文档介绍：笫7章锁相环路
概述
PLL基本原理
PLL各部件的特性与数学模型
PLL的环路方程与相位模型
PLL的线性分析
PLL的非线性分析
集成锁相环介绍
PLL电路实例与应用举例
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概述
(1)三种反馈控制系统分类
自动增益控制(AGC)电路:在输入信号幅度变化很大
的情况下,使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变
化的一种自动控制电路。
自动频率控制(AFC)电路:是一种频率反馈控制系统,
AFC电路控制的是信号的频率。
自动相位控制(APC)电路:又叫锁相环路。
(Phase Locked Loop,简称PLL),是一种相位反馈控制系统,
锁相环路控制的是信号的相位。
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概述(续)
(2)反馈控制系统的原理(与负反馈放大器比较)
相同点:皆是自动调节系统。
不同点:一是调节对象不同。(有频率F与相位P)
二是分析方法不同。
负反馈放大器有放大器与线性反馈电路;
反馈控制系统除有放大器外,还有非线性部件,
要用非线性分析方法。
(3)反馈控制系统的特点
AFC的特点是:误差信号是频率,所以稳定时有频差。
APC的特点是:误差信号是相位,所以稳定时只有相差。
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PLL基本原理: PLL的方框原理图
(1)三个基本部件组成:鉴相器,环路滤波器和压控振荡器。
(2)基本原理:
鉴相器的输出信号是输入信号和压控振荡器输出
信号之间相位差的函数。
经环路滤波器滤波(也可能包括放大),滤除高频分
量后,成为压控振荡器的控制电压。
在的作用下,压控振荡器输出信号的频率将发生相应变
化并反馈到鉴相器。最后进入稳定状态。
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PLL的方框原理图(续)
(2)锁定状态──VCO跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制
变化的过程。
当系统开始工作时,压控振荡器的频率将向着接近输入信号
频率的方向变化,这就是捕获状态。
当PLL达到稳定状态后,若输入信号为一固定频率的正弦
波,则压控振荡器的输出信号频率与输入信号频率相等,它们
之间的相位差为一常值,这种状态称为环路的锁定状态。
锁相环通常有两种不同的跟踪状态:调制跟踪与载波跟踪。
压控振荡器的输出信号跟踪输入的调制信号变化。这种状态
就是调制跟踪状态,这种环路称为“调制跟踪环路”。调制跟踪
环路可实现高质量的调角信号的解调。
压控振荡器的输出信号频率只跟踪输入信号的载频,那么就
称之为载波跟踪状态,这叫载波跟踪环,或称“窄带跟踪环”。
锁相环路具有两种工作状态:
(1)捕获状态──环路由失锁进入锁定的过程;
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PLL各部件的特性与数学模型: (1)鉴相器(PD)
常用的鉴相器有以下几类:数字鉴相器、模拟相乘器、抽样
鉴相器和鉴频鉴相器等。
作为原理分析,通常使用具有正弦鉴相特性的鉴相器。
式中, 为输入信号的瞬时相位;
为压控振荡器输出信号的瞬时相位。
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(1)鉴相器(PD) (续1)
设相乘器的相乘系数为 k,单位为1/V。输入信号为:
式中, 为正弦信号的振幅, 为中心角频率, 是
以载波相位为参考的瞬时相位。若输入信号为一固定
的正弦波,则是一常数, 即的初始相位。
假设输出信号为:
式中, 为余弦信号的振幅, 为环路VCO自由振荡角
频率, 是输出信号以其自由振荡相位为参考的
瞬时相位。
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(1)鉴相器(PD) (续2)
统一参考相位:一般情况下,两信号的频率是不同的。为了
便于比较,现统一以VCO 的自由振荡相位为参考,
于是输入信号相位需改写为:
式中:
改写输入和输出信号表示式:
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(1)鉴相器(PD) (续3)
输入信号与输出信号经过相乘器后得到:
再经过低通滤波滤除成分,便得到误差电压:
令, ,不难看出为鉴相器的最大输出电压,
它在一定程度上反映了鉴相器的灵敏度。单位为(V)。
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(1)鉴相器(PD) (续4)
则上式可写成:
这就是正弦鉴相特性。(讲义下册95)
需要指出的是,在上面的推导过程中,设两个输入信号互为正交信号形式,因而得到正弦特性。若改设两信号同为正弦或余弦,则将会得到余弦特性。不论是那种特性,环路的稳态工作区域总是在特性的线性区域内,环路锁定时相位比较器输出电压为零附近。
则可写成线性表示式:
讨论:
若用代表相乘器两个输入信号的瞬时相位误差,即
假设,有
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