第五章集成锁相环路与集成频率合成器

1、第一节第一节 锁相环路的工作原理与性能锁相环路的工作原理与性能第五章第五章 集成锁相环路与集成频率合成器集成锁相环路与集成频率合成器第二节第二节 集成锁相环路中常用单元电路集成锁相环路中常用单元电路第三节第三节 通用单片集成锁相环路通用单片集成锁相环路第五节第五节 锁相环频率合成器的组成及原理锁相环频率合成器的组成及原理第四节第四节 集成锁相环路的应用集成锁相环路的应用第六节第六节 单片集成锁相环频率合成器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，使振荡信号振荡器的振荡频率

2、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。最小差值。锁相环路锁相环路(phase lock loop，pll)是一种自动相位控制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。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(有时也称本地有时也称本地振荡振荡)，这个信号的频率受控制，这个信号的频率受控制电压电压的作用，当环路锁定时，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

3、，两个信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，合理地选择理地选择pll的直流增益、振荡频率和相应带宽可有效地的直流增益、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。改善环路性能，达到理想的效果。 第一节第一节 锁相环路的工作原理与性能锁相环路的工作原理与性能一一、发展历史发展历史三、锁相环路分析方法三、锁相环路分析方法二、锁相环路的特点二、锁相环路的特点 四、锁相环路的组成四、锁相环路的组成 五、锁相环路的工作原理五、锁相环路的工作原理一一.发展历史发展历史 20世纪世纪3

4、0年代年代接收设备锁相同步控制接收设备锁相同步控制 20世纪世纪40年代年代电视接收同步扫描电视接收同步扫描 20世纪世纪50年代年代锁相接收机实现卫星通信技术锁相接收机实现卫星通信技术 20世纪世纪60年代年代各部件制作费用昂贵，所以它的发展受限制各部件制作费用昂贵，所以它的发展受限制 20世纪世纪70年代年代成为现代通信、电子技术领域中不可缺少的重要成为现代通信、电子技术领域中不可缺少的重要控制技术控制技术 锁相技术是通信、导航、广播与电视通信、仪器仪表测量、锁相技术是通信、导航、广播与电视通信、仪器仪表测量、数字信号处理及国防技术中得到广泛应用的一门重要的自动数字信号处理及国防技术中得到

5、广泛应用的一门重要的自动反馈控制技术反馈控制技术.具有频率准确跟踪性能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）具有良好的带通滤波性能（称调制跟踪型）.具有良好门限效应具有良好门限效应.易集成化，数字化易集成化，数字化三、锁相环路分析方法三、锁相环路分析方法图解法图解法:相图法相图法.描述函数法描述函数法总之总之,锁相环路是朝着集成化锁相环路是朝着集成化.多用化多用化.数字化的方向发展。数字化的方向发展。20世纪世纪80年代以后年代以后数字锁相、集成锁相以及频率合成技数字锁相、集成锁相以及频率合

6、成技术，大大推术，大大推 动数字通信、动数字通信、 卫星通信的发展卫星通信的发展二、锁相环路的特点二、锁相环路的特点 四、锁相环路的组成四、锁相环路的组成(一一) 鉴相器鉴相器(二二) 环路滤波器环路滤波器(三三) 压控振荡器压控振荡器 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( )sin( )iiiiu tutt(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)

7、,i(t)即为时间的函数。设输出信号( )cos( )oooou tutt(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( )( )( )()( )( )eiiooioiotttttttt (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( )()( )ii

8、oioioiottttt(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( )( )oittt (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122( )( )( )( )( )( )( )( )( )iioooootttttttttt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12( )( )(

9、 )ettt(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21( )( )( )( )( )eieodtdtdtttdtdtdt (1-11) 图1-2 输入信号和输出信号的相位关系 捕获过程捕获过程 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( )( )( )eoiotttt 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 锁定状态锁定状态 捕获状态终了,

10、环路的状态稳定在 ( )( )2ttn(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1( )( )( )( )( )oieoioeootttttttt 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( )( )ooieoottt ( )coscos()cosooooieooioieooieu tuttuttut 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 ( )0( )eett常数 (1-13) 四、环路的基本性能要求 如

11、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maxpo (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。paottt(1-15) 锁相技术第1章 锁相环路的基本工作原理 环路组成环路组成 问题1：

12、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。 锁相技术第1章 锁相环路的基本工作原理图1-4 锁相环路的基本构成注意两个转换：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；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：作用到vco控制的频率达到控制相位。控制的频率达到控制相位。 锁相技术第1章 锁相环路的基本工作原理 一、鉴相器 鉴相器是一个相位比较装置,用来检测输

13、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。 ( )( )deutft 锁相技术第1章 锁相环路的基本工作原理 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121212( )( )sin( )cos( )1sin2( )( )21sinsin ( )( )2miomiooomioomiok u t u t

14、k utt uttk uutttk uutt 再经过低通滤波器(lpf)滤除2o成分之后,得到误差电压121( )sin ( )( )212dmiomioutk uuttk uu(1-16) 为鉴相器的最大输出电压,则( )sin( )ddeutut(1-17) 图1-6 正弦鉴相器特性环路滤波器的电路模型环路滤波器的电路模型微分方程微分方程 ：)()()(dfctupatu常见环路滤波器的形式常见环路滤波器的形式环路滤波器电路模型环路滤波器电路模型其中，其中，af(p)为传递函数。为传递函数。压控振荡器的电路模型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特性可用调频

15、特性来表示)(c0r0tua压控振荡器的电路模型压控振荡器的电路模型p=d/dt为微分算为微分算子子 在一定范围内在一定范围内o与与 uc(t) 几乎成线性关系几乎成线性关系 有：有：a a0 0为为vcovco的压控灵敏度。的压控灵敏度。 五五 锁相环路基本工作原理锁相环路基本工作原理一、框图与各部分作用一、框图与各部分作用二、环路工作原理二、环路工作原理三、环路相位模式和环路方程三、环路相位模式和环路方程四、环路滤波器四、环路滤波器五五 锁相环路基本工作原理锁相环路基本工作原理（一）框图与各部分作用（一）框图与各部分作用 各部分的作用各部分的作用 pd 产生误差电压产生误差电压 lf 产生

16、控制电压产生控制电压 vco 产生瞬时输出频率产生瞬时输出频率c( ) td( ) t 框图框图pll环路在某一因素作用下，利用输入与输出信号的相位环路在某一因素作用下，利用输入与输出信号的相位差差 产生误差电压，并滤除其中非线性成分与噪声后的产生误差电压，并滤除其中非线性成分与噪声后的纯净控制信号纯净控制信号 控制压控振荡器，使控制压控振荡器，使 朝着缩小固有朝着缩小固有角频差方向变化，一旦角频差方向变化，一旦 趋向很小常数趋向很小常数 （称为剩余相（称为剩余相位差）时，则锁相环路被锁定了，即位差）时，则锁相环路被锁定了，即 0i=wwe( ) te( ) te( ) tejc( ) t 充

17、分必要条件充分必要条件ee( ) t=jj0i=ww1、原理与环路锁定的充分必要条件、原理与环路锁定的充分必要条件原理原理（二）环路工作原理（二）环路工作原理2.举例说明举例说明 （以一阶锁相环为例）（以一阶锁相环为例）未锁定未锁定锁定锁定可见，环路锁定过程中可见，环路锁定过程中 是从是从02周期的变化，若干周期周期的变化，若干周期后使后使 ，则环路被锁定。，则环路被锁定。e( ) tee1.相位模式相位模式 求环路中各部件的数学表示式与数学模式求环路中各部件的数学表示式与数学模式 a, 鉴相器鉴相器 (pd)叠加型叠加型其中：其中：/iimisin( )vtt00mr0cos( )vtt（三

18、）环路相位模式和环路方程（三）环路相位模式和环路方程 乘积型乘积型b， 环路滤波器环路滤波器 (lf)c， 压控振荡器压控振荡器 (vco)则数学模型为则数学模型为. 环路的相位模型环路的相位模型若上述经若上述经pd输出的误差电压可表示为输出的误差电压可表示为2. 环路方程及其物理意义环路方程及其物理意义 物理意义物理意义 方程方程a)各项的物理意义各项的物理意义b) 方程的物理意义方程的物理意义: 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

19、渐减小瞬时角频差逐渐减小,控制角频差逐渐增大控制角频差逐渐增大,它们之和永远恒等它们之和永远恒等于开环时输入固有角频差。于开环时输入固有角频差。3. 结论结论只有只有环路锁定时环路锁定时，瞬时角频差为，瞬时角频差为0,才实现了频率准确跟踪才实现了频率准确跟踪.环路进入锁定的条件为环路进入锁定的条件为 显然显然 愈大愈大 愈愈io;aoa小小,环路稳定性愈好。环路稳定性愈好。 1. rc积分滤波器积分滤波器其中其中 ， 为一个极点而无零点的多为一个极点而无零点的多( )f s四、环路滤波器四、环路滤波器常用的环路滤波器有：常用的环路滤波器有：电压传输系数为：电压传输系数为：，若作为作为环路滤波器

20、若作为作为环路滤波器锁定锁定 vd为直流电压为直流电压。环路锁定过程环路锁定过程 是变化的是变化的,所以所以vd(t)是交变的电压是交变的电压;一旦一旦e 环路方程是非线性微分方程环路方程是非线性微分方程,其其中非线性取决于鉴相器中非线性取决于鉴相器,而微分方程而微分方程阶数取决于环路滤波器多项式阶数取决于环路滤波器多项式f(p)的阶数的阶数。项式项式2. 无源无源rc比例积分滤波器比例积分滤波器为一个极点一个零点的多项式为一个极点一个零点的多项式电压传输系数为：电压传输系数为：若作为环路滤波器：若作为环路滤波器：2f12a=+tt t2( )2111ssfs=+ttt其中其中，3. 有源有源

21、rc比例积分（或比例积分（或rc理想积分）滤波器理想积分）滤波器项式项式因为极点在原点，所以是理想的积分环节。因为极点在原点，所以是理想的积分环节。电压传输系数为：电压传输系数为：若作为环路滤波器：若作为环路滤波器：2( )1ssfs=+t2f1a=tt其中其中,为一个极点一个零点的多为一个极点一个零点的多( )sf， 锁相环路分析锁相环路分析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 环路的非线性分析环路的非线性分析 一、一、 环路线性化环路线性化 1. 线性化条件：线性化条件： 2. 线性化环路方程：线性化环路方程： 3. 线性化环路相位模式：线性化

22、环路相位模式：e6j锁相环路分析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复频域中线性环路方程(ps代之代之)2. 环路传递函数定义环路传递函数定义: 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、环路传递函数二、环路传递函数用复频域环路传递函数描述用复频域环路传递函数描述pll. 线性网络可以用传递函数描述线性网络可以用传递函数描述 线性环路系统可以用环路传递函数描述线性环路系统可以用环路传递函数描述 用复频域传递函数描述可以简化系统的分析用复频域传递函数描述可以简化系统的

23、分析,所以可所以可4. 结论结论 h(s). he(s)均与均与 ho(s)有关有关 环路滤波器不同，环路滤波器不同，f(s)不同，环路传递函数也不同，不同，环路传递函数也不同， 可将分母标准化后进行比较。可将分母标准化后进行比较。3. 环路传递函数类型环路传递函数类型 开环传递函数开环传递函数 闭环传递函数闭环传递函数 误差传递函数误差传递函数ooe( )( )( )shss=jjoi( )( )( )sh ss=jjeei( )( )( )sh ss=jj三、环路传递函数分母标准化三、环路传递函数分母标准化(了解）了解）频域中传递函数频域中传递函数l.r.c串联振荡网络标准化传递函数并画出

24、幅频特性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先求传递函数h(s):把分母进行标准化为：把分母进行标准化为：标准化传递函数标准化传递函数222nnss 1. 举例说明：举例说明：若若 ，对应，对应0.707中幅频特性下降了中幅频特性下降了3dbnn1称称 为截止角频率，此频率用下标为截止角频率，此频率用下标c，记为，记为c=n结论：结论： 分母标准化便于环路比较分母标准化便于环路比较 ，呈低通滤波特性，呈低通滤波特性 截止频率截止频率cn2. 不同环路分母标准化的环路传递函数不同环路分母标准化的环路传递函数不同环路不同环路 、都不同都不同（由下表表示）（由下表表示）n( )nh四

25、、环路跟踪性能分析四、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以一阶环路频响特性为例（对输入相位的调制频率而言）而言） 环路不同，环路传递函数不同，环路不同，环路传递函数不同， 、也不相同也不相同 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，二阶 环路得到广泛应用。环路得到广泛应用。 环路通常称为阶型环，其中环路通常称为阶型环，其中“阶阶”用大写一、二用大写一、二 、 三表示，它取决于环路传递函数分母的最高次幂数，三表示

26、，它取决于环路传递函数分母的最高次幂数， “型型”用用1 、 2 、 3表示，取决于环路中理想积分环节的表示，取决于环路中理想积分环节的 个数。个数。n结论：结论：1 . 闭环传递函数频响特性闭环传递函数频响特性codoa aa截止角频率截止角频率可见：可见：一阶环闭环传递函数频响特性一阶环闭环传递函数频响特性呈低通滤波特性呈低通滤波特性2. 误差传递函数频响特性误差传递函数频响特性eod( )/h a a一阶环路误差传递函数一阶环路误差传递函数呈高滤波特性呈高滤波特性可见：可见：a02101 a） 一阶环闭环传递函数频响特性一阶环闭环传递函数频响特性呈低通滤波呈低通滤波；误差传；误差传递函数

27、频响特性递函数频响特性呈高通滤波呈高通滤波结论：结论：b） 一阶环截止角频率一阶环截止角频率 ，为提高环路抑，为提高环路抑制干扰和噪声能力，应使制干扰和噪声能力，应使c 愈小愈好愈小愈好，这与提高环路，这与提高环路稳定性使稳定性使 a0 愈大愈好二者出现矛盾，所以愈大愈好二者出现矛盾，所以一阶锁相环一阶锁相环无实用价值。无实用价值。c）实际中）实际中二阶锁相环二阶锁相环可以兼顾环路抑制干扰、噪声能力可以兼顾环路抑制干扰、噪声能力与环路稳定性能，所以与环路稳定性能，所以得到广泛应用。得到广泛应用。c0dc0d 0 0= a aaa aa2. 一阶环路的同步带、捕捉带和快捕带一阶环路的同步带、捕捉

28、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环路能重新入锁的允许最大输入固有角频差 ，称一，称一阶环路的同步带。阶环路的同步带。hoa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，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，一旦环路能进入锁定所允许的最大固有角频， 的称的称一阶环路的捕捉带一阶环路的捕捉带poa. 捕捉带捕捉带. 快捕带快捕带loa不经不经2 周期跳跃即可入锁，允许最大固有角频差周期跳跃即可入锁，允

29、许最大固有角频差称为一阶环路的快捕带称为一阶环路的快捕带 . 同步带同步带3. 一阶环路差拍状态和频率牵引现象一阶环路差拍状态和频率牵引现象 差拍现象差拍现象 频率牵引现象频率牵引现象ii 可见可见 经若干周期频率牵引后可进入锁定经若干周期频率牵引后可进入锁定亦即亦即:使使voc的输出频率的输出频率 缓慢的趋于输入信号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。这可以由下面频率牵引图的演示过程看出。io( ) t 【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

30、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。22642423621.03 10(610 )(410 )2 (103022.36) 1021.00764 10/viokrad svf锁相环的基本特性锁相环的基本特性 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）频差（有微小固定

31、相差）良好的窄带特性良好的窄带特性锁定后没有频差锁定后没有频差自动跟踪特性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踪输入信号频率和相位的变化第四节第四节 集成锁相环路的应用集成锁相环路的应用4-1 锁相倍频锁相倍频. 分频和混频分频和混频4-2 锁相调频、调相、鉴频、鉴相及其同步检波锁相调频、调相、鉴频、鉴相及其同步检波锁相环路的应用锁相环路的应用功能分类：见功能分类：见p1894-1 锁相倍频锁相倍频. 分频和混频分频和混频 锁定时锁定时