锁相环理论.doc

锁相环的理论 锁相环作为一个系统，主要包含三个基本模块：鉴相器(Phase Detector：PD)、低通滤波器(LowPass Filter：LPF)(L00P Filter：LFVoltage Controlled Oscillator：VCO 图2.1锁相环原理图 当锁相环开始工作时，输入参考信号的频率与压控振荡器的固有振荡频率总是不相同的，即，这一固有频率差必然引起它们之间的相位差不断变化，并不断跨越角。由于鉴相器特性是以相位差为周期的，因此鉴相器输出的误差电压总是在某一范围内摆动。这个误差电压通过环路滤波器变成控制电压加到压控振荡器上，使压控振荡器的频率趋向于参考信号的频率，直到压控振荡器的频率变化到与输入参考信号的频率相等，并满足一定条件，环路就在这个频率上稳定下来。两个频率之间的相位差不随时间变化而是一个恒定的常数，这时环路就进入“锁定”状态。 当环路已处于锁定状态时，如果输入参考信号的频率和相位发生变化，通过环路的控制作用，压控振荡器的频率和相位能不断跟踪输入参考信号频率的变化而变化，使环路重新进入锁定状态，这种动态过程称为环路的“跟踪”过程。而环路不处于锁定和跟踪状态，这个动态过程称为“失锁”过程。 从上述分析可知，鉴相器有两个主要功能：一个是频率牵引，另一个是相位锁定锁相环的工作原理 2.1.1 鉴相器 锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如 图2.2 模拟鉴相器电路 鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别 （2.1） （2.2） 式中的为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压为： 图2.3 鉴相器的传输特性 鉴相器有两个主要功能：一个是频率牵引，另一个是相位锁定鉴相器的电路种类很多，大致可以分为四种常用类型： 1.乘法鉴相器。一般应用在模拟锁相环(LPLL)中，即线性锁相环，鉴相的范围是[+90，-90]； 2.异或门鉴相器。较多应用于数字锁相环中，鉴相范围同为[+90，-90]中，要考虑鉴相器输入的两个信号是对称的还是非对称的，如是非对称还要考虑其对PLL增益及锁相宽度的影响； 3.JK触发器型鉴相器。这种鉴相器由边沿触发，利用边沿间的间隔进行鉴相相位误差为[+180，l80°]； 4.鉴频鉴相器(phase—frequency detector)。其优势就在于失锁时，它角频率容易描述。这种角频率的描述就可以实现鉴频的功能。鉴相范围为[+360，-360]。 低通滤波器低通滤波器LF）的将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压。即为： ? （2.4） 式中的为输入信号的瞬时振荡角频率，和分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为： ???? ?即??? ????? ? (2.5)??????????????????????????????????则，瞬时相位差为 (2.6) ?????????????????????????????????????????? 对两边求微分，可得频差的关系式为?? (2.7) 上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，随时间而变。 图2.4 环路滤波器模型 环路滤波器的分类： 1.RC积分滤波器。这是结构最简单的低通滤波器，它具有低通特性，且相位滞后。当频率很高的时候，幅度趋于零，相位滞后接近于； 2.无源比例积分滤波器； 3.有源比例积分滤波器。它由运算放大器组成，高增益的有源比例积分滤波器又称为理想积分滤波器。 2.1.3 压控振荡器 压控振荡器VCO）【6】的压控特性如图示 2.5压控振荡器特性 该特性说明压控振荡器的振荡频率以为中心，随输入信号电压变化 （2.8） 上式说明当随时间而变时，压控振荡器的振荡频率也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持的状态不变。 2.6锁相环不同带宽捕获示意图【5】 当相关频率变化比较小时，相位误差e大小将与频率的变换量成比例。而如果频率偏移达到某一特定值时，稍有变换PLL将失去捕获相位的能力，最终失锁。这一特定值就称作PLL的同步带。这个频率范围也称作PLL稳定的静态极限范围。在失锁时，相位误差将无限增加下去，同步带