鎖相環(huán)的應(yīng)用

1、鎖相環(huán)的應(yīng)用1 現(xiàn)在鎖相環(huán)已成為通信、雷達、導(dǎo)航、 深空探測、電子設(shè)備等設(shè)備中不可缺少的部分。 鎖相環(huán)之所以能得到廣泛的應(yīng)用，是因為它具有獨特的窄帶跟蹤特性，能完成頻率合成、調(diào)制解調(diào)、同步提取、測速測距、微量頻率變換等任務(wù)。 鎖相環(huán)能得到廣泛應(yīng)用的另一個原因是目前已有許多價格便宜，性能良好的集成鎖相環(huán)部件及2 通用和專用集成相鎖環(huán)。 人們只要掌握鎖相環(huán)的基本原理和集成電路的外特性，就可方便地設(shè)計出完成各種任務(wù)的環(huán)路。 目前，鎖相技術(shù)已成為每一個從事電子技術(shù)工作的工程技術(shù)人員必須掌握的基礎(chǔ)知識。3一.鎖相環(huán)路的特性簡介 鎖相環(huán)路就是一種反饋控制電路,它控制的參量是輸出信號的相位。因此，也稱為自動

2、相位控制電路。 鎖相的目的是使系統(tǒng)輸出信號的相位始終與 輸入信號的相位同步。4 為什么一般研究鎖相而不去研究鎖頻？ 因為相位可以唯一地確定頻率,反之卻不然。只知頻率時,初相未知。 5 因為鎖相環(huán)路是一個相位控制系統(tǒng)，輸入 對環(huán)路起作用的是它的瞬時相位，輸出 的瞬時相位也是受輸入相位的控制。 6二. PLL的組成及工作原理 PLL包括： 1. PD： Phase Detector 2. LF： Loop Filter 3. VCO： Voltage Controlled Oscillator 受控對象 控制器7基本構(gòu)成如下圖:PDVCOLFH(P)=18 1. 鑒相器 PD 輸出的誤差信號 是相

3、差e(t)的函數(shù)，即： 正弦鑒相器用模擬相乘器與低通濾波器的串接作為模型。LPFUdSin (t)+-2 (t)UdSine(t)1e(t)9 設(shè)相乘器的相乘系數(shù)為Km單位為1/V,則 輸入信號與輸出信號相乘 誤差電壓 令 10 正弦鑒相特性02-2e(t)11 鑒相器電路分為兩類 1.相乘器電路：對輸入信號波形與輸出信號波形的乘積取平均，從而獲得直流的誤差輸出。 2.序列電路：其輸出電壓是輸入信號過零點 與反饋電壓過零點之間的時間差的函數(shù)，只與 波形的邊沿有關(guān)，常用數(shù)字電路構(gòu)成。122.環(huán)路濾波器 LF 環(huán)路濾波器具有低通特性，它對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。 LF的特性決定了環(huán)路的不同特

4、性。F(P)F(s)時域頻域S=j代入F(S)得到頻率響應(yīng)F(j)13 常用的三種LF： 1.RC積分Filter頻率特性 F(j)=1/(1+j1 ) 1=RC |F(j)|=1/ 1+(1 )2 (j)= arctg1 幅頻特性uouiRC相頻特性14152.無源比例積分Filter = (R + R 2 ) C , 2 = R2 C11F(j) =1+j11+j2|F(j)| = 1+1+21222(j)= arctg arctg12 相位超前因子1+j2 ，有助于改善環(huán)路的穩(wěn)定。2uoRRC12幅頻特性相頻特性1617uiuaR1R2-AuoCI1I2 =(R +AR +R ) C =

5、R C1121F(j)=(1+j )/j 21|F(j)| =(j) = arctg /222212高增益的有源比例積分濾波器又稱為理想積分濾波器。1+3.有源比例積分Filter2 =(R +AR +R 2幅頻特性相頻特性1819其控制特性如圖所示：3.壓控振蕩器VCOVCO振蕩頻率隨輸入控制電壓變換關(guān)系為：線性的變化，vo0u c20其相位 即：寫成算子數(shù)學(xué)模型：Ko/puc(t) (t) 2壓控振蕩器是PLL中的固有積分環(huán)節(jié)。21 三.環(huán)路的相位模型 將以上三個模型連接起來，構(gòu)成環(huán)路的模型：UdSin F(P)Ko/p+_ (t)1e(t)2 (t)22 模型給出了輸入相位 與輸出相位

6、之間的關(guān)系，又稱為環(huán)路的相位模型。這是一個相位負反饋的誤差控制系統(tǒng)，其特征是存在剩余誤差。23 因為鑒相特性的非線性，環(huán)路的動態(tài)方程是非線性方程，又因為VCO的固有積分作用，動態(tài)方程至少是一階非線性微分方程。 24 鎖相環(huán)電路具有三個突出的優(yōu)點： (1) 載波跟蹤特性：無論輸入信號是已調(diào) 或未調(diào)信號，只要包含有載波頻率成分，就可以將鎖相環(huán)設(shè)計為窄帶跟蹤濾波器用于提取載波信號； 25 以上描述包括三重含義： 窄帶特性，利用環(huán)路濾波器的低通特性來實現(xiàn)輸入信號載頻上窄帶帶通特性。在高頻上，可將通帶做到幾赫茲那么窄，而這是普通濾波器難以做到的。26 跟蹤特性，可以在保持窄帶特性的情況下跟蹤輸入載波頻率

7、的漂移，普通帶通濾波器的頻率特性是固定的，為了能接收載頻漂移的輸入信號，濾波器的通頻帶寬度必須計及漂移范圍，因而無法利用窄帶特性來過濾噪聲與干擾。 27 信號放大特性，將弱輸入載波信號放大為強信號輸出。因為環(huán)路輸出的是VCO的信號，它是輸入弱載波信號頻率和相位的真實復(fù)制品，其幅度則比輸入信號強得多。28 (2)調(diào)制跟蹤特性：只要讓環(huán)路有適當(dāng)寬度的低頻通帶，VCO輸出的信號頻率與相位就能跟蹤輸入調(diào)頻或調(diào)相信號的頻率與相位的變化，即：得到輸入角調(diào)制信號的復(fù)制品。 利用此特性可制成角調(diào)制信號的調(diào)制與解調(diào)器。29 (3) 低門限特性：一般的非線性系統(tǒng)，其門限決定于輸入信噪比，而鎖相環(huán)的門限由環(huán)路信噪比

8、決定，因為(S/N)L (S/N)i，所以鎖相環(huán)能在較低的門限下（較低輸入信噪比）工作，即具有較低的門限特性。因此，只要環(huán)路的通帶足夠窄，就可以提取淹沒在噪聲中的微弱信號。30 跟蹤濾波器 跟蹤濾波器的定義：跟蹤濾波器是一個帶通濾波器，其中心頻率能自動地跟蹤輸入信號載波頻率的變化。31 鎖相環(huán)自身具有跟蹤濾波特性(采用正弦鑒相器時，輸入信號與輸出信號有90o的相差)， 并且能夠跟蹤衰落信號（當(dāng)輸入信號暫時消失時，環(huán)路濾波器輸出的控制電壓不會立即消失，VCO能在短時間內(nèi)維持振蕩頻率不變，即系統(tǒng)對輸入信號的躍變需要一定的反應(yīng)時間)。3233 兩種用法： 1.載波跟蹤 此時應(yīng)從壓控振蕩器輸出uo(t

9、),在 LF設(shè)計為窄帶的條件下，uo(t)是提純了的輸入信號載波。 2.調(diào)制跟蹤 因為要包含調(diào)制信號，LF有一定的帶寬要求 若輸入ui(t)是調(diào)頻信號，有兩種輸出：34 （1）從VCO輸出uo(t)：uo(t)即為ui(t)復(fù)制品，也就是調(diào)頻信號的再生，經(jīng)過了濾波和放大。 （2）從LF輸出uc(t)：uc(t)即輸入調(diào)頻信號的解調(diào)輸出。 原理如下： 35 VCO的瞬時頻率 環(huán)路鎖定時， 因而 為調(diào)頻信號的瞬時頻偏。36 鎖相環(huán)用作調(diào)制器與解調(diào)器 理論上，在加入輔助電路的情況下，鎖相環(huán)可以實現(xiàn)多種調(diào)制方法的調(diào)制器和解調(diào)器。一. 模擬調(diào)頻/調(diào)相信號的調(diào)制與解調(diào)37 調(diào)制信號： (1)調(diào)頻信號： 完整調(diào)頻表達式382 . 調(diào)制器的實現(xiàn) 利用VCO的頻率調(diào)制特性，直接將調(diào)制信號加入到VCO的控制信號輸入端可以輸出調(diào)頻信號；如果加上前置微分器，便可以輸出調(diào)相信號。39 由于VCO的振蕩頻率的溫度漂移特性和非線性性，不能產(chǎn)生高質(zhì)量和高穩(wěn)定度的調(diào)制信號。 一種具有高頻率穩(wěn)定度的FM信號調(diào)制器為40 合理設(shè)計使得PLL工作在載波跟蹤狀態(tài)下，環(huán)路輸出信號的載波頻率跟蹤晶體振蕩器的變化，可提供高穩(wěn)定度的載波信號；調(diào)制信號控制VCO的瞬時輸出頻率，以實現(xiàn)FM或PM調(diào)制。 根據(jù)實