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1、笫笫7章章 锁相环路锁相环路7.0反馈控制电路概述反馈控制电路概述7.01 AGC7.1锁相环路的基本概念锁相环路的基本概念nPLL各部件的特性与数学模型各部件的特性与数学模型7.2PLL的线性分析的线性分析nP L L 的线性模型与传递函数的线性模型与传递函数nP L L 的稳态相差的稳态相差nPLL的稳定性（的稳定性（*）7.3PLL的非线性分析的非线性分析n一阶环路的非线性分析一阶环路的非线性分析n二阶环路的非线性分析二阶环路的非线性分析7.4 AFC7.5集成锁相环介绍集成锁相环介绍nPLL电路实例与应用举例电路实例与应用举例nPLL基本原理基本原理nPLL的环路方程与相位模型的环路方
2、程与相位模型nP L L 的跟踪特性的跟踪特性nP L L 的频率特性的频率特性nPLL的噪声特性（的噪声特性（*）17.5集成锁相环集成锁相环p 集成集成PLL（环路滤波器外加）类型：（环路滤波器外加）类型：n 模拟环（模拟环（APLL）鉴相器为模拟相乘器鉴相器为模拟相乘器 通用型：通用型：VCO，PD，（，（+放大器）放大器）专用型：锁相解调，调频立体声解调，电专用型：锁相解调，调频立体声解调，电视的色同步环视的色同步环n 数字环（数字环（DPLL）由）由部分数字电路部分数字电路，（主要是鉴相器为，（主要是鉴相器为数字鉴相器）和数字鉴相器）和全部数字电路全部数字电路（包括数字鉴相器、数字滤
3、（包括数字鉴相器、数字滤波器、数控振荡器）构成。波器、数控振荡器）构成。通用型：通用型：VCO，PD，（，（+分频器）分频器） 专用型：用于频率合成器，电机控制专用型：用于频率合成器，电机控制27.5.1 集成锁相环主要部件集成锁相环主要部件1、集成鉴相器：数字比相型、模拟相乘器型、抽样保持型。、集成鉴相器：数字比相型、模拟相乘器型、抽样保持型。pp 模拟相乘器模拟相乘器(正弦鉴相特性）型：正弦鉴相特性）型： 灵敏度较低，线性较好，锁定时两信号有灵敏度较低，线性较好，锁定时两信号有90度相移。度相移。p 数字鉴相器：数字鉴相器：n 异或门：输入为异或门：输入为对称方波对称方波。n R-S触发器
4、：输入为脉冲或方波。触发器：输入为脉冲或方波。n 边沿触发边沿触发(上升沿或下降沿）鉴频鉴相器：上升沿或下降沿）鉴频鉴相器：输入为脉冲或输入为脉冲或方波有鉴频和鉴相功能。常用于锁相频率合成器中。方波有鉴频和鉴相功能。常用于锁相频率合成器中。3集成鉴相器举例集成鉴相器举例p数字式鉴频鉴相器数字式鉴频鉴相器n 特点：特点：有鉴相功能及鉴频功能。能使有鉴相功能及鉴频功能。能使PLL的快捕带加宽，捕捉时间的快捕带加宽，捕捉时间大为缩短，而且其鉴相特性的线性范围很宽。大为缩短，而且其鉴相特性的线性范围很宽。n组成组成:由数字比相器、电荷泵由数字比相器、电荷泵(电压或电流开关）和滤波器三电压或电流开关）和
5、滤波器三部分组成。部分组成。 n 电路工作原理电路工作原理: 以以T4044数字式鉴频鉴相器电路数字式鉴频鉴相器电路 为例为例n 9个与非门个与非门 组成数字比相器组成数字比相器,将输入信号将输入信号R与来自与来自VCO的频率的频率可变的信号可变的信号 比相（后沿比）比相（后沿比）,在比相器输出端在比相器输出端U和和D，以逻辑电平，以逻辑电平(高、低）给出相位超前、滞后以及超前、高、低）给出相位超前、滞后以及超前、滞后量的信息滞后量的信息。n T1T1T7T7组成电荷泵，作用是在数字比相器输出组成电荷泵，作用是在数字比相器输出U和和D的高低电平的高低电平控制下，使控制下，使T1T7管子导通、截
6、止管子导通、截止，变换成，变换成模拟电压去控制低通滤模拟电压去控制低通滤波器输出高、低或不变电压。电荷泵为电压开关。波器输出高、低或不变电压。电荷泵为电压开关。组成有源比例积分滤波器形成所需的控制电压组成有源比例积分滤波器形成所需的控制电压4数字式鉴频鉴相器电路数字式鉴频鉴相器电路T4044数字式鉴频鉴相器数字式鉴频鉴相器 比相器比相器电荷泵电荷泵有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器导通、导通、截止、截止、不变不变5T4044T4044同频鉴相波形同频鉴相波形T4044同频鉴相波形同频鉴相波形（a）R与与V同相；（同相；（b）R滞后滞后V；（；（c）R超前超前V*下降沿下降沿触发触发有的电路有
7、的电路上升沿触上升沿触发。发。返回6T4044T4044的鉴频波形的鉴频波形T4044的鉴频波形的鉴频波形 7数字式鉴频鉴相器的数字式鉴频鉴相器的鉴频作用鉴频作用 当环路存在频差时，通过比相器和电荷泵的共同作当环路存在频差时，通过比相器和电荷泵的共同作用，用，有一数值上接近的正向或负向阶跃电压加到达有一数值上接近的正向或负向阶跃电压加到达林顿电路的输入端，使它输出的直流控制电压迅速林顿电路的输入端，使它输出的直流控制电压迅速地向最小或最大值跳变地向最小或最大值跳变，从而控制从而控制VCO的频率迅的频率迅速地向减小频差的方向变化，故电路起到了鉴频的速地向减小频差的方向变化，故电路起到了鉴频的作用
8、。作用。pp 鉴频作用鉴频作用8集成集成VCO 集成压控振荡器两种基本类型集成压控振荡器两种基本类型p 电流积分型电流积分型，它的基本原理是：定时电容在被控电流源，它的基本原理是：定时电容在被控电流源的作用下交替充电放电，形成振荡波形。的作用下交替充电放电，形成振荡波形。振荡频率取决于振荡频率取决于充电和放电速度充电和放电速度，在电容容量一定时，取决于电流源的电，在电容容量一定时，取决于电流源的电流大小。流大小。通过外加电压控制电流源电流大小可以实现对振通过外加电压控制电流源电流大小可以实现对振荡频率的控制荡频率的控制。这类电路（如射极耦合压控多谐振荡器教这类电路（如射极耦合压控多谐振荡器教材
9、材p452，变流式电容充放电，变流式电容充放电VCO等）具有良好的线性压控等）具有良好的线性压控特性。特性。p 变容管调谐的集成变容管调谐的集成LC振荡器。在集成电路内，由正反振荡器。在集成电路内，由正反馈电路产生和维持振荡。振荡频率由馈电路产生和维持振荡。振荡频率由LC决定，因此只要用决定，因此只要用控制电压改变变容二极管的电容，便可以改变振荡频率，控制电压改变变容二极管的电容，便可以改变振荡频率，这种电路的电压这种电路的电压频率特性往往是线性不太好的。频率特性往往是线性不太好的。9变流式电容充放电压控振荡器变流式电容充放电压控振荡器 变流式电容充放电变流式电容充放电VCO原理框图原理框图
10、高，高， 闭合，闭合， 断开断开 低，低， 断开，断开， 闭合闭合 1210变流式电容充放电压控振荡器变流式电容充放电压控振荡器( (续续1)1) p 电流转发器的功能是保持电流电流转发器的功能是保持电流 和和 的大小相等；的大小相等；p 幅度鉴别器的作用是当其输入端的电压高于其正触发电平时，幅度鉴别器的作用是当其输入端的电压高于其正触发电平时，它的输出为高电平，反之输出为低电平。它的输出为高电平，反之输出为低电平。工作过程工作过程 :pp 为低，则为低，则 断开，断开， 闭合。恒流源电流闭合。恒流源电流 全部流入电容，使全部流入电容，使其两端电压升高。当增加到幅度鉴别器的正触发电平时，它的输
11、其两端电压升高。当增加到幅度鉴别器的正触发电平时，它的输出出 变成高电平变成高电平。pp 闭合，闭合， 断开，电流源电流断开，电流源电流 全部变成全部变成 流入电流转发器。流入电流转发器。根据电流转发器的特性，根据电流转发器的特性， ，电容器以电流，电容器以电流 放电放电, , 上升和下降的斜率是一样的。当上升和下降的斜率是一样的。当 下降到幅度鉴别器的反向下降到幅度鉴别器的反向触发电平时，它的输出触发电平时，它的输出 又变为低电平，重复开始时的过程，又变为低电平，重复开始时的过程，从而形成了周期性的振荡。从而形成了周期性的振荡。若电流源电流随控制信号变化，若电流源电流随控制信号变化，则输出信
12、号的频率随控制信号的变化而变化。则输出信号的频率随控制信号的变化而变化。 11(1) (1) 可控电流源可控电流源它使它使 ，而，而 的值的值是由电源电压是由电源电压 、外接、外接电阻电阻 和控制电压和控制电压 决决定的。当定的。当 和和 选定后，选定后， 的值将随的值将随 变化。这个变化。这个电流源的总输出电流电流源的总输出电流I0 = 2 ，用改变用改变 的办法调整的办法调整压控振荡器的中心频率。压控振荡器的中心频率。二极管是为防止发射结被二极管是为防止发射结被反向击穿而加入的保护管。反向击穿而加入的保护管。可控电流源电路可控电流源电路12(2) (2) 电流转发器电流转发器构成改进型电流
13、源电构成改进型电流源电路，它使得路，它使得 和和 两两个支路的电流相个支路的电流相等。等。 、 、 和和 构构成开关，它等效框图中成开关，它等效框图中的的 。 和和 在这里在这里等效于等效于 。13VCO NE566NE566原理图原理图变流式电容充放电变流式电容充放电VCO NE566原理图原理图 147.5.2PLL电路实例电路实例-集成锁相环集成锁相环NE565介绍介绍PDVCOAMP2354107198为为VCO定时电阻和电容定时电阻和电容为环路滤波器为环路滤波器15集成锁相环集成锁相环NE565介绍介绍(续续1)n NE565工作频率低于工作频率低于1MHzn 电源电压电源电压: n
14、 最大锁定范围最大锁定范围 n 输入电阻输入电阻: 10 n 典型工作电流典型工作电流: 8mAn 适用于适用于FSK解调解调,单音解码单音解码,数据同步数据同步,倍频倍频等等.n 电路电路: l 鉴相器鉴相器双平衡模拟相乘器双平衡模拟相乘器l VCO-变流式电容充放电变流式电容充放电VCO, 决定决定VCO中心频率中心频率l 滤波器滤波器滤波电容外滤波电容外 接。接。l VCO输出端与鉴相器反馈输入端是断开的输出端与鉴相器反馈输入端是断开的 16集成锁相环集成锁相环NE565介绍介绍(续续2)NE565 PLL内部电路内部电路17集成锁相环集成锁相环NE565介绍介绍(续续3)p 利用附录中
15、利用附录中PLL的宏模型对的宏模型对NE565进行进行PSPICE仿真仿真12 K ， 10NF ,VCOf02.5KHz，VCO的压控灵敏度为的压控灵敏度为1KHz/V左右。左右。Rf为片内电阻，其值为为片内电阻，其值为3.6 K ，电容外接，电容外接18用用仿真法测量仿真法测量PLL的捕捉带、同步带的捕捉带、同步带（2）端输入一个变化速率缓慢的）端输入一个变化速率缓慢的频率正斜升频率正斜升信号信号,VCO自由振自由振荡频率荡频率2.5KHz,观察环路滤波器输出的控制电压波形观察环路滤波器输出的控制电压波形 。p 环路刚工作时，输入信号频率低，它与环路刚工作时，输入信号频率低，它与VCO输出
16、频率间频差较输出频率间频差较大，环路滤波器输出为一频率较高且上下不对称的差拍信号大，环路滤波器输出为一频率较高且上下不对称的差拍信号 。随。随时间增长，一是因输入信号频率渐渐增大，它与时间增长，一是因输入信号频率渐渐增大，它与VCO的输出频差的输出频差慢慢减小，二是由于环路滤波器的积分作用，输出直流电压不断慢慢减小，二是由于环路滤波器的积分作用，输出直流电压不断增加，频率牵引作用增强，差拍频率明显变低。增加，频率牵引作用增强，差拍频率明显变低。 频率牵引阶段频率牵引阶段p 频率为频率为2.116KHz时，控制电压突然产生一个负跳变。时，控制电压突然产生一个负跳变。 相位锁定相位锁定p 此后，此
17、后，VCO输出频率便跟踪输入信号变化（图上表现为环路滤输出频率便跟踪输入信号变化（图上表现为环路滤波器输出的直流电压与信号源的控制电压重合。）波器输出的直流电压与信号源的控制电压重合。）19PLL捕捉过程捕捉过程n 几十几十ms后在频率后在频率3.284KHz时，误差电压突然下降，而后，时，误差电压突然下降，而后，环路滤波器输出的控制电压与输入信号的控制电压分离，环路环路滤波器输出的控制电压与输入信号的控制电压分离，环路滤波器又输出差拍信号。失锁滤波器又输出差拍信号。失锁 从以上现象得到：从以上现象得到：当环路滤波器当环路滤波器Cf170NF时时n 捕捉带（低端）捕捉带（低端）为为: 2.5-
18、2.116=0.384KHz，n 同步带（高端）为同步带（高端）为 : 3.284-2.5=0.784KHzp 输入为慢变化、输入为慢变化、负斜率的频率斜升负斜率的频率斜升信号时信号时,观察环路滤波器观察环路滤波器输出的控制电压波形，可得到：输出的控制电压波形，可得到：当环路滤波器当环路滤波器Cf170NF时时, n 捕捉带（高端）为捕捉带（高端）为: 2.913-2.5=0. 413KHz，n 同步带（低端）为同步带（低端）为 : 2.5-1.717=0.783KHz20环路滤波器输出的控制电压波形环路滤波器输出的控制电压波形正斜升信号正斜升信号输入为慢变化、正斜率的频率斜升信号时输入为慢变
19、化、正斜率的频率斜升信号时,环路滤波器输出环路滤波器输出的控制电压波形的控制电压波形340nF170nF2.116KHz3.284KHz2.263KHz3.273KHz12返回21环路滤波器输出的控制电压波形环路滤波器输出的控制电压波形负负斜升信号斜升信号170nF340nF输入为慢变化、负斜率的频率斜升信号时输入为慢变化、负斜率的频率斜升信号时,环路滤波环路滤波器输出的控制电压波形器输出的控制电压波形2.913KHz1.717KHz2.793KHz1.747KHz22仿真结果仿真结果p Cf170nF时时n n 滤波器电容滤波器电容Cf=340nF时（带宽减小）时（带宽减小）pp 结论结论:
20、 在低端的入锁频率为在低端的入锁频率为2.116KHz2.116KHz，在高端的失锁频率，在高端的失锁频率3.284KHz3.284KHz，在高端的入锁频率在高端的入锁频率2.913KHz，在低端的失锁频率，在低端的失锁频率1.717KHz。n 环路的捕捉带低端为环路的捕捉带低端为0.384KHz，高端为，高端为0.413KHz；同步带低端；同步带低端为为0.783KHz，高端为，高端为0.784KHz。环路的捕捉带低端为环路的捕捉带低端为0.237KHz，高端为，高端为0.293KHz；同步带低端为同步带低端为0.753KHz，高端为，高端为0.773KHz n 二阶环路捕捉过程分频率牵引和
21、相位锁定两阶段二阶环路捕捉过程分频率牵引和相位锁定两阶段n 减小环路滤波器带宽，会使环路捕捉时间增加，捕捉减小环路滤波器带宽，会使环路捕捉时间增加，捕捉带与同步带均减小，而在抑制干扰和噪声方面有改善带与同步带均减小，而在抑制干扰和噪声方面有改善.237.5.3 PLL7.5.3 PLL的基本特性与应用举例的基本特性与应用举例p PLL的基本特性的基本特性（1）优良的优良的窄带滤波窄带滤波特性特性 普通滤波器无法实现普通滤波器无法实现通过改变环路增益或滤波器参数可实现窄带滤波。对于输入通过改变环路增益或滤波器参数可实现窄带滤波。对于输入信号而言，信号而言，就相当于一个就相当于一个很窄的高频带通滤
22、波器，在几百很窄的高频带通滤波器，在几百MHz中心频率上，带宽仅为几中心频率上，带宽仅为几Hz。另一方面，由于。另一方面，由于PLL能自能自动跟踪输入信号频率，以保证窄带的实现。而普通滤波器无动跟踪输入信号频率，以保证窄带的实现。而普通滤波器无法实现的。法实现的。（2）优良的载波跟踪和调制跟踪特性）优良的载波跟踪和调制跟踪特性无论输入信号是已调制或未调制的，只要含有载波分量，无论输入信号是已调制或未调制的，只要含有载波分量，用载波跟踪环可获得频率稳定度很高的载波。用载波跟踪环可获得频率稳定度很高的载波。只要环路有适当带宽，调制跟踪环能跟踪输入调角信号的只要环路有适当带宽，调制跟踪环能跟踪输入调
23、角信号的频率与相位变化。频率与相位变化。24PLLPLL的基本特性的基本特性（4）低门限特性：）低门限特性：门限取决于环路信噪比，一般环路的带宽总比环路输入端门限取决于环路信噪比，一般环路的带宽总比环路输入端的前置通频带窄得多，因而具有较高的环路信噪比，可取的前置通频带窄得多，因而具有较高的环路信噪比，可取得低门限性能。它用作调频解调时，与一般限幅鉴频器相得低门限性能。它用作调频解调时，与一般限幅鉴频器相比门限可改善比门限可改善35dB。 p 主要应用：主要应用：窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复；频率合窄带跟踪接收；锁相鉴频；载波恢复；频率合 成成 等。等。（3）、理想的频率控制特性）、理想的
24、频率控制特性PLL是一个相差控制系统，当环路处于锁定状态时，是一个相差控制系统，当环路处于锁定状态时，环路输出只有稳态相差而无剩余频差存在，即能实现环路输出只有稳态相差而无剩余频差存在，即能实现理想的频率控制，而自动频率控制（理想的频率控制，而自动频率控制（AFC）系统总是）系统总是有剩余频差的。有剩余频差的。用于频率合成器用于频率合成器 （5）易于集成：体积小型、使用方便。）易于集成：体积小型、使用方便。251 1、空间技术应用、空间技术应用、空间技术应用、空间技术应用窄带跟踪滤波器（锁相接收机）窄带跟踪滤波器（锁相接收机）窄带跟踪滤波器（锁相接收机）窄带跟踪滤波器（锁相接收机）（1）空间信
25、号的基本特性）空间信号的基本特性p 卫星或其它宇宙飞行器向地面发回的卫星或其它宇宙飞行器向地面发回的信号通常都很微弱信号通常都很微弱。p 频率漂移严重频率漂移严重（因存在多普勒效应与振荡器中心频率不稳）。因存在多普勒效应与振荡器中心频率不稳）。例如：频率为例如：频率为100MHZ，多普勒频移为，多普勒频移为 3KHZ。p 信标信号本身频带宽度较窄信标信号本身频带宽度较窄。约为。约为6HZ左右。左右。普通接收机，带宽至少普通接收机，带宽至少6KHZ左右。接收机带宽比信号左右。接收机带宽比信号带宽大带宽大1000倍，接收的噪声大倍，接收的噪声大1000倍，在接收机解调器前的信噪倍，在接收机解调器前
26、的信噪比比1030dB。信号被噪声淹没。信号被噪声淹没。n 锁相接收机的中频频率可以跟踪接收信号频率的漂移，而锁相接收机的中频频率可以跟踪接收信号频率的漂移，而且带宽又很窄，故又称为且带宽又很窄，故又称为“窄带跟踪滤波器窄带跟踪滤波器”。比普通接收。比普通接收机信噪比提高机信噪比提高3040dB。 测速与测距是确定飞行器运行轨道的两种重要技术手段测速与测距是确定飞行器运行轨道的两种重要技术手段，测速测速定轨定轨就是接收信标信号。就是接收信标信号。26窄带窄带跟踪跟踪滤波器滤波器-锁相接收机锁相接收机（2）方框原理图）方框原理图PDLFVCO中放中放混频混频N倍频倍频p 本地标准中频参考信号本地
27、标准中频参考信号 ，是高度稳定的。，是高度稳定的。p 有有载频漂移的输入信号在环路锁定时，混频器输出中频信号的载频漂移的输入信号在环路锁定时，混频器输出中频信号的频率与本地高稳定的参考频率与本地高稳定的参考中中频信号的频率相等信号的频率相等。使信号能准确落。使信号能准确落在在中中频滤波器波器频带的中央频带的中央，滤波器频带可很窄，只要保证信号通滤波器频带可很窄，只要保证信号通过即行。这样解调信噪比可提高。过即行。这样解调信噪比可提高。p 有漂移，有漂移， （本振频率（本振频率,N倍倍VCO频率）跟踪频率）跟踪 的漂移。的漂移。p PLL电路设计为窄带（几电路设计为窄带（几100HZ）参考信号参
28、考信号高稳定中频高稳定中频输出去输出去解调解调27 2、用作相干解调器中的载波恢复电路、用作相干解调器中的载波恢复电路p 对于抑制载波调幅信号和数字相位键控信号，相干对于抑制载波调幅信号和数字相位键控信号，相干解调是最佳解调方式。解调是最佳解调方式。p 实现相干解调，需要一个与输入信号频率相等和有很小（或实现相干解调，需要一个与输入信号频率相等和有很小（或零）相差的本地参考载波。零）相差的本地参考载波。p 如果输入信号内含有载波频率分量，则可用一个带宽很窄的如果输入信号内含有载波频率分量，则可用一个带宽很窄的滤波器将其提取出来。滤波器将其提取出来。PLL的带宽可以做得很窄，而且能够的带宽可以做
29、得很窄，而且能够跟踪载波频率的变化，所以用它来提取载波特别合适。跟踪载波频率的变化，所以用它来提取载波特别合适。p 对于移相键控对于移相键控(PSK)信号，由于其频谱中不包含有载频及其频信号，由于其频谱中不包含有载频及其频成分，故不能直接用载波跟踪环提取载波，必须选用非线性变成分，故不能直接用载波跟踪环提取载波，必须选用非线性变换（利用平方律器件的平方作用），将换（利用平方律器件的平方作用），将PSK信号中的载波信息信号中的载波信息变换成载波分量；再用变换成载波分量；再用PLL提取出来作相于解调载波使用。提取出来作相于解调载波使用。28载波恢复电路载波恢复电路 -平方环平方环平方环平方环p 利
30、用平方律器件的平方作用，将无载频分量的输入信号变利用平方律器件的平方作用，将无载频分量的输入信号变换为换为有载频倍频分量的信号输出有载频倍频分量的信号输出，用载波跟踪环，用载波跟踪环提取出提取出2倍倍载频分量载频分量，再经分频可获得相干载波。然后进行相干解调。，再经分频可获得相干载波。然后进行相干解调。PDLFVCO带通带通带通带通低通低通平方平方解调输出解调输出抑制载波调幅波的解调框图抑制载波调幅波的解调框图293、锁相鉴频、锁相鉴频-调制跟踪环调制跟踪环（1）方框原理图）方框原理图鉴相器鉴相器 （PD）环路滤波器环路滤波器 （LF ）压控振荡器压控振荡器 (VCO)解调信号的输出解调信号的
31、输出p 环路对于输入相位的变化相当于一低通滤波器环路对于输入相位的变化相当于一低通滤波器。p 若输入信号为调频信号，中心角频率为若输入信号为调频信号，中心角频率为 ，相位变化部分，相位变化部分为为 。当环路已锁定于。当环路已锁定于 ，并且假定对输入相位，并且假定对输入相位 环路的传输特性近似为环路的传输特性近似为1，则有，则有 ，即压控振荡器，即压控振荡器的相位变化部分与输入信号相同，输出信号是输入信号的复制品。的相位变化部分与输入信号相同，输出信号是输入信号的复制品。p 产生产生 的变化所需的控制电压的变化所需的控制电压 与调制信号成正比。与调制信号成正比。30锁相鉴频锁相鉴频-调制跟踪环（
32、续调制跟踪环（续1）（2）求解调信号的输出）求解调信号的输出设：设：锁定时：锁定时：有：有：调制信号制信号31oPLL的基本组成，各部件作用的基本组成，各部件作用oPLL基本环路方程，含义。基本环路方程，含义。PLLPLL小结小结o锁相环路具有两种工作状态：捕获与跟踪。锁相环路具有两种工作状态：捕获与跟踪。(1)捕获状态捕获状态环路由失锁进入锁定的过程环路由失锁进入锁定的过程n开始工作时，环路是失锁的。压控振荡器的频率将向开始工作时，环路是失锁的。压控振荡器的频率将向着接近输入信号频率的方向变化，这就是捕获状态。着接近输入信号频率的方向变化，这就是捕获状态。（捕捉带内）（捕捉带内）n捕获状态时
33、环路输入与输出信号间相位误差大，鉴相捕获状态时环路输入与输出信号间相位误差大，鉴相特性不能近似为线性，环路方程是非线性微分方程。特性不能近似为线性，环路方程是非线性微分方程。n捕捉是非线性过程，鉴相器输出为差拍信号。捕捉是非线性过程，鉴相器输出为差拍信号。n捕捉特性只能用非线性分析方法进行分析。捕捉特性只能用非线性分析方法进行分析。32PLL 非线性分析的五个问题非线性分析的五个问题o非线性分析需要掌握的主要问题非线性分析需要掌握的主要问题p 相平面图（一阶环）：相平面图（一阶环）：p 如何用相图分析一阶环的非线性特性。如何用相图分析一阶环的非线性特性。p PLL的同步带的同步带 ？p 二阶环
34、捕捉过程：频率牵引过程与相位锁定过程。二阶环捕捉过程：频率牵引过程与相位锁定过程。p 捕捉带捕捉带 ？快捕带？快捕带 ？捕捉时间？捕捉时间 ？p这些性能与环路哪些参数有关？一阶环和二阶环这些性能与环路哪些参数有关？一阶环和二阶环有何不同？有何不同？33跟踪是锁相环路的正常工作状态跟踪是锁相环路的正常工作状态o（2）跟踪状态）跟踪状态环路锁定后环路锁定后VCO跟踪输入信号频率跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制变化的过程。（同步带内）与相位的漂移或调制变化的过程。（同步带内）n当当PLL达到锁定状态后，若输入信号为一固定频率达到锁定状态后，若输入信号为一固定频率的正弦波的正弦波，则压控振荡器的输出
35、信号频率与输入信则压控振荡器的输出信号频率与输入信号频率相等，它们之间的相位差为一常值。鉴相器号频率相等，它们之间的相位差为一常值。鉴相器输出为一直流电压。输出为一直流电压。n跟踪是锁相环路正常工作状态，此时跟踪是锁相环路正常工作状态，此时环路输入与输环路输入与输出信号间相位误差很小，鉴相特性近似为线性，环出信号间相位误差很小，鉴相特性近似为线性，环路视为线性系统，环路方程视为线性微分方程。路视为线性系统，环路方程视为线性微分方程。n跟踪特性可用线性分析方法进行分析。跟踪特性可用线性分析方法进行分析。 锁定状态的特点：只有稳态相差，无频差。锁定状态的特点：只有稳态相差，无频差。34PLLPLL
36、的两种跟踪的两种跟踪调制跟踪与载波跟踪调制跟踪与载波跟踪o锁相环通常有两种跟踪状态：锁相环通常有两种跟踪状态：调制跟踪与载波跟踪。调制跟踪与载波跟踪。o压控振荡器的输出信号压控振荡器的输出信号跟踪输入调角信号变化（环路带跟踪输入调角信号变化（环路带宽宽 较宽，可让调制信号通过，且捕捉带大于较宽，可让调制信号通过，且捕捉带大于2倍频偏）。倍频偏）。这种状态就是调制跟踪状态，并称这种锁相环路为这种状态就是调制跟踪状态，并称这种锁相环路为“调调制跟踪环制跟踪环”n处于调制跟踪状态的环路的控制信号：加到处于调制跟踪状态的环路的控制信号：加到VCO上应上应该有两部分电压，一是保持中心频率与输入中心频率相
37、该有两部分电压，一是保持中心频率与输入中心频率相等的直流电压，由稳态相差求出，另一部分为保持相位等的直流电压，由稳态相差求出，另一部分为保持相位正弦变化的电压。由输出表示式中的正弦变化的电压。由输出表示式中的 对对t微分求得。微分求得。其中35调制跟踪与载波跟踪调制跟踪与载波跟踪n调制跟踪制跟踪环可可实现高高质量的量的调角信号的解角信号的解调（捕捉（捕捉带大于大于2倍倍频偏偏值）p如果如果压控振控振荡器的器的输出信号出信号频率只跟踪率只跟踪输入信号的入信号的载频，则称称载波跟踪状波跟踪状态，并称之，并称之为载波跟踪波跟踪环，或，或 “窄窄带跟踪跟踪环”n载波跟踪波跟踪环用于相干解用于相干解调中
38、提取中提取载波，或窄波，或窄带跟踪接收机。跟踪接收机。原因是控制原因是控制电压改改变的是的是VCO的的频率，所以要微分。率，所以要微分。36PLL线性分析线性分析p三个传递函数：误差、闭环、开环。各用于解决什么问题三个传递函数：误差、闭环、开环。各用于解决什么问题p 线性化复频域方程；与线性化复频域方程；与基本基本基本基本环环路方程的区路方程的区路方程的区路方程的区别别pp四个线性特性：四个线性特性：四个线性特性：四个线性特性：l瞬瞬态跟踪特性：跟踪特性：利用利用误差差传递函数，采用拉氏函数，采用拉氏变换及其及其逆逆变换的方法求解瞬的方法求解瞬变过程；采用拉氏程；采用拉氏终值定理求定理求稳态相
39、差。相差。l频率特性率特性（正弦（正弦稳态响响应）：利用利用闭环传递函数求相位函数求相位传递的幅的幅频特性和相特性和相频特性，特性，环路路 3dB 带宽，输出表示出表示式。式。l稳定特性：定特性：利用开利用开环传递函数、波特函数、波特图，相位余量。，相位余量。l噪声噪声特性：特性：对输入相位噪声呈低通特性，入相位噪声呈低通特性，对VCO的的 噪声呈高通噪声呈高通.37关于稳态相差计算关于稳态相差计算式中式中 为环路直流增益（包括滤波器、放大器在内，若为环路直流增益（包括滤波器、放大器在内，若无放大器，则无放大器，则Av为为1）当满足当满足 时可按时可按：关于稳态相差计算关于稳态相差计算p 如果
40、满足如果满足： 对于暂态信号对于暂态信号 则可利用误差传递函则可利用误差传递函数数和和和和拉氏终值定理求。拉氏终值定理求。p对于频率阶跃的稳态相差：对于频率阶跃的稳态相差： 一般情况按一般情况按38PLL的应用的应用p 载波跟踪环载波跟踪环-窄带跟踪滤波（用于微弱窄带信号窄带跟踪滤波（用于微弱窄带信号锁相接收，载波提取等。）锁相接收，载波提取等。）p调制跟踪环调制跟踪环-调角信号的调角信号的调制调制与解调。与解调。p 频率合成频率合成-锁定时无频差，获得若干个高频稳度锁定时无频差，获得若干个高频稳度的信号。的信号。39关于关于 、 的单位与量纲的单位与量纲为鉴相器的最大输出电压，单位（为鉴相器
41、的最大输出电压，单位（V）。）。p 线性化后：线性化后：环路总增益，频率量纲，单位环路总增益，频率量纲，单位Hz或或rad/s。单位取决于单位取决于 的单位。的单位。pp 线性化前鉴相特性：线性化前鉴相特性：注意：凡注意：凡线性化后线性化后计算计算 时不能直接用时不能直接用 代人式代人式 进行单位换算！进行单位换算！ 单位应与线性化前一样！单位应与线性化前一样！单位应与线性化前一样！单位应与线性化前一样！若若环路总增益，频率量纲环路总增益，频率量纲,单位应不变。单位应不变。比线性化前比线性化前差差1/rad单位单位V/rad,量纲量纲V。40例如：例如：若已知鉴相灵敏度若已知鉴相灵敏度压控振荡
42、器压控振荡器则则一阶环一阶环rad/srad/s41PLL的输入电压谱和相位谱的输入电压谱和相位谱输入信号：输入信号：瞬时相位瞬时相位变化变化：电压谱电压谱相位频谱相位频谱p加在加在PLLPLL上的是电压上的是电压 ，但，但PLLPLL是相位跟踪系统，只跟踪是相位跟踪系统，只跟踪 中中相位（频率）变化。锁相环的低通特性是对输入信号的相位谱相位（频率）变化。锁相环的低通特性是对输入信号的相位谱而言的，而对输入信号的电压谱，锁相环相当于位于中心频率而言的，而对输入信号的电压谱，锁相环相当于位于中心频率 处的带通滤波器。处的带通滤波器。p调节调节PLLPLL参数，环路滤波器可以参数，环路滤波器可以设
43、计很窄，相当于在很高的载频设计很窄，相当于在很高的载频上实现通频带极窄的滤波器（相上实现通频带极窄的滤波器（相当于有极高的当于有极高的Q Q值），称为窄带值），称为窄带跟踪环，可用于载波恢复。跟踪环，可用于载波恢复。载波提取载波提取42鉴频鉴相器输出脉冲转换成电压的电路鉴频鉴相器输出脉冲转换成电压的电路o鉴频鉴相器输出脉冲宽度到控制电压转换的两种电路鉴频鉴相器输出脉冲宽度到控制电压转换的两种电路差分有源差分有源滤波器波器电荷荷泵电路路43电荷泵电荷泵o功能：将反映两信号相位差的脉冲功能：将反映两信号相位差的脉冲 转换为反映相位转换为反映相位差大小的平均电压（或电流），此平均电压一般是通过低通差
44、大小的平均电压（或电流），此平均电压一般是通过低通滤波器的电容上积累的电荷产生的。鉴频鉴相器的输出滤波器的电容上积累的电荷产生的。鉴频鉴相器的输出 分别开关两个电流源，控制电流源对电容器的充放电，分别开关两个电流源，控制电流源对电容器的充放电，将代表相位差大小的脉冲宽度转变为电容器上的电荷量。将代表相位差大小的脉冲宽度转变为电容器上的电荷量。返回对应于于鉴相器，相器，电荷荷泵也有三个状也有三个状态： 或或 但但V滞后滞后R， 为正正脉脉冲，冲，S1通，通，I1向向电容充容充电， 为正。正。 为0时，S1断，断，电容上容上电荷保持。荷保持。 或或 但但V超前超前R， 为正正脉冲，脉冲，S2通，通，电容通容通过I2放放电， 减少。减少。 且且V和和R同相，同相， ，S1、S2 均断开，均断开， 保持常数。保持常数。电流型流型电荷荷泵44同步带、捕捉带的示意图同步带、捕捉带的示意图返回返回145 下堂课：第八章频率合成器下堂课：第八章频率合成器46
