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锁相环基本概念PPT课件

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第二章锁相环的基本工作原理锁相环路的基本组成及数学模型1锁相环路的构成锁相环是一个相位负反馈控制系统。

鉴相器(Phase Detector,缩写为PD)、环路滤波器(Loop Filter,缩写为LF)和压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,缩写为VCO)三个基本部件组成，如图9—11所示。

)工作机理：PLL 环路利用输入与输出信号的相位误差()e t θ产生误差电压，通过环路滤波器滤除其中的高频成分与噪声，得到控制电压()c u t 去控制压控振荡器，使()e t θ朝缩小固有频差的方向变化，最终()e t θ稳定在某一很小的常数（称剩余相差），输入、输出信号频率相等i V ωω=，则环路被锁定了，即()e e t θθ∞=。

说明：图9—11为简图，省略了分频器。

PLL 电路中几个重要的频率。

鉴相器的两个输入信号；其一，晶体振荡器提供的参考输入信号 ()sin()i im i i u t V t ωθ=+； 其二，VCO 的输出电压信号。

开环时VCO 的自由振荡频率o ω，其输出电压为 ()cos()o om o o u t V t ωθ=+。

闭环时VCO 的频率受()c u t 控制，瞬时频率从oV ωω→，相应的输出()cos()o om V o u t V t ωθ=+。

为了研究的方便（请看课本P2），通常假设i u 和o u 的初始相位为零，i u 和o u 的相位均以o t ω作为参考，则1()sin[()]sin[()]i im o i o im o u t V t t V t t ωωωωθ=+-=+ （9.4.1）2()cos[()]cos[()]o om o V o om o u t V t t V t t ωωωωθ=+-=+ （9.4.2）式中，1()()i o t t θωω=-，为输入相位。

环路的固有频差 1()o i o d t dt θωωω∆=-=，其值等于输入参考信号频率与VCO 自由振荡频率之差。

《锁相环路》课件

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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

锁相环路优质获奖课件

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捕获带(Δωp )—— 环路由失锁进入锁定所允 许信号频率偏离ω 旳最大值。
r
捕获时间(τP )——环路由失锁状态进入锁定 状态所需旳时间
跟踪过程—环路维持锁定旳过程
跟踪过程（同步过程）
➢假化=ω如 ，i 旳输 则V锁入C定信O状号振态频荡，率频称ω率为iω或跟o跟V踪C踪O过ω振程i荡而或频变同率化步ω，过o维程发持。生ω变o
锁相环路内接入分频器后，其环路增益将下降为原
来旳1/N。当要求频率间隔很小时，其分频比N旳变
化范围将很大，造成环路增益也大幅度旳变化，从 而影响到环路旳动态工作性能。
可编程分频器旳分频比旳数目决定了合成器输出信 道旳数目，而程序分频旳输入频率就是合成器旳输 出频率。因为可编程分频器旳工作频率比较低，无 法满足大多数通信系统中工作频率高旳要求。
自动跟踪特征
➢ 环路在锁定时，输出信号频率和相位能在一定范围内跟 踪输入信号频率和相位旳变化
6.3 集成锁相环路及其应用
本
集成锁相环路简介
节
锁相环旳应用
内
➢ 锁相倍频、分频与混频
容
➢ 锁相调频与鉴频 ➢ 调幅波旳同频检波
➢ 彩色电视机色副载波旳提取
➢ 锁相接受机
频率合成
➢ 主要技术指标
➢ 锁相频率合成器
锁相频率合成是用锁相技术间接合成高稳定度频率 旳合成措施，它由基准频率产生器和锁相环路两部 分构成。
第6章 锁相环路
内
锁相环路旳基本工作原理
容
➢ 基本构成
提
➢ 工作原理
要
锁相环路旳性能分析
➢ 锁相环路旳相位模型与环路方程
➢ 捕获过程与跟踪过程
➢ 锁相环路旳基本特征
集成锁相环路及其应用

锁相技术第1章 锁相环的基本概念

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。

《锁相技术》课件

《锁相技术》课件
采用高速的VCO和鉴相器可以加快环路的响应速度。
减小功耗的措施
采用低功耗的器件
如低功耗的VCO、鉴相器等。
优化电路设计
优化电路设计，降低功耗。
开启/关闭不必要的功能
在不需要时关闭某些功能，降低功耗。
01
锁相环路的测试与 验证
测试方法与测试环境
测试方法
采用模拟信号源和频谱分析仪对锁相环路的性能进行测试。
感谢观看
THANKS
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
21世纪
随着通信技术的发展，锁相技 术在移动通信、卫星通信等领
域得到广泛应用。
01
锁相环路的工作原 理
锁相环路的组成
鉴相器（PD）
VCO（压控振荡器）
用于检测输入信号与输出信号的相位 差。
用于产生可调频率的输出信号，通过 电压控制其振荡频率。
环路滤波器（LF）
用于滤除鉴相器产生的误差电压中的 高频分量，平滑输出电压。
锁相技术在其他领域的应用探索
要点一
总结词
要点二
详细描述
除了通信领域，锁相技术在其他领域也有广泛的应用前景 。
随着科技的不断发展，锁相技术的应用领域也在不断拓展 。未来，锁相技术有望在雷达、导航、电子对抗、电力系 统等领域得到广泛应用。例如，在雷达领域，锁相技术可 以实现高精度、高稳定性的频率源，提高雷达的探测精度 和距离分辨率；在电力系统领域，锁相技术可以用于实现 电网的稳定运行和故障诊断等方面。
测试环境
在实验室条件下进行，确保测试结果的准确性和可靠性。
测试结果与分析
测试结果
锁相环路在低频和高频段均表现出良 好的跟踪性能和噪声抑制能力。

《理学锁相环》课件

《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。

锁相环路PLL电路基础.ppt

锁相环路PLL电路基础.ppt
（号行）比1）较u设o(，t输)鉴分入相别信器是号的正u输弦i(t)出和和是余本一弦振个信信与号号两，（者它压间们控的在振相鉴荡位相器差器输成内出比进信 例的电压ud(t)，一般把ud (t)称为误差电压。
（2）环路低通滤波器滤除鉴相器输出中的高频分量，
然信后号把频输率出随电着压输入uc(电t)加压到的V变C化O的而输变入化端。，如V果C二O的者本频振率
6.1 锁相环路（PLL）电路基础
6.1.1 锁相环路的基本特性
锁相环路（PLL，Phase Locked Loop）是一个相位误 差控制系统，是将参考信号与输出信号之间的相位进 行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位， 以达到与参考信号同频的目的。
1．良好的跟踪特性 锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信
（6.1.4）
AmU1mU2m ，其中，Am为乘法器的增益系
数，
量纲为1/V。 (t) i (t) o (。t)
鉴相器的作用是将两个输入信号的相位差 (t) i (t) o (t)
转变为输出电压ud (t)。
由式（6.1.4）可得出鉴相特性，如图6.1.2所示。
数为输出电压uc(t)与输入电压ud(t)之比，即
1
1
H ( j) uc ( j) jC RC
ud ( j) R 1 j 1
jC
RC
（6.1.5）
改为拉氏变换形式，用s代替j，得
1
1
H (s) RC 1
s 1 s 1 s 1
RC

（6.1.6）
o改变，减少它与i之差，直到保持i= o ，相位差为，
这一过程叫做环路跟踪过程。
由此可见，压控振荡器在环路中起了一次理想积分作 用，因此压控振荡器是一个固有积分环节。

锁相环基本概念PPT幻灯片PPT

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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。

《锁相环路》课件

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环路滤波器
01
环路滤波器是锁相环路中的重要组成部分，用于滤除
鉴相器输出信号中的高频分量，以减小噪声和干扰。
02
它通常由RC电路或运算放大器构成，能够实现低通
滤波功能。
03
环路滤波器的参数设置对锁相环路的性能有很大影响
，需要根据实际情况进行调整。
压控振荡器
01
压控振荡器是锁相环路中的输出信号源，用于产生调频或调相 的输出信号。
05
锁相环路的设计与实现
设计原则与步骤
设计原则：稳定性、准确 性、可靠性、易实现性。
1. 确定系统参数和性能指 标。
3. 进行理论分析和仿真验 证。
设计步骤
2. 选择合适的元件和电路 结构。
4. 优化设计并进行实验测 试。
实现方法与技巧
实现方法：硬件实现、软件实现、软硬件结合 实现。
01
1. 选择合适的元件和电路，确保稳定性。
跟踪速的频率与相位精度
频率精度
锁相环路输出信号的频率与输入信号的频率之间的误差。
相位精度
锁相环路输出信号的相位与输入信号的相位之间的误差。
抗干扰性能与稳定性
抗干扰性能
锁相环路在存在噪声或干扰的情况下，保持锁定状态的能力。
稳定性
锁相环路在各种工作条件下，性能参数的变化情况，以及环路对参数变化的适应能力。
输出信号的调整与控制
调整环路参数
根据误差信号调整环路参数，如环路滤波器的增益、相位滞后等，以控制环路输 出信号的相位。
控制环路状态
通过调整环路参数，控制环路的锁定状态，使环路输出信号的相位与输入信号保 持一致。
04
锁相环路的性能指标
锁定时间与跟踪速度
锁定时间

锁相环路学习.pptx

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2
(n2 2 ) 2n2
e
tg1
2n n2 2
第29页/共62页
28
环路的暂态响应
• 假设环路是线性系统，t<0 时处于锁定状态, t=0 时 环路出现不同的相位变化. 观察输出相位的变化过程 (采用有源比例积分滤波器)
• t<0, ui(t)=Uimsint • uo(t)=Uomcost • T=0, ui(t)=Uimsin[t+ i(t)] • uo(t)=Uomcos[t+ o(t)] • e(S)=[1-H(S)] i(S)
H（j2f）2
• 一阶环路： 1
• BL=K0Kd/4
• 有源比例积分滤波器 的二阶环路：
• BL=n（1+42） /8
0
BL
f
等效噪声带宽的几何意义
34
第35页/共62页
4-2 锁相环路的非线性分析
• 环路锁定、失锁、牵引过程
o= i - o
（1） o 比较小时
1
（t）
o
i o
o
0
t1 t2
t
环路第3的6页快/共捕62页过程
1 锁相接收机
i -O
i 混频
O
N
中放 VCO
i -O 鉴相 低通
问题：
锁相接收机的组成
1（1）Bi>5B3dB; （2）环路增益不能太大；
2 假锁
第50页/共62页
中频 参考电压 IO
49
2 锁相鉴频
输入
鉴相
输出滤波 环路滤波
VCO 锁相鉴频器组成
输出滤波
输出
50
第51页/共62页
输入调频信号：ui (t) Uim sin[it m (t)]
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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。
6
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
输出量 控制对象
h
10
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。
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
在锁相环中,PD是控制器,VCO是控制对象,LF是校 正网络,基本锁相环中反馈网络的传递函数为1。反 馈网络的传递函数为1 的环路称为单位反馈环,它的 反馈信号等于输出信号,反馈量等于输出量。在本 书中,无特殊说明的锁相环皆是单位反馈环。
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。
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
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。
h
9
目前,通常将AFC称为自动频率微调,而APC系统称 为锁相环(PLL) 。
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。
1.2.2 锁相环的工作原理
12
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。
反馈量
反馈网络
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。
h
8
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 控制器
校正网络
控制对象 输出量
反馈量
反馈网络
华中科技大学出版社
锁相技术
(第二版)
王福昌 鲁昆生 编著
h
1
目录
第1章 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8章 锁相环的其它应用 习题解答
绪言
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。
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h 等任务。
4
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。
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。
h
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。
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。
ui(t)
PD ud(t) LF
uc(t) VCO
uo(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
uf(t)
PLL
uo(t)
图1.2.1 基本锁相环组成