§8-3 锁相环路 学习要点： PLL的基本工作原理 PLL的捕捉与跟踪过程 锁相环路的基本特性.

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1 §8-3 锁相环路 学习要点： PLL的基本工作原理 PLL的捕捉与跟踪过程 锁相环路的基本特性

2 自动增益、频率控制电路 8-3-1 PLL基本工作原理 8-3-2 PLL基本组成电路分析 8-3-3 PLL锁相模型
8-3-6 集成锁相环 8-3-7 锁相环的应用

3 8-3-1 PLL基本工作原理 ——通过相位自动控制来精确的实现频率自动控制
AFC系统的缺点——存在固有频率误差，达不到所需频率精度 PLL系统（锁相环路）——通过控制相位来控制频率。利用相位 反馈控制技术，只存在剩余相位差， 消除了剩余频差，即通过相位自动控 制系统可实现精确的频率自动控制。 PLL基本工作原理 锁相环路（PLL）组成框图如图所示： uC(t) uD(t) ωo uo(t) 输出信号 ωi ui(t) 输入参考信号 PD LF VCO

4 包括三个主要的部分：1)鉴相器（PD）； 2)环路滤波器（LF）； 3)压控振荡器（VCO）。 工作原理——锁相环是利用两个信号之间的相位误差来控制压 控振荡器输出信号的频率，最终使两个信号之间 的相位差保持恒定，从而达到使两个信号频率相 等的目的。 失锁状态——锁相环路中，如果压控振荡器的角频率o与输 入信号角频率ωi不相同时，则称锁相环路处于 失锁状态

5 此时输入到鉴相器的电压ui(t)和uo(t)之间相位差变动,并输出一与相位差成比例的误差电压uD(t) →该电压经环路滤波器（实际为低通滤波器）取出直流或低频分量uC(t)作为控制电压（uC(t)随相位差而变化）加到压控振荡器上→压控振荡器频率不断改变→ui(t)和uo(t)之间的相位差减小，最终二者相位被“锁定”且频率相等，此时我们称环路处于锁定状态。 捕捉过程——锁相环路刚开始处于失锁状态．由失锁→锁定的 过程称为。 跟踪过程——当环路锁定后，由于某种原因引起ωi与o发生变 化时（只要变化不很大），环路通过自身的调节 作用，可使o跟踪ωi而变化，从而维持环路的锁 定。 捕捉与跟踪是锁相环路的两种不同的自动调节过程。

6 8-3-2 PLL基本组成分析 ——锁相环路的性能主要取决于鉴相器、压控振荡器和环路 滤波器三个基本组成部分 1. 鉴相器
设环路输入参考信号电压为 ui(t)=Uimsinωi t 压控振荡器的输出电压为 uo(t)=Uomcos[ωr t+φo(t)] 输入、输出信号间的瞬时相差为 φe(t)＝[ωrt+φi(t)]－[ωrt+φo(t)]= φi(t)－φo(t)　　 鉴相器将此相位差转换成相应的电压，然后再利用该电压去控制压控振荡器。

7 鉴相器的电路很多。当采用模拟乘法器作鉴相器时，其输出为
uD(t)=KmUimUomsin[2ωrt+φi(t)+φo(t)]+KmUimUomsin[φi(t)－φo(t)]　　　　 讨论：1）第一项为高频分量，被环路滤波器所滤除。 2）第二项为鉴相器的输出电压 uD(t)= KmUimUomsin[φi(t)－φo(t)]　 令：　 Kd=KmUimUom ——鉴相灵敏度，表示鉴相器的最大输出 电压 又已知　　 φe(t)＝φi(t)－φo(t) 所以上式可化为 uD(t)= Kdsinφe(t)　 2. 环路滤波器 ——滤除鉴相器输出电压中的高频分量，起平滑滤波的作用， 提高环路的稳定性

8 环路滤波器分类——1）简单RC积分滤波器；
3）有源比例积分滤波器，

9 (a) VCO特性曲线 (b) VCO电路模型
3. 压控振荡器 ——是一种瞬时振荡角频率受控制电压uC(t)控制的振荡器， 也就是一种电压—频率变换器。 VCO特性曲线——振荡角频率随控制电压uC(t)变化的曲线。一般 为非线性曲线， 压控振荡器的控制特性及其电 路模型如图所示。 压控振荡器的控制特性及其电路模型 (a) VCO特性曲线 (b) VCO电路模型 uC(t) φo (t) (b)

10 8-3-3 PLL相位模型 8-3-4 PLL的捕捉与跟踪过程
锁相环路的相位模型如下图所示。 它明确地表示了锁相环路的相位反馈调节关系 φo(t) uD(t) φe(t) ＋ － φi(t) Kdsinφe(t) uC(t) F(p) Ko/p 锁相环路相位模型 φo(t) uD(t) φe(t) ＋ － φi(t) Kdsinφe(t) uC(t) F(p) Ko/p 锁相环路相位模型 PLL的捕捉与跟踪过程

11 1. 捕捉过程 ——是锁相环路由起始的失锁状态进入锁定状态的过程。 捕捉带（ΔωP）——能够由失锁进入锁定所允许的输入信号角频 率ωi偏离r的最大值|Δωi|(最大固有角频 差) 捕捉时间（τP）——捕捉过程所需要的时间。 当未加ui(t)时，VCO上没有控制电压，振荡角频率为r。 当加入恒定ωi的输入时→产生固有角频差Δωi= ωi-r，同时形 成瞬时相差φe(t) = =Δωi t→鉴相器输出误差电压 uD(t) = KdsinΔωi t。 显然，uD(t)是频率为Δωi的差拍电压。

12 (1) Δωi较小：这时由于Δωi在环路滤波器的通频带内，uD(t)的
基波分量能够顺利通过环路滤波器加到VCO 上，控制VCO的振荡频率向输入信号频率的方向 偏移，直到o=ωi，环路进入锁定状态。 (2) Δωi较大：这时Δωi超出环路滤波器的通频带，但仍在捕捉 频带内。这时uD(t)通过环路滤波器有较大衰减， 使控制电压uC(t)很小， o(t)不能立即变化到ωi。 经过多个差拍(ωi-o)周期，VCO振荡频率o(t)的 平均值逐步靠近ωi，最终o(t) =ωi，环路锁定。 频率牵引：通常将o(t)的平均值逐步靠近ωi的现象。它是 使捕捉时间变长的主要原因。 (3) Δωi很大：Δωi远远大于环路滤波器的通频带和捕捉频带。 这时鉴相器输出的电压uD(t)不能通过环路滤波 器，滤波器的输出为零或保持不变，VCO的输出 频率也保持不变，环路处于失锁状态。

13 2. 跟踪过程 跟踪过程——已锁定的环路，若ωi（或o）发生变化时，则 VCO振荡角频率o跟踪ωi而变化，维持o=ωi 的锁定状态，这个过程就是跟踪过程。 跟踪带（ΔωH）——维持环路锁定所允许的最大固有角频差 |Δωi|称为锁相环路的同步带或跟踪带。 跟踪的基本原理与捕捉类似，跟踪范围也是有限的，它取决 于环路的控制频差。 捕捉带小于跟踪带——因为在捕捉过程中，由于环路滤波器的 存在，当固有角频差|Δωi|较大时，误 差电压uD(t)将受到较大衰减，此时环路 的控制能力较差。

14 8-3-5 PLL的基本特性 1. 锁定特性 2. 跟踪特性 3. 窄带滤波特性 (a) ωb uD(t) (b) ωi 捕捉带与跟踪带
ΔωH ΔωP ωd ωc ωb ωa o ωi uD(t) (跟踪带) (捕捉带) (a) (b) 捕捉带与跟踪带 PLL的基本特性 1. 锁定特性 2. 跟踪特性 3. 窄带滤波特性

15 8-3-6 集成锁相环 8-3-7 锁相环的应用 特点——成本降低，可靠性提高，使用方便，应用广泛。
集成锁相环 特点——成本降低，可靠性提高，使用方便，应用广泛。 分类——按电路组成分1）模拟锁相环路：本组成部件以模拟电 路为主 2）数字锁相环路：本组成部件以数字电 按按其用途分1）通用型：通常使用的皆属通用型 2）专用型：用于调频立体声解码电路及电 视机中的正交色差信号同步检 波环路等专用场合的锁相环路 属于专用型。 锁相环的应用

16 ——具有许多独特优点，所以在通信、电视、广播、空间技 术等方面得到广泛的应用。 1. 锁相鉴频电路
φo(t) 输入调频信号 输出解调信号 uC(t) φi(t) PD LF VCO 调频信号的锁相解调电路 2. 调幅信号的同步检波

17 3. 锁相接收机 解调电压输出 ur(t) ui(t) 中频信号 本地标准 ωi 输入信号 混频器 中频放大器 PD VCO LF o
π/2移相器 同步 检波器 LPF 3. 锁相接收机 中频信号 本地标准 ωi 输入信号 混频器 中频放大器 PD VCO LF o 中频信号输出

18 课后小结——见黑板 作业题： P 、4、5 预习：个人完成总复习