PLL原理讲义2013-11-5.doc

锁相环基本原理 一个典型的锁相环（PLL）系统，是由鉴相器（PD），压控荡器（VCO）和低通滤波器（LPF）三个基本电路组成，如图1， Ud = Kd (θi–θo) UF = Ud F（s） θi θo 图1 一．鉴相器（PD） 构成鉴相器的电路形式很多，这里仅介绍实验中用到的两种鉴相器。 异或门鉴相器 异或门的逻辑真值表示于表1，图2是逻辑符号图。 输入 输出 A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 表1 图2 从表1可知，如果输入端A和B分别送 2π 入占空比为50%的信号波形，则当两者 存在相位差(θ时，输出端F的波形的 占空比与(θ有关，见图3。将F输出波 形通过积分器平滑，则积分器输出波形 的平均值，它同样与(θ有关，这样，我 们就可以利用异或门来进行相位到电压 (θ 的转换，构成相位检出电路。于是经积 图3 分器积分后的平均值（直流分量）为： U U = Vdd * (θ/ ( (1) Vcc 不同的(θ，有不同的直流分量Vd。 (θ与V的关系可用图4来描述。 从图中可知，两者呈简单线形关 1/2Vcc 系： Ud = Kd *(θ (2) 1/2π π (θ Kd 为鉴相灵敏度 图4 边沿触发鉴相器 前已述及，异或门相位比较器在使用时要求两个作比较的信号必须是占空比为50%的波形，这就给应用带来了一些不便。而边沿触发鉴相器是通过比较两输入信号的上跳边沿（或下跳边沿）来对信号进行鉴相，对输入信号的占空比不作要求。 压控振荡器（VCO） 压控振荡器是振荡频率ω0受控制电压UF（t）控制的振荡器，即是一种电压——频率变换器。VCO的特性可以用瞬时频率ω0（t）与控制电压UF（t）之间的关系曲线来表示。未加控制电压时（但不能认为就是控制直流电压为0，因控制端电压应是直流电压和控制电压的叠加），VCO的振荡频率，称为自由振荡频率ωom，或中心频率，在VCO线性控制范围内，其瞬时角频率可表示为： ωo（t）= ωom + K0 UF（t） 式中，K0——VCO控制特性曲线的斜率，常称为VCO的控制灵敏度，或称压控灵敏度。 环路滤波器 这里仅讨论无源比例积分滤波器如图5。 其传递函数为： 式中：τ1 = R1 C τ2 = R2 C 图5 锁相环的相位模型及传输函数 图6 图6为锁相环的相位模型。要注意一点，锁相环是一个相位反馈系统，在环路中流通的是相位，而不是电压。因此研究锁相环的相位模型就可得环路的完整性能。 由图6可知： 当A点断开环路时，锁相环的开环相位传输函数为 KL(S)= 环路闭合时的相位传输函数为 H（S） 环路闭合时的相位误差传输函数为 He（S）= 当环路滤波器选用无源比例积分滤波器时，经推导可得： H（S）= 式中， ，τ1 = R1 C ,τ2 = R2 C 2( (= , K = Kd Ko 同样可得： He(S)= ωn称为系统的固有频率或自然角频率； ( 称为系统的阻尼系数。 要注意的是上面讨论中的ω指的是输入信号相位的变化角频率，而不是输入信号本身的角频率。如输入信号是调频信号，则ω指的是调制信号的角频率而不是载波的角频率。 锁相环的同步与捕捉 锁相环的输出频率（或VCO的频率）ωo能跟踪输入频率ωi的工作状态，称为同步状态，在同步状态下，始终有ωo = ωi。在锁相环保持同步的条件下，输入频率ωi的最大变化范围，称为同步带宽，用(ωH 表示。超出此范围，环路则失锁。 失锁时，ωo(ωi，如果从两个方向设法改变ωi，使ωi向ωo靠拢，进而使(ωo =（ωi－ωo）(，当(ωo小到某一数值时，环路则从失锁进入锁定状态。这个使PLL经过