通信電路ch07_4

1、笫7章 鎖相環(huán)路7.0反饋控制電路概述7.01 AGC7.1鎖相環(huán)路的基本概念PLL各部件的特性與數(shù)學(xué)模型7.2PLL的線性分析P L L 的線性模型與傳遞函數(shù)P L L 的穩(wěn)態(tài)相差PLL的穩(wěn)定性（*）7.3PLL的非線性分析一階環(huán)路的非線性分析二階環(huán)路的非線性分析7.4 AFC7.5集成鎖相環(huán)介紹PLL電路實(shí)例與應(yīng)用舉例PLL基本原理PLL的環(huán)路方程與相位模型P L L 的跟蹤特性P L L 的頻率特性PLL的噪聲特性（*）17.5集成鎖相環(huán) 集成PLL（環(huán)路濾波器外加）類型： 模擬環(huán)（APLL）鑒相器為模擬相乘器 通用型：VCO，PD，（+放大器）專用型：鎖相解調(diào)，調(diào)頻立體聲解調(diào)，電視的色

2、同步環(huán) 數(shù)字環(huán)（DPLL）由部分?jǐn)?shù)字電路，（主要是鑒相器為數(shù)字鑒相器）和全部數(shù)字電路（包括數(shù)字鑒相器、數(shù)字濾波器、數(shù)控振蕩器）構(gòu)成。通用型：VCO，PD，（+分頻器） 專用型：用于頻率合成器，電機(jī)控制27.5.1 集成鎖相環(huán)主要部件1、集成鑒相器：數(shù)字比相型、模擬相乘器型、抽樣保持型。 模擬相乘器(正弦鑒相特性）型： 靈敏度較低，線性較好，鎖定時(shí)兩信號(hào)有90度相移。 數(shù)字鑒相器： 異或門：輸入為對(duì)稱方波。 R-S觸發(fā)器：輸入為脈沖或方波。 邊沿觸發(fā)(上升沿或下降沿）鑒頻鑒相器：輸入為脈沖或方波有鑒頻和鑒相功能。常用于鎖相頻率合成器中。3集成鑒相器舉例數(shù)字式鑒頻鑒相器 特點(diǎn)：有鑒相功能及鑒頻功能

3、。能使PLL的快捕帶加寬，捕捉時(shí)間大為縮短，而且其鑒相特性的線性范圍很寬。組成:由數(shù)字比相器、電荷泵(電壓或電流開關(guān)）和濾波器三部分組成。 電路工作原理: 以T4044數(shù)字式鑒頻鑒相器電路 為例 9個(gè)與非門 組成數(shù)字比相器,將輸入信號(hào)R與來自VCO的頻率可變的信號(hào) 比相（后沿比）,在比相器輸出端U和D，以邏輯電平(高、低）給出相位超前、滯后以及超前、滯后量的信息。 T1T7組成電荷泵，作用是在數(shù)字比相器輸出U和D的高低電平控制下，使T1T7管子導(dǎo)通、截止，變換成模擬電壓去控制低通濾波器輸出高、低或不變電壓。電荷泵為電壓開關(guān)。組成有源比例積分濾波器形成所需的控制電壓4數(shù)字式鑒頻鑒相器電路T404

4、4數(shù)字式鑒頻鑒相器 比相器電荷泵有源比例積分濾波器導(dǎo)通、截止、不變5T4044同頻鑒相波形T4044同頻鑒相波形（a）R與V同相；（b）R滯后V；（c）R超前V*下降沿觸發(fā)有的電路上升沿觸發(fā)。返回6T4044的鑒頻波形T4044的鑒頻波形 7數(shù)字式鑒頻鑒相器的鑒頻作用 當(dāng)環(huán)路存在頻差時(shí)，通過比相器和電荷泵的共同作用，有一數(shù)值上接近的正向或負(fù)向階躍電壓加到達(dá)林頓電路的輸入端，使它輸出的直流控制電壓迅速地向最小或最大值跳變，從而控制VCO的頻率迅速地向減小頻差的方向變化，故電路起到了鑒頻的作用。 鑒頻作用8集成VCO 集成壓控振蕩器兩種基本類型 電流積分型，它的基本原理是：定時(shí)電容在被控電流源的作

5、用下交替充電放電，形成振蕩波形。振蕩頻率取決于充電和放電速度，在電容容量一定時(shí)，取決于電流源的電流大小。通過外加電壓控制電流源電流大小可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩頻率的控制。這類電路（如射極耦合壓控多諧振蕩器教材p452，變流式電容充放電VCO等）具有良好的線性壓控特性。 變?nèi)莨苷{(diào)諧的集成LC振蕩器。在集成電路內(nèi)，由正反饋電路產(chǎn)生和維持振蕩。振蕩頻率由LC決定，因此只要用控制電壓改變變?nèi)荻O管的電容，便可以改變振蕩頻率，這種電路的電壓頻率特性往往是線性不太好的。9變流式電容充放電壓控振蕩器 變流式電容充放電VCO原理框圖 高， 閉合， 斷開 低， 斷開， 閉合 1210變流式電容充放電壓控振蕩器(續(xù)1) 電

6、流轉(zhuǎn)發(fā)器的功能是保持電流 和 的大小相等； 幅度鑒別器的作用是當(dāng)其輸入端的電壓高于其正觸發(fā)電平時(shí)，它的輸出為高電平，反之輸出為低電平。工作過程 : 為低，則 斷開， 閉合。恒流源電流 全部流入電容，使其兩端電壓升高。當(dāng)增加到幅度鑒別器的正觸發(fā)電平時(shí)，它的輸出 變成高電平。 閉合， 斷開，電流源電流 全部變成 流入電流轉(zhuǎn)發(fā)器。根據(jù)電流轉(zhuǎn)發(fā)器的特性， ，電容器以電流 放電, 上升和下降的斜率是一樣的。當(dāng) 下降到幅度鑒別器的反向觸發(fā)電平時(shí)，它的輸出 又變?yōu)榈碗娖剑貜?fù)開始時(shí)的過程，從而形成了周期性的振蕩。若電流源電流隨控制信號(hào)變化，則輸出信號(hào)的頻率隨控制信號(hào)的變化而變化。 11(1) 可控電流源它使

7、 ，而 的值是由電源電壓 、外接電阻 和控制電壓 決定的。當(dāng) 和 選定后， 的值將隨 變化。這個(gè)電流源的總輸出電流I0 = 2 ，用改變 的辦法調(diào)整壓控振蕩器的中心頻率。二極管是為防止發(fā)射結(jié)被反向擊穿而加入的保護(hù)管?？煽仉娏髟措娐?2(2) 電流轉(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)成改進(jìn)型電流源電路，它使得 和 兩個(gè)支路的電流相等。 、 、 和 構(gòu)成開關(guān)，它等效框圖中的 。 和 在這里等效于 。13VCO NE566原理圖變流式電容充放電VCO NE566原理圖 147.5.2PLL電路實(shí)例-集成鎖相環(huán)NE565介紹PDVCOAMP2354107198為VCO定時(shí)電阻和電容為環(huán)路濾波器15集成鎖相環(huán)NE565介紹(續(xù)1)

8、 NE565工作頻率低于1MHz 電源電壓: 最大鎖定范圍 輸入電阻: 10 典型工作電流: 8mA 適用于FSK解調(diào),單音解碼,數(shù)據(jù)同步,倍頻等. 電路: 鑒相器雙平衡模擬相乘器 VCO-變流式電容充放電VCO, 決定VCO中心頻率 濾波器濾波電容外 接。 VCO輸出端與鑒相器反饋輸入端是斷開的 16集成鎖相環(huán)NE565介紹(續(xù)2)NE565 PLL內(nèi)部電路17集成鎖相環(huán)NE565介紹(續(xù)3) 利用附錄中PLL的宏模型對(duì)NE565進(jìn)行PSPICE仿真12 K， 10NF ,VCOf02.5KHz，VCO的壓控靈敏度為1KHz/V左右。Rf為片內(nèi)電阻，其值為3.6 K，電容外接18用仿真法測量

9、PLL的捕捉帶、同步帶（2）端輸入一個(gè)變化速率緩慢的頻率正斜升信號(hào),VCO自由振蕩頻率2.5KHz,觀察環(huán)路濾波器輸出的控制電壓波形 。 環(huán)路剛工作時(shí)，輸入信號(hào)頻率低，它與VCO輸出頻率間頻差較大，環(huán)路濾波器輸出為一頻率較高且上下不對(duì)稱的差拍信號(hào) 。隨時(shí)間增長，一是因輸入信號(hào)頻率漸漸增大，它與VCO的輸出頻差慢慢減小，二是由于環(huán)路濾波器的積分作用，輸出直流電壓不斷增加，頻率牽引作用增強(qiáng)，差拍頻率明顯變低。 頻率牽引階段 頻率為2.116KHz時(shí)，控制電壓突然產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變。 相位鎖定 此后，VCO輸出頻率便跟蹤輸入信號(hào)變化（圖上表現(xiàn)為環(huán)路濾波器輸出的直流電壓與信號(hào)源的控制電壓重合。）19PLL

10、捕捉過程 幾十ms后在頻率3.284KHz時(shí)，誤差電壓突然下降，而后，環(huán)路濾波器輸出的控制電壓與輸入信號(hào)的控制電壓分離，環(huán)路濾波器又輸出差拍信號(hào)。失鎖 從以上現(xiàn)象得到：當(dāng)環(huán)路濾波器Cf170NF時(shí) 捕捉帶（低端）為: 2.5-2.116=0.384KHz， 同步帶（高端）為 : 3.284-2.5=0.784KHz 輸入為慢變化、負(fù)斜率的頻率斜升信號(hào)時(shí),觀察環(huán)路濾波器輸出的控制電壓波形，可得到：當(dāng)環(huán)路濾波器Cf170NF時(shí), 捕捉帶（高端）為: 2.913-2.5=0. 413KHz， 同步帶（低端）為 : 2.5-1.717=0.783KHz20環(huán)路濾波器輸出的控制電壓波形正斜升信號(hào)輸入為慢

11、變化、正斜率的頻率斜升信號(hào)時(shí),環(huán)路濾波器輸出的控制電壓波形340nF170nF2.116KHz3.284KHz2.263KHz3.273KHz12返回21環(huán)路濾波器輸出的控制電壓波形負(fù)斜升信號(hào)170nF340nF輸入為慢變化、負(fù)斜率的頻率斜升信號(hào)時(shí),環(huán)路濾波器輸出的控制電壓波形2.913KHz1.717KHz2.793KHz1.747KHz22仿真結(jié)果 Cf170nF時(shí) 濾波器電容Cf=340nF時(shí)（帶寬減小） 結(jié)論: 在低端的入鎖頻率為2.116KHz，在高端的失鎖頻率3.284KHz，在高端的入鎖頻率2.913KHz，在低端的失鎖頻率1.717KHz。 環(huán)路的捕捉帶低端為0.384KHz，

12、高端為0.413KHz；同步帶低端為0.783KHz，高端為0.784KHz。環(huán)路的捕捉帶低端為0.237KHz，高端為0.293KHz；同步帶低端為0.753KHz，高端為0.773KHz 二階環(huán)路捕捉過程分頻率牽引和相位鎖定兩階段 減小環(huán)路濾波器帶寬，會(huì)使環(huán)路捕捉時(shí)間增加，捕捉帶與同步帶均減小，而在抑制干擾和噪聲方面有改善.237.5.3 PLL的基本特性與應(yīng)用舉例 PLL的基本特性（1）優(yōu)良的窄帶濾波特性 普通濾波器無法實(shí)現(xiàn)通過改變環(huán)路增益或?yàn)V波器參數(shù)可實(shí)現(xiàn)窄帶濾波。對(duì)于輸入信號(hào)而言，就相當(dāng)于一個(gè)很窄的高頻帶通濾波器，在幾百M(fèi)Hz中心頻率上，帶寬僅為幾Hz。另一方面，由于PLL能自動(dòng)跟蹤

13、輸入信號(hào)頻率，以保證窄帶的實(shí)現(xiàn)。而普通濾波器無法實(shí)現(xiàn)的。（2）優(yōu)良的載波跟蹤和調(diào)制跟蹤特性無論輸入信號(hào)是已調(diào)制或未調(diào)制的，只要含有載波分量，用載波跟蹤環(huán)可獲得頻率穩(wěn)定度很高的載波。只要環(huán)路有適當(dāng)帶寬，調(diào)制跟蹤環(huán)能跟蹤輸入調(diào)角信號(hào)的頻率與相位變化。24PLL的基本特性（4）低門限特性：門限取決于環(huán)路信噪比，一般環(huán)路的帶寬總比環(huán)路輸入端的前置通頻帶窄得多，因而具有較高的環(huán)路信噪比，可取得低門限性能。它用作調(diào)頻解調(diào)時(shí)，與一般限幅鑒頻器相比門限可改善35dB。 主要應(yīng)用：窄帶跟蹤接收；鎖相鑒頻；載波恢復(fù)；頻率合 成 等。（3）、理想的頻率控制特性PLL是一個(gè)相差控制系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，環(huán)路輸出

14、只有穩(wěn)態(tài)相差而無剩余頻差存在，即能實(shí)現(xiàn)理想的頻率控制，而自動(dòng)頻率控制（AFC）系統(tǒng)總是有剩余頻差的。用于頻率合成器 （5）易于集成：體積小型、使用方便。251、空間技術(shù)應(yīng)用窄帶跟蹤濾波器（鎖相接收機(jī)）（1）空間信號(hào)的基本特性 衛(wèi)星或其它宇宙飛行器向地面發(fā)回的信號(hào)通常都很微弱。 頻率漂移嚴(yán)重（因存在多普勒效應(yīng)與振蕩器中心頻率不穩(wěn)）。例如：頻率為100MHZ，多普勒頻移為 3KHZ。 信標(biāo)信號(hào)本身頻帶寬度較窄。約為6HZ左右。普通接收機(jī)，帶寬至少6KHZ左右。接收機(jī)帶寬比信號(hào)帶寬大1000倍，接收的噪聲大1000倍，在接收機(jī)解調(diào)器前的信噪比1030dB。信號(hào)被噪聲淹沒。 鎖相接收機(jī)的中頻頻率可以跟

15、蹤接收信號(hào)頻率的漂移，而且?guī)捰趾苷?，故又稱為“窄帶跟蹤濾波器”。比普通接收機(jī)信噪比提高3040dB。 測速與測距是確定飛行器運(yùn)行軌道的兩種重要技術(shù)手段，測速定軌就是接收信標(biāo)信號(hào)。26窄帶跟蹤濾波器-鎖相接收機(jī)（2）方框原理圖PDLFVCO中放混頻N倍頻 本地標(biāo)準(zhǔn)中頻參考信號(hào) ，是高度穩(wěn)定的。 有載頻漂移的輸入信號(hào)在環(huán)路鎖定時(shí)，混頻器輸出中頻信號(hào)的頻率與本地高穩(wěn)定的參考中頻信號(hào)的頻率相等。使信號(hào)能準(zhǔn)確落在中頻濾波器頻帶的中央，濾波器頻帶可很窄，只要保證信號(hào)通過即行。這樣解調(diào)信噪比可提高。 有漂移， （本振頻率,N倍VCO頻率）跟蹤 的漂移。 PLL電路設(shè)計(jì)為窄帶（幾100HZ）參考信號(hào)高穩(wěn)定中

16、頻輸出去解調(diào)27 2、用作相干解調(diào)器中的載波恢復(fù)電路 對(duì)于抑制載波調(diào)幅信號(hào)和數(shù)字相位鍵控信號(hào)，相干解調(diào)是最佳解調(diào)方式。 實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，需要一個(gè)與輸入信號(hào)頻率相等和有很?。ɑ蛄悖┫嗖畹谋镜貐⒖驾d波。 如果輸入信號(hào)內(nèi)含有載波頻率分量，則可用一個(gè)帶寬很窄的濾波器將其提取出來。PLL的帶寬可以做得很窄，而且能夠跟蹤載波頻率的變化，所以用它來提取載波特別合適。 對(duì)于移相鍵控(PSK)信號(hào)，由于其頻譜中不包含有載頻及其頻成分，故不能直接用載波跟蹤環(huán)提取載波，必須選用非線性變換（利用平方律器件的平方作用），將PSK信號(hào)中的載波信息變換成載波分量；再用PLL提取出來作相于解調(diào)載波使用。28載波恢復(fù)電路 -平方

17、環(huán) 利用平方律器件的平方作用，將無載頻分量的輸入信號(hào)變換為有載頻倍頻分量的信號(hào)輸出，用載波跟蹤環(huán)提取出2倍載頻分量，再經(jīng)分頻可獲得相干載波。然后進(jìn)行相干解調(diào)。PDLFVCO帶通帶通低通平方解調(diào)輸出抑制載波調(diào)幅波的解調(diào)框圖293、鎖相鑒頻-調(diào)制跟蹤環(huán)（1）方框原理圖鑒相器 （PD）環(huán)路濾波器 （LF ）壓控振蕩器 (VCO)解調(diào)信號(hào)的輸出 環(huán)路對(duì)于輸入相位的變化相當(dāng)于一低通濾波器。 若輸入信號(hào)為調(diào)頻信號(hào)，中心角頻率為 ，相位變化部分為 。當(dāng)環(huán)路已鎖定于 ，并且假定對(duì)輸入相位 環(huán)路的傳輸特性近似為1，則有 ，即壓控振蕩器的相位變化部分與輸入信號(hào)相同，輸出信號(hào)是輸入信號(hào)的復(fù)制品。 產(chǎn)生 的變化所需的

18、控制電壓 與調(diào)制信號(hào)成正比。30鎖相鑒頻-調(diào)制跟蹤環(huán)（續(xù)1）（2）求解調(diào)信號(hào)的輸出設(shè)：鎖定時(shí)：有：調(diào)制信號(hào)31PLL的基本組成，各部件作用PLL基本環(huán)路方程，含義。PLL小結(jié)鎖相環(huán)路具有兩種工作狀態(tài)：捕獲與跟蹤。(1)捕獲狀態(tài)環(huán)路由失鎖進(jìn)入鎖定的過程開始工作時(shí)，環(huán)路是失鎖的。壓控振蕩器的頻率將向著接近輸入信號(hào)頻率的方向變化，這就是捕獲狀態(tài)。（捕捉帶內(nèi)）捕獲狀態(tài)時(shí)環(huán)路輸入與輸出信號(hào)間相位誤差大，鑒相特性不能近似為線性，環(huán)路方程是非線性微分方程。捕捉是非線性過程，鑒相器輸出為差拍信號(hào)。捕捉特性只能用非線性分析方法進(jìn)行分析。32PLL 非線性分析的五個(gè)問題非線性分析需要掌握的主要問題 相平面圖（一階

19、環(huán)）： 如何用相圖分析一階環(huán)的非線性特性。 PLL的同步帶 ？ 二階環(huán)捕捉過程：頻率牽引過程與相位鎖定過程。 捕捉帶 ？快捕帶 ？捕捉時(shí)間 ？這些性能與環(huán)路哪些參數(shù)有關(guān)？一階環(huán)和二階環(huán)有何不同？33跟蹤是鎖相環(huán)路的正常工作狀態(tài)（2）跟蹤狀態(tài)環(huán)路鎖定后VCO跟蹤輸入信號(hào)頻率與相位的漂移或調(diào)制變化的過程。（同步帶內(nèi)）當(dāng)PLL達(dá)到鎖定狀態(tài)后，若輸入信號(hào)為一固定頻率的正弦波，則壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相等，它們之間的相位差為一常值。鑒相器輸出為一直流電壓。跟蹤是鎖相環(huán)路正常工作狀態(tài)，此時(shí)環(huán)路輸入與輸出信號(hào)間相位誤差很小，鑒相特性近似為線性，環(huán)路視為線性系統(tǒng)，環(huán)路方程視為線性微分方程。跟蹤

20、特性可用線性分析方法進(jìn)行分析。 鎖定狀態(tài)的特點(diǎn)：只有穩(wěn)態(tài)相差，無頻差。34PLL的兩種跟蹤調(diào)制跟蹤與載波跟蹤鎖相環(huán)通常有兩種跟蹤狀態(tài)：調(diào)制跟蹤與載波跟蹤。壓控振蕩器的輸出信號(hào)跟蹤輸入調(diào)角信號(hào)變化（環(huán)路帶寬 較寬，可讓調(diào)制信號(hào)通過，且捕捉帶大于2倍頻偏）。這種狀態(tài)就是調(diào)制跟蹤狀態(tài)，并稱這種鎖相環(huán)路為“調(diào)制跟蹤環(huán)”處于調(diào)制跟蹤狀態(tài)的環(huán)路的控制信號(hào)：加到VCO上應(yīng)該有兩部分電壓，一是保持中心頻率與輸入中心頻率相等的直流電壓，由穩(wěn)態(tài)相差求出，另一部分為保持相位正弦變化的電壓。由輸出表示式中的 對(duì)t微分求得。其中35調(diào)制跟蹤與載波跟蹤調(diào)制跟蹤環(huán)可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的調(diào)角信號(hào)的解調(diào)（捕捉帶大于2倍頻偏值）如果壓控

21、振蕩器的輸出信號(hào)頻率只跟蹤輸入信號(hào)的載頻，則稱載波跟蹤狀態(tài)，并稱之為載波跟蹤環(huán)，或 “窄帶跟蹤環(huán)”載波跟蹤環(huán)用于相干解調(diào)中提取載波，或窄帶跟蹤接收機(jī)。原因是控制電壓改變的是VCO的頻率，所以要微分。36PLL線性分析三個(gè)傳遞函數(shù)：誤差、閉環(huán)、開環(huán)。各用于解決什么問題 線性化復(fù)頻域方程；與基本環(huán)路方程的區(qū)別四個(gè)線性特性：瞬態(tài)跟蹤特性：利用誤差傳遞函數(shù)，采用拉氏變換及其逆變換的方法求解瞬變過程；采用拉氏終值定理求穩(wěn)態(tài)相差。頻率特性（正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)）：利用閉環(huán)傳遞函數(shù)求相位傳遞的幅頻特性和相頻特性，環(huán)路 3dB 帶寬，輸出表示式。穩(wěn)定特性：利用開環(huán)傳遞函數(shù)、波特圖，相位余量。噪聲特性：對(duì)輸入相位噪聲呈低通特性，對(duì)VCO的 噪聲呈高通.37關(guān)于穩(wěn)態(tài)相差計(jì)算式中 為環(huán)路直流增益（包括濾波器、放大器在內(nèi)，若無放大器，則Av為1）當(dāng)滿足 時(shí)可按：關(guān)于穩(wěn)態(tài)相差計(jì)算 如果滿足： 對(duì)于暫態(tài)信號(hào) 則可利用誤差傳遞函數(shù)和拉氏終值定理求。對(duì)于頻率階躍的穩(wěn)態(tài)相差： 一般情況按38PLL的應(yīng)用 載波跟蹤環(huán)-窄帶跟蹤濾波（用于微弱窄帶信號(hào)鎖相接收，載波提取等。）調(diào)制跟蹤環(huán)-調(diào)角信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)。 頻率合成-鎖定時(shí)無頻差，獲得若干個(gè)高頻穩(wěn)度的信號(hào)。39關(guān)于 、 的單位與