锁相环路的基本工作原理

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1、锁相技术PhaselockTechniques信息科学与工程学院通信教研室·施晓东第一章锁相环路的基本工作原理锁定与跟踪的概念环路组成环路的动态方程一阶锁相环路的捕获、锁定与失锁锁定与跟踪的概念设初始时刻（其中，是VCO的自由振荡角频率）输入信号：输出信号：两个基本概念——瞬时相位、瞬时频率瞬时相位：瞬时频率：PDLFVCOPLL锁定与跟踪的概念相位关系的描述（固有频差、瞬时相差、瞬时频差）任何一个正弦信号（或余弦信号），都可以构造成一个唯一对应的复信号，从而以向量的方式在复平面上表示。其中：向量的模（长度）表示信号的最大幅度；向量与实轴之间的夹角表示信号的瞬时相位。锁定与跟踪的

2、概念相位关系的描述瞬时相差固有频差瞬时频差预期车速瞬时车速瞬时位置锁定与跟踪的概念参考相位锁定与跟踪的概念失锁状态和锁定状态失锁状态当输入信号的角频率与输入信号的角频率不同时，两个信号之间的瞬时相差将会越来越大，系统的这种状态称为失锁状态。两个信号所对应的矢量的旋转速率不同时，两个矢量之间将会产生相对旋转，其结果是导致两个矢量之间的夹角越来越大，这就时系统的失锁状态。锁定状态当两个矢量以相同的角速度旋转时，其之间的夹角将保持不变，并能保持为一个很小的值，这就时环路的锁定状态。锁定与跟踪的概念捕获过程（捕获时间、捕获带）从输入信号加到锁相环路的输入端开始，一直到环路达到锁定的全过程

3、，称为捕获过程。一般输入信号频率与被控振荡器自由振荡频率不同，若没有相位跟踪系统的作用，两信号之间的相差将随时间不断增长。锁定与跟踪的概念捕获过程（捕获时间、捕获带）捕获时间从信号加入到环路到系统进入同步状态的整个捕获过程所需要的时间称为捕获时间，用来表示；显然，捕获时间的大小不但与环路的参数有关，而且与起始状态有关。捕获带对某个给定的环路来说，当输入信号与环路的自由振荡频率之间的固有频差超过一定范围时，环路可能就不能够通过捕获过程达到同步状态。这个范围值称为环路的捕获带，用表示，是环路的一个重要性能指标。锁定与跟踪的概念锁定状态（同步状态）锁定状态的定义当捕获过程完成后，环路的

4、状态将满足下面的关系并处于一个相对稳定的状态，即：此时，环路的状态称为锁定状态或同步状态；输入信号为固定频率时的稳态频差与稳态相差锁定与跟踪的概念输入信号：输出信号：瞬时相差：当锁相环路进入锁定状态时，有，则有（取等号）：将上式代入到输入信号表达式：锁定与跟踪的概念对比输入信号和输出信号的表达式，可以得出以下简单结论：在输入信号为固定频率信号的条件下，环路进入同步状态后，输出信号与输入信号之间频差为零，相差等于一个很小的常数（稳态相差）。即：输入信号：输出信号：锁定与跟踪的概念环路的基本性能要求环路有两种基本的工作状态：捕获过程和同步状态。捕获过程捕获带：环路能通过捕获过程而进入

5、同步状态所允许的最大固有频差，即捕获时间：环路由起始时刻到进入到同步状态的时刻之间的时间间隔，即关于环路的捕获时间：环路的捕获时间的大小取决于环路参数和起始状态；一般情况下，输入起始频差越大，就越大；通常把以起始频差等于时，环路的捕获时间称为最大捕获时间。锁定与跟踪的概念同步状态稳态相差：环路达到稳定状态后，输出信号和输入信号之间的相位差；稳态频差：环路达到稳定状态后，输出信号和输入信号之间的频率差；同步带：对于已经锁定的锁相环路，若再改变其固有频差，稳态相差将随之改变。当增大到某一个值时，环路将不能维持锁定。把锁相环路所能够保持锁定状态所允许的最大固有频差称为环路的同步带，用符

6、号表示。锁定与跟踪的概念区分捕获带与同步带捕获带与同步带是两个不同的概念，可以根据其测量原理来辨别这两个不同的概念；其中，捕获带和同步带的测量原理如下：用示波器观察和的波形，并用频率计测量的频率，步骤如下：调节信号源频率，使环路失锁；缓慢调节信号源频率，使逐步升高，注意观察和的波形，用频率计测出和刚刚进入同步状态（和同为稳定的，形状清晰的波形）时所对应的频率，记为；PDLFVCO信号源示波器频率计锁定与跟踪的概念继续升高，直至和刚刚脱离同步状态（和为不稳定的，模糊不清的波形）时所对应的，记为；反方向调节，使之逐步降低，直至和又重新刚刚进入同步状态，测出此时的，记为；继续降低，直至

7、和又重新脱离同步状态，测出此时的，记为。PDLFVCO信号源示波器频率计环路组成鉴相器（PD，PhaseDetection）鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位与反馈信号相位之间的相位差。其输出信号的幅度是两个输入信号之间的相位差的函数，即：PDLFVCOPLL图：锁相环路的基本组成环路组成鉴相器的分类根据鉴相器的输出电压与两个输入信号之间的相位差之间的关系曲线的不同，可以将鉴相器分为：正弦形特性三角形特性锯齿形特性其中，应用最多也最容易实现的是正弦特性的鉴相器。环路组