入锁定状态。一旦入锁以后，压控频率就等于基准频率，且旦入锁以后，压控频率就等于基准频率，且 fo 随随 fi 而变化，这就称为跟踪。而变化，这就称为跟踪。19ppt课件 1 1）在有双踪示波器的情况下）在有双踪示波器的情况下 开始，环路处于失锁状态，加大输入信号频率，开始，环路处于失锁状态，加大输入信号频率，用双踪示波器观察压控振荡器的输出信号和环路的用双踪示波器观察压控振荡器的输出信号和环路的输入信号，输入信号，当

14、两个信号由不同步变成同步，且当两个信号由不同步变成同步，且fi=fo时，表示环路已经进入锁定状态。时，表示环路已经进入锁定状态。 2 2）单踪）单踪普通示波器普通示波器 在没有双踪示波器的情况下，在单踪示波器上在没有双踪示波器的情况下，在单踪示波器上可以用李沙育图形来判定环路是否处于锁定状态。可以用李沙育图形来判定环路是否处于锁定状态。把鉴相器的输入信号把鉴相器的输入信号ui(t)加到示波器的垂直偏转板加到示波器的垂直偏转板上，把上，把uo(t)加到水平偏转板（或者相反），加到水平偏转板（或者相反），并使两并使两信号幅度相等。如果环路已锁定，且在理想情况下，信号幅度相等。如果环路已锁定，且在理

15、想情况下，即李沙育图形应是一个圆。即李沙育图形应是一个圆。 4. 4. 判断环路是否锁定的方法判断环路是否锁定的方法20ppt课件李沙育图形李沙育图形图图8-8 8-8 用用李沙育图形判断环路是否锁定李沙育图形判断环路是否锁定21ppt课件 设压控振荡器的自由振荡频率设压控振荡器的自由振荡频率fo与输入基准信与输入基准信号频率号频率 fi 相差较远相差较远 。随着基准频率。随着基准频率fo向压控振荡向压控振荡频率频率fo 靠拢，达到某一频率，这时环路进入锁定状靠拢，达到某一频率，这时环路进入锁定状态。态。一旦入锁以后，压控频率就等于基准频率，且一旦入锁以后，压控频率就等于基准频率，且 fo 随

16、随 fi 而变化，这就称为跟踪。而变化，这就称为跟踪。 若再继续增加若再继续增加 fi ，fo不再随不再随 fi 之变化。但反之，之变化。但反之，若降低若降低 fi ，则，则 当当 它它 回到回到 f2 时，环路并不入锁，时，环路并不入锁，只只有当有当 fi 降低到一个更低的频率降低到一个更低的频率f2 的时候，环路才的时候，环路才重新重新入锁。入锁。五、五、 环路的同步带与捕捉带环路的同步带与捕捉带22ppt课件 系统能保持跟踪的最大频差系统能保持跟踪的最大频差 称为称为同步带。同步带。 环路能环路能捕捉成功捕捉成功的最大初始频差的最大初始频差 称为称为环路的捕捉带，环路的捕捉带，12ff

17、12ff 图图8-9 环路同步带和捕捉带环路同步带和捕捉带23ppt课件环路捕获、跟踪与锁定环路捕获、跟踪与锁定24ppt课件环路同步带和捕捉带环路同步带和捕捉带图图8-9 环路同步带和捕捉带环路同步带和捕捉带25ppt课件六、锁相环路各组成部分的分析六、锁相环路各组成部分的分析1. 鉴相器鉴相器1）鉴相器（正弦波鉴相器）及其数学模型）鉴相器（正弦波鉴相器）及其数学模型 任何一个理想的模拟乘法器可以作为有正弦特性的任何一个理想的模拟乘法器可以作为有正弦特性的鉴相器。设输入信号为鉴相器。设输入信号为 (8-1) 压控振荡器的输出信号为压控振荡器的输出信号为 (8-2) 这样这样ui(t)瞬时相位

18、为瞬时相位为i1mii( )sin( )u tUtto2moo( )cos( )u tUttiioioi( )()( )ttttt26ppt课件 按上面的新定义，可将式（按上面的新定义，可将式（8-18-1）、（）、（8-28-2）改写为）改写为 通过环路滤波器，则鉴相器的输出为通过环路滤波器，则鉴相器的输出为 oi( )tti1moi( )sin( )u tUtto2moo2moo( )cos( )cos( )u tUttUttdm1m2mio1( )sin( )( )2u tA U Uttdd( )sin ( )u tKt（8-88-8）27ppt课件n式中式中n其中其中 为乘法器的增益系

19、数，量纲为为乘法器的增益系数，量纲为1/V1/V 。n鉴相器的作用是将两个输入信号的相位差鉴相器的作用是将两个输入信号的相位差 转变为输出电压转变为输出电压 。dm1m2m12KA U Udd( )sin ( )u tKtmAio( )( )( )ttt)(td( )u t28ppt课件图图8-2 8-2 正弦鉴相特性曲线正弦鉴相特性曲线由式（由式（8-88-8）可得鉴相特性，如图）可得鉴相特性，如图8-28-2所示。所示。29ppt课件 图图8-2 8-2 正弦鉴相特性曲线正弦鉴相特性曲线30ppt课件2) 鉴相器线性化的数学模型鉴相器线性化的数学模型 当当|i(t)-o(t)| /6时，时

20、，sini(t)-o(t) i(t)-o(t),因此可以把式（因此可以把式（8-88-8）写成）写成 ud(t) Kd i(t)-o(t) = Kd (s ) 所以，当所以，当(t) /6时，鉴相特性近似为直线，时，鉴相特性近似为直线， ud(t) 与与(t) 成正比。成正比。 式（式（8-118-11）表示时域的关系，若对它进行拉氏）表示时域的关系，若对它进行拉氏变换，便可得到变换，便可得到频域内的鉴相特性，频域内的鉴相特性，表示为表示为 ud(s)= Kd (s ) ( 8-11 )31ppt课件 时域中鉴相器数学模型如图时域中鉴相器数学模型如图8-38-3所示。所示。 频率域中鉴相器数学

21、模型如图频率域中鉴相器数学模型如图8-48-4所示。所示。图图8-3 8-3 鉴相器的线形化数学鉴相器的线形化数学模型（模型（时域时域）图图8-48-4鉴相器的线形化数学鉴相器的线形化数学模型（模型（频域频域）32ppt课件2. 2. 环路滤波器环路滤波器环路滤波器是线性电路，由线性元件电阻、电感和环路滤波器是线性电路，由线性元件电阻、电感和电容组成，有时还包括运算放大器在内。它是低通电容组成，有时还包括运算放大器在内。它是低通滤波器。在锁相环路中，常用的滤波器有以下三种。滤波器。在锁相环路中，常用的滤波器有以下三种。 图图8-5 8-5 确三种常用的环路滤波器确三种常用的环路滤波器33ppt

22、课件1) 1) RC积分滤波器积分滤波器 图图8-58-5（a a）为一阶）为一阶RC低通滤波器，它的作用是将低通滤波器，它的作用是将ud(t) 中高频分量滤掉，得到控电压中高频分量滤掉，得到控电压u uc c。滤波器的传递函数为滤波器的传递函数为输出电压与输入电压之比，输出电压与输入电压之比，即即 改为拉氏变换形式，用改为拉氏变换形式，用s 代替代替j j 得得（ =RC ） (8-12)cd111(j )1jj(j )1j11(j )j1jjjuCCRCHCRuCRRCCRC111( )111RCH ssssRC34ppt课件2) 2) 无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器 其传递函数为其

23、传递函数为(1 =R1C, 2 =R2C)(8-13)2cd12121( )1( )1( )() 1s2Ru sssCHu ss RRsC（8-14）2c2d11( )1( )( )1Ru sssCH su sRs 3 3）有源比例积分滤波器）有源比例积分滤波器 在运算放大器的输入电阻和开环增益趋于无穷大在运算放大器的输入电阻和开环增益趋于无穷大的条件下，其传递函数为的条件下，其传递函数为35ppt课件3. 3. 压控振荡器压控振荡器 压控振荡器压控振荡器就是在振荡电路中采用压控元件作为就是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制器件。频率控制器件。压控元件一般都是变容二极管压控元件一般都是变容二

24、极管，它实，它实际上就是一种际上就是一种电压电压频率变换器。频率变换器。它在锁相它在锁相环环路中起路中起着电压着电压相位变换的作用。相位变换的作用。压控振荡器的特性可用调压控振荡器的特性可用调频特性来表示，如图频特性来表示，如图8-68-6（a a）所示。在一定范围内，）所示。在一定范围内， 与与 uc(t) 是成线性关系的，可用下式表示，即是成线性关系的，可用下式表示，即 (8-15)(8-15) 式中式中0 压控振荡器的中心频率压控振荡器的中心频率 K 是一个常数是一个常数, ,其量纲为其量纲为1/sV1/sV或或Hz/VHz/V。它表示单位它表示单位控制电压所引起的振荡角频率变化的大小。

25、控制电压所引起的振荡角频率变化的大小。)(t0c( )( )tK u t36ppt课件 但在锁相环路中，我们需要的是它的相位变但在锁相环路中，我们需要的是它的相位变化，由化，由(8-15)可求出瞬时相位为可求出瞬时相位为（8-16） 所以由控制电压引起的相位变化，即压控振荡所以由控制电压引起的相位变化，即压控振荡器的输出信号为器的输出信号为由此可见，压控振荡器在环路中起了由此可见，压控振荡器在环路中起了一次理想积一次理想积分器的作用，因此压控振荡器是一个固有积分环分器的作用，因此压控振荡器是一个固有积分环节。节。 （8-17）o10c00( )( )( )dtttt dttK u ttoo10

26、c0( )( )( )dttttK u ttoc1( )( )sKu ss37ppt课件 因此，因此，VCO的数学模型可用图的数学模型可用图8-6（b）表示。表示。图图8-6 8-6 压控振荡器压控振荡器oc( )1( )sKu ss若将式（若将式（8-178-17）改为拉氏变换形式，）改为拉氏变换形式，则则VCOVCO的传输函数为的传输函数为38ppt课件七、锁相环路的数学模型七、锁相环路的数学模型n将上面将上面得到的鉴相器，滤波器与压控振荡器的数学模型得到的鉴相器，滤波器与压控振荡器的数学模型 代换到图代换到图8-18-1中，可得出中，可得出PLLPLL的数学模型。的数学模型。图图8-7 8-7 锁相环路的数学模型锁相环路的数学模型根据此图，即可得出锁相环路的基本方程式为：根据此图，即可得出锁相环路的基本方程式为：s1KH(s)K(s)(s)(s)doio39ppt课件n或写成或写成 oiodiidd( )( )( )1( )( )( )( )( )( )sssF sKKH ssssKK H ssKK H s 表示整个锁相环路的闭环传输函数。表示整个锁相环路的闭环传输函数。它表示在闭环条件下，输入信号的相角它表示在闭环条件下，输入信号的相角与与VCO输出信号相角输出信号相角 之间的关系。之间的关系。 )(sFi( ) so( ) s40ppt课件