通信電子電路 第八章 第1節(jié)

本章內(nèi)容8.1鎖相環(huán)路8.2集成鎖相環(huán)芯片8.3鎖相環(huán)路的應用返回總目錄本章重點與難點（一）本章重點

1．鎖相環(huán)的構成及工作原理；2．鎖相環(huán)路各組成部分的分析；鎖相環(huán)路的數(shù)學模型；3．環(huán)路的捕獲、鎖定和跟蹤、環(huán)路的同步帶和捕捉帶；4．CD4046CMOS單片鎖相環(huán)路邏輯圖和引出端功能圖以及使用說明；5．鎖相環(huán)路的特性以及應用。（二）本章難點

1．鎖相環(huán)的工作原理；2．鎖相環(huán)路的數(shù)學模型。1)PhaseLockedLoop(PLL)

鎖相環(huán)2)LowPassFilter(LF)低通濾波器3)VoltageControlledOscillator(VCO)壓控振蕩器4)PhaseDetecting(PD)鑒相器8.1鎖相環(huán)路(PLL)一、概述二、基本鎖相環(huán)的構成三、鎖相環(huán)路的基本工作原理四、環(huán)路的捕獲、鎖定和跟蹤五、環(huán)路的同步帶與捕捉帶六、鎖相環(huán)路各組成部分的分析七、鎖相環(huán)路的數(shù)學模型

在無線電技術中，為了改善電子設備的性能，廣泛采用各種的反饋控制電路。常用的有鎖相環(huán)路（PLL）即自動相位控制電路，自動增益（AGC）電路以及自動頻率控制（AFC）電路。8.1.、概述鎖相環(huán)路早期應用于電視機的同步系統(tǒng)，使電視圖像的同步性能得到了很大的改善。上世紀50年代后期，隨著空間科學的發(fā)展，鎖相環(huán)(PLL)在跟蹤和接收來自宇宙飛行器(人造衛(wèi)星、宇宙飛船)的微弱信號方面顯示出了很大的優(yōu)越性。普通的超外差接收機,頻帶做得相當寬、噪聲大,同時信噪比也大大降低。而在鎖相環(huán)接收機中，由于中頻信號可以鎖定，所以頻帶可以做得很窄（幾十赫茲以下），則帶寬可以下降很多。所以輸出信噪比也就大大提高了。只有采用鎖相環(huán)路（PLL）做成的窄帶鎖相跟蹤接收機才能把深埋在噪聲中的信號提取出來。

鎖相環(huán)是一個相位負反饋控制系統(tǒng)。它由鑒相器(PhaseDetector,縮寫為PD)、環(huán)路濾波器(LoopFilter,縮寫為LF)和電壓控制振蕩器(VoltageControlledOscillator,縮寫為VCO)三個基本部件組成。鎖相環(huán)路是一個相位負反饋控制系統(tǒng)。將參考相位與輸入相位進行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號的相位，以達到輸出信號頻率與輸入信號同頻率的目的8.1.1、基本鎖相環(huán)的構成基本的鎖相環(huán)路是由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成，如下圖所示。

鑒相器是相位比較器，用來比較輸入信號ui(t)與壓控振蕩器輸出信號uo(t)的相位，輸出電壓對應于這兩個信號相位差的函數(shù)。

環(huán)路濾波器是濾除ud(t)高頻分量及噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能。

壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓uc(t)的控制,使振蕩頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至兩者的頻率相同，使得VCO輸出信號的相位和輸入信號的相位保持某種特定的關系，達到相位鎖定的目的。8.1.2、鎖相環(huán)路的基本工作原理

設輸入信號和本振信號（壓控振輸出信號）分別是正弦和余弦信號，它們在鑒相器內(nèi)進行比較，鑒相器的輸出是一個與兩者的相位差成比例的的電壓，一般把它稱為誤差電壓。環(huán)路低通濾波器濾除鑒相器中的高頻分量，然后把輸出電壓加到VCO的輸入端，VCO送出的本振信號頻率隨著輸入電壓的變化而變化。如果二者頻率不一致，則鑒相器的輸出將產(chǎn)生低頻變化分量并通過低通濾波器使VCO的頻率發(fā)生變化。最后如果本振信號的頻率和輸入信號的頻率保持一致，兩者的相位差保持某一恒定值，則鑒相器的輸出將是一個恒定直流電壓，環(huán)路低通濾波器的輸出也是一個直流電壓，這時，環(huán)路處于“鎖定狀態(tài)”。鎖相環(huán)路的基本原理8.1.5、環(huán)路的捕獲、鎖定和跟蹤1.環(huán)路鎖定如果環(huán)路有一個輸入信號u(t)

，開始時輸入頻率總是不等于VCO的自由振蕩頻率，即ωi≠ωo

。如果ωi與ωo

相差不大，在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，鑒相器輸出一誤差電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器變換后控制VCO的頻率，使其輸出頻率變化接近到ωi，ωi=ωo，而且兩信號的相位差為常數(shù)。環(huán)路捕獲

從信號加入到環(huán)路鎖定，叫環(huán)路的捕獲過程。3.

環(huán)路跟蹤

環(huán)路鎖定以后，這時環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。一旦入鎖以后，壓控頻率就等于基準頻率，且fo隨fi而變化，這就稱為跟蹤。4.判斷環(huán)路是否鎖定的方法

1）在有雙蹤示波器的情況下

開始，環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，加大輸入信號頻率，用雙蹤示波器觀察壓控振蕩器的輸出信號和環(huán)路的輸入信號，當兩個信號由不同步變成同步，且fi=fo時，表示環(huán)路已經(jīng)進入鎖定狀態(tài)。

2）單蹤──普通示波器在沒有雙蹤示波器的情況下，在單蹤示波器上可以用李沙育圖形來判定環(huán)路是否處于鎖定狀態(tài)。把鑒相器的輸入信號ui(t)加到示波器的垂直偏轉板上，把uo(t)加到水平偏轉板（或者相反），并使兩信號幅度相等。如果環(huán)路已鎖定，且在理想情況下，即李沙育圖形應是一個圓。

李沙育圖形

設壓控振蕩器的自由振蕩頻率fo與輸入基準信號頻率fi

相差較遠

。隨著基準頻率fo向壓控振蕩頻率fo靠攏，達到某一頻率

，這時環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。一旦入鎖以后，壓控頻率就等于基準頻率，且fo隨fi而變化，這就稱為跟蹤。若再繼續(xù)增加fi

到

，fo不再隨fi之變化。但反之，若降低fi

，則當它回到

時，環(huán)路并不入鎖，只有當fi降低到一個更低的頻率f2

的時候，環(huán)路才重新入鎖。五、環(huán)路的同步帶與捕捉帶之間的范圍稱為環(huán)路的捕捉帶，而之間的范圍則稱為同步帶。環(huán)路捕獲、跟蹤與鎖定環(huán)路捕捉帶與同步帶8.1.3鎖相環(huán)個組成部分分析1.鑒相器

鑒相器（PD）又稱為相位比較器,它是用來比較兩個輸入信號之間的相位差。鑒相器輸出的誤差信號ud(t)是相差φi-

φ0的函數(shù)ud(t)=Udsin［φi(t)-φ0(t)］=Udsinφ(t)正弦鑒相器的鑒相特性Ud隨φi-

φ0作正弦規(guī)律變化稱正弦鑒相器ud(t)=Udsin［φi(t)-φ0(t)］=Udsinφ(t)φ(t)圖8-2正弦鑒相特性曲線由式（8-8）可得鑒相特性，如圖8-2所示。

圖8-2正弦鑒相特性曲線

鑒相器線性化的數(shù)學模型

當|φi(t)-φo(t)|≤π/6時，sin[φi(t)-φo(t)]≈φi(t)-φo(t),因此可以把式（8-8）寫成

ud(t)≈Kd[φi(t)-φo(t)]=Kdφ(t)

所以，當φ(t)≤π/6時，鑒相特性近似為直線，ud(t)與φ(t)

成正比。

式（8-11）表示時域的關系，若對它進行拉氏變換，便可得到頻域內(nèi)的鑒相特性，表示為

ud(s)=Kdφ(s)

(8-11)

時域中鑒相器數(shù)學模型如圖8-3所示。

頻率域中鑒相器數(shù)學模型如圖8-4所示。圖8-3鑒相器的線形化數(shù)學模型（時域）圖8-4鑒相器的線形化數(shù)學模型（頻域）2.環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器是線性電路，由線性元件電阻、電感和電容組成，有時還包括運算放大器在內(nèi)。它是低通濾波器。在鎖相環(huán)路中，常用的濾波器有以下三種。1)RC積分濾波器

一階RC低通濾波器，它的作用是將ud(t)

中高頻分量濾掉，得到控電壓uc。濾波器的傳遞函數(shù)為輸出電壓與輸入電壓之比，即

改為拉氏變換形式，用S

代替jω

得

(8-12)2)無源比例積分濾波器

其傳遞函數(shù)為(τ1=R1C,τ2=R2C)(8-13)（8-14）

3）有源比例積分濾波器在運算放大器的輸入電阻和開環(huán)增益趨于無窮大的條件下，其傳遞函數(shù)為3.壓控振蕩器

壓控振蕩器就是在振蕩電路中采用壓控元件作為頻率控制器件。壓控元件一般都是變?nèi)荻O管，它實際上就是一種電壓—頻率變換器。它在鎖相環(huán)路中起著電壓—相位變換的作用。壓控振蕩器的特性可用調(diào)頻特性來表示，如圖8-6（a）所示。在一定范圍內(nèi)，與uc(t)是成線性關系的，可用下式表示，即(8-15)式中ω0

—壓控振蕩器的中心頻率Kω

是一個常數(shù),其量綱為1/S·V或Hz/V它表示單位控制電壓所引起的振蕩角頻率變化的大小。

但在鎖相環(huán)路中，我們需要的是它的相位變化，由(8-15)可求出瞬時相位為：（8-16）

所以由控制電壓引起的相位變化，即壓控振蕩器的輸出信號為由此可見，壓控振蕩器在環(huán)路中起了一次理想積分器的作用，因此壓控振蕩器是一個固有積分環(huán)節(jié)。

（8-17）

因此，VCO的數(shù)學模型可用圖8-6（b）表示。圖8-6壓控振蕩器若將式（8-17）改為拉氏變換形式，則VCO的傳輸函數(shù)為七、鎖相環(huán)路的數(shù)學模型將上面得到的鑒相器，濾波器與壓控振蕩器的數(shù)學模型代換到圖8-1中，可得出PLL的數(shù)學模型。圖8-7鎖相環(huán)路的數(shù)學模型根據(jù)此圖，即可得出鎖相環(huán)路的基本方程式為：相角