8.4.1 锁相环路的基本原理在线视频

您好

欢迎您继续学习本课程

上一讲我们学习的AFC电路

虽然能够稳定频率

但却存在剩余频差

这既是AFC电路的特点

同时也是它的缺点

为此

人们又设计出一种通过

比较信号的相位

产生控制电压

以消除频差的反馈控制电路

这就是本讲将要介绍的

自动相位控制电路

也叫锁相环路

那么它是如何实现

无剩余频差的频率控制呢

这要从它的基本原理说起

锁相环路是由鉴相器

环路滤波器和压控振荡器

组成的闭合环路

其受控对象是压控振荡器

反馈比较控制器是由鉴相器

和环路滤波器组成

当压控振荡器的频率ωv(t)

由于某种原因发生变化时

相位φv(t) 必然要产生变化

这一变化的相位φv(t)在鉴相器中

将与频率为ωr的输入信号

的相位φr(t) 也就是

参考相位进行比较

输出一个与两者间的相位差φe(t)

成正比的误差电压ue

经过环路滤波器取出其中

缓慢变化的控制电压uc(t)

用来控制压控振荡器的频率

使两信号的相位差φe(t)

不断减小

当φe(t)最终减小到某一

较小的恒定值即剩余相差时

表明被稳定的频率

等于输入的标准频率

锁相环路进入锁定状态

可见

锁相环路实质上是一个

相位负反馈系统

通过相位来控制频率以

实现无误差的频率跟踪

这是它优于自动频率控制电路之处

下面我们介绍锁相环路的基本方程

在原理框图中

鉴相器的功能有两个

一是比较

即将两个相位相减

为了便于比较φr(t)和φv(t)的相位

将φr(t)改为φ1(t)

它是以ω0t为参考相位

表示为

其中ω0是压控振荡器的

固有角频率

二是鉴相

其输出误差电压ue(t)

与输入误差相位φe(t)

之间的关系选用了

具有正弦鉴相特性的函数

加以表示

环路滤波器

为RC低通滤波器

在时域分析中可用一个

传输微分算子F(p) 来表示

其作用是滤除鉴相器输出误差

电压中的干扰分量

压控振荡器的作用是

把控制电压uc(t)的变化

转化为相位φv(t)的变化

可用微分算子p的倒数

表示其积分关系

由此得到

锁相环路的数学模型

由该模型可以写出

由此可得

相位控制方程

将该方程对时间微分

经移项可得锁相环路的基本方程

式中

称为环路增益

下面我们分析基本方程的物理意义

设环路输入一个频率ωr和

相位φr均为常数的信号

即

其中

由环路基本方程可知

等式左边第一项

是φe(t)对时间的导数

表示为

其中ωv(t)

是VCO受uc(t)控制

所引起的压控振荡角频率

称作瞬时角频差

等式左边第二项表示

压控振荡器在uc(t)的控制下

振荡角频率ωv(t)偏离振荡器

固有角频率ω0的数值

表示为

称作控制角频差

等式右边pφ1(t)表示

输入参考信号角频率ωr

偏离ω0的数值

表示为

称为固有角频差

可见

瞬时角频差加上控制角频差

等于固有角频差

刚才所介绍的锁相环路基本方程

是一个非线性的微分方程

对它求解比较困难

因此

只能对锁相环路的工作过程

进行定性分析

下面我们依据相位控制方程

讨论锁相环路的两个状态

锁定和失锁

如果固有角频差不变

环路闭合后

由于环路的自动调整作用

控制角频差不断增大

而瞬时角频差不断减小

最终达到控制角频差

等于固有角频差

瞬时角频差等于零情况下的

环路锁定状态

此时的瞬时相差是常数

由锁定状态可推知

失锁应是瞬时角频差不为零的状态

其实

在锁定和失锁

这两个状态之间的转变

存在两个动态过程

那就是捕捉与跟踪

在实际情况中

环路在开始时往往是失锁的

因此

环路需要经历一个由失锁

进入锁定的过程

这一过程称为捕捉过程

在捕捉过程中

环路能够由失锁进入锁定所允许

输入信号频率偏移的最大值

叫做捕捉带或捕捉范围

当环路锁定后

如果输入参考信号的频率或相位

在一定的范围内以一定的速率

发生变化

输出信号的频率或相位以

同样的规律跟随变化

这一过程叫做跟踪过程

或同步过程

在跟踪过程中

能够维持环路锁定所允许的

输入信号频率偏移的最大值

称为同步带或跟踪带

也叫做同步范围或锁定范围

当参考信号的频率偏移超出同步带

环路进入失锁状态

捕捉带不等于同步带

且前者小于后者

跟踪特性又分为载波跟踪特性

和调制跟踪特性

通过本讲的学习

希望您在掌握锁相环路

组成框图的基础上

从相位控制方程的角度

理解锁定与失锁 捕捉与

跟踪的相关概念

为下一讲的学习打好基础