锁相环路基本工作原理.
锁相环工作原理
锁相环工作原理锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。
其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。
因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。
锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。
在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。
因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。
因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。
锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。
它由以下三个基本部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。
锁相环的工作原理：1. 压控振荡器的输出经过采集并分频；2. 和基准信号同时输入鉴相器；3. 鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压；4. 控制VCO，使它的频率改变；5. 这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。
锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。
当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。
这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。
当有频率为fR的参考信号输入时，uR 和uv同时加到鉴相器进行鉴相。
如果fR和fv相差不大，鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv= fR，环路锁定。
环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。
通信电路原理笫7章锁相环路
令, 为鉴相器的最大输出电压， 它在一定程度上反映了鉴相器的灵敏度。单位为（V）。
1 K d KVimVom，不难看出 K d 2
1 vd (t ) KVimVom sin[ 1 (t ) 2 (t )] 2 1 KVimVom sin[ i (t ) 0 (t )] 2
vd (t ) 经环路滤波器滤波（也可能包括放大），滤除高频分
PLL的工作状态
锁相环路具有两种工作状态： (1)捕获状态──环路由失锁进入锁定的过程； 当系统开始工作时，压控振荡器的频率将向着接近输入信 号频率的方向变化，这就是捕获状态。－－（捕捉带内）
(2)锁定状态──VCO跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制 变化的过程。－－（同步带内） 当PLL达到稳定状态后，若输入信号为一固定频率的正弦 波，则压控振荡器的输出信号频率与输入信号频率相等，它 们之间的相位差为一常值。
( s)
（2）环路滤波器 （LF ） （续）
RC积分 滤波器
R
C
H ( s) 1 直通电路
R1
R2
1 H ( s) 1 s
R1
( RC )
C
C
R2
S 2 1 H ( s) S ( 1 2 ) 1
无源比例积分滤波器
理想积分滤波器
s 2 1 H ( s) s 1
等式右边第一项是输入信号和压控振荡器输出信号中心角 频率之差，决定于环路开始工作时的状态，称为“初始频差” 。等式右边第二项反映输入信号相角随时间变化的部分，当输 入信号为恒定频率信号时，它等于零 。
PLL的刻，初始频差总等于瞬时频差 和控 制频差的代数和。 在锁定时刻，(t ) 是常数，所以控制频差等于初始频差， 瞬时频差等于零。
锁相环原理及应用
锁相电路（PLL）及其应用自动相位控制（APC）电路，也称为锁相环路（PLL），它能使受控振荡器的频率和相位均与输入参考信号保持同步，称为相位锁定，简称锁相。
它是一个以相位误差为控制对象的反馈控制系统，是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整受控振荡器输出信号的相位，从而使受控振荡器输出频率与参考信号频率相一致。
在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能稳定在一个很小的范围内。
目前，锁相环路在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多技术领域获得了广泛的应用，在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。
一、锁相环路的基本工作原理1．锁相环路的基本组成锁相环路主要由鉴频器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分所组成，其基本组成框图如图3-5-16所示。
图1 锁相环路的基本组成框图将图3-5-16的锁相环路与图1的自动频率控制（AFC）电路相比较，可以看出两种反馈控制的结构基本相似，它们都有低通滤波器和压控振荡器，而两者之间不同之处在于：在AFC环路中，用鉴频器作为比较部件，直接利用参考信号的频率与输出信号频率的频率误差获取控制电压实现控制。
因此，AFC系统中必定存在频率差值，没有频率差值就失去了控制信号。
所以AFC系统是一个有频差系统，剩余频差的大小取决于AFC系统的性能。
在锁相环路（PLL）系统中，用鉴相器作为比较部件，用输出信号与基准信号两者的相位进行比较。
当两者的频率相同、相位不同时，鉴相器将输出误差信号，经环路滤波器输出控制信号去控制VCO ，使其输出信号的频率与参考信号一致，而相位则相差一个预定值。
因此，锁相环路是一个无频差系统，能使VCO 的频率与基准频率完全相等，但二者间存在恒定相位差（稳态相位差），此稳态相位差经鉴相器转变为直流误差信号，通过低通滤波器去控制VCO ，使0f 与r f 同步。
2．锁相环路的捕捉与跟踪过程当锁相环路刚开始工作时，其起始时一般都处于失锁状态，由于输入到鉴相器的二路信号之间存在着相位差，鉴相器将输出误差电压来改变压控振荡器的振荡频率，使之与基准信号相一致。
锁相环的基本知识
锁相环（一）工作原理去耦：去耦，专指去除芯片电源管脚上的噪声。
该噪声是芯片本身工作产生的。
在直流电源回路中，负载的变化会也引起电源噪声。
去耦的基本方法是采用去耦电容。
作用编辑防止发生不可预测的反馈，影响下一级放大器或其它电路正常工作。
例如使用一个共发射极接法三极管，由于Vcc有内阻，当基极输入交流信号，会在电源Vcc电流（基极集电极电流和）产生交流电流，从而影响偏置端基极。
导致输出端电压不稳定。
通常的解决办法是使用电容对Vcc交流接地，去除此影响。
这个解决办法叫做去耦。
去耦：专指去除芯片电源管管脚上的噪声,该噪声是芯片本身工作产生的。
在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。
例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。
配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是抑制电路板的可靠性设计的一种常规做法。
配置原则编辑●电源输入端跨接一个电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用比较大的电解电容器的抗干扰效果会更好。
●为每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容器。
如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每4～10个芯片配置一个1～10uF钽电解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz～20MHz范围内阻抗小于1Ω，而且漏电流很小（0.5uA以下）。
●对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片的电源线（Vcc）和地线（GND）间直接接入去耦电容。
●去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。
目录1.1分类2.2常见的电源噪声及解决方案分类编辑根据传播方向的不同，分为两类：1.从电源进线引入的外界干扰；2.由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。
从形成特点看，噪声干扰分为串模干扰和共模干扰两种：1.串模干扰是两条电源线之间（简称线对线）的噪声；2.共模干扰则是两条电源线对大地（简称线对地）的噪声。
锁相环的工作原理
锁相环的工作原理
锁相环是一种电子反馈控制系统，其主要用于信号的频率和相位同步。
它的工作原理基于相频检测和调整的闭环反馈机制。
锁相环由三个主要组件组成：相频检测器、相位比较器和控制电路。
其基本工作原理如下：
1. 相频检测器：锁相环将输入信号和一个参考信号送入相频检测器。
相频检测器通过比较两个信号之间的差异来确定输入信号的频率差异。
它产生一个输出信号，该信号的频率与输入信号的频率差异成正比。
2. 相位比较器：相位比较器用于将输入信号的相位与参考信号的相位进行比较。
它输出一个表示相位差异的信号。
3. 控制电路和振荡器：控制电路接收相频检测器和相位比较器的输出信号，并根据这些信号来调整一个振荡器的频率和相位。
振荡器可以是电压控制振荡器（VCO）或其他类型的振荡器。
控制电路通过改变振荡器的频率和相位，以使其与参考信号同步。
锁相环通过反馈和调整的过程，逐渐减小输入信号与参考信号之间的相位和频率差异，从而实现同步。
一旦输入信号与参考信号同步，锁相环将保持该同步状态。
锁相环在通信、测量和控制等领域中有广泛应用。
锁相环工作原理
锁相环工作原理锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。
其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。
因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。
锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。
在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。
因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。
因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。
锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。
它由以下三个基本部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。
锁相环的工作原理：1. 压控振荡器的输出经过采集并分频；2. 和基准信号同时输入鉴相器；3. 鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压；4. 控制VCO，使它的频率改变；5. 这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。
锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。
当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。
这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。
当有频率为fR的参考信号输入时，uR 和uv同时加到鉴相器进行鉴相。
如果fR和fv相差不大，鉴相器对uR和uv进行鉴相的结果，输出一个与uR和uv的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个控制电压uc，uc将使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使fv= fR，环路锁定。
环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。
锁相环基本原理及其应用
锁相环及其应用所谓锁相环路，实际是指自动相位控制电路（ APC ）,它是利用两个电信号的相位 误差，通过环路自身调整作用，实现频率准确跟踪的系统，称该系统为锁相环路，简称环路，通常用 PLL 表示。
锁相环路是由鉴相器（简称PD ）、环路滤波器（简称 LPF 或LF ）和压控振荡器（简称VCO ）三个部件组成闭合系统。
这是一个基本环路，其各种形式均由它变化而来PLL 概念最终使相位保持同步，实现了受控频率准确跟踪基准信号频率的自动控制系统称为锁相环路设环路输入信号V i = V im Sin( CO i t+ 0 i )环路输出信号V o = V om Sin( CO o t+ 0 o )其中 CO o = CO 「+ △ CO o通过相位反馈控制PLL构成由鉴相器（PD ）环路滤波器（LPF ）压控振荡器（VCO ）组成的环路OJt）二心谋差相性PLL原理从捕捉过程一锁定A.捕捉过程（是失锁的）a. 0 i—0 i均是随时间变化的，经相位比较产生误差相位0 e= 0 i- 0。
，也是变化的b. 0 e（t）由鉴相器产生误差电压V d（t）=f（0 e）完成相位误差一电压的变换作用V d（t）为交流电压。
C.V d（t）经环路滤波，滤除高频分量和干扰噪声得到纯净控制电压，由VCO产生控制角频差0,使3 0随3 i变化。
B.锁定（即相位稳定）a.一旦锁定0 e（t）= 0 e-（很小常数）V d（t）= V d （直流电压）b. 3 0三3 i输出频率恒等于输入频率（无角频差，同时控制角频差为最大即3 0= 33 0max。
3 r为VCO固有振荡角频率。
）锁相基本组成和基本方程（时域）各基本组成部件鉴相器（PD）数学模式V d(t)=A D Sin 0 e(t)环路滤波器（LPF）数学模式V c(t)=A F(P) V d(t)相位模式S⑷——A Ap（P〕——％®压控振荡器（VCO）△ 3 Omax ,相位模式0i(t5—%®环路模型相位模式：指锁相环(PLL)输入相位和输出相位的反馈调节关系。
第一章 锁相环路的基本工作原理 课后答案
第一章 锁相环路的基本工作原理
樊孝明
第一章 锁相环路的基本工作原理
1-1 己知锁相环路使用正弦鉴相器，最大输出电压为 U d ，压控振荡器特性为 线性，控制灵敏度等于 K 0 ，环路滤波器的脉冲响应为 h ( t ) ，试写出环路的动态 方程。 解：锁相环的数学相位模型如下：
θ1 ( t )
+
θe ( t )
rad/ (s ⋅ V )
环路锁定时，固有频差等于控制频差，即 Δω0＝Δω控制 = 2π × 10k rad/s
f 0 = 2.5MHz ， ω0 = 2π × 2500K rad/s
Q 固有频差 Δω0 = ωi − ω0
w.
sin θ e ( ∞ ) = 1-5
ωi = Δω0 + ω0 = 2π × 2500k+ 2π × 10 K = 2π × 2510k rad/s ⇒ f i = 2.51MHz
−
U d sin [ i ]
ud ( t )
F ( p)
uc ( t )
根据相位模型，可得环路的瞬时相位误差 θ e ( t ) = θ1 ( t ) − θ 2 ( t ) ；
VCO 输出信号的瞬时相位 θ 2 ( t ) = uc ( t ) ×
da
∫u
0 t d
后 答
正弦鉴相器输出电压 ud ( t ) = U d sin θ e ( t ) = U d sin ⎡ ⎣θ1 ( t ) − θ 2 ( t ) ⎤ ⎦；
Δω0 2π × 10 K = = 0.5V K0 2π × 20 K
因为 Δω控制 = uc ( t ) K 0 ⇒ 控制电压 uc ( t ) =
ww
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
锁相环路基本工作原理
一、框图与各部分作用
·框图
·各部分的作用
▲ PD——产生误差电压
▲LF——产生控制电压
▲VCO——产生瞬时输出频率
二、环路工作原理
1.原理与环路锁定的充分必要条件
·原理
PLPLL环路在某一因素作用下,利用输入与输出信号的相位差产生误差电压,并滤除其中非线性成分与噪声后的纯净控制信号控制压控振荡器,使朝
着缩小固有角频差方向变化,一旦趋向很小常数(称为剩余相位差)时,则锁相环路被锁定了,即
·充分必要条件
充分
2.举例说明 (以一阶锁相环为例)
锁定未锁定锁定锁定锁定锁锁定
可可见,环路锁定过程中是从0～2π周期的变化,若干周期后使
,则环路被锁定。
三、环路相位模式和环路方程
1.相位模式
①求环路中各部件的数学表示式与数学模式
A.鉴相器(PD)
乘积型积型
叠加型加型
其中：
若上述经PD输出的误差电压可表示为
则数学模型为
B.环路滤波器(LF)
环
C.压控振荡器(VCO)
②环路的相位模型
2.环路方程及其物理意义
①方程
②物理意义
a)各项的物理意义
b)方程的物理意义: 在任何时候环路开环输入固有角频率永远恒等于环路闭环瞬时角频差和环路控制角频差之和。
在锁定过程瞬时角频差逐渐减小,控制角频差逐渐增大,它们之和永远恒等于开环时输入固有角频差。
3.结论
①只有环路锁定时,瞬时角频差为0,才实现了了频率准确跟踪。
②环路进入锁定的条件为显然
愈大愈小，环路稳定性愈好。
③环路锁定过程是变化的,所以是交变变的电压;一旦锁定为直流电压。
④环路方程是非线性微分方程,其中非线性取决于鉴相器,而微分方程阶数取决于环路滤波器多项式F(P)的阶数。
四、环路滤波器
常用的环路滤波器有：
1.RC积分滤波器波器电压传输系数为：
器
,
若作为环路滤波器
其中中, F(s)为一个极点而无零点的多项式2.无源RC比例积分滤波器
电压传输系数为:
电压
若作为环路滤波器:
其中,
F(s)为一个极点一个零点的多项式
3.有源RC比例积分(或RC 理想积分)滤波器
电压传输系数为:
其中, ,F(S)为一个极点一个零点的多项式因为极点在原点,所以是理想的积分环节。