锁相环

3、压控振荡器（VCO）
例
2R 4 ui(t ) O(t ) 2R 1R 3C U Z
令：
2R 4 1 Ao 2R 1R 3C U Z
uc(t ) ui(t )
则有：
o(t ) Aouc(t )
o(t ) o Aouc(t )
若当uc(t)为零或直流电压时，其固有振荡角频率为ωo,
uc(t ) K d sin d(t )
表明 uc(t ) 具有正弦特性。
3 锁相环的基本组成分析
2、环路滤波器（LF）
线性低通滤波器
锁相环路中通常采用一阶滤波器电路；有时需要较强地抑 制鉴相器输出中的交流分量时，也采用高阶滤波电路。
两个功能：
• 滤除误差信号中的高频分量及噪声；
• 为锁相环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时 噪声而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号。
1、鉴相器（PD） 2、环路滤波器（LF） 3、压控振荡器（VCO）
3 锁相环的基本组成分析
1、鉴相器（PD）
鉴相器框图 鉴相器电路模型
1.鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位和输出 信号相位之间的相位差，输出的误差电压是相位差的函数 。
u d ( t ) Ad sin e ( t ) 其 中 e ( t ) i ( t ) O ( t )
锁相环 是一种自动相位控制电路（系统）。
1 锁相环路概述 二 应用概述
（1） 在通信中的应用 主要用于短波、超短波发、收信机中的主振与本振源，有线通信中的载波供给， 微波卫星通信中的微波固态源与微波功率放大器，数字通信中的载波同步、码元同 步和网同步，以及上述各种通信系统中的调制与解调，电调与天调、自动频率微调 等系统中。 （2）在雷达中的应用 主要用于雷达的微波固态源，微波功率放大器、相共阵雷达的多相激励源、天 线自动跟踪与精密辅角偏转测量等系统中 （3）在导航设备中的应用 主要用于飞机、轮船和舰艇的导航定位监视系统中。 （4）在空间技术中的应用 主要用于卫星、导弹、火箭和飞船的测速定轨、测距与遥测数据获取系统中。 （5）在电视及高保真设备中的应用 主要用于电视机同步、门限扩展解调、色差副载波提取与色差信号的同步检波， 全国电视台的锁相连播同步系统，高保真度设备中的立体声多路解码（MPX）、频 率合成式调谐器、四声道解调器（CD-4）及走带电机速度控制系统中。
3 锁相环的基本组成分析
2、环路滤波器（LF） （1）RC积分滤波器
1 1 j C H ( j ) 1 R 1 jCR j C H ( s)
CR

1 1 s
功能模型
3 锁相环的基本组成分析
2、环路滤波器（LF） （2）无源比例积分滤波器
1 R2 j C H ( j ) 1 R1 R2 jC 1 jCR2 1 jC R1 R2 1 s 2 H ( s) 1 2 2 CR2 1 s
2.鉴相器特性可以是正弦形特性、三角形特性、锯齿形特性等。 常用的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤波器的串接而成。
3 锁相环的基本组成分析
1、鉴相器（PD）
模拟相乘器即为一种具有正弦鉴相特性的鉴相器。
（1）正弦波鉴相器（基于模拟相乘器）
设外界输入的信号为：
ui (t ) U1m sin[it i (t )] U1m sin i
自动跟踪特性
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的变化
应用之一：锁相倍频、分频与混频
倍频电路框图
当反馈环路是分频器时→倍频电路 当反馈环路是倍频器时→分频电路 当反馈环路是混频器和中频放大器时→混频电路
应用之二：锁相调频和鉴频
锁相环调频 锁相环鉴频
跟踪带（同步带） ——能够维持环路锁定所允许的 最大固有频差，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。
锁相环的基本特性
良好的窄带特性
环路相当于一个高频窄带滤波器，只让输入信号频率附 近的频率成份通过
锁定后没有频差
环路锁定后，输出信号与输入信号频率相等，没有剩余 频差（有微小固定相差）
2 1 AmU1mU 2 m sin{[(i o )t [ i (t ) o (t )]} 2
将误差电压ud(t)通过环路低通滤波器（LF),将其中的合频分量 滤掉，保留差频分量作为压控振荡器的输入控制电压 uc(t) ，则 uc(t)为：
3 锁相环的基本组成分析
1、鉴相器（PD） （1）正弦波鉴相器（基于模拟相乘器）
压控振荡器输出的信号为：
i (t ),o (t )
瞬时相位
uo (t ) U 2m cos[ot o (t )] U 2m coso 式中， 0 是为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流
电压时的振荡频率，称为电路的固有振荡频率。设乘法器 的增益系数为Am，则鉴相器输出的误差电压ud(t)
在控制电压的作用下，输出信号频率在固有频率的基础上 按一定规律变化的振荡电路。
作用——使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频 率相同，相位差恒定。
3 锁相环的基本组成分析
3、压控振荡器（VCO）
输入输出特性（线性）：
o(t ) o Aouc(t )
Ao
压控灵敏度
3 锁相环的基本组成分析
0
对应于式 uo (t ) U 2m cos[ot o (t )] U 2m coso
P=d/dt为微分算子
压控振荡器的模型
4 锁相环的环路模型
锁相环的相位模型
环路方程
e(t ) i(t ) o(t ) i(t ) Ad AoAF( p )
1
p
siBiblioteka Baidu e(t )
1 锁相环路概述 一、基本概念（绪）
其中，当输出信号频率与输入信号频率相同时，输出信号与 输入信号之间的相位差同步（相位差为常数）。故称为锁相 环路，简称为锁相环。 其中，频率相同是目的，相位同步（锁定）是手段。 （具体）：锁相环将输入信号与输出信号间的相位进行比较， 产生相位误差电压，来调整输出信号的频率，最终达到：相 位锁定，信号同频。
3 锁相环的基本组成分析
1、鉴相器（PD） （1）正弦波鉴相器（基于模拟相乘器）
Am ui(t ) uo(t ) AmU 1mU 2m sin[it i(t )] cos[ot o(t )]
1 AmU 1mU 2m sin[it i(t ) ot o(t )] 2 1 AmU 1mU 2 m sin{[ it i(t )] [ot ot ]} 2 即有： A u (t )u (t ) 1 A U U sin{( )t [ (t ) (t )]} m i o m 1m 2 m i o i o
1 CR1
3 锁相环的基本组成分析
2、环路滤波器（LF） （3）有源比例积分滤波器
1 R2 j C H ( j ) R1 1 jCR2 jCR1 1 s 2 H ( s) s 1 2 CR2
1 CR1
3 锁相环的基本组成分析
3、压控振荡器（VCO） 电压-频率变换器（具有线性控制特性的调频振荡器）
2 锁相环的基本结构和工作原理
锁相环路（PLL）组成框图如下图所示：
工作原理——ui(t)和压控振荡器（VCO）的uo(t) 在鉴
相器（PD）中进行比较，PD输出的误差电压ud(t)是 二者相位差的函数。如果两者频率相同，相位差恒 定，则经环路滤波器（LF）后无输出；如果两者频 率不同，则经LF后得到控制电压去控制VCO的振荡 频率，直至环路进入“锁定”状态。
2 锁相环的基本结构和工作原理
跟踪过程： 当环路锁定后，由于某种原因引起输入信号频率ωi与输出 信号频率o发生变化时（只要变化不很大），环路通过自身的调节 作用，可使o跟踪ωi而变 ，从而维持环路的锁定。此过程即为跟踪 过程。
捕捉与跟踪是锁相环路的两种不同的自动调节过程。
3 锁相环的基本组成分析
1 uc(t ) AmU 1mU 2m sin{[ it i(t )] [ot o(t )]} 2 K d sin{( i o ) t [i(t ) o(t )]}
其中：
1 K d AmU 1mU 2 m 2
令 则有：
d (t ) (i o )t [i (t ) o (t )]
锁相环（PLL） 及应用
基本内容
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
1 锁相环路概述 一、基本概念
引例
调频广播系统 广播电台发射信号频率不稳定，或者收音机的本机振荡 频率不稳，收听时会“跑台”或“串台”，严重影响收听效 果。 假设收音机具有自动跟踪电台的功能，能根据电台信号 频率的变化随时调整本振频率，确保二者频率的同步，则上 述问题就会迎刃而解。其中，采取的解决途径之一就是采用 锁相环电路。 因这种电路为负反馈结构，且能实现其输出信号频率对 输入信号频率的跟踪（同步），因此也称为闭环跟踪系统 （电路）。
2 锁相环的基本结构和工作原理
工作过程中包含四个状态（过程）： 失锁状态： 锁相环路中，如果压控振荡器输出信号角频率o与输入信号角 频率ωi不相同时，则称锁相环路处于失锁状态 锁定状态： 当失锁时，由鉴相器，环路滤波器，压控振荡器及反馈回路 完成一系列的调节后，最终达到的输入、输出同频并相位差 同步（锁定）的状态，即为锁定状态 捕捉过程： 锁相环路刚开始处于失锁状态．由失锁状态→锁定状态 的过程称为捕捉过程。
pe(t ) AdAoAF(p )sin e(t ) pi(t )
瞬时频差 控制频差 固有频差
捕捉过程—环路由失锁进入锁定的过程
捕捉带(Δωp )—— 环路由失锁状态进入锁定状态所 允许信号频率偏离的最大值。
捕捉时间(τP )——环路由失锁状态进入锁定状态所 需的时间
跟踪过程—环路维持锁定的过程
则上式可写为
3 锁相环的基本组成分析
3、压控振荡器（VCO）
压控振荡器传递给鉴相器的反馈信号起作用的不是瞬时角 频率而是它的瞬时相位。 所以，VCO在锁相环中起了一次 积分作用，因此也称为环路中的固有积分环节。 对 o( t ) o Aouc(t ) 积分，得
t t
o

0
o(t ) dt ot Ao uc(t ) dt
组成——电阻、电容和电感及运算放大器。
锁相环路中通常采用的滤波器电路 • RC积分滤波器 • 无源比例积分滤波器 • 有源比例积分滤波器
3 锁相环的基本组成分析
2、环路滤波器（LF） 常见环路滤波器的形式
环路滤波器电路模型
微分方程 ：
uC (t ) AF ( p)ud (t )
其中，AF(p)为传递函数。
1 锁相环路概述 二 应用概述
（6）在测量仪表中的应用 主要用于频率合成器、自锁信号发生器、相位振幅仪（矢量电压表、微波网络分 析仪）、相位噪声测试仪、频谱分析仪、锁相计数器、阻抗测试仪、电平振荡器、 频偏仪、微波固态源、微波功率放大器以及微波相位调整器等仪表中。 （7）在工矿企业中的应用 主要用于电网同步与频率变换（60Hz变成50Hz）、电机转速控制、可控硅整流器 通角控制；大型齿轮与抛物面天线加工精度的测量、大型振动平台支柱运动的同步， 地下流沙速度的测量、地层矿藏（石油、煤层）的普查以及地震预测等。 （8）在原子能、激光和红外系统中的应用 主要用于原子能加速器的同步、原子能电站反应堆应力形变监测、激光稳频和红 外夜视瞄准设备中。 （9）在生物、医疗电子学中的应用 主要用于医疗仪表中，目前国外还提出用锁相理论来探讨癫痫病理，以寻找物理 治疗的方法等。 （10）计算机应用 在计算机系统中，时钟信号的产生电路中，采用锁相环技术，可根据系统的运行 状态，调节系统的时钟。 返回