第第2 2章章 锁相环路的工作原理锁相环路的工作原理 锁相环路是一个闭环相位控制系统对它的研究须建立完整的锁相环路是一个闭环相位控制系统对它的研究须建立完整的数学模型，继而以模型为基础，分析它在各种工作状态下的性能数学模型，继而以模型为基础，分析它在各种工作状态下的性能 因此，在进行分析研究锁相环的性能之前，先就锁相环的基本因此，在进行分析研究锁相环的性能之前，先就锁相环的基本工作原理、相位模型及传递函数进行阐述工作原理、相位模型及传递函数进行阐述 ，这些都是分析锁相环性，这些都是分析锁相环性能的基础能的基础2.1 锁相环路的基本工作原理锁相环路的基本工作原理2.2 锁相环路的相位模型及动态方程锁相环路的相位模型及动态方程 2.3 锁相环路的传递函数锁相环路的传递函数 本章结构本章结构3 2.1 2.1 锁相环路的基本工作原理锁相环路的基本工作原理2.1.1 2.1.1 锁相的基本概念锁相的基本概念锁相是相位锁定的简称，是表示两个信号之间的相位同步如两个正弦信号为：锁相是相位锁定的简称，是表示两个信号之间的相位同步如两个正弦信号为： 因为锁相环是相位控制系统，所以，在输入或输出信号中起作用的是它的因为锁相环是相位控制系统，所以，在输入或输出信号中起作用的是它的瞬时频率或瞬时相位，其幅值通常是固定的。
瞬时频率或瞬时相位，其幅值通常是固定的 —— 瞬时角频率；瞬时角频率； —— 初始相位初始相位 ；； —— 瞬时相位瞬时相位 —— 瞬时角频率；瞬时角频率； —— 初始相位初始相位 ；； —— 瞬时相位瞬时相位 4 2.1.1 2.1.1 锁相的基本概念锁相的基本概念两个信号相位同步的条件：两个信号相位同步的条件：固定值固定值 （（1）当）当 时，两者的瞬时相差时，两者的瞬时相差不随时间变化，称这两个信号不随时间变化，称这两个信号相位同步相位同步 为常数为常数（（2））当当 时，只要有时间变化，瞬时相位差就不可能为一固定值，时，只要有时间变化，瞬时相位差就不可能为一固定值，而是随时间变化，称这两个信号相位不同步而是随时间变化，称这两个信号相位不同步5 2.1.2 2.1.2 锁相环的构成锁相环的构成（一）构成（一）构成鉴相器鉴相器环路滤波器环路滤波器压控振荡器压控振荡器锁锁相相环环路是由路是由鉴鉴相器、相器、环环路路滤滤波器和波器和压压控振控振荡荡器三个基本部件器三个基本部件组组成的成的。
通常采用英文通常采用英文缩缩写表示：写表示：鉴相器鉴相器—— PD ( Phase detector )环路滤波器环路滤波器——LF ( Loop Filter )压压控振控振荡荡器器 ——VCO ( Voltage-Controlled Oscillator)6 （（1））PD的功能的功能 鉴相器鉴相器对对两个两个输输入信号入信号的相位进行比较，其输出的相位进行比较，其输出误差误差电压反映了它的两个电压反映了它的两个输入信号相位差的大小输入信号相位差的大小二）各部件的功能（二）各部件的功能2.1.2 2.1.2 锁相环的构成锁相环的构成（（2））LF的功能的功能 环路滤波器是低通滤波器，用于滤除鉴相器输出误差电压中的高频成分，环路滤波器是低通滤波器，用于滤除鉴相器输出误差电压中的高频成分，起平滑滤波作用，它对环路参数调整起着决定性的作用，对环路性能有着重要起平滑滤波作用，它对环路参数调整起着决定性的作用，对环路性能有着重要的影响3））VCO的功能的功能 压控振荡器是一个电压压控振荡器是一个电压/频率变换装置，它的输出振荡频率受输入电压的控频率变换装置，它的输出振荡频率受输入电压的控制线性变化。
制线性变化7 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程 压控振荡器工作在压控振荡器工作在“自由振荡自由振荡”状态（不受控），其振荡频率为状态（不受控），其振荡频率为 ，，输出信号：输出信号：（（2）当有信号输入时，且）当有信号输入时，且固有频差固有频差大于环路滤波器截止频率时，即：大于环路滤波器截止频率时，即： 锁相环路如何进行相位锁定与跟踪，实现输出与输入信号的相位同步呢锁相环路如何进行相位锁定与跟踪，实现输出与输入信号的相位同步呢？下面对环路的入锁过程和跟踪过程作？下面对环路的入锁过程和跟踪过程作定性定性描述1）当环路无输入信号时：）当环路无输入信号时： —— VCO的的固有振荡频率固有振荡频率；； —— VCO 的初始相位的初始相位 ；；输入信号：输入信号： —— 输入信号的角频率；输入信号的角频率； ——输入信号的初始相位输入信号的初始相位 ；；8 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程为为频率频率很高的正弦电压信号，很高的正弦电压信号，经环路滤波器（低通）将被完全滤除，则加到经环路滤波器（低通）将被完全滤除，则加到VCO控制端的电压控制端的电压所以，压控振荡器输出频率仍然维持在固有频率所以，压控振荡器输出频率仍然维持在固有频率 上。
上 此时，环路没有起到控制作用，环路处于不受控状态，此时，环路没有起到控制作用，环路处于不受控状态， ，也称，也称为为失锁状态失锁状态2）当有信号输入，且固有频差）当有信号输入，且固有频差大于大于环路滤波器环路滤波器截止频率截止频率时：时：固有频差：固有频差：很大很大9 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程失锁状态：失锁状态：10 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程（（3）当有信号输入，且固有频差）当有信号输入，且固有频差低于低于环路滤波器的环路滤波器的截止频率截止频率时：时：为频率较低的正弦误差电压信号为频率较低的正弦误差电压信号 该误差电压信号经过环路滤波器就不会被滤除掉，其滤波输出信号作为控该误差电压信号经过环路滤波器就不会被滤除掉，其滤波输出信号作为控制电压加在压控振荡器上，使制电压加在压控振荡器上，使VCO输出调频信号输出调频信号固有频差：固有频差：较小较小11 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程 当压控振荡器就会受到这个差拍电压调制时，当压控振荡器就会受到这个差拍电压调制时，输出电压输出电压 为中心角频率为为中心角频率为 、调制频率为、调制频率为 的调频信号。
的调频信号 VCO瞬时输出频率瞬时输出频率牵引频率牵引频率固有频率固有频率12 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程捕捉状态（捕捉状态（起始起始）：）：13 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程VCO瞬时频率瞬时频率时，瞬时频差时，瞬时频差 最小，最小，的频率低；的频率低；时，瞬时频差时，瞬时频差 最大，最大，的频率高；的频率高；所以，鉴相器的输出为一个上下不所以，鉴相器的输出为一个上下不对称的差拍波对称的差拍波4））VCO输出的调频波反馈到输入端时输出的调频波反馈到输入端时 该该VCO调频波与输入正弦信号进行鉴调频波与输入正弦信号进行鉴相的结果是：相的结果是：捕捉状态捕捉状态（起始）（起始）：：14 （（5）由于）由于 是上下不是上下不对对称的差拍称的差拍波，所以波，所以 ，含的直流成分和低，含的直流成分和低频频交流交流成分通过成分通过LF ，而高频成分被，而高频成分被LF滤除 的直流分量的直流分量 经经LF加在加在VCO上，上，形成形成牵牵引引电压电压，使，使VCO输输出出调频调频波的波的中心振中心振荡频荡频率向着率向着 的方向的方向产产生迁移。
生迁移 的基的基频频交流成分交流成分对对VCO进进行行调调制，使制，使VCO输输出出调频调频波2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程VCO瞬时频率瞬时频率捕捉状态捕捉状态（牵引过程）（牵引过程）：： 基频交流分量的频率：基频交流分量的频率：15 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程捕捉状态捕捉状态（牵引过程）（牵引过程）：：16 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程直流成分直流成分低频交流成分低频交流成分牵引频率牵引频率牵引后的中心频率牵引后的中心频率17 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程 （（6））由于由于牵牵引引电压电压的存在，的存在，鉴鉴相器相器输输出的出的误误差差电压电压 更加不更加不对对称，称，那么，那么，误误差差电压电压 中的直流成分就越来越大，基中的直流成分就越来越大，基频频交流成分交流成分 的的频频率越来越低率越来越低 基频交流分量的频率：基频交流分量的频率：（（7）如此反复循环，）如此反复循环， 越来越小，牵引电压越来越大，使越来越小，牵引电压越来越大，使VCO振荡振荡频率向着输入频率逐渐靠近，最终频率向着输入频率逐渐靠近，最终 。
18 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程 这个逐渐变大的直流分量经过环路滤波器后去控制压控振荡器，以更快这个逐渐变大的直流分量经过环路滤波器后去控制压控振荡器，以更快的速度使压控振荡器的速度使压控振荡器的中心的中心频率趋向输入频率频率趋向输入频率 最后，压控振荡器的频率由原来的最后，压控振荡器的频率由原来的 变成变成 ，环路便稳定在这个频率，环路便稳定在这个频率 上，即所谓锁定状态此时，鉴相器输出为一个直流电压，上述过程上，即所谓锁定状态此时，鉴相器输出为一个直流电压，上述过程是环路通过频率牵引而得到锁定的过程，也称为捕捉过程是环路通过频率牵引而得到锁定的过程，也称为捕捉过程19 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程 ③③ 鉴相器和环路滤波器输出信号均为一直流电压鉴相器和环路滤波器输出信号均为一直流电压在环路锁定状态下：在环路锁定状态下：①① 环路的输入信号频率与压控振荡器输出频率相等，即：环路的输入信号频率与压控振荡器输出频率相等，即：②② 输入信号与压控振荡器输出信号之间的相位差为一固定值输入信号与压控振荡器输出信号之间的相位差为一固定值。
常数常数 由此可见，锁相环是一个相位误差控制系统它通过比较输入信号和压由此可见，锁相环是一个相位误差控制系统它通过比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，产生误差电压来调整压控振荡器的频率控振荡器输出信号之间的相位差，产生误差电压来调整压控振荡器的频率和相位，以达到与输入信号同频并保持相位差为一固定值和相位，以达到与输入信号同频并保持相位差为一固定值20 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程锁定状态：锁定状态：21 2.1.3 2.1.3 环路的工作过程环路的工作过程（（8）环路同步跟踪）环路同步跟踪 环路一旦锁定后，当输入信号的相位环路一旦锁定后，当输入信号的相位/频率不稳，产生漂移或受到干扰频率不稳，产生漂移或受到干扰时，锁相环路都会自动进行控制调整，使环路输出频率稳定地锁定在输入时，锁相环路都会自动进行控制调整，使环路输出频率稳定地锁定在输入频率上——锁相环路是稳频系统锁相环路是稳频系统当当时，则时，则 当输入信号的相位当输入信号的相位/频率的变化超出环路的跟踪能力时，环路将失去控频率的变化超出环路的跟踪能力时，环路将失去控制，由锁定变为失锁。
制，由锁定变为失锁 在环路锁定条件下，当输入信号的相位在环路锁定条件下，当输入信号的相位/频率发生变化，频率发生变化，且满足环路跟且满足环路跟踪条件时，踪条件时，环路的输出频率和输出相位会跟踪输入信号的相位环路的输出频率和输出相位会跟踪输入信号的相位/频率进行频率进行变化——锁相环是相位跟踪系统锁相环是相位跟踪系统22 课堂练习课堂练习（（3））列举出几种判定环路锁定的测试方法，并简要说明其原理列举出几种判定环路锁定的测试方法，并简要说明其原理2））能否断言控制电压能否断言控制电压 是一直流时，环路一定处于锁定状态？是一直流时，环路一定处于锁定状态？ （（1）） 试说明环路分别处于试说明环路分别处于“失锁失锁”、、 “捕捉捕捉” 与与“锁定锁定” 状态时，状态时， 应该是什么样的波形？应该是什么样的波形？ 应该是什么样的波形呢？应该是什么样的波形呢？ （（4）） 试说明环路分别处于试说明环路分别处于“失锁失锁”、、 “捕捉捕捉”与与 “锁定锁定” 状态时，状态时， 应该是什么样的波形？其输出频率等于什么？应该是什么样的波形？其输出频率等于什么？ 应该是什么样的波应该是什么样的波形呢？其输出频率等于什么？形呢？其输出频率等于什么？ 23 共计共计96份作业，其中份作业，其中46份全部正确。
份全部正确 在存在问题的在存在问题的50份作业中，失锁、捕捉、锁定份作业中，失锁、捕捉、锁定3种状态的解答中，锁定状种状态的解答中，锁定状态的解答正确率达态的解答正确率达96%，仅有，仅有2人出错；出现问题最多的是捕捉过程人出错；出现问题最多的是捕捉过程作业情况分析作业情况分析失锁状态的错误情况：失锁状态的错误情况：①① 不对称差拍波不对称差拍波 ；；②② 直流直流 ③③ 直流直流捕捉状态的错误情况：捕捉状态的错误情况：①① 正弦波正弦波 ；；②② 正弦波正弦波 ③③ 调频波调频波 ④④ 直流直流 24 习题讲解习题讲解各种环路状态的关系：各种环路状态的关系：锁定锁定跟踪跟踪失锁失锁捕捉捕捉共同点：共同点：锁定锁定 不变不变跟踪跟踪 变化变化不同点不同点共同点：共同点：不同点不同点失锁失锁 正弦波；正弦波； 捕捉捕捉 调频波；调频波； 直流直流+正弦正弦 25 。