锁相环

MC145151-1参考地址码与参考分频比的关系
采用MC145151－1的5～5.5MHz本振电路
2 .0 48 MHz
OSCin
OSCo ut
fin MC14 5 15 1-1
RA2 RA1
RA0 VCO 5 ～5 .5 MHz f0
N1 3N1 2N1 1N1 0 N9 N8 N7 N6 N5 N4 N3 N2 N1 N0
OSCin OSCo ut VD D VS S
12 位÷R计数器
4
PDo ut
fin
1 VD D 21
14 位÷N计数器
PD B
9 V 8 R 10 fv
T/R
发射频偏加法器 23 22 25 24 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 N1 3 N1 1 N9 N7 N6 N4 N2 N0
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）
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
3、集成锁相环路及其应用
集成锁相环路简介 锁相环的应用
锁相倍频、分频与混频 锁相调频与鉴频 调幅波的同频检波 彩色电视机色副载波的提取 锁相接收机 主要技术指标 锁相频率合成器
PDo ut
5 17 16 14 3 LF 两种鉴相器 误差信号供选择 VCO 发射机调制 与1 6.7 MHz频偏
发射机信号 4 59 .0 25 ～ 4 59 .6 5 0 MHz (2 5 k Hz 步进)
R V
Mo d fin
MC10 15 4 双F/F
MC 12 01 1 ÷8/÷ 9
多环式锁相频率合成器
上图为三环频率合成器组成框图。它由wenku.baidu.com个锁相环路
组成。环路A和B为单环频率合成器，环C为混频环。
吞脉冲程序分频器
工作原理：设计数开始时模式控制输出1，双模前置分频器和两 计数器在输入脉冲作用下同时计数，当辅助计数器计满A个脉 冲后模式控制电路输出低电平0，辅助计数器停止计数，同时 使双模前置分频器分频比变为P。然后继续工作，主计数器也 继续计数满N个 脉冲后，使模 式控制电路重 新恢复高电平、 双模前置分频 器恢复(P+1)分 频比，各部件 进入第二个计 数周期。
环路的同步带和捕捉带
• 捕捉带
• 环路能捕捉的最大的输入信号频率变化范围。
• 同步带
• 在环路已进入锁定状态后，压控振荡器能跟踪 输入信号频率变化的范围。
• 又称为PLL的同步特性或非线性跟踪特性。
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
在一定范围内ω o与 uc(t) 几乎成线性关系 有：ω =ωr +Aouc(t)
o
A0为VCO的压控灵敏度。
P=d/dt为微分算子
锁相环的相位模型及环路方程
锁相环的相位模型
1 e (t ) i (t ) o (t ) i (t ) Ad Ao AF ( p) sin e (t ) p
锁相频率合成是用锁相技术间接合成高稳定度频率 的合成方法，它由基准频率产生器和锁相环路两部 分构成。
设计步骤
根据设计要求选择合适的PLL芯片 环路滤波器参数的影响 系统的整体设计
集成锁相频率合成器是一种专用锁相电路。 它是发展很快、采用新工艺多的专用集成电 路。它将参考分频器、参考振荡器、数字鉴 相器、各种逻辑控制电路等部件集成在一个 或几个单元中,以构成频率合成器的电路系统。
环路方程
pe (t ) Ad Ao AF (t ) 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
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 c. Δ ω i很大→ ud(t) 不能通过LF产生 uC(t) →VCO不受控→环路失锁
控制器的片选信号 到公用控制总线
÷64 /÷6 5或÷12 8/÷12 9
MC145151－1
MC145151－1是一块由14位并行码输入编程的的单模CMOS、LSI单片集成锁相频 率合成器,其组成方框图如图8―44所示。
26 27 3 2 PD A RA2 7 RA1 8 RA0 9 －2 12 ×8R OM 参考译码器 锁定 检测 28 PDLD
ud(t)=Ad sinΦe(t)其中Φe(t)=Φi(t)-Φo(t)
3. 乘积型鉴相器具有正弦规律的鉴相特性。
环路滤波器的电路模型
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。
压控振荡器的电路模型
压控振荡器的特性可用调频特性来表示 压控振荡器的电路模型
频率合成
集成锁相环简介
集成锁相环按其内部电路结构可分为
模拟锁相环和数字锁相环
集成锁相环按其用途可分为
通用型和专用型
集成锁相环按其工作频率可分为
低频（1MHz以下）、高频（1~30MHz）和 超高频（30MHz以上）
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
0 11 10 00 1 00 0 ＝5 MHz 1 01 01 11 1 10 0 ＝6 .5 MHz
用于外部鉴相器(供选用) 参考振荡器 (或片内 振荡器) 8 18 15 19 OSCo ut fR fV LD 7 6 4 OSCin VD D VS S D3 D2 D1 D0 A2 A1 A0 ST 19 20 1 2 11 10 9 12 MC14 51 4— 61 失锁控制信号 接收机本振 4 43 .3 25 ～4 43 .9 50 MHz (2 5 k Hz 步进)
频谱纯度——输出信号接的正弦波的程度
单环式锁相频率合成器
由晶体振荡器产生标准频率源fs，经参考分频器R分频后，得到 参考频率fr = fs /R 送到鉴相器的一输入端，VCO输出频率fo经N分 频后送到鉴相器的二输入端 。环路锁定时有fr=fo /N，因此VCO 输出信号频率为fo = N fS /R= N fr 。即输出信号频率fo为输入参考 信号频率fr的N倍，改变N(分频系数)就可得到不同频率的输出
输出一误差电压，经环路滤波器变换后控制VCO
的频率，使其输出频率变化到接近 ωi ，且两信号 的相位误差为 φ（常数），这时环路锁定。
2、环路的捕捉
从信号的加入到环路锁定以前，称环路的捕捉过程。
3、环路的跟踪
• 环路锁定后，当输入基准信号的频率或相位发生某种变 化时，由于环路的反馈控制作用，压控振荡器的频率和 相位将随输入信号的变化而变化，使压控振荡器的频率 与输入信号频率相同且相位差固定为（φ）。 • 但变化范围是有限的。
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。
环路的锁定、捕获和跟踪
1、环路的锁定
• 没有输入信号时，VCO以自由振荡频率ωo振荡。 • 有输入信号ui(t)时，
• 刚开始 ωi ≠ ωo。 • 当某时刻，ωi 和 ωo 接近到一定程度时，鉴相器
6L
7L
锁定检测
13
LD
PD A 锁存器 控制电路 锁存器L
5
PDo ut
15 L2 L3 1 0位÷N计数器 L4 L0 L1 PD B
fv
fin
3
7位÷A计数器
16 V 17 R
VD D: 端6 VS S: 端 4
控制逻辑
14
Mo d
MC145146-1地址码与锁存器的选通关系
采用MC145146－1的UHF移动无线电话频率合成器
2、锁相环路的性能分析
鉴相器的电路模型 环路滤波器的电路模型 压控振荡器的电路模型 锁相环的相位模型及环路方程 捕捉过程 跟踪过程 锁相环的基本特性
鉴相器的电路模型
鉴相器框图 鉴相器电路模型
分析
1.鉴相器的输出电压是ui(t)和uo(t)相位差的函数 。 2.典型的乘积型鉴相器中，鉴相器的低频分量输出为：
吞脉冲频率合成器
上图是用吞脉冲程序分频器构成的吞脉冲频率合 成器，其输出信号频率为：f0=(PN+A)fr 可见： fo提高了P倍，而频率间隔仍保持为fr 。
用MC145146构成的吞脉冲频率合成器
小结
锁相环路是利用相位的调节，以消除频率误差的自 动控制系统，它由鉴相器、环路滤波器、压控振荡 器等组成。 在锁相环路中，由失锁进入锁定的过程称为捕捉过 程；环路通过自身的调节来维持锁定的，称为跟踪 过程。捕捉特性可用捕捉带来描述，跟踪特性可用 同步带来描述。
频率合成器实例
由CD4046组成的频率合成器：
单环式频率合成器存在的问题
减小输出频率间隔和减小频率转换时间是矛盾的 。要 减小输出频率间隔，就必须减小输入参考频率fr。因 环路滤波器的带宽必须小于参考频率，因而环路滤波 器的带宽也要压缩。环路的捕捉时间或跟踪时间就要 加长，即频率合成器的频率转换时间加大。 锁相环路内接入分频器后，其环路增益将下降为原来 的1/N。当要求频率间隔很小时，其分频比N的变化范 围将很大，导致环路增益也大幅度的变化，从而影响 到环路的动态工作性能。 可编程分频器的分频比的数目决定了合成器输出信道 的数目，而程序分频的输入频率就是合成器的输出频 率。由于可编程分频器的工作频率比较低，无法满足 大多数通信系统中工作频率高的要求。
锁相环电路
锁相环路的基本工作原理 锁相环路的性能分析 集成锁相环路及其应用
1、锁相环路的基本原理
组成框图
工作原理
ui(t)和VCO的uo(t) 在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。
应用之二：锁相调频和鉴频
锁相环调频 锁相环鉴频
锁相环使VCO的中心 频率稳定在晶振频率 上，同时调制信号也 加至VCO上，从而实 现调频
当输入调频波的频率发生 变化时，经PD和LF后将得 到一个与输入信号的频率 变化相同的控制电压，即 实现鉴频
应用之三：调幅波的同步检波
原理框图
工作原理
在对DSB及SSB调幅信号解调的同步检波器中， 必须有一与载波信号同频同相 的同步参考信号。 图中用载波跟踪锁相环路，在VCO输出端经900移 相后而得到该信号 。
应用之四：彩色电视色副载波的提取
原理框图
工作原理
在彩色电视中，为了重现彩色，接收端必须要有与
发送端完全相同的色副载波。而其中的色同步信号 是其产生的基准。图中利用锁相环使VCO产生的色 副载波，根据锁相环的工作特点，该信号的频率和 相位受输入端色同步信号的控制。
应用之五：锁相接收机
原理框图
工作原理 通过锁相环VCO产生本振频率，实现对输入信号
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
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。
频率的跟踪，保证输出中频信号频率相对稳定。
频率合成器的主要技术指标
频率范围
——频率合成器的工作频率范围
频率间隔
——相邻频率之间的最小间隔，又称分辨力
频率转换时间
——从一个工作频率转换到另一个工作频率，并达 到稳定工作所需要的时间
频率稳定度与准确度
稳定度——在一定时间内频率偏差标称频率的程度 准确度——实际工作频率与标称频率之间的偏差
MC145146－1
MC145146－1是一块20脚陶瓷或塑料封装的,由四位总线输入、锁存器选通 和地址线编程的大规模单片集成锁相双模频率合成器,图8―41给出了它的方 框图。
7 OSCin 8 OSCo ut L5 D0 D1 D2 D3 A2 A1 A0 ST 2 1 20 10 11 10 9 12 1 2位÷R计数器 18 fR