第八章锁相技术5-1（原理）射频通信电路课件

第八章第八章 锁相与频率合成技术锁相与频率合成技术锁相技术是一种锁相技术是一种相位相位负负反馈反馈控制技术控制技术1 1）锁定时）锁定时无剩余频差无剩余频差；2 2）具有良好的）具有良好的窄带载波跟踪窄带载波跟踪性能；性能；3 3）具有良好的）具有良好的宽带调制跟踪宽带调制跟踪性能；性能；4 4）门限性能门限性能好；好；5 5）易于集成易于集成;主要特点主要特点:锁相电路在锁相电路在通信系统中的基本应用通信系统中的基本应用是：是：锁相解调、载波提取、位同步、频率合成锁相解调、载波提取、位同步、频率合成 本章主要内容：本章主要内容：锁相技术的锁相技术的基本概念与特性基本概念与特性；锁相环锁相环电路的实现电路的实现，锁相，锁相频率合成频率合成技术，技术，锁相解调和载波提取在第九章介绍锁相解调和载波提取在第九章介绍 第八章 锁相与频率合成技术锁相技术是一种相位负反馈控制技1 8.1 锁相环的基本组成与原理锁相环的基本组成与原理 8.1.1.锁相环的锁相环的组成组成及及数学模型数学模型1.鉴相器鉴相器PD两个输入两个输入信号信号锁相环的输入信号锁相环的输入信号VCO的输出信号的输出信号受控前受控前受控后受控后闭环时，闭环时，VCO 受到控制电压受到控制电压 控制后的角频率控制后的角频率VCO 的的自由振荡角频率自由振荡角频率 8.1 锁相环的基本组成与原理 8.1.1.锁相环2定义几个定义几个与频率和相位有关与频率和相位有关的量的量 ：输入相位输入相位输入固有角频差输入固有角频差输出相位输出相位控制角频差控制角频差误差相位误差相位瞬时角频差瞬时角频差化简，化简，均以均以 为参考为参考（设初始相位（设初始相位 为零）为零）定义几个与频率和相位有关的量：输入相位输入固有角频差输出相3鉴相器的功能：产生一个鉴相器的功能：产生一个输出电压输出电压，此电压的平均分量，此电压的平均分量 正比于两输入信号的相位差正比于两输入信号的相位差理想鉴相器理想鉴相器传输特性传输特性 为为鉴相灵敏度鉴相灵敏度，单位是，单位是V/radV/rad常用常用模拟乘法器模拟乘法器做鉴相器，其传输特性：做鉴相器，其传输特性：为正弦鉴相器为正弦鉴相器最大输出电压最大输出电压，单位是，单位是伏伏 鉴相器的功能：产生一个输出电压，此电压的平均分量理想鉴相器传4分析正弦鉴相器分析正弦鉴相器鉴相器鉴相器 鉴相特性为鉴相特性为非线性非线性，当当 时时 ，正弦鉴相可以，正弦鉴相可以近似为线性近似为线性 正弦鉴相器的正弦鉴相器的鉴相灵敏度鉴相灵敏度为：为：正弦鉴相器的正弦鉴相器的灵敏度灵敏度在数值上等于其在数值上等于其最大输出电压最大输出电压 鉴相范围是：鉴相范围是：特征：特征：输出是输出是正弦波正弦波 频率是频率是频差频差 ，称，称差拍正弦差拍正弦分析正弦鉴相器鉴相器 鉴相特性为非线性，正弦鉴相器的鉴5正弦鉴相器的正弦鉴相器的数学模型数学模型模型两层含义模型两层含义两输入相位相减两输入相位相减将相位差变成电压将相位差变成电压鉴相器的鉴相器的 主要指标主要指标 鉴相鉴相灵敏度灵敏度 鉴相范围鉴相范围 线性线性鉴相范围鉴相范围线性鉴相模型线性鉴相模型正弦鉴相器的数学模型模型两层含义两输入相位相减将相位差变成电62.环路滤波器（环路滤波器（LF）LF功能：功能：低通低通滤波器滤波器 ，滤除，滤除 中高频与噪声中高频与噪声电路特点：电路特点：线性电路线性电路，可用，可用传递函数传递函数 描述描述频域：频域：时域：时域：P是微分算子是微分算子常用的环路滤波器常用的环路滤波器三种三种2.环路滤波器（LF）LF功能：低通滤波器，滤除 7环路滤波器的传递函数环路滤波器的传递函数时间常数时间常数当当 时，时，；当当 时，时，低通特性低通特性简单简单RC积分滤波器积分滤波器环路滤波器的传递函数时间常数当 8时间常数时间常数 ，一般一般当当 时，时，；当当 时，时，低通特性低通特性与与简单简单RC滤波器滤波器不同，不同，趋于比例常数趋于比例常数 而不是而不是 0 0无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器 分子引入一个零点分子引入一个零点时间常数 ，一般当 9有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器时间常数时间常数 和和 当当 时，时，；当当 时，时，特点：理想积分滤波器，分子引入一个零点特点：理想积分滤波器，分子引入一个零点低通特性低通特性与与无源无源滤波器滤波器不同不同直流增益很大直流增益很大与与无源比例积分无源比例积分滤波器相同滤波器相同，高频增益趋于常数，高频增益趋于常数有源比例积分滤波器时间常数 10环路滤波器的环路滤波器的主要指标主要指标 直流增益直流增益有源滤波器直流增益很大，利于环路同步有源滤波器直流增益很大，利于环路同步带宽带宽由滤波器的时间常数决定由滤波器的时间常数决定 高频增益高频增益比例积分滤波器不为比例积分滤波器不为0 0，利于环路的捕捉，利于环路的捕捉幅频特性幅频特性相频特性相频特性比例积分滤波器的传递函数中引入了一个比例积分滤波器的传递函数中引入了一个零点零点，使相频特性在频率较高处有使相频特性在频率较高处有相位超前校正相位超前校正作用，作用，这利于这利于增加环路的稳定性增加环路的稳定性 环路滤波器的主要指标 直流增益有源滤波器直流增益很大，利113.压控振荡器（压控振荡器（VCO）VCO功能功能 电压电压控制频率控制频率振荡器振荡器VCO 数学模型数学模型注意：注意：VCO电压输入鉴相器，起作用的是其相位电压输入鉴相器，起作用的是其相位求求VCO受控相位：受控相位：频率受控特性频率受控特性理想的应为线性理想的应为线性：压控灵敏度，其单位是（弧度压控灵敏度，其单位是（弧度/秒）秒）/伏伏 控制电压控制电压 0 时的自由振荡角频率时的自由振荡角频率VCO输出输出VCO输入输入理想积分器理想积分器AO/P3.压控振荡器（VCO）VCO功能 电压控制频率12锁相环锁相环完整的完整的数学模型数学模型8.1.2 环路的环路的基本方程基本方程用用相位相位表示表示:用用频率频率表示表示:用微分算子用微分算子 :锁相环完整的数学模型8.1.2 环路的基本方程用相位表示:13环路方程的环路方程的含义含义:该方程表示了环路中该方程表示了环路中动态动态角频率的角频率的平衡平衡关系：关系：瞬时频差瞬时频差=输入固有频差输入固有频差 控制频差控制频差用用频率频率表示表示:瞬时频差瞬时频差 输入固有频差输入固有频差环路方程的含义:该方程表示了环路中动态角频率的平衡关系：瞬时14从以下几点从以下几点加深加深对环路方程的对环路方程的理解：理解：是非线性微分方程是非线性微分方程，它的非线性主要，它的非线性主要来自鉴相器来自鉴相器 。微分方程的微分方程的阶数阶数是环路滤波器的是环路滤波器的传递函数传递函数 的阶数的阶数加加 1 1 描述了输入信号与输出信号间的描述了输入信号与输出信号间的相位相位(或角频率或角频率)的关系：的关系：而不是而不是输入电压输入电压 与输出电压与输出电压 间的间的幅度关系幅度关系。如，如，RC滤波器滤波器 是是一阶一阶，则环路方程是：，则环路方程是：VCO是理想是理想积分器积分器1 阶阶环路方程为环路方程为二阶，二阶，称为称为二阶环二阶环从以下几点加深对环路方程的理解：是非线性微分方程，它的15不采用不采用环路滤波器环路滤波器的锁相环的锁相环其环路方程为：其环路方程为：一阶环一阶环 当当误差相位误差相位 比较小时比较小时，由于，由于 环路非线性微分环路非线性微分方程方程可可线性化线性化 锁相环成为锁相环成为一个线性一个线性系统系统不采用环路滤波器的锁相环其环路方程为：一阶环 当误差相位 16 锁定的定义：锁定的定义：环路闭合环路闭合控制频差控制频差 瞬时频差瞬时频差当当 时，时，环路环路锁定锁定由环路方程由环路方程锁定时，必有：锁定时，必有：进入鉴相器进入鉴相器的两个信号的两个信号频率相等频率相等即即VCO与输入信号与输入信号频率相等频率相等当当输入频差输入频差固定时固定时 锁定的定义：环路闭合控制频差 17