锁相环路的工作原理.ppt

《锁相环路的工作原理.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锁相环路的工作原理.ppt（23页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、3,第2章 锁相环路的工作原理,锁相环路是一个闭环相位控制系统。对它的研究须建立完整的数学模型，继而以模型为基础，分析它在各种工作状态下的性能。 因此，在进行分析研究锁相环的性能之前，先就锁相环的基本工作原理、相位模型及传递函数进行阐述 ，这些都是分析锁相环性能的基础。,4,2.1 锁相环路的基本工作原理,2.1.1 锁相的基本概念,锁相是相位锁定的简称，是表示两个信号之间的相位同步。如两个正弦信号为：,因为锁相环是相位控制系统，所以，在输入或输出信号中起作用的是它的瞬时频率或瞬时相位，其幅值通常是固定的。, 瞬时角频率； 初始相位 ； 瞬时相位, 瞬时角频率； 初始相位 ； 瞬时相位,5,2

2、.1.1 锁相的基本概念,两个信号相位同步的条件：,固定值,（1）当 时，两者的瞬时相差不随时间变化，称这两个信号相位同步。,为常数,（2）当 时，只要有时间变化，瞬时相位差就不可能为一固定值，而是随时间变化，称这两个信号相位不同步。,6,2.1.2 锁相环的构成,（一）构成,锁相环路是由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三个基本部件组成的。,通常采用英文缩写表示：,鉴相器 PD ( Phase detector ) 环路滤波器LF ( Loop Filter ) 压控振荡器 VCO ( Voltage-Controlled Oscillator),7,（1）PD的功能 鉴相器对两个输入信号的相位

3、进行比较，其输出误差电压反映了它的两个输入信号相位差的大小。,（二）各部件的功能,2.1.2 锁相环的构成,（2）LF的功能 环路滤波器是低通滤波器，用于滤除鉴相器输出误差电压中的高频成分，起平滑滤波作用，它对环路参数调整起着决定性的作用，对环路性能有着重要的影响。,（3）VCO的功能 压控振荡器是一个电压/频率变换装置，它的输出振荡频率受输入电压的控制线性变化。,8,2.1.3 环路的工作过程,压控振荡器工作在“自由振荡”状态（不受控），其振荡频率为 ，输出信号：,（2）当有信号输入时，且固有频差大于环路滤波器截止频率时，即：,锁相环路如何进行相位锁定与跟踪，实现输出与输入信号的相位同步呢？

4、下面对环路的入锁过程和跟踪过程作定性描述。,（1）当环路无输入信号时：, VCO的固有振荡频率； VCO 的初始相位 ；,输入信号：, 输入信号的角频率； 输入信号的初始相位 ；,9,2.1.3 环路的工作过程,为频率很高的正弦电压信号，,经环路滤波器（低通）将被完全滤除，则加到VCO控制端的电压,所以，压控振荡器输出频率仍然维持在固有频率 上。,此时，环路没有起到控制作用，环路处于不受控状态， ，也称为失锁状态。,（2）当有信号输入，且固有频差大于环路滤波器截止频率时：,10,2.1.3 环路的工作过程,失锁状态：,11,2.1.3 环路的工作过程,（3）当有信号输入，且固有频差低于环路滤波

5、器的截止频率时：,为频率较低的正弦误差电压信号,该误差电压信号经过环路滤波器就不会被滤除掉，其滤波输出信号作为控制电压加在压控振荡器上，使VCO输出调频信号。,12,2.1.3 环路的工作过程,当压控振荡器就会受到这个差拍电压调制时，输出电压 为中心角频率为 、调制频率为 的调频信号。,固有频率,13,2.1.3 环路的工作过程,捕捉状态（起始）：,14,2.1.3 环路的工作过程,VCO瞬时频率,（4）VCO输出的调频波反馈到输入端时 该VCO调频波与输入正弦信号进行鉴相的结果是：,捕捉状态（起始）：,15,（5）由于 是上下不对称的差拍波，所以 ，含的直流成分和低频交流成分通过LF ，而高

6、频成分被LF滤除。 的直流分量 经LF加在VCO上，形成牵引电压，使VCO输出调频波的中心振荡频率向着 的方向产生迁移。 的基频交流成分对VCO进行调制，使VCO输出调频波。,2.1.3 环路的工作过程,VCO瞬时频率,捕捉状态（牵引过程）：,基频交流分量的频率：,16,2.1.3 环路的工作过程,捕捉状态（牵引过程）：,17,2.1.3 环路的工作过程,直流成分,低频交流成分,牵引频率,牵引后的中心频率,18,2.1.3 环路的工作过程,（6）由于牵引电压的存在，鉴相器输出的误差电压 更加不对称，那么，误差电压 中的直流成分就越来越大，基频交流成分 的频率越来越低。,基频交流分量的频率：,（

7、7）如此反复循环， 越来越小，牵引电压越来越大，使VCO振荡频率向着输入频率逐渐靠近，最终 。,19,2.1.3 环路的工作过程,这个逐渐变大的直流分量经过环路滤波器后去控制压控振荡器，以更快的速度使压控振荡器的中心频率趋向输入频率。,最后，压控振荡器的频率由原来的 变成 ，环路便稳定在这个频率 上，即所谓锁定状态。此时，鉴相器输出为一个直流电压，上述过程是环路通过频率牵引而得到锁定的过程，也称为捕捉过程。,20,2.1.3 环路的工作过程, 鉴相器和环路滤波器输出信号均为一直流电压。,在环路锁定状态下：, 环路的输入信号频率与压控振荡器输出频率相等，即：, 输入信号与压控振荡器输出信号之间的

8、相位差为一固定值。,常数,由此可见，锁相环是一个相位误差控制系统。它通过比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，产生误差电压来调整压控振荡器的频率和相位，以达到与输入信号同频并保持相位差为一固定值。,21,2.1.3 环路的工作过程,锁定状态：,22,2.1.3 环路的工作过程,（8）环路同步跟踪,环路一旦锁定后，当输入信号的相位/频率不稳，产生漂移或受到干扰时，锁相环路都会自动进行控制调整，使环路输出频率稳定地锁定在输入频率上。锁相环路是稳频系统。,当输入信号的相位/频率的变化超出环路的跟踪能力时，环路将失去控制，由锁定变为失锁。,在环路锁定条件下，当输入信号的相位/频率发生变化，且满

9、足环路跟踪条件时，环路的输出频率和输出相位会跟踪输入信号的相位/频率进行变化。锁相环是相位跟踪系统。,23,课堂练习,（3）列举出几种判定环路锁定的测试方法，并简要说明其原理。,（2）能否断言控制电压 是一直流时，环路一定处于锁定状态？,（1） 试说明环路分别处于“失锁”、 “捕捉” 与“锁定” 状态时， 应该是什么样的波形？ 应该是什么样的波形呢？,（4） 试说明环路分别处于“失锁”、 “捕捉”与 “锁定” 状态时， 应该是什么样的波形？其输出频率等于什么？ 应该是什么样的波形呢？其输出频率等于什么？,24,共计96份作业，其中46份全部正确。 在存在问题的50份作业中，失锁、捕捉、锁定3种状态的解答中，锁定状态的解答正确率达96%，仅有2人出错；出现问题最多的是捕捉过程。,作业情况分析,失锁状态的错误情况： 不对称差拍波 ； 直流 直流,捕捉状态的错误情况： 正弦波 ； 正弦波 调频波 直流,25,习题讲解,各种环路状态的关系：,共同点：,共同点：,