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1、第九章 锁相原理及应用,通过更广泛的分析，我们可以说现代通信和测量系统中，需要能够跟随参考频率(如上述提到的载波)的变化而作相应变化的特种功能电路。,9.1 概 述9.2 模拟输入锁相环路的组成原理9.3 锁相环路的基本运用方案9.4 数字输入锁相环路的组成原理9.5 电路系统的基准信号与锁相环,9.1 概 述,锁相技术的基本理论是反馈控制(Feedback Control)系统理论，其本质是利用反馈比较来实现自动跟踪参考频率或相位的变化。其反馈控制系统的组成方框图可归结为反馈控制器和执行部件两部分，如图9-1-1所示。图中反馈控制器的作用是完成输出信号xo与输入参考信号xi的电量或对应参量的
2、比较识别。xe反映了比较识别后形成的误差大小。比较误差越小，说明xo跟踪xi 的性能越好。常称xe为误差信号，其量纲为伏特或安培。,图9-1-1 反馈控制框图,本章讲的反馈控制系统比较的是信号中的某个参数，因此，我们可以将本章的反馈控制系统称为参量反馈控制系统。若反馈控制器比较的是信号振幅，则称为幅度反馈控制电路，如自动电平控制(Automatic Level Control，ALC)电路；若比较的是信号频率，则称为频率反馈控制电路，如自动频率控制(Automatic Frequency Control，AFC)电路；,若比较的是信号相位，则称为相位反馈控制电路，如自动相位控制(Automat
3、ic Phase Control，APC)电路，如锁相环路(Phase Lock Loop，PLL)。原则上，频率跟踪和相位跟踪是两个不同的概念。相位跟踪的目的是xo的瞬时相位跟随xi的瞬时相位而改变；频率跟踪的目的则是xo的频率跟随xi的频率而改变。,9.2 模拟输入锁相环路的组成原理,图9-2-1为对应的锁相环实现方框，它包括鉴相器(PD)，低通滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成的锁相环方框图。,图9-2-1 锁相环路组成方框图,9.2.1 锁相环路组成分析1.鉴相器(PD)图9-2-1中鉴相器是用来比较输入vi(t)与输出vo(t)信号的瞬时相位比较器，其输出必然含有与相位差对应的
4、误差电压信号分量。,2.低通滤波器(LF)低通滤波器，也称环路滤波器，它的作用是滤除vd 中的高频无用分量。为了跟踪的及时性，低通滤波器的截止频率不能太低。一旦输入信号频率保持不变，即di(t)/dt=0 时，则在环路跟踪条件下最终可使vi(t)和vo(t)的频率相等，相差固定。通常称这种情况为相位的“锁定”，相应的vd为常数。,3.压控振荡器(VCO)图9-2-1的压控振荡器是振荡频率受误差电压ve(t)控制的正弦振荡电路，它的输出振幅与误差电压ve(t)无关。因此，我们可以说，在输入i(t)缓慢变化(di(t)/dt较小)情况下，ve(t)应属于“小信号”工作。,o=K0ve(t)+r式中
5、，K0为VCO特性曲线在原点的斜率，称为压控灵敏度，单位为rad/(sV)。由于鉴相器关心的是压控振荡器的输出相位o(t)，因此上述线性关系可变为o(t)=rt+Ko ve(t)dt式中的积分关系称为环路的固有积分环节,9.2.2 锁相环路的模型分析e(t)=i(t)o(t)=i(t)rtKo ve(t)/p=i(t)r tKo ve(t)/p=i(t)o(t)式中，i(t)=i(t)rt表示ve(t)=0时，输入vi(t)的相位与VCO输出相位之间的固有相差；o(t)=Ko ve(t)/p表示在e(t)作用下，通过ve(t)对VCO输出相位的修正。,式中，e为信号和vo(t)之间的瞬时频差。
6、di(t)/d tr为ve(t)=0时，输入vi(t)的频率与VCO输出频率r之间的原始频差，也称固有频差，记为o。,1.环路频率跟踪的定性分析如上所述，锁相环路就是受输入信号相位参数控制的压控振荡器，其负反馈控制过程使VCO输出信号相位与输入信号相位保持特定的跟踪关系，从而达到两信号频率的相等。为分析方便，假设e(t)处于一、四象限。,2.环路的基本跟踪分析问题锁相电路的跟踪分析包含在vi(t)引起的不同i(t)变化条件下，对环路相位跟踪的分析。最典型的情况有：在锁定条件下输入vi(t)的相位跳变以及输入vi(t)的频率变化两大类。,9.2.3 锁相跟踪的基本过程和概念1.环路相位跟踪的分析
7、举例设环路滤波器为RC低通滤波器，如图9-2-8(a)所示。若VCO的输入阻抗为无穷大，则有F(s)=1/1s,图9-2-8相位跟踪举例,2.环路频率跟踪的分析举例设输入信号的频率变化为阶跃，即i(t)=10/s2时，在式(9-2-15)的RC低通滤波器条件下，可以求得e(t)为 整理得：e(s)=10/n2/s2sn（142）/s 2 2n sn2,3.环路的锁定概念通常我们将锁定过程分成两类。一类是跟踪过程，它指环路已处于锁定条件下，在输入相位变化规律发生慢改变或小变化时，通过调整VCO来维系锁定的过程。与这一跟踪锁定对应的最大输入频率变化范围称为同步带，大小用H表示。另一类是捕获过程，它
8、指环路处于失锁条件下，如何通过环路的自动调整，使环路进入锁定的过程。,9.3 锁相环路的基本运用方案,1.跟踪识别跟踪识别包括对调角波的调制跟踪和载波跟踪两类。在调制跟踪中，设相位干扰(t)的频率大于环路的n，则VCO的输出相位为：o(t)=c tmi sin（ti)o，即输出相位反映了输入调角波的有用相位变化。与此对应的电路就是中心频率随输入载波频率变化的带通滤波器，滤波器的带宽稳定。,在载波跟踪中，设n小于和干扰频率时，VCO的输出相位为：o(t)=c to，即输出相位反映了输入调角波的载波相位变化规律。与此对应的实际电路称为载波提取电路。2.解调变换在上述调制跟踪中，输出如取自VCO的输
9、入端，就可以得到ve(t)=mi sin（ti)Vo，其中Vo为常数。,3.频率变换频率变换是指输出信号的载波频率与输入信号载波频率不同的变换。在式（9-3-5）条件下，输出相位应为：o(t)=o tmi sin（ti)o，其中o不等于输入c。与此对应的电路就是频率变换电路。,9.4 数字输入锁相环路的组成原理,数字输入锁相环是指环路输入信号vi(t)为高低电平的数字信号。这时，为了保证vi(t)和vo(t)具有同类型的信号性质，环路的压控振荡器应选用输出为方波的多谐振荡器，鉴相器应采用数字鉴相器。与此对应的锁相环称为数字锁相环，具体可分为部分数字环和全数字环两种,1.压控方波发生器压控方波发
10、生器的输入信号为模拟信号，输出信号为方波型振荡信号。2.数字鉴相器根据锁相环的基本电路要求，数字鉴相器的输入存在两种基本情况，第一种情况是两个输入信号的频率不同，第二种情况是两个输入信号的相位不同。,9.5 电路系统的基准信号与锁相环,在大型钟控系统中，各种具有一定关联性的多时钟信号系统形成的基础，往往是由一个被称为基准时钟信号(或标准时钟源)形成的，也正是如此，系统才可能协调一致地工作。基于基准时钟信号的多时钟系统电路应以数字锁相环电路为基础。,(1)考虑到信号传输中往往不能以方波的方式进行，而只能以正弦波的方式进行。(2)发射端发射的时钟信号往往是与其它信号共存于同一信号空间，甚至是一起发送出去的。(3)在移动通信中，由于通信双方的距离会随着一方或双方的移动而发生变化，因此，在多普勒效应下，接收端的载波会发生变化，这时解调所需的同步信号也应跟随变化。,上述提及的直流供给电路是非线性电路系统的支撑系统之一，它提供电路所需的直流工作点电压，以及上述频率设置所需的基本直流电压等。一般来说，直流供给系统、时钟系统和程序软件是现代通信系统能正常工作的三大支撑条件。,
