第一章 鎖相環(huán)路基本工作原理

1、鎖相技術(shù)鎖相技術(shù)信息科學(xué)與工程學(xué)院通信教研室 施曉東第一第一章章 鎖相環(huán)路的基本工作原理鎖相環(huán)路的基本工作原理p 鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念p 環(huán)路組成環(huán)路組成p 環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程p 一一階鎖相環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖階鎖相環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念PDLFVCOPLL鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念 相位關(guān)系的描述（固有頻差、瞬時(shí)相差、瞬時(shí)頻差）相位關(guān)系的描述（固有頻差、瞬時(shí)相差、瞬時(shí)頻差） 任何一個(gè)正弦信號(hào)（或余弦信號(hào)），都可以構(gòu)造成一個(gè)唯一對(duì)應(yīng)的復(fù)信號(hào)，從而以向量的方式在復(fù)平面上表示。其中：p 向量的模（長(zhǎng)度）表示信號(hào)的最大幅度；p 向量與實(shí)軸

2、之間的夾角表示信號(hào)的瞬時(shí)相位。鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念 相位關(guān)系的描述相位關(guān)系的描述預(yù)期車速瞬時(shí)車速瞬時(shí)位置鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念參考相位參考相位鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念 失鎖狀態(tài)和鎖定狀態(tài)失鎖狀態(tài)和鎖定狀態(tài)鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念 捕獲過(guò)程（捕獲時(shí)間、捕獲帶）捕獲過(guò)程（捕獲時(shí)間、捕獲帶）鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念 捕獲過(guò)程（捕獲時(shí)間、捕獲帶）捕獲過(guò)程（捕獲時(shí)間、捕獲帶）鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念 鎖定狀態(tài)（同步狀態(tài)）鎖定狀態(tài)（同步狀態(tài)）p 輸入信號(hào)輸入信號(hào)為固定頻率時(shí)的穩(wěn)態(tài)頻差與穩(wěn)態(tài)相差為固定頻率時(shí)的穩(wěn)態(tài)頻差與穩(wěn)態(tài)相差鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的

3、概念將上式代入到輸入信號(hào)表達(dá)式：鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念 對(duì)比輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的表達(dá)式，可以得出以下簡(jiǎn)單結(jié)論： 在輸入信號(hào)為固定頻率信號(hào)的條件下，環(huán)路進(jìn)入同步狀態(tài)后，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間頻差為零，相差等于一個(gè)很小的常數(shù)（穩(wěn)態(tài)相差）。即：鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念 環(huán)路的基本性能要求環(huán)路的基本性能要求 環(huán)路有兩種基本的工作狀態(tài)：捕獲過(guò)程和同步狀態(tài)。鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念 區(qū)分捕獲帶與同步帶區(qū)分捕獲帶與同步帶 捕獲帶與同步帶是兩個(gè)不同的概念，可以根據(jù)其測(cè)量原理來(lái)辨別這兩個(gè)不同的概念；其中，捕獲帶和同步帶的測(cè)量原理如下：PDLFVCO信號(hào)源

4、示波器頻率計(jì)鎖定與跟蹤的概念鎖定與跟蹤的概念PDLFVCO信號(hào)源示波器頻率計(jì)環(huán)路組成環(huán)路組成 鑒相鑒相器（器（PD，Phase Detection）PDLFVCOPLL圖：鎖相環(huán)路的基本組成環(huán)路組成環(huán)路組成環(huán)路組成環(huán)路組成p 正弦鑒相器正弦鑒相器 正弦鑒相器由模擬乘法器和低通濾波器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：LPF環(huán)路組成環(huán)路組成2.低通濾波器輸出低通濾波器輸出3.正弦正弦鑒鑒相相器的數(shù)學(xué)模型器的數(shù)學(xué)模型環(huán)路組成環(huán)路組成 環(huán)路濾波器（環(huán)路濾波器（LF，Loop Filter） 環(huán)路濾波器具有低通特性，但除此之外還對(duì)環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。常用的環(huán)路濾波器有：RC積分濾波器、無(wú)源比例積分濾波器

5、和有源比例積分濾波器。p RC積分濾波器積分濾波器環(huán)路組成環(huán)路組成p 無(wú)源比例積分濾波器無(wú)源比例積分濾波器環(huán)路組成環(huán)路組成p （理想）有源比例積分濾波器（理想）有源比例積分濾波器 如果運(yùn)放增益A很大，則有： 式中的負(fù)號(hào)表示濾波器輸出和輸入電壓之間相位相反。假如環(huán)路原來(lái)工作在鑒相器的正斜率處，那么加入有源比例積分濾波器后就自動(dòng)地工作到鑒相器的負(fù)斜率處，其負(fù)號(hào)與有源比例積分濾波器的負(fù)號(hào)相抵消。環(huán)路組成環(huán)路組成 壓控振蕩器壓控振蕩器（VCO，Voltage Control Oscillation）圖：壓控振蕩器的控制特性即：或環(huán)路組成環(huán)路組成 環(huán)路相位模型環(huán)路相位模型圖：鎖相環(huán)路的相位模型 對(duì)于環(huán)路

6、當(dāng)中的每一個(gè)單元，只關(guān)心該單元對(duì)信號(hào)的相位產(chǎn)生了什么樣的影響。這樣就得到了各個(gè)單元的相位模型。環(huán)路組成環(huán)路組成環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程 統(tǒng)一相位參考統(tǒng)一相位參考p 輸入信號(hào)：輸入信號(hào)：p 輸輸出出信號(hào)：信號(hào)：環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程 建立環(huán)路方程建立環(huán)路方程環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程 環(huán)路方程的含義環(huán)路方程的含義環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程 相關(guān)結(jié)論相關(guān)結(jié)論p 環(huán)路工作過(guò)程環(huán)路工作過(guò)程 其中，在輸入信號(hào)為固定頻率的情況下，固有頻差在環(huán)路整個(gè)工作過(guò)程中為一個(gè)常數(shù)。 起始時(shí)刻：瞬時(shí)頻差最大，控制頻差等于零； 捕獲過(guò)程：控制頻差逐漸加大，瞬時(shí)頻差逐漸減??； 同步狀態(tài)：控制頻差等于固有頻差，

7、瞬時(shí)頻差等于零。p 穩(wěn)態(tài)相差與穩(wěn)態(tài)頻差（輸入為固定頻率信號(hào)）穩(wěn)態(tài)相差與穩(wěn)態(tài)頻差（輸入為固定頻率信號(hào)） 穩(wěn)態(tài)頻差：穩(wěn)態(tài)頻差：即環(huán)路在鎖定狀態(tài)下的瞬時(shí)頻差，等于零； 穩(wěn)態(tài)相差：穩(wěn)態(tài)相差：固定值環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程 鎖相環(huán)路的階數(shù)鎖相環(huán)路的階數(shù)穩(wěn)態(tài)相差環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程 穩(wěn)態(tài)相差：環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程環(huán)路的動(dòng)態(tài)方程或 一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖 一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖 鎖相環(huán)路的圖解法（相圖法）鎖相環(huán)路的圖解法（相圖法） 一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖 一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖一階

8、環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖 一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖 一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖結(jié)論：一階環(huán)的捕獲過(guò)程沒(méi)有周期跳躍，鎖定過(guò)程是漸進(jìn)的（而不是跳躍的），且捕獲時(shí)間的長(zhǎng)短與初始狀態(tài)有關(guān)。鎖相環(huán)路的延滯現(xiàn)象 若環(huán)路的起始狀態(tài)處于不穩(wěn)定平衡點(diǎn)B，環(huán)路自身并沒(méi)有能力擺脫該狀態(tài)，只有靠外力（噪聲或人為擾動(dòng)）才能使環(huán)路偏離該狀態(tài)而進(jìn)行捕獲。一旦遇到這種情況就可能出現(xiàn)不穩(wěn)定平穩(wěn)狀態(tài)的滯留，致使捕獲過(guò)程延長(zhǎng)。這種現(xiàn)象稱為鎖相環(huán)路的延滯現(xiàn)象。（假鎖） 一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖 一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖 正弦正弦鑒相器的輸出波形（非正鑒相器的輸出波形（非正弦差拍波弦差拍波） 一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖瞬時(shí)頻差控制頻差 一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖 瞬時(shí)瞬時(shí)頻差頻差 一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖具體可由下面的式子表明：含義：在大于環(huán)路增益的基礎(chǔ)上，固有頻差相對(duì)于環(huán)路增益（最大控制頻差）越小，環(huán)路的牽引作用越明顯。 一階環(huán)路的捕獲、鎖定與失鎖一階環(huán)路的捕獲、