锁相技术 学年结课论文

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1、桂林理工大学博文学院《锁相技术》结课论文学号80809125姓名蒙甲富指导教师：唐超尘2010年12月31日5锁相环基本原理和理论锁相环是一个相位自动控制系统，其基本框图如图2－1，它主要由三部分构成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）。鉴相器是相位比较装置，用来检测输入信号瞬时相位θi(t)与反馈瞬时相位θo(t)之间的相位差θe(t)，产生对应于两信号相位差θe(t)的误差电压Ud(t)。环路滤波器的作用是滤除误差电压Ud(t)中的高频成分和噪声，以保证环路要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器守控制电压)uc(t)的控制，使压控振荡器的频率向输入信号的

2、频率靠拢，也就是使差拍频率越来越低，直至消除频差而锁定。PDLPFVCOθi(t)Ud(t)uc(t)θo(t)锁相环路的基本构成2－1锁相环是一个相位负反馈控制系统。它比较输入信号和压控振荡器输出频率之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达与输入信号同频。在环路开始工作时，通常输入信号的频率与压控振荡器未加控制电压时的振荡频率是不同的，由于两信号之间存在固有频差，他们之间的相位差势必一直在变化，会不断地变到超过2π，而鉴相器的特性是以2π为周期，结果鉴相器输出的误差电压就在某一范围内摆动。在这种误差电压控制下，压控振荡器的频率也就在相应的范之内变化。若压控振荡

3、器的频率能够变化到与输入信号频率相等，便有可能在这个频率上稳定下来（当然只有在一定的条件下才可能这样）。达到稳定之后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相位差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入锁定状态。一、锁相环路的两种调节过程锁相环路有两种不同的自动调节过程：一是跟踪过程，二是捕捉过程。1.环路的跟踪过程5在环路锁定之后，若输入信号频率发生变化，产生了瞬时频差，从而使瞬时相位差发生变化，则环路将及时调节误差电压去控制VCO，使VCO输出信号频率随之变化，即产生新的控制频差，VCO输出频率及时跟踪输入信号频率，当控制频差等于固有频差时，瞬时频差再次为零，继续

4、维持锁定，这就是跟踪过程，在锁定后能够继续维持锁定所允许的最大固有角频差的两倍称为跟踪带或同步带。2.环路的捕捉过程环路由失锁状态进入锁定状态的过程称为捕捉过程。设时环路开始闭合，此前输入信号角频率不等于VCO输出振荡角频率（因控制电压），环路处于失锁状态。假定是一定值，二者有一瞬时角频差，瞬时相位差随时间线性增大，因此鉴相器输出误差电压将是一个周期为的正弦函数，称为正弦差拍电压。所谓差拍电压是指其角频率（此处是）为两个角频率（此处是与）的差值，角频差的数值大小不同，环路的工作情况也不同。若较小，处于环路滤波器的通频带内，则差拍误差电压能顺利通过环路滤波器加到VCO上，控制VCO的振

5、荡频率，使其随差拍电压的变化而变化，所以VCO输出是一个调频波，即将在上下摆动。由于较小，所以很容易摆动到，环路进入锁定状态，鉴相器将输出一个与稳态相位差对应的直流电压，维持环路动态平衡。若瞬时角频差数值较大，则差拍电压的频率较高，它的幅度在经过环路滤波器时可能受到一些衰减，这样VCO的输出振荡角频率上下摆动的范围也将减小一些，故需要多次摆动才能靠近输入角频率，即捕捉过程需要许多个差拍周期才能完成，因此捕捉时间较长，若太大，将无法捕捉到，环路一直处于失锁状态。能够由失锁进入锁定所允许的最大固有角频差的两倍称为环路的捕捉带。二、鉴相器（PD）鉴相器是一个相位控制比较器，用来检测输入瞬时

6、相位θi(t)与反馈瞬时相位θo(t)之间的相位差θe(t)。而输出的误差电压Ud(t)是相位差θe(t)的函数。即：Ud(t)=f[θe(t)]其中函数f[θe(t)]称为鉴相特性。由此可以看出鉴相器在锁相环中起误差敏感元件作用。常用的正弦鉴相器可用模拟乘法器与低通滤波器的串接作为模型,如图)a所示；鉴相器的数学模型，如图b所示。LPFudsin[]×+Ui(t)U0(t)ud(t)-θ2(t)+θ1(t)θe(t)图b图a5三、压控振荡器（VCO）压控振荡器是一个电压—频率变换装置，它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)线性的变化。即：ωv(t)=ωo+Kouc(t)其中ωv(t

7、)是压控振荡器的瞬时角频率；Ko为压控灵敏度，单位是[rad/s.V],ωo是环内压控振荡器的自由振荡角频率,它也是环路的一个重要参数。实际应用中的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，超出这个范围压控灵敏度会下降。压控振荡器的输出是反馈到鉴相器上，对鉴相器输出误差电压uc(t)起作用的不是其频率，而是相位。其传输函数为：θo(t)=KOuc(t)/s上式包含一个积分算子1/s，这是相位与角频率之间的积分关系形成的。这个积分是压控振荡器固有的，因此通