鎖相環(huán)PLL原理與應(yīng)用【專業(yè)內(nèi)容】

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1、鎖相環(huán)原理與應(yīng)用鎖相環(huán)原理與應(yīng)用電子大賽輔導(dǎo)電子大賽輔導(dǎo)20112011年年6 6月月2727日日1高等教育PDLPFVCOuiuoucud鎖相環(huán)的英文全稱是Phase-Locked Loop，簡(jiǎn)稱PLL。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路。鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利鎖相環(huán)的特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。和相位。鎖相環(huán)通常由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成。2高等教育鑒相器鑒相器PD：是一個(gè)完成相位比較的單元，

2、用來比較輸入信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的之間的相位。它的輸出電壓正比于兩個(gè)輸入信號(hào)之相位差。低通濾波器低通濾波器LPF：是一個(gè)有源或無源低通濾波器。其作用是濾除鑒相器輸出電壓中的高頻分量（包括和頻及其他的高頻噪聲），起平滑濾波的作用。通常由電阻、電容或電感等組成，有時(shí)也包含運(yùn)算放大器。壓控振蕩器壓控振蕩器VCO：是一個(gè)振蕩頻率受控制電壓控制的振蕩器，而振蕩頻率與控制電壓之間成線性關(guān)系。在PLL中，壓控振蕩器實(shí)際上是把控制電壓轉(zhuǎn)換為相位。3高等教育鎖相環(huán)中的鑒相器通常由模擬乘法器組成也可以由數(shù)字電路組成)()()()(sin )()()()(sin )()(sin)()(cos22)()()()(cos2)

3、()()(sin2)(ttttttAttttttAttttttAtutuAuttttuttttuiioodiioodiioodoiddoooiii用低通濾波器LPF將上式中的和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓)()()()(sinttttttAuiioodc初始的初始的0=r，r指環(huán)路無輸入信號(hào)、指環(huán)路無輸入信號(hào)、環(huán)路對(duì)環(huán)路對(duì)VCO無控制作用時(shí)無控制作用時(shí)VCO的振蕩頻的振蕩頻率，稱為電路的固有振蕩頻率或自由震蕩率，稱為電路的固有振蕩頻率或自由震蕩頻率。頻率。Ad是鑒相器的增益是鑒相器的增益4高等教育此時(shí)的i(t)為輸入信號(hào)的瞬時(shí)振蕩角頻率，o(t)為輸出信號(hào)的瞬時(shí)振蕩角

4、頻率；i(t)和o(t)分別為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的瞬時(shí)位相。瞬時(shí)頻率（單位時(shí)間變化的弧度）（單位時(shí)間變化的弧度）和瞬時(shí)相位的關(guān)系為：dtttdttdt)()()()(則，瞬時(shí)相位差d為)()()()()(ttttttoioid說明：以說明：以cos(t)t+(t)為例為例瞬時(shí)頻率瞬時(shí)頻率為為d(t)t+(t)/dt瞬時(shí)相位瞬時(shí)相位為為(t)t+(t)。根據(jù))()()()(sinttttttAuiioodc5高等教育對(duì)兩邊求微分，可得與差頻的關(guān)系式（瞬時(shí)差頻）（瞬時(shí)差頻）為dtttddttttddttdoioid)()()()()(說明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài)，此時(shí)輸出和輸入信號(hào)的頻率相等、相位

5、差保持恒定不變的狀態(tài)，uc的直流分量為恒定值。當(dāng)上式不等于零時(shí)，說明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率不等，uc的直流分量隨時(shí)間而變。因壓控振蕩器的壓控特性為線性，該特性說明VCO的振蕩頻率0(t)以固有頻率r為中心，隨輸入信號(hào)電壓uc的變化而變化。該特性的表達(dá)式為如果上式等于零，說明Cttttoioii)()(0)()(6高等教育corouAtt)()(上式說明當(dāng)uc隨時(shí)間而變時(shí)，VCO的輸出振蕩頻率o(t)也隨時(shí)間而變，鎖相環(huán)進(jìn)入“頻率牽引”自動(dòng)跟蹤捕捉輸入信號(hào)的頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài)，并保持0(t)=i(t)的狀態(tài)不變。鎖相：實(shí)現(xiàn)相位同步（相差恒定）。鎖相：實(shí)現(xiàn)相位同步

6、（相差恒定）。鎖相環(huán)：能使兩個(gè)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)相位同步的閉環(huán)系統(tǒng)。鎖相環(huán)：能使兩個(gè)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)相位同步的閉環(huán)系統(tǒng)。Ao壓控振蕩器增益（靈敏度）Uc(t)ro(t)07高等教育鎖相環(huán)仿真前對(duì)一些基本仿真原件的認(rèn)識(shí)VCO0FM、VCO信號(hào)相乘8高等教育一種由數(shù)字電路組成的鑒相器。檢測(cè)到輸入信號(hào)過零時(shí)開啟計(jì)數(shù)器；檢測(cè)到參考信號(hào)過零時(shí)鎖定計(jì)數(shù)器。其間計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)值就是相位差的某種表達(dá)。該計(jì)數(shù)值經(jīng)過A/D后就成為相位差某種表達(dá)模擬量。RS觸發(fā)器觸發(fā)器9高等教育PDLPFVCOuiuoucudf1f2U(t)UI(t)Uo(t)Ud(t)對(duì)鎖相環(huán)的另一種描述對(duì)鎖相環(huán)的另一種描述反饋過程簡(jiǎn)單描述：反饋過程簡(jiǎn)單描述

7、：o o(t)(t)頻差頻差 PD的直流分量的直流分量 L LPF的直流分量的直流分量 o o(t)(t)頻差頻差 PD的直流分量的直流分量 L LPF的直流分量的直流分量 o o(t)(t)循環(huán)往復(fù)循環(huán)往復(fù)頻差頻差=0 PD的直流分量的直流分量=常數(shù)常數(shù) L LPF的直流分量的直流分量=常數(shù)常數(shù)10高等教育能夠由失鎖進(jìn)入鎖定所允許的最大初始頻差能夠由失鎖進(jìn)入鎖定所允許的最大初始頻差|i i|=|=i i(t)-o o(t)稱為捕捉帶稱為捕捉帶初始時(shí)初始時(shí)0(t)=r。因此最大初始頻差也可以寫作因此最大初始頻差也可以寫作i i(t)-r r 鎖定后，濾波器輸出的直流分量為恒定值。鎖定后，濾波器

8、輸出的直流分量為恒定值。11高等教育鎖相環(huán)仿真（PLL0）：改變串?dāng)_頻率、修改濾波器參數(shù)、改變0等觀察0時(shí)刻瞬態(tài)響應(yīng)、鎖定頻率輸出。（例中給的直流電源實(shí)際上是（例中給的直流電源實(shí)際上是作為初始震蕩頻率值之用，合作為初始震蕩頻率值之用，合理設(shè)置理設(shè)置VCO參數(shù)，也可以不用參數(shù)，也可以不用直流電源）直流電源）12高等教育直觀分析：若i很大，其頻差值超過LPF的通帶，ud不能通過。LPF無uc輸出，鎖相環(huán)的輸出0(t)將維持在VCO固有頻率r上不變。環(huán)路無法鎖定失鎖。若很小，其值在LPF的通帶內(nèi)，ud經(jīng)LPF產(chǎn)生uc輸出，控制VCO的頻率，使之在固有頻率r上下按正弦規(guī)律擺動(dòng)。一旦能夠擺動(dòng)到i(t)并

9、符合正確的相位關(guān)系時(shí)，環(huán)路鎖定，PD的輸出uc經(jīng)LPF后的直流分量保持不變。13高等教育觀察固有震蕩頻率r=0的情況。（增益需選擇合適）低通濾波器的截止頻率應(yīng)控制在最大差頻值。顯然，鎖定效果取決于：LPF的截止頻率、VCO的自由震蕩頻率、VCO的靈敏度、PD的增益。描述二階鎖相環(huán)的方程是一個(gè)二階非線性微分方程（觀察鎖定過程）。在數(shù)學(xué)上對(duì)這一方程尚無嚴(yán)格的求解方法。二階鎖相環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)成：壓控振蕩器二階鎖相環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)成：壓控振蕩器VCO可以看成是一可以看成是一個(gè)理想的積分器。所以從系統(tǒng)的角度來看，如果低通濾個(gè)理想的積分器。所以從系統(tǒng)的角度來看，如果低通濾波器波器LPF是一階的，則鎖相環(huán)是一階的，則

10、鎖相環(huán)PLL可以看成一個(gè)二階系可以看成一個(gè)二階系統(tǒng)。統(tǒng)。對(duì)一個(gè)二階系統(tǒng)而言，就存在對(duì)一個(gè)二階系統(tǒng)而言，就存在n、。在同樣的。在同樣的LPF條條件下，件下，VCO靈敏度越高，靈敏度越高，越小（很快鎖定）。越?。ê芸戽i定）。14高等教育虛擬鎖相環(huán)(M)仿真從系統(tǒng)的角度看：15高等教育調(diào)頻波調(diào)頻波(FM)(FM)鎖相解調(diào)電路鎖相解調(diào)電路 實(shí)現(xiàn)不失真解調(diào)應(yīng)滿足：實(shí)現(xiàn)不失真解調(diào)應(yīng)滿足：環(huán)路的捕捉帶環(huán)路的捕捉帶|i i|調(diào)頻波的最大頻偏調(diào)頻波的最大頻偏環(huán)路的帶寬環(huán)路的帶寬 調(diào)制信號(hào)的頻譜寬度調(diào)制信號(hào)的頻譜寬度設(shè)設(shè) VCO 的頻率控制特性是線性的的頻率控制特性是線性的)()()(d)(d)(coocooos

11、VAsstvAttt 輸入調(diào)頻波為單音調(diào)制時(shí)：輸入調(diào)頻波為單音調(diào)制時(shí)：i(t)mcos t 16高等教育鎖相混頻鎖相混頻(AM)(AM)電路電路 混頻器輸出電壓的頻率：混頻器輸出電壓的頻率：|o(t)L|環(huán)路鎖定時(shí)：環(huán)路鎖定時(shí)：i|o(t)L|17高等教育解調(diào)電壓的復(fù)振幅：解調(diào)電壓的復(fù)振幅：momocm)j(j)j(j AHAHV振幅調(diào)制信號(hào)振幅調(diào)制信號(hào)(AM)(AM)的同步檢波的同步檢波 18高等教育鎖相倍頻電路鎖相倍頻電路環(huán)路的反饋通路中插入分頻器。環(huán)路的反饋通路中插入分頻器。環(huán)路鎖定時(shí)環(huán)路鎖定時(shí)Nooi 所以：所以：o o =N i i 19高等教育鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)FM調(diào)制調(diào)制PLL

12、120高等教育鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)AM混頻（收音機(jī)中放混頻（收音機(jī)中放465Hz）PLL321高等教育A MA M 調(diào) 制 信 號(hào) 的 同 步 檢 波調(diào) 制 信 號(hào) 的 同 步 檢 波 （PLL4PLL4）同步檢波：同步檢波：除了有需要解調(diào)除了有需要解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)電壓外還必須的調(diào)幅信號(hào)電壓外還必須外加一個(gè)頻率和相位與輸入外加一個(gè)頻率和相位與輸入信號(hào)載頻完全相同的同步信信號(hào)載頻完全相同的同步信號(hào)電壓。號(hào)電壓。濾波器設(shè)計(jì)：濾波器設(shè)計(jì)：截止頻率截止頻率20kHz20kHz22高等教育重要結(jié)論：當(dāng)ui是固定頻率正弦信號(hào)(i(t)為常數(shù))時(shí)，在環(huán)路的作用下，VCO輸出信號(hào)頻率可以由固有振蕩頻率r（即環(huán)路

13、無輸入信號(hào)、環(huán)路對(duì)VCO無控制作用時(shí)VCO的振蕩頻率），變化到輸入信號(hào)頻率i(t)。此時(shí)o(t)也是一個(gè)常數(shù)，ud、uc的直流分量保持不變直流分量保持不變此時(shí)為環(huán)路的鎖定狀態(tài)。定義：若用定義：若用i=i(t)-o(t)為環(huán)路頻差，用為環(huán)路頻差，用P表示表示環(huán)路的捕捉帶，則環(huán)路的捕捉帶，則當(dāng)當(dāng)|i|P時(shí)，環(huán)路不能進(jìn)入鎖定狀態(tài)。時(shí)，環(huán)路不能進(jìn)入鎖定狀態(tài)。23高等教育常用的鎖相環(huán)電路為一二階系統(tǒng)。系統(tǒng)自然諧振頻率n及阻尼系數(shù)是兩個(gè)重要參數(shù)。1.n越小，環(huán)路的低通特性截止頻率越小、等效帶通濾波器的帶寬越窄；2.越大，環(huán)路穩(wěn)定性越好。3.當(dāng)環(huán)路輸入端有噪聲時(shí)，i(t)將發(fā)生抖動(dòng)，n越小，環(huán)路濾除噪聲的能

14、力越強(qiáng)。24高等教育相圖概念相圖概念 以相位差以相位差e(t)為橫坐標(biāo)，以為橫坐標(biāo)，以d de(t)/dt為縱坐標(biāo)為縱坐標(biāo)構(gòu)成構(gòu)成的平面稱為相平面。的平面稱為相平面。相平面內(nèi)的任意點(diǎn)稱為相點(diǎn)，相平面內(nèi)的任意點(diǎn)稱為相點(diǎn)，它表示一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)。它表示一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)。系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間的變化過程可以用相點(diǎn)在平面上系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間的變化過程可以用相點(diǎn)在平面上的移動(dòng)過程來表示，相點(diǎn)的移動(dòng)描述出的曲線稱為的移動(dòng)過程來表示，相點(diǎn)的移動(dòng)描述出的曲線稱為相軌跡，繪有相軌跡的平面稱為相圖。相軌跡，繪有相軌跡的平面稱為相圖。25高等教育PLLPLL的階：的階：因?yàn)橐驗(yàn)閂COVCO是一個(gè)理想的積分器，所以鎖相環(huán)路的階是一個(gè)理想

15、的積分器，所以鎖相環(huán)路的階數(shù)為數(shù)為n+1n+1，n n為為L(zhǎng)PFLPF的階數(shù)。的階數(shù)。如采用一階無源如采用一階無源RCRC積分濾波器積分濾波器時(shí)，則時(shí)，則PLLPLL為二階。鎖相環(huán)的階數(shù)始終比環(huán)路濾波器高一階。為二階。鎖相環(huán)的階數(shù)始終比環(huán)路濾波器高一階。采用高階的環(huán)路濾波器，可以使系統(tǒng)在縮短捕捉時(shí)間的同時(shí)，采用高階的環(huán)路濾波器，可以使系統(tǒng)在縮短捕捉時(shí)間的同時(shí)，提高對(duì)相位噪聲和寄生干擾的抑制。帶來的問題是使得對(duì)鎖提高對(duì)相位噪聲和寄生干擾的抑制。帶來的問題是使得對(duì)鎖相環(huán)的理論分析變得非常復(fù)雜。相環(huán)的理論分析變得非常復(fù)雜。一階鎖相環(huán)路捕捉過程的討論一階鎖相環(huán)路捕捉過程的討論無環(huán)路濾波器（無環(huán)路濾波器

16、（RC RC積分濾波器）的鎖相環(huán)為一階環(huán)，其動(dòng)積分濾波器）的鎖相環(huán)為一階環(huán)，其動(dòng)態(tài)方程為態(tài)方程為uiuoAo/sudAdi ie eo o26高等教育設(shè)：輸入信號(hào)為設(shè)：輸入信號(hào)為sin(sin(i i(t)t+t+i i(t)輸入相位輸入相位i i(t)，輸出相位，輸出相位o o(t)，輸入，輸入/輸出相位差輸出相位差e e(t)。鑒相器增益鑒相器增益A Ad d，VCOVCO增益增益A Ao o。頻差頻差i i=i i(t)-o o(t)根據(jù)系統(tǒng)框圖，有根據(jù)系統(tǒng)框圖，有e e(s)(s)=i i (s)-(s)-o o(s)(s)=i i(s)(s)-e e(s)(s)A Ad dA Ao

17、o/s/ss/)(sin()()(sAAsseodie)(sin()()()(tAAttdttdeodiee由于相差是以sin函數(shù)的形式出現(xiàn)的，故寫成上式。根據(jù)瞬時(shí)頻率（單位時(shí)間變化的弧度）（單位時(shí)間變化的弧度）和瞬時(shí)相位的關(guān)系，可得瞬時(shí)頻率差和瞬時(shí)相位差之間的關(guān)系：?27高等教育當(dāng)外因影響造成當(dāng)外因影響造成 位于橫坐標(biāo)以上的上半面。即相位誤差位于橫坐標(biāo)以上的上半面。即相位誤差e e(t)(t)隨時(shí)間的隨時(shí)間的增加而增加而增加，增加，所以相點(diǎn)必然沿著相軌跡從左向右轉(zhuǎn)移。所以相點(diǎn)必然沿著相軌跡從左向右轉(zhuǎn)移。在圖中各在圖中各A A、B B點(diǎn)處均滿足點(diǎn)處均滿足 條件，環(huán)路鎖定，條件，環(huán)路鎖定，A A

18、、B B點(diǎn)為平衡點(diǎn)。點(diǎn)為平衡點(diǎn)。0)()(tdttdee0)(0)()(dttdtdttdeei且0)(0)()(dttdtdttdeee且28高等教育B B點(diǎn)為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，一旦狀態(tài)偏離了點(diǎn)為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，一旦狀態(tài)偏離了B B點(diǎn)，就會(huì)沿箭頭所點(diǎn)，就會(huì)沿箭頭所示方向進(jìn)一步偏離示方向進(jìn)一步偏離B B點(diǎn)，最終穩(wěn)定到鄰近的穩(wěn)定平衡點(diǎn)點(diǎn)，最終穩(wěn)定到鄰近的穩(wěn)定平衡點(diǎn)A A，而不可能再返回而不可能再返回B B點(diǎn)。點(diǎn)。即相即相位誤差位誤差e e(t)(t)隨時(shí)間的增加而減小，隨時(shí)間的增加而減小，相點(diǎn)必然沿著相相點(diǎn)必然沿著相規(guī)規(guī)跡從右向左轉(zhuǎn)移。跡從右向左轉(zhuǎn)移。所以，所以，A A點(diǎn)為穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。點(diǎn)為穩(wěn)定的平衡

19、點(diǎn)。相位差的導(dǎo)相位差的導(dǎo)數(shù)就是頻差數(shù)就是頻差29高等教育隨著隨著i i的增加的增加A A、B B兩點(diǎn)逐漸靠近，當(dāng)兩點(diǎn)逐漸靠近，當(dāng)i i =A=Ao o時(shí)，時(shí)，A A、B B兩點(diǎn)重合，無穩(wěn)定的兩點(diǎn)重合，無穩(wěn)定的平衡點(diǎn)；平衡點(diǎn)；i i AAo o時(shí)，無穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。時(shí)，無穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。環(huán)路無法鎖定。環(huán)路無法鎖定。式中：式中：A Ao o=A Ad dA Ao o鎖定狀態(tài)時(shí)鎖定狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)態(tài)相位的穩(wěn)態(tài)相位差差 為正整數(shù)n 2)(arcsin()(0)(sin()()()(nAAtttAAttdttdodieeodiee30高等教育定義，環(huán)路能夠鎖定所允許的最大定義，環(huán)路能夠鎖定所允許的最大i i稱為同

20、步帶，用稱為同步帶，用H H表示。表示。一階環(huán)同步帶：一階環(huán)同步帶：|H H|=A|=Ad dA Ao o定義，環(huán)路能夠鎖定所允許的最大定義，環(huán)路能夠鎖定所允許的最大i i稱為捕捉帶，用稱為捕捉帶，用P P表示。表示。一階環(huán)捕捉帶：一階環(huán)捕捉帶：|p p|=A|=Ad dA Ao o當(dāng)當(dāng)|i i|A|A|Ad dA Ao o時(shí)，環(huán)路閉合前，時(shí)，環(huán)路閉合前，VCOVCO的角頻率為的角頻率為o o(t)=(t)=r r(固有震蕩頻率固有震蕩頻率)環(huán)路閉合的瞬間，由環(huán)路閉合的瞬間，由PDPD產(chǎn)生產(chǎn)生 的的)(sintAueddtttAtAuoididd)()(sin(sin35高等教育當(dāng)當(dāng)o o(t

21、)(t)r r時(shí)，時(shí)，VCO VCO輸出上升，輸出上升，i i-o o減小，相位差減小，相位差的變化率小的變化率?。ㄒ?yàn)橄辔徊畹膶?dǎo)數(shù)就是頻差）（因?yàn)橄辔徊畹膶?dǎo)數(shù)就是頻差），e e(t)(t)隨時(shí)隨時(shí)間間增長(zhǎng)慢增長(zhǎng)慢（因?yàn)椋ㄒ驗(yàn)橄辔徊钭兓市。┫辔徊钭兓市。?。?dāng)當(dāng)o o(t)(t)r r時(shí)，時(shí)，VCO VCO輸出下降，輸出下降，i i o o增大，相位增大，相位差的變化率大，差的變化率大，e e(t)(t)隨時(shí)間隨時(shí)間增長(zhǎng)快。增長(zhǎng)快。如圖如圖a a所示。所示。失鎖時(shí)的反饋過程：失鎖時(shí)的反饋過程：o o(t)(t)頻差頻差 PD的直流分量的直流分量 o o(t)(t)頻差頻差 PD的直流分量的直

22、流分量o o(t)(t)循環(huán)往復(fù)（頻差總是不為循環(huán)往復(fù)（頻差總是不為0）tttAtAuoididd)()(sin(sin失鎖時(shí)，根據(jù)壓控電壓失鎖時(shí)，根據(jù)壓控電壓u ud d的波動(dòng)的波動(dòng)36高等教育顯然，顯然，u ud d 不再是正弦不再是正弦波，而是正半周時(shí)間長(zhǎng)、波，而是正半周時(shí)間長(zhǎng)、負(fù)半周時(shí)間短的不對(duì)稱負(fù)半周時(shí)間短的不對(duì)稱波形，如圖波形，如圖b b所示。由所示。由于壓控振蕩器的頻率控于壓控振蕩器的頻率控制特性是線性的，壓控制特性是線性的，壓控振蕩器的振蕩頻率的變振蕩器的振蕩頻率的變化部分與化部分與u ud d相同，如圖相同，如圖c c所示。所示。37高等教育由于由于u ud d 波形上下不對(duì)

23、稱，其直流成分控制波形上下不對(duì)稱，其直流成分控制VCOVCO，使，使VCOVCO的的平均頻率平均頻率o(av)o(av)(t)(t)靠近輸入信號(hào)的頻率靠近輸入信號(hào)的頻率 i i(t)(t)38高等教育頻率牽引（頻率牽引（Frequency PullingFrequency Pulling）現(xiàn)象：）現(xiàn)象：環(huán)路雖然不能鎖定，但由于環(huán)路的控制作用，使環(huán)路雖然不能鎖定，但由于環(huán)路的控制作用，使VCOVCO的平的平均頻率向均頻率向i i(t)(t)接近了的現(xiàn)象。接近了的現(xiàn)象。由于由于o o(t)(t)的平均值由的平均值由r r上升到上升到o(av)o(av)(t)(t)，這個(gè)新的，這個(gè)新的o(av)o(

24、av)(t)(t)再與再與i i(t)(t)差拍，得到更低的差拍角頻率，相應(yīng)差拍，得到更低的差拍角頻率，相應(yīng)的的e e(t)(t)隨時(shí)間增長(zhǎng)更慢，鑒相器的輸出電壓的頻率更低，隨時(shí)間增長(zhǎng)更慢，鑒相器的輸出電壓的頻率更低，且上、下不對(duì)稱程度更大，壓控振蕩器的平均角頻率且上、下不對(duì)稱程度更大，壓控振蕩器的平均角頻率o(av)o(av)(t)(t)比振蕩頻率比振蕩頻率o o(t)(t)更接近輸入信號(hào)角頻率更接近輸入信號(hào)角頻率 i i(t)(t)。如此如此循環(huán)，最終使環(huán)路進(jìn)入快捕狀態(tài)，通過快捕循環(huán)，最終使環(huán)路進(jìn)入快捕狀態(tài)，通過快捕進(jìn)入鎖定。進(jìn)入鎖定。39高等教育二階鎖相環(huán)二階鎖相環(huán)一階環(huán)路的缺陷：可供調(diào)

25、整的參數(shù)只有直流總增益一階環(huán)路的缺陷：可供調(diào)整的參數(shù)只有直流總增益A Ad dA Ao o，且，且環(huán)路的各種重要特性也都由它來決定。如若環(huán)路的各種重要特性也都由它來決定。如若希望環(huán)路的同步希望環(huán)路的同步范圍大和穩(wěn)態(tài)相差小，則要求增益范圍大和穩(wěn)態(tài)相差小，則要求增益 A Ad dA Ao o大。但在大。但在增大增大A Ad dA Ao o的的同時(shí)，環(huán)路的上限頻率也提高了同時(shí)，環(huán)路的上限頻率也提高了-A-Ad dA Ao o+o o i i A Ad dA Ao o+o o 結(jié)果將使環(huán)路的濾波性能變壞。結(jié)果將使環(huán)路的濾波性能變壞。二階環(huán)路的同步帶：二階環(huán)路的同步帶：|H H|=A|=Ad dA Ao

26、 oA AF F(0)(0)實(shí)際上，任何環(huán)路的同步帶均等于環(huán)路直流總增益實(shí)際上，任何環(huán)路的同步帶均等于環(huán)路直流總增益A Ao o。在二階環(huán)路中，其捕捉過程中的快捕鎖定過程與一階環(huán)路在二階環(huán)路中，其捕捉過程中的快捕鎖定過程與一階環(huán)路相同，但其頻率牽引過程卻與一階環(huán)不同相同，但其頻率牽引過程卻與一階環(huán)不同(略略)。40高等教育二階鎖相環(huán)捕捉過程的定性討論二階鎖相環(huán)捕捉過程的定性討論 若若i i很大，其值超過很大，其值超過LPFLPF的通頻帶的通頻帶u ud d不能通過。不能通過。LPFLPF無無u uc c輸出，即輸出，即u uc c=0=0，其頻率將維持在，其頻率將維持在r r上不變。環(huán)路無法鎖

27、上不變。環(huán)路無法鎖定定失鎖。失鎖。若若i i很小，其值在很小，其值在LFLF的通帶內(nèi)，則的通帶內(nèi)，則u ud d經(jīng)經(jīng)LPFLPF產(chǎn)生產(chǎn)生u uc c控制控制VCOVCO的角頻率的角頻率o o(t)(t)，使之在使之在r r上下按正弦規(guī)律擺動(dòng)。一上下按正弦規(guī)律擺動(dòng)。一旦能夠擺動(dòng)到旦能夠擺動(dòng)到i i(t)(t)并符合正確的相位關(guān)系時(shí)，環(huán)路鎖并符合正確的相位關(guān)系時(shí)，環(huán)路鎖定，定，PDPD的輸出為的輸出為)(sintAuedd若若i i處于上兩者之間，又有以下兩種情況：處于上兩者之間，又有以下兩種情況：41高等教育 （A A）i i較大，其值雖已超出環(huán)路濾波器的通頻帶范較大，其值雖已超出環(huán)路濾波器的通

28、頻帶范圍，圍，PDPD的輸出通過的輸出通過LPFLPF有很大衰減，但仍有有很大衰減，但仍有 u uc c產(chǎn)生，以產(chǎn)生，以控制控制VCOVCO的振蕩角頻率，只要能使的振蕩角頻率，只要能使o o(t)(t)擺動(dòng)到擺動(dòng)到i i(t)(t)上，上，環(huán)路就能鎖定。環(huán)路就能鎖定。（B B）i i比（比（A A）大。顯然，）大。顯然，u ud d經(jīng)經(jīng)LPFLPF后的衰減更大，后的衰減更大，加到加到VCOVCO上的上的u uc c很小。很小。VCOVCO的的o o(t)(t)在在r r上、下擺動(dòng)的幅上、下擺動(dòng)的幅度更小。使度更小。使 o o(t)(t)不能擺到不能擺到i i(t)(t)上，上，但但由于由于i

29、i(t)(t)是是恒定的，而恒定的，而 o o(t)(t)又在又在r r上、下擺動(dòng)，因而上、下擺動(dòng)，因而他們之間他們之間的的差拍差拍 i i(t)-(t)-o o(t)(t)將相應(yīng)隨時(shí)間擺動(dòng)。使將相應(yīng)隨時(shí)間擺動(dòng)。使u ud d不再不再是正弦是正弦波，波，而是正半周時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)半周時(shí)間短的不對(duì)稱波形。而是正半周時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)半周時(shí)間短的不對(duì)稱波形。42高等教育二階二階鎖相環(huán)鎖相環(huán)捕捉帶的簡(jiǎn)單計(jì)算捕捉帶的簡(jiǎn)單計(jì)算二階二階鎖相環(huán)鎖相環(huán)在捕捉過程中，加到在捕捉過程中，加到VCO上的控制電壓上的控制電壓 環(huán)路鎖定時(shí)環(huán)路鎖定時(shí) 該式即為求該式即為求 p p的公式。的公式。)(pFdcAAuAF(p p)表示在表

30、示在捕捉帶內(nèi)，環(huán)路濾波器的輸出電壓。捕捉帶內(nèi)，環(huán)路濾波器的輸出電壓。VCO產(chǎn)生的最大控制頻差產(chǎn)生的最大控制頻差 opFdoAAA)(opFdopAAA)(PDLPFVCOuiuoucud43高等教育例如，采用無源例如，采用無源RC濾波網(wǎng)絡(luò)的二階濾波網(wǎng)絡(luò)的二階鎖相環(huán)鎖相環(huán)：則當(dāng)則當(dāng)=p p時(shí)，由于時(shí)，由于令令s=p p，有，有代入計(jì)算代入計(jì)算p p的公式中：的公式中：RCAppF1)(RCAAodpRCAApodp1sRCsUsUsAdcF11)()()(44高等教育例：例：已知二階鎖相環(huán)鑒相器的增益已知二階鎖相環(huán)鑒相器的增益A Ad d=5V=5V，壓控振蕩器的增益，壓控振蕩器的增益A Ao

31、o=4x10=4x103 3Hz/VHz/V，固有振蕩頻率，固有振蕩頻率 f fo o=4x10=4x103 3HzHz。RC濾波網(wǎng)絡(luò)的濾波網(wǎng)絡(luò)的R=100k，C=100nF，求輸入頻率鎖定范圍（求輸入頻率鎖定范圍（pll2ord0pll2ord0）。）。解：解：電容換算：1F=1000mF、1mF=1000uF、1uF=1000nF、nF=1000pF)/(3544101001010040002593sradRCAAodp輸入頻率鎖定范圍：輸入頻率鎖定范圍：-4000+560 f-4000+560 fi i（HzHz）4000+560 4000+56045高等教育在一階在一階鎖相環(huán)鎖相環(huán)中，

32、由于鑒相器輸出的控制電壓總是小干使壓控中，由于鑒相器輸出的控制電壓總是小干使壓控振蕩的角頻率從振蕩的角頻率從r r變化到變化到(i i(t)-A(t)-Ad dA Ao o)所需的控制電壓，因所需的控制電壓，因而盡管它能使壓控振蕩器的頻率向輸入信號(hào)頻率靠近，但不能而盡管它能使壓控振蕩器的頻率向輸入信號(hào)頻率靠近，但不能使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。使環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。在二階在二階鎖相環(huán)鎖相環(huán)中，由于有低通濾波器作為環(huán)路濾波器，它相當(dāng)中，由于有低通濾波器作為環(huán)路濾波器，它相當(dāng)于一個(gè)積分器，將鑒相器輸出的直流分量積分。從而使環(huán)路濾于一個(gè)積分器，將鑒相器輸出的直流分量積分。從而使環(huán)路濾波器輸出的控制電壓不斷增加

33、，使壓控振蕩器的振蕩頻率不斷波器輸出的控制電壓不斷增加，使壓控振蕩器的振蕩頻率不斷向輸入信號(hào)頻率靠近，直至環(huán)路進(jìn)入相位鎖定狀態(tài)。向輸入信號(hào)頻率靠近，直至環(huán)路進(jìn)入相位鎖定狀態(tài)。如果有源如果有源積分濾波器為理想積分濾波器，那么不管固有頻差為多大，經(jīng)積分濾波器為理想積分濾波器，那么不管固有頻差為多大，經(jīng)過頻率牽引總能使環(huán)路達(dá)到鎖定狀態(tài)。過頻率牽引總能使環(huán)路達(dá)到鎖定狀態(tài)。46高等教育這就是說，理想積分濾波器作為環(huán)路濾波器的二階環(huán)路其捕這就是說，理想積分濾波器作為環(huán)路濾波器的二階環(huán)路其捕捉帶為無窮寬。但實(shí)際上，理想的有源積分濾波器是不存在捉帶為無窮寬。但實(shí)際上，理想的有源積分濾波器是不存在的，另外，壓控

34、振蕩器的頻率調(diào)整范圍是有限的。因此，實(shí)的，另外，壓控振蕩器的頻率調(diào)整范圍是有限的。因此，實(shí)際二階環(huán)路的捕捉頻帶為有限值。際二階環(huán)路的捕捉頻帶為有限值。47高等教育集成鎖相環(huán)集成鎖相環(huán)CD4046CD4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬（為3V18V），輸入阻抗高(約100M)，動(dòng)態(tài)功耗小，在中心頻率f0為10kHz下功耗僅為600W，屬微功耗器件。48高等教育CD4046鎖相環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)49高等教育CD4046鎖相環(huán)構(gòu)成的鎖相環(huán)構(gòu)成的FM調(diào)制電路調(diào)制電路CD4046鎖相環(huán)的應(yīng)用示例鎖相環(huán)的應(yīng)用示例50高等教育CD4046鎖相環(huán)構(gòu)成的音頻壓控振蕩器51高等教育CD4046

35、鎖相環(huán)構(gòu)成的頻率電壓控變換器52高等教育CD4046鎖相環(huán)構(gòu)成的簡(jiǎn)易金屬探測(cè)儀頻率電壓控變換器當(dāng)頻率進(jìn)入到一定的范圍即鎖定。濾掉了雜散震蕩頻率。53高等教育CD4046鎖相環(huán)構(gòu)成的頻率合成電路鎖相環(huán)構(gòu)成的頻率合成電路54高等教育倍頻電路在流量測(cè)量中的應(yīng)用倍頻電路在流量測(cè)量中的應(yīng)用55高等教育CD4046鎖相環(huán)構(gòu)成的100倍頻電路56高等教育用用CD4046鎖相環(huán)和鎖相環(huán)和三片三片4522組成組成1 999Hz頻率合成器頻率合成器 VV V V1312102 14 1156431 1681248A百位4522VDDVDDVDDVDD4522十位A84218161346511142101213VD

36、DVDD4522個(gè)位A842181613465111421012134X100K4X100K4X100K1KHzPD2VCO1431394671158164046100K10K47nOUTVDD10K51P晶振57高等教育CD4046鎖相環(huán)構(gòu)成的鎖相環(huán)構(gòu)成的FM調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)電路調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)電路16151413121110987654321161514131211109876543214046B4046A9V9V9V10K10K1M10K1n1n47n10u100uUiUo1M10K5K110K510P51P100K9V-9VFM輸出輸出音頻輸入音頻輸入音頻音頻放大放大輸出輸出FM解調(diào)解調(diào)FM調(diào)

37、制調(diào)制58高等教育CD4046的中心頻率由r4和c4確定，約為100kHz。CD4046在不同外部元件參數(shù)下的特性曲線紅外發(fā)射與接收的紅外發(fā)射與接收的調(diào)制解調(diào)電路調(diào)制解調(diào)電路59高等教育CD4046鎖相環(huán)構(gòu)成的鎖相環(huán)構(gòu)成的鎖相時(shí)鐘抑制串模干擾電路鎖相時(shí)鐘抑制串模干擾電路當(dāng)電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定時(shí)，仍能獲得穩(wěn)定的輸出時(shí)鐘頻率。60高等教育模擬鎖相環(huán)模擬鎖相環(huán)NE564的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)61高等教育NE564的壓控振蕩器(VCO)是改進(jìn)型射極耦合多諧振蕩器，其固有振蕩頻率o與接在12、13端的定時(shí)電容C有關(guān)。)()(1610C )(100 1613PFMHzfRCRfocco片內(nèi)電阻62高等教育NE

38、564的FM解調(diào)電路設(shè)計(jì) 用NE564組成41.4MHz的FM電路，如圖所示。FM輸入信號(hào)的電壓vi100mV，調(diào)制信號(hào)的頻率f=1KHz，該電路的元件參數(shù)設(shè)計(jì)如下63高等教育NE56474LS3936391frf0=NfrNNE546倍頻器設(shè)計(jì)倍頻器設(shè)計(jì)64高等教育鎖相環(huán)綜合應(yīng)用舉例鎖相環(huán)綜合應(yīng)用舉例收音機(jī)數(shù)字調(diào)諧器的構(gòu)成收音機(jī)數(shù)字調(diào)諧器的構(gòu)成 雙音多頻信號(hào)（雙音多頻信號(hào)（DTMF）低頻群低頻群L（Hz）高頻群高頻群H(Hz)120913361477697123770456852789941*0#每個(gè)按紐各由每個(gè)按紐各由H和和L中的一個(gè)頻率組成中的一個(gè)頻率組成 65高等教育鎖相式雙音多頻信號(hào)

39、（鎖相式雙音多頻信號(hào)（DTMF）解碼器）解碼器 用5087構(gòu)成雙音多頻信號(hào)（DTMF）發(fā)生器V345141312111234567890*#COL1COL2COL3ROW1ROW2ROW3ROW4781661VDD(5V)3.58MHz5K11KDTMF508766高等教育用用LM567進(jìn)行單一頻率檢測(cè)電路進(jìn)行單一頻率檢測(cè)電路LM567的中心頻率(由5、6腳外圍的R、C決定)為fo,當(dāng)Vin中包含有fo成分時(shí)，則8腳輸出低電平，否則高電平。356218475V5VVin1035K110K1041u10u10K56767高等教育1組DTMF信號(hào)解碼器240011209Hz697HzDTMFOUT

40、5V+356218475V5VVin1035K110K1041u10u10K56756710K10u1u10410K10K103Vin5V5V74812653當(dāng)輸入信號(hào)同時(shí)包含兩個(gè)頻率(697,1209)時(shí)，可輸出或邏輯“0”。68高等教育 6組DTMF信號(hào)解碼器如用7個(gè)LM567(見頻率組合表)和12個(gè)或非門則可解調(diào)12組DTMF信號(hào)。356218475V5V10310K10K1041u10u10K69777010K10u1u10410K10K1035V5V74812653120910K10u1u10410K5K11035V5V74812653133610K10u1u10410K5K1103

41、5V5V74812653147710K10u1u10410K5K11035V5V74812653+123456DTMF69高等教育鎖相環(huán)數(shù)字調(diào)諧基本原理鎖相環(huán)數(shù)字調(diào)諧基本原理現(xiàn)代的接收機(jī)（如電視機(jī)、收音機(jī)）大多采用超外差接收方式。如要接收的信號(hào)的載波頻率為fC，則接收機(jī)要產(chǎn)生一個(gè)本振信號(hào)。超外差接收機(jī)中有一個(gè)振蕩器叫本機(jī)振蕩器。它產(chǎn)生的高頻電磁波與所接收的高頻信號(hào)混合而產(chǎn)生一個(gè)差頻，這個(gè)差頻就是中頻。如要接收的信號(hào)是900kHz，本振頻率是1365kHz。兩頻率混合后就可以產(chǎn)生一個(gè)465kHz的差頻。接收機(jī)中用LC電路選擇465kHz作為中頻信號(hào)。因?yàn)楸菊耦l率比外來信號(hào)高465kHz所以叫超外

42、差。70高等教育在模擬調(diào)諧方式中，本振信號(hào)一般是由LC振蕩回路產(chǎn)生的。調(diào)諧（調(diào)臺(tái)）時(shí)，一般是用改變LC振蕩回路中電容的容量（如改變變?nèi)荻O管的反向偏壓或“雙聯(lián)”改變電容），來改變本振信號(hào)的頻率，從而達(dá)到選臺(tái)的目的。在數(shù)字調(diào)諧在數(shù)字調(diào)諧(頻率合成頻率合成)方式中，本振信號(hào)則是用鎖相環(huán)的方法方式中，本振信號(hào)則是用鎖相環(huán)的方法來產(chǎn)生。即由晶振電路產(chǎn)生頻率高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再用鎖相來產(chǎn)生。即由晶振電路產(chǎn)生頻率高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再用鎖相環(huán)倍頻的方法產(chǎn)生本振信號(hào)，通過改變鎖相環(huán)反饋回路分頻比環(huán)倍頻的方法產(chǎn)生本振信號(hào)，通過改變鎖相環(huán)反饋回路分頻比的方法來改變本振信號(hào)頻率。的方法來改變本振信號(hào)頻率。空氣雙聯(lián)7

43、1高等教育電視造形的日本產(chǎn)電視造形的日本產(chǎn)12晶體管收音機(jī)晶體管收音機(jī)注意其中的：磁棒、線圈、雙聯(lián)調(diào)諧器、中周、推挽變壓器、喇叭、晶體管、高頻電容、電解電容、電阻、電池架72高等教育所以數(shù)字調(diào)諧的關(guān)鍵就是解決如何置數(shù)的問題。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們是用鍵盤通過DTMF編解碼的方法來置數(shù)。最終應(yīng)做到：如要接收某一載波信號(hào)（如fC=670kHz）,則只要在鍵盤上按該載波的數(shù)值（即6，7，0三個(gè)鍵），就可得到fL=fC+fI=670+465=1135 kHz的本振信號(hào)。（這里中頻fI為465kHz）。其中fL本振頻率，fI為中頻，fC載波頻率。鎖相環(huán)發(fā)出頻率等于給定頻率加465 kHz。經(jīng)混頻、濾波后得到4

44、65kHz的中頻信號(hào)。最后信號(hào)發(fā)生器輸出的載波信號(hào)(345KHz正弦波)和本振信號(hào)（4046的4腳輸出的800 KHz方波）經(jīng)混頻濾波后（用示波器觀察）。73高等教育置數(shù)電路方框圖置數(shù)電路方框圖 V V V V V V V V V V V V V V V V V V50878870401774LS1754560456074LS175456074LS175DTMFBCDDoDQADDQQAABBBSSSTO 4522TO 4522TO 4522CPCPCPY1Y2Y3CIDCPDTMF 編 碼DTMF 解 碼位選擇個(gè) 位 鎖 存十 位 鎖 存百 位 鎖 存 加 法 器（個(gè)位）加 法 器（十 位）

45、加 法 器（百位）CoCICICo鍵盤和鍵盤和5087（或（或HM9102D）組成）組成DTMF編碼電路。編碼電路。MT8870是是DTMF解碼電路。解碼電路。4017為百、十、個(gè)位選擇電路為百、十、個(gè)位選擇電路4560為加法器為加法器4560的輸出作為分頻系數(shù)送入到由的輸出作為分頻系數(shù)送入到由鎖相環(huán)構(gòu)成的倍頻器中，鎖相環(huán)的鎖相環(huán)構(gòu)成的倍頻器中，鎖相環(huán)的輸出及本振信號(hào)輸出及本振信號(hào)74高等教育混頻電路（混頻電路（MC1496）輸入信號(hào)Us的幅度為15mV,本振信號(hào)UL為TTL電平。IUSULU-5V+5V10310351p1433K5K110K5151123456810121K1K5110KMC1496455KHzLCW濾波器濾波器75高等教育MC145 系列集成頻率合成器件系列集成頻率合成器件 76高等教育謝 謝 各 位77高等教育