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锁相环原理及应用.doc
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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
对象的反应控制系统,是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进展比拟,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。在两者频率一样而相位并不完全一样的情况下,两个信号之间的相位差能稳定
在一个很小的围。
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根本部件。
一、锁相环路的根本工作原理
1.锁相环路的根本组成
锁相环路主要由鉴频器〔PD〕、环路滤波器〔LF〕和压控振荡器〔VCO〕三局部所
组成,其根本组成框图如图 3-5-16 所示。
图 1 锁相环路的根本组成框图
将图 3-5-16 的锁相环路与图 1 的自动频率控制〔AFC〕电路相比拟,可以看出两种
反应控制的构造根本相似,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,用鉴频器作为比拟部件,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,用鉴相器作为比拟部件,用输出信号与基准信号两者的
相位进展比拟。当两者的频率一样、相位不同时,鉴相器将输出误差信号,经环路滤波器
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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,而相位那么相差一个预
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
0
f
与
r
f
同步。
2.锁相环路的捕捉与跟踪过程
当锁相环路刚开场工作时,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。锁相环由失锁到锁定的过程,人们称为捕捉过程。系统能捕捉的最大频率
围或最大固有频带称为捕捉带或捕捉围。
当锁相环路锁定后,由于某些原因引起输入信号或压控振荡器频率发生变化,环路可
以通过自身的反应迅速进展调节。结果是 VCO 的输出频率、相位又被锁定在基准信号参
数上,从而又维持了环路的锁定。这个过程人们称为环路的跟踪过程。系统能保持跟踪的
最大频率围或最大固有频带称为同步带或同步围,或称锁定围。
捕捉过程与跟踪过程是锁相环路的两种不同的自动调节过程。
由此可见,自动频率控制〔AFC〕电路,在锁定状态下,存在着固定频差。而锁相环
路控制〔PLL〕电路,在锁定状态下,那么存在着固定相位差。虽然锁相环存在着相位差 ,
但它和基准信号之间不存在频差,即输出频率等于输入频率.这也说明,通过锁相环来进
展频率控制,可以实现无误差的频率跟踪.其效果远远优于自动频率控制电路.
3.锁相环路的根本部件
1〕鉴相器〔PD—Phase Detector〕
鉴相器是锁相环路中的一个关键单元电路,它负责将两路输入信号进展相位比拟,将
比拟结果从输出端送出。
鉴相器的电路类型很多,最常用的有以下三种电路.
〔1〕模拟乘法器鉴相器,这种鉴相器常常用于鉴相器的两路输入信号均为正弦波的
锁相环电路中。
〔2〕异或门鉴相器,这种鉴相器适合两路输入信号均为方波信号的锁相环电路中,
所以异或门鉴相器常常应用于数字电路锁相环路中。
〔3〕边沿触发型数字鉴相器,这种鉴相器也属于数字电路型鉴相器,对输入信号要
求不严,可以是方波,也可以是矩形脉冲波.这种电路常用于高频数字锁相环路中。
图 2 是异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线。
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图 2 异或门鉴相器的鉴相波形与鉴相特性曲线
a) 异或门鉴相器 b) 鉴相器输出波形 C) 鉴相特性
2〕环路滤波器〔LF-Loop Filter〕
鉴相器输出的电压信号是交流电压,它并不能直接控制压控振荡〔VCO〕电路,鉴相
器输出的电压信号必须经过环路滤波器平滑滤波后,才能用于控制 VCO 电路。
环路滤波器从实质上讲也是低通滤波,其作用主要是滤除鉴相器输出误差电压中的高
频及干扰成分,得到控制电压
d
U
,因为控制电压
d
U
是决定 VCO 工作频率的电压,因此
它的变化对锁相环路的性能参数有很大的影响关系。
图 3 是目前比拟常用的三种环路滤波器电路。从图中可以看出,三种电路的复杂程度
不一样。第一种简单的 滤波器所用元件最少,电路也最简单。有源比例积分滤波器,
使用元件最多,电路也比拟复杂。
图 3 环路滤波器
a)简单
RC
滤波器 b)
RC
比例积分滤波器 c)有源比例积分滤波器
但从滤波效果的角度来衡量,有源比例积分滤波器的滤波效果最好,简单
RC
滤波器
滤波效果最差,
RC
比例积分滤波器的滤波效果介于二者之间。设计电路时,可以根据锁
相环路的要求选择不同的环路滤波器。
3〕压控振荡器〔VCO-Voltage Controlled Oscillator〕
压控振荡器〔VCO〕是锁相环〔PLL〕的被控对象。压控振荡器是一个电压—频率变
换装置,在环路中作为频率可调振荡器,其振荡频率应随输入控制电压线性地变化。它输
出的信号根据锁相环的不同要求,可分为正弦波压控振荡器与非正弦波压控振荡器两大类.
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正弦波压控振荡器一般由
LC
点式振荡器与变容二极管组成.它的工作原理与计算公
式和电容三点式正弦波振荡器完全一样。由于正弦波 VCO 受到变容二极管结电容变化围
的限制,因此一般振荡频率变化围都不是太大。
非正弦波压控振荡器的种类较多,由于它的频率变化围大,控制线性好,所以应用比
拟广泛。
这类压控振荡器常见的几种电路有射极定时压控多谐振荡器、积分型施密特压控振荡
器、数字门电路压控振荡器。
图 4 是两种方波压控振荡器电路。
图 4 两种方波压控振荡器电路
a) 积分施密特 VCO 电路 b) CMOS 门电路 VCO 电路
二、锁相环路的根本特性
1.良好的载波跟踪特性。无论输入锁相环的信号是已调制或未调制的,只要信号中
包含有载波成分,就可将环路设计成一个窄带跟踪滤波器,跟踪输入信号载波成分的频率
与相位变化,环路输出信号就是需要提取的载波信号。载波跟踪特性包含窄带、跟踪和弱
输入载波信号的放大三重含意。
2.调制跟踪特性。当环路具有适当宽度的低频通带时,压控振荡器输出信号的频率
与相位就能跟踪输入调频或调相信号的频率与相位的变化。
3.窄带滤波特性。锁相环路通过环路滤波器的作用,具有窄带滤波器特性,当压控
振荡器的输出频率锁定在输入参考频率上时,位于信号频率附近的干扰成分将以低频干扰
的形式进入环路,绝大局部的干扰会受到环路滤波器低通特性的抑制,从而将混进输入信
号中的噪声和杂散干扰滤除掉。在设计较好时,这个通带能做得极窄,例如在几十兆赫的
频率围,实现几十赫甚至几赫的窄带滤波。这种窄带滤波特性是任何
LC
、
RC
及石英晶
体等滤波器均难以到达的。
4.低门限特性。锁相环路也是一个非线性器件,用作鉴频器时同样存在门限效应,
但锁相环路的门限并不取决于输入信噪比而取决于环路信噪比,由于环路的窄带特性,环
路信噪比明显高于输入信噪比,环路能在低输入信噪比条件下工作,即具有低门限的优良
特性。
5.锁定状态无剩余频差,易于集成化等。
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