第1章 锁相环基本概念ppt课件
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《锁相环路》课件
PLL运行过程详解
1
PLL频率同步
通过调整VCO频率，使输入和输出信号达到相同频率
2
PLL相位同步
确保输入和输出信号在相位上保持一致
3
实际应用举例介绍
视频信号处理、数字信号处理和时钟信号稳定性提升
常见问题及解决方案
测试方法及工具介绍
有效测试和验证PLL的性能和稳定性
故障排除及修复方法
解决PLL运行中的常见问题和故障
结语
PLL在现代电子行业中的 应用前景
PLL的广泛应用将推动电子行 业的发展
教学总结
总结PLL的重要概念和应用
参考文献
[1] "频锁相环PLL原理及应 用"，陈书康
《锁相环路》PPT课件
# 锁相环路PPT课件
什么是锁相环路（PLL）？
介绍PLL概念及作用 PLL的基本结构和原理
PLL系统的组成
信号源
产生输入信号用于锁相环路的比较和调整
相位比较器
比较输入信号和反馈信号之间的相位差异
可变频率振荡器（VCO）
根据相位比较器输出调整产生的输出信号频率
分频器
将输出信号分频并作为反馈信号输入到相位 比较器
第1章 锁相环路的基本工作原理讲义_1
引言PLL （Phase Lock Loop ）是相位自动控制系统，是自动控制理论的一个重要分支。
在通信、雷达、仪器仪表等领域获得广泛应用。
设信号表达式为()()sin[]u t U t t ωθ=+，可以对信号的幅度U ，相位()t t ωθ+以及频率()d t dtθω+进行相应的自动控制⇒自动控制学。
1、自动控制基本思想（基本原理）自动控制系统图 1－0 自动控制系统的一般框图利用误差⇒形成控制动力⇒达到减小误差的目的。
（要想降低系统误差，必须利用系统误差）2、三种常用的自动控制方式①幅度自动控制{AGC AGC 稳压电路（模拟电子技术）自动增益控制（无线电接收机的中频放大器就是放大器）；②频率自动控制AFC ；③相位自动控制APC 本书亦叫锁相环PLL 用于锁定相位，消除频差，是本课程研究的对象。
3、性能指标①控制范围；②完成控制过程所需要的时间；③控制精度等。
第一章 锁相环的基本原理锁相环是一个闭环的相位负反馈控制系统。
第一节 锁定与跟踪的概念一、PLL 的输入、输出的信号一般描述锁相环（PLL ）是一个相位跟踪系统，用“Black Box ”的思想来进行研究，方框表示如图1-1所示。
图1-1(a) PLL 方框图1、输入信号描述设输入信号：()sin[()]i i i i u t U t t ωθ=+式中i U 是输入信号的幅度，i ω是载波角频率（在数学上常用角频率ω，在工程上常用频率f ）；()i t θ是以载波相位i t ω为参考的瞬时相位。
对()i t θ讨论：若输入信号是未调载波，()i t θ为常数()i i t θθ=；若输入信号是角度调制信号（包括调频和调相），()i t θ即为时间的函数。
0()()i f t k v t dt θθΩ=+ —FM 波，f k 为调频系数。
0()()i p t k v t θθΩ=+ —PM 波，p k 为调相系数。
2、输出信号描述：设输出信号：0000()cos[()]u t U t t ωθ=+ 式中0U 是输出信号的幅度；0ω是环内被控振荡器（压控振荡器VCO ）的自由振荡角频率，是环路的一个重要参数；0()t θ是以自由振荡的载波相位0t ω为参考的瞬时相位。
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
锁相环
压控振荡器输出的信号为：
i (t ),o (t )
瞬时相位
uo (t ) U 2m cos[ot o (t )] U 2m coso 式中， 0 是为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流
电压时的振荡频率，称为电路的固有振荡频率。设乘法器 的增益系数为Am，则鉴相器输出的误差电压ud(t)
在控制电压的作用下，输出信号频率在固有频率的基础上 按一定规律变化的振荡电路。
作用——使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频 率相同，相位差恒定。
3 锁相环的基本组成分析
3、压控振荡器（VCO）
输入输出特性（线性）：
o(t ) o Aouc(t )
Ao
压控灵敏度
3 锁相环的基本组成分析
pe(t ) AdAoAF(p )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
捕捉带(Δωp )—— 环路由失锁状态进入锁定状态所 允许信号频率偏离的最大值。
捕捉时间(τP )——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
1 锁相环路概述 一、基本概念（绪）
其中，当输出信号频率与输入信号频率相同时，输出信号与 输入信号之间的相位差同步（相位差为常数）。故称为锁相 环路，简称为锁相环。 其中，频率相同是目的，相位同步（锁定）是手段。 （具体）：锁相环将输入信号与输出信号间的相位进行比较， 产生相位误差电压，来调整输出信号的频率，最终达到：相 位锁定，信号同频。
则上式可写为
3 锁相环的基本组成分析
3、压控振荡器（VCO）
压控振荡器传递给鉴相器的反馈信号起作用的不是瞬时角 频率而是它的瞬时相位。 所以，VCO在锁相环中起了一次 积分作用，因此也称为环路中的固有积分环节。 对 o( t ) o Aouc(t ) 积分，得
i (t ),o (t )
瞬时相位
uo (t ) U 2m cos[ot o (t )] U 2m coso 式中， 0 是为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流
电压时的振荡频率，称为电路的固有振荡频率。设乘法器 的增益系数为Am，则鉴相器输出的误差电压ud(t)
在控制电压的作用下，输出信号频率在固有频率的基础上 按一定规律变化的振荡电路。
作用——使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频 率相同，相位差恒定。
3 锁相环的基本组成分析
3、压控振荡器（VCO）
输入输出特性（线性）：
o(t ) o Aouc(t )
Ao
压控灵敏度
3 锁相环的基本组成分析
pe(t ) AdAoAF(p )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
捕捉带(Δωp )—— 环路由失锁状态进入锁定状态所 允许信号频率偏离的最大值。
捕捉时间(τP )——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
1 锁相环路概述 一、基本概念（绪）
其中，当输出信号频率与输入信号频率相同时，输出信号与 输入信号之间的相位差同步（相位差为常数）。故称为锁相 环路，简称为锁相环。 其中，频率相同是目的，相位同步（锁定）是手段。 （具体）：锁相环将输入信号与输出信号间的相位进行比较， 产生相位误差电压，来调整输出信号的频率，最终达到：相 位锁定，信号同频。
则上式可写为
3 锁相环的基本组成分析
3、压控振荡器（VCO）
压控振荡器传递给鉴相器的反馈信号起作用的不是瞬时角 频率而是它的瞬时相位。 所以，VCO在锁相环中起了一次 积分作用，因此也称为环路中的固有积分环节。 对 o( t ) o Aouc(t ) 积分，得
锁相技术第1章 锁相环的基本概念
t 这样将导致输出信号与输入信 号的相位误差减小，通过一段 时间的捕获，压控振荡器的输
t 出频率精确锁定在输入信号的 频率上，控制电压：
t
uc (t) KVCO
8
锁相环的工作状态
根据环路滤波器类型的不同，最终相位误差理 论上将会减小到0或一个非常小的值，此时环 路进入锁定状态，环路由失锁状态进入锁定状 态的过程，称为环路的捕获。
第1章 锁相环的基本概念
本章简介
锁相环的构成 锁相环的工作原理
锁定状态 捕获状态 锁相环的应用 锁相环性能指标 锁相环分类
2
锁相环的构成
输入参考 信号
ui (t)
鉴相器 PD
ud (t) 环路滤波器 uc (t) 压控振荡器
LF
VCO
输出信号
uo (t)
锁相环（Phase Locked Loop-PLL）是一个闭环负反馈 相位控制系统，在不同的实际应用中，锁相环是各种 各样的，但无论多么复杂的锁相环应用都包含以下3个 不可缺少的基本单元电路：
由此可知：锁相环包含两个工作状态：锁定状 态和捕获状态。
9
锁相环的应用
锁相环有一个非常显著的特性：能从噪声中恢复输入 信号。当输入信号包含有很多随机噪声时，鉴相器能排除 其它干扰，仅仅检测输入信号与输出信号的相差。包含在 输入信号中的噪声会使输入信号的过零点前后抖动（在频 域中称为相位噪声），这将导致鉴相器输出的误差电压ud (t) 围绕误差电压的平均值 u d上下波动（幅度噪声不会对PLL 造成影响）。通过环路低通滤波器的过滤作用，将得到稳 定的直流输出uc (t)，它控制压控振荡器的输出频率等于输 入信号的频率，相位等于输入信号相位的平均值。这样， PLL实质上能从噪声中提取有用信号，同时PLL能跟踪输入 信号的相位，保持锁定。
t 出频率精确锁定在输入信号的 频率上，控制电压：
t
uc (t) KVCO
8
锁相环的工作状态
根据环路滤波器类型的不同，最终相位误差理 论上将会减小到0或一个非常小的值，此时环 路进入锁定状态，环路由失锁状态进入锁定状 态的过程，称为环路的捕获。
第1章 锁相环的基本概念
本章简介
锁相环的构成 锁相环的工作原理
锁定状态 捕获状态 锁相环的应用 锁相环性能指标 锁相环分类
2
锁相环的构成
输入参考 信号
ui (t)
鉴相器 PD
ud (t) 环路滤波器 uc (t) 压控振荡器
LF
VCO
输出信号
uo (t)
锁相环（Phase Locked Loop-PLL）是一个闭环负反馈 相位控制系统，在不同的实际应用中，锁相环是各种 各样的，但无论多么复杂的锁相环应用都包含以下3个 不可缺少的基本单元电路：
由此可知：锁相环包含两个工作状态：锁定状 态和捕获状态。
9
锁相环的应用
锁相环有一个非常显著的特性：能从噪声中恢复输入 信号。当输入信号包含有很多随机噪声时，鉴相器能排除 其它干扰，仅仅检测输入信号与输出信号的相差。包含在 输入信号中的噪声会使输入信号的过零点前后抖动（在频 域中称为相位噪声），这将导致鉴相器输出的误差电压ud (t) 围绕误差电压的平均值 u d上下波动（幅度噪声不会对PLL 造成影响）。通过环路低通滤波器的过滤作用，将得到稳 定的直流输出uc (t)，它控制压控振荡器的输出频率等于输 入信号的频率，相位等于输入信号相位的平均值。这样， PLL实质上能从噪声中提取有用信号，同时PLL能跟踪输入 信号的相位，保持锁定。
理学锁相环PPT课件
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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。
第20页/共45页
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
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2)无源比例积分滤波器
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。
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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。
第20页/共45页
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。
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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
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2)无源比例积分滤波器
《锁相技术第章》课件
影响。
优化方法
通过调整环路带宽和相位裕量 ，可以提高线性范围和降低失
真性能。
04
锁相环路的设计与实现
设计步骤与注意事项
设计步骤 确定系统性能指标：包括锁定时间、跟踪精度、噪声抑制等。
选择合适的鉴相器、环路滤波器和压控振荡器。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
设计步骤与注意事项
计算相关参数：如环路带宽、滤波器阶数等。 搭建电路并测试性能。
仿真验证法
利用仿真软件模拟环路行为，验证环路设计 的正确性。
测试系统搭建与性能评估
测试系统搭建
性能评估指标
根据锁相环路的特性，搭建相应的测试系 统，包括信号源、示波器、频谱分析仪等 。
设定环路性能评估指标，如锁定时间、跟 踪精度、噪声性能等。
测试步骤
性能评估
按照设定的测试步骤，对环路进行测试， 记录测试数据。
数字化与软件化
01
随着技术的发展，锁相技术正朝着数字化和软件化的方向发展
，提高集成度和灵活性。
高性能与低成本
02
追求高性能的同时降低成本是锁相技术的重要发展趋势，以满
足更广泛的应用需求。
多功能与智能化
03
未来的锁相技术将具备更多的功能和智能化特性，如自适应滤
波、自动校准等。
THANKS
感谢观看
跟踪范围与动态响应
跟踪范围
指锁相环路能够跟踪的 输入信号频率范围。
动态响应
指锁相环路对输入信号 频率变化的响应速度。
影响因素
跟踪范围和动态响应受 到环路带宽、相位裕量
和阻尼系数的影响。
优化方法
通过调整环路带宽和相 位裕量，可以提高跟踪
范围和动态响应。
噪声性能
优化方法
通过调整环路带宽和相位裕量 ，可以提高线性范围和降低失
真性能。
04
锁相环路的设计与实现
设计步骤与注意事项
设计步骤 确定系统性能指标：包括锁定时间、跟踪精度、噪声抑制等。
选择合适的鉴相器、环路滤波器和压控振荡器。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
设计步骤与注意事项
计算相关参数：如环路带宽、滤波器阶数等。 搭建电路并测试性能。
仿真验证法
利用仿真软件模拟环路行为，验证环路设计 的正确性。
测试系统搭建与性能评估
测试系统搭建
性能评估指标
根据锁相环路的特性，搭建相应的测试系 统，包括信号源、示波器、频谱分析仪等 。
设定环路性能评估指标，如锁定时间、跟 踪精度、噪声性能等。
测试步骤
性能评估
按照设定的测试步骤，对环路进行测试， 记录测试数据。
数字化与软件化
01
随着技术的发展，锁相技术正朝着数字化和软件化的方向发展
，提高集成度和灵活性。
高性能与低成本
02
追求高性能的同时降低成本是锁相技术的重要发展趋势，以满
足更广泛的应用需求。
多功能与智能化
03
未来的锁相技术将具备更多的功能和智能化特性，如自适应滤
波、自动校准等。
THANKS
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跟踪范围与动态响应
跟踪范围
指锁相环路能够跟踪的 输入信号频率范围。
动态响应
指锁相环路对输入信号 频率变化的响应速度。
影响因素
跟踪范围和动态响应受 到环路带宽、相位裕量
和阻尼系数的影响。
优化方法
通过调整环路带宽和相 位裕量，可以提高跟踪
范围和动态响应。
噪声性能
《理学锁相环》课件
相器是锁相环中的核心元件，用于比较输入信号与压控振荡器输出信号的频 率和相位差。
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。
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
锁相环基本概念PPT幻灯片PPT
如起始相差小于零,则相差与频差的符号与图1.2.2相 反。
2: △ω0>0, θe(0)=0
由式(1.2.8)得:
e(t) K o(1eK)te(0)eK·t···(1.2.8)
e (t )
0
K
(1 e Kt )
(1.2.11)
d e(t )
dt
0 e Kt
(1.2.12)
根据上两式,可画出相差和频差的变化曲线如 图1.2.3(a)、(b)所示。
3. 数字锁相环（DPLL)
全部器件都是数字电路。所有的信号都是二进制 或多进制数字信号。
1.3 锁相环的工作状态
锁相环的输入信号不同,环路参数不同,其工作状态也 不同。本节直接给出不同输入信号下的环路工作状 态,而不作详细的数学分析。
输入信号可以是晶体振荡器,也可以来自接收机 的前置放大器,是一个调角(调频或调相)信号。 1.3.1 锁定状态
1.2 锁相环的构成及工作原理
1.2.1 锁相环的构成
无论多么复杂的锁相环都包含鉴相器(PD—Phase Detector) 、环路滤波器(LF—Loop Filter) 、以及压控 振荡器(VCO—Voltage Controlled Oscillator)这三个基
本部件。由这三个基本部件组成的锁相环如图1.1所 示,我们称为基本锁相环。
式中p为微分算子,F(p)为LF的传输算子。
VCO是一个电压/频率变换装置,它的频率ωv(t)随 uc(t)变化,一般把它们看作线性关系 ωv(t)=ω0+Kouc(t)…(1.2.3)
式中KO为VCO的控制灵敏度,简称为压控灵敏度,单 位是rad/(s·v)或Hz/v。 ω0为VCO的固有振荡频率, 即控制电压为0时的振荡频率。
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图1.2.1 基本锁相环组成
由图可见,锁相环是一个反馈系统(闭环控制系统) 。 基本锁相环是一个全反馈系统,因为uf(t)=uo(t) 。 PD对输入信号ui(t)和反馈信号uf(t)的相位作比较, 其输出信号可表示为 ud(t)=f[θe(t)] (1.2.1)
式中θe(t)是输入信号和反馈信号的相位差,f[· ]表 示运算关系。
目前,通常将AFC称为自动频率微调,而APC系统称 为锁相环(PLL) 。 在变参通信系统中,由于信道存在慢衰落及快衰落现 象,接收机收到的信号幅度变化很大,因而要求在接 收大信号时不失真,而小信号时有足够大的输出信号, 在接收机中必须有性能优良的AGC放大器。
在直扩码分复用(DS—CDNA)通信系统中,接收机的 AGC就更为重要。因为接收的多路信号具有相同的 频率,仅基站地址码/信道地址码不同,信道路数随实 际通话用户数变化而变化,再加上信道的影响,接收信 号幅度变化范围更大。
第1章 锁相环 基本概念
目
第1章
录
锁相环基本概念
第2章 模拟锁相环 第3章 锁相环噪声性能 第4章 电荷泵锁相环 第5章 数字锁相环与同步提取 第6章 锁相频率合成 第7章 锁相解调 第
锁相就是自动控制完成相位同步。能够实现两个 电信号相位同步的自动控制系统叫做锁相环路,简 称锁相环(PLL)。 最初,Debellesecize于1932年提出同步检波理论, 首次公开发表了对锁相环路的描述,但并未引起普 遍的重视。直到1947年,锁相环路才第一次应用于 电视机水平和垂直扫描的同步。从此锁相环路开始 得到了应用。由于技术上的复杂性和较高的成本, 应用锁相环路的领域主要在航天方面。 到70年代,随着集成电路技术的发展,逐渐出现了集成 的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用 集成锁相环路,这就为锁相技术在更广泛的领域应用 提供了条件,从而使锁相技术得到了广泛的应用。
1.2 锁相环的构成及工作原理 1.3 1.5 1.6 锁相环的工作状态 锁相环分类与应用简界 锁相环的性能指标 1.4 锁相环的捕捉带和同步带
1.7 小结
1.1 闭环控制系统简介
锁相环是一个相位反馈系统。如下图所示： 输入量 控制器 反馈量 控制对象 反馈网络 输出量
图1.1.1 闭环控制系统
闭环控制系统的目的是使系统的输出量按照预定规 律变化，或达到某一预定值。 闭环控制系统的指标:稳定性、准确性、快速性。
为了使这些指标满足一定要求，往往需要在控制器 与控制对象之间加一个校正网络，如下图所示。 输入量 输出量 控制器 控制对象 校正网络
反馈量 反馈网络
图1.1.2 有校正网络的闭环控制系统
在自动控制系统中，常称输入量为控制量，输出量 为被控制量，控制对象的输入信号为控制信号。
在电子闭环控制系统中，我们希望控制信号的幅度、 频率或相位按照预定规律变化或达到某一预定值，分 别称它们为AGC、AFC、APC。
ui(t) PD ud(t) LF uc(t) VCO uo(t) uf(t) PLL
图1.2.1 基本锁相环组成
实际使用的锁相环还可能包含放大器、混频器、分 频器、滤波器等部件,但这些部件不影响锁相环的工 作原理,可不予考虑。
ui(t)
PD
ud(t)
LF
uc(t)
VCO
uo(t)
uf(t)
PLL
LF是一个线性低通网络,用来滤除ud(t)中的高频成分 和调整环路参数,它对环路的性能指标有重要影响。 它的输出uc(t)被用来控制VCO的频率和相位。常 称ud(t)为误差信号,uc(t)为控制信号,它们之间的关 系为 uc(t)=F(p)ud(t)…(1.2.2) 式中p为微分算子,F(p)为LF的传输算子。 VCO是一个电压/频率变换装置,它的频率ωv(t)随 uc(t)变化,一般把它们看作线性关系 ωv(t)=ω0+Kouc(t)…(1.2.3) 式中KO为VCO的控制灵敏度,简称为压控灵敏度, 单位是rad/(s· v)或Hz/v。 ω0为VCO的固有振荡频 率,即控制电压为0时的振荡频率。
窄带跟踪性能包含两层意义:一是对输入信号的 跟踪性能;二是对输入噪声的窄带滤波性能。 环路可以只跟踪输入信号的载波,也可以既跟踪输 入信号的载波又跟踪由基带信号调频(或调相)所 引起的频率和相位变化。跟踪载波时不存在稳态 频差,当输入信号为高稳定晶体振荡信号时,利用 锁相环可以作成频率合成器。 在环内适当位置注入基带信号,可以产生调角信号, 这种调角信号的载频稳定度与输入晶振信号的稳 定度相同且可方便地改变载频的大小。 当输入为已调信号时,用锁相环可以实现相干解调, 也可以用锁相环直接解调出基带信号。
锁相环能得到广泛应用的另一个原因是目前已有许 多价格便宜、性能良好的集成锁相环部件及专用集 成锁相环。只要了解锁相环的基本原理和集成电路 的外特性,就可以很方便的设计出所需要的环路。
第1章 锁相环基本概念
内容:介绍锁相环的一些基本概念,包括锁相环的 构成、工作原理、锁定状态、跟踪状态、失锁状 态、捕捉带、同步带,以及锁相环的分类、性能指 标等。 1.1 闭环控制系统简介
1.2 锁相环的构成及工作原理
1.2.1 锁相环的构成 无论多么复杂的锁相环都包含鉴相器(PD—Phase Detector) 、环路滤波器(LF—Loop Filter) 、以及 压控振荡器(VCO—Voltage Controlled Oscillator)这三个基本部件。由这三个基本部件组 成的锁相环如图1.1所示,我们称为基本锁相环。
锁相环(PLL——Phase-Locked Loop)对人们的 生活带来很多好处。它可以使我们方便地变换电 视频道并看到清晰的图象,听到悦耳的立体声广播。 在高技术领域中锁相环更可以大显神通。它可 以把深埋在噪声中的有用信号提取出来,从而使 地面接收设备正确收到卫星、宇宙飞船等空间 飞行体发回来的信息。 现在,锁相环已成为通信、雷达、导航、深空探测、 电子仪器等设备中必不可少的一部分,锁相技术已 成为从事电子工作的工程技术人员必须掌握的基 础知识。 锁相环能得到广泛应用,是因为它具有独特的窄带 跟踪性能,能完成频率合成、调制解调、同步提取、 测速测距、微量频率变换等任务。