笫7章-锁相环路4课件.ppt

1、 一、锁相环路的基本概念一、锁相环路的基本概念u反馈控制电路反馈控制电路二、二、PLL的线性分析的线性分析uPLL的稳定性（的稳定性（*）三、三、PLL的非线性分析的非线性分析集成锁相环介绍集成锁相环介绍PLL电路实例与应用举例电路实例与应用举例uPLL的噪声特性（的噪声特性（*）u集成集成PLL（环路滤波器外加）类型：（环路滤波器外加）类型：l模拟环（模拟环（APLL）鉴相器为模拟相乘器鉴相器为模拟相乘器 通用型：通用型：VCO，PD，（，（+放大器）放大器）专用型：锁相解调，调频立体声解调，电专用型：锁相解调，调频立体声解调，电视的色同步环视的色同步环l数字环（数字环（DPLL）由部分数字

2、电路，（主要是鉴相器为）由部分数字电路，（主要是鉴相器为数字鉴相器）和全部数字电路（包括数字鉴相器、数字滤数字鉴相器）和全部数字电路（包括数字鉴相器、数字滤波器、数控振荡器）构成。波器、数控振荡器）构成。通用型：通用型：VCO，PD，（，（+分频器）分频器）专用型：用于频率合成器，电机控制专用型：用于频率合成器，电机控制u集成锁相环主要部件集成锁相环主要部件集成集成数字比相型、模拟相乘器型、抽样保持型。数字比相型、模拟相乘器型、抽样保持型。相乘器型：相乘器型：灵敏度较低，线性较好，锁定时两信号有灵敏度较低，线性较好，锁定时两信号有90度相移。度相移。l数字鉴相器：数字鉴相器：异或门：输入为对称

3、方波，锁定时两信号有异或门：输入为对称方波，锁定时两信号有90度相移度相移R-S触发器：输入为脉冲或方波，锁定时两信号有触发器：输入为脉冲或方波，锁定时两信号有90度相移度相移边沿触发边沿触发(上升沿或下降沿）鉴频鉴相器：上升沿或下降沿）鉴频鉴相器：输入为脉冲或方输入为脉冲或方波，锁定时两信号有波，锁定时两信号有0度或度或180度相移，有鉴频和鉴相功能。度相移，有鉴频和鉴相功能。常用于锁相频率合成器中。常用于锁相频率合成器中。u集成集成1,3,10,98,21,CRTTTRR（续）（续）u集成集成VCO集成集成VCO举例：举例：变流式电容充放电压控振荡器变流式电容充放电压控振荡器 AvAv2S

4、1S2S1S1I2I1S2S1S2SAvAv0I0I2IAv12II1cv0I变流式电容充放电压控振荡器变流式电容充放电压控振荡器(续续1)34II 4ICCV1RpvCCV1R4Ipv0I4I1R75 TT4R2R2D3D4D5D3R8T2S2D3D1SccVEEVfRPDVCOAMP)(tvi)(tvO-集成锁相环集成锁相环NE565介绍介绍1R1CfCccV1R1CfRfC集成锁相环集成锁相环NE565介绍介绍(续续1)V126f%60k1R1C集成锁相环集成锁相环NE565介绍介绍(续续2)集成锁相环集成锁相环NE565介绍介绍(续续3)1R1CfCfCfCfCuPLL的的基本特性与基

5、本特性与应用举例应用举例nPLL的基本特性的基本特性（1）优良的窄带滤波特性）优良的窄带滤波特性（4）低门限特性：）低门限特性：门限取决于环路信噪比，一般环路的带宽总比环路输入端门限取决于环路信噪比，一般环路的带宽总比环路输入端的前置通频带窄得多，因而具有较高的环路信噪比，可取的前置通频带窄得多，因而具有较高的环路信噪比，可取得低门限性能。它用作调频解调时，与一般限幅鉴频器相得低门限性能。它用作调频解调时，与一般限幅鉴频器相比门限可改善比门限可改善35dB。n主要应用：主要应用：窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复；频率合窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复；频率合 成成 等。等。1、空间技术应用窄带

6、跟踪滤波器（锁相接收机）、空间技术应用窄带跟踪滤波器（锁相接收机）（1）空间信号的基本特性）空间信号的基本特性 卫星或其它宇宙飞行器向地面发回的卫星或其它宇宙飞行器向地面发回的信号通常都很微弱信号通常都很微弱。频率漂移严重频率漂移严重（因存在多普勒效应与振荡器中心频率不稳）。因存在多普勒效应与振荡器中心频率不稳）。例如：频率为例如：频率为100MHZ，多普勒频移为多普勒频移为 3KHZ。信标信号本身频带宽度较窄信标信号本身频带宽度较窄。约为。约为6HZ左右。左右。若使用普通接收机，带宽至少若使用普通接收机，带宽至少6KHZ左右。接收机带宽比信号左右。接收机带宽比信号带宽大带宽大1000倍，接收

7、的噪声大倍，接收的噪声大1000倍，在接收机解调器前的信倍，在接收机解调器前的信噪比噪比1030dB。信号被噪声淹没。信号被噪声淹没。锁相接收机的中频频率可以跟踪接收信号频率的漂移，而且锁相接收机的中频频率可以跟踪接收信号频率的漂移，而且带宽又很窄，故又称为带宽又很窄，故又称为“窄带跟踪滤波器窄带跟踪滤波器”。比普通接收机。比普通接收机信噪比提高信噪比提高3040dB。测速与测距是确定飞行器运行轨道的两种重要技术手段测速与测距是确定飞行器运行轨道的两种重要技术手段，测速定轨测速定轨就是接收信标信号。就是接收信标信号。窄带跟踪滤波器窄带跟踪滤波器-锁相接收机（锁相接收机（）（2）方框原理图）方框

8、原理图PDLFVCO中放中放混频混频倍频倍频1f3f2f4fNf/23ffi 本地标准中频参考信号本地标准中频参考信号 ，是高度稳定的。，是高度稳定的。4f 载频漂移的输入信号在环路锁定时，混频器输出中频信号载频漂移的输入信号在环路锁定时，混频器输出中频信号的频率与本地中频参考信号的频率相等，即能准确落在中频的频率与本地中频参考信号的频率相等，即能准确落在中频频带中央频带中央。中频滤波器可用窄的带通滤波器，解调不失真。中频滤波器可用窄的带通滤波器，解调不失真。有漂移，有漂移，跟踪跟踪 的漂移的漂移。1f2f1f PLL电路设计为窄带（几电路设计为窄带（几100HZ）窄带跟踪滤波器（窄带跟踪滤波

9、器（）（3）跟踪滤波器的频率特性）跟踪滤波器的频率特性icccdBjT/)(跟踪范围2、用作相干解调器中的载波恢复电路、用作相干解调器中的载波恢复电路-平方环平方环 对于抑制载波调幅信号和数字相位键控信号，相干解调是对于抑制载波调幅信号和数字相位键控信号，相干解调是最佳解调方式。最佳解调方式。实现相干解调，需要一个与输入信号频率相等和有很小相差实现相干解调，需要一个与输入信号频率相等和有很小相差的本地参考载波。的本地参考载波。如果输入信号内含有载波频率分量，则可用一个带宽很窄的如果输入信号内含有载波频率分量，则可用一个带宽很窄的滤波器将其提取出来。滤波器将其提取出来。PLL的带宽可以做得很窄，

10、而且能够的带宽可以做得很窄，而且能够跟踪载波频率的变化，所以用它来提取载波特别合适。跟踪载波频率的变化，所以用它来提取载波特别合适。对于移相键控对于移相键控(PSK)信号，由于其频谱中不包含有载频及其倍信号，由于其频谱中不包含有载频及其倍频成分，故不能直接用载波跟踪环提取载波，必须选用非线性频成分，故不能直接用载波跟踪环提取载波，必须选用非线性变换（利用平方律器件的平方作用），将变换（利用平方律器件的平方作用），将PSK信号中的载波信信号中的载波信息变换成载波分量；再用息变换成载波分量；再用PLL提取出来作相于解调载波使用。提取出来作相于解调载波使用。用作相干解调器中的载波恢复电路用作相干解调

11、器中的载波恢复电路-平方环（平方环（）利用平方律器件的平方作用，将无载频分量的输入信号变换利用平方律器件的平方作用，将无载频分量的输入信号变换为有载频倍频分量的信号输出，用载波跟踪环提取出为有载频倍频分量的信号输出，用载波跟踪环提取出2倍频分倍频分量，再经分频可获得相干载波。然后进行相干解调。量，再经分频可获得相干载波。然后进行相干解调。PDLFVCO带通带通带通带通低通低通2平方平方00)(tvi2222)(002tvi)2(0)(0解调输出解调输出 3、锁相鉴频、锁相鉴频-调制跟踪环调制跟踪环（1）方框原理图）方框原理图鉴相器鉴相器（PD）环路滤波器环路滤波器（LF）压控振荡器压控振荡器(

12、VCO)(tvi)(tvo)(tvd)(tvP解调信号的输出解调信号的输出 环路对于输入相位的变化相当于一低通滤波器环路对于输入相位的变化相当于一低通滤波器。若输入信号为调频信号，中心角频率为若输入信号为调频信号，中心角频率为 ，相位变化部分，相位变化部分为为 。当环路已锁定于。当环路已锁定于 ，并且假定对输入相位，并且假定对输入相位 ，环路的传输特性近似为环路的传输特性近似为1，则有，则有 ，即压控振荡器，即压控振荡器的相位变化部分与输入信号相同。的相位变化部分与输入信号相同。0i)(ti0i)(ti)()(0tti 产生产生 的变化所需的控制电压的变化所需的控制电压 与调制信号成正比。与调

13、制信号成正比。)(0t)(tvP返回返回锁相鉴频锁相鉴频-调制跟踪环（调制跟踪环（）（2）求解调信号的输出）求解调信号的输出)(tvPsinsin)(0ttVtvimiimi设：设：锁定时：锁定时：有：有：)(jTimom)()(cos)sin(cos)(02iooomomoomottVttVtvtpdttvKt02)()()cos()cos()(1)cos(1)(1)(2tVtjTKtKdttdKtvmimomp上图上图锁相鉴频锁相鉴频-调制跟踪环（调制跟踪环（）（3）NE565鉴频实验电路鉴频实验电路PDVCO2AMP)(tvOVCO1NE565NE566)(tv)(tvFM)(tvK6.

14、3K3K1820F21R1CfRfCccVEEVccVl线性线性PLL的特性与分析的方法的特性与分析的方法 跟踪特性：跟踪特性：采用拉氏变换及其逆变换的方法求解瞬变过程；采用拉氏变换及其逆变换的方法求解瞬变过程；频率特性：频率特性：利用闭环传递函数求相位传递的幅频特性和利用闭环传递函数求相位传递的幅频特性和相频特性，环路相频特性，环路 3dB 带宽。带宽。采用拉氏终值定理求稳态相差。采用拉氏终值定理求稳态相差。*稳定特性稳定特性：利用开环传递函数、波特图，相位余量：利用开环传递函数、波特图，相位余量*噪声特性噪声特性：对输入相位噪声抑制低通特性，对：对输入相位噪声抑制低通特性，对VCO的高通的高通sin0pKHpTPLl非线性分析的几个问题非线性分析的几个问题 相平面图的特点（一阶环）：相平面图的特点（一阶环）：稳定平衡点与不稳定平衡点的含义。稳定平衡点与不稳定平衡点的含义。同步带的同步带的 含义。含义。捕捉带捕捉带 ，快捕带，快捕带 与捕捉时间与捕捉时间 的含义。的含义。捕捉过程：频率牵引过程与相位锁定过程。捕捉过程：频率牵引过程与相位锁定过程。PLL小结（小结（）lPLL的应用的应用 载波跟踪环载波跟踪环-窄带跟踪滤波。窄带跟踪滤波。调制跟踪环调制跟踪环-调角信号的解调。调角信号的解调。平方环平方环-载波恢复。载波恢复。频率合成频率合成