第7讲_集成锁相环路
锁相环工作原理
锁相环工作原理锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。
其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。
因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。
锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。
在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。
因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。
因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。
锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。
它由以下三个基本部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。
锁相环的工作原理：1. 压控振荡器的输出经过采集并分频；2. 和基准信号同时输入鉴相器；3. 鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压；4. 控制VCO，使它的频率改变；5. 这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。
锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。
当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。
这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。
当有频率为fR的参考信号输入时，uR 和uv同时加到鉴相器进行鉴相。
如果fR和fv相差不大，鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv= fR，环路锁定。
环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。
锁相环教学讲义
输入输出特性：
o(t)oK uc(t) K
压控灵敏度
3 锁相环的基本组成分析
3、压控振荡器（VCO）
例
O(t)22R1RR34CuUi(Zt)
令：
2R4 1
2R1R3CUZ
K
uc(t)ui(t)
则有： O(t)Kuc(t)
若当uc(t)为零或直流电压时，其固有振荡角频率为ωo,
使捕捉时间变长的主要原因。
(3) Δωi很大：Δωi远远大于环路滤波器的通频带和捕捉频带。 这时鉴相器输出的电压uD(t)不能通过环路滤波 器，滤波器的输出为零或保持不变，VCO的输出
频率也保持不变，环路处于失锁状态。
2. 跟踪过程
跟踪过程——已锁定的环路，若ωi（或o）发生变化时，则 VCO振荡角频率o跟踪ωi而变化，维持o=ωi
捕捉带（ΔωP）——能够由失锁进入锁定所允许的输入信号角频
率ωi偏离o的最大值|Δωi|(最大固有角频
差)
捕捉时间（τP）——捕捉过程所需要的时间。
当未加ui(t)时，VCO上没有控制电压，振荡角频率为o。
当加入恒定ωi的输入时→产生固有角频差Δωi= ωi-o，同时形
成瞬时相差φe(t) uD(t)
uD(t)
(a) 0
uD(t)
ωa
o
ΔωP
(捕捉带)
锁相环路（PLL） 及应 用
本章教学内容
1 锁相环路概述 2 锁相环的基本结构和工作原理 3 锁相环的基本组成分析 4 锁相环的环路模型 5 环路的捕捉与跟踪过程 6 锁相环的应用
教学重点
▪锁相环的构成及基本原理 ▪环路的锁定、捕捉和跟踪；环路的同步带 和捕捉带 ▪锁相环的数学模型
锁相环路优质获奖课件
r
捕获时间(τP )——环路由失锁状态进入锁定 状态所需旳时间
跟踪过程—环路维持锁定旳过程
跟踪过程（同步过程）
➢假化=ω如 ，i 旳输 则V锁入C定信O状号振态频荡，率频称ω率为iω或跟o跟V踪C踪O过ω振程i荡而或频变同率化步ω，过o维程发持。生ω变o
锁相环路内接入分频器后，其环路增益将下降为原
来旳1/N。当要求频率间隔很小时，其分频比N旳变
化范围将很大，造成环路增益也大幅度旳变化，从 而影响到环路旳动态工作性能。
可编程分频器旳分频比旳数目决定了合成器输出信 道旳数目，而程序分频旳输入频率就是合成器旳输 出频率。因为可编程分频器旳工作频率比较低，无 法满足大多数通信系统中工作频率高旳要求。
自动跟踪特征
➢ 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旳变化
6.3 集成锁相环路及其应用
本
集成锁相环路简介
节
锁相环旳应用
内
➢ 锁相倍频、分频与混频
容
➢ 锁相调频与鉴频 ➢ 调幅波旳同频检波
➢ 彩色电视机色副载波旳提取
➢ 锁相接受机
频率合成
➢ 主要技术指标
➢ 锁相频率合成器
锁相频率合成是用锁相技术间接合成高稳定度频率 旳合成措施，它由基准频率产生器和锁相环路两部 分构成。
第6章 锁相环路
内
锁相环路旳基本工作原理
容
➢ 基本构成
提
➢ 工作原理
要
锁相环路旳性能分析
➢ 锁相环路旳相位模型与环路方程
➢ 捕获过程与跟踪过程
➢ 锁相环路旳基本特征
集成锁相环路及其应用
锁相环PLL
光耦合器
2.电流传输比 光耦合器的重要参数，通常用直流电流传 输比来表示，当输出电压保持恒定时，它等 于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分 比。有公式 CTR=IC/IF *100%。
光耦合器
六、选用原则
1.光耦合器的电流传输比（CTR）的允许范围为 50%-200%。 这时因为当CTR<50%时，光耦合器中的LED就需 要较大的工作电流（IF>50mA），才能正常控制占 空比，这会增大光耦合器的功耗。如果当 CTR<200%，在启动电路或者当负载发生突变时， 有可能造成误触发，影响正常输出。
其中，1.通用型属于中速光耦合器，其电流传输比 为25%-300%。达林顿型光耦合器的速度较低，其 电流传输比可达到100%-5000%。 2.高速型光耦合器具有速度快、输出线性好等优点。 由光集成电路构成的光耦合器属于高速光耦，电流 传输比较大。
光耦合器
3.光纤型光耦合器能够耐压高，其绝缘电压 值超过100kV。 4.光敏晶闸管型光耦合器属于大功率输出的 光耦典型产品有4N39（内含单向晶闸管）， IS607（内含双向晶闸管）。光敏场效应管型 光耦合器的特点是速度快，交、直流两用。
隔离变压器
三、图形符号（见P56 图5-17）
隔离变压器
四、作用
隔离变压器是交流电源转换的一种重要的静止型电 磁感应器件，广泛应用于电器、控制、船舶及测试 等行业。 1.绝缘耐压特性 2.电源滤波作用
隔离变压器
五、应用
图一 常见的晶闸管触发电路
图二 典型的直接耦合式GTO驱动电路
光耦合器
一、概念 光耦合器（Optical Coupler）也称光电耦合 光耦合器 器或隔离器，简称光耦 光耦。 光耦
锁相环原理整理ppt共27页文档
2、当 i Ad A0 时
设i i r，闭合前：VCO的角频率为 r
环路闭合的瞬间，由PD产生 dtAdsinet
此时 et it ot 0 t id t it
即 dtAdsinit
此时，dtA dsin it ct，使 o ( t )在 r 下摆动，而 i
6.4
锁定状态的稳态相位差 式中，n为正整数。
earcsinAdAi0 2n
随着 i 的 增加，A、B两点逐 渐靠近，当 i Ao 时，A、B两点重合， 无稳定的平衡点，环 路无法锁定，如图 （b）、（c）所示。
图6.4.1 一阶环路的动态方程图解
所以，环路能够锁定所允许的最大
A d A o ，且环路的各种重要特性也都由它来决定。如若希 望环路的同步范围大和稳态相差小，则要求增益A d A o 大。
但在增大 A d A o 的同时，环路的上限频率 H 也提高了，结 果将使环路的滤波性能变坏。
二阶环的路的同步带 LAdA0AF(0)
实际上，任何环路的同步带均等于环路直流总增益A 0 。 在二阶环路中，其捕捉过程中的快捕锁定过程与一阶 环路相同，但其频率牵引过程却与一阶环不同。
是正弦波，而是正半周长负半周短的不对称波形。
d 中的平均分量（V D ）和基波分量（Vd sine）可由LF
取出加到VCO上，且V D
为正值。正的 V D
使VCO的
的平均
o
值由 r 上升到 r a v 。显然，通过这样的反馈和控制过
程，使
o 的平均值向
i 靠近，这个新的
为n+1， n为LF的阶数。 如当采用一阶无源RC积分滤波器时，则PLL为二阶。
二、一阶环路捕捉过程的讨论 无环路滤波器（AF (p) 1）的锁相环为一阶环，其动
锁相环路工作原理
摘要：锁相环路是PLL 是一个能够跟踪输入信号相位变化，以消除频率误差为目的的闭环自动控制系统。
锁相环环路PLL 主要由鉴相器PD 、环路滤波器LF 和电压控制振荡器VCO 组成，工作原理主要是频率牵引和相位锁定。
PLL 在无线电技术很多领域，如调制与解调、频率合成、数字同步系统等方面得到了广泛运用，已经成为现代模拟与数字通信系统中不可缺少的基本部件。
关键词：锁相环；鉴相器；压控振荡器；环路滤波器1锁相环基本工作原理锁相环（PLL ）主要由鉴相器（PD ）、环路滤波器(LF) 、压控振荡器(VCO)三部分组成。
基本组成框图如图1所示。
图1 锁相环结构图图1中，输入信号()i u t 与反馈输出信号()o u t 的相位进行比较，得到误差相位()e t θ，并由此产生误差电压()D u t ，误差电压经过环路滤波器过滤得到控制电压()c u t ，()c u t 控制VCO 的振荡频率，改变输出信号()o u t 的频率和相位，同时改变了输出信号和输入信号的相位差()e t θ。
即控制电压加到压控振荡器上使之产生频率偏移，来跟踪输入信号频率()i w t 。
当输出信号频率等于输入信号频率时，会有一个稳态相位差，使鉴相器输出一个稳定的直流误差电压，控制VCO 输出信号频率稳定在输入信号频率上，即为PLL 的锁定状态。
在PLL 中，鉴相器的鉴相特性 ()()D d e u t K t θ= （1） 式中：d K 为鉴相器灵敏度。
压控振荡器VCO 的控制特性为 v w =o w +c K ()c u t （2） 式中：o w 为压控振荡器的自由振荡频率（c u 为0时的固有频率），c K 为压控灵敏度。
若输入信号()i u t 为单频信号，()sin[]i i i i u t U wt θ=+，则相位误差()e t θ为()[()]()()tte i i o c c i o i c c t w t w K u t dt w w t K u t dt θθθ=+-+=-+-⎰⎰（3）令环路滤波器单位冲击响应()()h t t δ=，则控制电压()c u t 为()[()]*()()c d e d e u t K t t K t θδθ==因此 ()()()()e i o c c d e d t w w K u t w K t dtθθ=--=∆- （4）式中：()e d t dtθ为环路的瞬时频差，i o w w w ∆=-为环路的固有频差，()d e K t θ为由()c u t 控制VCO 产生的控制频差。
锁相环
用途
用途
锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步，以提高抗干扰能力。20世纪50年代后期随着空间技术的 发展，锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。60年代初随着数字通信系统的发展，锁相环应用愈广， 例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起 来的。在电子仪器方面，锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用.
锁相环
无线电术语
01 类比说明
03 优点 05 工作原理
目录
02 简介 04 用途
基本信息
锁相环 (phase locked loop)是一种利用相位同步产生的电压，去调谐压控振荡器以产生目标频率的负反 馈控制系统。根据自动控制原理，这是一种典型的反馈控制电路，利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信 号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，一般用于闭环跟踪电路。是无线电发射中使频 率较为稳定的一种方法，主要有VCO（压控振荡器）和PLL IC （锁相环集成电路），压控振荡器给出一个信号， 一部分作为输出，另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差 不发生改变，如果有相位差的变化，则PLL IC的电压输出端的电压发生变化，去控制VCO，直到相位差恢复，达 到锁相的目的。能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。
数字锁相环工作原理
数字锁相环主要由相位参考提取电路、晶体振荡器、分频器、相位比较器、脉冲补抹门等组成。
谢谢观看
PLL：phase Locked Loop相同步回路，锁相回路，用来统一整合时脉讯号，使内存能正确的存取资料。
直接数字频率合成（DDS—Digital Direct Frequency Synthesis）技术是一种新的频率合成方法，是频 率合成技术的一次革命，JOSEPH TIERNEY等3人于1971年提出了直接数字频率合成的思想，但由于受当时微电子 技术和数字信号处理技术的限制，DDS技术没有受到足够重视，随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路 和微电子技术的发展，DDS技术日益显露出它的优越性。
锁相环基本原理及其应用
锁相环及其应用所谓锁相环路，实际是指自动相位控制电路（APC），它是利用两个电信号的相位误差，通过环路自身调整作用，实现频率准确跟踪的系统，称该系统为锁相环路，简称环路，通常用PLL表示。
锁相环路是由鉴相器(简称PD)、环路滤波器（简称LPF或LF）和压控振荡器（简称VCO）三个部件组成闭合系统。
这是一个基本环路，其各种形式均由它变化而来PLL概念设环路输入信号v i= V im sin(ωi t+φi)环路输出信号v o= V om sin(ωo t+φo)——其中ωo=ωr+△ωo通过相位反馈控制，最终使相位保持同步，实现了受控频率准确跟踪基准信号频率的自动控制系统称为锁相环路。
PLL构成由鉴相器（PD）环路滤波器（LPF）压控振荡器（VCO）组成的环路。
PLL原理从捕捉过程→锁定A.捕捉过程（是失锁的）a.φi┈φi均是随时间变化的，经相位比较产生误差相位φe=φi-φo,也是变化的。
b.φe(t)由鉴相器产生误差电压v d(t)=f(φe)完成相位误差—电压的变换作用。
v d(t)为交流电压。
c. vd(t)经环路滤波，滤除高频分量和干扰噪声得到纯净控制电压，由VCO产生控制角频差△ω0,使ω0随ωi变化。
B.锁定（即相位稳定）a.一旦锁定φe(t)=φe∞（很小常数）v d(t)= V d（直流电压）b.ω0≡ωi输出频率恒等于输入频率（无角频差，同时控制角频差为最大△ω0max, 即ω0=ωr＋△ω0max。
ωr为VCO固有振荡角频率。
）锁相基本组成和基本方程(时域)各基本组成部件鉴相器(PD)数学模式v d(t)=A D sinφe(t)相位模式环路滤波器(LPF)数学模式v c(t)=A F(P)v d(t)相位模式压控振荡器(VCO)数学模式相位模式环路模型相位模式：指锁相环(PLL)输入相位和输出相位的反馈调节关系。
相位模型：把鉴相器,环路滤波器和压控振荡器三个部件的相位模型依次级联起来就构成锁相相位模型。
锁相环路-通信电路-课件-07
PLL具有两种工作状态
锁相环路具有两种工作状态：捕获与跟踪。 (1)捕获状态──环路由失锁进入锁定的过程 开始工作时，环路是失锁的。压控振荡器的频率将 向着接近输入信号频率的方向变化，这就是捕获状 态。－－（捕捉带内） (2)跟踪状态─环路锁定后VCO跟踪输入信号频率与 相位的漂移或调制变化的过程。－－（同步带内）
17
（1）鉴相器（PD）
统一参考相位
为便于比较，统一以VCO的自由振荡相位 为参考 ，输入信号相位改写为：
i 0t i (t ) o0t (i 0 o0 )t i (t ) o0t 1 (t )
1 (t ) (i 0 o0 )t i (t ) 0t i (t )
5
AGC控制特性
当输入信号小于门限电平V1时， 系统无控制作用
输出电压随输入电压线性放大
当输入信号超过门限电平V1时， AGC电路起控制作用
输出电压随输入电压的增强， 仅有极小的变化
放大器输出电平几乎是固定 的
当输入信号很大，超过AGC控 制电路工作范围，AGC控制作 用消失
9
简单AGC电路
调幅接收机AGC电路－改变中频放大器工作点，改变增益
Vcc
R6
R5
C5
至下级 中放
C6
D
R1
R2
R4
C4
C1
C2
AGC 电压
C3
至低放
R3
低通滤波
电平检测
10
差分放大器增益控制电路（见教材p112)
图中T1 T2 组成差分放大器，信号从两个晶体管的基极输入，由两 个集电极间输出。 VCC D 增益控制电压 VC 经 R A 加于两二极 D1、 2 的正 D 极， D1 、 2 构成差分放大器的发射极负反馈电路。 RC RC 26(mV ) 设每只二极管的动态内阻为 rd ， rd I E (mA) IE为流过二极管的电流。
《锁相环路》课件
环路滤波器
01
环路滤波器是锁相环路中的重要组成部分，用于滤除
鉴相器输出信号中的高频分量，以减小噪声和干扰。
02
它通常由RC电路或运算放大器构成，能够实现低通
滤波功能。
03
环路滤波器的参数设置对锁相环路的性能有很大影响
，需要根据实际情况进行调整。
压控振荡器
01
压控振荡器是锁相环路中的输出信号源，用于产生调频或调相 的输出信号。
05
锁相环路的设计与实现
设计原则与步骤
设计原则：稳定性、准确 性、可靠性、易实现性。
1. 确定系统参数和性能指 标。
3. 进行理论分析和仿真验 证。
设计步骤
2. 选择合适的元件和电路 结构。
4. 优化设计并进行实验测 试。
实现方法与技巧
实现方法：硬件实现、软件实现、软硬件结合 实现。
01
1. 选择合适的元件和电路，确保稳定性。
跟踪速的频率与相位精度
频率精度
锁相环路输出信号的频率与输入信号的频率之间的误差。
相位精度
锁相环路输出信号的相位与输入信号的相位之间的误差。
抗干扰性能与稳定性
抗干扰性能
锁相环路在存在噪声或干扰的情况下，保持锁定状态的能力。
稳定性
锁相环路在各种工作条件下，性能参数的变化情况，以及环路对参数变化的适应能力。
输出信号的调整与控制
调整环路参数
根据误差信号调整环路参数，如环路滤波器的增益、相位滞后等，以控制环路输 出信号的相位。
控制环路状态
通过调整环路参数，控制环路的锁定状态，使环路输出信号的相位与输入信号保 持一致。
04
锁相环路的性能指标
锁定时间与跟踪速度
锁定时间
锁相环路学习.pptx
2
(n2 2 ) 2n2
e
tg1
2n n2 2
第29页/共62页
28
环路的暂态响应
• 假设环路是线性系统，t<0 时处于锁定状态, t=0 时 环路出现不同的相位变化. 观察输出相位的变化过程 (采用有源比例积分滤波器)
• t<0, ui(t)=Uimsint • uo(t)=Uomcost • T=0, ui(t)=Uimsin[t+ i(t)] • uo(t)=Uomcos[t+ o(t)] • e(S)=[1-H(S)] i(S)
H（j2f）2
• 一阶环路： 1
• BL=K0Kd/4
• 有源比例积分滤波器 的二阶环路：
• BL=n（1+42） /8
0
BL
f
等效噪声带宽的几何意义
34
第35页/共62页
4-2 锁相环路的非线性分析
• 环路锁定、失锁、牵引过程
o= i - o
（1） o 比较小时
1
（t）
o
i o
o
0
t1 t2
t
环路第3的6页快/共捕62页过程
1 锁相接收机
i -O
i 混频
O
N
中放 VCO
i -O 鉴相 低通
问题：
锁相接收机的组成
1（1）Bi>5B3dB; （2）环路增益不能太大；
2 假锁
第50页/共62页
中频 参考电压 IO
49
2 锁相鉴频
输入
鉴相
输出滤波 环路滤波
VCO 锁相鉴频器组成
输出滤波
输出
50
第51页/共62页
输入调频信号：ui (t) Uim sin[it m (t)]
锁相环的电路组成、器件参数及工作原理
摘要：简单介绍了锁相环电路的基本概念及原理，以通用型集成锁相环4046为例主要介绍了锁相环的电路组成、器件参数及工作原理，并对COMS集成锁相环CC4046的应用做了简单研究。
关键词：锁相环鉴相器压控振荡器1 引言锁相环作为一种重要的功能电路在通信、导航、控制、仪器仪表等领域得到了广泛的应用。
20世纪70年代以后随着集成电路技术的飞速发展，出现了多种型号的集成锁相环产品，其中模拟式集成锁相环以NE/SE 560系列最为常用，COMS集成锁相环CD/CC4046最具代表性。
两者基本原理相同，区别在于前者的鉴相器由模拟电路组成，而后者由逻辑电路组成。
2 锁相环的基本概念所谓锁相，就是相位同步的自动控制。
完成两个信号间相位同步的自动控制系统的环路叫做锁相环，也称PLL（Phase Locked Loop)。
最典型的锁相环由鉴相器（Phase Detector）,环路滤波器（Loop Filter）,压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator）三部分组成，如图1所示。
图1 PLL功能框图其中，鉴相器相位比较作用，其输出电压反映两个输入信号间的相位差（与频率之差成线性关系）的大小。
该电路通过具有低通特性的环路滤波器后，建立起一个平均电压，作用于VCO的控制输入端，VCO的振荡频率则由其控制电压的大小决定，当控制电压=0时，对应的振荡频率称为VCO的固有频率。
整个环路根据负反馈的原理构成，鉴相器的输出电压总是朝着减小VCO振荡频率与输入信号之差的方向变化，直到VCO振荡频率与输入信号频率获得一致，当这种情况出现时，称VCO的频率锁定于输入信号的频率或简称锁定。
环路由失锁状态进入锁定状态的过程称为捕捉过程。
在捕捉过程中，VCO振荡频率逐渐趋同于输入信号频率的现象，称作频率牵引。
在频率牵引过程中，环路有能力自行锁定的最大输入信号频率范围称为捕捉频带或简称捕捉带，它是反映捕捉能力优劣的一个重要指标。
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1 P 2 F ( P) A 1 P1
1 p 2 传输算子可表示为： F ( P) P1'
7.2 集成锁相环路中的单元电路
环路滤波器
有源比例积分滤波器 其频率特性为：
1 j 2 F ( j) j1'
7.2 集成锁相环路中的单元电路
集成压控振荡器
Ko vc (t ) v (t ) o v (t ) 控制角频差
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的捕捉、锁定与失锁
捕捉过程 初始时刻，外输入信号角频率i与固有振荡角频率o不相 等也不相干 鉴相器输出这两个信号的差拍信号 (t )、 (t )为固定值
vd (t ) Kd sin[ot i (t ) o (t )] 上下对称的正弦波 若 o 大于环路低通滤波器的通频带，差拍信号被滤除，
模拟乘法器实现鉴相功能
7.2 集成锁相环路中的单元电路
集成鉴相器
数字式鉴频鉴相器
vi(t)
vo(t)
7.2 集成锁相环路中的单元电路
集成鉴相器
数字式鉴频鉴相器
vi(t)
vi(t)
vi(t)
(a) vi(t)与vo(t)同相
(b) vi(t)滞后vo(t) (c) vi(t)超前vo(t)
R2 R1 R2
7.2 集成锁相环路中的单元电路
环路滤波器
有源比例积分滤波器 传输微分算子：
式中τ1=(R1+AR1+R2)C， τ2=R2C A是运放的开环电压增益，若A很高， τ1 ≈ AR1C，则 1 PR2C 1 PR2C F ( P) A A 1 PAR1C PAR1C 负号不影响滤波器特性，令τ’1=R1C ，故A值很高时，
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的组成
组成框图 鉴相器（PD） 环路滤波器（LF） 压控振荡器（VCO）
vi(t) vo(t)
vd(t)
vc(t)
vo(t)
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的组成
vi(t) vo(t)
vd(t)
鉴相器 实现相位差—电压变换 将输入基准信号vi(t)与压控振荡器输出信号vo(t)的相位进行 比较，产生对应于两信号相位差的误差电压vd(t) 多采用具有正弦鉴特性模拟乘法器 鉴相器工作原理以及各信号相位定义
差拍波不再是正弦信号，正负半周不对称 不对称的差拍波的直流、基波分量被环路滤波器保留，加 到压控振荡器 直流分量使压控振荡器的中心频率向i偏移 中心频率的偏移使得差拍信号的频率变低，直流分量变大 使得压控振荡器的角频率更快地靠近i
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的捕获、锁定与失锁
锁定 直到压控振荡器输出的瞬时角频率 v i 鉴相器输出由差拍波变成直流电压 环路在此频率下稳定 环路进入锁定状态 综上所述，当 e (t ) 0 ，即 lim p e (t ) 0 时，
稳频 调制 解调 同步 控制 测量
7.3 集成锁相环路的应用
FM调制电路
组成框图
f0
工作原理 压控振荡器直接用于调频 利用锁相环的锁定特性，得到稳定的载波频率
7.3 集成锁相环路的应用
AM同步解调电路
组成框图
工作原理 利用锁相环来产生与AM信号载波同频同相的解调参考信号
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的组成
环路滤波器 线性低通滤波器 抑制高频分量，获得更纯的控制电压vc(t) 用于控制压控振荡器的输出频率v 环路滤波器的传递函数描述
时域描述（线性微分方程）
vc (t ) F ( P)vd (t ) P d / dt
频域描述（拉氏变换）
vd(t)
t
Ko Kd F (0)sin e () v () o F (0) 为环路滤波器的直流增益
o e () arcsin Ko K d F (0)
稳态相位误差
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的捕获、锁定与失锁
失锁 当i变化太大时，导致 | o | Ko Kd F (0) o 令 e () arcsin 无解，环路失锁 Ko K d F (0) 压控振荡器的v不再与i同步变化
dt dt 当输入信号vi(t)的角频率i和初相位θi均为固定值时 di (t ) p1 (t ) o，（ =0） o i o 固有角频差 dt Ko Kd F ( p)sin e (t ) P2 (t )
因此在任何时刻 e (t ) o v (t )
7.3 集成锁相环路的应用
锁相跟踪滤波器
跟踪滤波器： 一个带通滤波器 其中心频率能自动地 跟踪输入信号载波频率 的变化 特点： 即使外输入信号消失 或淹没在噪声中， 仍能保持环路的锁定
7.2 集成锁相环路中的单元电路
环路滤波器
无源比例积分滤波器 1 2P 传输微分算子： F ( P) 1 1P
式中τ1=(R1+R2)C， τ2=R2C 令P=jΩ, 滤波器的频率特性： 1 j 2 F ( j) 1 j1 当频率很高时：
F ( j)
积分—施密特触发控制多谐振荡器 射极定时压控多谐振荡器 变容二极管压控振荡器 差动式晶体压控振荡器 数字门压控振荡器
第7讲 集成锁相环路
锁相环路的工作原理 7.2 集成锁相环路中的单元电路 7.3 集成锁相环路的应用
7.1
7.3 集成锁相环路的应用
集成锁相环的应用分类
pe (t ) p1 (t ) Ko Kd F ( p)sin e (t )
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路相位模型和基本方程
环路微分方程： pe (t ) p1 (t ) Ko Kd F ( p)sin e (t )
pe (t ) de (t ) / dt e (t ) 为环路瞬时角频差 di (t ) d p1 (t ) [ot i (t )] o
Kd
Kd
鉴相器工作原理以及各信号相位定义
鉴相器输出误差电压vd(t)
乘法器输出：
' vd (t ) K m vi (t )vo (t ) K mVim sin[ot 1 (t )]Vom cos[ot 2 (t )]
1 1 K mVimVom sin[2ot 1 (t ) 2 (t )] K mVimVom sin[1 (t ) 2 (t )] 2 2
vo(t)
vo(路
vi(t)
集成鉴相器
门鉴相器 1 或门鉴相器 输出平均误差电压：
vo(t)
v’d(t)
vd(t)
e Vdm (1 ) (0 e ) 2 vo(t) vd (t ) Vdm (3 e ) ( 2 ) e v’d(t) 2
能够维持锁定状态的固有角频差范围 | o | Ko Kd F (0)
称为环路同步带宽，用 H 表示
H 2Ko Kd F (0)
第7讲 集成锁相环路
锁相环路的工作原理 7.2 集成锁相环路中的单元电路 7.3 集成锁相环路的应用
7.1
7.2 集成锁相环路中的单元电路
集成鉴相器
o i o 为固有角频差
又令
2 (t ) o (t )
锁相环输入输出信号可改写为：
vi (t ) Vim sin[ot 1 (t )]
vo (t ) Vom cos[ot 2 (t )]
均以固有振荡相位ot为参考
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的组成
v o o c
其中o为固有振荡频率 Ko为控制灵敏度，量纲为rad/s· V
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的组成
压控振荡器 输出电压的瞬时相位θ2(t)直接影响鉴相器的输出
2 (t ) Ko vc (t )
0
t
改写成微分算子形式：
Ko 2 (t ) vc (t ) P
数学模型：
vc(t)
P d / dt
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路相位模型和基本方程
相位模型
vd(t) vc(t)
环路微分方程： Ko e ( t ) 1 ( t ) 2 ( t ) 1 ( t ) vc ( t ) P 1 1 (t ) K o K d F ( p) sin e ( t ) P
i
o
不能形成控制电压，压控振荡器输出角频率仍为o ，系统 不发生改变
若 o 在环路低通滤波器的通频带内，差拍信号通过环路 滤波器控制压控振荡器，产生中心频率为o的调频信号
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的捕获、锁定与失锁
捕捉过程 中心频率为o的调频信号立即送返至鉴相器
鉴相器输出正弦波和调频波的差拍波
vo(t) vi(t) vo(t)
v’d(t)
Kd
U dm
7.2 集成锁相环路中的单元电路
环路滤波器
RC积分滤波器 传输微分算子： F ( P)
1 1 P1
式中τ1=RC是时间常数,是这种 滤波器唯一可调的参数 令P=jΩ, 滤波器的频率特性：
1 F ( j) 1 j1
1 vd (t ) K mVimVom sin[1 (t ) 2 (t )] K d sin e (t ) 2 1
其中 K d
2 K mVimVom 为鉴相灵敏度