《锁相环的应用》PPT课件.ppt

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1、锁相环的应用现在锁相环已成为通信、雷达、导航、深空探测、电子设备等设备中不可缺少的部分。锁相环之所以能得到广泛的应用，是因为它具有独特的窄带跟踪特性，能完成频率合成、调制解调、同步提取、测速测距、微量频率变换等任务。锁相环能得到广泛应用的另一个原因是目前已有许多价格便宜，性能良好的集成锁相环部件及通用和专用集成相锁环。人们只要掌握锁相环的基本原理和集成电路的外特性，就可方便地设计出完成各种任务的环路。目前，锁相技术已成为每一个从事电子技术工作的工程技术人员必须掌握的基础知识。一.锁相环路的特性简介锁相环路就是一种反馈控制电路,它控制的参量是输出信号的相位。因此，也称为自动相位

2、控制电路。锁相的目的是使系统输出信号的相位始终与输入信号的相位同步。为什么一般研究锁相而不去研究锁频？因为相位可以唯一地确定频率,反之却不然。只知频率时,初相未知。因为锁相环路是一个相位控制系统，输入对环路起作用的是它的瞬时相位，输出的瞬时相位也是受输入相位的控制。二.PLL的组成及工作原理PLL包括：1.PD：PhaseDetector2.LF：LoopFilter3.VCO：VoltageControlledOscillator受控对象控制器基本构成如下图:PDVCOLFH(P)=11.鉴相器PD输出的误差信号是相差θe(t)的函数，即：正弦鉴相器用模拟相乘器与低通滤波器

3、的串接作为模型。LPFUdSin[·]θ(t)+-θ2(t)UdSinθe(t)1θe(t)设相乘器的相乘系数为Km[单位为1/V],则输入信号与输出信号相乘误差电压令正弦鉴相特性0π2π-π-2πθe(t)鉴相器电路分为两类1.相乘器电路：对输入信号波形与输出信号波形的乘积取平均，从而获得直流的误差输出。2.序列电路：其输出电压是输入信号过零点与反馈电压过零点之间的时间差的函数，只与波形的边沿有关，常用数字电路构成。2.环路滤波器LF环路滤波器具有低通特性，它对环路参数调整起着决定性的作用。LF的特性决定了环路的不同特性。F(P)F(s)时域频域S=jΩ代入F(S)得到频率

4、响应F(jΩ)常用的三种LF：1.RC积分Filter频率特性F(jΩ)=1/(1+jΩτ1)τ1=RC

5、F(jΩ)

6、=1/1+(Ωτ1)2Φ(jΩ)=–arctgΩτ1幅频特性uouiRC相频特性2.无源比例积分Filterτ=(R+R2)C,τ2=R2C11F(jΩ)=1+jΩτ11+jΩτ2

7、F(jΩ)

8、=1+Ωτ1+Ω2τ1222Φ(jΩ)=arctgΩτ–arctgΩτ12相位超前因子1+jΩτ2，有助于改善环路的稳定。2uoRRC12幅频特性相频特性uiuaR1R2-AuoCI1I2τ=(R+AR+R)Cτ=RC1121F(jΩ)=(1+jΩτ)/jΩτ21

9、F(

10、jΩ)

11、=ΩτΦ(jΩ)=arctgΩτ–π/222212高增益的有源比例积分滤波器又称为理想积分滤波器。1+Ωτ3.有源比例积分Filter2τ=(R+AR+R2幅频特性相频特性其控制特性如图所示：3.压控振荡器VCOVCO振荡频率随输入控制电压变换关系为：线性的变化，ωvωo0uc其相位即：写成算子数学模型：Ko/puc(t)θ(t)2压控振荡器是PLL中的固有积分环节。三.环路的相位模型将以上三个模型连接起来，构成环路的模型：UdSin[·]F(P)Ko/p+_θ(t)1θe(t)θ2(t)模型给出了输入相位与输出相位之间的关系，又称为环路的相位模型。这是一个相位负反馈

12、的误差控制系统，其特征是存在剩余误差。因为鉴相特性的非线性，环路的动态方程是非线性方程，又因为VCO的固有积分作用，动态方程至少是一阶非线性微分方程。锁相环电路具有三个突出的优点：(1)载波跟踪特性：无论输入信号是已调或未调信号，只要包含有载波频率成分，就可以将锁相环设计为窄带跟踪滤波器用于提取载波信号；以上描述包括三重含义：①窄带特性，利用环路滤波器的低通特性来实现输入信号载频上窄带带通特性。在高频上，可将通带做到几赫兹那么窄，而这是普通滤波器难以做到的。②跟踪特性，可以在保持窄带特性的情况下跟踪输入载波频率的漂移，普通带通滤波器的频率特性是固定的，为了能接收载频漂移的输入

13、信号，滤波器的通频带宽度必须计及漂移范围，因而无法利用窄带特性来过滤噪声与干扰。③信号放大特性，将弱输入载波信号放大为强信号输出。因为环路输出的是VCO的信号，它是输入弱载波信号频率和相位的真实复制品，其幅度则比输入信号强得多。(2)调制跟踪特性：只要让环路有适当宽度的低频通带，VCO输出的信号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，即：得到输入角调制信号的复制品。利用此特性可制成角调制信号的调制与解调器。(3)低门限特性：一般的非线性系统，其门限决定于输入信噪比，而锁相环的门限由环路信