锁相环原理整理ppt
锁相ppt
第二章锁相环的基本工作原理锁相环路的基本组成及数学模型1锁相环路的构成锁相环是一个相位负反馈控制系统。
鉴相器(Phase Detector,缩写为PD)、环路滤波器(Loop Filter,缩写为LF)和压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,缩写为VCO)三个基本部件组成,如图9—11所示。
)工作机理:PLL 环路利用输入与输出信号的相位误差()e t θ产生误差电压,通过环路滤波器滤除其中的高频成分与噪声,得到控制电压()c u t 去控制压控振荡器,使()e t θ朝缩小固有频差的方向变化,最终()e t θ稳定在某一很小的常数(称剩余相差),输入、输出信号频率相等i V ωω=,则环路被锁定了,即()e e t θθ∞=。
说明:图9—11为简图,省略了分频器。
PLL 电路中几个重要的频率。
鉴相器的两个输入信号;其一,晶体振荡器提供的参考输入信号 ()sin()i im i i u t V t ωθ=+; 其二,VCO 的输出电压信号。
开环时VCO 的自由振荡频率o ω,其输出电压为 ()cos()o om o o u t V t ωθ=+。
闭环时VCO 的频率受()c u t 控制,瞬时频率从oV ωω→,相应的输出()cos()o om V o u t V t ωθ=+。
为了研究的方便(请看课本P2),通常假设i u 和o u 的初始相位为零,i u 和o u 的相位均以o t ω作为参考,则1()sin[()]sin[()]i im o i o im o u t V t t V t t ωωωωθ=+-=+ (9.4.1)2()cos[()]cos[()]o om o V o om o u t V t t V t t ωωωωθ=+-=+ (9.4.2)式中,1()()i o t t θωω=-,为输入相位。
环路的固有频差 1()o i o d t dt θωωω∆=-=,其值等于输入参考信号频率与VCO 自由振荡频率之差。
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
《锁相技术》课件
减小功耗的措施
采用低功耗的器件
如低功耗的VCO、鉴相器等。
优化电路设计
优化电路设计,降低功耗。
开启/关闭不必要的功能
在不需要时关闭某些功能,降低功耗。
01
锁相环路的测试与 验证
测试方法与测试环境
测试方法
采用模拟信号源和频谱分析仪对锁相环路的性能进行测试。
感谢观看
THANKS
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
21世纪
随着通信技术的发展,锁相技 术在移动通信、卫星通信等领
域得到广泛应用。
01
锁相环路的工作原 理
锁相环路的组成
鉴相器(PD)
VCO(压控振荡器)
用于检测输入信号与输出信号的相位 差。
用于产生可调频率的输出信号,通过 电压控制其振荡频率。
环路滤波器(LF)
用于滤除鉴相器产生的误差电压中的 高频分量,平滑输出电压。
锁相技术在其他领域的应用探索
要点一
总结词
要点二
详细描述
除了通信领域,锁相技术在其他领域也有广泛的应用前景 。
随着科技的不断发展,锁相技术的应用领域也在不断拓展 。未来,锁相技术有望在雷达、导航、电子对抗、电力系 统等领域得到广泛应用。例如,在雷达领域,锁相技术可 以实现高精度、高稳定性的频率源,提高雷达的探测精度 和距离分辨率;在电力系统领域,锁相技术可以用于实现 电网的稳定运行和故障诊断等方面。
测试环境
在实验室条件下进行,确保测试结果的准确性和可靠性。
测试结果与分析
测试结果
锁相环路在低频和高频段均表现出良 好的跟踪性能和噪声抑制能力。
理学锁相环PPT课件
反馈控制电路可以看成是由比较部件、控制部件、 被控对象和测量部件(反馈网络)四部分组成的自动调节系统
1 . 各部分的功能 (1)参考部件产生标准的物理量; (2)比较部件产生误差信号; (3)控制部件产生控制信号; (4)被控部件产生输出物理量,扰动代表各种使输出量
变动的因素; (5)测量部件是反馈网络。
第19页/共45页
由于鉴相特性呈正弦函数,在±90°之间θe(t)为单值对应关系。 而实际上要求θe(t)的范围小于±30°,这时,sinθe(t)≈θe(t), 则鉴相特性近似为线性函数: ud(t)=Kdθe(t)
模拟乘法器的正弦鉴相特性如图所示。
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2.边沿控制的数字比相器
ui uV
象。
鉴位输环信得滤压 时 使 控相和出路号到去控角输制器压一滤中高振频出电控个P波的控频荡率频压D振与器高制分ωu器率(Co荡相频电量LV与((相FC器位分压输t()t位O)(差量u入低(控比C受有V,参通电(制较控C关只考滤压ut的器O)d制的让频=)波—振)k电d误直率的器∆频荡:压ψ差流相输)e率器将u电和等出:转C频输(压低。信滤换率入t)。频号去器参控分的鉴)考制量相相:信的通位器是号振过比输振的荡,较出荡相器,瞬,
vc(t ) vd (t )
1/ jC
R 1
1
1 j
jc
式中,τ=RC为时间常数。
第26页/共45页
由此绘出一阶低通滤波器的幅频特性如图所示:上限截 止频率为fH ,通频带fbw =fH 。
F1(jω)
3dB
0
ω
fH
一阶RC低通滤波器幅频特性
第27页/共45页
2)无源比例积分滤波器
《理学锁相环》课件
它通常由模拟乘法器和低通滤波器组成,能够将频率和相位差转化为电压信号,以 便于环路滤波器处理。
鉴频鉴相器的性能直接影响整个锁相环的性能,因此需要选择合适的电路结构和参 数。
环路滤波器
环路滤波器用于滤除鉴频鉴相 器输出信号中的噪声和干扰, 以稳定压控振荡器的输出频率 。
参数选择与优化
环路带宽
影响跟踪速度和抗干 扰能力,需根据实际 需求进行权衡。
相位裕量
影响系统的稳定性, 需保证足够的相位裕 量。
锁定时间
与环路带宽相关,需 在快速锁定与抗干扰 之间进行权衡。
最大/最小频率差
影响系统的跟踪范围 ,需根据实际需求进 行选择。
噪声性能
影响系统的抗干扰能 力,需进行优化以降 低噪声。
常见的压控振荡器有LC振荡器 和石英晶体振荡器等,根据应用
需求选择合适的类型和参数。
03
理学锁相环的性能分析
Chapter
线性相位响应
01 02
线性相位响应
理学锁相环在跟踪输入信号时,其输出信号的相位与输入信号的相位变 化保持线性关系。这种特性使得锁相环在频率变化时能够平滑地跟踪, 减小了输出信号的失真。
。
参数计算
基于所选的环路结构,计 算关键参数如环路带宽、
相位裕量等。
仿真验证
使用仿真工具对设计的锁 相环进行性能验证。
环路结构选择
根据需求选择合适的环路 结构,如科斯塔斯环或韦
伯斯特环。
电路设计
根据计算出的参数,设计 相应的电路元件,如VCO
、LPF等。
实际制作与测试
制作实物并进行实际测试 ,对比仿真结果。
锁相环PLL原理与应用ppt
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这种情况应认为是“失锁”。只有出现两 个同频的稳定波形时才认为是“锁定
捕捉带的测量
• 环路失锁后,缓慢改变信号源频率,
从高端或低端向4046A的中心
频率靠近,当信号源频率分别为fP H和fPL时,环路又锁定。则环路捕 捉带ΔfP = fPH-fPLfPH fHH
f
ωn、ξ的测量
捕捉带
• 失锁时,ωoωi,如果从两个方向 设法改变ωi,使ωi向ωo靠拢,进 而使ωo =(ωi-ωo),当ωo 小到某一数值时,环路则从失锁进 入锁定状态。这个使PLL经过频率 牵引最终导致入锁的频率范围称为 捕捉带ωp。
同步带ωH,捕捉带ωp 和VCO 中 心频率ωo的 关系
o P
H
-
实验原理及步骤 P(4)
9V
9V
10K
W1
10K
Ui
T
16 15 14 13 12 11 10
9
Ui 100u
4046B
A1
12345678
UF
A2
P(8)
1n
9V
1M
10K
16 15 14 13 12 11 10 9
4046A 12345678
100K
Uf 100K
510 4n7
1n 9V
100K
100K
9V 10K
W2 10K
《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)]
第六章锁相环 (2)优秀PPT
根据 可得
i
=r
di(t)
dt
o
=r
do(t)
dt
ddot(t)=Aovc(t)
o - r = Aovc(t) 或
o(t)=Ao
t
0vc(t)dt
(a) 图 6–2–2 VCO 的电路模型
用微分算子 p = d/dt 表示
o(t)
=
Ao
vc(t) p
电路模型
三、环路低通滤波器
作用:滤除鉴相器输出电流中的无用组合分量及其干 扰分量,以达到环路要求的性能,并保证环路的稳定性。
式中,1 = R1C ,2 = R2C 。
图 6–2–3 环路低通滤波器 (b)无源比例积分滤波器
3.有源比例积分滤波器
传递函数 集成运放满足理想化条件时
A F(s)=-R 2R 11 /s (C )=-1 ss1 2
式中,1 = R1C ,2 = R2C
图 6–2–3 环路低通滤波器 (c)无源比例积分滤波器
因为 fa = NA fi,fB = Nb fi 混频器输出频率 (fo - fB)
所以 fo=fA fB = 1 fa 0fB 0 = (N A 1N 0 B )1 0 fi 00 当 NA = 399, NB = 397
fo = 40 099 kHz
当 NA = 300, NB = 351 fo = 35 400 kHz
一、组成框图
二、控制过程
o (o > i) [o(t) - i(t)] 调 整 VCO o = i
环路锁定,保持
固有相差 o。
图 6–1–3 用旋转矢量说明锁相环路的控制过程
(a)失锁( 0 > i)
(b)锁定( 0 = i)
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锁定状态的稳态相位差 式中,n为正整数。
e
arcsin
i
Ad A0
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 i称为同步带,用
再与 i差拍,得到更低的差拍角频率,相应的 e t
随时间增长更慢,鉴相器的输出电压的频率更低,且 上、下不对称程度更大,压控振荡器的平均角频率
o(av) 比振荡频率o 更接近输入信号角频率i ,如此
循环,最终使环路进入快捕状态,通过快捕进入锁定。
6.4
三、二阶环路捕捉过程的讨论 一阶环路的缺陷:可供调整的参数只有直流总增益
由于d (t) 波形上下不对称,其直流成分控制VCO,
使VCO的平均频率o(av) 靠近输入信号的频率i ,如图
6.4.2(c)所示。
频率牵引 (Frequency Pulling)现象:
环路虽然不能锁定,但由于环路的控制作用,使
VCO的平均频率向 i 接近了的现象。
由于o 的平均值由 r上升到o(av),这个新的 o(av)
动。一旦能够摆动到i 并符合正确的相位关系时,环路
锁定,PD的输出为d Ad sine 直流。
6.4
(3)若i 处于上两者之间,又有以下两种情况:
(A)i 较大,其值虽已超出环路滤波器的通频带范
围,PD的输出通过LF有很大衰减,但仍有
产生,以控制
c
VCO的振荡角频率,只要能使 o 摆动到i上,环路就能
6.4 锁相环捕捉过程的定性分析
若环路原本是失锁的,但环路能够通过自身的调节 由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程。
能够由失锁进入锁定所允许的最大输入固有角频差 i 称为捕捉带(Pull in Range ,Capture Range), 用 p表示。
一般情况下,捕捉带不等于同步带,且前者小于后 者,锁相环路的捕捉过程属于非线性过程,在工程上广 泛采用相图法径行分析。
VCO产生的最大控制角频差 o Ad Ao AF c
环路锁定时 i c Ad Ao AF c
该式即为求c 的公式。
6.4
例如采用无源RC滤波网络的二阶PLL:
若满足 c
1
RC 的条件
则当
c时,由于
AF
s
Vc Vd
s s
1
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
态方程为 pi pe Ad A0 sine t
或
de
dt
pe t
e t
i
Ad A0 sine (t)
Ad Ao ,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Ad Ao 大。
但在增大 Ad Ao 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 L Ad A0 AF (0) 实际上,任何环路的同步带均等于环路直流总增益A0 。 在二阶环路中,其捕捉过程中的快捕锁定过程与一阶
1 sRC
令s
∴
AF c
1
1
1 cRC 2 cRC
代入计算 c的公式中:
c
Ad
Ao
1
c RC
故
c
Ad Ao RC
L
RC
6.4
显然即便使i i r 很大,该滤波器的幅频特性 仍保持在 R2 上,滤波器仍有一定的控制电压输出,控
R1
制电压中的直流分量将迫使压控振荡器的角频率向i 靠
拢。 6.4
在一阶环路中,由于鉴相器输出的控制电压总是小干
使压控振荡的角频率从r 变化到(i Ad A0)所需的控
制电压,因而尽管它能使压控振荡器的频率向输入信号 频率靠近,但不能使环路进入锁定状态。
d 中的平均分量(VD )和基波分量(Vd sine)可由LF
取出加到VCO上,且VD 为正值。正的 VD 使VCO的o的平均
值由r上升到rav 。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o 再与i 差拍, 得到更低的差拍角频率,相应的e t 随时间增长更慢,
表示。显然
L
L
Hale Waihona Puke AoAd Ao AF
0
一阶环 L Ad Ao
由上面的讨论可以得到以下两点:
1、当 i Ad A0时,因为在每一个 2 区间之内都有一
个稳定的平衡点A,所以不论起始状态处于相轨迹上哪一
点,环路均会在一周期内到达A点,即 e (t) 的变化量都不
显然,p i ,所以环路可以锁定。
由(6.4.3)式知,环路锁定后的稳态相位误差为
e
arcsin
i
Ad A0
arcsin
30 103 4 104
48.59o
要维持此相差的误差电压为
c d Ad sine (t) 2 sin 48.59o 1.5(V)
PD的输出电压的波形频率更低,且上、下不对称程度更 大,其直流分量 VD 增大。
6.4
如此循环,环路进入快捕状态,通过快捕达到锁定。 简单的讲,由于二阶环含有环路低通滤波器,使 VCO的振荡频率变化量(受控角频差)o (t) 不再与
d (t) 成正比,而是与d (t) 的平均成分VD 及基波分量 Vd sine 成正比。
环路相同,但其频率牵引过程却与一阶环不同。 6.4
1、二阶环路捕捉过程的定性讨论
(1)若
i
很大,其值超过LF的通频带,
不能通过。
d
LF无c t 输出,即c 0,其频率将维持在r 上不变。
环路无法锁定——失锁。
(2)若
i
很小,其值在LF的通带内,则
经LF产生
d
c,控制VCO的角频率o 使之在 r 上下按正弦规律摆
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 d t Ad sine t
此时
e t i t o t
t
0 idt it
即 d t Ad sin it
解:由题意知,环路的直流总增益
A0 Ad A0 2104 (Hz) 4 104 (rad s )
固有角频差
i 2fi 2 ( fi fr ) 2 (1.015 1) 30 103(rad s )
所以,环路的捕捉带
p A0 4 104 (rad s ) 6.4
这就是说,理想积分滤波器作为环路滤波器的二阶
环路其捕捉带为无穷宽。但实际上,理想的有源积分滤
波器是不存在的,另外,压控振荡器的频率调整范围是
有限的,因此,实际二阶环路的捕捉频带为有限值。
2、二阶环路快捕带(c)的计算
由前面分析知,在快捕过程中,加到VCO上的控
制电压
c Ad AF c
(锁相的相位锁定过程动画) (锁相环路的锁定原理动画)
6.4
图6.4.3示出了上述捕捉过程中鉴相器输出电压 d 的波形。由图知,频率牵引过程需经过若干个差拍周 期,所需时间较长。
例如,若二阶环路中
采用的环路滤波器为有源
比例积分滤波器,其幅频
特性为图6.4.4所示。
图6.4.4 有源比例积分滤波器的幅频特性
6.4
根据捕捉带的定义,一阶环的捕捉带同样为
p Ad A0
且捕捉时间长短与初始状态有关。
综上所述,一阶环路的同步带、捕捉带和快捕带 都相等,在数值上等于环路直流总增益,即
L p c A0 Ad A0
6.4
例6.4.1 已知一阶锁相环路鉴相器的 Ad 2V ,压控振荡器的 A0 104 Hz/V 固有振荡频率 fr 106 Hz ,问当输入信号频率 fi 1015103 Hz 时,环路能否锁定?若能锁定,试求稳态相位差 和此时的控制电压。
由此画出一阶环的相图如图6.4.1所示。
6.4
在图(a)中 各A、B点处均满足
de
dt
pe t
e
0
的条件,环路锁定,
为平衡点。
图6.4.1 一阶环路的动态方程图解
(一阶环相图动画)
当外因影响造成
pe
0 时,若 pe
0 ,de
dt
0
(横坐标以上的上半面)即相位误差e 随时间的增加而
增加,所以相点必然沿着相轨迹从左向右转移;
6.4
若
pe
0
,de
dt
0
(横坐标以下的下半面),即相
位误差 e 随时间的增加而减小,相点必然沿着相规
迹从右向左转
移。所以,A点
为稳定的平衡
点。
图6.4.1 一阶环路的动态方程图解
B点为不稳定平衡点,一旦状态偏离了B点,就会 沿箭头所示方向进一步偏离B点,最终稳定到邻近的稳 定平衡点A,而不可能再返回B点。
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。如果有源积分滤波器为理想积分滤波 器,那么不管固有频差为多大,经过频率牵引总能使环 路达到锁定状态.