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锁相环路( PLL )及应用 1 锁相环路概述 2 锁相环的基本结构和工作原理 5 环路的捕捉与跟踪过程 6 锁相环的应用本章教学内容 3 锁相环的基本组成分析 4 锁相环的环路模型教学重点锁相环的构成及基本原理环路的锁定、捕捉和跟踪;环路的同步带和捕捉带锁相环的数学模型 1 锁相环路概述一基本概念二应用概述一、基本概念 1 锁相环路概述引例调频广播系统广播电台发射信号频率不稳定,或者超外差式收音机的本机振荡频率不稳,收听时会“跑台”或“串台”,严重影响收听效果。假设收音机具有自动跟踪电台的功能,能根据电台信号频率的变化随时调整本振频率,确保二者频率的同步,则上述问题就会迎刃而解。其中,采取的解决途径之一就是采用锁相环电路。因这种电路为负反馈结构,且能实现其输出信号频率对输入信号频率的跟踪(同步),因此也称为闭环跟踪系统(电路)。其中,当其输出信号频率与输入信号频率相同时,输出信号与输入信号之间的相位差同步(相位差为 0,或为常数)。故称为锁相环路,简称为锁相环。 1 锁相环路概述一、基本概念(绪) 锁相环是一种自动相位控制( APC) 电路(系统)。返回其中,频率相同是目的,相位同步(锁定)是手段。(具体):锁相环将输入信号(参考信号)与输出信号间的相位进行比较,产生相位误差电压, 来调整输出信号的相位, 最终达到: 相位锁定,信号同频。 1 锁相环路概述二应用概述(1)在通信中的应用主要用于短波、超短波发、收信机中的主振与本振源,有线通信中的载波供给, 微波卫星通信中的微波固态源与微波功率放大器,数字通信中的载波同步、码元同步和网同步,以及上述各种通信系统中的调制与解调,电调与天调、自动频率微调等系统中。(2)在雷达中的应用主要用于雷达的微波固态源,微波功率放大器、相共阵雷达的多相激励源、天线自动跟踪与精密辅角偏转测量等系统中(3)在导航设备中的应用主要用于飞机、轮船和舰艇的导航定位监视系统中。(4)在空间技术中的应用主要用于卫星、导弹、火箭和飞船的测速定轨、测距与遥测数据获取系统中。(5)在电视及高保真设备中的应用主要用于电视机同步、门限扩展解调、色差副载波提取与色差信号的同步检波, 全国电视台的锁相连播同步系统,高保真度设备中的立体声多路解码( MPX )、频率合成式调谐器、四声道解调器( CD-4 )及走带电机速度控制系统中。(6)在测量仪表中的应用主要用于频率合成器、自锁信号发生器、相位振幅仪(矢量电压表、微波网络分析仪)、相位噪声测试仪、频谱分析仪、锁相计数器、阻抗测试仪、电平振荡器、频偏仪、微波固态源、微波功率放大器以及微波相位调整器等仪表中。 1 锁相环路概述二应用概述(续) (7)在工矿企业中的应用主要用于电网同步与频率变换( 60Hz 变成 50Hz )、电机转速控制、可控硅整流器通角控制;大型齿轮与抛物面天线加工精度的测量、大型振动平台支柱运动的同步, 地下流沙速度的测量、地层矿藏(石油、煤层)的普查以及地震预测等。(8)在原子能、激光和红外系统中的应用主要用于原子能加速器的同步、原子能电站反应堆应力形变监测、激光稳频和红外夜视瞄准设备中。(9)在生物、医疗电子学中的应用主要用于医疗仪表中,目前国外还提出用锁相理论来探讨癫痫病理,以寻找物理治疗的方法等。返回( 10 )计算机应用在计算机系统中,时钟信号的产生电路中,采用锁相环技术,可根据系统的运行状态,调节系统的时钟。 2 锁相环的基本结构和工作原理锁相环路( PLL )组成框图如下图所示: 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。 u i (t) 2 锁相环的基本结构和工作原理锁相环路中,如果压控振荡器输出信号角频率 o与输入信号角频率ω i不相同时,则称锁相环路处于失锁状态失锁状态: 锁定状态: 当失锁时,由鉴相器,环路滤波器,压控振荡器及反馈回路完成一系列的调节后,最终达到的输入、输出同频并相位差同步(锁定)的状态,即为锁定状态捕捉过程: →锁定状态的过程称为捕捉过程。工作过程中包含四个状态(过程):