锁相环简介
锁相环 (phase locked loop)是一种利用相位同步产生的电压,去调谐压控振荡器以产生目标频率的负反馈控制系统。
锁相环在现代通讯技术中有广泛应用,如:解调技术、调制技术、稳频技术、微波技术、自动调谐跟踪、锁相式频率合成技术、数字式锁相解调、数字式位同步器。锁相环路具有以下工作特性:
1. 锁定特性 :环路具有频率锁定的特性,对输入的固定频率锁定后,两信号的频差为零,只有一个很小的稳态剩余差
2. 载波跟踪特性 :环路能跟踪输入信号频率载波的变化,即输入信号暂时消失,输出信号也能保持对输入信号的锁定。
3. 调制跟踪特性 :环路可以跟踪输入信号变化,如宽带调频信号的瞬时频率等。
锁相环结构
锁相环路是一个闭环的相位控制系统,基本结构如下图所示。该负反馈系统是由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和电压控制振荡器(VCO)三个基本部件组成。这三部分就实现了利用相位同步产生的电压,去调谐压控振荡器以产生目标频率。
锁相环基本原理框图
鉴相器
鉴相器是一个相位比较装置,用来检测输入信号的相位和反馈信号的相位之间的相位差,并输出一个对应两信号相差的误差电压Ud(t),完成相位差到电压的变换。
根据不同用途,鉴相器的要求主要有:鉴相特性形状;鉴相特性斜率和鉴相灵敏度;最高工作频率;对输入信号的泄漏;鉴相器的门限;鉴相能力。
鉴相器的具体电路很多,利用集成电路技术,单片集成鉴相器主要有:
1.相乘鉴相器:包括双平衡差分模拟相乘器和电流比率模拟相乘器等
2.门鉴相器:包括或门、异或门、与非门、或非门和异或门,D触发器、RS触发器等
3.数字式鉴相器:包括触发器型鉴相器和电压型、电流型数字式鉴相器等
现在的鉴相器均有鉴相鉴频功能,其鉴相鉴频功能如下所示:
鉴相鉴频特性
下面介绍一个常用的门鉴相器电路
典型的鉴频鉴相电路
如上图所示,蓝线相连部分是鉴相器一,是一个鉴频鉴相器,它由9个TTL与非门组成,2,3门和5,6门分别构成两个R-S触发器,上下两部分电路完全对称。8,9门输出宽度正比于两鉴相信号差和频差的开关信号。
黑线相连部分是鉴相器二,由两个TTL与非门10,11和一个反相器组成,在环路中通常用于正交锁定或作为锁定指示器。
环路滤波器
环路滤波器具有低通特性,即起到低通滤波器的作用。常用的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器:
RC滤波器
无源比例积分滤波器
有源比例积分滤波器
实际应用中,环路滤波器多为有源低通滤波器,如下图所示:
基本环路滤波器
为了增加对噪声和干扰的滤波作用,有时要在环路中增加辅助滤波器。环路中辅助滤波器都是低通型,可以增强对纹波的基波电压的滤除作用,如下图所示有源滤波附加低通滤波的电路:
有源附加一节低通滤波器其一
有源附加一节低通滤波器其二
有源附加两节低通滤波器
电容C的容量选择与R1和R2的阻值范围相关,R1和R2的阻值又与鉴相器输出阻抗、理想放大器输入和输出阻抗有关,一般R1和R2范围为1k~1M欧姆,电容C的范围在几千到几万皮法范围内选择。根据频率需求确定环路参数。
压控振荡器
压控振荡器是一个电压-频率变换的装置,振荡频率随输入电压U(t)线性变化。主要有以下一些指标:
1.控制灵敏度:指单位电压引起的频率变化量;
2.线性度:指输入控制电压与输出振荡频率的控制特性偏离直线的程度;
3.线性范围:指电压-频率控制保持线性的控制电压范围;
4.最大频偏:指最大控制电压作用下的最大频偏量;
5.最大工作频率;
6.频率稳定度:指振荡频率随各种因素(环境温度、电源电压等)变化的情况,包含短期稳定性和长期稳定度;
7.频谱纯度:包括相位噪声与各种杂散;
8.调制带宽:指控制电压频率的上限。
目前大量使用的集成压控振荡器主要有:晶体压控振荡器(VCXO);LC压控振荡器(LCVCO);压控多谐振荡器(VCM)。
其中,晶体振荡器频率稳定度最高,但是频率控制范围小,控制特性的线性最差,控制灵敏度也最低。压控多谐振荡器尽管频率稳定度最差,且只能产生方波,但可控范围最大、线性度最好,控制灵敏度最高。LC压控振荡器的性能介于二者之间。
审核编辑:刘清
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