锁 相 技 术 第4章

锁相放大器的使用目录第一章选题背景1.1 背景说明 (3)1.2 选题依据 (3)1.3 本文工作 (4)第二章锁相放大器的原理 (5)第三章研究与分析 (8)3.1 参考信号产生的方法比较与选择 (8)3.2 前端放大器的设计 (8)3.3 移相方法比较与选择 (8)3.4 相敏检波器的方法比较与选择 (8)第四章系统设计 (10)4.1 总体设计 (10)4.2 硬件设计 (11)4.2.1 前置放大器的设计 (11)4.2.2 移相电路的设计 (12)4.2.3 相敏检波的设计 (13)4.2.4 低通滤波器的设计 (14)4.3 软件设计 (15)第五章系统测试 (16)第六章附录 (18)总结 (26)致谢 (27)参考文献 (28)第一章选题背景背景说明1962年美国 EG&G PARC(SIGNAL RECOVERY公司的前身 )的第一台锁相放大器 (Lock-in Amplifier，简称 LIA)的发明，使微弱信号检测技术得到标志性的突破，极大地推动了基础科学和工程技术的发展。

目前，微弱信号检测技术和仪器的不断进步，已经在很多科学和技术领域中得到广泛的应用，未来科学研究不仅对微弱信号检测技术提出更高的要求，同时新的科学技术发展反过来促进了微弱信号检测新原理和新方法的诞生。

早期的 LIA是由模拟电路实现的，随着数字技术的发展，出现了模拟与数字混合的 LIA，这种LIA只是在信号输入通道，参考信号通道和输出通道采用了数字滤波器来抑制噪声，或者在模拟锁相放大器（简称 ALIA）的基础上多了一些模数转换（ ADC）、数模转换（ DAC）和各种通用数字接口功能，可以实现由计算机控制、监视和显示等辅助功能，但其核心相敏检波器 (PSD)或解调器仍是采用模拟电子技术实现的，本质上也是 ALIA。

直到相敏检波器或解调器用数字信号处理的方式实现后，就出现了数字锁相放大器（简称 DLIA），DLIA比 ALIA 有许多突出的优点而倍受青睐，成为现在微弱信号检测研究的热点，但是在一些特殊的场合中， ALIA仍然发挥着 DLIA不可替代的作用。

浅谈改善《锁相技术》教学效果的几点措施作者：胡煜来源：《科技视界》 2013年第22期胡煜（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004）【摘要】《锁相技术》是通信工程专业的一门理论性和实践性都很强的重要专业课程。

学生经常抱怨锁相环的理论知识过于复杂，应用电路设计时也几乎无从下手。

在数年《锁相技术》的实际教学过程中，经过努力摸索，总结出改善教学效果的几点措施，即课前——认真写好教案、课堂——科学发挥多媒体教学的优势、课余——通过实训提高动手能力等。

【关键词】《锁相技术》；教案；多媒体；实训；教学效果《锁相技术》是通信工程专业的一门理论性和实践性都很强的重要专业课程，其理论和实践应用均非常广泛，离开了锁相技术，通信这座大厦就会轰然倒塌。

由于锁相环的很多理论知识比较枯燥，而且十分抽象，即使是同一种电路，输入信号不同都可能导致电路的工作状态发生改变，因此学生一时难以适应这门课程的学习方法、分析方法和实现方法。

为尽量改善教学效果，需要教师进行教学模式的精心设计与合理创新。

《锁相技术》的主要教学任务是使学生通过对该课程的学习，了解锁相环具有的独特优良性能，掌握锁相环的基本结构、工作原理、数学模型、性能分析、工程设计方法和典型应用电路，为今后从事通信方向的实际工作打下坚实基础。

笔者总结了以下几点教学方法和手段用于实际教学，经过数年的教学实践证明，这些措施的应用能明显改善教学效果。

1 课前：认真写好教案教案是教师对教学过程的预先设计。

教案的编写是教师教学的核心过程之一，能使教师更合理地安排教学内容，达到更好的教学效果。

《锁相技术》的教学内容主要分为六大章节：锁相环路的基本工作原理、环路跟踪性能、环路噪声性能、环路捕获特性、集成锁相环路、锁相环路的应用。

教案的设计要体现出每个章节的重点和难点，例如环路基本工作原理的重要内容是环路的基本组成、工作原理、动态方程和环路的相位模型等；环路噪声性能应重点掌握环路对输入高斯白噪声的线性过滤特性。

第一章锁相环路的基本工作原理：1.锁相环路是一个闭环的相位控制系统；锁相环路（PLL）是一个相位跟踪系统，它建立了输出信号顺时相位与输入信号瞬时相位的控制关系。

2. 若输入信号是未调载波，θi(t)即为常数，是u i(t)的初始相位；若输入信号时角调制信号（包括调频调相），θi(t)即为时间的函数。

3．ωo是环内被控振荡器的自由振荡角频率；θo(t)是以自由振荡的载波相位ωo t为参考的顺时相位，在未受控制以前它是常数，在输入信号控制之下，θo(t)即为时间的函数。

4. 输入信号频率与环路自由振荡频率之差，称为环路的固有频率环路固有角频差：输入信号角频率ωi与环路自由振荡角频率ωo之差。

瞬时角频差：输入信号频率ωi与受控压控振荡器的频率ωv之差。

控制角频差：受控压控振荡器的频率ωv与自由振荡频率ωo之差。

三者之间的关系：瞬时频差=固有频差-控制频差。

5. 从输入信号加到锁相环路的输入端开始，一直到环路达到锁定的全过程，称为捕获过程。

6. 对一定环路来说，是否能通过捕获而进入同步完全取决于起始频差。

7. 锁定状态又叫同步状态：①同频②相位差固定8. 锁定之后无频差，这是锁相环路独特的优点。

9. 捕获时间T p的大小除决定于环路参数之外，还与起始状态有关。

10.若改变固有频差∆ωo，稳定相差θe(∞)会随之改变。

11.锁相环路基本构成：由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和电压控制振荡器（VCO）组成。

12.鉴相器是一个相位比较装置，鉴相器的电路总的可以分为两大类：第一类是相乘器电路，第二类是序列电路。

13.环路滤波器具有低通特性。

常见的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种。

（会推导它们的传输算子）14.电压振荡器是一个电压-频率变换装置，它的振荡频率应随输入控制电压u c(t)线性的变化。

15.压控振荡器应是一个具有线性控制特性的调频振荡器。

要求压控振荡器的开环噪声尽可能低，设计电路时应注意提高有载品质因素和适当增加振荡器激励功率，降低激励级的内阻和振荡管的噪声系数。

一、简答1、什么是时钟频率稳定度？分别说说RC振荡器、osc（这个中文怎么说来着，突然失忆~）、恒温osc、铷钟铯钟的频率稳定度各是多少？2、锁相环由哪几部分组成，分别简单说明并画出锁相环框图。

二、PFD鉴相器工作原理及实现方法。

（电路图我就不画了）三、1、锁相环锁定状态的数学模型是什么？在此状态下的相位传输函数和误差传输函数分别是什么？2、同步范围、拉出范围、捕捉范围、锁定范围具体含义是什么？并说明它们之间的相互关系。

四、（晕~实在想不起来了。

等想起来了再说）五、设计f=（N1V+N2）f1的分频器。

说明工作原理及其实现方法。

六、设计f=6.5f1（f1是参考频率，下标其实是ref）。

说明工作原理。

七、说明希尔伯特变换鉴相器的工作原理及其实现方法。

八、综合题用下面给出的器件，选择合适的器件，设计一个锁相环，要求频率可调。

绘出波形图，说明工作原理。

给出频率分辨率的值。

鉴相器：JK鉴相器、PFD鉴相器环路滤波器：无源超前滞后滤波器、有源超前滞后滤波器压控振荡器VCO分频器：自选。

一、选择题1、对锁相环路起作用的是：（）①输入瞬时相位；②输入信号频率；③输入信号幅度2、不论采用何种滤波器的二阶环路其闭环频率响应具有：（）①高通特性；②低通特性；③带通特性二、判断题（正确的打+，不正确的打-）1、锁相环路是实现信号相位自动控制的系统。

（）2、全数字锁相环一般由数字鉴相器、RC积分滤波器、数字压控振荡器构成。

（）三、填充题1、锁相环路的频率响应含义为：________________.2、辅助捕获的方法有：________、________、________、________等。

3、采用单环锁相频率合成器，其输入其准频率fi=100kHz，程序分频器分频比为1234，则环路锁定时输出信号频率为________________.四、简答题1、试述T4044数字鉴频鉴相器的鉴相工作原理。

2、相对于输入信号而言，锁相环路为何等效为一个带通滤波器？它于一般的带通滤波器有何不同？五、综合题1、已知一阶环的Ud＝2V，Ko=15kHz/v，ωo/2π=2MHz.问当输入频率分别为1.98MHz 和2.04MHz的载波信号时，环路能否锁定？稳定相差多大？2、采用有源比例积分滤波器的窄带载波跟踪环路，其环路噪声带宽BL=18Hz，τ1=2630s，τ2=0.0834s，试确定：（1）环路阻尼系数ζ与环路自然角频率ωn；（2）环路增益K；（3）如选择电容C=0.33μF，确定R1，R2.。

空间零差相干光通信的锁相技术刘旭东;李晶;郭肃丽;杨旭【摘要】针对空间激光通信会受到多普勒频移和大气湍流等不利因素的影响,研究零差相干光锁相技术以提高接收系统灵敏度.通过搭建BPSK零差相干光通信系统模型,对星间激光通信链路动态性引起的光锁相环失锁边界进行了探索,给出了光锁相环失锁过程的仿真.仿真结果表明,频差范围在±50 MHz以内时,科斯塔斯光锁相环可在1μs左右锁定信号光的相位;频差超过±50 MHz时,锁定时间增加且锁定状态不稳定.【期刊名称】《无线电工程》【年(卷),期】2018(048)008【总页数】5页(P718-722)【关键词】空间相干光通信;BPSK;相干解调;光学零差锁相环【作者】刘旭东;李晶;郭肃丽;杨旭【作者单位】中国电子科技集团公司第五十四研究所, 河北石家庄 050081;中国电子科技集团公司第五十四研究所, 河北石家庄 050081;中国电子科技集团公司第五十四研究所, 河北石家庄 050081;中国电子科技集团公司第五十四研究所, 河北石家庄 050081【正文语种】中文【中图分类】TN913.30 引言随着卫星探测能力的不断增强，星载分辨率极高的传感器产生了海量的探测数据需及时传回地面站[1]。

因此，对星地链路数据传输速率的要求越来越高，骨干链路数据速率需求甚至超过20 Gbps；另外，低轨道卫星(LEO)从地面站上空经过的时间短，很难完成大数据量的回传。

大量数据需要经过对地静止轨道(GEO)转发至地面站[2-3]，带来了35 000 km超远距离传输信号衰减严重的问题。

空间光通信是未来高数据速率、远距离空间通信的重要发展方向[4-7]。

对比微波无线通信系统，光通信在传输速率、灵敏度、功耗体积和信息安全性等方面具有明显优势。

根据调制、解调体制不同，将光通信划分为强度调制/直接探测和多调制方式/相干探测2类，后者具有更高的灵敏度，约10～20 dB。