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1、反馈控制系统反馈控制系统 锁相环锁相环反馈控制电路反馈控制电路一一 . . 反馈控制电路的概念反馈控制电路的概念反反反馈馈馈控制控制控制电电电路路路 在通信系统和电子设备中，为了提高在通信系统和电子设备中，为了提高它们的性能指标或实现某些高性能要求，它们的性能指标或实现某些高性能要求，广泛采用各种类型的控制电路。广泛采用各种类型的控制电路。 这些控制电路大都是利用反馈的原这些控制电路大都是利用反馈的原理实现对自身的调节与控制，因此统称理实现对自身的调节与控制，因此统称为反馈控制电路。为反馈控制电路。 若反馈系统都是闭环的系统，则称若反馈系统都是闭环的系统，则称为环路系统。为环路系统。二 . 反
2、馈控制电路的系统框图反反馈控制控制电路的路的组成方框成方框图图 其中，其中，Xo为系统输出量，为系统输出量，Xi为系统输入量，也就是反馈控为系统输入量，也就是反馈控制器的比较标准量。比较部件的作用是将输入信号制器的比较标准量。比较部件的作用是将输入信号Xi和测量部和测量部件产生的反馈信号件产生的反馈信号Xf进行比较，输出一个误差信号进行比较，输出一个误差信号Xe；控制部；控制部件的作用是根据误差信号产生相应的控制信号，然后由被控部件的作用是根据误差信号产生相应的控制信号，然后由被控部件产生输出量。件产生输出量。1 . 各部分的功能各部分的功能 (1)参考部件产生标准的物理量；参考部件产生标准的
3、物理量； (2)比较部件产生误差信号；比较部件产生误差信号； (3)控制部件产生控制信号；控制部件产生控制信号； (4)被控部件产生输出物理量，扰动代表各种使输出量被控部件产生输出物理量，扰动代表各种使输出量变动的因素；变动的因素； (5)测量部件是反馈网络。测量部件是反馈网络。 反馈控制电路可以看成是由比较部件、控制部件、反馈控制电路可以看成是由比较部件、控制部件、被控对象和测量部件被控对象和测量部件(反馈网络反馈网络)四四部分组成的自动调节系统部分组成的自动调节系统X参量可以是电压（电流）、频率或相位，参量可以是电压（电流）、频率或相位，如果比较的参量是电压或电流，则称之为自动增益控制电路
4、；如果比较的参量是电压或电流，则称之为自动增益控制电路；如果比较的参量为频率，则称之为自动频率控制；如果比较的参量为频率，则称之为自动频率控制；如果比较的参量是相位，则称之为自动相位控制电路或锁相环路。如果比较的参量是相位，则称之为自动相位控制电路或锁相环路。自自自动动动增益控制增益控制增益控制 自动增益控制自动增益控制AGC，它主要用于接，它主要用于接收机中，以维持整机输出恒定，几乎不收机中，以维持整机输出恒定，几乎不随外来信号的强弱而变化。随外来信号的强弱而变化。 自自自动动动频频频率控制率控制率控制 自动增益控制自动增益控制AFC，又称自动频率又称自动频率微调，主要用于电子设备中稳定振荡
5、器微调，主要用于电子设备中稳定振荡器振荡频率振荡频率。 锁锁锁相相相环环环路路路 锁相环路锁相环路PLL，又称自动相位控制，又称自动相位控制，用于锁定相位，实现无频差反馈控制。其用于锁定相位，实现无频差反馈控制。其功能强大，应用广泛功能强大，应用广泛。 三. 反馈控制电路的类型及特点 自动增益控制电路自动增益控制电路( (AGC)AGC)，广泛应用于各类接收机中，广泛应用于各类接收机中，是接收机的重要辅助电路之一。其主要功能是根据输入信号是接收机的重要辅助电路之一。其主要功能是根据输入信号电平的大小，自动调整接收机的增益，从而使接收机在输入电平的大小，自动调整接收机的增益，从而使接收机在输入信
6、号幅度忽大忽小变化时保持输出信号电平稳定。即当输入信号幅度忽大忽小变化时保持输出信号电平稳定。即当输入信号很弱时，接收机的增益大；当输入信号很强时，接收机信号很弱时，接收机的增益大；当输入信号很强时，接收机的增益小。这样，当信号场强变化时，接收机输出端的电压的增益小。这样，当信号场强变化时，接收机输出端的电压或功率基本稳定。或功率基本稳定。 自动频率控制电路自动频率控制电路(AFC)，又称自动频率微调电路，又称自动频率微调电路，主要用于电子设备中稳定振荡器主要用于电子设备中稳定振荡器的的振荡频率。它利用反振荡频率。它利用反馈控制量自动调节振荡器的振荡频率，使振荡器稳定在馈控制量自动调节振荡器的
7、振荡频率，使振荡器稳定在某一预期的标准频率附近某一预期的标准频率附近. 反馈控制电路之所以能控制输出参量并使之稳定，反馈控制电路之所以能控制输出参量并使之稳定，其主要原因在于它能够利用反馈量与参考量之间的误差其主要原因在于它能够利用反馈量与参考量之间的误差量实现对电路的控制，即利用存在的误差来减小误差。量实现对电路的控制，即利用存在的误差来减小误差。因此，在控制过程中，被控制量始终存在误差，反馈控因此，在控制过程中，被控制量始终存在误差，反馈控制只是维持误差在一定范围，并无法完全消除误差。制只是维持误差在一定范围，并无法完全消除误差。1 . 组成框图组成框图一一 . . 基本工作原理基本工作原
8、理 组成组成:(1)鉴相器鉴相器PD(PhaseDetector);(2)环路滤波器环路滤波器LF(LoopFilter):低通滤波器低通滤波器;(3)压控振荡器压控振荡器VCO。锁相环路(PLL)AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。由于其基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差，所由于其基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，必然有剩余频率误差存在，以当电路达到平衡状态之后，必然有剩余频率误差存在，即无法完全消除频差，这也是即无法完全消除频差，这也是AFC电路无法克服的缺点。电路无法克服的缺点。锁相环路锁相环
9、路(PLL，Phase Lock Loop )也是一种以消除也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。但它的基本原理是频率误差为目的的反馈控制电路。但它的基本原理是利用利用相位误差电压去消除频率误差相位误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态，所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。而且锁相环零，从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。而且锁相环还具有可以不用电感线圈、易于集成化、性能优越等许多还具有可以不用电感线圈、易于集成化、性能优越等许多优点，因此广泛应用于通信、
10、雷达、制导、导航、仪表和优点，因此广泛应用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机等方面。电机等方面。锁相环路(PLL) . 组成框图组成框图一一 . . 基本工作原理基本工作原理 基本概念基本概念: (1)失锁失锁：如果：如果ui(t) 和和uO(t)的频率不相等，则称锁相的频率不相等，则称锁相环路处于失锁状态，此时两个信号必然存在变动的相位差环路处于失锁状态，此时两个信号必然存在变动的相位差;(2)锁定锁定：锁相环路工作过程中，如果信号：锁相环路工作过程中，如果信号ui(t)和和uO(t)的相位差不断减小，最终可能等于某一较小的恒定值，就称的相位差不断减小，最终可能等于某一较小的恒定值，就称锁
11、相环路处于锁相环路处于“锁定锁定”状态状态。2 . 工作原理工作原理 (1) “失锁失锁”状态时，状态时，ui(t)和和uo(t)进行相位进行相位比较，由比较，由PD输出一个与相位差成正比的误差电压输出一个与相位差成正比的误差电压ud(t);(2)ud(t)经经LF滤波，取出其中缓慢变化的直流滤波，取出其中缓慢变化的直流或低频电压分量或低频电压分量uc(t)作为控制电压作为控制电压; ;(3)uc(t)加到加到VCO上，控制上，控制VCO的振荡频率，的振荡频率，使使ui(t)和和uo(t)的相位差不断减小，直至进入的相位差不断减小，直至进入“锁锁定定”状态。状态。最终实现最终实现3 . 锁相环
12、路锁相环路PLL与自动频率控制与自动频率控制AFC的区别的区别(1)PLLPLL：利用相位差实现反馈控制，有相差，无频差利用相位差实现反馈控制，有相差，无频差(2)AFC：利用频率差实现反馈控制，有相差，有频差利用频率差实现反馈控制，有相差，有频差2、举例说明：（一阶锁相环）未锁定:存在频差2、举例说明：（一阶锁相环）锁定愈小，稳定性愈好由此可见：锁定过程e是从02之间变化的，若干周期后使e减少到趋于小的常数，则环路被锁定，o=i锁相环路的基本组成框图如图3.2所示。它由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，其中，PD和LF构成反馈控制器，而VCO就是它的控制对象
13、。图3.2锁相环路的基本组成框图提供标准提供标准频率频率鉴相器鉴相器PD（相位比较器）（相位比较器）：将输入参考信号的相：将输入参考信号的相位和压控振荡器（位和压控振荡器（VCO）的输出信号的相位比较，）的输出信号的相位比较，输出一个与相位差有关的误差电压。输出一个与相位差有关的误差电压。ud =kde环路滤波器环路滤波器LF（低通滤波器）（低通滤波器）：滤去鉴相器输出：滤去鉴相器输出信号中的高频分量，只让直流和低频分量通过，信号中的高频分量，只让直流和低频分量通过，得到一控制电压得到一控制电压uC （t） 滤去高频分量滤去高频分量压控振荡器压控振荡器VCO（电压（电压频率转换器）频率转换器）
14、：是振荡瞬：是振荡瞬时角频率时角频率o（t）受控制电压）受控制电压uC（t）控制的振荡器，）控制的振荡器，使输出频率与输入参考频率相等。使输出频率与输入参考频率相等。控制电压控制电压uC（t）控制的振荡器频率）控制的振荡器频率1.1.鉴相器的基本特性鉴相器的基本特性如图所示，鉴相器有两个输入信号：输入参考信号uR和压控振荡器的输出信号uV,鉴相器将两输入信号的相位进行比较后，输出一误差信号ud,若PD为线性鉴相器，输出误差电压ud可表示如下：ud=Kde (e =R V) 其中 Kd称为鉴相灵敏度，单位为V/rad 。锁相环路各部分电路分析：锁相环路各部分电路分析：鉴相电路可以用一个直观简化的
15、数学模型来表示： 鉴相器的数学模型3. 脉冲抽样保持鉴相器脉冲抽样保持鉴相器 (数字型数字型)1模拟乘法器鉴相器模拟乘法器鉴相器 （模拟型）（模拟型）2. 边沿控制的数字比相器边沿控制的数字比相器 鉴相器鉴相器(PHASE DETECTOR) 模拟乘法器鉴相器模拟乘法器鉴相器 （模拟型）（模拟型） 这种鉴相电路采用模拟乘法器作为相位比较电路核心器这种鉴相电路采用模拟乘法器作为相位比较电路核心器件。它把输入信号件。它把输入信号u u R R(t(t) )与输出信号与输出信号u uv v(t(t) )的相位进行比较，的相位进行比较，产生与两信号的相位差对应的误差电压产生与两信号的相位差对应的误差电
16、压u ud d ( (t t) )，实现相位，实现相位电压的转换。电压的转换。模拟乘法器电路 为了分析方便，设压控振荡器的固有振荡角频率为了分析方便，设压控振荡器的固有振荡角频率r r为为参考频率，则输入信号角频率参考频率，则输入信号角频率R R和压控振荡器的实际振荡和压控振荡器的实际振荡频率频率V V可分别表示为：可分别表示为：R R= =r r + + ddR R(t)/dt(t)/dt (1)(1)V V= =r r + + ddv v(t)/dt(t)/dt (2) (2)式中式中R R(t(t) )、V V(t(t) )分别是输入信号和输出信号的瞬时相分别是输入信号和输出信号的瞬时相
17、位。位。由瞬时频率与瞬时相位的关系：由瞬时频率与瞬时相位的关系： 则输入信号可表示为则输入信号可表示为uR(t)=URmcosrt+R(t)，输出信号输出信号uv(t)=Uvmcosrt+V(t)+v，其中其中v为输出信号的初始相位，为分析方便设为输出信号的初始相位，为分析方便设v=90=90。ud=kmuRuv=KmURmcosrt+R(t)Uvmcosrt+V(t)+90 =(1/2)KmURmUvmcos2rt+R(t)+V(t)+cosR(t)-v(t)-90 =(1/2)KmURmUvmsinR(t)V(t)( (加低通滤波器加低通滤波器滤掉高频分量滤掉高频分量) )ud(t)=Kd
18、sine(t)式中式中Kd=KmURmUvm/2为鉴相器的鉴相灵敏度为鉴相器的鉴相灵敏度，它，它由鉴相器由鉴相器的增益和输入输出信号的幅度决定的增益和输入输出信号的幅度决定，e(t)=R(t)V(t)为输入为输入信号与输出信号的瞬时相位差。信号与输出信号的瞬时相位差。由于鉴相特性呈正弦函数由于鉴相特性呈正弦函数, ,在在9090之间之间e(t)为单值对应关为单值对应关系。而实际上系。而实际上要求要求e(t)的范围小于的范围小于3030，这时，这时，sine(t)e(t)，则鉴相特性近似为线性函数：，则鉴相特性近似为线性函数：ud(t)=Kde(t)模拟乘法器的正弦鉴相特性如图所示。2边沿控制的
19、数字比相器边沿控制的数字比相器uiuVui超前超前uV 输输出正脉冲出正脉冲ui滞后滞后uV 输输出负脉冲出负脉冲ui与与uV同相同相 输出尖脉冲输出尖脉冲ui超前超前uV相位越大输出脉宽越宽均值正的越大相位越大输出脉宽越宽均值正的越大(后面后面LPF积分积分)ui落后落后uV相位越大输出脉宽越宽均值负的越大相位越大输出脉宽越宽均值负的越大3脉冲抽样保持鉴相器脉冲抽样保持鉴相器 (数字型鉴相器数字型鉴相器) 脉冲抽样保持鉴相器脉冲抽样保持鉴相器,电路工作时，首先要将参考标准频率电路工作时，首先要将参考标准频率fR和和VCO的的频率频率fV的电压都形成脉冲。频率为的电压都形成脉冲。频率为fR的脉
20、冲用来控制一个开关电路，使电容的脉冲用来控制一个开关电路，使电容Cch产生周期性的充、放电，形成锯齿波电压。图中的电源供给恒定的充电产生周期性的充、放电，形成锯齿波电压。图中的电源供给恒定的充电电流电流ICH，以改善锯齿波的线性。抽样脉冲由压控振荡信号形成，以改善锯齿波的线性。抽样脉冲由压控振荡信号形成.图3.2.23脉冲抽样保持鉴相器的基本方框图由于由于fV=fR，显然，抽样脉冲周期，显然，抽样脉冲周期TV与锯齿波电压的周期与锯齿波电压的周期TR是相等的。是相等的。(a)Cch处形成的处形成的锯齿波锯齿波电压（频率电压（频率= fR）(b)抽样脉冲抽样脉冲（频率（频率= fV）(c)误差信号
21、误差信号VD图3.2.24抽样脉冲保持相位比较器的波形图 抽样脉冲的作用是控制抽样开关，使它在脉冲存在时接抽样脉冲的作用是控制抽样开关，使它在脉冲存在时接通，因而记忆电容通，因而记忆电容Cd上所获得的电压即等于这一瞬间的锯齿上所获得的电压即等于这一瞬间的锯齿波电压波电压VD。当抽样脉冲为零时，抽样开关断路，。当抽样脉冲为零时，抽样开关断路，Cd上即保上即保持原充电电压持原充电电压VD，如（，如（c)所示。如果所示。如果VCO频率略有变化频率略有变化(亦亦即失步时即失步时)，即相当于抽样脉冲在中心位置略有摆动，这就，即相当于抽样脉冲在中心位置略有摆动，这就引起误差电压引起误差电压VD值的变化，从
22、而控制值的变化，从而控制VCO的频率，使之恢复的频率，使之恢复到准确的数值到准确的数值(即恢复同步即恢复同步)。VD最大的变动范围可自最大的变动范围可自Vmin至至Vmax，这相当于抽样脉冲位置变动，这相当于抽样脉冲位置变动360。实际上，锯齿波电。实际上，锯齿波电压不是如压不是如(a)的理想情况的理想情况(Cch的放电时间等于零的放电时间等于零)，而是有一，而是有一定的放电时间的，因而锁相范围小于定的放电时间的，因而锁相范围小于360。这种鉴相器在数字式锁相环路中被广泛采用，它有如下两这种鉴相器在数字式锁相环路中被广泛采用，它有如下两个优点：个优点：(1)输出纹波电压小输出纹波电压小(约几十
23、约几十 V至几至几mV的数量级的数量级)；(2)相位比较可在相位比较可在360范围内进行，而上面讲的乘积型鉴范围内进行，而上面讲的乘积型鉴相器只在相器只在90内进行比较内进行比较(线性区则只有线性区则只有30范围范围)。v在锁相环路中，环路滤波器实际上就是一个 低通低通滤波器波器; ; v作用:滤出除鉴相器输出的误差电压ud中的高频分量和干扰分量，得到控制电压uC;v常用的环路滤波器有RC低通滤波器、无源比例积分滤波器及有源比例积分滤波器等。2.2.环路滤波器的基本特性环路滤波器的基本特性(LOOPFILTER)1）RC低通滤波器低通滤波器它的作用是将它的作用是将v vd d中的高频分中的高频
24、分量滤掉，得到控制电压量滤掉，得到控制电压v vc c式中，式中，= =RCRC为时间为时间常数。常数。 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器由此由此绘出一出一阶低通低通滤波器的幅波器的幅频特性如特性如图所示：上限截所示：上限截止止频率率为f fH H ，通，通频带f fbwbw = =f fH H 。 一一阶RCRC低通低通滤波器幅波器幅频特性特性2)2)无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器无源比例无源比例积分分滤波器的波器的传输函数函数为: :由上式可以看出，当由上式可以看出，当很高很高时，滤波器的波器的传输函数近似函数近似为成比例特性。成比例特性。这就是比例就是比例积分分滤波器名称的由来。波
25、器名称的由来。 无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器3)3)有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器如图所示，若设运放为理想运算放大器，则如图所示，若设运放为理想运算放大器，则 i1i2 ( (虚断虚断) )即：即： 有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器有源比例有源比例积分分滤波器，波器，和和无源比例无源比例积分分滤波器波器 之所以不同，之所以不同，在于前者有直流放大器，故在于前者有直流放大器，故为有源网有源网络；后者没有直流放大；后者没有直流放大器，称器，称为无源网无源网络。 将将F(jF(j) )中的中的jj用微分算子用微分算子p p替替换，环路路滤波器的波器的简化数学化数学模型可以表示模型可
26、以表示为： 环路路滤波器的数学模型波器的数学模型 v在锁相环路中，压控振荡器(VCO)的作用是产生频率随控制电压uc(t)变化的振荡电压。v压控振荡器的电路很多： 变容管直接调频电路(FM oscillator) 射极耦合型VCO 积分-施密特触发器型VCO3.3.压控振荡器的基本特性压控振荡器的基本特性 (VoltageControlledOscillator)压控振荡器实际上是一种电压压控振荡器实际上是一种电压-频率转换器，电路中可以采用压控元件作为频率转换器，电路中可以采用压控元件作为频率控制器件，变容二极管是最常用的压控元件，当变容二极管的电压改频率控制器件，变容二极管是最常用的压控元
27、件，当变容二极管的电压改变时，其振荡频率也发生变化。即电压控制频率。且这种控制在一定条件变时，其振荡频率也发生变化。即电压控制频率。且这种控制在一定条件下可以是线性的。实际应用中压控振荡器电路种类很多，如射极耦合多谐下可以是线性的。实际应用中压控振荡器电路种类很多，如射极耦合多谐振荡器。振荡器。变容二极管压控振荡器变容二极管压控振荡器CjuD+_一定条件下:uDCjfVuDV压控特性曲线压控特性曲线:V=V=K KV Vu uD D K为压控灵敏度为压控灵敏度 压控振荡器电路压控振荡器电路压控振荡器特性曲线图3.2.30调频无线收发系统中的变容管压控振荡器电路 调频无线收发系统中的变容二极管压
28、控振荡器电路如图调频无线收发系统中的变容二极管压控振荡器电路如图 所示。低频调制所示。低频调制信号通过高频扼流圈信号通过高频扼流圈L24加至变容二极管两端，使其结电容随着输入调制信加至变容二极管两端，使其结电容随着输入调制信号的变化而相应发生变化，从而进一步使以号的变化而相应发生变化，从而进一步使以Q2为核心的电容三点式振荡器的为核心的电容三点式振荡器的输出频率随之变化，实现压控。输出频率随之变化，实现压控。由此可见，在一定范围内，压控特性曲线可以近似为线性。由此可见，在一定范围内，压控特性曲线可以近似为线性。 即即 V =0 + Kv uC 这里这里KV 为压控灵敏度，单位为为压控灵敏度，单
29、位为rad/s.v; 0为压控振荡器的固有振荡角频率。为压控振荡器的固有振荡角频率。在锁相环路中，改变的振荡角频率还要送回到鉴相器中去比较。对鉴相器来在锁相环路中，改变的振荡角频率还要送回到鉴相器中去比较。对鉴相器来说，直接起作用的是瞬时相位。但是，瞬时角频率的变化必然引起瞬时相位说，直接起作用的是瞬时相位。但是，瞬时角频率的变化必然引起瞬时相位的变化，的变化， 因此可求得压控振荡器的因此可求得压控振荡器的瞬时瞬时相位输出为：相位输出为：图3.2.31压控振荡器特性曲线锁相环路在没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器锁相环路在没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。
30、这时，压控振荡器按其的输出为零（或为某一固定值）。这时，压控振荡器按其固固有频率有频率f0进行自由振荡。当有频率为进行自由振荡。当有频率为fR的参考信号输入时，的参考信号输入时，uR和和uv同时加到鉴相器进行鉴相。同时加到鉴相器进行鉴相。如果如果fR和和fv相差不大，鉴相器对相差不大，鉴相器对uR和和uv进行鉴相的结果，进行鉴相的结果，输出一个与输出一个与uR和和uv的相位差成正比的的相位差成正比的误差电压误差电压ud，再经过环，再经过环路滤波器滤去路滤波器滤去ud中的高频成分，输出一个中的高频成分，输出一个控制电压控制电压uc，uc将将使压控振荡器的频率使压控振荡器的频率fv（和相位）发生变
31、化，朝着参考输入（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，信号的频率靠拢，最后使最后使fv=fR，环路锁定，环路锁定。 环路一旦进入锁定状态后，则输出、输入信号频差环路一旦进入锁定状态后，则输出、输入信号频差(t)=O，由此可求得输出、输入信号的相差为：，由此可求得输出、输入信号的相差为： 即当输出、输入信号频率相等时，它们的瞬时相差是一个常即当输出、输入信号频率相等时，它们的瞬时相差是一个常数。数。 若瞬时相差为固定的稳态相位差若瞬时相差为固定的稳态相位差若瞬时相差为固定的稳态相位差若瞬时相差为固定的稳态相位差 e e()()，环路的输出、，环路的输出、，环路的输出、，环路的输出、输入
32、频率一定相等，没有频差存在，称这种状态为锁定状态输入频率一定相等，没有频差存在，称这种状态为锁定状态输入频率一定相等，没有频差存在，称这种状态为锁定状态输入频率一定相等，没有频差存在，称这种状态为锁定状态。这里对锁相环路的几个频差的概念作介绍如下：这里对锁相环路的几个频差的概念作介绍如下：固有频差固有频差 R=PR(t)=Rr；控制频差控制频差 v=Pv(t)=vr。瞬时频差瞬时频差 e=Pe(t)=Rv在环路捕捉过程中，随着控制电压的逐步建立和逐渐在环路捕捉过程中，随着控制电压的逐步建立和逐渐增强，增强，控制电压加到压控振荡器上所产生的控制频差也逐渐控制电压加到压控振荡器上所产生的控制频差也
33、逐渐增大。增大。当控制频差足以抵消固有频差时，则瞬时频差等于零，当控制频差足以抵消固有频差时，则瞬时频差等于零，即环路进入锁定状态。环路锁定时，瞬时频差为零，即环路进入锁定状态。环路锁定时，瞬时频差为零，但存在一个稳态相位误差但存在一个稳态相位误差 e。A.A.捕捉与锁定特性捕捉与锁定特性若锁相环路原本处于失锁状态，由于环路的调节作用，最终若锁相环路原本处于失锁状态，由于环路的调节作用，最终进入锁定状态，这一过程，称环路捕捉过程。在没有干扰的情进入锁定状态，这一过程，称环路捕捉过程。在没有干扰的情况下，环路一经锁定，其输出信号频率等于输入信号频率。况下，环路一经锁定，其输出信号频率等于输入信号
34、频率。2)锁相环路的基本特性锁相环路的基本特性B.B.自动跟踪特性自动跟踪特性若环路原本处于锁定状态，由于温度或电源电压的变化，若环路原本处于锁定状态，由于温度或电源电压的变化，使使VCO输出频率变化，或者输入信号频率变化，通过环路输出频率变化，或者输入信号频率变化，通过环路自动相位控制作用，使自动相位控制作用，使VCO相位（频率）不断跟踪输入信相位（频率）不断跟踪输入信号的相位（频率），这个过程称号的相位（频率），这个过程称跟踪过程，或同步跟踪过程，或同步跟踪过程，或同步跟踪过程，或同步过程。过程。由于锁相环路具有自动跟踪特性，所以它相当于一由于锁相环路具有自动跟踪特性，所以它相当于一高频高
35、频窄带滤波器窄带滤波器，不但能滤除噪声和干扰，而且能跟踪输入信，不但能滤除噪声和干扰，而且能跟踪输入信号的载频变化，可以从有噪声背景的输入已调波信号中提号的载频变化，可以从有噪声背景的输入已调波信号中提取出纯净的载波。取出纯净的载波。C.锁相环路的捕捉带与同步带环路能捕捉的最大起始锁相环路的捕捉带与同步带环路能捕捉的最大起始频差范围称捕捉带或捕捉范围，记作频差范围称捕捉带或捕捉范围，记作fp。环路所能跟踪的最大频率范围称同步带，记作环路所能跟踪的最大频率范围称同步带，记作fH。Pull-in Range,Capture Range: fpHold-in Range, Tracking Rang
36、e: fH常用集成锁相环路常用集成锁相环路 集成锁相电路种类很多。按电路可分为模拟式与数字式两大类。按用集成锁相电路种类很多。按电路可分为模拟式与数字式两大类。按用途可分为通用型与专用型两种。通用型都具有鉴相器与途可分为通用型与专用型两种。通用型都具有鉴相器与VCO，有的还附加，有的还附加有放大器和其他辅助电路，其功能为多用的；专用型均为单功能设计，例有放大器和其他辅助电路，其功能为多用的；专用型均为单功能设计，例如调频立体声解调环、电视机中用的正交色差信号的同步检波环等。如调频立体声解调环、电视机中用的正交色差信号的同步检波环等。 模拟锁相环路适合于工作频率较高、频率变化范围较小的情况模拟锁
37、相环路适合于工作频率较高、频率变化范围较小的情况，因为若，因为若工作频率太低，则滤波器不能有效分离差频与和频信号、以及高次谐波信工作频率太低，则滤波器不能有效分离差频与和频信号、以及高次谐波信号；同时由于正弦型鉴相器的线性动态范围较小，若频率变化范围较大，号；同时由于正弦型鉴相器的线性动态范围较小，若频率变化范围较大，则鉴相器不能产生有效的跟踪信号，从而无法实现锁相环路的锁定。则鉴相器不能产生有效的跟踪信号，从而无法实现锁相环路的锁定。 锁相环路中若鉴相器采用数字式鉴相器，则称为数字式锁相环路。锁相环路中若鉴相器采用数字式鉴相器，则称为数字式锁相环路。数字数字式锁相环路的工作频率范围宽，若其式
38、锁相环路的工作频率范围宽，若其VCO采用采用RC型振荡器，则工作频率最型振荡器，则工作频率最低可达几低可达几HZ以下。以下。这里我们以数字式锁相环这里我们以数字式锁相环CD4046为例说明为例说明:CD4046是带有是带有RC型型VCO的锁相环路，属于低频锁相环路，同类产的锁相环路，属于低频锁相环路，同类产品还有品还有CC4046（国产）、（国产）、MC14046等。如图所示为等。如图所示为CD4046的内的内部功能框图和构成锁相频率合成器时的外围元件连接图。部功能框图和构成锁相频率合成器时的外围元件连接图。芯片内含有一个低功耗、高线性芯片内含有一个低功耗、高线性VCO，两个工作方式不同的鉴相
39、器，两个工作方式不同的鉴相器PDI和和PDII，A1为为PDI和和PDII的公用输入基准信号放大器，源跟随器的公用输入基准信号放大器，源跟随器A2与与VCO输入端相连是专门作输入端相连是专门作FM解调输出之用的，此外还有一个解调输出之用的，此外还有一个6V左右的齐纳稳压管。左右的齐纳稳压管。CD4046的的1脚为锁定指示，高电平表示环路锁定。脚为锁定指示，高电平表示环路锁定。5脚为脚为VCO禁止端，高电平时禁止端，高电平时VCO停振。停振。CD4046芯片内的鉴相器芯片内的鉴相器PDI是一个数字逻辑异或门，由于是一个数字逻辑异或门，由于CMOS门输出电平在门输出电平在0VDD之间变化。所以只要
40、用简单的之间变化。所以只要用简单的积分电路就可以取出平均电平，因而使锁项环路的捕捉范积分电路就可以取出平均电平，因而使锁项环路的捕捉范围加大。该鉴相器主要应用在调频波的解调电路中。围加大。该鉴相器主要应用在调频波的解调电路中。PDII是一个由边沿控制的数字比相器和互补是一个由边沿控制的数字比相器和互补CMOS输出结构组输出结构组成的三态输出式鉴相器。由于数字比相器仅在成的三态输出式鉴相器。由于数字比相器仅在ui和和uv的上的上跳边沿起作用，因而该鉴相器能接收任意占空比的输入脉跳边沿起作用，因而该鉴相器能接收任意占空比的输入脉冲，即非常窄的脉冲。冲，即非常窄的脉冲。PDII的工作过程可用图的工作过程可用图9.2.2所示波所示波形图来表示。形图来表示。14脚脚ui信号出现上跳变时，信号出现上跳变时，13脚也上跳输出脚也上跳输出高电平，高电平，3脚脚uv信号出现上跳变时，信号出现上跳变时，13脚下跳输出低电平；脚下跳输出低电平；ui、uv同时触发时，同时触发时，13脚呈现高阻状态。因此，脚呈现高阻状态。因此，PDII可以可以使使uv和和ui严格同步，它常被应用在锁相频率合成器中。采严格同步，它常被应用在锁相频率合成器中。采用用PDII的锁项环其锁定范围等于捕捉范围，与环路滤波器的锁项环其锁定范围等于捕捉范围，与环路滤波器关系不大。关系不大。
