高频-第8章

c.
捕捉带(Δ ω p )—— 环路由失锁进入锁定所允许信 号频率偏离ω r的最大值。 捕捉时间(τ P )——环路由失锁状态进入锁定状态所 需的时间
第8章 数字电视
跟踪过程—环路维持锁定的过程
跟踪过程（同步过程）
如果输入信号频率ω i 或VCO振荡频率ω o 发生变 化，则VCO振荡频率ω o跟踪ω i 而变化，维持ω o =ω i 的锁定状态，称为跟踪过程或同步过程。
结论：闭合环路中任何时刻满足： 瞬时频差+控制频差=固有频差。
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捕捉过程—环路由失锁进入锁定的过程
当wo ≠ wi时捕捉， wo = wi时锁定。
a.Δ ω i 较小→ud(t) 能顺利通过LF得到uC(t) →控 制VCO→环路锁定
b.
Δ ω i较大→ ud(t) 通过LF有较大衰减→ uC(t) 较小→经频率牵引过程时间长→环 路锁定 Δ ω i很大→ ud(t) 不能通过LF产生uC(t) →VCO不受控→环路失锁
跟踪带（同步带）
– 能够维持环路锁定所允许的最大固有频差 |Δ ω i| ，称为锁相环路的跟踪带或同步带。
跟踪带（同步带）和环路滤波器的带宽及 压控振荡器的频率控制范围有关。
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锁相环电路各组成部分作用
鉴相器（相位比较器）：将输入参考信号的相位和压控振荡器
（VCO）的输出信号的相位比较，输出一个与相位差有关
设输入信号为固定频率的正弦信号（即 i , i 均为常量） 由于 1 ( t ) ( i 0 )t i 0 t i
d e ( t ) k0 kd F ( p ) sin e ( t ) 0 代入环路的微分方程可得： dt d e ( t ) e ( t ) 环路的瞬时角频差。 上式左边第一项 dt
vo(t)
θo(t)
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图8.2.2 用旋转矢量说明锁相环电路的频率跟踪原理
第8章 数字电视 经过相乘，并滤除和频分量，可得输出的误差电压为： 1 、 鉴 相 器 （ PD ）
d
PD 其中v te) f t ( t )i tf ) )0 0 )t ) 1 ( t ) 2 ( t ) vd(t) /θe(t) ( i e ( i ( t t 0 ( t ( 即 d 1 ( t ) i t 0 t i ( t ) 0 t i ( t ) (t) 鉴相特性的形式有许多种， vo) /θo(t) 2 ( t ) 0 ( t ) ( 0 i 0 如: vd(t) e ( t )为输入信号的瞬时相位差。 正弦特性，三角波特性，锯齿波特 性等，其中最基本的是正弦波特性， 由上式可得鉴相器的数学模型， 它可用一个模拟乘法器与低通滤波 如下图所示， θ1器串接而成。 (t) θe(t) vd kd sin e ( t ) kd sin 如果设环路输入信号： v i ( t ) Vim sin i t i ( t ) PD θ2(t) vi(t) PLL环输出的反馈信号： vd(t) 乘法器 低通滤 另外，可以看出： ( t ) v0 ( t ) 0 m sin 0 t 0 V 波 2 e 时， 当 vo(t) 6 0 v dVmkcos 0et ( 0 ( kd) e ( t ) sin t ) t d
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锁相环路(PLL)
锁相环路（Phase locked loop缩写PLL）是一种相位自动 控制电路，其作用是实现环路输出信号与输入信号之间无误差 的频率跟踪，仅存在某一固定的相位差。
通信 电视 PLL电路广泛应用于 遥测遥成 频率合成 精密测量
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第8章 数字电视 3、压控振荡器（VCO） 压控振荡器数学模型如右图所示。 压控振荡器：是瞬时频率 c ( t )受电压vc ( t ) 控制的振荡器。 其控制特性可用压控特性曲线来描述，如右图所示。
c 0 K 0Vv c((t ) KO/p t) c 其中： 0：为VCO在vc 0
i i
1 vd ( t ) KVimV0 m sin i t i ( t ) 0 tv 0 ( 是两个输入信号 鉴相器是一个相位比较器，输出信号 (t )t ) 2 vi(t) 与 v kd sin e e 的函数， (t)/ θ (t) o(t) 的相位差 v
∴有：p 1 ( t )
d 1 ( t ) 0 dt
固有角频差
左边第二项：k0 kd F ( p ) sin e ( t ) p 2 ( t ) k0Vc ( t ) c 0 c
是VCO受控制电压Vc(t)的作用后输出的瞬时角频率 c 与固有振荡频率 o 之差，称为控制角频差。 由以上分析可得： e ( t ) c 0
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第8章 锁相环电路
8.1 概 述 8.2 锁相环电路的基本原理 8.3 集成锁相环电路 8.4 锁相环电路的应用 8.5 锁相频率合成器 8.6 集成锁相环电路的选用与实例介绍
8.7 章末小结述
前面讲到AGC可以自动调节增益，使输出电平一定；利 用AFC可以控制振荡频率，并使之稳定。但由于一般的 AFC技术存在着固有频率误差问题（因为AFC是利用误 差来减小误差），往往达不到所要求的频率精度。 由于相位是频率变化对时间的积分，所以频率和相位有 关，就可以通过控制相位来控制频率——锁相环路。当 电路达到平衡状态之后,虽然有剩余相位误差存在,但频 率误差可以降低到零,从而实现无频差的频率跟踪和相位 跟踪。 锁相环电路还具有可以不用电感线圈、易于集成化、性 能优越等许多优点,因此广泛应用于通信、雷达、制导、 导航、仪表和电机等方面。
F(p)
vc ( t ) F ( p )vd ( t )
R1
vd （ t ）
R2
C
vc（t）
其中：1 ( R1 R2 )c1 , 2 R2 c , 通常R1>R2
③有源比例滤波器
1 Z f R2 sc 1 sR2 c 1 s 2 F( s ) Z1 R1 sR1c s 1
θ1(t) θ2(t) 2、基本方程 根据锁相环路相位模型，可得到以相位形式表示的基本 微分方程： vc ( t ) 1 1 ( t ) ko kd F ( p ) sin e ( t ) e 1 ( t ) 2 ( t ) 1 ( t ) k0 p p 瞬时频差 控制频差 固有频差 ∴环路的微分方程为： p e ( t ) p 1 ( t ) k0 k d F ( p ) sin e ( t ) θe(t)
第8章 数字电视
图8.4.1 锁相倍频电路的组成
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当环路锁定时,鉴相器输入信号角频率与反馈信号角频 率相等,即ωi=ωy ′ 。而ωy′是VCO输出信号经n次分频后的角 频率,所以VCO输出角频率ωy是输入信号角频率ωi的n倍,即 ωy ＝nωi 。若输入信号由高稳定度的晶振产生,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ωi的频率信
号输出。
显然,如将分频器改为倍频器,则可以组成锁相分频电路, 即ωy＝ωi／n。
在基本锁相环的反馈通道中插入混频器和中频放大器,
的误差电压。 环路滤波器（低通滤波器）：滤去鉴相器输出信号中的高频分
量，只让直流和低频分量通过，得到一控制电压uC （t）
压控振荡器（电压—频率转换器）：是振荡瞬时角频率wo（t） 受控制电压uC（t）控制的振荡器，使输出频率与输入参考 频率相等。
第8章 数字电视 锁相环的基本特性
（1） 环路在锁定状态下无剩余频差 锁相环路对输入的固定基准频率锁定后，压控振荡器输出 频率与基准频率的频差为零。环路输出可做到无剩余频差存在， 是一个理想的频率控制系统。 （2） 锁相环有良好的窄带特性 锁相环具有窄带特性，当压控振荡器频率锁定在输入频率 上时，仅位于输入信号频率附近的干扰成分能以低频干扰的形 式进入环路，而绝大多数的干扰会受到环路低通滤波器的抑制 ，从而减少了对压控振荡器的影响。 （3） 良好的跟踪特性 VCO的输出频率可以跟踪输入信号的变化，表现出良好的跟踪 特性。在接收有多普勒频移的动目标时，这种特性尤为重要。
-
vd（t）
+
vc（t）
RC滤波器 ① RC滤波器 传输函数：
无源比例滤 波器
有源比例滤 波器
1 1 Vc ( s ) F( s ) Rc 1 1 1 Vd ( s ) R s s sc Rc
1 sc
d 第8章 数字电视 ②无源比例滤波器 p 其中 为微分算子， dt vd ( t ) 1 R2 由上式可得环路滤波器的电 1 s 2 sc 1 sR2 c F( s ) 路模型如右图所示。 scR1 R2 1 s 1 1 1 R1 R2 sc
8.2 锁相环电路的基本原理 一、锁相环的组成部件
PLL是一个相位负反馈系统，可对输入信号的频率与相位 实施跟踪。
鉴相器( PD) 三个基本部分构成一个负反馈环。 环路滤波器( LF ) 压控振荡器(VCO )
vi(t) θi(t) vo(t)
PD
vd(t)
θe(t)
LF
vc(t) VCO
第8章 数字电视 2、环路滤波器LF
环路滤波器具有低通特性，其主要作用是滤除鉴相器输出 v 端的高频分量和噪声，d ( t ) 经LF后得到一个平均电压 vc ( t ) 用来 控制VCO的频率变化，常见的滤波器有以下几种形式。 R
vd（t）
R1 C
vc（t） vd（t）
R2
C
R2
C
R1 vc（t）
vd kd sin e ( t )
vc ( t ) F ( p )vd ( t )