第7讲_集成锁相环路

1 P 2 F ( P) A 1 P1
1 p 2 传输算子可表示为： F ( P) P1'
7.2 集成锁相环路中的单元电路
环路滤波器

有源比例积分滤波器 其频率特性为：
1 j 2 F ( j) j1'
7.2 集成锁相环路中的单元电路
集成压控振荡器
Ko vc (t ) v (t ) o v (t ) 控制角频差
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的捕捉、锁定与失锁

捕捉过程 初始时刻，外输入信号角频率i与固有振荡角频率o不相 等也不相干 鉴相器输出这两个信号的差拍信号 (t )、 (t )为固定值
vd (t ) Kd sin[ot i (t ) o (t )] 上下对称的正弦波 若 o 大于环路低通滤波器的通频带，差拍信号被滤除，

模拟乘法器实现鉴相功能
7.2 集成锁相环路中的单元电路
集成鉴相器

数字式鉴频鉴相器
vi(t)
vo(t)
7.2 集成锁相环路中的单元电路
集成鉴相器

数字式鉴频鉴相器
vi(t)
vi(t)
vi(t)
(a) vi(t)与vo(t)同相
(b) vi(t)滞后vo(t) (c) vi(t)超前vo(t)
R2 R1 R2
7.2 集成锁相环路中的单元电路
环路滤波器
有源比例积分滤波器 传输微分算子：

式中τ1=(R1+AR1+R2)C， τ2=R2C A是运放的开环电压增益，若A很高， τ1 ≈ AR1C，则 1 PR2C 1 PR2C F ( P) A A 1 PAR1C PAR1C 负号不影响滤波器特性，令τ’1=R1C ，故A值很高时，

7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的组成

组成框图 鉴相器（PD） 环路滤波器（LF） 压控振荡器（VCO）
vi(t) vo(t)
vd(t)
vc(t)
vo(t)
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的组成

vi(t) vo(t)
vd(t)
鉴相器 实现相位差—电压变换 将输入基准信号vi(t)与压控振荡器输出信号vo(t)的相位进行 比较，产生对应于两信号相位差的误差电压vd(t) 多采用具有正弦鉴特性模拟乘法器 鉴相器工作原理以及各信号相位定义
差拍波不再是正弦信号，正负半周不对称 不对称的差拍波的直流、基波分量被环路滤波器保留，加 到压控振荡器 直流分量使压控振荡器的中心频率向i偏移 中心频率的偏移使得差拍信号的频率变低，直流分量变大 使得压控振荡器的角频率更快地靠近i
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的捕获、锁定与失锁
锁定 直到压控振荡器输出的瞬时角频率 v i 鉴相器输出由差拍波变成直流电压 环路在此频率下稳定 环路进入锁定状态 综上所述，当 e (t ) 0 ，即 lim p e (t ) 0 时，
稳频 调制 解调 同步 控制 测量

7.3 集成锁相环路的应用
FM调制电路

组成框图
f0

工作原理 压控振荡器直接用于调频 利用锁相环的锁定特性，得到稳定的载波频率
7.3 集成锁相环路的应用
AM同步解调电路

组成框图

工作原理 利用锁相环来产生与AM信号载波同频同相的解调参考信号
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的组成
环路滤波器 线性低通滤波器 抑制高频分量，获得更纯的控制电压vc(t) 用于控制压控振荡器的输出频率v 环路滤波器的传递函数描述

时域描述（线性微分方程）
vc (t ) F ( P)vd (t ) P d / dt
频域描述（拉氏变换）
vd(t)

t
Ko Kd F (0)sin e () v () o F (0) 为环路滤波器的直流增益
o e () arcsin Ko K d F (0)
稳态相位误差
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的捕获、锁定与失锁

失锁 当i变化太大时，导致 | o | Ko Kd F (0) o 令 e () arcsin 无解，环路失锁 Ko K d F (0) 压控振荡器的v不再与i同步变化
dt dt 当输入信号vi(t)的角频率i和初相位θi均为固定值时 di (t ) p1 (t ) o，（ =0） o i o 固有角频差 dt Ko Kd F ( p)sin e (t ) P2 (t )
因此在任何时刻 e (t ) o v (t )
7.3 集成锁相环路的应用
锁相跟踪滤波器
跟踪滤波器： 一个带通滤波器 其中心频率能自动地 跟踪输入信号载波频率 的变化 特点： 即使外输入信号消失 或淹没在噪声中， 仍能保持环路的锁定

7.2 集成锁相环路中的单元电路
环路滤波器
无源比例积分滤波器 1 2P 传输微分算子： F ( P) 1 1P

式中τ1=(R1+R2)C， τ2=R2C 令P=jΩ, 滤波器的频率特性： 1 j 2 F ( j) 1 j1 当频率很高时：
F ( j)

积分—施密特触发控制多谐振荡器 射极定时压控多谐振荡器 变容二极管压控振荡器 差动式晶体压控振荡器 数字门压控振荡器

第7讲 集成锁相环路
锁相环路的工作原理 7.2 集成锁相环路中的单元电路 7.3 集成锁相环路的应用
7.1
7.3 集成锁相环路的应用
集成锁相环的应用分类
pe (t ) p1 (t ) Ko Kd F ( p)sin e (t )
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路相位模型和基本方程

环路微分方程： pe (t ) p1 (t ) Ko Kd F ( p)sin e (t )
pe (t ) de (t ) / dt e (t ) 为环路瞬时角频差 di (t ) d p1 (t ) [ot i (t )] o

Kd
Kd
鉴相器工作原理以及各信号相位定义
鉴相器输出误差电压vd(t)
乘法器输出：
' vd (t ) K m vi (t )vo (t ) K mVim sin[ot 1 (t )]Vom cos[ot 2 (t )]
1 1 K mVimVom sin[2ot 1 (t ) 2 (t )] K mVimVom sin[1 (t ) 2 (t )] 2 2
vo(t)
vo(路
vi(t)
集成鉴相器

门鉴相器 1 或门鉴相器 输出平均误差电压：
vo(t)
v’d(t)
vd(t)
e Vdm (1 ) (0 e ) 2 vo(t) vd (t ) Vdm (3 e ) ( 2 ) e v’d(t) 2
能够维持锁定状态的固有角频差范围 | o | Ko Kd F (0)
称为环路同步带宽，用 H 表示
H 2Ko Kd F (0)
第7讲 集成锁相环路
锁相环路的工作原理 7.2 集成锁相环路中的单元电路 7.3 集成锁相环路的应用
7.1
7.2 集成锁相环路中的单元电路
集成鉴相器
o i o 为固有角频差
又令
2 (t ) o (t )
锁相环输入输出信号可改写为：
vi (t ) Vim sin[ot 1 (t )]
vo (t ) Vom cos[ot 2 (t )]
均以固有振荡相位ot为参考
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的组成
v o o c
其中o为固有振荡频率 Ko为控制灵敏度，量纲为rad/s· V
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的组成

压控振荡器 输出电压的瞬时相位θ2(t)直接影响鉴相器的输出
2 (t ) Ko vc (t )
0
t
改写成微分算子形式：
Ko 2 (t ) vc (t ) P
数学模型：
vc(t)
P d / dt
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路相位模型和基本方程

相位模型
vd(t) vc(t)

环路微分方程： Ko e ( t ) 1 ( t ) 2 ( t ) 1 ( t ) vc ( t ) P 1 1 (t ) K o K d F ( p) sin e ( t ) P
i
o
不能形成控制电压，压控振荡器输出角频率仍为o ，系统 不发生改变
若 o 在环路低通滤波器的通频带内，差拍信号通过环路 滤波器控制压控振荡器，产生中心频率为o的调频信号
7.1 锁相环路的工作原理
锁相环路的捕获、锁定与失锁

捕捉过程 中心频率为o的调频信号立即送返至鉴相器
鉴相器输出正弦波和调频波的差拍波

vo(t) vi(t) vo(t)
v’d(t)
Kd
U dm

7.2 集成锁相环路中的单元电路
环路滤波器

RC积分滤波器 传输微分算子： F ( P)
1 1 P1
式中τ1=RC是时间常数,是这种 滤波器唯一可调的参数 令P=jΩ, 滤波器的频率特性：
1 F ( j) 1 j1
1 vd (t ) K mVimVom sin[1 (t ) 2 (t )] K d sin e (t ) 2 1
其中 K d
2 K mVimVom 为鉴相灵敏度