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1、第第7章章 锁相技术及频锁相技术及频率合成率合成第1页，共78页，编辑于2022年，星期一7.1 锁相环路锁相环路7.2 集成锁相环路和锁相环路的应用集成锁相环路和锁相环路的应用7.3 频率合成原理频率合成原理第第7章章 锁相技术及频率合成锁相技术及频率合成第2页，共78页，编辑于2022年，星期一7.1 锁相环路锁相环路 7.1.1 锁相环路的基本工作原理 锁相环路基本组成框图如图7.1所示。锁相环路是由鉴相器(PD)、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三个基本部件构成的闭合环路。第3页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.1 锁相环路基本组成方框图第4页，共78页，编辑于2022
2、年，星期一图7.2 两个信号的频率和相位之间的关系第5页，共78页，编辑于2022年，星期一 7.1.2 锁相环路的数学模型 1.鉴相器 在锁相环路中，鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号电压ui(t)和输出信号电压uo(t)之间的相位差，并产生相应的输出电压ud(t)。设压控振荡器的输出电压uo(t)为 uo(t)=Uomcosrt+o(t)(71)设环路输入电压ui(t)为 ui(t)=Uimsinit+i(t)(72)第6页，共78页，编辑于2022年，星期一 在同频率上对两个信号的相位进行比较，可得输入信号ui(t)的总相位 it+i(t)=rt+(i-r)t+i(t)=rt+i
3、t+i(t)=rt+i(t)(73)图7.3 乘法器鉴相第7页，共78页，编辑于2022年，星期一 将式(73)代入式(72)中，得 ui(t)=Uimsinrt+i(t)(74)Aui(t)uo(t)=1/2AUimUomsin2rt+i(t)+o(t)+1/2AUimUomsini(t)-o(t)(75)经过低通滤波器（LPF）滤除2r成分之后，得到鉴相器输出的有效分量为 ud(t)=1/2AUimUomsini(t)-o(t)=Adsine(t)(76)第8页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.4 正弦鉴相器的鉴相特性及其电路模型第9页，共78页，编辑于2022年，星期一 2.压控
4、振荡器 压控振荡器是一个电压-频率变换装置,在环路中作为被控振荡器,它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)线性地变化，可用线性方程来表示，即 o(t)=r(t)+A0uc(t)(77)第10页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.5 压控振荡器的控制特性及其电路相位模型第11页，共78页，编辑于2022年，星期一 压控振荡器的输出反馈到鉴相器上，对鉴相器输出误差电压ud(t)起作用的不是其频率，而是其相位(78)(79)(710)第12页，共78页，编辑于2022年，星期一 3.环路滤波器图7.6 环路滤波器的模型第13页，共78页，编辑于2022年，星期一 1)RC积分滤波器 电路构成如
5、图7.7所示。传输算子为(711)式中，=RC是时间常数，是滤波器唯一可调的参数。令p=j并代入上式即可得滤波器的频率特性为第14页，共78页，编辑于2022年，星期一 图7.7 RC积分滤波器 图7.8 RC比例积分滤波器 第15页，共78页，编辑于2022年，星期一 ）RC比例积分滤波器 电路构成如图7.8所示。RC比例积分滤波器与RC积分滤波器相比，附加了一个与电容器串联的电阻R2。传输算子为(712)式中，1=(R1+R2)C，2=R2C，它们是滤波器独立可调的参数。该电路的频率特性为(713)第16页，共78页，编辑于2022年，星期一 ）有源比例积分滤波器 有源比例积分滤波器由运算
6、放大器组成，如图7.9所示，其传输算子是(714)式中，1=(R1+AR1+R2)C；2=R2C；A是运算放大器无反馈时的电压增益。若运算放大器的增益很高，则(715)第17页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.9 有源比例积分滤波器第18页，共78页，编辑于2022年，星期一 式中，1=R1C。传输算子的分母中只有一个p，是一个积分因子，因此，高增益的有源比例积分滤波器又称为理想积分滤波器。显然，A越大,就越接近理想积分滤波器。此滤波器的频率响应为第19页，共78页，编辑于2022年，星期一 4.锁相环路相位模型及锁相环路的数学模型 将环路的三个基本模型连接起来的锁相环路相位模型，如图
7、7.10所示。通常将这个模型称为PLL的相位模型。这个模型直接给出了输入相位i(t)与输出相图7.10 锁相环路的相位模型第20页，共78页，编辑于2022年，星期一 按图7.10的环路相位模型，不难导出环路的数学模型:(716)式(716)是锁相环路数学模型的一般形式，也称动态方程，从物理概念上可以逐项理解它的含义;式中pe(t)显然是环路的瞬时频差(717)右边第一项pi(t)称固定角频率，(718)第21页，共78页，编辑于2022年，星期一 式中最后一项AdA0AF(p)sine(t)称控制角频差，AdA0AF(p)sine(t)=o(t)=o-r (719)其表示压控振荡器在uc(t
8、)=AdAF(p)sine(t)的作用下，产生振荡角频率o偏离r的数值。于是动态方程(716)构成如下关系：瞬时频差=固有频差-控制频差 从方程(716)可以解出稳态相差第22页，共78页，编辑于2022年，星期一 7.1.3 锁相环路的捕捉特性 当环路未加输入信号ui(t)时，VCO上没有控制电压，它的振荡频率为r。若将频率i恒定的输入信号加到环路上去，固有频差（起始频差）i=i-r，因而在接入ui(t)的瞬间，加到鉴相器的两个信号的瞬时相位差 第23页，共78页，编辑于2022年，星期一 相应地，鉴相器输出的误差电压ud(t)=Adsinit。显然，ud(t)是频率为i的差拍电压。下面分三
9、种情况进行讨论：(1)i(t)较小，即VCO的固有振荡频率r与输入信号频率i相差较小。(2)i较大，即r与i相差较大，使i超出环路滤波器的通频带，但仍小于捕捉带p。（3）i很大，即r与i相差很大，使i不但远大于环路滤波器的通频带，而且大于捕捉带p。第24页，共78页，编辑于2022年，星期一 图7.11 捕捉过程示意图第25页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.12 捕捉过程中ud(t)的波形第26页，共78页，编辑于2022年，星期一 7.1.4 锁相环路的跟踪特性锁相环路的跟踪特性 当当环环路路锁锁定定后后，如如果果输输入入信信号号频频率率i或或VCO振振荡荡频频率率o发发生生变变化
10、化，则则VCO振振荡荡频频率率o跟跟踪踪i而而变变化化，维维持持o=i的的锁锁定定状状态态，这这个个过过程程称称为为跟跟踪踪过过程程或或同同步步过过程程。相相应应地地，能能够够维维持持环环路路锁锁定定所所允允许许的的最最大大固固有有频频差差|i|，称称为为锁锁相相环环路路的的同同步步带带或或跟跟踪踪带带，用用H表示。表示。第27页，共78页，编辑于2022年，星期一 7.1.5 一阶锁相环路的性能分析 没有滤波器时，AF(p)=1。设输人信号ui(t)为频率i不变的基准信号，且ir，即固有频差pi(t)di(t)/dtii-r，为大于零的常数。于是由式(716)可得到此时环路的基本方程(720
11、)第28页，共78页，编辑于2022年，星期一 1.环路的锁定条件和稳态相位差 当环路锁定时，i=o，ui(t)与uo(t)的相位差e(t)为一恒定值稳态相位差e()，故de(t)/dt0。可以证明，只有当t=时，才能满足环路的锁定条件，故锁定条件可写成(721)把de(t)/dt0代入式(720)，可得(722)第29页，共78页，编辑于2022年，星期一 上式表明，环路锁定时控制频差等于固有频差。由于锁定时,e(t)=e()，故由上式可得(723)2.相图法 相图法是求解微分方程的一种方法。对于式(720)所示微分方程式，以其应变量e(t)为横轴，以该变量对时间的一阶导数de(t)/dt为
12、纵轴，这样构成的平面称为相平面，相平面内的一个点称为相点。第30页，共78页，编辑于2022年，星期一 图7.13 一阶锁相环路的相图第31页，共78页，编辑于2022年，星期一 根据捕捉带的定义，有 p=A=AdA0 (724)若环路已经锁定，逐渐加大固有频差i，由图7.13（a）同样可以看到，维持环路锁定的最大固有频差i也为AdA0，故同步带 H=A=AdA0 (725)第32页，共78页，编辑于2022年，星期一7.2 集成锁相环路和锁相环路的应用集成锁相环路和锁相环路的应用 7.2.1 集成锁相环 通用单片集成锁相环路是将鉴相器、压控振荡器以及某些辅助器件，集成在同一基片上。1.高频单
13、片集成锁相环 (1)NE560集成锁相环路。其方框图如图7.14所示。(2)NE561集成锁相环路。其方框图如图7.15所示。第33页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.14 NE560方框图第34页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.15 NE561方框图第35页，共78页，编辑于2022年，星期一 (3)L562（NE562）集成锁相环路。其组成方框如图7.16所示。考虑到L562鉴相器的非理想与饱和特性，其鉴相灵敏度可近似为 根据设计，NE560、561、562压控振荡器频率可用下式近似计算：(4)XR-215集成锁相环路。其方框图如图7.17所示。第36页，共78页，编辑于
14、2022年，星期一 图7.16 L562方框图第37页，共78页，编辑于2022年，星期一 图7.17 XR-215方框图第38页，共78页，编辑于2022年，星期一 2.超高频单片集成锁相环 (1)L564（NE564）超高频单片集成锁相环。其组成方框如图7.18所示。电路由输入限幅器、鉴相器、压控振荡器、放大器、直流恢复电路和施密特触发器等六大部分组成。第39页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.18 L564方框图第40页，共78页，编辑于2022年，星期一 鉴相器用普通的双平衡模拟相乘器，鉴相灵敏度与2端注入（或吸出）电流IB的关系如下：Sd0.46(V/rad)+7.310-4
15、V/(radA)IB(A)在IB800mA范围内，上式是有效的。压控振荡器是改进型的射极耦合多谐振荡器。定时电容CT接在12、13端，电路有TTL和ECL兼容的输入、输出电路。根据L564压控振荡器的特定设计，其固有振荡频率为 第41页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.19 FSK检波后处理电路示意图第42页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.20 检波后处理电路输出的解调波形第43页，共78页，编辑于2022年，星期一 (2)PC1477C。图7.21 PC1477C方框图第44页，共78页，编辑于2022年，星期一 3.低频单片集成锁相环 (1)SL565（NE565）。图7
16、.22 方框图第45页，共78页，编辑于2022年，星期一 对SL565而言，压控振荡器振荡频率可近似表示成压控灵敏度为 式中，UC是电源电压（双向馈电时则为总电压）。鉴相灵敏度为放大器增益为 第46页，共78页，编辑于2022年，星期一 (2)NE567。其方框图如图7.23所示。图7.23 NE567方框图第47页，共78页，编辑于2022年，星期一 输入信号加在3端，环路滤波电容器接在2端，定时电阻RT与定时电容CT接在5、6端。振荡频率可用下式计算：(3)5G4046（CD4046）。第48页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.24 5G4046方框图第49页，共78页，编辑于2
17、022年，星期一 7.2.2 锁相环路的应用 通过前面的讨论已知，锁相环具有以下优点:锁定时无剩余频差;良好的窄带滤波特性；良好的跟踪特性;易于集成化。因此，锁相环广泛获得了应用。下面举一些例子简单说明。1.锁相倍频、分频和混频 1）锁相倍频 2）锁相分频 3）锁相混频第50页，共78页，编辑于2022年，星期一 图7.25 锁相倍频方框图第51页，共78页，编辑于2022年，星期一 图7.26 锁相分频方框图第52页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.27 锁相混频方框图第53页，共78页，编辑于2022年，星期一 2.锁相解调 1)调频信号的解调 2)调相信号解调 3)调幅波的同步检
18、波第54页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.28 调制信号的锁相解调器与普通第55页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.29 用锁相环解调调频信号方框图第56页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.30 L562构成调频波解调电路第57页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.31 CD4046构成调频波解调电路第58页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.32 用锁相环解调相信号方框图第59页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.33 采用锁相环路的同步检波电路框图 第60页，共78页，编辑于2022年，星期一 3.锁相接收机 图7.34 锁相接收机原理方框图第6
19、1页，共78页，编辑于2022年，星期一7.3 频率合成原理频率合成原理 7.3.1 频率合成器的技术指标 1.频率范围 2.频率间隔 3.频率转换时间 第62页，共78页，编辑于2022年，星期一 4.频率准确度 频率准确度表示频率合成器输出频率偏离其标称值的程度。若设频率合成器实际输出频率为fg，标称频率为f，则频率准确度定义为5.频率稳定度6.频谱纯度第63页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.35 输出信号频率周围叠加有不需要的频率成分第64页，共78页，编辑于2022年，星期一 7.3.2 直接式频率合成法(直接式频率合成器)图7.36 直接式频率合成器的原理方框图第65页，共
20、78页，编辑于2022年，星期一 设两个混频器均取差频，VFO为高调谐情况，则有图7.37 有源选频系统第66页，共78页，编辑于2022年，星期一 7.3.3 间接频率合成法（锁相频率合成器）锁相频率合成器的基本构成方法主要有：脉冲控制锁相法、模拟锁相合成法、数字锁相合成法。图7.38 脉冲锁相式频率合成器原理方框图第67页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.39 模拟锁相频率合成法的基本第68页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.40 数字锁相频率合成器原理方框图第69页，共78页，编辑于2022年，星期一 7.3.4 直接数字式合成法(波形合成法)(直接数字式频率合成器)1.
21、直接数字式频率合成器的基本原理 直接数字式频率合成器的基本原理也就是波形合成原理。图7.41 斜升波合成的方框图第70页，共78页，编辑于2022年，星期一 图7.42 累加器的原理图第71页，共78页，编辑于2022年，星期一 累加器是由加法器和寄存器组成的，按照频率控制数据的不同给出不同的编码。由图7.42可知 4321=（A4+B4+C3）（A3+B3+C2）（A2+B2+C1）（A1+B1）式中，C1、C2、C3对应加法器1、2、3的进位端。设A1A2A3A4=0001，Q4Q3Q2Q1=0000，则 D4D3D2D1=4321=0001 数模转换器的分辨率与计数器或累加器位数n的关系
22、为 分辨率分辨率=第72页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.43 任意波形合成的方框图(DDS方框图)第73页，共78页，编辑于2022年，星期一 2.直接数字式频率合成器的特点 与数字锁相频率合成器中通过改变可变分频器分频比来改变环路输出频率样，在直接数字式频率合成器中，合成信号频率为fo=k（fo2n），显然，改变频率控制数据k，便可以改变合成信号频率fo。第74页，共78页，编辑于2022年，星期一 3.直接数字式频率合成器的应用 DDS主要用于频率转换速度快及频率分辨率高的场合，如用于跳频通信系统中的频率合成器。图7.44 超高速跳频频率合成器第75页，共78页，编辑于2022年，星期一 图7.44中，图7.45为DDSPLLDS结构的原理图，它能满足fRBWDDS(DDS的输出频带)。混频滤波电路由相乘器和带通滤波器组成，其输出频率取两输入频率的和频。该系统输出频率为fofo第76页，共78页，编辑于2022年，星期一图7.45 一种DDS+PLL+DS结构的方框图第77页，共78页，编辑于2022年，星期一作业作业：2012-12-20 P277 7-1-1；7-1-2；P279 7-2-1；7-22；P292 7-3-1；7-3-3；7-3-6；第78页，共78页，编辑于2022年，星期一