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锁相环的工作原理与应用

助工
2014-08-06 21:46:33    评分
锁相技术的理论早在1932年就提出了,但直到40年代在电视机中才得到广泛的应用。锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL,是实现相位自动控制的负反馈系统,它使振荡器的相位和频率与输入信号的相位和频率同步。
    
锁相环包含三个主要的部分:⑴鉴相环(或相位比较器,记为PDPC):是完成相位比较的单元,用来比较输入信号和基准信号的之间的相位.它的输出电压正比于两个输入信号之相位差.⑵低通滤波器(LPF):是个线性电路,其作用是滤除鉴相器输出电压中的高频分量,起平滑滤波的作用.通常由电阻、电容或电感等组成,有时也包含运算放大器。压控振荡器(VCO):振荡频率受控制电压控制的振荡器,而振荡频率与控制电压之间成线性关系。在PLL中,压控振荡器实际上是把控制电压转换为相位。
   
它的工作过程如下:相位比较器把输入信号作为标准,将它的频率和相位与从VCO输出端送来的信号进行比较。如果在它的工作范围内检测出任何相位(频率)差,就产生一个误差信号Ve(t),这个误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位差,通常是以交流分量调制的直流电平。 由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量,产生信号Vd(t)去控制VCO,强制VCO朝着减小相位/频率误差的方向改变其频率,使输入基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减小直至为0,这时我们就称环路已被锁定。
    
如果VCO的输出频率低于输入基准信号的频率,相位比较器的输出振幅就为正,经滤波后去控制VCO,使其频率增加,直到两个信号的频率和相位精确同步。相反,若VCO输出频率高于输入基准信号,相位比较器的输出会下降,使VCO锁定在输入基准信号的频率。
    
下面较详细地介绍它的捕捉过程和跟踪状态。
    
VCO在没有输入控制信号时的固有振荡频率为Wo。开机后,若相位比较器的输入信号频率WiWo很接近,则相位比较器将输出这两个频率信号的差拍波,因其频率很低,它将顺利通过低通滤波器,然后加到VCO输入端去作控制电压,VCO受此差拍调频,其中心频率仍为Wo。调频信号又立即返回相位比较器中,在它的输出信号中已具有一个直流分量,经过低通滤波器的积分作用取出来,再加到VCO输入端,从而使VCO的中心频率发生偏移。这个偏移方向恰好是朝着输入信号频率Wi的方向移动,使相位比较器输出的差拍信号频率变得越来越低,相位差的直流分量也会越来越大。这个逐渐变大的直流分量经低通滤波器后去控制VCO,以更快的速度使VCO的振荡频率趋向于Wi  
    
上述过程以极快的速度反复循环进行,直至从量变发生质变:VCO的振荡频率由原来的Wo变为Wi,环路在这个频率上稳定下来,这时相位比较器的输出也由差拍波变为直流电压,环路进入锁定状态。这种锁定状态是环路通过频率的逐步牵引而进入的,这个过程叫做捕捉过程。若WoWi的频差太大,环路通过频率的逐步牵引也可能始终进入不了锁定状态,就称处于失锁状态。这是因为WoWi相差很大时,相位比较器输出的差拍电压的频率很高,它将被低通滤波器除掉,滤波器的输出电压基本上为0或保持不变,因此VCO的输出频率也保持Wo不变,这种情况将一直持续下去。
    
对于已经锁定的环路,若输入信号的频率或相位稍有变化,立刻会在两个输入信号的相位差上反映出来,鉴相器的输出也会随着改变并驱动VCO的频率和相位以同样的规律跟着变化。环路的这种状态称为跟踪状态。因此可以说锁相环是一个相位自动控制系统,其锁定状态的取得是靠相位差的作用,锁定状态的维持也仍然依靠相位差的作用。
 

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