锁相环路及其他控制电路

1、第第8 8章章 锁相环路及其他反馈控制电路锁相环路及其他反馈控制电路8.1 锁相环路锁相环路8.2 集成锁相环芯片集成锁相环芯片8.3 锁相环路的应用锁相环路的应用8.4 自动增益控制电路自动增益控制电路8.5 自动频率控制电路自动频率控制电路8.18.1锁相环路锁相环路一、反馈控制电路的基本原理一、反馈控制电路的基本原理 反馈控制电路由误差元件和执行元件组成。反馈控制电路由误差元件和执行元件组成。 根据需要比较和调节的参量不同，反馈控制电路可分根据需要比较和调节的参量不同，反馈控制电路可分为：为： 1.1.自动增益控制电路（自动增益控制电路（AGC） 2.2.自动频率控制电路（自动频率控制电

2、路（AFC） 3.3.自动相位控制电路（自动相位控制电路（APC），又称锁相环路（），又称锁相环路（PLL）二、基本锁相环的构成二、基本锁相环的构成 鉴相器：鉴相器： 压控振荡器：压控振荡器：式中，式中，o为压控振荡器的中心频率。为压控振荡器的中心频率。 )()()()(doiddtKttKtu )()(cotuKt 三、锁相环的基本原理三、锁相环的基本原理 利用利用输入信号和压控振荡器输出信号之间的输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位误差去相位误差去消除频率误差消除频率误差。当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位。当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以消除，误差存在

3、，但频率误差可以消除，从而实现无误差的频率跟从而实现无误差的频率跟踪踪。)(ot )(it oUiU 1.1.锁定锁定：输出信号与输入信号频率相等；：输出信号与输入信号频率相等； 2.2.捕捉捕捉：环路原先是失锁的，通过自身调节由失锁调整：环路原先是失锁的，通过自身调节由失锁调整到锁定的过程；到锁定的过程； 相应的，能够相应的，能够由失锁进入锁定由失锁进入锁定的最大输入固有频差，称的最大输入固有频差，称为环路为环路捕捉带捕捉带或或捕捉范围捕捉范围。 3.3.跟踪跟踪：环路原先是锁定的，由于某种原因造成环路偏：环路原先是锁定的，由于某种原因造成环路偏离锁定，通过自身调节重新维持锁定的过程。离锁定

4、，通过自身调节重新维持锁定的过程。 相应的，相应的，能够保持跟踪的能够保持跟踪的最大输入固有频差，称为最大输入固有频差，称为同步同步带带或或跟踪带跟踪带。 四、锁相环的锁定、捕捉和跟踪四、锁相环的锁定、捕捉和跟踪 4.4.判断环路是否锁定的方法判断环路是否锁定的方法 在有双踪示波器的情况下在有双踪示波器的情况下 当当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。 单踪单踪普通示波器普通示波器 利用利用李沙育图形李沙育图形来判断。来判断。如果环路已锁定，且在理想情如果环路已锁定，且在理想情况下，李沙育图形应是一个圆。况下，李沙育图形应是一个圆。 5 5. .同步带和捕捉带

5、演示动画同步带和捕捉带演示动画五、锁相环路各组成部分分析五、锁相环路各组成部分分析 1.1.鉴相器鉴相器 （1 1）正弦波鉴相器及其数学模型）正弦波鉴相器及其数学模型 设输入信号为设输入信号为 , ,压控振荡器的压控振荡器的输出信号为输出信号为 为了便于比较两者之间的相位差，现都以为了便于比较两者之间的相位差，现都以 为参考相为参考相位。这样位。这样ui(t)瞬时相位为瞬时相位为 按上面的新定义，按上面的新定义，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 )(sin)(ii1ittUtum )(cos)(oom2ottUtu )()()()(ioioioiittttttt

6、 to )(sin)(iom1ittUtu )(cos)(cos)(oo2moom2ottUttUtu )()(sin21)(oim2m1mdttUUAtu )(sindtK 由于由于ud(t)随随 作周期性作周期性的正弦变化，因此这种鉴相器的正弦变化，因此这种鉴相器称为正弦波鉴相器。称为正弦波鉴相器。 （2 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 时，时，因此，因此， 。 当强调对相位的贡献时，模型可以表示为：当强调对相位的贡献时，模型可以表示为： )(t )()()()(sinoioitttt 6/| )()(|oi tt )()()()(doiddtKttKtu 2.

7、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、电感和电容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，它是低通滤波器。组成，有时还包括运算放大器在内，它是低通滤波器。 RC积分滤波器RCjCjRCjjujujH 11/1/1)()()(dcsRCH 1 11 1(s)(s) 3. 3.压控振荡器压控振荡器 在锁相环路中，我们在锁相环路中，我们关心的是相位变化关心的是相位变化，瞬时相位，瞬时相位对相位的贡献是对相位的贡献是变化部分变化部分可以认为，可以认为，压控振荡器是一个固有积分环节。压控振荡器是一个固有积分环节。)()(cotuKt toc

8、too1o)()()(dttuKtdttt t0co1oo)()()(dttuKttt )(1)(cosusKs 六、锁相环路的六、锁相环路的相位相位数学模型数学模型第第8 8章章 锁相环路及其他反馈控制电路锁相环路及其他反馈控制电路8.1 锁相环路锁相环路8.2 集成锁相环芯片集成锁相环芯片8.3 锁相环路的应用锁相环路的应用8.4 自动增益控制电路自动增益控制电路8.5 自动频率控制电路自动频率控制电路8.28.2集成锁相环芯片集成锁相环芯片CD4046一、一、CD4046逻辑框图逻辑框图二、异或门鉴相器的工作原理二、异或门鉴相器的工作原理 当当 时，由时，由 波形可求出输出电压的平均值波

9、形可求出输出电压的平均值TUTUU 22/dmdmd )(0)(2)(dmdttUUTt所所以以因因为为，dmU)(t T )(t)(dtu第第8 8章章 锁相环路及其他反馈控制电路锁相环路及其他反馈控制电路8.1 锁相环路锁相环路8.2 集成锁相环芯片集成锁相环芯片8.3 锁相环路的应用锁相环路的应用8.4 自动增益控制电路自动增益控制电路8.5 自动频率控制电路自动频率控制电路8.38.3锁相环路的应用锁相环路的应用 锁相环具有良好的跟踪特性，可实现无误差的锁相环具有良好的跟踪特性，可实现无误差的频率跟踪频率跟踪和良好的和良好的窄带滤波窄带滤波特性。特性。 分为载波跟踪（窄带分为载波跟踪（

10、窄带跟踪）和调制跟踪（宽带跟踪）和调制跟踪（宽带跟踪跟踪） 当输出锁定在输入信号频率上时，位于信号频率附当输出锁定在输入信号频率上时，位于信号频率附近的频率分量通过鉴频器变成低频信号而平移到零频率近的频率分量通过鉴频器变成低频信号而平移到零频率附近，环路滤波器的低通作用对输入信号而言，相当于附近，环路滤波器的低通作用对输入信号而言，相当于一个一个高频带通滤波器高频带通滤波器。只要把环路滤波器的通带做得比。只要把环路滤波器的通带做得比较窄，整个环路就具有很窄的带通特性。较窄，整个环路就具有很窄的带通特性。一、锁相调频电路一、锁相调频电路 实现锁相调频的条件：实现锁相调频的条件：调制信号的频谱要处

11、于低通滤调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外；波器通带之外；锁相环只对载波频率的慢变化起调整作锁相环只对载波频率的慢变化起调整作用，使其中心频率锁定在晶振频率上。用，使其中心频率锁定在晶振频率上。二、锁相鉴频电路二、锁相鉴频电路 实现锁相鉴频的条件：实现锁相鉴频的条件： 锁相环的捕捉带必须大于调频波的最大频偏；锁相环的捕捉带必须大于调频波的最大频偏； 环路带宽必须大于调频波中调制信号的频谱带宽。环路带宽必须大于调频波中调制信号的频谱带宽。三、调幅波的同步检波三、调幅波的同步检波 利用锁相环从所接收的信号中提取出载波信号，可实现利用锁相环从所接收的信号中提取出载波信号，可实现调幅波的同步检波。

12、调幅波的同步检波。 环路滤波器的通频带很窄，使锁相环路锁定在调幅波的环路滤波器的通频带很窄，使锁相环路锁定在调幅波的载频上。载频上。四、锁相接收机四、锁相接收机窄带跟踪环路窄带跟踪环路 当地面接收站接收卫星发送来的无线电信号时当地面接收站接收卫星发送来的无线电信号时 （1 1）地面接收站收到的信号是极为微弱的；）地面接收站收到的信号是极为微弱的； （2 2）由于多普勒效应，地面接收站收到的信号频率将）由于多普勒效应，地面接收站收到的信号频率将偏离卫星发射的信号频率，并且其值往往在较大范围内变化。偏离卫星发射的信号频率，并且其值往往在较大范围内变化。 由于环路滤波器的带宽选得很窄，因此鉴相器输出

13、中的由于环路滤波器的带宽选得很窄，因此鉴相器输出中的调制信号分量不能进入环路。调制信号分量不能进入环路。五、锁相环在频率合成器中的应用五、锁相环在频率合成器中的应用 1. 1.频率合成的基本概念频率合成的基本概念 频率合成（频率合成（Frequecncy Synthesis）是利用一个或多个高）是利用一个或多个高稳定晶体振荡器产生出一系列等间隔的离散频率信号的一种稳定晶体振荡器产生出一系列等间隔的离散频率信号的一种技术，这些离散频率的准确度和稳定度与晶体振荡器相同。技术，这些离散频率的准确度和稳定度与晶体振荡器相同。 2.2.频率合成的方法频率合成的方法 直接合成法、锁相环路法（间接合成法）和

14、直接数字合直接合成法、锁相环路法（间接合成法）和直接数字合成（成（DDS）法。）法。 3. 3.评价频率合成器的主要技术指标评价频率合成器的主要技术指标 工作频率范围：由最高和最低输出频率确定；工作频率范围：由最高和最低输出频率确定； 频率间隔：两个相邻频率的最小间隔，也称分辨率；频率间隔：两个相邻频率的最小间隔，也称分辨率； 频率转换时间：由一个频率转换到另一个频率并达到频率转换时间：由一个频率转换到另一个频率并达到稳定所需要的时间；稳定所需要的时间； 频率稳定度和准确度频率稳定度和准确度 频率纯度：输出信号接近正弦波的程度。频率纯度：输出信号接近正弦波的程度。 4.4.锁相频率合成器锁相频

15、率合成器 （1 1）原理框图）原理框图（2 2）实用电路）实用电路 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器1G2G CD4518BDual BCD up-Counter Truth TableClockEnalbeResetAction10Increment Counter00Increment Counter0No Change0No Change00No Change10No Change1Q1 thru Q4=0 MC14522BPresettable 4-bit BCD Down Counter典型电路典型电路第第8 8章章 锁相环路及其他反馈控制电路锁相环路及其他反馈控制电路8.1 锁相环路锁相环路8.2 集成锁相环芯片集成锁相环芯片8.3 锁相环路的应用锁相环路的应用8.4 自动增益控制电路自动增益控制电路8.5 自动频率控制电路自动频率控制电路8.48.4自动增益控制电路自动增益控制电路 在一部调幅接收机中，由于无线电波传播的多径效应和在一部调幅接收机中，由于无线电波传播的多径效应和衰落等原因，天线上感生的有用信号强度往往有很大的起伏衰落等原因，天线上感生的有用信号强度往往有很大的起伏变化，致使扬声器发出的声音忽强忽弱。变化，致使扬声器发出