第八章第1節(jié)通信電子電路

1、第八章第1節(jié)通信電子電路 第八章第1節(jié)通信電子電路 本章內(nèi)容本章內(nèi)容 8.1 8.1 鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路 8.2 8.2 集成鎖相環(huán)芯片集成鎖相環(huán)芯片 8.3 8.3 鎖相環(huán)路的應(yīng)用鎖相環(huán)路的應(yīng)用 返回總目錄返回總目錄 第八章第1節(jié)通信電子電路 本章重點與難點本章重點與難點 （一）本章重點（一）本章重點 1 1鎖相環(huán)的構(gòu)成及工作原理；鎖相環(huán)的構(gòu)成及工作原理； 2 2鎖相環(huán)路各組成部分的分析；鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)鎖相環(huán)路各組成部分的分析；鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué) 模型；模型； 3 3環(huán)路的捕獲、鎖定和跟蹤、環(huán)路的同步帶和捕環(huán)路的捕獲、鎖定和跟蹤、環(huán)路的同步帶和捕 捉帶；捉帶； 4 4CD4046 CMOSCD40

2、46 CMOS單片鎖相環(huán)路邏輯圖和引出端功能單片鎖相環(huán)路邏輯圖和引出端功能 圖以及使用說明；圖以及使用說明； 5 5鎖相環(huán)路的特性以及應(yīng)用。鎖相環(huán)路的特性以及應(yīng)用。 第八章第1節(jié)通信電子電路 （二）本章難點（二）本章難點 1 1鎖相環(huán)的工作原理；鎖相環(huán)的工作原理； 2 2鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型。鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型。 第八章第1節(jié)通信電子電路 1) Phase Locked Loop (PLL) 1) Phase Locked Loop (PLL) 鎖相環(huán)鎖相環(huán) 2) Low Pass Filter (LF) 2) Low Pass Filter (LF) 低通濾波器低通濾波器 3) Voltage

3、 Controlled Oscillator(VCO) 3) Voltage Controlled Oscillator(VCO) 壓控振蕩器壓控振蕩器 4) Phase Detecting (PD) 4) Phase Detecting (PD) 鑒相器鑒相器 第八章第1節(jié)通信電子電路 8.1 8.1 鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路 (PLL) 一、概述一、概述 二、基本鎖相環(huán)的構(gòu)成二、基本鎖相環(huán)的構(gòu)成 三、鎖相環(huán)路的基本工作原理三、鎖相環(huán)路的基本工作原理 四、環(huán)路的捕獲、鎖定和跟蹤四、環(huán)路的捕獲、鎖定和跟蹤 五、環(huán)路的同步帶與捕捉帶五、環(huán)路的同步帶與捕捉帶 六、鎖相環(huán)路各組成部分的分析六、鎖相環(huán)路各組成

4、部分的分析 七、鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型七、鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型 第八章第1節(jié)通信電子電路 在無線電技術(shù)中，在無線電技術(shù)中， 為了改善電子設(shè)備的性為了改善電子設(shè)備的性 能，廣泛采用各種的反能，廣泛采用各種的反 饋控制電路。常用的有饋控制電路。常用的有 鎖相環(huán)路（鎖相環(huán)路（PLLPLL）即自）即自 動相位控制電路，自動動相位控制電路，自動 增益（增益（AGCAGC）電路以及）電路以及 自動頻率控制（自動頻率控制（AFCAFC） 電路。電路。 8.1.、概述、概述 第八章第1節(jié)通信電子電路 n鎖相環(huán)路早期應(yīng)用于電視機的同步系統(tǒng)，鎖相環(huán)路早期應(yīng)用于電視機的同步系統(tǒng)， 使電視圖像的同步性能得到了很大的改使電視

5、圖像的同步性能得到了很大的改 善。善。 n上世紀上世紀5050年代后期，隨著空間科學(xué)的發(fā)年代后期，隨著空間科學(xué)的發(fā) 展，鎖相環(huán)展，鎖相環(huán)(PLL)(PLL)在跟蹤和接收來自宇在跟蹤和接收來自宇 宙飛行器宙飛行器( (人造衛(wèi)星、宇宙飛船人造衛(wèi)星、宇宙飛船) )的微弱的微弱 信號方面顯示出了很大的優(yōu)越性。普通信號方面顯示出了很大的優(yōu)越性。普通 的超外差接收機的超外差接收機, ,頻帶做得相當(dāng)寬、噪頻帶做得相當(dāng)寬、噪 聲大聲大, ,同時信噪比也大大降低。同時信噪比也大大降低。 第八章第1節(jié)通信電子電路 n而在鎖相環(huán)接收機中，由于中頻信號可以而在鎖相環(huán)接收機中，由于中頻信號可以 鎖定，所以頻帶可以做得很

6、窄（幾十赫茲鎖定，所以頻帶可以做得很窄（幾十赫茲 以下），則帶寬可以下降很多。所以輸出以下），則帶寬可以下降很多。所以輸出 信噪比也就大大提高了。信噪比也就大大提高了。 只有采用鎖相只有采用鎖相 環(huán)路（環(huán)路（PLLPLL）做成的窄帶鎖相跟蹤接收機）做成的窄帶鎖相跟蹤接收機 才能把深埋在噪聲中的信號提取出來。才能把深埋在噪聲中的信號提取出來。 第八章第1節(jié)通信電子電路 第八章第1節(jié)通信電子電路 鎖相環(huán)是一個相位負反饋控制系統(tǒng)。它由鑒鎖相環(huán)是一個相位負反饋控制系統(tǒng)。它由鑒 相器相器(Phase Detector,縮寫為縮寫為PD)、環(huán)路濾波器、環(huán)路濾波器 (Loop Filter,縮寫為縮寫為LF

7、)和電壓控制振蕩器和電壓控制振蕩器(Voltage Controlled Oscillator,縮寫為縮寫為VCO)三個基本部件三個基本部件 組成。組成。 第八章第1節(jié)通信電子電路 鎖相環(huán)路是一個相位負反饋控制系統(tǒng)相位負反饋控制系統(tǒng)。將 參考相位與輸入相位進行比較，產(chǎn)生相位 誤差電壓來調(diào)整輸出信號的相位，以達到 輸出信號頻率與輸入信號同頻率的目的 第八章第1節(jié)通信電子電路 8.1.1、基本鎖相環(huán)的構(gòu)成、基本鎖相環(huán)的構(gòu)成 基本的鎖相環(huán)路是由鑒相器（基本的鎖相環(huán)路是由鑒相器（PDPD）、）、 環(huán)路濾波器（環(huán)路濾波器（LFLF）和壓控振蕩器）和壓控振蕩器 （VCOVCO）三部分組成，如下圖所示。）三

8、部分組成，如下圖所示。 第八章第1節(jié)通信電子電路 鑒相器是相位比較器，用來比較輸入信號鑒相器是相位比較器，用來比較輸入信號ui(t) 與壓控振蕩器輸出信號與壓控振蕩器輸出信號uo(t)的相位，輸出電壓對的相位，輸出電壓對 應(yīng)于這兩個信號相位差的函數(shù)。應(yīng)于這兩個信號相位差的函數(shù)。 環(huán)路濾波器是濾除環(huán)路濾波器是濾除ud(t)高頻分量及噪聲，以高頻分量及噪聲，以 保證環(huán)路所要求的性能。保證環(huán)路所要求的性能。 壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓uc(t)的控的控 制制, ,使振蕩頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至兩使振蕩頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至兩 者的頻率相同，使得者的頻率

9、相同，使得VCOVCO輸出信號的相位和輸入輸出信號的相位和輸入 信號的相位保持某種特定的關(guān)系，達到相位鎖定信號的相位保持某種特定的關(guān)系，達到相位鎖定 的目的。的目的。 第八章第1節(jié)通信電子電路 8.1.2、鎖相環(huán)路的基本工作原理、鎖相環(huán)路的基本工作原理 v 設(shè)輸入信號和本振信號（壓控振輸出信設(shè)輸入信號和本振信號（壓控振輸出信 號）分別是正弦和余弦信號，它們在鑒相器號）分別是正弦和余弦信號，它們在鑒相器 內(nèi)進行比較，鑒相器的輸出是一個與兩者的內(nèi)進行比較，鑒相器的輸出是一個與兩者的 相位差成比例的的電壓，一般把它稱為相位差成比例的的電壓，一般把它稱為誤差誤差 電壓電壓。環(huán)路低通濾波器濾除鑒相器中的

10、高頻。環(huán)路低通濾波器濾除鑒相器中的高頻 分量，然后把輸出電壓加到分量，然后把輸出電壓加到VCOVCO的輸入端，的輸入端， VCOVCO送出的本振信號頻率隨著輸入電壓的變送出的本振信號頻率隨著輸入電壓的變 化而變化?；兓?第八章第1節(jié)通信電子電路 v如果二者頻率不一致，則鑒相器的輸出將產(chǎn)生如果二者頻率不一致，則鑒相器的輸出將產(chǎn)生 低頻變化分量并通過低通濾波器使低頻變化分量并通過低通濾波器使VCOVCO的頻率的頻率 發(fā)生變化。最后如果本振信號的頻率和輸入信發(fā)生變化。最后如果本振信號的頻率和輸入信 號的頻率保持一致，兩者的相位差保持某一恒號的頻率保持一致，兩者的相位差保持某一恒 定值，則鑒相器

11、的輸出將是一個恒定直流電壓，定值，則鑒相器的輸出將是一個恒定直流電壓， 環(huán)路低通濾波器的輸出也是一個直流電壓，這環(huán)路低通濾波器的輸出也是一個直流電壓，這 時，環(huán)路時，環(huán)路 處于處于“鎖定狀態(tài)鎖定狀態(tài)”。 第八章第1節(jié)通信電子電路 鎖相環(huán)路的基本原理鎖相環(huán)路的基本原理 第八章第1節(jié)通信電子電路 8.1.58.1.5、 環(huán)路的捕獲、鎖定和跟蹤環(huán)路的捕獲、鎖定和跟蹤 1.1.環(huán)路鎖定環(huán)路鎖定 如果環(huán)路有一個輸入信號如果環(huán)路有一個輸入信號 u(t) ，開始時輸入頻率，開始時輸入頻率 總是不等于總是不等于VCOVCO的自由振蕩頻率，即的自由振蕩頻率，即i o 。如。如 果果i 與與o 相差不大，在適當(dāng)?shù)?/p>

12、范圍內(nèi)，鑒相器輸出相差不大，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，鑒相器輸出 一誤差電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器變換后控制一誤差電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器變換后控制VCO的頻率，的頻率， 使其輸出頻率變化接近到使其輸出頻率變化接近到i ，i= =o ， ，而且兩信號 而且兩信號 的相位差為常數(shù)的相位差為常數(shù) 。 環(huán)路捕獲環(huán)路捕獲 從信號加入到環(huán)路鎖定，叫環(huán)路的捕獲過程。從信號加入到環(huán)路鎖定，叫環(huán)路的捕獲過程。 第八章第1節(jié)通信電子電路 3. 3. 環(huán)路跟蹤環(huán)路跟蹤 環(huán)路鎖定以后，這時環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。環(huán)路鎖定以后，這時環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。 一旦入鎖以后，壓控頻率就等于基準頻率，一旦入鎖以后，壓控頻率就等于基準頻率， 且且 fo 隨隨

13、fi 而變化，這就稱為跟蹤。而變化，這就稱為跟蹤。 第八章第1節(jié)通信電子電路 4. 4. 判斷環(huán)路是否鎖定的方法判斷環(huán)路是否鎖定的方法 1 1）在有雙蹤示波器的情況下）在有雙蹤示波器的情況下 開始，環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，加大輸入信號頻率，開始，環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，加大輸入信號頻率， 用雙蹤示波器觀察壓控振蕩器的輸出信號和環(huán)路的用雙蹤示波器觀察壓控振蕩器的輸出信號和環(huán)路的 輸入信號，當(dāng)兩個信號由不同步變成同步，且輸入信號，當(dāng)兩個信號由不同步變成同步，且fi=fo 時，表示環(huán)路已經(jīng)進入鎖定狀態(tài)。時，表示環(huán)路已經(jīng)進入鎖定狀態(tài)。 2 2）單蹤）單蹤普通示波器普通示波器 在沒有雙蹤示波器的情況下，在單蹤示波器

14、上在沒有雙蹤示波器的情況下，在單蹤示波器上 可以用李沙育圖形來判定環(huán)路是否處于鎖定狀態(tài)?？梢杂美钌秤龍D形來判定環(huán)路是否處于鎖定狀態(tài)。 把鑒相器的輸入信號把鑒相器的輸入信號ui(t)加到示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板加到示波器的垂直偏轉(zhuǎn)板 上，把上，把uo(t)加到水平偏轉(zhuǎn)板（或者相反），并使兩加到水平偏轉(zhuǎn)板（或者相反），并使兩 信號幅度相等。如果環(huán)路已鎖定，且在理想情況下，信號幅度相等。如果環(huán)路已鎖定，且在理想情況下， 即李沙育圖形應(yīng)是一個圓。即李沙育圖形應(yīng)是一個圓。 第八章第1節(jié)通信電子電路 李沙育圖形李沙育圖形 第八章第1節(jié)通信電子電路 設(shè)壓控振蕩器的自由振蕩頻率設(shè)壓控振蕩器的自由振蕩頻率fo與輸入基

15、準信與輸入基準信 號頻率號頻率 fi 相差較遠相差較遠 。隨著基準頻率。隨著基準頻率fo向壓控振蕩向壓控振蕩 頻率頻率fo 靠攏，達到某一頻率靠攏，達到某一頻率 ，這時環(huán)路進入鎖定，這時環(huán)路進入鎖定 狀態(tài)。一旦入鎖以后，壓控頻率就等于基準頻率，狀態(tài)。一旦入鎖以后，壓控頻率就等于基準頻率， 且且fo 隨隨 fi 而變化，這就稱為跟蹤。而變化，這就稱為跟蹤。 若再繼續(xù)增加若再繼續(xù)增加 fi 到到 ，fo不再隨不再隨 fi 之變化。但之變化。但 反之，若降低反之，若降低 fi ，則，則 當(dāng)當(dāng) 它它 回到回到 時，環(huán)路并不時，環(huán)路并不 入鎖，只有當(dāng)入鎖，只有當(dāng) fi 降低到一個更低的頻率降低到一個更低

16、的頻率f2 的時候，的時候， 環(huán)路才重新環(huán)路才重新入鎖。入鎖。 五、五、 環(huán)路的同步帶與捕捉帶環(huán)路的同步帶與捕捉帶 1 f 2 f 2 f 第八章第1節(jié)通信電子電路 之間的范圍稱為環(huán)路的捕捉帶，之間的范圍稱為環(huán)路的捕捉帶， 而而 之間的范圍則稱為同步帶。之間的范圍則稱為同步帶。 21 ff 2 1 ff 第八章第1節(jié)通信電子電路 環(huán)路捕獲、跟蹤與鎖定環(huán)路捕獲、跟蹤與鎖定 第八章第1節(jié)通信電子電路 環(huán)路捕捉帶與同步帶環(huán)路捕捉帶與同步帶 第八章第1節(jié)通信電子電路 n8.1.3鎖相環(huán)個組成部分分析鎖相環(huán)個組成部分分析 n1.鑒相器 n 鑒相器（鑒相器（PD）又稱為相位比較器）又稱為相位比較器,它它

17、是用來比較兩個輸入信號之間的相位差。鑒相是用來比較兩個輸入信號之間的相位差。鑒相 器輸出的誤差信號器輸出的誤差信號ud(t)是相差是相差i- 0的函數(shù)的函數(shù) ui(t) uo(t) LPF ud(t) ud(t)=Udsini (t)- 0 (t) =Udsin (t) 第八章第1節(jié)通信電子電路 正弦鑒相器的鑒相特性 2 2 3 2 2 03 2 2 e(t) U d (t) Ud隨i- 0作正弦規(guī)律變化稱正弦鑒相器 ud(t)=Udsini (t)- 0 (t) =Udsin (t) (t) 第八章第1節(jié)通信電子電路 圖圖8-2 8-2 正弦鑒相特性曲線正弦鑒相特性曲線 由式（由式（8-88

18、-8）可得鑒相特性，如圖）可得鑒相特性，如圖8-28-2所示。所示。 第八章第1節(jié)通信電子電路 圖圖8-2 8-2 正弦鑒相特性曲線正弦鑒相特性曲線 第八章第1節(jié)通信電子電路 鑒相器線性化的數(shù)學(xué)模型鑒相器線性化的數(shù)學(xué)模型 當(dāng)當(dāng)|i(t)-o(t)| /6時，時， sini(t)-o(t) i(t)-o(t), 因此可以把式（因此可以把式（8-88-8）寫成）寫成 ud(t) Kd i(t)-o(t) = Kd (t ) 所以，當(dāng)所以，當(dāng)(t) /6時，鑒相特性近似為直線，時，鑒相特性近似為直線， ud(t) 與與(t) 成正比。成正比。 式（式（8-118-11）表示時域的關(guān)系，若對它進行拉氏

19、）表示時域的關(guān)系，若對它進行拉氏 變換，便可得到頻域內(nèi)的鑒相特性，表示為變換，便可得到頻域內(nèi)的鑒相特性，表示為 ud(s)= Kd (s ) ( 8-11 ) 第八章第1節(jié)通信電子電路 時域中鑒相器數(shù)學(xué)模型如圖時域中鑒相器數(shù)學(xué)模型如圖8-38-3所示。所示。 頻率域中鑒相器數(shù)學(xué)模型如圖頻率域中鑒相器數(shù)學(xué)模型如圖8-48-4所示。所示。 圖圖8-3 8-3 鑒相器的線形化數(shù)學(xué)鑒相器的線形化數(shù)學(xué) 模型（時域）模型（時域） 圖圖8-48-4鑒相器的線形化數(shù)學(xué)鑒相器的線形化數(shù)學(xué) 模型（頻域）模型（頻域） 第八章第1節(jié)通信電子電路 2. 2. 環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器是線性電路，由線性元件電阻、

20、電感和環(huán)路濾波器是線性電路，由線性元件電阻、電感和 電容組成，有時還包括運算放大器在內(nèi)。它是低通電容組成，有時還包括運算放大器在內(nèi)。它是低通 濾波器。在鎖相環(huán)路中，常用的濾波器有以下三種。濾波器。在鎖相環(huán)路中，常用的濾波器有以下三種。 第八章第1節(jié)通信電子電路 1) 1) RC積分濾波器積分濾波器 一階一階RC低通濾波器，它的作用是將低通濾波器，它的作用是將ud(t) 中高頻分量濾中高頻分量濾 掉，得到控電壓掉，得到控電壓u uc c。濾波器的傳遞函數(shù)為輸出電壓與輸濾波器的傳遞函數(shù)為輸出電壓與輸 入電壓之比，即入電壓之比，即 改為拉氏變換形式，用改為拉氏變換形式，用S 代替代替jj 得得 (8

21、-12) RC j RC Cj R Cj ju ju jH d c 1 1 1 1 )( )( )( 1 1s s 1 1 1 1 s s 1 1 RCRC 1 1 s s RCRC 1 1 H(s)H(s) 第八章第1節(jié)通信電子電路 2) 2) 無源比例積分濾波器無源比例積分濾波器 其傳遞函數(shù)為其傳遞函數(shù)為 (1 =R1C, 2 =R2C) (8-13) 1)s( 1s sC 1 RR sC 1 R (s)u (s)u H(s) 21 2 21 2 d c （8-14） 1 2 1 2 d c s 1s R sC 1 R (s)u (s)u H(s) 3 3）有源比例積分濾波器）有源比例積分濾波器 在運算放大器的輸入電阻和開環(huán)增益趨于無窮大在運算放大器的輸入電阻和開環(huán)增益趨于無窮大 的條件下，其傳遞函數(shù)為的條件下，其傳遞函數(shù)為 第八章第1節(jié)通信電子電路 但在鎖相環(huán)路中，我們需要的是它的相位變但在鎖相環(huán)路中，我們需要的是它的相位變 化，由化，由(8-15)可求出瞬時相位為：可求出瞬時相位為： （8-16） 所以由控制電壓引起的相位變化，即壓控振蕩所以由控制電壓引起的相位變化，即壓控振蕩 器的輸出信號為器的輸出信號為