第6章 锁相环路的应用

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1、第6章 锁相环路的应用,第1节 跟踪滤波器 第2节 调制器与解调器 第3节 频率合成 第4节 载波同步 第5节 位同步 第6节 FM立体声解码 第7节 彩色副载波同步 第8节 电动机转速控制 第9节 锁相接收机 第10节 其它应用,第6章 锁相环路的应用,前面各章详细地阐述了锁相环路的工作原理、跟踪性 能、噪声性能和捕获性能，给出了锁相环路的各种集成电路。锁相环路的优良性能有如下三个方面：,第6章 锁相环路的应用,前面各章详细地阐述了锁相环路的工作原理、跟踪性 能、噪声性能和捕获性能，给出了锁相环路的各种集成电路。锁相环路的优良性能有如下三个方面： （1）载波跟踪特性 （2）调制跟踪特性 （3

2、）低门限特性,第6章 锁相环路的应用,前面各章详细地阐述了锁相环路的工作原理、跟踪性 能、噪声性能和捕获性能，给出了锁相环路的各种集成电路。锁相环路的优良性能有如下三个方面： （1）载波跟踪特性 （2）调制跟踪特性 （3）低门限特性 环路的这些优良特性在各种应用中发挥了独特的效益。 本章介绍一些典型应用。,第1节 跟踪滤波器,第1节 跟踪滤波器,跟踪滤波器是一个带通滤波器，其中心频率能自动地跟踪输入信号载波频率的变化。,第1节 跟踪滤波器,跟踪滤波器是一个带通滤波器，其中心频率能自动地跟踪输入信号载波频率的变化。 由锁相环路工作原理知道，锁相环路本身就具有这样的性能，只是其输出信号的相位可能与

3、输入信号相位差90(取决于所用鉴相器的类型)而已。,第1节 跟踪滤波器,跟踪滤波器是一个带通滤波器，其中心频率能自动地跟踪输入信号载波频率的变化。 由锁相环路工作原理知道，锁相环路本身就具有这样的性能，只是其输出信号的相位可能与输入信号相位差90(取决于所用鉴相器的类型)而已。 锁相环路作为跟踪滤波器时应从压控振荡器输出uo(t)，在窄带设计条件下它是经过提纯的输入信号载波，可用于信号的相干解调等。,当输入信号暂时消失时，环路滤波器输出的控制电压不会立即消失，VCO能在一个短时间内维持振荡频率不变，因而锁相环还能跟踪衰落信号。,当输入信号暂时消失时，环路滤波器输出的控制电压不会立即消失，VCO

4、能在一个短时间内维持振荡频率不变，因而锁相环还能跟踪衰落信号。 图6-1(b)为输入衰落信号情况下，锁相环路的输入与输出信号的波形。,当输入信号暂时消失时，环路滤波器输出的控制电压不会立即消失，VCO能在一个短时间内维持振荡频率不变，因而锁相环还能跟踪衰落信号。 图6-1(b)为输入衰落信号情况下，锁相环路的输入与输出信号的波形。,有时要以环路滤波器的输出电压uc(t) 作为输出。由于uc(t)是压控振荡器的控制电压,它的瞬时值反映了压控振荡器的瞬时频率。,有时要以环路滤波器的输出电压uc(t) 作为输出。由于uc(t)是压控振荡器的控制电压,它的瞬时值反映了压控振荡器的瞬时频率。 若输入ui

5、(t)是调频信号， uo(t)也是调频信号，那么uc(t)就是输入调频信号的解调输出。,有时要以环路滤波器的输出电压uc(t) 作为输出。uc(t)是压控振荡器的控制电压,它的瞬时值反映了压控振荡器的瞬时频率。若输入ui(t)是调频信号， uo(t)也是调频信号，那么uc(t)就是输入调频信号的解调输出。 根据压控振荡器的特性，它的瞬时振荡频率,有时要以环路滤波器的输出电压uc(t) 作为输出。uc(t)是压控振荡器的控制电压,它的瞬时值反映了压控振荡器的瞬时频率。若输入ui(t)是调频信号， uo(t)也是调频信号，那么uc(t)就是输入调频信号的解调输出。 根据压控振荡器的特性，它的瞬时振

6、荡频率,当环路锁定时，v(t)=i(t)，因而,有时要以环路滤波器的输出电压uc(t) 作为输出。uc(t)是压控振荡器的控制电压,它的瞬时值反映了压控振荡器的瞬时频率。若输入ui(t)是调频信号， uo(t)也是调频信号，那么uc(t)就是输入调频信号的解调输出。 根据压控振荡器的特性，它的瞬时振荡频率,当环路锁定时，v(t)=i(t)，因而,(t) 为调频信号的瞬时频偏，uc(t)就是输入 调频信号的解调输出。,一、跟踪特性,一、跟踪特性 锁相环路的跟踪特性是可以测量的。以CMOS集成锁相环路5G4046构成的跟踪滤波器如图6-2(a)。,图 6-2 锁相环路跟踪特性的测量,一、跟踪特性

7、锁相环路的跟踪特性是可以测量的。以CMOS集成锁相环路5G4046构成的跟踪滤波器如图6-2(a)。 在电源电压为10V，中心频率fo=100kHz的情况下，用XY记录仪直接测得的结果如图6-2(b)。,图 6-2 锁相环路跟踪特性的测量,失锁点 捕获点 捕获点 失锁点,失锁点 捕获点 捕获点 失锁点,当输入频率上升时得到图中虚线，在fi=f2=72.5kHz处环路 捕获锁定，在fi=f4=161.5kHz时超过同步带，环路失锁。,失锁点 捕获点 捕获点 失锁点,当输入频率下降时得到图中实线，在fi=f3=120.8kHz处环路捕获，在fi=f1=41kHz处失锁。,当输入频率上升时得到图中虚

8、线，在fi=f2=72.5kHz处环路捕获锁定，在fi=f4=161.5kHz时超过同步带，环路失锁。 当输入频率下降时得到图中实线，在fi=f3=120.8kHz处环路捕获，在fi=f1=41kHz处失锁。 由此可算得环路的同步带,当输入频率上升时得到图中虚线，在fi=f2=72.5kHz处环路捕获锁定，在fi=f4=161.5kHz时超过同步带，环路失锁。 当输入频率下降时得到图中实线，在fi=f3=120.8kHz处环路捕获，在fi=f1=41kHz处失锁。 由此可算得环路的同步带,捕获带,二、频率特性,二、频率特性 锁相环路对输入高频信号的带通特性是由环路传递函数的低通特性所决定的。设

9、输入信号被正弦音频信号调频，则输入瞬时频率为,(6-1),二、频率特性 锁相环路对输入高频信号的带通特性是由环路传递函数的低通特性所决定的。设输入信号被正弦音频信号调频，则输入瞬时频率为 式中c是载频；为调制音频；为峰值频偏。,(6-1),二、频率特性 锁相环路对输入高频信号的带通特性是由环路传递函数的低通特性所决定的。设输入信号被正弦音频信号调频，则输入瞬时频率为 式中c是载频；为调制音频；为峰值频偏。 根据第一章的定义，输入相位为,(6-1),(6-2),只要环路工作在线性范围，环路滤波器的输出uc(t)也是频率为的正弦波，它的幅度为,(6-3),只要环路工作在线性范围，环路滤波器的输出u

10、c(t)也是频率为的正弦波，它的幅度为 式中H(j)是环路的闭环频率响应, 1(j)是正弦相位信号1(t)的幅度。,(6-3),只要环路工作在线性范围，环路滤波器的输出uc(t)也是频率为的正弦波，它的幅度为 式中H(j)是环路的闭环频率响应, 1(j)是正弦相位信号1(t)的幅度。 根据(6-2)式,(6-3),(6-4),(6-5),只要环路工作在线性范围，环路滤波器的输出uc(t)也是频率为的正弦波，它的幅度为 式中H(j)是环路的闭环频率响应, 1(j)是正弦相位信号1(t)的幅度。 根据(6-2)式,(6-3),将(6-4)式代入(6-3)式得到,(6-4),(6-5),可见振幅正比

11、于闭环频率响应的模，由此作出闭环振幅频率响应：,图 6-3 跟踪滤波器的频率特性,可见振幅正比于闭环频率响应的模，由此作出闭环振幅频率响应：,上图中是调制频率，实际上它是叠加在载波c上的。,图 6-3 跟踪滤波器的频率特性,若改用i作图,则得到下图所示的带通特性。 它的通频带等于H(j )带宽的3倍。,从理论上说，带通滤波器的跟踪范围可达同步范围 H, 实际上，带通滤波器的跟踪范围取环路快捕带的2倍，即 H。,若改用i作图,则得到下图所示的带通特性。 它的通频带等于H(j )带宽的3倍。,第2节 调制器与解调器,第2节 调制器与解调器,一、调幅信号的调制与解调,第2节 调制器与解调器,一、调幅

12、信号的调制与解调 1. 调幅信号 设未调载波为,式中Uc为载波幅度；c为载频。调制信号为,(6-6),(6-7),C,第2节 调制器与解调器,一、调幅信号的调制与解调 1. 调幅信号 设未调载波为,式中Uc为载波幅度；c为载频。调制信号为,(6-6),(6-7),经调幅后产生的调幅信号为,(6-8),载波,下边带,上边带,C,2 调制器 用集成锁相环路很容易构成一个性能良好的AM调制器。这时，环中的相乘器不再作鉴相器应用，而是直接用它的相乘功能；压控振荡器也不再作被控振荡器，而是直接产生载波信号。,2 调制器 用集成锁相环路很容易构成一个性能良好的AM调制器。这时，环中的相乘器不再作鉴相器应用

13、，而是直接用它的相乘功能；压控振荡器也不再作被控振荡器，而是直接产生载波信号。 由此构成如图6-4框图。,图 6-4 AM调制器原理图,2 调制器,如果调制信号中包含直流信号，则相乘输出的已调信号含有载波，成为AM信号；如果调制信号中没有直流信号，则相乘输出的已调信号不含有载波，成为抑制载波的DSB-AM信号。,2 调制器,如果调制信号中包含直流信号，则相乘输出的已调信号含有载波， 成为AM信号；如果调制信号中没有直流信号，则相乘输出的已调信号不含有载波，成为抑制载波的DSB-AM信号。 大多数集成锁相环中压控振荡器产生的是方波，不大适合通信的要求。应选择能产生正弦波的集成电路，XR-2206

14、即为适合的电路。,3 解调器 常用的AM信号解调器是峰值检波器。这种电路无法抑制信号所伴随的噪声，解调输出信噪比较差。若用同步解调则可抑制噪声，使解调输出信噪比得到改善。,3 解调器 常用的AM信号解调器是峰值检波器。这种电路无法抑制信号所伴随的噪声，解调输出信噪比较差。若用同步解调则可抑制噪声，使解调输出信噪比得到改善。 图6-6（a)是一个同步解调的原理图。输入为AM信号，开关由同步载波控制，只有与载波信号同相的输入信号，才能在电容器是产生输出信号，这样就抑制了噪声。,图 6-6 AM信号同步解调的原理图,同步解调的原理图,频谱图,图 6-6 AM信号同步解调的原理图,同步解调的原理图,频

15、谱图,只有与载波 信号同相的 输入信号才 能在电容器 上产生输出 信号！,设带有载波的DSBAM信号为,(6-9),同步的恢复载波为,(6-10),设带有载波的DSBAM信号为,(6-9),同步的恢复载波为 这两个信号相乘即可实现同步解调。,(6-10),设带有载波的DSBAM信号为,同步的恢复载波为 这两个信号相乘即可实现同步解调,(6-10),(6-11),直流 解调输出,谐波,设带有载波的DSBAM信号为,窄带锁相环路具有提取同步载波的功能，因而用 集成锁相环很容易构成AM信号的同步解调器。,窄带锁相环路具有提取同步载波的功能，因而用 集成锁相环很容易构成AM信号的同步解调器。 因为锁相

16、环路提取的输出载波与原信号载波相差90， 所以在电路中需将信号移相90，另外再用一个相乘器 进行同步检波即可。,图 6-7 AM信号的PLL同步解调,因为锁相环路提取的输出载波与原信号载波相差90， 所以在电路中需将信号移相90，另外再用一个相乘器 进行同步检波即可，如图6-7(a)所示。,图 6-7 AM信号的PLL同步解调,单片集成锁相环路 NE561内部包含一个 相乘器，尤其适用于 AM同步解调。90移 相可用RC网路完成。,二、模拟调频和调相信号的调制与解调,二、模拟调频和调相信号的调制与解调 1.调频与调相信号,二、模拟调频和调相信号的调制与解调 1.调频与调相信号 仍设幅度为1的单一频率的调制信号 uF(t)=sin(t+) (6-12),二、模拟调频和调相信号的调制与解调 1.调频与调相信号 仍