1、8-3 锁相环路,学习要点：PLL的基本工作原理 PLL的捕捉与跟踪过程锁相环路的基本特性,自动增益、频率控制电路,8-3-1 PLL基本工作原理,8-3-2 PLL基本组成电路分析,8-3-6 集成锁相环,8-3-3 PLL锁相模型,8-3-4 PLL的捕捉与跟踪过程,8-3-5 PLL的基本特性,8-3-7 锁相环的应用,8-3-1 PLL基本工作原理,通过相位自动控制来精确的实现频率自动控制 AFC系统的缺点存在固有频率误差，达不到所需频率精度 PLL系统（锁相环路）通过控制相位来控制频率。利用相位 反馈控制技术，只存在剩余相位差， 消除了剩余频差，即通过相位自动控 制系统可实现精确的频
2、率自动控制。,锁相环路（PLL）组成框图如图所示：,包括三个主要的部分：1)鉴相器（PD）； 2)环路滤波器（LF）； 3)压控振荡器（VCO）。,工作原理锁相环是利用两个信号之间的相位误差来控制压 控振荡器输出信号的频率，最终使两个信号之间 的相位差保持恒定，从而达到使两个信号频率相 等的目的。,失锁状态锁相环路中，如果压控振荡器的角频率o与输 入信号角频率i不相同时，则称锁相环路处于 失锁状态,此时输入到鉴相器的电压ui(t)和uo(t)之间相位差变动,并输出一与相位差成比例的误差电压uD(t) 该电压经环路滤波器（实际为低通滤波器）取出直流或低频分量uC(t)作为控制电压（uC(t)随相
3、位差而变化）加到压控振荡器上压控振荡器频率不断改变ui(t)和uo(t)之间的相位差减小，最终二者相位被“锁定”且频率相等，此时我们称环路处于锁定状态。,捕捉过程锁相环路刚开始处于失锁状态由失锁锁定的 过程称为。跟踪过程当环路锁定后，由于某种原因引起i与o发生变 化时（只要变化不很大），环路通过自身的调节 作用，可使o跟踪i而变化，从而维持环路的锁 定。捕捉与跟踪是锁相环路的两种不同的自动调节过程。,锁相环路的性能主要取决于鉴相器、压控振荡器和环路 滤波器三个基本组成部分,8-3-2 PLL基本组成分析,设环路输入参考信号电压为 ui(t)=Uimsini t 压控振荡器的输出电压为 uo(t
4、)=Uomcosr t+o(t) 输入、输出信号间的瞬时相差为 e(t)rt+i(t)rt+o(t)= i(t)o(t),鉴相器将此相位差转换成相应的电压，然后再利用该电压去控制压控振荡器。,1. 鉴相器,鉴相器的电路很多。当采用模拟乘法器作鉴相器时，其输出为,uD(t)=KmUimUomsin2rt+i(t)+o(t)+KmUimUomsini(t)o(t) 讨论：1）第一项为高频分量，被环路滤波器所滤除。 2）第二项为鉴相器的输出电压 uD(t)= KmUimUomsini(t)o(t) 令： Kd=KmUimUom 鉴相灵敏度，表示鉴相器的最大输出 电压 又已知 e(t)i(t)o(t)
5、所以上式可化为 uD(t)= Kdsine(t),2. 环路滤波器 滤除鉴相器输出电压中的高频分量，起平滑滤波的作用， 提高环路的稳定性,环路滤波器分类1）简单RC积分滤波器； 2）无源RC比例积分滤波器； 3）有源比例积分滤波器，,3. 压控振荡器 是一种瞬时振荡角频率受控制电压uC(t)控制的振荡器， 也就是一种电压频率变换器。VCO特性曲线振荡角频率随控制电压uC(t)变化的曲线。一般 为非线性曲线， 压控振荡器的控制特性及其电 路模型如图所示。,锁相环路的相位模型如下图所示。它明确地表示了锁相环路的相位反馈调节关系,8-3-3 PLL相位模型,8-3-4 PLL的捕捉与跟踪过程,1.
6、捕捉过程 是锁相环路由起始的失锁状态进入锁定状态的过程。 捕捉带（P）能够由失锁进入锁定所允许的输入信号角频 率i偏离r的最大值|i|(最大固有角频 差) 捕捉时间（P）捕捉过程所需要的时间。 当未加ui(t)时，VCO上没有控制电压，振荡角频率为r。 当加入恒定i的输入时产生固有角频差i= i-r，同时形 成瞬时相差e(t) = =i t鉴相器输出误差电压 uD(t) = Kdsini t。 显然，uD(t)是频率为i的差拍电压。,(1) i较小：这时由于i在环路滤波器的通频带内，uD(t)的 基波分量能够顺利通过环路滤波器加到VCO 上，控制VCO的振荡频率向输入信号频率的方向 偏移，直到
7、o=i，环路进入锁定状态。(2) i较大：这时i超出环路滤波器的通频带，但仍在捕捉 频带内。这时uD(t)通过环路滤波器有较大衰减， 使控制电压uC(t)很小， o(t)不能立即变化到i。 经过多个差拍(i-o)周期，VCO振荡频率o(t)的 平均值逐步靠近i，最终o(t) =i，环路锁定。 频率牵引：通常将o(t)的平均值逐步靠近i的现象。它是 使捕捉时间变长的主要原因。(3) i很大：i远远大于环路滤波器的通频带和捕捉频带。 这时鉴相器输出的电压uD(t)不能通过环路滤波 器，滤波器的输出为零或保持不变，VCO的输出 频率也保持不变，环路处于失锁状态。,2. 跟踪过程 跟踪过程已锁定的环路
8、，若i（或o）发生变化时，则 VCO振荡角频率o跟踪i而变化，维持o=i 的锁定状态，这个过程就是跟踪过程。 跟踪带（H）维持环路锁定所允许的最大固有角频差 |i|称为锁相环路的同步带或跟踪带。 跟踪的基本原理与捕捉类似，跟踪范围也是有限的，它取决 于环路的控制频差。 捕捉带小于跟踪带因为在捕捉过程中，由于环路滤波器的 存在，当固有角频差|i|较大时，误 差电压uD(t)将受到较大衰减，此时环路 的控制能力较差。,8-3-5 PLL的基本特性,1. 锁定特性2. 跟踪特性3. 窄带滤波特性,特点成本降低，可靠性提高，使用方便，应用广泛。分类按电路组成分1）模拟锁相环路：本组成部件以模拟电 路为主 2）数字锁相环路：本组成部件以数字电 路为主 按按其用途分1）通用型：通常使用的皆属通用型 2）专用型：用于调频立体声解码电路及电 视机中的正交色差信号同步检 波环路等专用场合的锁相环路 属于专用型。,8-3-6 集成锁相环,8-3-7 锁相环的应用,具有许多独特优点，所以在通信、电视、广播、空间技 术等方面得到广泛的应用。1. 锁相鉴频电路,2. 调幅信号的同步检波,3. 锁相接收机,作业题： P192 1、4、5 预习：个人完成总复习,课后小结见黑板,
