通信電子電路第八章第1節(jié).ppt

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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(yīng)用 本章重點(diǎn)與難點(diǎn) 一 本章重點(diǎn)1 鎖相環(huán)的構(gòu)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(xué)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(yīng)用 二 本章難點(diǎn)1 鎖相環(huán)的工作原理 2 鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型 1 PhaseLockedLoop鎖相環(huán)2 LowPassFilter低通濾波器3 VoltageControlledOscillator壓控振蕩器4 PhaseDetecting鑒相器 相關(guān)英文詞匯 8 1鎖相環(huán)路 PLL 一 概述二 基本鎖相環(huán)的構(gòu)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(xué)模型 在無線電技術(shù)中 為了改善電子設(shè)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 一 概述 鎖相環(huán)路早期應(yīng)用于電視機(jī)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(jì)50年代后期 隨著空間科學(xué)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(jī) 頻帶做得相當(dāng)寬 噪聲大 同時信噪比也大大降低 而在鎖相環(huán)接收機(jī)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(jī)才能把深埋在噪聲中的信號提取出來 鎖相環(huán)路 是一個相位誤差控制系統(tǒng) 是將參考信號與輸出信號之間的相位進(jìn)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(dá)到與參考信號同頻的目的 隨著電子技術(shù)的發(fā)展 集成鎖相環(huán)的出現(xiàn) 各種電子系統(tǒng)中鎖相環(huán)路的用途極為廣泛 例如 鎖相接收機(jī) 微波鎖相振蕩源 鎖相調(diào)頻器 鎖相鑒頻器等等 在鎖相頻率合成器中 鎖相環(huán)路具有穩(wěn)頻作用 能夠完成頻率的加 減 乘 除等運(yùn)算 可以作為頻率的加減器 倍頻器 分頻器等使用 鎖相環(huán)路不僅能完成頻率合成的任務(wù) 而且還具有優(yōu)良的濾波性能 這種濾波性能不僅能夠得到很窄的通頻帶 而且其中心頻率又可變 這些性能是普通的濾波器所不能比擬的 目前在比較先進(jìn)的模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)中大都使用了鎖相環(huán)路 煤礦中目前主要開始應(yīng)用的是鎖相環(huán)調(diào)制器和解調(diào)器 二 基本鎖相環(huán)的構(gòu)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 圖8 1鎖相環(huán)的基本組成 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(yīng)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(guān)系 達(dá)到相位鎖定的目的 三 鎖相環(huán)路的基本工作原理 設(shè)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(jìn)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 鎖相環(huán)路的基本原理 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) 四 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 i o 如果 i與 o相差不大 在適當(dāng)?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 i i o 而且兩信號的相位差為常數(shù) 2 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(jìn)入鎖定狀態(tài) 一旦入鎖以后 壓控頻率就等于基準(zhǔn)頻率 且fo隨fi而變化 這就稱為跟蹤 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(dāng)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(jìn)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(zhuǎn)板上 把uo t 加到水平偏轉(zhuǎn)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(yīng)是一個圓 4 判斷環(huán)路是否鎖定的方法 李沙育圖形 圖8 8用李沙育圖形判斷環(huán)路是否鎖定 設(shè)壓控振蕩器的自由振蕩頻率fo與輸入基準(zhǔn)信號頻率fi相差較遠(yuǎn) 隨著基準(zhǔn)頻率fo向壓控振蕩頻率fo靠攏 達(dá)到某一頻率 這時環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài) 一旦入鎖以后 壓控頻率就等于基準(zhǔn)頻率 且fo隨fi而變化 這就稱為跟蹤 若再繼續(xù)增加fi fo不再隨fi之變化 但反之 若降低fi 則當(dāng)它回到f2時 環(huán)路并不入鎖 只有當(dāng)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 系統(tǒng)能保持跟蹤的最大頻差稱為同步帶 環(huán)路能捕捉成功的最大初始頻差稱為環(huán)路的捕捉帶 圖8 9環(huán)路同步帶和捕捉帶 環(huán)路捕獲 跟蹤與鎖定 環(huán)路同步帶和捕捉帶 圖8 9環(huán)路同步帶和捕捉帶 六 鎖相環(huán)路各組成部分的分析 1 鑒相器1 鑒相器 正弦波鑒相器 及其數(shù)學(xué)模型任何一個理想的模擬乘法器可以作為有正弦特性的鑒相器 設(shè)輸入信號為 8 1 壓控振蕩器的輸出信號為 8 2 這樣ui t 瞬時相位為 按上面的新定義 可將式 8 1 8 2 改寫為通過環(huán)路濾波器 則鑒相器的輸出為 8 8 式中其中為乘法器的增益系數(shù) 量綱為1 V 鑒相器的作用是將兩個輸入信號的相位差轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷?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 2 鑒相器線性化的數(shù)學(xué)模型 當(dāng) i t o t 6時 sin i t o t i t o t 因此可以把式 8 8 寫成ud t Kd i t o t Kd s 所以 當(dāng) t 6時 鑒相特性近似為直線 ud t 與 t 成正比 式 8 11 表示時域的關(guān)系 若對它進(jìn)行拉氏變換 便可得到頻域內(nèi)的鑒相特性 表示為ud s Kd s 8 11 時域中鑒相器數(shù)學(xué)模型如圖8 3所示 頻率域中鑒相器數(shù)學(xué)模型如圖8 4所示 圖8 3鑒相器的線形化數(shù)學(xué)模型 時域 圖8 4鑒相器的線形化數(shù)學(xué)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(yùn)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 圖8 5確三種常用的環(huán)路濾波器 1 RC積分濾波器 圖8 5 a 為一階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j 得 RC 8 12 2 無源比例積分濾波器 其傳遞函數(shù)為 1 R1C 2 R2C 8 13 8 14 3 有源比例積分濾波器在運(yùn)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(shí)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(guān)系的 可用下式表示 即 8 15 式中 0 壓控振蕩器的中心頻率K 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(xué)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(xué)模型 將上面得到的鑒相器 濾波器與壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型代換到圖8 1中 可得出PLL的數(shù)學(xué)模型 圖8 7鎖相環(huán)路的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)此圖 即可得出鎖相環(huán)路的基本方程式為 或?qū)懗?表示整個鎖相環(huán)路的閉環(huán)傳輸函數(shù) 它表示在閉環(huán)條件下 輸入信號的相角與VCO輸出信號相角之間的關(guān)系