笫7章 锁相环路3.ppt

1、笫7章 锁相环路,一、锁相环路的基本概念 反馈控制电路概 述 PLL各部件的特性与数学模型 二、PLL的线性分析 P L L 的线性模型与传递函数 P L L 的稳态相差 PLL的稳定性（*） 三、PLL的非线性分析 一阶环路的非线性分析 二阶环路的非线性分析 四、集成锁相环介绍 PLL电路实例与应用举例,PLL基本原理 PLL的环路方程与相位模型 P L L 的跟踪特性 P L L 的频率特性 PLL的噪声特性（*）,三、PLL的非线性分析,（1）研究的问题：捕捉特性和同步特性,捕捉是指失锁的环路通过自身调节，从失锁变为锁定的过程。 由于相位差很大，PLL部件特性不能用线性近似非线性分析,条

2、件：当输入信号刚刚加到PLL输入端时，有起始频差：,若 超过某个数值 ，环路将不能进入锁定状态，,捕捉带：保证环路能进入锁定所允许的最大输入起始频差。 若不经过周期跳越(一周期内）环路就能入锁，则称为快捕，相应的把能实现快捕的最大输入起始频差称为快捕带 。,称 为PLL的捕捉频带。,PLL的捕捉带 ？与哪些因素有关？,捕捉特性指环路由失锁进入锁定的条件、过程及所需时间。,三、PLL的非线性分析,过程：环路进入锁定状态的过程，一般有两个过程： 频率牵引和相位锁定。,时间：从输入信号加到环路的输入端起，到环路进入锁定状态的时间称为捕捉时间，用 表示。主要是频率牵引时间。,（1）研究的问题：捕捉特性

3、和同步特性（续1）,同步特性是指在环路已进入锁定状态后，输入信号的频率发生变化时，压控振荡器能跟踪输入信号频率变化的最大范围，又称为PLL的非线性跟踪特性。 用同步带（同步频带或保持频带）来表征。,三、PLL非线性分析,同步带 ：能够维持环路锁定所允许的最大输入固有频差。即当环路已处于锁定状态后，改变输入信号的频率，由于环路的反馈控制作用，VCO的频率将随输入信号频率变化。但VCO的频率变化范围是有限的。当输入信号频率超过 某一边界值 后，压控振荡器不再能跟踪它的变化，环路将失锁。,捕捉带 指失锁 锁定，所允许的最大输入固有频差。 同步带 指锁定 失锁，所允许的最大输入固有频差。,（1）研究的

4、问题：捕捉特性和同步特性（续2）,非线性分析中研究的问题和方法（续3）,（2） 分析方法： 主要采用相平面图法,这是一种求解非线性微分方程的图解法， 适用于一阶和二阶环路。,在组成环路的各部件中，仅考虑鉴相器非线性特性。 并假定其特性为正弦函数。,仅讨论一阶环路和采用理想积分滤波器的二阶环路 的捕捉特性。,思考问题：根据以上定义，一阶环和二阶环路的捕捉带、捕捉时间、同步带有何不同？它们与环路参数有何关系？,一阶环路的非线性分析,一阶环路的环路方程为：,式中 。该式表示的是误差相位 值不同时，其时间变化率是怎样的。所以，尽管式中没有表示误差相位是怎样随时间变化的，但却完全可以描述反馈控制过程中，

5、误差相位的变化情况。,下面用图解法求解该非线性微分方程。,设 ，以 为自变数， 为因变数。,一阶环路的非线性分析相图,以 为横坐标， 为纵坐标。据上式可画出 的曲线，如下图所示，称其为相平面图。,返回1,一阶环路 的相平面图,0,返回2,返回3,一阶环路的非线性分析（续3）,（1）相平面图的特点：,曲线上的任何一点都表示系统的一个状态，称曲线上的点 为状态点，称曲线为相轨迹。,相轨迹有方向性：在横轴的上方， 0 ，相轨迹向右， 表明误差相位的值将随时间的增加而增加。在横轴下方，相轨迹向左 0，表明误差相位的值随时间而减小。,在曲线与横轴的交点，a , b , c 点处， = 0 ，,称为系统的

6、平衡点。,称 a 和 C 点称为稳定平衡点，b 点为不稳定平衡点。,曲线与横轴相交的情况决定于 和 的值。,相平面图,一阶环路的非线性分析（续4）,（2）一阶环路的非线性分析（相位锁定过程）,相平面图,当 时，不论 起始为何值，环路总能达到 稳定平衡点。这就是说，只要满足 ，环路就能 进入锁定状态，所以一阶环路的捕捉带为 。,一阶环路的快捕带 等于捕捉带。,稳定平衡点的表示式为：,若 ，则可得近似式：,它与一阶环路在输入信号为频率阶跃时的稳态相差是一致的。,一般情况下,一阶环路的非线性分析（续5）,捕捉时间,为计算捕捉时间，可以利用相图求出与 t 的关系曲线， 然后求捕捉时间。,理论上环路达到

7、稳定平衡点的时间是无穷长。,实际上， 当 小于某值时，认为达到稳态。一阶环捕捉时间：,一阶环路的同步带 等于捕捉带 。,相平面图,一阶环路的非线性分析（续6）,（3）频率牵引过程,当 时，其相图如下图所示。 从图中可以看出，在这种情况下，没有 = 0的平衡点， 当然，也就没有稳定平衡点。 因此，环路不能进入锁定状态，称其为失锁状态。,定性分析：,从,所需时间为 。,所需时间为 。,从,返回,？,大,一阶环路的非线性分析（续7）,由上图所示曲线可以看出：,在失锁状态下，由于 ， 将连续变化，鉴相器输出一差拍信号。,但是由于在不同 值时，具有不同的 。,所以 的时间函数不是具有正斜率的直线。,鉴相

8、器的输出信号是非正弦波形，且正、负值部分不对称， 因此其中存在着直流分量，这个直流分量的大小由下式确定：,上图,这个直流分量使压控振荡器的振荡频率向输入信号的频率靠 近，这种现象称为“频率牵引”。,一阶环路的非线性分析（续8）,失锁状态下 和 随时间变化的曲线,t,t,一阶环路的非线性分析（续9）,一阶环路的频率牵引现象,1,2,2,3,3,1、开环情况： 2、闭环情况 3、闭环情况,二阶环路的非线性分析 （1）二阶环的相轨迹,用相图法分析二阶环路较一阶环路复杂，下面以含理想积分 滤波器二阶环路相图为例作简单说明。,当 = 0 和 （n为整数）时，对应于环路的稳定平衡点。,当 = 0 和 （n

9、为整数）时，对应于环路的不稳定平衡点。,在起始频差较大时，相轨迹近似于正弦波。 每变化 将有所下降，也即频差有所减小。从起始状态 到进入曲线(2)以前是频率牵引过程。,进入曲线(2)后为相位锁定过程，它使两者之间的频率差减小 为零，而保持一固定的相差。,相平面图,（2）相平面图上相轨迹的特点（续2）,返回1,返回2,1,2,3,2,4,4,频率牵引过程,相位锁定过程,在二阶环路中，由于含有环路滤波器，它的锁定过程往往包括两个阶段，即频率牵引和相位锁定。,二阶环路的非线性分析（续3）,在二阶环路中，由于有低通滤波器作为环路滤波器，它相当于一个积分器，将鉴相器输出的直流分量积分，从而使环路滤波器输

10、出的控制电压不断增加，使压控振荡器的振荡频率不断向输入信号频率靠近，直至环路进入相位锁定状态。,频率牵引过程：起始频差 鉴相器输出差拍信号 环路滤波器幅度衰减 VCO 输出一调频信号 鉴相器 （混频 ） 输出含有直流等各种分量 VCO 向输入信号频率靠近。,为什么处于失锁状态的一阶环路频率牵引后不能进入相位锁定，而二阶环路就可以？,二阶环路同步带大于捕捉带。,（2）二阶环路的非线性分析（续4）,有源比例积分滤波器（放大器增益有限）,二阶环路的捕捉带为：,二阶环路的快捕带为：,环路的捕捉时间近似为：,影响捕捉带因素：主要有环路滤波器和环路增益。环路滤 波器带宽宽，捕捉带宽，捕捉时间越短。噪声性能

11、差。,同步带为：,结论：,影响同步带因素：主要鉴相灵敏度、滤波器直流增益，VCO的线性范围、压控灵敏度等。,影响捕捉时间因素：固有频差、环路带宽、鉴相频率。,缩短捕捉时间措施： 给VCO加一个周期性扫描电压，使它的频率在 足 够宽的范围内摆动； 采用数字鉴频/鉴相器代替一般鉴相器； 在数字控制环中，可制定一个频率电压表，存于ROM中，预调VCO到所需频率附近，以加快捕捉。,*关于捕捉的几点说明,捕捉过程中低通滤波器起很大作用，鉴相器输出是差拍正 弦信号。,当 起始频差 很大时，鉴相器输出的差拍正弦信号频率很高，经环路滤波器后，输出电压几乎为零，无信号去控制VCO，环路不能捕捉。,当 起始频差

12、较小时，鉴相器输出的差拍正弦信号频率较低，在环路滤波器带宽内，正弦电压大，加到VCO，VCO输出一调频信号，即瞬时频率在 上下摆动。鉴相器输出为该信号与输入信号的差拍，差拍含有直流分量，不断增大，使VCO频率向输入信号频率不断靠拢，直至相等。,当起始频差 大小在两者之间，鉴相器输出的差拍正弦信号频率较高，经环路滤波器后，输出电压较小，含有直流分量小，使VCO频率向输入信号频率靠拢，但不能相等处于频率牵引状态。,举例：,已知一阶环鉴相器的 VCO的,问当输入信号频率,时，环路能否锁定？若能锁定稳态相差多大？此时控制电压为多少？,解：,环路增益：,固有频差：,捕捉带：,环路能锁定。,举例（续）,稳态相差：,控制电压：,自动频率控制AFC （Automatic Frequency Control）电路,AFC电路是一种频率反馈控制系统。使振荡器输出频率自动锁定到近似预期的标称频率。 在超外差式接收机中，经常用于保持中频频率的稳定。,AFC电路方框图,频率比较器为鉴频器，参考信号利用鉴频器的中心频率。,用图解法分析AFC电路的非线性特性,(a),(b),图(a)为鉴频特性，图(b)为VCO压控特性 图(c)为起始失谐为零时AFC电路的状态,(c),用图解法分析AFC电路的非线性特性 （续）,图(a