笫7章鎖相環(huán)路2

1、 一、鎖相環(huán)路的基本概念一、鎖相環(huán)路的基本概念u反饋控制電路反饋控制電路二、二、PLL的線性分析的線性分析uPLL的穩(wěn)定性（的穩(wěn)定性（*）三、三、PLL的非線性分析的非線性分析集成鎖相環(huán)介紹集成鎖相環(huán)介紹PLL電路實例與應用舉例電路實例與應用舉例uPLL的噪聲特性（的噪聲特性（*）u PLL的跟蹤特性：用于分析的典型信號的跟蹤特性：用于分析的典型信號 輸入信號輸入信號 的頻率或相位發(fā)生某種變化：的頻率或相位發(fā)生某種變化：)(tvi 輸入相位階躍輸入相位階躍（如（如PSK）000)(tttissi)( 輸入頻率階躍（如：開機、輸入頻率階躍（如：開機、FSK）000)(ttti000)(tttti

2、2)(ssi PLL的跟蹤特性：的跟蹤特性：求瞬態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)相差的方法求瞬態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)相差的方法如何求解穩(wěn)態(tài)相差如何求解穩(wěn)態(tài)相差 ？)(e)(sTe)(Se)(e)()()(lim)(lim)(lim00sssTsstiesste由由 求求 利用拉氏終值定理求利用拉氏終值定理求 。環(huán)路跟蹤是一個瞬變過程，如何求解環(huán)路跟蹤是一個瞬變過程，如何求解瞬態(tài)響應瞬態(tài)響應？)(sTe)(Se由由 求求 利用反拉氏變換求利用反拉氏變換求)(te)()()(ttteio1 . 輸入相位階躍：輸入相位階躍： （1）一階）一階PLL 1)(sHtKepet)(ttt000)(te)(ti)(to01lim)(li

3、m)(00sKssPsesepipeKssKsss)()(PLL的跟蹤特性（續(xù)）：的跟蹤特性（續(xù)）：（1）一階）一階PLL （） 0)(e 討論：討論：一階環(huán)控制電壓的變化是立即加至壓控振蕩器上的一階環(huán)控制電壓的變化是立即加至壓控振蕩器上的.為什么為什么VCO的相位要經(jīng)過一段時間才能跟蹤上輸入相位的變化呢？的相位要經(jīng)過一段時間才能跟蹤上輸入相位的變化呢？根本原因是控制電壓改變的是壓控振蕩器的頻率，但需要跟蹤根本原因是控制電壓改變的是壓控振蕩器的頻率，但需要跟蹤的是輸入信號相位的跳變，而的是輸入信號相位的跳變，而VCO相位的變化是頻率的積分，相位的變化是頻率的積分，所以它需要一定的時間。所以它需

4、要一定的時間。穩(wěn)態(tài)相差為穩(wěn)態(tài)相差為0，跟蹤狀態(tài)能否維持？，跟蹤狀態(tài)能否維持？對于相位階躍，由于對于相位階躍，由于VCO為理想積分環(huán)節(jié)，在瞬變過程中誤為理想積分環(huán)節(jié)，在瞬變過程中誤差電壓不等于差電壓不等于0 ，VCO的相位已得到調(diào)整，最終并不再要求的相位已得到調(diào)整，最終并不再要求VCO頻率調(diào)整，允許控制電壓等于頻率調(diào)整，允許控制電壓等于0。 對于相位階躍信號一階環(huán)的穩(wěn)態(tài)相差對于相位階躍信號一階環(huán)的穩(wěn)態(tài)相差 1 . 輸入相位階躍：輸入相位階躍： （2）二階）二階PLL理想積分濾波器理想積分濾波器2222)()()(nnieessssssT222)(nnessss1)1sinh11(cosh1)1

5、(1)1sin11(cos)(222222tnntntnnennnettetetttPLL的跟蹤特性（續(xù)）的跟蹤特性（續(xù)）（2）二階）二階PLL0121lim)(lim)(2200ssssnnsese 穩(wěn)態(tài)相差穩(wěn)態(tài)相差 。0)(en707.0 討論：討論：輸出信號能完全跟蹤輸入相位的變化，但跟蹤過程將隨輸出信號能完全跟蹤輸入相位的變化，但跟蹤過程將隨 和和 的不同而不同的不同而不同。 考慮跟蹤過程短和過沖量小，取考慮跟蹤過程短和過沖量小，取 。 環(huán)路跟蹤過程結束后，即進入穩(wěn)定狀態(tài)，環(huán)路跟蹤過程結束后，即進入穩(wěn)定狀態(tài)，2 . 輸入頻率階躍：輸入頻率階躍： （1）一階）一階PLL )1 ()(tK

6、PepeKtPPseseKKsss00lim)(lim)(tt00)(tetti)(PK)()()(pipeKsssKsssT2)(ssi（1）一階）一階PLL （）)(ePdddepdpKKKKtvtvtvtvK)()()()()( 討論：討論： PLL重新鎖定時，壓控振蕩器能夠跟蹤輸入頻率的變化，重新鎖定時，壓控振蕩器能夠跟蹤輸入頻率的變化，即壓控振蕩器的振蕩頻率也變化即壓控振蕩器的振蕩頻率也變化 。但有穩(wěn)態(tài)相差。但有穩(wěn)態(tài)相差。 壓控振蕩器的振蕩頻率要變化壓控振蕩器的振蕩頻率要變化 ，則需要加相應的控則需要加相應的控制電壓，而控制電壓來自于穩(wěn)態(tài)相差制電壓，而控制電壓來自于穩(wěn)態(tài)相差 。上述意

7、思可表示為：上述意思可表示為：穩(wěn)態(tài)相差。穩(wěn)態(tài)相差。（2）輸入頻率階躍：二階）輸入頻率階躍：二階PLL(理想積分濾波器理想積分濾波器)2222)(nnessssT222)(nnesss1)1sinh11(1)(1)1sin11()(2222tnntnntnnennnetetett（2）二階）二階PLL：理想積分濾波器（理想積分濾波器（） 02lim)(lim)(2200nnsesesssss0)(e 討論：討論： 輸出信號能完全跟蹤輸入頻率的變化。輸出信號能完全跟蹤輸入頻率的變化。 穩(wěn)態(tài)相差穩(wěn)態(tài)相差 。能否穩(wěn)態(tài)跟蹤？能否穩(wěn)態(tài)跟蹤？能。由于理想積分濾波器的存在，暫態(tài)過程中誤差電壓對環(huán)能。由于理想積

8、分濾波器的存在，暫態(tài)過程中誤差電壓對環(huán)路濾波器充電積累起來控制電壓，維持了環(huán)路的穩(wěn)態(tài)跟蹤。路濾波器充電積累起來控制電壓，維持了環(huán)路的穩(wěn)態(tài)跟蹤。 對于不是理想積分濾波器的二階對于不是理想積分濾波器的二階PLL，例如：例如： RC積分濾波積分濾波器和無源比例積分濾波器，穩(wěn)態(tài)相差器和無源比例積分濾波器，穩(wěn)態(tài)相差 。PeK)(u不同濾波器不同濾波器PLL的跟蹤性能的跟蹤性能u PLL的頻率特性正弦穩(wěn)態(tài)響應的頻率特性正弦穩(wěn)態(tài)響應)sin(sin)(iimiimittVtvim1 .頻率特性的含義：環(huán)路對輸入正弦變化相位信號的跟蹤特性頻率特性的含義：環(huán)路對輸入正弦變化相位信號的跟蹤特性 當輸入信號的相位按

9、正弦規(guī)律變化時，當輸入信號的相位按正弦規(guī)律變化時，PLL的輸出信號相的輸出信號相位，即壓控振蕩器振蕩信號的相位，也將按正弦規(guī)律變化。位，即壓控振蕩器振蕩信號的相位，也將按正弦規(guī)律變化。 但但相位變化的幅度和初始相位將隨頻率的不同而不同相位變化的幅度和初始相位將隨頻率的不同而不同，稱，稱這種性質為環(huán)路的頻率特性或頻率響應。這種性質為環(huán)路的頻率特性或頻率響應。n 環(huán)路的頻率響應是決定環(huán)路的頻率響應是決定PLL對信號和噪聲過濾性能好壞的對信號和噪聲過濾性能好壞的重要特性。重要特性。i)sin(cos)(oomiomottVtv2 .頻率特性的求法頻率特性的求法 利用閉環(huán)傳遞函數(shù)利用閉環(huán)傳遞函數(shù))()

10、()(sssTio PLL的頻率特性可以用的頻率特性可以用 ( ) 代替閉環(huán)傳遞函數(shù)代替閉環(huán)傳遞函數(shù)中的中的 s 求得。求得。jj3、一階環(huán)：、一階環(huán)：ppKsKsT)(PppKjKjKjT11)(一階一階PLL的頻率特性的頻率特性)( jTimom211)( PKjT)()(1PKtgj返回返回)( jio2PK3 .一階一階PLL的頻率特性（的頻率特性（） 討論：討論： 一階環(huán)路對于相位信號的傳輸相當于一個一階環(huán)路對于相位信號的傳輸相當于一個 RC 低通濾波器，低通濾波器，這里的 1/ 相當于相當于RC。因此，改變因此，改變 就可以改變低通濾就可以改變低通濾波器的特性。波器的特性。pKpK

11、 環(huán)路環(huán)路 3dB 帶寬是帶寬是 （相當于（相當于 1/ RC ） 。pK 一階環(huán)路的特性只有一個參數(shù)一階環(huán)路的特性只有一個參數(shù) 可調(diào)?？烧{(diào)。pK關于關于 ：若：若PLL在閉環(huán)時，輸入相位除了按正弦在閉環(huán)時，輸入相位除了按正弦變化外，還存在起始頻差，則環(huán)路鎖定后，除有頻響引變化外，還存在起始頻差，則環(huán)路鎖定后，除有頻響引起的輸出相位偏移外還有穩(wěn)態(tài)相差。起的輸出相位偏移外還有穩(wěn)態(tài)相差。211)( PKjTPdBK3上圖上圖)(evttVtvimi36102sin5 . 010005. 2sin)()/1 (104skpvtVtvomo)102cos()(6eoomiomottVtv)102sin

12、(cos)(35 . 0)2 . 0102sin(98. 05 . 010005. 2cos)()(5 . 02 . 0)(98. 05 . 05 . 0)(3622ttVtvradkkarctgkkjTomopepioppimom4 . 二階二階PLL（理想積分濾波器）的頻率特性（理想積分濾波器）的頻率特性對于一階對于一階PLL，只有一個參數(shù)只有一個參數(shù) 可調(diào)?？烧{(diào)。pK 二階環(huán)路，其頻率特性主要取決于兩個參數(shù)，二階環(huán)路，其頻率特性主要取決于兩個參數(shù)， 和和 。n22222)()()(nnnniossssssTnppnKK212122121,/)(2)(1 )(21)(2)()(2)(222

13、2nnnnnnnjjjjjjT4 . 二階二階PLL（理想積分濾波器）頻率特性（理想積分濾波器）頻率特性（）)(2)(1 )(21)(2)()(2)(2222nnnnnnnjjjjjjT212222)2()(1 )2(1)(nnnTTjT2)(122)(nnnarctgarctgj4 .二階二階PLL（理想積分濾波器）頻率特性（理想積分濾波器）頻率特性（）)/(ndBjT)( 3 . 05 . 0707. 00 . 50 . 30 . 1 具有理想積分濾波器的二階環(huán)路的幅頻特性具有理想積分濾波器的二階環(huán)路的幅頻特性2返回返回4 .二階二階PLL（理想積分濾波器）頻率特性（理想積分濾波器）頻率特

14、性 （） 討論：討論： 具有理想積分濾波器的二階環(huán)路的幅頻特性，縱坐標是對數(shù)具有理想積分濾波器的二階環(huán)路的幅頻特性，縱坐標是對數(shù)刻度刻度(db)，橫橫坐標是歸一化頻率坐標是歸一化頻率 。)/(n 二階環(huán)路對于相位信號的傳輸相當于一個二階環(huán)路對于相位信號的傳輸相當于一個 低通濾波器低通濾波器。 對于二階環(huán)路，其頻率特性主要取決于兩個參數(shù)，對于二階環(huán)路，其頻率特性主要取決于兩個參數(shù)， 和和 。n 環(huán)路的自然角頻率環(huán)路的自然角頻率 ，它決定低通特性的頻帶寬度。，它決定低通特性的頻帶寬度。阻尼系數(shù)阻尼系數(shù) ，它主要決定低通特性的形狀。，它主要決定低通特性的形狀。n 增大或減小增大或減小 只是把低通特性

15、按比例拉寬或縮窄。只是把低通特性按比例拉寬或縮窄。n 越小，低通特性的峰起越嚴重，截止速度越快。通常，越小，低通特性的峰起越嚴重，截止速度越快。通常， = 1稱為臨界阻尼，稱為臨界阻尼， 1稱為過阻尼稱為過阻尼。 在在 處，所有幅頻特性曲線相交，且過零點處，所有幅頻特性曲線相交，且過零點。2/n 窄帶跟蹤環(huán)，一般取窄帶跟蹤環(huán)，一般取 。寬帶跟蹤環(huán)，一般取寬帶跟蹤環(huán)，一般取 。707. 01上圖上圖PdBK3n路路 3dB 帶寬是帶寬是路路其頻率特性主要取決于兩個參數(shù)，其頻率特性主要取決于兩個參數(shù)，和和 鎖相環(huán)對于輸入正弦相位來說，具有低通濾波特性，鎖相環(huán)對于輸入正弦相位來說，具有低通濾波特性，

16、若若i(t)中含有多個不同頻率的按正弦變化的相位之和，而且中含有多個不同頻率的按正弦變化的相位之和，而且相位相位正弦變化的最低頻率為正弦變化的最低頻率為 1 1n如果如果 1 1則此時輸入信號為調(diào)角波，輸則此時輸入信號為調(diào)角波，輸出信號也是調(diào)角波出信號也是調(diào)角波調(diào)制跟蹤狀態(tài)。調(diào)制跟蹤狀態(tài)。n如果如果 1 1 ，此時輸入信號雖然為調(diào)角波，此時輸入信號雖然為調(diào)角波，但輸出信號卻是載波信號但輸出信號卻是載波信號載波跟蹤狀態(tài)。載波跟蹤狀態(tài)。n 只要控制鎖相只要控制鎖相就就可決定可決定VCOVCO輸出信號是跟蹤輸入信號的角度調(diào)制變化，輸出信號是跟蹤輸入信號的角度調(diào)制變化，還是只跟蹤輸入信號的載波頻率漂移。還是只跟蹤輸入信號的載波頻率漂移。l鎖相環(huán)是相位負反饋系統(tǒng)，其優(yōu)良特性應用的前提是鎖鎖相環(huán)是相位負反饋系統(tǒng)，其優(yōu)良特性應用的前提是鎖相環(huán)是穩(wěn)定的。相環(huán)是穩(wěn)定的。l鎖相環(huán)是閉環(huán)系統(tǒng)，與振蕩器一樣，當它處于鎖定的平鎖相環(huán)是閉環(huán)系統(tǒng)，與振蕩器一樣，當它處于鎖定的平衡狀態(tài)時，在干擾、噪聲等作用下，環(huán)路若有能力保持衡狀態(tài)時，在干擾、噪聲等作用下，環(huán)路若有能力保持它的平衡狀態(tài)，則環(huán)路是穩(wěn)定的，否則是不穩(wěn)定。它的平衡狀態(tài)，則環(huán)路是穩(wěn)定的，否則是不穩(wěn)定。l鎖相環(huán)是一個非線性系統(tǒng)，其穩(wěn)定性不僅和系統(tǒng)參數(shù)