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锁相环路简称锁相环( PLL ),是一种输出一定频率信号的振电路,也称为相位同步环( 回路)。该回路利用外部施加的基准信号与PLL 回路内的振荡器输出的相位差恒定的反馈控制来产生振荡信号。电子设备在正常工作时,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步,利用锁相环路就可以实现这个目的。
在LPC2103中,锁相环接收的输人时钟频率范围仅为10~25MHz。输入频率通过一个电流控制振荡器(CCO)倍增到范围10~70MHz。倍频器可以是1~32的整数(实际倍频值受CPU最高频率的限制,LPC2103最高频率可达到70MHz)。CCO的操作频率为156~320MHz,因此在环中有一个额外的分频器,在PLL提供所需要的输出频率时使CCO保持在其频率范围内。输出分频器可设置为2、4、8或16分频来产生输出时钟。由于输出分频器的最小值为2,它保证了PLL输出有50%的占空比。2100433B
锁相环锁定频率和相位是怎样的一个过程 1,看图中,当△w为0时,鉴相器才会有直流输出,但锁相环没有
反馈控制
射频发射电路 这个系统是锁相环频率合成器 这三块电路分别是锁相式频率合成器 压控振荡 高频功放
大概说:上图,Q1等构成电容三点式振荡电路,故X1支路等效为一个电感,其中变容二极管用于改变等效电感值,从而改变振荡频率;Q2是起着缓冲与放大作用,避免输出端后级对振荡器频率的影响;中图,输入输出标注...
即是003省道,徐州五环公路全长135.2公里,将把徐州市域的合围面积拓展至1100平方公里,占徐州市区总面积的35.7%,服务乡镇将达52个,合围面积内常住人口220.9万人,与南京干线公路大五环基...
车辆检测器锁相环路的设计
环形线圈检测器是高速公路中常用的车辆检测器 ,它具有性能稳定、性价比高的优点。本文从环形线圈检测单元电路存在的问题 ,提出了运用锁相技术的车辆检测器框图 ,并对锁相环路的各个部分进行了设计。
单相电力锁相环技术综述
锁相同步技术是保障并网装置正常运行的一个重要因素,本文综述了当前主要的单相锁相环系统及其控制。结合三相锁相环的控制方法,对几种常见的鉴相器改进方案,如虚拟乘法器鉴相、微分法构造虚拟两相鉴相及FIR构造虚拟两相鉴相法,进行了理论分析、MATLAB建模、仿真分析,并基于DSP实验平台进行了实验验证。
一.锁相环的基本组成
许多电子设备要正常工作,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步,利用锁相环路就可以实现这个目的。
锁相环路是一种反馈控制电路,简称锁相环(PLL)。锁相环的特点是:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。
因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪,所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中,当输出信号的频率与输入信号的频率相等时,输出电压与输入电压保持固定的相位差值,即输出电压与输入电压的相位被锁住,这就是锁相环名称的由来。
锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成,锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。
锁相环中的鉴相器又称为相位比较器,它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差,并将检测出的相位差信号转换成uD(t)电压信号输出,该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC(t),对振荡器输出信号的频率实施控制。
二.锁相环的工作原理
锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成,利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。
鉴相器的工作原理是:设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为:
(8-4-1)
(8-4-2)
式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率,称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压uD为:
用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉,剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC(t)。即uC(t)为:
(8-4-3)
式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率,θi(t)和θO(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相,根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为:
即
(8-4-4)
则,瞬时相位差θd为
(8-4-5)
对两边求微分,可得频差的关系式为
(8-4-6)
上式等于零,说明锁相环进入相位锁定的状态,此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态,uc(t)为恒定值。当上式不等于零时,说明锁相环的相位还未锁定,输入信号和输出信号的频率不等,uc(t)随时间而变。
因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示,该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心,随输入信号电压uc(t)的变化而变化。该特性的表达式为
(8-4-6)
上式说明当uc(t)随时间而变时,压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变,锁相环进入“频率牵引”,自动跟踪捕捉输入信号的频率,使锁相环进入锁定的状态,并保持ω0=ωi的状态不变。
三、锁相环的应用
3.1.锁相环在调制和解调中的应用
(1)调制和解调的概念
为了实现信息的远距离传输,在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制,收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。
所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uC的参数,使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相,所以,调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种。
调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等,幅度随输入信号幅度的变化而变化;调 频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,频率随输入信号幅度的变化而变化;调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,相位随输入信号幅度的变化而变化。调 幅波和调频波的示意图如图8-4-4所示。
上图的(a)是输入信号,又称为调制信号;图(b)是载波信号,图(c)是调幅波和调频波信号。
解调是调制的逆过程,它可将调制波uO还原成原信号ui。
3.2.锁相环在调频和解调电路中的应用
调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由8-4-6式可知,压控振荡 器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率ω0相等时,压控振荡器输出信号的频率将保持ω0不变。若压控振荡器的输入信 号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外,还有调制信号ui,则压控振荡器输出信号的频率就是以ω0为中心,随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。 由此可得调频电路可利用锁相环来组成,由锁相环组成的调频电路组成框图如图8-4-5所示。
根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图8-4-6所示。
3.3.锁相环在频率合成电路中的应用
在现代电子技术中,为了得到高精度的振荡频率,通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变,利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术,可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。
输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路;输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图8-4-7所示。
锁相环路是一个相位误差控制系统 ,通过比较输入信号与压控振荡器输出信号之间的相位差 , 产生一个对应于 2 个信号相位差的误差电压 , 该误差电压经处理后去调整压控振荡器的频率或相位 。当环路锁定时 ,误差控制电压为一固定值 ,压控振荡器输出频率与输入信号频率相等 。锁相环路的这一特点 ,使得它在频率合成领域得到广泛应用 ,用来实现对信号频率的精确控制 。
频率合成技术是现代通信系统的重要组成部分 ,它是将一个高稳定度和高准确度的基准频率经过四则运算产生同样稳定度和准确度的任意频率 。直接数字频率合成( DDS) 在基带信号处理系统中应用广泛 ,具有频率分辨率高 、频率准确度好的显著优点 ,但是它的最大缺点是输出频率不能太高 , 由数字技术带来的相位量化噪声和 D/A 变换器带来的幅度量化噪声可能导致很高的总输出噪声电平 。因此 ,对于宽频带射频振荡器来说 ,锁相环频率合成技术仍是主流 。
锁相环作为频率合成的主要部件 , 由鉴相器( PD )、环路滤波器( LPF)、压控振荡器( VCO )和可编程序 N 分频器组成 。根据分频器 1/ N 取值方式的不同 , 频率合成锁相环路主要有 2 种形式 : 整数分频锁相环和小数分频锁相环 。当 N 取整数时 , 为整数分频锁相环 ; 当N 取小数时 ,为小数分频锁相环 。
1 整数分频锁相环
整数分频锁相环外接一个固定频率信号 f OS C ,经过 1/R 分频后得到鉴相频率f PD , 压控振荡器 f VCO 经过 1/ N 分频后与 f PD 鉴相 。在这个环路中 , 设频率分辨率为 f CH 。环路锁定后 ,f VCO与 f OSC之间关系如下fVCO =fOSC ×NR考虑到输出信号的相位噪声特性 , 希望尽可能提高鉴相器频率 f PD 而使 N 值最小 。因为 N 为整数 ,所以鉴相器频率 f PD 最大可以选择为频率分辨率 f CH 。鉴相器频率 f PD 的计算公式如下f PD =GCD( f OC , f CH)式中 GCD( x , y) 表示 x 和 y 的最大公约数 。
2 小数分频锁相环
小数分频锁相环工作方式下 , N 设定为小数 ,可以用下式表示N = N INT +FnumFden式中 N INT表示 N 值的整数部分 , Fnum表示分子 ,Fden表示分母 。于是 , 小数分频锁相环的鉴相频率计算公式为f PD = GCD( f OSC , f CH ×Fden)比较整数和小数分频锁相环之间工作方式的不同 ,不难看出 ,整数分频锁相方式下 , 无法在单个环路实现高频率 、小步进的频率合成 ,需要通过多个环路才能实现 。而在小数分频锁相方式下则可以解决这一问题 。
1.锁相环的基本组成
许多电子设备要正常工作,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步,利用锁相环路就可以实现这个目的。
锁相环路是一种反馈控制电路,简称锁相环(PLL)。锁相环的特点是:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。
因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪,所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中,当输出信号的频率与输入信号的频率相等时,输出电压与输入电压保持固定的相位差值,即输出电压与输入电压的相位被锁住,这就是锁相环名称的由来。
锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成,锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。
锁相环中的鉴相器又称为相位比较器,它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差,并将检测出的相位差信号转换成uD(t)电压信号输出,该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC(t),对振荡器输出信号的频率实施控制。
2.锁相环的工作原理
锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成,利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。
鉴相器的工作原理是:设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为:
(8-4-1)
(8-4-2)
式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率,称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压uD为:
用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉,剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC(t)。即uC(t)为:
(8-4-3)
式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率,θi(t)和θO(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相,根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为:
即
(8-4-4)
则,瞬时相位差θd为
(8-4-5)
对两边求微分,可得频差的关系式为
(8-4-6)
上式等于零,说明锁相环进入相位锁定的状态,此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态,uc(t)为恒定值。当上式不等于零时,说明锁相环的相位还未锁定,输入信号和输出信号的频率不等,uc(t)随时间而变。
因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示,该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心,随输入信号电压uc(t)的变化而变化。该特性的表达式为
(8-4-6)
上式说明当uc(t)随时间而变时,压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变,锁相环进入“频率牵引”,自动跟踪捕捉输入信号的频率,使锁相环进入锁定的状态,并保持ω0=ωi的状态不变。
锁相环的应用
1.锁相环在调制和解调中的应用
(1)调制和解调的概念
为了实现信息的远距离传输,在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制,收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。
所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uC的参数,使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相,所以,调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种。
调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等,幅度随输入信号幅度的变化而变化;调 频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,频率随输入信号幅度的变化而变化;调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,相位随输入信号幅度的变化而变化。调 幅波和调频波的示意图如图8-4-4所示。
上图的(a)是输入信号,又称为调制信号;图(b)是载波信号,图(c)是调幅波和调频波信号。
解调是调制的逆过程,它可将调制波uO还原成原信号ui。
2.锁相环在调频和解调电路中的应用
调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由8-4-6式可知,压控振荡 器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率ω0相等时,压控振荡器输出信号的频率将保持ω0不变。若压控振荡器的输入信 号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外,还有调制信号ui,则压控振荡器输出信号的频率就是以ω0为中心,随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。 由此可得调频电路可利用锁相环来组成,由锁相环组成的调频电路组成框图如图8-4-5所示。
根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图8-4-6所示。
3.锁相环在频率合成电路中的应用
在现代电子技术中,为了得到高精度的振荡频率,通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变,利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术,可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。
输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路;输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图8-4-7所示。