锁相环PLL原理与应用.ppt

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1、锁相环原理与应用—电子大赛辅导常华2011年6月27日PDLPFVCOuiuoucud锁相环的英文全称是Phase-LockedLoop，简称PLL。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环路是一种反馈控制电路。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）三部分组成。鉴相器PD：是一个完成相位比较的单元，用来比较输入信号和基准信号的之间的相位。它的输出

2、电压正比于两个输入信号之相位差。低通滤波器LPF：是一个有源或无源低通滤波器。其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量（包括和频及其他的高频噪声），起平滑滤波的作用。通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。压控振荡器VCO：是一个振荡频率受控制电压控制的振荡器，而振荡频率与控制电压之间成线性关系。在PLL中，压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成也可以由数字电路组成用低通滤波器LPF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压初始

3、的ω0=ωr，ωr指环路无输入信号、环路对VCO无控制作用时VCO的振荡频率，称为电路的固有振荡频率或自由震荡频率。Ad是鉴相器的增益此时的ωi(t)为输入信号的瞬时振荡角频率，ωo(t)为输出信号的瞬时振荡角频率；φi(t)和φo(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相。瞬时频率（单位时间变化的弧度）和瞬时相位的关系为：则，瞬时相位差φd为说明：以cos(ω(t)t+φ(t))为例瞬时频率为d(ω(t)t+φ(t))/dt瞬时相位为ω(t)t+φ(t)。根据对两边求微分，可得与差频的关系式（瞬时差

4、频）为说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率相等、相位差保持恒定不变的状态，uc的直流分量为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，uc的直流分量随时间而变。因压控振荡器的压控特性为线性，该特性说明VCO的振荡频率ω0(t)以固有频率ωr为中心，随输入信号电压uc的变化而变化。该特性的表达式为如果上式等于零，说明上式说明当uc随时间而变时，VCO的输出振荡频率ωo(t)也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”——自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相

5、环进入锁定的状态，并保持ω0(t)=ωi(t)的状态不变。锁相：实现相位同步（相差恒定）。锁相环：能使两个电信号实现相位同步的闭环系统。Ao——压控振荡器增益（灵敏度）Uc(t)ωrωo(t)0锁相环仿真前对一些基本仿真原件的认识——VCO0FM、VCO信号相乘一种由数字电路组成的鉴相器。检测到输入信号过零时开启计数器；检测到参考信号过零时锁定计数器。其间计数器内的计数值就是相位差的某种表达。该计数值经过A/D后就成为相位差某种表达模拟量。RS触发器PDLPFVCOuiuoucudf1f2’Uφ(t

6、)UI(t)Uo’(t)Ud(t)对锁相环的另一种描述反馈过程简单描述：ωo(t)↑→频差↓→PD的直流分量↓→LPF的直流分量↓→ωo(t)↓→频差↑→PD的直流分量↑→LPF的直流分量↑→ωo(t)↑→循环往复频差=0→PD的直流分量=常数→LPF的直流分量=常数→能够由失锁进入锁定所允许的最大初始频差

7、Δωi

8、=ωi(t)-ωo(t)称为捕捉带初始时ω0(t)=ωr。因此最大初始频差也可以写作ωi(t)-ωr锁定后，滤波器输出的直流分量为恒定值。锁相环仿真（PLL0）：改变串扰频率、修改滤波器

9、参数、改变ω0等观察0时刻瞬态响应、锁定频率输出。（例中给的直流电源实际上是作为初始震荡频率值之用，合理设置VCO参数，也可以不用直流电源）直观分析：若Δωi很大，其频差值超过LPF的通带，ud不能通过。LPF无uc输出，锁相环的输出ω0(t)将维持在VCO固有频率ωr上不变。环路无法锁定——失锁。若Δω很小，其值在LPF的通带内，ud经LPF产生uc输出，控制VCO的频率，使之在固有频率ωr上下按正弦规律摆动。一旦能够摆动到ωi(t)并符合正确的相位关系时，环路锁定，PD的输出uc经LPF后的直流

10、分量保持不变。观察固有震荡频率ωr=0的情况。（增益需选择合适）低通滤波器的截止频率应控制在最大差频值。显然，锁定效果取决于：LPF的截止频率、VCO的自由震荡频率、VCO的灵敏度、PD的增益。描述二阶锁相环的方程是一个二阶非线性微分方程（观察锁定过程）。在数学上对这一方程尚无严格的求解方法。二阶锁相环系统的构成：压控振荡器VCO可以看成是一个理想的积分器。所以从系统的角度来看，如果低通滤波器LPF是一阶的，则锁相环PLL可以看成一个二阶系统。对一个二阶系统而言，就存