鎖相環(huán)期末論文

1、深圳大學(xué)考試答題紙(以論文、報(bào)告等形式考核專(zhuān)用)二 一二 二 一三 學(xué)年度第 一 學(xué)期課程編號(hào)2313991501課程名稱(chēng)專(zhuān)業(yè)講座主講教師劉靜/鄧小鶯/唐錫輝/史偉偉評(píng)分學(xué) 號(hào)2010130159姓名程茂杰專(zhuān)業(yè)年級(jí)電子信息工程 大三教師評(píng)語(yǔ)：題目： 鎖相環(huán)技術(shù)前言 這學(xué)期有幸選修了四位老師合講的專(zhuān)業(yè)講座這門(mén)課，學(xué)生受益匪淺。四位老師講的方向與內(nèi)容都不相同，結(jié)合自身興趣，本人選擇鄧小鶯老師所講的鎖相環(huán)方向來(lái)做為期末論文的課題。在選修這門(mén)課之前，我們還沒(méi)有系統(tǒng)的去了解鎖相環(huán)技術(shù)這一十分重要的電路技術(shù)，但通過(guò)這門(mén)課的簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)與課外資料的查閱，我對(duì)鎖相環(huán)技術(shù)多少有了一定的了解。鎖相環(huán)技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)

2、相當(dāng)成熟，運(yùn)用也十分廣泛，結(jié)合自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)與興趣，此次論文主要對(duì)鎖相環(huán)路進(jìn)行簡(jiǎn)單的概述并對(duì)其最新進(jìn)展集成鎖相環(huán)路進(jìn)行論述。多有偏差，望老師糾正。正文第一部分：鎖相環(huán)路概述1 鎖相環(huán)路的定義：鎖相環(huán)路是一種反饋電路，英文全稱(chēng)是Phase-Locked Loop，簡(jiǎn)稱(chēng)PLL，是一種電路或者模塊。它用于在通信的接收機(jī)中,其作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理,并從其中提取某個(gè)時(shí)鐘的相位信息，使得電路上的時(shí)鐘和某一外部時(shí)鐘的相位同步。鎖相環(huán)路是鎖相技術(shù)的核心，所謂的鎖相環(huán)路是一個(gè)實(shí)現(xiàn)相位自動(dòng)鎖定的控制系統(tǒng)。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。2 鎖相環(huán)路的運(yùn)

3、用與發(fā)展：鎖相環(huán)技術(shù)早期是為了解決接收機(jī)的同步接收問(wèn)題，即接收機(jī)本振頻率與輸入信號(hào)的載頻相等，相位同步。后來(lái)在電視接收機(jī)的掃描電路中應(yīng)用鎖相環(huán)，減少了噪聲對(duì)同步的影響，使電視圖像同步性能得到很大改善，使鎖相技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。但是由于過(guò)去電子器件和材料工藝的限制，其制作復(fù)雜、成本較高，因此僅在要求較高的通訊、精密測(cè)量?jī)x器以及電視機(jī)中采用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是由于空間技術(shù)應(yīng)用的需要，進(jìn)一步推動(dòng)了鎖相技術(shù)的發(fā)展。從航天技術(shù)、無(wú)線(xiàn)電通訊、廣播、雷達(dá)、導(dǎo)航、激光通訊、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控制、遙控遙測(cè)到精密儀器測(cè)量、測(cè)繪制圖自動(dòng)化等各個(gè)方面都廣泛使用鎖相環(huán)技術(shù)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，逐步出現(xiàn)了集成

4、的環(huán)路部件、通用單片集成鎖相環(huán)路以及各種專(zhuān)用集成鎖相環(huán)路，使得鎖相環(huán)路逐漸變成了一個(gè)成本低，使用簡(jiǎn)便的多功能組件，這就為鎖相環(huán)技術(shù)在更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用提供了條件。鎖相環(huán)的應(yīng)用概括起來(lái)主要有：模擬與數(shù)字信號(hào)的相干解調(diào)，頻率合成，鎖相穩(wěn)頻，數(shù)字信號(hào)中同步信號(hào)的提取，跟蹤與測(cè)距，自動(dòng)頻率控制，相干載波的提取以及模擬調(diào)頻（調(diào)相）信號(hào)的產(chǎn)生等等方面3。3 鎖相環(huán)的組成部分：許多電子設(shè)備要正常工作，通常需要外部的輸入信號(hào)與內(nèi)部的振蕩信號(hào)同步，利用鎖相環(huán)路就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。一般情形下,這種鎖相環(huán)的三個(gè)組成部分和相應(yīng)的運(yùn)作機(jī)理是：（1）鑒相器：用于判斷鎖相器所輸出的時(shí)鐘信號(hào)和接收信號(hào)中的時(shí)鐘的相差的幅度;（2

5、）可調(diào)相/調(diào)頻的時(shí)鐘發(fā)生器器：用于根據(jù)鑒相器所輸出的信號(hào)來(lái)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)鎖相器內(nèi)部的時(shí)鐘輸出信號(hào)的頻率或者相位,使得鎖相器完成上述的固定相差功能;（3）環(huán)路濾波器：用于對(duì)鑒相器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波和平滑,大多數(shù)情形下是一個(gè)低通濾波器,用于濾除由于數(shù)據(jù)的變化和其他不穩(wěn)定因素對(duì)整個(gè)模塊的影響。從上可以看出,大致有如下框圖：鑒相器環(huán)路濾波器受控時(shí)鐘發(fā)生器 可見(jiàn),是一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路結(jié)構(gòu),所以一般稱(chēng)為鎖相環(huán)（PLL: Phase Locking Loop）鎖相環(huán)有很多種類(lèi),可以是數(shù)字的也可以是模擬的也可以是混合的,可以用于恢復(fù)載波也可以用于恢復(fù)基帶信號(hào)時(shí)鐘。4 鎖相環(huán)的種類(lèi)：鎖相環(huán)路種類(lèi)繁多，大致可將其分類(lèi)如下

6、：(1)按輸入信號(hào)分：恒定輸入環(huán)路用于穩(wěn)頻系統(tǒng)。隨動(dòng)輸入環(huán)路用于跟蹤系統(tǒng)。(2)按環(huán)路部件分：模擬鎖相環(huán)路環(huán)路部件采用模擬電路。取樣鎖相環(huán)路將模擬鎖相環(huán)路中普通鑒相器改為取樣保持鑒相器就構(gòu)成取樣鎖相環(huán)路。數(shù)字鎖相環(huán)路環(huán)路部件采用數(shù)字電路。根據(jù)環(huán)路部件是部分還是全部采用數(shù)字電路有部分?jǐn)?shù)字環(huán)和全數(shù)字環(huán)。集成鎖相環(huán)路環(huán)路部件采用集成電路。5 鎖相環(huán)的特點(diǎn)：鎖相環(huán)的特點(diǎn)概括起來(lái)就是“穩(wěn)”、“窄”、“抗”、“同步”。“穩(wěn)”指的是鎖相環(huán)的基本性能是輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定的跟蹤輸入信號(hào)的頻率，它們不存在頻率差而只有很小的穩(wěn)態(tài)相位差。因此可以用鎖相環(huán)做成穩(wěn)頻系統(tǒng)，例如微波穩(wěn)頻信號(hào)源，原子頻率標(biāo)準(zhǔn)等?！罢敝傅氖擎i相

7、環(huán)具有窄帶跟蹤性能。正是因?yàn)樗恼瓗匦?，可以做成窄帶跟蹤濾波器。從輸入的已調(diào)信號(hào)中提取基準(zhǔn)的載波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相干性。因此在相干通信中得到廣泛應(yīng)用。“抗”指的是鎖相環(huán)的抗干擾性能，抑制噪聲性能。理論分析表明，鎖相環(huán)的環(huán)路信噪比比輸入信噪比小得多，所以它可以廣泛用于抗噪聲干擾的裝置。同時(shí)，鎖相環(huán)又可以將深埋于噪聲中的信息提取出來(lái)，因此它在弱信號(hào)提取方面發(fā)揮了很大的作用?！巴健笔侵告i相環(huán)的同步跟蹤性能。如果數(shù)字信號(hào)本身含有位同步信息，利用鎖相環(huán)可以從數(shù)字信號(hào)本身來(lái)提取位同步信號(hào)，所以鎖相環(huán)在數(shù)字通信等系統(tǒng)中廣泛的用做位同步裝置。6 鎖相環(huán)的優(yōu)點(diǎn)：(1)可以實(shí)現(xiàn)理想的頻率控制。這是由于環(huán)路鎖定時(shí)，環(huán)

8、路輸出無(wú)剩余穩(wěn)態(tài)頻差存在所致。(2)可以不用諧振線(xiàn)圈而具有較高的選擇性。(3)門(mén)限性能好。鎖相環(huán)用做調(diào)頻信號(hào)解調(diào)器時(shí)，其門(mén)限性能要比普通鑒相器要改善5db左右。(4)易于集成化與數(shù)字化。組成環(huán)路的基本部件易于采用模擬集成電路，環(huán)路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化后，更易于采用數(shù)字集成電路。鎖相環(huán)的集成化、數(shù)字化為減小體積、降低成本、提高可靠性實(shí)現(xiàn)多用途提供了有利條件。第二部分：集成鎖相環(huán)路1概述：鎖相環(huán)路在電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中運(yùn)用極為廣泛，已成為電子設(shè)備中常用的一種基本部件。為了方便調(diào)整、降低成本和提高可靠性，以便在各種電子設(shè)備中發(fā)揮更好的作用，迫切希望它能集成化、數(shù)字化、小型化和通用化。國(guó)外自20世紀(jì)60年代末第

9、一個(gè)鎖相集成產(chǎn)品問(wèn)世以來(lái)鎖相環(huán)技術(shù)的發(fā)展極為迅速，產(chǎn)品種類(lèi)繁多，工藝日新月異。目前，除某些特殊用途的鎖相環(huán)路外，幾乎全部集成化了，已產(chǎn)生數(shù)百個(gè)品種。因此了解和掌握集成鎖相環(huán)路的原理與運(yùn)用顯得非常有意義。國(guó)內(nèi)雖然在這方面起步較晚，但在鎖相集成電路的生產(chǎn)上，也取得了可喜的進(jìn)展。鎖相集成電路由于性能優(yōu)良、價(jià)格便宜、使用方便，正被許多電子設(shè)備所采用。當(dāng)前集成鎖相環(huán)路已成為鎖相技術(shù)的一項(xiàng)重要進(jìn)展。集成鎖相環(huán)路是一個(gè)相位反饋控制系統(tǒng)，最大特點(diǎn)是可以不用電感線(xiàn)圈，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)頻率和相位的自動(dòng)跟蹤。由于鎖相環(huán)路易于集成化，且性能優(yōu)越，所以鎖相集成電路已成為繼集成運(yùn)放之后，又一個(gè)用途廣泛的多功能集成電路。此外

10、，數(shù)字集成化電路對(duì)擴(kuò)大鎖相環(huán)的功能和提高鎖相環(huán)的性能有很大的作用，在鎖相集成電路尤其在數(shù)字式集成頻率合成器中被大量采用。因此鎖相集成電路又成為模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)秀典型。因此集成鎖相環(huán)路已成為引人注目的功能器件。鎖相集成電路種類(lèi)多種多樣，如下圖所示：鎖相集成電路的工藝比較復(fù)雜，涉及到的工藝種類(lèi)較多，如下圖所示：2集成鑒相器：目前，宜于集成的鑒相器主要有兩種類(lèi)型：一種為模擬乘法器；另一種為數(shù)字比相器。后者又分為邊沿觸發(fā)式和電平比較式兩種。 （1）模擬乘法器 用模擬乘法器作鑒相器，便于集成化，它在單片模擬集成鎖相環(huán)中廣泛采用。目前許多技術(shù)可以完成相乘作用，但在集成化模擬乘法器中運(yùn)用最普遍的

11、是所謂“可變跨導(dǎo)”法。以下是一些重要的電路圖：平衡模擬乘法器原理圖 模擬乘法器三角形鑒相特性 雙平衡模擬乘法器原理圖 F14961596模擬乘法器改進(jìn)后的雙平衡模擬乘法器（2）數(shù)字式鑒頻鑒相器數(shù)字式鑒頻鑒相器是用脈沖后沿觸發(fā)來(lái)進(jìn)行工作的，屬邊沿觸發(fā)型電路。它不僅有鑒相功能，而且還有鑒頻功能。國(guó)產(chǎn)T4044(MC4044)，E12040(MC12040)和5G4046（CD4046）中的PD-就是這類(lèi)鑒頻鑒相器的典型例子。T4044數(shù)字式鑒頻鑒相器電路 T4044同頻鑒相波形(a)R與V同相；(b)R滯后V；(c)R超前V（3）門(mén)鑒相器 門(mén)鑒相器是一種電平觸發(fā)型數(shù)字鑒相器。以或門(mén)和異或門(mén)鑒相器為

12、代表，它們對(duì)兩個(gè)比相脈沖的占空比都有一定的要求。異或門(mén)鑒相器鑒相特性異或門(mén)鑒相器 (a)原理圖；(b)波形；(c)真值表3集成壓控振蕩器：主要有以下幾種電路形式。（1）積分-施密特觸發(fā)電路型壓控振蕩器 下圖出了一個(gè)積分-施密特觸發(fā)型壓控振蕩器原理圖。電路由恒流源(IO)、積分器(V1、V2、V3、VD1、VD2和CT)和施密特觸發(fā)器組成。 積分-施密特觸發(fā)型壓控振蕩器原理圖（2）射極耦合多諧振蕩器型壓控振蕩器 下圖出了射極耦合壓控多諧振蕩器的原理電路的各點(diǎn)波形圖。圖中交叉耦合的晶體管V1、V2組成正反饋級(jí)，并分別接受有電壓uc控制的恒流源IO1、IO2(通常選擇IO1=IO2=IO）。 射極耦

13、合壓控多諧振蕩器 (a)原理電路；(b)各點(diǎn)波形（3）LC負(fù)阻型壓控振蕩器 圖示出了一個(gè)宜于單片集成的變?nèi)莨苷{(diào)諧的LC壓控振蕩器原理圖。電路由變?nèi)莨茈娙軨D、振蕩回路LCs、發(fā)射極耦合電路V1、V2和恒流源IO組成。V2基極與V1集電極之間接成正反饋級(jí)。當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng),在回路中形成10端電壓uc1升高,口端電壓ub1下降,因?yàn)閡b2=uc1,隨之引起:uc1ub2Ie2Ie1Ic1。LC負(fù)阻壓控振蕩器原理圖 CDuD和fuD關(guān)系曲線(xiàn)（4）數(shù)字門(mén)電路型壓控振蕩器 用數(shù)字門(mén)電路組成壓控振蕩器的形式很多。壓控振蕩器既可以用MOS、CMOS門(mén)電路，也可以用TTL（STTL，LSTTL）等門(mén)電路來(lái)構(gòu)成。這里

14、只介紹用CMOS門(mén)電路構(gòu)成的壓控振蕩器。CMOS數(shù)字門(mén)電路型壓控振蕩器原理圖4. 通用單片集成鎖相環(huán)通用單片集成鎖相環(huán)路就是將鑒相器、壓控振蕩器以及某些輔助器件集成在同一基片上，各部件之間部分連接或均不連接的一種集成電路。使用者可以按需要在電路外部連接各種部件來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)路的各種功能，因此，這種集成鎖相環(huán)路具有多功能或部分功能的性質(zhì)，使產(chǎn)品具有通用性。通用單片集成鎖相環(huán)路的產(chǎn)品已經(jīng)很多，它們所采用的集成工藝不同，使用的頻率也不同?？紤]到國(guó)內(nèi)外已有產(chǎn)品及使用情況，下面主要介紹幾種典型的單片集成鎖相環(huán)路的組成與特性。（1）高頻單片集成鎖相環(huán) NE560是56系列單片集成鎖相環(huán)路中最基本的一種電路，

15、它包括鑒相器、壓控振蕩器、環(huán)路濾波器、限幅器和兩個(gè)緩沖放大器。鑒相器由雙平衡模擬相乘器組成。NE561的線(xiàn)路、性能和應(yīng)用基本上與NE560相同，只是在電路中附加了一個(gè)由模擬相乘電路構(gòu)成的正交檢波器和緩沖放大器。這樣NE561就可用于AM信號(hào)的同步檢波，此時(shí)正交檢波器與環(huán)路鑒相器的信號(hào)輸入不同，兩者應(yīng)該相差90。典型工作電流可到10mA。L562(國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品為NE562)是目前56系列中應(yīng)用廣泛的一種單片集成鎖相環(huán)路。其線(xiàn)路、性能和應(yīng)用與NE560也基本相同。 XR-215是最高工作頻率可達(dá)35MHz的高頻單片集成鎖相環(huán)路，電路由鑒相器、壓控振蕩器和運(yùn)算比較電路組成。鑒相器為雙平衡模擬相乘器。

16、 （2）超高頻單片集成鎖相環(huán)L564(NE564)L564是56系列中工作頻率高達(dá)50MHz的一塊超高頻通用單片集成鎖相環(huán)路。電路由輸入限幅器、鑒相器、壓控振蕩器、直流恢復(fù)電路和施密特觸發(fā)器等六大部分組成。PC1477C是一塊主要用作衛(wèi)星直播接收機(jī)(室內(nèi)裝?鎖相解調(diào)器的超高頻單片集成鎖相環(huán)路。它由鑒相器、壓控振蕩器、直流放大器、緩沖放大器和若干調(diào)整環(huán)節(jié)組成。 （3）低頻單片集成鎖相環(huán)SL565是56系列中一塊工作頻率低于1MHz的通用單片集成鎖相環(huán)路。它包含鑒相器、壓控振蕩器和放大器三部分。NE567是一個(gè)高穩(wěn)定性的低頻單片集成鎖相環(huán)路,它由主鑒相器(PDI)、直流放大器(A1)、電流控制振蕩

17、器(CCO)和外接環(huán)路濾波器組成。5G4046是一塊低頻低功耗通用單片集成鎖相環(huán)。環(huán)路采用CMOS電路，最高工作頻率1MHz左右，電源電壓為515V。當(dāng)f=10kHz時(shí)，功耗為0.159mW。與類(lèi)似的雙極性單片集成鎖相環(huán)相比較，它的功耗降低了很多，這對(duì)要求功耗小的設(shè)備來(lái)說(shuō)，具有十分重要的意義。 5集成鎖相環(huán)路的應(yīng)用：這里主要描述的是集成頻率合成器。集成頻率合成器是近年來(lái)發(fā)展最快、種類(lèi)和采用新工藝最多的一種專(zhuān)用鎖相電路。它區(qū)別于通用單片集成鎖相環(huán)，通常總是把合成器中性質(zhì)相同(或相近)的參考振蕩器、參考分頻器、數(shù)字鑒相器、程序分頻器、各種邏輯控制電路以及高速雙模或多模前置分頻器等部件集成在一個(gè)或幾

18、個(gè)單片中，以構(gòu)成集成頻率合成器的電路系統(tǒng)。以下以?xún)煞N型號(hào)通用的集成芯片加以說(shuō)明。（1）中規(guī)模集成頻率合成器在這種類(lèi)型的集成頻率合成器中，最典型的例子是MC145100系列中的MC1451040607091243等幾個(gè)產(chǎn)品，它們都是CMOS、MSI電路（不包括VCO）。下圖是MC145106的方框圖（其它產(chǎn)品大同小異），電路包含有參考振蕩器或放大器，參考分頻器，程序分頻器和鑒相器。 MC145106方框圖（2）大規(guī)模集成頻率合成器 MC145144454651525556575859等是MC145100系列中CMOS-LSI頻率合成器的典型產(chǎn)品。 1.MC145145-1，它是一塊用4bit數(shù)據(jù)總線(xiàn)輸入方式置定的單模CMOS-LSI頻率合成器電路。 2.MC145152-1MC145100系列中另一個(gè)典型產(chǎn)品是MC