第2章 锁相环路的跟踪性能解读
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第二章锁相环111. 锁相环的基本工作原理锁相环是一种子选以消除频率误差为目的的反馈控制电路。
它的基本工作原理是利用相位误差消除频率误差,所以当电路达到平衡状态时,虽然有剩余相位误差存在,但频率误差可以降低到0,从而实现无频率误差的频率跟踪和相位跟踪。
锁相环可以实现被控振荡器相位对输入信号相位的跟踪。
根据系统设计的不同,可以跟踪输入信号的瞬时相位,也可以跟踪其平均相位。
同时,锁相环对噪声还有良好的过滤作用。
锁相环具有优良的性能,主要包括锁定时无频差﹑良好的窄带跟踪特性﹑门限效应好﹑易于集成化等,因此被广泛应用于通﹑雷达﹑制导﹑导航﹑仪器仪表和电机控制等领域。
锁相环是一个相位锁反馈控制系统。
它由鉴相器(PD)﹑环路滤波器(LF)﹑和电压控制振荡器(VCO)三个基本构件组成,如图2.1图2.1相锁环的基本构成设参考信号为u r (t)=Ursin[ωrt+θr(t)] (2-1)式中Ur 为参考信号的振幅,ωr为参考信号的载波角频率,θr(t)为参考信号以其载波相位ωr t为参考时的瞬时相位。
若参考信号是未调载波时,则θr(t)=θr=常数。
设输出信号为uo (t)=Uocos[ωot+θo(t)] (2-2)式中Uo 为输出信号振幅, ωo为压控振荡器的自由振荡角频率,θo(t)为输出信号以12 频率合成器的设计与分析其载波相位ωo t 为参考的瞬时相位,在VCO 未受控制之前它是常数,受控制后它是时间的函数。
由两信号之间的肯时相位差为θe (t)=(ωr t+θr )-[(ωo t+θo (t)]=(ωr -ωo )t+θr (t)-θo (t) (2-3) 由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时相位频差为 d θe (t)/dt =ωr -ωo -d θo (t)/dt (2-4)鉴相器是相位比较器,它把输出信号u o 和参考信号u r (t)的相位进行比较,产生对应于两信号相位差θe (t)的误差电压u d (t)。
第1章 锁相环路的基本工作原理一、锁相环的基本组成及原理PLL 由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和电压控制振荡器(VCO)三个基本部件组成的,基本构成如图,了解这三个基本部件的功能及数学模型,在此基础上完成环路动态方程模型的建立。
应理解θ1(t)与θ2(t)是以VCO 的自由振荡角频率w0为参考频率进行相位比较。
具体说明参见教材P2。
1、鉴相器鉴相器是一个相位比较装置,用来检测输入信号相位θ1(t)与反馈信号相位θ2(t)之间的相位差θe(t)。
输出的误差信号ud(t)是相差θe(t)的函数,即鉴相特性f [θe(t)]可以是多种多样的,有正弦形特性、三角形特性、锯齿形特性等等。
常用的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤波器的串接作为模型,如图所示。
鉴相器的输出电压:2、环路滤波器环路滤波器具有低通特性,它可以起到低通滤波器的作用,更重要的是它对环()sin ()d d e u t U t θ=路参数(如环路稳定性、环路单边噪声带宽、环路捕获时间等)调整起着决定性的作用。
环路滤波器是一个线性电路,在时域分析中可用一个传输算子F(p)来表示,其中p(≡d /dt)是微分算子;在频域分析中可用传递函数F(s)表示,其中s(a+j Ω)是复频率;若用s=j Ω代入F(s)就得到它的频率响应F(j Ω)。
主要了解RC 积分滤波器、无源比例积分滤波器及有源比例积分滤波器这三类环路滤波器的电路形式及传输函数。
a 、 R C 积分滤波器:式中τ1=RC 是时间常数,这是这种滤波器唯一可调的参数。
滤波器的频率特 性b 、无源比例积分滤波器式中τ1=(R1+R2)C ;τ2=R2C 。
这是两个独立的可调参数,其频率响应为c 、有源比例积分滤波器式中τ1=(R1+AR1+R2)C ;τ2=R2C ;A 是运算放大器无反馈时的电压增益。
若A 很大则有不考虑负号的影响,因为负号表示,鉴相器工作在鉴相器特性曲线斜率为负的那一段。
1锁相环的基本原理1.1 锁相环的基本构成锁相环路(PLL)是一个闭环的跟踪系统,它能够跟踪输入信号的相位和频率。
确切地讲,锁相环是一个使用输出信号(由振荡器产生的)与参考信号或者输入信号在频率和相位上同步的电路。
在同步(通常称为锁定)状态,振荡器输出信号和参考信号之间的相位差为零,或者保持常数。
如果出现相位误差,一种控制机理作用到振荡器上,使得相位误差再次减小到最小。
在这样的控制系统中,实际输出信号的相位锁定到参考信号的相位,因而我们称之为锁相环。
锁相环在无线电技术的许多领域,如调制与解调、频率合成、数字同步系统等方面得到了广泛的应用,已经成为现代模拟与数字通信系统中不可缺少的基本部件。
锁相环通常由鉴相器(PD),环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三个基本部件组成。
如图1-1所示:VCOLFPD图1-1 锁相环的基本构成在PLL中,PD是一个相位比较器,比较基准信号(输入信号)(t)与输出信号(t)之间的相位偏差,并由此产生误差信号;LF是一个低通滤波器,用来滤除中的高频成分,起滤波平滑作用,以保证环路稳定和改善环路跟踪性能,最终输出控制电压;VCO是一个电压/频率变换装置,产生本地振荡频率,其振荡频率受控制,产生频率偏移,从而跟踪输入信号的频率。
整个锁相环路根据输入信号与本地振荡信号之间的相位误差对本地振荡信号的相位进行连续不断的反馈调节,从而达到使本地振荡信号相位跟踪输入信号相位的目的。
1.1.1 鉴相器鉴相器是一个相位比较器,比较两个输入信号的相位,产生误差相位,并转换为误差电压。
鉴相器有多种类型,如模拟乘法器型、取样保持型、边沿触发数字型等,其特性也可以是多种多样的,有正弦特性、三角特性、锯齿特性等,作为原理分析,通常使用正弦特性的鉴相器,理由是正弦理论比较成熟,分析简单方便,实际上各种鉴相特性当信噪比降低时,都趋向于正弦特性。
常用的正弦鉴相器可以用模拟乘法器与低通滤波器的串接作为模型,如图1-2所示。
锁相环的理论锁相环作为一个系统,主要包含三个基本模块:鉴相器(Phase Detector :PD)、低通滤波器(LowPass Filter :LPF),亦即环路滤波器(L00P Filter :LF ),和压控振荡器(V oltage Controlled Oscillator :VCO )。
这三个基本模块组成的锁相环为基本锁相环,亦即线形锁相环(LPLL),如图2.1所示。
图2.1锁相环原理图当锁相环开始工作时,输入参考信号的频率1f 与压控振荡器的固有振荡频率o f 总是不相同的,即1o f f f ∆=-,这一固有频率差1o f f f ∆=-必然引起它们之间的相位差不断变化,并不断跨越2π角。
由于鉴相器特性是以相位差2π为周期的,因此鉴相器输出的误差电压总是在某一范围内摆动。
这个误差电压通过环路滤波器变成控制电压加到压控振荡器上,使压控振荡器的频率o f 趋向于参考信号的频率i f ,直到压控振荡器的频率变化到与输入参考信号的频率相等,并满足一定条件,环路就在这个频率上稳定下来。
两个频率之间的相位差不随时间变化而是一个恒定的常数,这时环路就进入“锁定”状态。
当环路已处于锁定状态时,如果输入参考信号的频率和相位发生变化,通过环路的控制作用,压控振荡器的频率和相位能不断跟踪输入参考信号频率的变化而变化,使环路重新进入锁定状态,这种动态过程称为环路的“跟踪”过程。
而环路不处于锁定和跟踪状态,这个动态过程称为“失锁”过程。
从上述分析可知,鉴相器有两个主要功能:一个是频率牵引,另一个是相位锁定。
实际中使用的锁相环系统还包括放大器、分频器、混频器等模块,但是这些附加的模块不会影响锁相环的基本工作原理,可以忽略。
2.1 锁相环的工作原理锁相环作为一个系统,主要包含三个基本模块:鉴相器【4】、低通滤波器,亦即环路滤波器,和压控振荡器。
在本节首先分析鉴相器、环路滤波器和压控振荡器.2.1.1 鉴相器锁相环中的鉴相器(PD )通常由模拟乘法器组成,利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图示:()O U t ()i U t ()D U t图2.2 模拟鉴相器电路 鉴相器的工作原理是:设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为:()sin[()]i m i i u t U t ωθ=+ (2.1)()sin[()]o om o o u t U t ωθ=+ (2.2)式中的O ω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角频率,称为电路的固有振荡角频率。