锁相技术作者张涛第2章锁相环的基本单元电路和数学模型课件.pptxVIP

第2章 锁相环的基本单元电路和数学模型本章简介讲解锁相环的基本原路以及各单元电路的结构给出了各单元电路的模型建立了锁相环系统的数学模型，给出了传输函数讨论一般二阶系统的瞬态响应和稳态响应，由此得出了系统参数，并讨论实际设计中系统参数的选取锁相环的研究对象通常的电路中，一般研究对象是电压或电流，比如传递函数的定义一般是输入输出信号的电压之比。而锁相环，顾名思义是锁定相位的环路，因此我们的研究对象是相位。更进一步说，在时间上对相位求导得到角频率，频率与相位密切相关，因此频率也是锁相环研究的重要对象，总之，锁相环是一个相位系统，我们关心的是它的相位和频率，而不是电压的幅度。锁相环的工作原理注意：误差电压通过环路低通滤波器滤除噪声和信号的高频分量，这是滤波器直观的作用。从控制系统的角度来看，环路滤波器应该称为环路控制器，它的主要任务是建立反馈控制环路的动态特性，以及向VCO提供适合的控制信号，滤波的作用是次要的。锁相环的基本单元电路----鉴相器鉴相器（Phase Detector—PD）是锁相环的关键部件，它的主要功能是检测环路输入信号与反馈信号的相差，并将它们放大，鉴相器的性能决定着锁相环的精度和稳定度。鉴相器有四种：模拟乘法器构成的鉴相器异或门构成的鉴相器触发器构成的鉴相器鉴频鉴相器。模拟鉴相器 模拟鉴相器一般由模拟乘法器构成，应用于模拟锁相环，它将正弦输入信号与反馈信号相乘，并将乘积的平均值作为有用的直流信号输出。相对于数字鉴相器，模拟乘法器作为鉴相器具有优良的噪声能力，广泛应用于对频谱纯度要求很高的通讯领域。 用乘法器模型表示的鉴相器模型方框图。后接低通滤波器是为了滤除高次谐波。模拟鉴相器 乘法器的一个输入是正弦信号：乘法器的另一个输入来自压控振荡器的输出的：值得注意的是：乘法鉴相器模型的输入信号一个是正弦信号，一个是余弦信号，两个输入信号相差90°，相位 和 之间的基准关系是互为正交，这是乘法器模型所要求的。除非特别说明，本章中所有数学模型都建立在环路锁定的基础上。因为环路只有在锁定情况下，才是线性系统，非锁定情况下，环路是非线性系统。模拟乘法鉴相器数学模型推到为鉴相器增益，单位是为相位误差输入方波信号模拟乘法鉴相器数学模型推导 模拟乘法鉴相器不仅可输入正弦信号，还可输入方波信号，此时模拟乘法器构成开关鉴相器，开关鉴相器的应用极为普遍。输入开关鉴相器的方波形式如下：输入方波信号模拟乘法鉴相器数学模型推导（2）显然，乘法鉴相器的数学模型具有正弦鉴相特性，方程和模型都是非线性。当环路锁定的情况下，相位误差很小时，鉴相特性在零点附近 ，得到鉴相器的线性模型为这个公式代表鉴相器的线性模型。由图可知，零点附近的特性曲线可用一条斜率等于 的直线近似。模拟乘法鉴相器电路结构MOS管实现的双平衡四象限模拟乘法器Gilbert单元运算放大器完成差分信号向单边信号的转换。鉴相器也可以看作一个把信号转换成零频的调制器（混频器），许多具有调制器或混频器的电路也是由乘法器组成。模拟乘法鉴相器电路结构三极管实现双平衡四象限模拟乘法器这里给出两个双平衡四象限模拟乘法器电路的目的是为了让大家对模拟鉴相器的电路有一个直观感性的认识，有关这方面的知识请读者阅读“模拟电子技术”模拟乘法鉴相器电路结构 由双平衡四象限模拟乘法器组成的鉴相器，元件的匹配和平衡非常重要，否则会引起直流失调问题。图中的电路，用分立元件组成是永远不会成功的，随着集成电路的发展，单片双平衡四象限模拟乘法器产品大量涌现，单片集成双平衡四象限模拟乘法器内部元件能很好的匹配，即便如此，如果要使直流失调尽量小，片外元件的匹配也非常重要，而且要保证输入信号有很低的阻抗和很好的匹配。双平衡四象限模拟乘法器鉴相器的输出是差分信号，并且有一个共模的直流失调，而环路滤波器要求零失调的单边输出，所以，图中用一个运算放大器完成差分信号向单边信号的转换。如果整个电路集成在一起，运算放大器的功能可由一个差分放大器来完成。随着集成电路技术的发展，在单片双平衡四象限模拟乘法器单元可做到几百兆赫兹频率的优良性能。在环路失锁情况下，乘法鉴相器的特征当环路失锁时，输入信号的频率与输出信号的频率不相等，鉴相器输出为高次谐波可通过滤波器滤掉，留下频率为 项，在锁相环捕获过程中频差 是不停的的在变化。因此输出是上下幅度不对称的交流信号，即“差拍信号”。如果上下幅度对称，通过环路低通滤波器输出控制电压的平均值为零，对VCO的振荡频率没有控制作用，这种情况环路永远无法锁定。实际上在环路处于失锁状态时，“差拍信号” 是不对称的，环路滤波器输出的控制电压也不为零，这个非零的控制电压控制VCO的输出频率跟踪输入信号的频率，有关环路捕获过程的原理，在“环路捕获性能”一章将详细说明。异或鉴