集成鎖相環(huán)路與集成頻率合成器

集成鎖相環(huán)路與集成頻率合成器第1頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月鎖相技術(shù)是相位同步的自動(dòng)反饋技術(shù)。它能使一個(gè)自激正振蕩器的振蕩頻率和相位受基準(zhǔn)信號(hào)的控制，使振蕩信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)在頻率上保持相等，而相位保持某一個(gè)固定的最小差值。鎖相環(huán)路(PhaseLockLoop，PLL)是一種自動(dòng)相位控制(APC)系統(tǒng)，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的一個(gè)基本部件。它的基本作用是在環(huán)路中產(chǎn)生一個(gè)振蕩信號(hào)(有時(shí)也稱本地振蕩)，這個(gè)信號(hào)的頻率受控制電壓的作用，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，振蕩信號(hào)的輸出頻率與輸入信號(hào)的頻率完全相等，兩個(gè)信號(hào)的相位差保持恒定。實(shí)現(xiàn)了無頻率誤差的信號(hào)跟蹤，合理地選擇PLL的直流增益、振蕩頻率和相應(yīng)帶寬可有效地改善環(huán)路性能，達(dá)到理想的效果。第2頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)鎖相環(huán)路的工作原理與性能一、發(fā)展歷史三、鎖相環(huán)路分析方法二、鎖相環(huán)路的特點(diǎn)四、鎖相環(huán)路的組成五、鎖相環(huán)路的工作原理第3頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月一.發(fā)展歷史

20世紀(jì)30年代——接收設(shè)備鎖相同步控制

20世紀(jì)40年代——電視接收同步掃描

20世紀(jì)50年代——鎖相接收機(jī)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信技術(shù)

20世紀(jì)60年代——各部件制作費(fèi)用昂貴，所以它的發(fā)展受限制20世紀(jì)70年代——成為現(xiàn)代通信、電子技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的重要控制技術(shù)

●●●●●鎖相技術(shù)是通信、導(dǎo)航、廣播與電視通信、儀器儀表測量、數(shù)字信號(hào)處理及國防技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用的一門重要的自動(dòng)反饋控制技術(shù).第4頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月１.具有頻率準(zhǔn)確跟蹤性能２.具有良好窄帶高頻跟蹤性能（稱載波跟蹤型）３.具有良好的帶通濾波性能（稱調(diào)制跟蹤型）４.具有良好門限效應(yīng)５.易集成化，數(shù)字化三、鎖相環(huán)路分析方法圖解法:相圖法.描述函數(shù)法總之,鎖相環(huán)路是朝著集成化.多用化.數(shù)字化的方向發(fā)展。20世紀(jì)80年代以后——數(shù)字鎖相、集成鎖相以及頻率合成技術(shù)，大大推動(dòng)數(shù)字通信、衛(wèi)星通信的發(fā)展●二、鎖相環(huán)路的特點(diǎn)第5頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月四、鎖相環(huán)路的組成(一)鑒相器(二)環(huán)路濾波器(三)壓控振蕩器第6頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

鎖定與跟蹤的概念

鎖相環(huán)路(PLL)是一個(gè)相位跟蹤系統(tǒng),方框表示如圖1-1(a)。設(shè)輸入信號(hào)(1-1)圖5-1相位跟蹤系統(tǒng)框圖第7頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月式中Ui是輸入信號(hào)的幅度；

ωi是載波角頻率；

θi(t)是以載波相位ωit為參考的瞬時(shí)相位。若輸入信號(hào)是未調(diào)載波,θi(t)即為常數(shù),是ui(t)的初始相位；若輸入信號(hào)是角調(diào)制信號(hào)(包括調(diào)頻調(diào)相),θi(t)即為時(shí)間的函數(shù)。設(shè)輸出信號(hào)(1-2)第8頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月式中Uo是輸出信號(hào)的幅度；

ωo是環(huán)內(nèi)被控振蕩器的自由振蕩角頻率,它是環(huán)路的一個(gè)重要參數(shù)；

θo(t)是以自由振蕩的載波相位ωot為參考的瞬時(shí)相位,在未受控制以前它是常數(shù),在輸入信號(hào)的控制之下,θo(t)即為時(shí)間的函數(shù)。第9頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-2(a)所示。從圖上可以得到兩個(gè)信號(hào)的瞬時(shí)相位之差(1-3)前面已經(jīng)說到,被控振蕩器的自由振蕩角頻率ωo是系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù),它的載波相位ωot可以作為一個(gè)參考相位。這樣一來,輸入信號(hào)的*瞬時(shí)相位可以改寫為(1-4)(1-5)第10頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月為輸入信號(hào)頻率與環(huán)路自由振蕩頻率之差,稱為環(huán)路的固有頻差。再令(1-6)為輸入信號(hào)以ωot為參考的瞬時(shí)相位,因此,(1-4)式可以改寫為同理,輸出信號(hào)的瞬時(shí)相位可以改寫為(1-7)(1-8)(1-9)第11頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月式中θ2(t)也是以ωot為參考的輸出瞬時(shí)相位。利用(1-6)式*和(1-9)式可表示輸入和輸出信號(hào)的相位。由于有了共同的參考,就很便于比較。將(1-6)式和(1-9)式代入(1-3)式,得到環(huán)路的瞬時(shí)相位差(1-10)應(yīng)用上述描述方法,矢量圖可以畫成圖1-2(b)。系統(tǒng)的瞬時(shí)相差θe(t)=θ1(t)-θ2(t),瞬時(shí)頻差(1-11)第12頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-2輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位關(guān)系第13頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

捕獲過程從輸入信號(hào)加到鎖相環(huán)路的輸入端開始,一直到環(huán)路達(dá)到鎖定的全過程,稱為捕獲過程。一般情況,輸入信號(hào)頻率ωi與被控振蕩器自由振蕩頻率ωo不同,即兩者之差Δωo≠0。若沒有相位跟蹤系統(tǒng)的作用,兩信號(hào)之*間相差將隨時(shí)間不斷增長。第14頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-3捕獲過程中瞬時(shí)相差與瞬時(shí)頻差的典型時(shí)間圖第15頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月鎖定狀態(tài)捕獲狀態(tài)終了,環(huán)路的狀態(tài)穩(wěn)定在

(1-12)下面討論環(huán)路輸入固定頻率信號(hào),即dθi(t)／dt=0時(shí)的特殊情況。這*是環(huán)路分析中經(jīng)常遇到的一種情況。此時(shí)式中θi為常數(shù),是輸入信號(hào)的起始相位。而第16頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月將此式代入輸出信號(hào)表達(dá)式(1-2),得第17頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月由上可知,在輸入固定頻率信號(hào)的條件之下,環(huán)路進(jìn)入同步狀態(tài)后,輸出信號(hào)與輸*入信號(hào)之間頻差等于零,相差等于常數(shù),即常數(shù)(1-13)第18頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月四、環(huán)路的基本性能要求如上所述,環(huán)路有兩種基本的工作狀態(tài)。其一是捕獲過程。評(píng)價(jià)捕獲過程性能有兩個(gè)主要指標(biāo)。一個(gè)是環(huán)路的捕獲帶Δωp,即環(huán)路能通過捕獲過程而進(jìn)入同步狀態(tài)所允許的最大固有頻差｜Δωo｜max

。若Δωo>Δωp,環(huán)路就不能通過捕獲進(jìn)入同步狀態(tài)。故(1-14)第19頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月另一個(gè)指標(biāo)是捕獲時(shí)間Tp,它是環(huán)路由起始時(shí)刻t0到進(jìn)入同步狀態(tài)的時(shí)刻ta之間的時(shí)*間間隔,即

捕獲時(shí)間Tp的大小除決定于環(huán)路參數(shù)之外,還與起始狀態(tài)有關(guān)。一般情*況下輸入起始頻差越大,Tp也就越大。通常以起始頻差等于Δωp,來計(jì)算最大捕獲時(shí)間,并把它作為環(huán)路的性能指標(biāo)之一。(1-15)第20頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

環(huán)路組成

問題1：鎖相環(huán)路為什么能夠進(jìn)入相位跟蹤，實(shí)現(xiàn)輸出與輸入信號(hào)的同步呢？因?yàn)镻LL是一個(gè)相位的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。

這個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng)是由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和電壓控制振蕩器(VCO)*三個(gè)基本部件組成的,基本構(gòu)成如圖1-4。第21頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-4鎖相環(huán)路的基本構(gòu)成

注意兩個(gè)轉(zhuǎn)換：1）PLL通過控制和之間的相位達(dá)到控制頻率與控制相位的目的；2）VCO：作用到VCO控制的頻率達(dá)到控制相位。第22頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月一、鑒相器鑒相器是一個(gè)相位比較裝置,用來檢測輸入信號(hào)相位θ1(t)與反饋信號(hào)相位θ2(t)之間的相位差θe(t)。輸出的誤差信號(hào)ud(t)是相差θe(t)的函數(shù),即鑒相特性f［θe(t)］可以是多種多樣的,有正弦形特性、三角形特性、鋸齒形特性等等。常用的正弦鑒相器可用模擬相乘器與低通濾波器的串接作為模型,如圖1-5(a)所示。第23頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-5正弦鑒相器模型第24頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)相乘器的相乘系數(shù)為Km［單位為1／V］,輸入信號(hào)ui(t)與反*饋信號(hào)uo(t)經(jīng)相乘作用第25頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月再經(jīng)過低通濾波器(LPF)濾除2ωo成分之后,得到誤差電壓(1-16)為鑒相器的最大輸出電壓,則(1-17)第26頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-6正弦鑒相器特性第27頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月環(huán)路濾波器的電路模型微分方程：常見環(huán)路濾波器的形式環(huán)路濾波器電路模型其中，AF(p)為傳遞函數(shù)。第28頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月壓控振蕩器的電路模型壓控振蕩器的特性可用調(diào)頻特性來表示壓控振蕩器的電路模型P=d/dt為微分算子

在一定范圍內(nèi)ωo與uc(t)幾乎成線性關(guān)系有：A0為VCO的壓控靈敏度。

第29頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月五鎖相環(huán)路基本工作原理一、框圖與各部分作用二、環(huán)路工作原理三、環(huán)路相位模式和環(huán)路方程四、環(huán)路濾波器第30頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月五鎖相環(huán)路基本工作原理（一）框圖與各部分作用各部分的作用

PD————產(chǎn)生誤差電壓

LF————產(chǎn)生控制電壓

VCO————產(chǎn)生瞬時(shí)輸出頻率●▲▲▲●框圖第31頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月PLL環(huán)路在某一因素作用下，利用輸入與輸出信號(hào)的相位差產(chǎn)生誤差電壓，并濾除其中非線性成分與噪聲后的純凈控制信號(hào)控制壓控振蕩器，使朝著縮小固有角頻差方向變化，一旦趨向很小常數(shù)（稱為剩余相位差）時(shí)，則鎖相環(huán)路被鎖定了，即

充分必要條件●1、原理與環(huán)路鎖定的充分必要條件●原理（二）環(huán)路工作原理第32頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2.舉例說明（以一階鎖相環(huán)為例）未鎖定鎖定可見，環(huán)路鎖定過程中是從0～2π周期的變化，若干周期后使，則環(huán)路被鎖定。第33頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月1.相位模式①求環(huán)路中各部件的數(shù)學(xué)表示式與數(shù)學(xué)模式A,

鑒相器(PD)疊加型其中：（三）環(huán)路相位模式和環(huán)路方程

乘積型第34頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月B，環(huán)路濾波器(LF)C，壓控振蕩器(VCO)則數(shù)學(xué)模型為②.環(huán)路的相位模型若上述經(jīng)PD輸出的誤差電壓可表示為第35頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2.環(huán)路方程及其物理意義②物理意義①方程各項(xiàng)的物理意義b)方程的物理意義:在任何時(shí)候環(huán)路開環(huán)輸入固有角頻率永遠(yuǎn)恒等于環(huán)路閉環(huán)瞬時(shí)角頻差和環(huán)路控制角頻差之和。在鎖定過程瞬時(shí)角頻差逐漸減小,控制角頻差逐漸增大,它們之和永遠(yuǎn)恒等于開環(huán)時(shí)輸入固有角頻差。3.結(jié)論①只有環(huán)路鎖定時(shí)，瞬時(shí)角頻差為0,才實(shí)現(xiàn)了頻率準(zhǔn)確跟蹤.②環(huán)路進(jìn)入鎖定的條件為顯然愈大愈小,環(huán)路穩(wěn)定性愈好。第36頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月1.RC積分濾波器其中，為一個(gè)極點(diǎn)而無零點(diǎn)的多四、環(huán)路濾波器常用的環(huán)路濾波器有：電壓傳輸系數(shù)為：，若作為作為環(huán)路濾波器鎖定Vd為直流電壓。③環(huán)路鎖定過程是變化的,所以vd(t)是交變的電壓;一旦④環(huán)路方程是非線性微分方程,其中非線性取決于鑒相器,而微分方程階數(shù)取決于環(huán)路濾波器多項(xiàng)式F(P)的階數(shù)。項(xiàng)式第37頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2.無源RC比例積分濾波器為一個(gè)極點(diǎn)一個(gè)零點(diǎn)的多項(xiàng)式電壓傳輸系數(shù)為：若作為環(huán)路濾波器：其中，第38頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月3.有源RC比例積分（或RC理想積分）濾波器項(xiàng)式因?yàn)闃O點(diǎn)在原點(diǎn)，所以是理想的積分環(huán)節(jié)。電壓傳輸系數(shù)為：若作為環(huán)路濾波器：其中,為一個(gè)極點(diǎn)一個(gè)零點(diǎn)的多，第39頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月鎖相環(huán)路分析1鎖相環(huán)路線性化分析的條件和環(huán)路傳遞函數(shù)2環(huán)路的非線性分析第40頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月一、環(huán)路線性化1.線性化條件：2.線性化環(huán)路方程：3.線性化環(huán)路相位模式：鎖相環(huán)路分析鎖相環(huán)路線性化分析的條件和環(huán)路傳遞函數(shù)第41頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月1.復(fù)頻域中線性環(huán)路方程(P→S代之)2.環(huán)路傳遞函數(shù)定義:環(huán)路傳遞函數(shù)是表示輸出與輸入相位拉氏變換之比二、環(huán)路傳遞函數(shù)用復(fù)頻域環(huán)路傳遞函數(shù)描述PLL.

線性網(wǎng)絡(luò)可以用傳遞函數(shù)描述

線性環(huán)路系統(tǒng)可以用環(huán)路傳遞函數(shù)描述

用復(fù)頻域傳遞函數(shù)描述可以簡化系統(tǒng)的分析,所以可●●●第42頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月4.結(jié)論

H(s).He(s)均與Ho(s)有關(guān)

環(huán)路濾波器不同，F(xiàn)(s)不同，環(huán)路傳遞函數(shù)也不同，可將分母標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行比較。3.環(huán)路傳遞函數(shù)類型

開環(huán)傳遞函數(shù)

閉環(huán)傳遞函數(shù)

誤差傳遞函數(shù)●●●●●第43頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月三、環(huán)路傳遞函數(shù)分母標(biāo)準(zhǔn)化(了解）頻域中傳遞函數(shù)L.R.C串聯(lián)振蕩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化傳遞函數(shù)并畫出幅頻特性先求傳遞函數(shù)H(S):把分母進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化為：標(biāo)準(zhǔn)化傳遞函數(shù)●●●●●1.舉例說明：第44頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月●若，對(duì)應(yīng)ξ＝0.707中幅頻特性下降了3dB稱為截止角頻率，此頻率用下標(biāo)c，記為ωc=ωn結(jié)論：

分母標(biāo)準(zhǔn)化便于環(huán)路比較，呈低通濾波特性

截止頻率2.不同環(huán)路分母標(biāo)準(zhǔn)化的環(huán)路傳遞函數(shù)不同環(huán)路、ξ都不同（由下表表示）●●●第45頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月四、環(huán)路跟蹤性能分析以一階環(huán)路頻響特性為例（對(duì)輸入相位的調(diào)制頻率Ω而言）環(huán)路不同，環(huán)路傳遞函數(shù)不同，、ξ也不相同無環(huán)路濾波器的環(huán)路為一階環(huán)，常用的環(huán)路濾波器形式中任意取一節(jié)作為環(huán)路濾波器構(gòu)成的環(huán)路均是二階環(huán)，二階環(huán)路得到廣泛應(yīng)用。

環(huán)路通常稱為＊階＊型環(huán)，其中“階”用大寫一、二、三表示，它取決于環(huán)路傳遞函數(shù)分母的最高次冪數(shù)，“型”用1、2、3表示，取決于環(huán)路中理想積分環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)?！瘛瘛窠Y(jié)論：第48頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月1.閉環(huán)傳遞函數(shù)頻響特性截止角頻率可見：●●一階環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)頻響特性呈低通濾波特性第49頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2.誤差傳遞函數(shù)頻響特性一階環(huán)路誤差傳遞函數(shù)呈高濾波特性可見：第50頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

a）一階環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)頻響特性呈低通濾波；誤差傳遞函數(shù)頻響特性呈高通濾波●結(jié)論：b）一階環(huán)截止角頻率，為提高環(huán)路抑制干擾和噪聲能力，應(yīng)使Ωc愈小愈好，這與提高環(huán)路穩(wěn)定性使A∑0愈大愈好二者出現(xiàn)矛盾，所以一階鎖相環(huán)無實(shí)用價(jià)值。c）實(shí)際中二階鎖相環(huán)可以兼顧環(huán)路抑制干擾、噪聲能力與環(huán)路穩(wěn)定性能，所以得到廣泛應(yīng)用。第51頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月2.一階環(huán)路的同步帶、捕捉帶和快捕帶環(huán)路原先是鎖定的，在某外因作用下，環(huán)路偏離了鎖定狀態(tài)，使環(huán)路能重新入鎖的允許最大輸入固有角頻差，稱一階環(huán)路的同步帶。環(huán)路原先是失鎖的，在某外因作用下，逐漸縮小輸入固有角頻差，一旦環(huán)路能進(jìn)入鎖定所允許的最大固有角頻，的稱一階環(huán)路的捕捉帶②.捕捉帶③.快捕帶不經(jīng)2周期跳躍即可入鎖，允許最大固有角頻差稱為一階環(huán)路的快捕帶①.同步帶第52頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月3.一階環(huán)路差拍狀態(tài)和頻率牽引現(xiàn)象①差拍現(xiàn)象②頻率牽引現(xiàn)象可見經(jīng)若干周期頻率牽引后可進(jìn)入鎖定亦即:使VOC的輸出頻率緩慢的趨于輸入信號(hào)頻率,這可以由下面頻率牽引圖的演示過程看出。第53頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月

【計(jì)算舉例】

已知一階環(huán)Ud=1V,Ko=20kHz／V,fo=1MHz。當(dāng)輸入信號(hào)頻率fi=1030kHz時(shí),環(huán)路不能鎖定,處于差拍狀態(tài)。試計(jì)算由于頻率牽引現(xiàn)象,壓控振蕩器的平均頻率為多少？環(huán)路增益K=KoUd=20kHz

固有頻差

Δωo=2π(1030-1000)×103=6π×104rad／s

代入(1-41)式計(jì)算第54頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月即=1.00764MHz,已使壓控振蕩器頻率向fi方向牽引7.64kHz。若再使fi向fo靠攏一些,仍不使它鎖定,則牽引作用會(huì)更加明顯。第55頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月鎖相環(huán)的基本特性環(huán)路鎖定后，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)頻率相等，沒有剩余頻差（有微小固定相差）良好的窄帶特性鎖定后沒有頻差自動(dòng)跟蹤特性環(huán)路相當(dāng)于一個(gè)高頻窄帶濾波器，只讓輸入信號(hào)頻率附近的頻率成份通過環(huán)路在鎖定時(shí)，輸出信號(hào)頻率和相位能在一定范圍內(nèi)跟蹤輸入信號(hào)頻率和相位的變化第56頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)集成鎖相環(huán)路的應(yīng)用4-1鎖相倍頻.分頻和混頻4-2鎖相調(diào)頻、調(diào)相、鑒頻、鑒相及其同步檢波第57頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月鎖相環(huán)路的應(yīng)用功能分類：見P1894-1鎖相倍頻.分頻和混頻鎖定時(shí)一、鎖相倍頻二、鎖相分頻

鎖定時(shí)第58頁，課件共69頁，創(chuàng)作于2023年2月三、鎖相混頻5鎖相調(diào)頻、調(diào)相、鑒頻、鑒相及其同步檢波●鎖相調(diào)頻：