笫7章鎖相環(huán)路4

笫7章鎖相環(huán)路

一、鎖相環(huán)路的基本概念反饋控制電路概述

PLL各部件的特性與數(shù)學(xué)模型二、PLL的線性分析PLL的線性模型與傳遞函數(shù)PLL的穩(wěn)態(tài)相差PLL的穩(wěn)定性（*）三、PLL的非線性分析一階環(huán)路的非線性分析二階環(huán)路的非線性分析四、集成鎖相環(huán)介紹PLL電路實(shí)例與應(yīng)用舉例PLL基本原理PLL的環(huán)路方程與相位模型PLL的跟蹤特性PLL的頻率特性PLL的噪聲特性（*）2001年9月--12月1《通信電路原理》--無九四、集成鎖相環(huán)集成PLL（環(huán)路濾波器外加）類型：模擬環(huán)（APLL）－鑒相器為模擬相乘器通用型：VCO，PD，（+放大器）專用型：鎖相解調(diào)，調(diào)頻立體聲解調(diào)，電視的色同步環(huán)數(shù)字環(huán)（DPLL）由部分?jǐn)?shù)字電路，（主要是鑒相器為數(shù)字鑒相器）和全部數(shù)字電路（包括數(shù)字鑒相器、數(shù)字濾波器、數(shù)控振蕩器）構(gòu)成。通用型：VCO，PD，（+分頻器）專用型：用于頻率合成器，電機(jī)控制2001年9月--12月2《通信電路原理》--無九集成鎖相環(huán)主要部件1、集成鑒相器：數(shù)字比相型、模擬相乘器型、抽樣保持型。模擬相乘器型：

靈敏度較低，線性較好，鎖定時(shí)兩信號有90度相移。數(shù)字鑒相器：異或門：輸入為對稱方波，鎖定時(shí)兩信號有90度相移R-S觸發(fā)器：輸入為脈沖或方波，鎖定時(shí)兩信號有90度相移邊沿觸發(fā)(上升沿或下降沿）鑒頻鑒相器：輸入為脈沖或方波，鎖定時(shí)兩信號有0度或180度相移，有鑒頻和鑒相功能。－－常用于鎖相頻率合成器中。2001年9月--12月3《通信電路原理》--無九集成鑒相器舉例數(shù)字式鑒頻鑒相器特點(diǎn)：有鑒相功能及鑒頻功能。能使PLL的快捕帶加寬，捕捉時(shí)間大為縮短，而且其鑒相特性的線性范圍很寬。組成:由數(shù)字比相器、電荷泵和濾波器三部分組成。電路工作原理:

以T4044數(shù)字式鑒頻鑒相器電路為例

9個(gè)與非門組成數(shù)字比相器,將輸入信號R與來自VCO的頻率可變的信號比相（后沿比）,在比相器輸出端U和D，以邏輯電平給出相位超前、滯后以及超前、滯后量的信息。T1～T7組成電荷泵，作用是在數(shù)字比相器輸出U和D的高低電平控制下，使T1～T7管子導(dǎo)通、截止，變換成模擬電壓。組成有源比例積分濾波器形成所需的控制電壓電路圖2001年9月--12月4《通信電路原理》--無九數(shù)字式鑒頻鑒相器（續(xù)）T4044數(shù)字式鑒頻鑒相器

比相器電荷泵有源比例積分濾波器返回2001年9月--12月5《通信電路原理》--無九T4044同頻鑒相波形（a）R與V同相；（b）R滯后V；（c）R超前V2001年9月--12月6《通信電路原理》--無九T4044的鑒頻波形

數(shù)字式鑒頻鑒相器（續(xù)）2001年9月--12月7《通信電路原理》--無九當(dāng)環(huán)路存在頻差時(shí)，通過比相器和電荷泵的共同作用，有一數(shù)值上接近的正向或負(fù)向階躍電壓加到達(dá)林頓電路的輸入端，使它輸出的直流控制電壓迅速地向最小或最大值跳變，從而控制VCO的頻率迅速地向減小頻差的方向變化，故電路起到了鑒頻的作用。數(shù)字式鑒頻鑒相器（續(xù)）鑒頻作用2001年9月--12月8《通信電路原理》--無九集成壓控振蕩器兩種基本類型。

電流積分型，它的基本原理是：定時(shí)電容在被控電流源的作用下交替充電放電，形成振蕩波形。振蕩頻率取決于充電和放電速度，在電容容量一定時(shí)，取決于電流源的電流大小。通過外加電壓控制電流源電流大小可以實(shí)現(xiàn)對振蕩頻率的控制。這類電路具有良好的線性壓控特性。變?nèi)莨苷{(diào)諧的集成LC振蕩器。在集成電路內(nèi)，由正反饋電路產(chǎn)生和維持振蕩。振蕩頻率由LC決定，因此只要用控制電壓改變變?nèi)荻O管的電容，便可以改變振蕩頻率，這種電路的電壓──頻率特性往往是非線性的。集成VCO2001年9月--12月9《通信電路原理》--無九集成VCO舉例：變流式電容充放電壓控振蕩器

變流式電容充放電VCO原理框圖

高，閉合，斷開

低，斷開，閉合

返回返回22001年9月--12月10《通信電路原理》--無九電流轉(zhuǎn)發(fā)器的功能是保持電流和的大小相等；幅度鑒別器的作用是當(dāng)其輸入端的電壓高于其正觸發(fā)電平時(shí)，它的輸出為高電平，反之輸出為低電平。工作過程:為低，則斷開，閉合。恒流源電流全部流入電容，使其兩端電壓升高。當(dāng)增加到幅度鑒別器的正觸發(fā)電平

時(shí)，它的輸出變成高電平。閉合，斷開，電流源電流全部變成流入電流轉(zhuǎn)發(fā)器。根據(jù)電流轉(zhuǎn)發(fā)器的特性，，電容器以電流放電,

變流式電容充放電壓控振蕩器(續(xù)1)上升和下降的斜率是一樣的。當(dāng)下降到幅度鑒別器的反向觸發(fā)電平時(shí)，它的輸出又變?yōu)榈碗娖剑貜?fù)開始時(shí)的過程，從而形成了周期性的振蕩。若電流源電流隨控制信號變化，則輸出信號的頻率隨控制信號的變化而變化。2001年9月--12月11《通信電路原理》--無九(1)可控電流源它使，而的值是由電源電壓、外接電阻和控制電壓決定的。當(dāng)和選定后，的值將隨變化。這個(gè)電流源的總輸出電流I0=2，用改變的辦法調(diào)整壓控振蕩器的中心頻率。二極管是為防止發(fā)射結(jié)被反向擊穿而加入的保護(hù)管?？煽仉娏髟措娐?001年9月--12月12《通信電路原理》--無九(2)電流轉(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)成改進(jìn)型電流源電路，它使得和兩個(gè)支路的電流相等。、、和構(gòu)成開關(guān)，它等效框圖中的。和在這里等效于。2001年9月--12月13《通信電路原理》--無九變流式電容充放電VCONE566原理圖2001年9月--12月14《通信電路原理》--無九PLL電路實(shí)例PDVCOAMP--集成鎖相環(huán)NE565介紹2354107198為VCO定時(shí)電阻和電容為環(huán)路濾波器2001年9月--12月15《通信電路原理》--無九NE565工作頻率低于1MHz

電源電壓:

最大鎖定范圍輸入電阻:10典型工作電流:8mA集成鎖相環(huán)NE565介紹(續(xù)1)適用于FSK解調(diào),單音解碼,數(shù)據(jù)同步,倍頻等.電路:鑒相器—雙平衡模擬相乘器VCO--變流式電容充放電VCO,決定VCO中心頻率

濾波器—濾波電容外接。VCO輸出端與鑒相器反饋輸入端是斷開的

2001年9月--12月16《通信電路原理》--無九NE565PLL內(nèi)部電路集成鎖相環(huán)NE565介紹(續(xù)2)2001年9月--12月17《通信電路原理》--無九集成鎖相環(huán)NE565介紹(續(xù)3)利用附錄中PLL的宏模型對NE565進(jìn)行PSPICE仿真＝12K，＝10NF,VCOf0＝2.5KHz，VCO的壓控靈敏度為1KHz/V左右。Rf為片內(nèi)電阻，其值為3.6K，電容外接2001年9月--12月18《通信電路原理》--無九（2）端輸入一個(gè)變化速率緩慢的頻率正斜升信號,VCO自由振蕩頻率2.5KHz,觀察環(huán)路濾波器輸出的控制電壓波形。環(huán)路剛工作時(shí)，輸入信號頻率低，它與VCO輸出頻率間頻差較大，環(huán)路濾波器輸出為一頻率較高且上下不對稱的差拍信號。隨時(shí)間增長，一是因輸入信號頻率漸漸增大，它與VCO的輸出頻差慢慢減小，二是由于環(huán)路濾波器的積分作用，輸出直流電壓不斷增加，頻率牽引作用增強(qiáng)，差拍頻率明顯變低。－－頻率牽引階段頻率為2.116KHz時(shí)，控制電壓突然產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變。－－相位鎖定此后，VCO輸出頻率便跟蹤輸入信號變化（圖上表現(xiàn)為環(huán)路濾波器輸出的直流電壓與信號源的控制電壓重合。）用仿真法測量PLL的捕捉帶、同步帶2001年9月--12月19《通信電路原理》--無九幾十ms后在頻率3.284KHz時(shí)，誤差電壓突然下降，而后，環(huán)路濾波器輸出的控制電壓與輸入信號的控制電壓分離，環(huán)路濾波器又輸出差拍信號。－－失鎖從以上現(xiàn)象得到：當(dāng)環(huán)路濾波器Cf＝170NF時(shí)捕捉帶低端為:2.5-2.116=0.384KHz，同步帶高端為:3.284-2.5=0.784KHz輸入為慢變化、負(fù)斜率的頻率斜升信號時(shí),觀察環(huán)路濾波器輸出的控制電壓波形，可得到：當(dāng)環(huán)路濾波器Cf＝170NF時(shí),

捕捉帶高端為:2.913-2.5=0.413KHz，同步帶低端為:2.5-1.717=0.783KHz2001年9月--12月20《通信電路原理》--無九

輸入為慢變化、正斜率的頻率斜升信號時(shí),環(huán)路濾波器輸出的控制電壓波形＝340nF＝170nF返回2001年9月--12月21《通信電路原理》--無九＝170nF＝340nF輸入為慢變化、負(fù)斜率的頻率斜升信號時(shí),環(huán)路濾波器輸出的控制電壓波形返回2001年9月--12月22《通信電路原理》--無九

Cf＝170nF時(shí)

濾波器電容Cf=340nF時(shí)（帶寬減?。┙Y(jié)論:仿真結(jié)果在低端的入鎖頻率為2.116KHz，在高端的失鎖頻率3.284KHz，在高端的入鎖頻率2.913KHz，在低端的失鎖頻率1.717KHz。環(huán)路的捕捉帶低端為0.384KHz，高端為0.413KHz；同步帶低端為0.783KHz，高端為0.784KHz。環(huán)路的捕捉帶低端為0.237KHz，高端為0.293KHz；同步帶低端為0.753KHz，高端為0.773KHz

二階環(huán)路捕捉過程分頻率牽引和相位鎖定兩階段減小環(huán)路濾波器帶寬，會使環(huán)路捕捉時(shí)間增加，捕捉帶與同步帶均減小，而在抑制干擾和噪聲方面有改善.2001年9月--12月23《通信電路原理》--無九PLL的基本特性與應(yīng)用舉例PLL的基本特性（1）優(yōu)良的窄帶濾波特性－－普通濾波器無法實(shí)現(xiàn)PLL鎖定時(shí)，位于輸入信號頻率附近的干擾成分將以低頻干擾形式進(jìn)入環(huán)路，而絕大部分的干擾會受到環(huán)路濾波器低通特性的抑制，使誤差信號得到平滑不再抖動，VCO輸出得到提純。環(huán)路對干擾的抑制作用就相當(dāng)于一個(gè)很窄的高頻帶通濾波器，它的帶寬可以做得很窄。另一方面，由于PLL能自動跟蹤輸入信號頻率，以保證窄帶的實(shí)現(xiàn)。而普通濾波器無法跟蹤。（2）優(yōu)良的載波跟蹤和調(diào)制跟蹤特性無論輸入信號是已調(diào)制或未調(diào)制的，只要含有載波分量，用載波跟蹤環(huán)可獲得頻率穩(wěn)定度很高的載波。只要環(huán)路有適當(dāng)帶寬，調(diào)制跟蹤環(huán)能跟蹤輸入調(diào)角信號的頻率與相位變化。2001年9月--12月24《通信電路原理》--無九（4）低門限特性：門限取決于環(huán)路信噪比，一般環(huán)路的帶寬總比環(huán)路輸入端的前置通頻帶窄得多，因而具有較高的環(huán)路信噪比，可取得低門限性能。它用作調(diào)頻解調(diào)時(shí)，與一般限幅鑒頻器相比門限可改善3－5dB。

主要應(yīng)用：窄帶跟蹤接收；鎖相鑒頻；載波恢復(fù)；頻率合成等。（3）、理想的頻率控制特性PLL是一個(gè)相差控制系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，環(huán)路輸出只有穩(wěn)態(tài)相差而無剩余頻差存在，即能實(shí)現(xiàn)理想的頻率控制，而自動頻率控制（AFC）系統(tǒng)總是有剩余頻差的。（5）易于集成：體積小型、使用方便。2001年9月--12月25《通信電路原理》--無九1、空間技術(shù)應(yīng)用－窄帶跟蹤濾波器（鎖相接收機(jī)）（1）空間信號的基本特性

衛(wèi)星或其它宇宙飛行器向地面發(fā)回的信號通常都很微弱。

頻率漂移嚴(yán)重（因存在多普勒效應(yīng)與振蕩器中心頻率不穩(wěn)）。例如：頻率為100MHZ，多普勒頻移為3KHZ。

信標(biāo)信號本身頻帶寬度較窄。約為6HZ左右。若使用普通接收機(jī)，帶寬至少6KHZ左右。接收機(jī)帶寬比信號帶寬大1000倍，接收的噪聲大1000倍，在接收機(jī)解調(diào)器前的信噪比－10～－30dB。信號被噪聲淹沒。鎖相接收機(jī)的中頻頻率可以跟蹤接收信號頻率的漂移，而且?guī)捰趾苷?，故又稱為“窄帶跟蹤濾波器”。比普通接收機(jī)信噪比提高30～40dB。測速與測距是確定飛行器運(yùn)行軌道的兩種重要技術(shù)手段，‘測速定軌’就是接收信標(biāo)信號。2001年9月--12月26《通信電路原理》--無九窄帶跟蹤濾波器--鎖相接收機(jī)（續(xù)1）（2）方框原理圖PDLFVCO中放混頻倍頻本地標(biāo)準(zhǔn)中頻參考信號，是高度穩(wěn)定的。載頻漂移的輸入信號在環(huán)路鎖定時(shí)，混頻器輸出中頻信號的頻率與本地中頻參考信號的頻率相等，即能準(zhǔn)確落在中頻頻帶中央。中頻濾波器可用窄的帶通濾波器，解調(diào)不失真。有漂移，跟蹤的漂移。

PLL電路設(shè)計(jì)為窄帶（幾～100HZ）2001年9月--12月27《通信電路原理》--無九窄帶跟蹤濾波器（續(xù)2）（3）跟蹤濾波器的頻率特性跟蹤范圍跟蹤濾波器帶寬為環(huán)路3dB帶寬的兩倍。跟蹤范圍為同步帶的兩倍。2001年9月--12月28《通信電路原理》--無九2、用作相干解調(diào)器中的載波恢復(fù)電路--平方環(huán)

對于抑制載波調(diào)幅信號和數(shù)字相位鍵控信號，相干解調(diào)是最佳解調(diào)方式。

實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，需要一個(gè)與輸入信號頻率相等和有很小相差的本地參考載波。

如果輸入信號內(nèi)含有載波頻率分量，則可用一個(gè)帶寬很窄的濾波器將其提取出來。PLL的帶寬可以做得很窄，而且能夠跟蹤載波頻率的變化，所以用它來提取載波特別合適。

對于移相鍵控(PSK)信號，由于其頻譜中不包含有載頻及其倍頻成分，故不能直接用載波跟蹤環(huán)提取載波，必須選用非線性變換（利用平方律器件的平方作用），將PSK信號中的載波信息變換成載波分量；再用PLL提取出來作相于解調(diào)載波使用。2001年9月--12月29《通信電路原理》--無九用作相干解調(diào)器中的載波恢復(fù)電路--平方環(huán)（續(xù)）利用平方律器件的平方作用，將無載頻分量的輸入信號變換為有載頻倍頻分量的信號輸出，用載波跟蹤環(huán)提取出2倍頻分量，再經(jīng)分頻可獲得相干載波。然后進(jìn)行相干解調(diào)。PDLFVCO帶通帶通低通平方解調(diào)輸出抑制載波調(diào)幅波的解調(diào)框圖2001年9月--12月30《通信電路原理》--無九3、鎖相鑒頻--調(diào)制跟蹤環(huán)（1）方框原理圖鑒相器（PD）環(huán)路濾波器（LF）壓控振蕩器(VCO)解調(diào)信號的輸出

環(huán)路對于輸入相位的變化相當(dāng)于一低通濾波器。若輸入信號為調(diào)頻信號，中心角頻率為，相位變化部分為。當(dāng)環(huán)路已鎖定于，并且假定對輸入相位，環(huán)路的傳輸特性近似為1，則有，即壓控振蕩器的相位變化部分與輸入信號相同。

產(chǎn)生的變化所需的控制電壓與調(diào)制信號成正比。返回2001年9月--12月31《通信電路原理》--無九鎖相鑒頻--調(diào)制跟蹤環(huán)（續(xù)1）（2）求解調(diào)信號的輸出設(shè)：鎖定時(shí)：有：上圖2001年9月--12月32