清华大学：《通信电路原理》教学资源（PPT课件）笫7章 锁相环路 7.1 概述 7.2 PLL基本原理

调频与鉴频小结 调角波的性质 1、基本定义:数学表示式;瞬时频率;瞬时相位;最大频 移;最大相移(mr) 2、频谱结构: 包含载波频率分量,还包含无穷多个旁频分量,各旁 频分量之间的距离是调制信号角频率Ω,各频率分量的 幅度由贝塞尔函数Jn(m)决定。 调频波的频谱结构与调制指数m关系密切。mr 愈大,则具有一定幅度的旁频数目愈多,这是调频波频 谱的主要特点 对于某些m;值,载频分量或旁频分量的幅度是零。 频率调制是一种非线性过程,又称为非线性调制 各频率分量间的功率分配:调制先后总功率为常数

调频与鉴频小结 一、调角波的性质： 1、基本定义：数学表示式；瞬时频率；瞬时相位；最大频 移；最大相移（ mF ）。 2、频谱结构： ▪ 包含载波频率分量，还包含无穷多个旁频分量，各旁 频分量之间的距离是调制信号角频率 ，各频率分量的 幅度由贝塞尔函数 J n (mF ) 决定。 ▪ 调频波的频谱结构与调制指数 关系密切。 愈大，则具有一定幅度的旁频数目愈多，这是调频波频 谱的主要特点。 mF mF ▪ 对于某些 mF 值，载频分量或旁频分量的幅度是零。 ▪ 频率调制是一种非线性过程，又称为非线性调制。 ▪ 各频率分量间的功率分配：调制先后总功率为常数

调频与鉴频小结(续1) 3、频带: 理论上说是无穷宽的;是近似有限的。 忽略了小于0.1的分量(集中98-99%的功率): BWo1≈2(m1+1)F=2(4m+F 窄带调频(mn<<1):BWn1≈2F 宽带调频(恒定带宽调频):BW1≈2Mfn 二、调频波的产生: 1、变容二极管直接调频电路:电路简单;工作频率高;易 于获得较大的频偏;中心频率有偏移。 、晶体直接调频电路:频偏小,但中心频率稳定度高。 3、间接调频:载波中心频率稳定度较好

调频与鉴频小结（续1） 3、频带： ▪ 忽略了小于 0.1的分量（集中98-99%的功率）： 2( 1) 2( ) BW0.1  mF + F = f m + F ▪ 理论上说是无穷宽的；是近似有限的。 ▪ 窄带调频（ mF 1 ）： BW0.1  2F ▪ 宽带调频（恒定带宽调频）： m BW  2f 0.1 二、调频波的产生： 1、变容二极管直接调频电路：电路简单；工作频率高；易 于获得较大的频偏；中心频率有偏移。 2、晶体直接调频电路：频偏小，但中心频率稳定度高。 3、间接调频：载波中心频率稳定度较好

调频与鉴频小结(续2) 三、调频波的解调: 1、四种解调方法: 利用锁相环路实现解调。 利用调频波的过零信息实现解调。 将调频波变换为调相一调频波,用相位检波器解调。 将等幅调频波变为调幅-调频波,用幅度解调器解调 2、°五种鉴频电路: 双失谐回路鉴频器:振幅鉴频器。 集成电路正交鉴频器。 相位鉴频器。 BEI调制度测量仪鉴频电路 锁相环鉴频电路

调频与鉴频小结（续2） 三、调频波的解调： 1、四种解调方法： ▪ 利用锁相环路实现解调。 ▪ 利用调频波的过零信息实现解调。 ▪ 将调频波变换为调相─调频波，用相位检波器解调。 ▪ 将等幅调频波变为调幅-调频波，用幅度解调器解调 2、五种鉴频电路： 。 ▪ 双失谐回路鉴频器：振幅鉴频器。 ▪ 集成电路正交鉴频器。 ▪ 相位鉴频器。 ▪ BE1调制度测量仪鉴频电路。 ▪ 锁相环鉴频电路

笫7章锁相环路 71概述 72PLL基本原理 721PLL各部件的特性与数学模型 722PLL的环路方程与相位模型 73PLL的线性分析 74PLL的非线性分析 75集成锁相环介绍 7.6PLL电路实例与应用举例

笫7章 锁相环路 7.1 概 述 7.2 PLL基本原理 7.2.1 PLL各部件的特性与数学模型 7.2.2 PLL的环路方程与相位模型 7.3 PLL的线性分析 7.4 PLL的非线性分析 7.5 集成锁相环介绍 7.6 PLL电路实例与应用举例

71概述 (1)三种反馈控制系统分类 自动增益控制(AGC)电路:在输入信号幅度变化很大 的情况下,使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变 化的一种自动控制电路 ■自动频率控制(AFC)电路:是一种频率反馈控制系统, AFC电路控制的是信号的频率 ■自动相位控制(APC)电路:又叫锁相环路。 Phase Locked Loop,简称PLL),是一种相位反馈控制系统, 锁相环路控制的是信号的相位

7.1 概 述 （1）三种反馈控制系统分类 ▪ 自动增益控制（AGC）电路：在输入信号幅度变化很大 的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变 化的一种自动控制电路。 ▪ 自动频率控制（AFC）电路：是一种频率反馈控制系统， AFC电路控制的是信号的频率。 ▪ 自动相位控制（APC）电路：又叫锁相环路。 (Phase Locked Loop,简称PLL)，是一种相位反馈控制系统， 锁相环路控制的是信号的相位

71概述(续) (2)反馈控制系统的原理(与负反馈放大器比较) 相同点:皆是自动调节系统。 不同点:一是调节对象不同。(有频率F与相位P) 二是分析方法不同。 y负反馈放大器有放大器与线性反馈电路; 反馈控制系统除有放大器外,还有非线性部件, 要用非线性分析方法 (3)反馈控制系统的特点 AFC的特点是:误差信号是频率,所以稳定时有频差。 APC的特点是:误差信号是相位,所以稳定时只有相差

7.1 概 述（续） （2）反馈控制系统的原理（与负反馈放大器比较） ▪ 相同点：皆是自动调节系统。 ▪ 不同点：一是调节对象不同。（有频率F与相位P） 二是分析方法不同。 ▼ 负反馈放大器有放大器与线性反馈电路； ▼ 反馈控制系统除有放大器外，还有非线性部件， 要用非线性分析方法。 （3）反馈控制系统的特点 ▪ AFC的特点是：误差信号是频率，所以稳定时有频差。 ▪ APC的特点是：误差信号是相位，所以稳定时只有相差

72PLL基本原理:72.1PLL的方框原理图 2() 鉴相器 V环路滤波器( 压控振荡器 (PD) (LF aVCO (1)三个基本部件组成:鉴相器,环路滤波器和压控振荡器。 (2)基本原理: 鉴相器的输出信号v(t)是输入信号V(t)和压控振荡器输出 信号v(t)之间相位差的函数。 v(t)经环路滤波器滤波(也可能包括放大),滤除高频分 量后,成为压控振荡器的控制电压vp() 在vp(D)的作用下,压控振荡器输出信号的频率将发生相应变 化并反馈到鉴相器。最后进入稳定状态

7.2 PLL基本原理： 7.2.1 PLL的方框原理图 （1）三个基本部件组成：鉴相器，环路滤波器和压控振荡器。 （2）基本原理： ▪ 鉴相器的输出信号 是输入信号 和压控振荡器输出 信号 之间相位差的函数。 ▪ 经环路滤波器滤波（也可能包括放大），滤除高频分 量后，成为压控振荡器的控制电压 。 ▪ 在 的作用下，压控振荡器输出信号的频率将发生相应变 化并反馈到鉴相器。最后进入稳定状态。 v (t) d v (t) i v (t) o v (t) d v (t) P v (t) P

721PLL的方框原理图(续) 锁相环路具有两种工作状态: (1)捕获状态—环路由失锁进入锁定的过程; (2)锁定状态—VCO跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制 变化的过程 γ当系统开始工作时,压控振荡器的频率将向着接近输入信号 频率的方向变化,这就是捕获状态。 当PLL达到稳定状态后,若输入信号为一固定频率的正弦 波,则压控振荡器的输岀信号频率与输入信号频率相等,它们 之间的相位差为一常值,这种状态称为环路的锁定状态。 锁相环通常有两种不同的跟踪状态:调制跟踪与载波跟踪。 压控振荡器的输出信号跟踪输入的调制信号变化。这种状态 就是调制跟踪状态,这种环路称为“调制跟踪环路”。调制跟 环路可实现高质量的调角信号的解调 压控振荡器的输岀信号频率只跟踪输入信号的载频,那么就 称之为载波跟踪状态,这叫载波跟踪环,或称“窄带跟踪环

7.2.1 PLL的方框原理图（续） (2)锁定状态──VCO跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制 变化的过程。 ▼ 当系统开始工作时，压控振荡器的频率将向着接近输入信号 频率的方向变化，这就是捕获状态。 ▼ 当PLL达到稳定状态后，若输入信号为一固定频率的正弦 波，则压控振荡器的输出信号频率与输入信号频率相等，它们 之间的相位差为一常值，这种状态称为环路的锁定状态。 ▪ 锁相环通常有两种不同的跟踪状态：调制跟踪与载波跟踪。 ▼ 压控振荡器的输出信号跟踪输入的调制信号变化。这种状态 就是调制跟踪状态，这种环路称为“调制跟踪环路”。调制跟踪 环路可实现高质量的调角信号的解调。 ▼ 压控振荡器的输出信号频率只跟踪输入信号的载频，那么就 称之为载波跟踪状态，这叫载波跟踪环，或称“窄带跟踪环”。 ▪ 锁相环路具有两种工作状态： (1)捕获状态──环路由失锁进入锁定的过程；

7.22PLL各部件的特性与数学模型: (1)鉴相器(PD) 常用的鉴相器有以下几类:数字鉴相器、模拟相乘器、抽样 鉴相器和鉴频鉴相器等。 ■作为原理分析,通常使用具有正弦鉴相特性的鉴相器 (t) 2(1) 低通滤波器 v()=f((t)-0(1) 式中,(t)为输入信号v()的瞬时相位 q(t)为压控振荡器输出信号νn(t)的瞬时相位

7.2.2 PLL各部件的特性与数学模型： （1）鉴相器 （PD） v (t) f[ (t) (t)] d = i −o ▪ 常用的鉴相器有以下几类：数字鉴相器、模拟相乘器、抽样 鉴相器和鉴频鉴相器等。 ▪ 作为原理分析，通常使用具有正弦鉴相特性的鉴相器。 式中， i (t) 为输入信号 vi (t) 的瞬时相位； o (t) 为压控振荡器输出信号 vo (t) 的瞬时相位

(1)鉴相器(PD)(续1) 设相乘器的相乘系数为k,单位为1N。输入信号为: vi (t)=vm sin[iot+0 (t)]=Vim sinl (t) 以我波相位On为参考的瞬时相位。若输入信号为一固定 的正弦波,则(t)=60是一常数,即v()的初始相位。 假设输出信号为: vo(t)=Vom cos[ooot+0o(t)]=Vom cosloo(t)] 式中,V为余弦信号的振幅,O00环路VO自由振荡角 频率()是输出信号以其自由振荡相位Ont为参考的 瞬时相位

（1）鉴相器 （PD） （续1） ▪ 设相乘器的相乘系数为 k，单位为1/V。输入信号为： ( ) sin[ ( )] sin[ ( )] 0 v t V t t V t i = i m i +i = i m i 式中， 为正弦信号的振幅， 为中心角频率， 是 以载波相位 为参考的瞬时相位。若输入信号为一固定 的正弦波，则 是一常数， 即 的初始相位。 Vim i0 (t)  i t i0 0 ( ) i i  t = v (t) i ▪ 假设输出信号为： ( ) cos[ ( )] cos[ ( )] 0 v t V t t V t o = o m o + o = o m o 式中， 为余弦信号的振幅， 为环路VCO自由振荡角 频率， 是输出信号以其自由振荡相位 为参考的 瞬时相位。 Vom o0 (t)  o t o0 (t)  i