锁相环电路设计.doc

锁相环的原理 2007-01-23 00:24 1. 锁相环的基本组成许多电子设备要正常工作,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步,利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环路是一种反馈控制电路,简称锁相环( PLL )。锁相环的特点是:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪,所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中, 当输出信号的频率与输入信号的频率相等时, 输出电压与输入电压保持固定的相位差值,即输出电压与输入电压的相位被锁住,这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器( PD )、环路滤波器( LF )和压控振荡器( VCO )三部分组成,锁相环组成的原理框图如图 8-4-1 所示。锁相环中的鉴相器又称为相位比较器, 它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差, 并将检测出的相位差信号转换成 u D(t )电压信号输出,该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压 u C(t ),对振荡器输出信号的频率实施控制。 2 .锁相环的工作原理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 8-4-2 所示。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为: ( 8-4-1 ) ( 8-4-2 ) 式中的ω 0 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 u D 为: 用低通滤波器 LF 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 u C (t )。即 u C(t )为: ( 8-4-3 ) 式中的ω i 为输入信号的瞬时振荡角频率,θ i(t)和θ O(t) 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( 8-4-4 ) 则,瞬时相位差θ d为( 8-4-5 ) 对两边求微分,可得频差的关系式为( 8-4-6 ) 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, u c(t )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, u c(t )随时间而变。因压控振荡器的压控特性如图 8-4-3 所示,该特性说明压控振荡器的振荡频率ω u以ω 0 为中心, 随输入信号电压 u c(t )的变化而变化。该特性的表达式为( 8-4-6 ) 上式说明当 u c(t) 随时间而变时, 压控振荡器的振荡频率ω u 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ω 0=ω i 的状态不变。 锁相环的应用 1 .锁相环在调制和解调中的应用(1 )调制和解调的概念为了实现信息的远距离传输, 在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制, 收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。所谓的调制就是用携带信息的输入信号 u i 来控制载波信号 u C 的参数,使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相,所以,调制有调幅( AM)、调频( FM )和调相( PM )三种。调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等,幅度随输入信号幅度的变