非線性電子線路第六章鎖相環(huán)謝嘉奎東南大學(xué)

第6章反饋控制電路6.1

反饋控制電路概述

6.2

鎖相環(huán)路性能分析

6.3

集成鎖相環(huán)及其應(yīng)用

第6章反饋控制電路6.1

反饋控制電路概述6.1.1自動(dòng)電平控制電路

6.1.2自動(dòng)頻率控制電路6.1.3自動(dòng)相位控制電路(鎖相環(huán)路)

為了提高通信系統(tǒng)和電子設(shè)備的性能指標(biāo)或?qū)崿F(xiàn)某些特定要求，必須采用各種反饋控制電路。反饋控制電路的預(yù)定關(guān)系：xo=g(xi)反饋控制器：比較xo、xi

產(chǎn)生誤差量xe。對(duì)象：根據(jù)

xe

對(duì)

xo

調(diào)解，穩(wěn)定時(shí)接近預(yù)定關(guān)系。

反饋控制電路是一種有誤差的控制電路。根據(jù)控制對(duì)象參數(shù)不同反饋控制電路分為以下三類：自動(dòng)電平控制電路自動(dòng)頻率控制電路自動(dòng)相位控制電路自動(dòng)相位控制電路(鎖相環(huán)路)與自動(dòng)頻率控制電路一樣，鎖相環(huán)路

(PLL)也是一種實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤的自動(dòng)控制電路，而且跟蹤是無(wú)誤差的，即

VCO輸出信號(hào)頻率恒等于輸入信號(hào)頻率。

一、組成框圖

二、控制過(guò)程

o

(o>i)

[o(t)-i(t)]

調(diào)整

VCO

o=i

環(huán)路鎖定，保持固有相差

o。

圖6–1–3用旋轉(zhuǎn)矢量說(shuō)明鎖相環(huán)路的控制過(guò)程(a)失鎖(

0>

i)(b)鎖定(

0=

i)第6章反饋控制電路6.2鎖相環(huán)路性能分析6.2.1基本環(huán)路方程

6.2.2捕捉過(guò)程的定性討論6.2.3跟蹤特性

分析環(huán)路鎖定的動(dòng)態(tài)過(guò)程及其性能特點(diǎn)。6.2.1基本環(huán)路方程(a)圖6–2–1鑒相器的電路模型一、鑒相器

作用：比較兩個(gè)輸入電壓之間的相位差，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓

vd(t)。

設(shè)

r

為參考角頻率。

r

—VCO未加控制電壓時(shí)的固有振蕩角頻率。(a)圖6–2–1鑒相器的電路模型

即vo(t)=Vom

cos[rt+o(t)+]

一般取(a)圖6–2–1鑒相器的電路模型

即

vo(t)=Vom

sin[rt+o(t)]

鑒相器輸出的平均電壓

vd(t)=Adsine(t)

Ad

—

鑒相器最大輸出電壓e(t)=i(t)-

o(t)

電路模型(b)圖6–2–1鑒相器的電路模型二、壓控振蕩器(VCO)

壓控振蕩器是振蕩頻率隨控制電壓變化的振蕩器，是環(huán)路中固有的積分環(huán)節(jié)。

特性曲線(a)圖6–2–2

VCO的電路模型

在有限的控制電壓范圍內(nèi)，用線性方程近似表示

o-r=Aovc(t)

Ao

—

壓控靈敏度，vc

=0處的斜率，單位

rad/s

V

(a)圖6–2–2

VCO的電路模型o-r=Aovc(t)

根據(jù)可得

或

用微分算子

p=d/dt

表示

電路模型

三、環(huán)路低通濾波器

作用：濾除鑒相器輸出電流中的無(wú)用組合分量及其干擾分量，以達(dá)到環(huán)路要求的性能，并保證環(huán)路的穩(wěn)定性。

1．簡(jiǎn)單

RC濾波器

圖6–2–3環(huán)路低通濾波器(a)簡(jiǎn)單

RC濾波器

傳遞函數(shù)式中，

=RC。

2．無(wú)源比例積分濾波器

圖6–2–3環(huán)路低通濾波器(b)無(wú)源比例積分濾波器

傳遞函數(shù)

式中，1=R1C，2=R2C

。

3．有源比例積分濾波器

圖6–2–3環(huán)路低通濾波器(c)無(wú)源比例積分濾波器

傳遞函數(shù)

集成運(yùn)放滿足理想化條件時(shí)式中，1=R1C

，2=R2C

以微分算子

p替換

s，得微分方程

vc(t)=AF(p)vd(t)

電路模型四、基本環(huán)路方程基本回路方程或pe(t)+AdAoAF(p)sine(t)=pi(t)

瞬時(shí)角頻差

e(t)

控制角頻差

o(t)固有角頻差

i(t)

根據(jù)回路方程，回路閉合后的任何時(shí)刻e(t)+o(t)=i(t)

若輸入固有角頻差

i(t)=i

環(huán)路鎖定時(shí)即

i=o，e(t)為固定值，以

e

表示，稱為穩(wěn)態(tài)相位誤差。據(jù)回路方程有AdAoAF(0)sine=i

式中，

AF(0)

為低通濾波器的直流增益。所以

式中，A0=AdAoAF(0)為環(huán)路直流總增益。

i>A0，無(wú)解，環(huán)路失鎖。環(huán)路能鎖定的最大輸入固有頻差

I，稱為同步帶以

L表示L=A0

在

VCO的最大頻率控制范圍內(nèi)，若增大同步帶，必須提高直流總增益。6.2.2

捕捉過(guò)程的定性討論

捕捉過(guò)程就是環(huán)路從失鎖狀態(tài)進(jìn)入鎖定狀態(tài)的過(guò)程。

無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，VCO振蕩角頻率為

r。

加入輸入信號(hào)，固有角頻差

i=i

-

r。

瞬時(shí)相差，

鑒相器輸出電壓，vd(t)=Adsin

it

如果

I

很大，vd(t)被低通濾波器衰減，環(huán)路失鎖。

如果

I

很小，vd(t)通過(guò)低通濾波器，環(huán)路鎖定。

若

I

處于兩者之間，分兩種情況討論。

1．I

較大，超過(guò)環(huán)路濾波器的通頻帶

vd(t)雖然受到較大衰減，但仍可以使VCO振蕩頻率擺到

i，環(huán)路很快鎖定。稱為快捕過(guò)程。

快捕帶：能夠鎖定的最大

|i|，以

c

表示c

AdAoAF(c)

2．I

比第一種情況大

vd(t)

受到很大衰減，不能使

VCO振蕩頻率擺到

I。捕捉過(guò)程如下：

o>r

，i

-

o

減小，e(t)隨時(shí)間增長(zhǎng)變慢。

o<r，i

-

o增大，e(t)隨時(shí)間增長(zhǎng)變快。

vd(t)變?yōu)椴粚?duì)稱波形，經(jīng)低通濾波器輸出直流電壓

VD，使

o的平均值由

r

上升為

r(av)，r上升，e(t)隨時(shí)間增長(zhǎng)變的更慢，不對(duì)稱加大，VD上升，o進(jìn)一步靠近

r，當(dāng)

o擺動(dòng)到

I，并符合正確的相位關(guān)系，環(huán)路鎖定。

o

的平均值逐漸靠近

I

的過(guò)程稱為頻率牽引。

Ad和

Ao

的數(shù)值越大，捕捉帶越大，環(huán)路濾波器通頻帶越寬，捕捉帶越大。6.2.3跟蹤特性

環(huán)路在鎖定狀態(tài)下，由于某種原因使環(huán)路偏離鎖定，通過(guò)自身調(diào)節(jié)重新維持鎖定的過(guò)程稱為跟蹤過(guò)程。

跟蹤過(guò)程中

e很小，環(huán)路近似為線性系統(tǒng)。

vd(t)=Adsine(t)