高頻電子線路之鎖相環(huán)路

1、高頻電子線路高頻電子線路鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路7.1 鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路w 前面講到前面講到AGC可以自動調(diào)節(jié)增益，使輸出電可以自動調(diào)節(jié)增益，使輸出電平一定；利用平一定；利用AFC可以控制振蕩頻率，并使可以控制振蕩頻率，并使之穩(wěn)定。但由于一般的之穩(wěn)定。但由于一般的AFC技術存在著固有技術存在著固有頻率誤差問題（因為頻率誤差問題（因為AFC是利用誤差來減小是利用誤差來減小誤差），往往達不到所要求的頻率精度。誤差），往往達不到所要求的頻率精度。w 由于相位是頻率變化對時間的積分，所以頻由于相位是頻率變化對時間的積分，所以頻率和相位有關，就可以率和相位有關，就可以通過控制相位來控制通過控制相位來控制頻率頻率

2、鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路。一、一、鎖相環(huán)路的基本工作原理鎖相環(huán)路的基本工作原理1. 鎖相環(huán)路的組成框圖鎖相環(huán)路的組成框圖各組成部分作用各組成部分作用w 鑒相器（相位比較器）鑒相器（相位比較器）：將輸入?yún)⒖夹盘柕模簩⑤斎雲(yún)⒖夹盘柕南辔缓蛪嚎卣袷幤鳎ㄏ辔缓蛪嚎卣袷幤鳎╒CO）的輸出信號的相）的輸出信號的相位比較，輸出一個與相位差有關的誤差電壓。位比較，輸出一個與相位差有關的誤差電壓。w 環(huán)路濾波器（低通濾波器）環(huán)路濾波器（低通濾波器）：濾去鑒相器輸：濾去鑒相器輸出信號中的高頻分量，只讓直流和低頻分量出信號中的高頻分量，只讓直流和低頻分量通過，得到一控制電壓通過，得到一控制電壓uC （t） w 壓控振蕩器（

3、電壓壓控振蕩器（電壓頻率轉(zhuǎn)換器）頻率轉(zhuǎn)換器）：是振蕩：是振蕩瞬時角頻率瞬時角頻率wo（t）受控制電壓）受控制電壓uC（t）控制）控制的振蕩器，使輸出頻率與輸入?yún)⒖碱l率相等。的振蕩器，使輸出頻率與輸入?yún)⒖碱l率相等。2. 工作原理工作原理w 當當VCO的角頻率的角頻率wo（或輸入信號角頻率（或輸入信號角頻率wi）發(fā)）發(fā)生變化時，輸入到生變化時，輸入到PD的電壓的電壓uo（t）和）和ui（t）之之間將產(chǎn)生相應的相位變化，鑒相器輸出一個與間將產(chǎn)生相應的相位變化，鑒相器輸出一個與相位誤差成比例的誤差電壓相位誤差成比例的誤差電壓ud（t） ，經(jīng)過，經(jīng)過LF取取出緩慢變化的直流電壓出緩慢變化的直流電壓uC

4、（t） ，去控制壓控振，去控制壓控振蕩器輸出信號的頻率和相位，使得蕩器輸出信號的頻率和相位，使得uo（t）和和ui（t）間的頻率和相位差減小，間的頻率和相位差減小，直到壓控振蕩器直到壓控振蕩器輸出信號的頻率等于輸入信號頻率時，相位差輸出信號的頻率等于輸入信號頻率時，相位差等于常數(shù)，鎖相環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。等于常數(shù)，鎖相環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。二、二、鑒相器的數(shù)學模型鑒相器的數(shù)學模型設輸入?yún)⒖夹盘枮樵O輸入?yún)⒖夹盘枮?ui（t）=Uimcoswit+i（t）設壓控振蕩器輸出電壓為設壓控振蕩器輸出電壓為 uo（t）=Uomcoswrt+o（t）為便于比較，統(tǒng)一用為便于比較，統(tǒng)一用VCO的固有振蕩相位的固有振

5、蕩相位wrt為參考令為參考令2（t）= o（t）令令1（t）= wit+i（t）- wrt =（wi-wr ）t+i（t）= wit +i（t） 瞬時相位差表達式瞬時相位差表達式則則ui（t）=Uimcoswrt+1（t） uo（t）=Uomcoswrt+2（t）誤差相位誤差相位e（t）= 1（t）- 2（t） 模擬相乘器的鑒相作用模擬相乘器的鑒相作用 ud（t）=A ui（t） uo（t） =AUimcoswrt+1（t）Uomcoswrt+2（t） =1/2AUimUrmsin2wrt+1（t）+2（t） + 1/2AUimUrmsin1（t） -2（t） ud（t）=1/2AUimUrm

6、sin1（t）-2（t） =Ad sin1（t）-2（t） =Ad sine（t） Kd為鑒相器傳輸系數(shù)為鑒相器傳輸系數(shù) 鑒相器的數(shù)學模型鑒相器的數(shù)學模型w 鑒相器的輸出電壓鑒相器的輸出電壓ud（t）是誤差相位）是誤差相位 e（t）的函數(shù)。）的函數(shù)。三、環(huán)路濾波器的數(shù)學模型三、環(huán)路濾波器的數(shù)學模型w 環(huán)路濾波器具有低通特性，可以起到鑒相環(huán)路濾波器具有低通特性，可以起到鑒相器中低通濾波作用，用于把鑒相器輸出電器中低通濾波作用，用于把鑒相器輸出電壓中的高頻分量及干擾分量抑制掉，而讓壓中的高頻分量及干擾分量抑制掉，而讓低頻分量或直流分量通過。低頻分量或直流分量通過。w 常用的環(huán)路濾波器有常用的環(huán)路濾

7、波器有無源比例積分濾波器無源比例積分濾波器及有源比例積分濾波器及有源比例積分濾波器。無源及有源比例積分濾波器無源及有源比例積分濾波器環(huán)路濾波器數(shù)學模型環(huán)路濾波器數(shù)學模型w 濾波器的傳輸函數(shù)為濾波器的傳輸函數(shù)為AF（p）則則 uC（t）= AF（p） ud（t）四、壓控振蕩器的數(shù)學模型四、壓控振蕩器的數(shù)學模型 一種簡單的壓控振蕩器一種簡單的壓控振蕩器 壓控振蕩器的特性曲線壓控振蕩器的特性曲線特性曲線方程特性曲線方程 wo（t）=wr+AouC（t） wr為未加控制電壓僅有靜態(tài)偏壓時的固有角為未加控制電壓僅有靜態(tài)偏壓時的固有角頻率，頻率，Ao為控制靈敏度單位為控制靈敏度單位rad/（SV） 壓控振

8、蕩器的數(shù)學模型壓控振蕩器的數(shù)學模型w 由于壓控振蕩器的輸出反饋到鑒相器上，由于壓控振蕩器的輸出反饋到鑒相器上，對鑒相器起作用的不是其頻率，而是其瞬對鑒相器起作用的不是其頻率，而是其瞬時相位時相位（t）= wo（t）dt = wrt+AouC（t）dt故壓控振蕩器輸出電壓故壓控振蕩器輸出電壓uo（t）以以wrt為參考的瞬為參考的瞬時相位為時相位為 o（t） = 2（t）= AouC（t）dt = uC（t） Ao /p 壓控振蕩器的數(shù)學模型壓控振蕩器的數(shù)學模型上式中上式中p=d/dt 為微分算子為微分算子積分符號用微分算子積分符號用微分算子p的倒數(shù)表示的倒數(shù)表示五、鎖相環(huán)路的數(shù)學模型和相位模型五

9、、鎖相環(huán)路的數(shù)學模型和相位模型 可見，這是一個相位負反饋的誤差控制系統(tǒng)?？梢姡@是一個相位負反饋的誤差控制系統(tǒng)。 鎖相環(huán)路的數(shù)學模型為：鎖相環(huán)路的數(shù)學模型為： e（t） i（t） o（t） i（t） AdAo AF（p）sine（t）/p六、鎖相環(huán)路的捕捉和跟蹤六、鎖相環(huán)路的捕捉和跟蹤 wi wo Ui Uow 當當wo wi時捕捉，時捕捉， wo = wi時鎖定時鎖定w 鎖相環(huán)路由起始失鎖狀態(tài)進入鎖定狀態(tài)的過程稱捕鎖相環(huán)路由起始失鎖狀態(tài)進入鎖定狀態(tài)的過程稱捕捉過程。捕捉過程所需的時間稱捕捉時間。捉過程。捕捉過程所需的時間稱捕捉時間。w 環(huán)路鎖定后，若輸入信號頻率環(huán)路鎖定后，若輸入信號頻率wi

10、或或VCO頻率頻率wo發(fā)生發(fā)生變化，則變化，則VCO頻率頻率wo跟蹤跟蹤wi而變化，維持而變化，維持wo wi的鎖定狀態(tài)，這個過程稱跟蹤過程的鎖定狀態(tài)，這個過程稱跟蹤過程。w 注意：并不是任何情況下環(huán)路都能鎖定。若注意：并不是任何情況下環(huán)路都能鎖定。若VCO固有振蕩頻率與輸入信號頻率相差（固固有振蕩頻率與輸入信號頻率相差（固有頻差）太大，則環(huán)路失鎖。有頻差）太大，則環(huán)路失鎖。w 一般一般Ao和和Ad越大，環(huán)路濾波器的通頻帶越寬，越大，環(huán)路濾波器的通頻帶越寬，固有頻差越小，環(huán)路入鎖就越快，捕捉時間固有頻差越小，環(huán)路入鎖就越快，捕捉時間就越短。就越短。w 環(huán)路鎖定條件環(huán)路鎖定條件：當環(huán)路鎖定時，：

11、當環(huán)路鎖定時，wo= wi，uo（t）和）和ui（t）間的相位差）間的相位差e（t）為一恒定）為一恒定值值 ，即，即t無窮大時，無窮大時，limde（t）/dt0高頻電子線路高頻電子線路7.2 鎖相環(huán)的應用簡介鎖相環(huán)的應用簡介一、鎖相環(huán)路的基本特性一、鎖相環(huán)路的基本特性w 鎖定后無頻差鎖定后無頻差w 自動跟蹤特性自動跟蹤特性w 具有良好的窄帶特性（數(shù)百具有良好的窄帶特性（數(shù)百MHz的中心頻的中心頻率上，帶寬可以做到幾率上，帶寬可以做到幾Hz）二、應用簡介二、應用簡介 鎖相接收機（窄帶跟蹤接收機）鎖相接收機（窄帶跟蹤接收機） 地面接收機接收從人造衛(wèi)星、宇宙飛船上地面接收機接收從人造衛(wèi)星、宇宙飛船

12、上發(fā)送來的無線電信號時，由于衛(wèi)星離地面發(fā)送來的無線電信號時，由于衛(wèi)星離地面距離遠，再加上衛(wèi)星發(fā)射機發(fā)射功率小、距離遠，再加上衛(wèi)星發(fā)射機發(fā)射功率小、天線增益低，使得發(fā)射機向地面發(fā)回的天線增益低，使得發(fā)射機向地面發(fā)回的信信號很微弱；號很微弱；由于存在多普勒頻移使信號由于存在多普勒頻移使信號頻頻率漂移嚴重率漂移嚴重。 例如：頻率為例如：頻率為108MHz時，多普勒頻移可時，多普勒頻移可能在能在3kHz，若用普通接收機則帶寬至，若用普通接收機則帶寬至少應為少應為6kHz，而信號帶寬只有幾，而信號帶寬只有幾Hz或幾或幾十十Hz，這樣接收機的帶寬比信號帶寬大，這樣接收機的帶寬比信號帶寬大近千倍，使微弱信號

13、的接收十分困難。就近千倍，使微弱信號的接收十分困難。就必須使用鎖相接收機。必須使用鎖相接收機。 鎖相調(diào)頻與解調(diào)鎖相調(diào)頻與解調(diào)鎖相調(diào)頻鎖相調(diào)頻w 用鎖相環(huán)路調(diào)頻，能夠得到中心頻率高度用鎖相環(huán)路調(diào)頻，能夠得到中心頻率高度穩(wěn)定的調(diào)頻信號，鎖相環(huán)使穩(wěn)定的調(diào)頻信號，鎖相環(huán)使VCO的中心的中心頻率穩(wěn)定在晶振頻率上，同時調(diào)制信號也頻率穩(wěn)定在晶振頻率上，同時調(diào)制信號也加到加到VCO，對中心頻率進行頻率調(diào)制。，對中心頻率進行頻率調(diào)制。調(diào)制信號頻譜應處于調(diào)制信號頻譜應處于LF的通帶之外，并的通帶之外，并且調(diào)頻系數(shù)不能太大。調(diào)制信號不能通過且調(diào)頻系數(shù)不能太大。調(diào)制信號不能通過LF，因此不形成調(diào)制信號的環(huán)路，這時，因

14、此不形成調(diào)制信號的環(huán)路，這時的鎖相環(huán)僅僅是載波跟蹤環(huán)，調(diào)制頻率對的鎖相環(huán)僅僅是載波跟蹤環(huán)，調(diào)制頻率對鎖相環(huán)路無影響。鎖相環(huán)路無影響。鎖相調(diào)頻鎖相調(diào)頻w 鎖相環(huán)路只對鎖相環(huán)路只對VCO的平均中心頻率的不的平均中心頻率的不穩(wěn)定因素起作用，此不穩(wěn)定因素引起的波穩(wěn)定因素起作用，此不穩(wěn)定因素引起的波動可以通過動可以通過LF。這樣，當鎖定后，。這樣，當鎖定后，VCO的中心頻率鎖定在晶振頻率上。輸出的調(diào)的中心頻率鎖定在晶振頻率上。輸出的調(diào)頻波中心頻率穩(wěn)定度很高。用鎖相環(huán)路的頻波中心頻率穩(wěn)定度很高。用鎖相環(huán)路的調(diào)頻器能克服直接調(diào)頻中心頻率穩(wěn)定度不調(diào)頻器能克服直接調(diào)頻中心頻率穩(wěn)定度不高的缺點。高的缺點。鎖相解調(diào)

15、鎖相解調(diào)w 當鎖相環(huán)路輸入信號的頻率變化時，當鎖相環(huán)路輸入信號的頻率變化時，LF能輸出一個控制電壓，迫使能輸出一個控制電壓，迫使VCO的頻率的頻率與輸入信號同步。如果輸入信號為調(diào)頻波，與輸入信號同步。如果輸入信號為調(diào)頻波，頻率隨調(diào)制信號頻率隨調(diào)制信號s（t）變化，則經(jīng)）變化，則經(jīng)PD和和LF的處理后，得到的控制電壓必然和輸?shù)奶幚砗螅玫降目刂齐妷罕厝缓洼斎胄盘柕念l率變化規(guī)律相對應。若從環(huán)路入信號的頻率變化規(guī)律相對應。若從環(huán)路濾波器引出控制電壓，即可得到調(diào)頻波的濾波器引出控制電壓，即可得到調(diào)頻波的解調(diào)信號。解調(diào)信號。 調(diào)幅波的同步檢波調(diào)幅波的同步檢波w 采用鎖相環(huán)路可從所接收的信號中提取載采用鎖

16、相環(huán)路可從所接收的信號中提取載波信號，實現(xiàn)調(diào)幅波的同步檢波。波信號，實現(xiàn)調(diào)幅波的同步檢波。 頻率合成器頻率合成器 鎖相倍頻和分頻鎖相倍頻和分頻鎖相倍頻和分頻鎖相倍頻和分頻w 鎖相倍頻電路是在基本鎖相環(huán)路的反饋通鎖相倍頻電路是在基本鎖相環(huán)路的反饋通道中插入分頻器組成。當環(huán)路鎖定時，道中插入分頻器組成。當環(huán)路鎖定時，PD的兩個輸入信號角頻率相等，即的兩個輸入信號角頻率相等，即wi= wV，而，而wV是是VCO輸出信號經(jīng)輸出信號經(jīng)n次分頻后次分頻后的角頻率，所以的角頻率，所以VCO輸出角頻率輸出角頻率wV是輸是輸入信號角頻率入信號角頻率wi的的n倍，即倍，即wV=nwi。若輸。若輸入信號由晶振產(chǎn)生，分頻器的分頻比是可入信號由晶振產(chǎn)生，分頻器的分頻比是可變的，則可以得到一系列穩(wěn)定的間隔為變的，則可以得到一系列穩(wěn)定的間隔為wi的角頻率信號輸出。的角頻率信號輸出。 頻率合成器頻率合成器w 利用一塊或少量晶體，采用綜合或合成的利用一塊或少量晶體，采用綜合或合成的手段，可以