高频电子线路之锁相环路

1、高频电子线路高频电子线路锁相环路锁相环路7.1 锁相环路锁相环路w 前面讲到前面讲到AGC可以自动调节增益，使输出电可以自动调节增益，使输出电平一定；利用平一定；利用AFC可以控制振荡频率，并使可以控制振荡频率，并使之稳定。但由于一般的之稳定。但由于一般的AFC技术存在着固有技术存在着固有频率误差问题（因为频率误差问题（因为AFC是利用误差来减小是利用误差来减小误差），往往达不到所要求的频率精度。误差），往往达不到所要求的频率精度。w 由于相位是频率变化对时间的积分，所以频由于相位是频率变化对时间的积分，所以频率和相位有关，就可以率和相位有关，就可以通过控制相位来控制通过控制相位来控制频率频率

2、锁相环路锁相环路。一、一、锁相环路的基本工作原理锁相环路的基本工作原理1. 锁相环路的组成框图锁相环路的组成框图各组成部分作用各组成部分作用w 鉴相器（相位比较器）鉴相器（相位比较器）：将输入参考信号的：将输入参考信号的相位和压控振荡器（相位和压控振荡器（VCO）的输出信号的相）的输出信号的相位比较，输出一个与相位差有关的误差电压。位比较，输出一个与相位差有关的误差电压。w 环路滤波器（低通滤波器）环路滤波器（低通滤波器）：滤去鉴相器输：滤去鉴相器输出信号中的高频分量，只让直流和低频分量出信号中的高频分量，只让直流和低频分量通过，得到一控制电压通过，得到一控制电压uC （t） w 压控振荡器（

3、电压压控振荡器（电压频率转换器）频率转换器）：是振荡：是振荡瞬时角频率瞬时角频率wo（t）受控制电压）受控制电压uC（t）控制）控制的振荡器，使输出频率与输入参考频率相等。的振荡器，使输出频率与输入参考频率相等。2. 工作原理工作原理w 当当VCO的角频率的角频率wo（或输入信号角频率（或输入信号角频率wi）发）发生变化时，输入到生变化时，输入到PD的电压的电压uo（t）和）和ui（t）之之间将产生相应的相位变化，鉴相器输出一个与间将产生相应的相位变化，鉴相器输出一个与相位误差成比例的误差电压相位误差成比例的误差电压ud（t） ，经过，经过LF取取出缓慢变化的直流电压出缓慢变化的直流电压uC

4、（t） ，去控制压控振，去控制压控振荡器输出信号的频率和相位，使得荡器输出信号的频率和相位，使得uo（t）和和ui（t）间的频率和相位差减小，间的频率和相位差减小，直到压控振荡器直到压控振荡器输出信号的频率等于输入信号频率时，相位差输出信号的频率等于输入信号频率时，相位差等于常数，锁相环路进入锁定状态。等于常数，锁相环路进入锁定状态。二、二、鉴相器的数学模型鉴相器的数学模型设输入参考信号为设输入参考信号为 ui（t）=Uimcoswit+i（t）设压控振荡器输出电压为设压控振荡器输出电压为 uo（t）=Uomcoswrt+o（t）为便于比较，统一用为便于比较，统一用VCO的固有振荡相位的固有振

5、荡相位wrt为参考令为参考令2（t）= o（t）令令1（t）= wit+i（t）- wrt =（wi-wr ）t+i（t）= wit +i（t） 瞬时相位差表达式瞬时相位差表达式则则ui（t）=Uimcoswrt+1（t） uo（t）=Uomcoswrt+2（t）误差相位误差相位e（t）= 1（t）- 2（t） 模拟相乘器的鉴相作用模拟相乘器的鉴相作用 ud（t）=A ui（t） uo（t） =AUimcoswrt+1（t）Uomcoswrt+2（t） =1/2AUimUrmsin2wrt+1（t）+2（t） + 1/2AUimUrmsin1（t） -2（t） ud（t）=1/2AUimUrm

6、sin1（t）-2（t） =Ad sin1（t）-2（t） =Ad sine（t） Kd为鉴相器传输系数为鉴相器传输系数 鉴相器的数学模型鉴相器的数学模型w 鉴相器的输出电压鉴相器的输出电压ud（t）是误差相位）是误差相位 e（t）的函数。）的函数。三、环路滤波器的数学模型三、环路滤波器的数学模型w 环路滤波器具有低通特性，可以起到鉴相环路滤波器具有低通特性，可以起到鉴相器中低通滤波作用，用于把鉴相器输出电器中低通滤波作用，用于把鉴相器输出电压中的高频分量及干扰分量抑制掉，而让压中的高频分量及干扰分量抑制掉，而让低频分量或直流分量通过。低频分量或直流分量通过。w 常用的环路滤波器有常用的环路滤

7、波器有无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器及有源比例积分滤波器及有源比例积分滤波器。无源及有源比例积分滤波器无源及有源比例积分滤波器环路滤波器数学模型环路滤波器数学模型w 滤波器的传输函数为滤波器的传输函数为AF（p）则则 uC（t）= AF（p） ud（t）四、压控振荡器的数学模型四、压控振荡器的数学模型 一种简单的压控振荡器一种简单的压控振荡器 压控振荡器的特性曲线压控振荡器的特性曲线特性曲线方程特性曲线方程 wo（t）=wr+AouC（t） wr为未加控制电压仅有静态偏压时的固有角为未加控制电压仅有静态偏压时的固有角频率，频率，Ao为控制灵敏度单位为控制灵敏度单位rad/（SV） 压控振

8、荡器的数学模型压控振荡器的数学模型w 由于压控振荡器的输出反馈到鉴相器上，由于压控振荡器的输出反馈到鉴相器上，对鉴相器起作用的不是其频率，而是其瞬对鉴相器起作用的不是其频率，而是其瞬时相位时相位（t）= wo（t）dt = wrt+AouC（t）dt故压控振荡器输出电压故压控振荡器输出电压uo（t）以以wrt为参考的瞬为参考的瞬时相位为时相位为 o（t） = 2（t）= AouC（t）dt = uC（t） Ao /p 压控振荡器的数学模型压控振荡器的数学模型上式中上式中p=d/dt 为微分算子为微分算子积分符号用微分算子积分符号用微分算子p的倒数表示的倒数表示五、锁相环路的数学模型和相位模型五

9、、锁相环路的数学模型和相位模型 可见，这是一个相位负反馈的误差控制系统。可见，这是一个相位负反馈的误差控制系统。 锁相环路的数学模型为：锁相环路的数学模型为： e（t） i（t） o（t） i（t） AdAo AF（p）sine（t）/p六、锁相环路的捕捉和跟踪六、锁相环路的捕捉和跟踪 wi wo Ui Uow 当当wo wi时捕捉，时捕捉， wo = wi时锁定时锁定w 锁相环路由起始失锁状态进入锁定状态的过程称捕锁相环路由起始失锁状态进入锁定状态的过程称捕捉过程。捕捉过程所需的时间称捕捉时间。捉过程。捕捉过程所需的时间称捕捉时间。w 环路锁定后，若输入信号频率环路锁定后，若输入信号频率wi

10、或或VCO频率频率wo发生发生变化，则变化，则VCO频率频率wo跟踪跟踪wi而变化，维持而变化，维持wo wi的锁定状态，这个过程称跟踪过程的锁定状态，这个过程称跟踪过程。w 注意：并不是任何情况下环路都能锁定。若注意：并不是任何情况下环路都能锁定。若VCO固有振荡频率与输入信号频率相差（固固有振荡频率与输入信号频率相差（固有频差）太大，则环路失锁。有频差）太大，则环路失锁。w 一般一般Ao和和Ad越大，环路滤波器的通频带越宽，越大，环路滤波器的通频带越宽，固有频差越小，环路入锁就越快，捕捉时间固有频差越小，环路入锁就越快，捕捉时间就越短。就越短。w 环路锁定条件环路锁定条件：当环路锁定时，：

11、当环路锁定时，wo= wi，uo（t）和）和ui（t）间的相位差）间的相位差e（t）为一恒定）为一恒定值值 ，即，即t无穷大时，无穷大时，limde（t）/dt0高频电子线路高频电子线路7.2 锁相环的应用简介锁相环的应用简介一、锁相环路的基本特性一、锁相环路的基本特性w 锁定后无频差锁定后无频差w 自动跟踪特性自动跟踪特性w 具有良好的窄带特性（数百具有良好的窄带特性（数百MHz的中心频的中心频率上，带宽可以做到几率上，带宽可以做到几Hz）二、应用简介二、应用简介 锁相接收机（窄带跟踪接收机）锁相接收机（窄带跟踪接收机） 地面接收机接收从人造卫星、宇宙飞船上地面接收机接收从人造卫星、宇宙飞船

12、上发送来的无线电信号时，由于卫星离地面发送来的无线电信号时，由于卫星离地面距离远，再加上卫星发射机发射功率小、距离远，再加上卫星发射机发射功率小、天线增益低，使得发射机向地面发回的天线增益低，使得发射机向地面发回的信信号很微弱；号很微弱；由于存在多普勒频移使信号由于存在多普勒频移使信号频频率漂移严重率漂移严重。 例如：频率为例如：频率为108MHz时，多普勒频移可时，多普勒频移可能在能在3kHz，若用普通接收机则带宽至，若用普通接收机则带宽至少应为少应为6kHz，而信号带宽只有几，而信号带宽只有几Hz或几或几十十Hz，这样接收机的带宽比信号带宽大，这样接收机的带宽比信号带宽大近千倍，使微弱信号

13、的接收十分困难。就近千倍，使微弱信号的接收十分困难。就必须使用锁相接收机。必须使用锁相接收机。 锁相调频与解调锁相调频与解调锁相调频锁相调频w 用锁相环路调频，能够得到中心频率高度用锁相环路调频，能够得到中心频率高度稳定的调频信号，锁相环使稳定的调频信号，锁相环使VCO的中心的中心频率稳定在晶振频率上，同时调制信号也频率稳定在晶振频率上，同时调制信号也加到加到VCO，对中心频率进行频率调制。，对中心频率进行频率调制。调制信号频谱应处于调制信号频谱应处于LF的通带之外，并的通带之外，并且调频系数不能太大。调制信号不能通过且调频系数不能太大。调制信号不能通过LF，因此不形成调制信号的环路，这时，因

14、此不形成调制信号的环路，这时的锁相环仅仅是载波跟踪环，调制频率对的锁相环仅仅是载波跟踪环，调制频率对锁相环路无影响。锁相环路无影响。锁相调频锁相调频w 锁相环路只对锁相环路只对VCO的平均中心频率的不的平均中心频率的不稳定因素起作用，此不稳定因素引起的波稳定因素起作用，此不稳定因素引起的波动可以通过动可以通过LF。这样，当锁定后，。这样，当锁定后，VCO的中心频率锁定在晶振频率上。输出的调的中心频率锁定在晶振频率上。输出的调频波中心频率稳定度很高。用锁相环路的频波中心频率稳定度很高。用锁相环路的调频器能克服直接调频中心频率稳定度不调频器能克服直接调频中心频率稳定度不高的缺点。高的缺点。锁相解调

15、锁相解调w 当锁相环路输入信号的频率变化时，当锁相环路输入信号的频率变化时，LF能输出一个控制电压，迫使能输出一个控制电压，迫使VCO的频率的频率与输入信号同步。如果输入信号为调频波，与输入信号同步。如果输入信号为调频波，频率随调制信号频率随调制信号s（t）变化，则经）变化，则经PD和和LF的处理后，得到的控制电压必然和输的处理后，得到的控制电压必然和输入信号的频率变化规律相对应。若从环路入信号的频率变化规律相对应。若从环路滤波器引出控制电压，即可得到调频波的滤波器引出控制电压，即可得到调频波的解调信号。解调信号。 调幅波的同步检波调幅波的同步检波w 采用锁相环路可从所接收的信号中提取载采用锁

16、相环路可从所接收的信号中提取载波信号，实现调幅波的同步检波。波信号，实现调幅波的同步检波。 频率合成器频率合成器 锁相倍频和分频锁相倍频和分频锁相倍频和分频锁相倍频和分频w 锁相倍频电路是在基本锁相环路的反馈通锁相倍频电路是在基本锁相环路的反馈通道中插入分频器组成。当环路锁定时，道中插入分频器组成。当环路锁定时，PD的两个输入信号角频率相等，即的两个输入信号角频率相等，即wi= wV，而，而wV是是VCO输出信号经输出信号经n次分频后次分频后的角频率，所以的角频率，所以VCO输出角频率输出角频率wV是输是输入信号角频率入信号角频率wi的的n倍，即倍，即wV=nwi。若输。若输入信号由晶振产生，分频器的分频比是可入信号由晶振产生，分频器的分频比是可变的，则可以得到一系列稳定的间隔为变的，则可以得到一系列稳定的间隔为wi的角频率信号输出。的角频率信号输出。 频率合成器频率合成器w 利用一块或少量晶体，采用综合或合成的利用一块或少量晶体，采用综合或合成的手段，可以