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  安迪640 2011-04-27 00:00:00

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  supercathy小花 2017-12-16 00:00:00

  鎖相環(huán) 一．基礎(chǔ)理論 鎖相環(huán)路(Phase Locked Loop)是一個閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，它的輸出信號的相位能自動跟蹤輸入信號相位。系統(tǒng)框圖如下： ui(t) uo(t) θ1(t) θ2(t) 當(dāng) 與 相等時，兩矢量以相同的角速度旋轉(zhuǎn)，相對位置，即夾角維持不變，通常數(shù)值又較小，這就是環(huán)路的鎖定狀態(tài)。 從輸入信號加到鎖相環(huán)路的輸入端開始，一直到環(huán)路達到鎖定的全過程，稱為捕獲過程。設(shè)系統(tǒng)Z初進入同步狀態(tài) 的時間為 。那么從 的起始狀態(tài)到達進入同步狀態(tài)的全部過程就稱為鎖相環(huán)路的捕獲過程。捕獲過程所需的時間 稱為捕獲時間。顯然，捕獲時間 的大小不但與環(huán)路的參數(shù)有關(guān)，而且與起始狀態(tài)有關(guān)。 對一定的環(huán)路來說，是否能通過捕獲而進入同步完全取決于起始頻差 。若 超過某一范圍，環(huán)路就不能捕獲了。這個范圍的大小是鎖相環(huán)路的一個重要性能指標(biāo)，稱為環(huán)路的捕獲帶 。 捕獲狀態(tài)終了，環(huán)路的狀態(tài)穩(wěn)定在 (1-1) 這就是同步狀態(tài)的定義。只要在整個變化過程中一直滿足(1-1)式，那幺仍稱環(huán)路處于同步狀態(tài)。由上可知，在輸入固定頻率信號的條件之下，環(huán)路進入同步狀態(tài)后，輸出信號與輸入信號之間頻差等于零，相差等于常數(shù)，即 常數(shù) 這種狀態(tài)就稱為鎖定狀態(tài)。 鎖相環(huán)路的組成 鎖相環(huán)路為什幺能夠進入相位跟蹤，實現(xiàn)輸出與輸入信號的同步呢？因為它是一個相位的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。這個負(fù)反饋控制系統(tǒng)是由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和電壓控制振蕩器（VCO）三個基本部件組成的，基本構(gòu)成如圖： 實際應(yīng)用中有各種形式的環(huán)路，但它們都是由這個基本環(huán)路演變而來的。下面逐個介紹基本部件在環(huán)路中的作用 鑒相器（PD） 是一個相位比較裝置，用來檢測輸入信號相位與反饋信號相位之間的相位差。輸出的誤差信號是相差的函數(shù)，即鑒相特性可以是多種多樣的，有正弦形特性、三角形特性、鋸齒形特性等等。常用的正弦鑒相器可用模擬相乘器與低通濾波器的串接作為模型。 環(huán)路濾波器（LP） 具有低通特性，它可以起到圖中低通濾波器的作用，更重要的是它對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起差決定性的作用。 壓控振蕩器（VCO） 是一個電壓—―頻率變換裝置，在環(huán)中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率應(yīng)隨輸入控制電壓 線性地變化。實際應(yīng)用中的壓控振蕩器的控制特性只有有限的線性控制范圍，超出這個范圍之后控制靈敏度將會下降。 壓控振蕩器應(yīng)是一個具有線性控制特性的調(diào)頻振蕩器，對它的基本要求是：頻率穩(wěn)定度好（包括長期穩(wěn)定度與短期穩(wěn)定度）；控制靈敏度 要高；控制特性的線性度要好；線性區(qū)域要寬等等。這些要求之間往往是矛盾的，設(shè)計中要折衷考慮。 壓控振蕩器電路的形式很多，常用的有 壓控振蕩器、晶體壓控振蕩器、負(fù)阻壓控振蕩器和 壓控振蕩器等幾種。前兩種振蕩器的頻率控制都是用變?nèi)莨軄韺崿F(xiàn)的。由于變?nèi)荻O管結(jié)電容與控制電壓之間具有非線性的關(guān)系，所以壓控振蕩器的控制特性肯定也是非線性的。為了改善壓控特性的線性性能，在電路上采取一些措施，如與線性電容串接或并接，以背對背或面對面方式連接等等。在有的應(yīng)用場合，如頻率合成器等，要求壓控振蕩器的開環(huán)噪聲盡可能低，在這種情況下，設(shè)計電路時應(yīng)注意提高有載品質(zhì)因素和適當(dāng)增加振蕩器激勵功率，降低激勵級的內(nèi)阻和振蕩管的噪聲系數(shù)。 二. 環(huán)路的性能 環(huán)路的基本性能 如上所述，環(huán)路有兩種基本狀態(tài)。 其一是捕獲過程。評價捕獲過程性能有兩個主要指標(biāo)。一個是環(huán)路的捕獲帶 ，即環(huán)路能通過捕獲過程而進入同步狀態(tài)所允許的Z大固有頻差 。若 ，環(huán)路就不能通過捕獲進入同步狀態(tài)。故 另一個指標(biāo)是捕獲時間 ，它是環(huán)路由起始時刻到進入同步狀態(tài)的時刻之間的時間間隔，捕獲時間 的大小除決定于環(huán)路參數(shù)之外，還與起始狀態(tài)有關(guān)。一般情況下輸入起始頻差越大， 就越大，通常以起始頻差等于 ，來計算Z大捕獲時間，并把它作為環(huán)路的性能指標(biāo)之一。 環(huán)路的另一個基本工作狀態(tài)是同步。環(huán)路鎖定之后穩(wěn)態(tài)頻差.等于零。穩(wěn)態(tài)相差通?？偸谴嬖诘?。它是一個固定值，反映了環(huán)路跟蹤的精度，是一重要的指標(biāo)。此外，已經(jīng)鎖定的鎖相環(huán)路，若再改變其固有頻差 ，穩(wěn)態(tài)相差會隨之改變。當(dāng)固有頻差 增大到某一值時，環(huán)路將不能維持鎖定。這個鎖相環(huán)路能夠保持鎖定狀態(tài)所允許的Z大固有頻差稱為環(huán)路的同步帶，也是環(huán)路的一個重要參數(shù)。 上面提到的幾項指標(biāo)是對環(huán)路Z基本的性能要求。鎖相環(huán)路作為一個控制系統(tǒng)，要全面衡量它的性能尚有一系列的指標(biāo)，諸如穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、對干擾和噪聲的過濾能力等等。 環(huán)路的跟蹤性能 實際的鎖相環(huán)路在鎖定狀態(tài)之下的穩(wěn)態(tài)相差通常是比較小的。鎖定之后，若輸入信號的相位 發(fā)生變化，被控振蕩器的輸出相位 將進行跟蹤，在此過程中環(huán)路相差 是變化的。假如在整個跟蹤過程中，環(huán)路相差 始終比較小。這種可以將環(huán)路近似為線性系統(tǒng)來進行分析的跟蹤過程稱為線性跟蹤。應(yīng)該注意，線性跟蹤是在環(huán)路的同步狀態(tài)下進行的，這是鎖相環(huán)路正常工作時Z常見的情況，工程上有實用價值，應(yīng)引起我們的重視。 當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，輸出頻率與輸入頻率相同，兩者之間只有一穩(wěn)態(tài)相差。在此條件下，若輸入信號發(fā)性相位或頻率的變化（干擾或調(diào)制所引起的），通過環(huán)路自身的控制作用，環(huán)路輸出信號，也即壓控振蕩器的振蕩頻率和相位，會跟蹤輸入信號的變化。如果是理想的跟蹤，輸出信號的頻率和相位應(yīng)時時與輸入信號相同。其實不然，環(huán)路需有一個跟蹤過程。首先，出現(xiàn)過程，有暫態(tài)相位誤差，其次在到達穩(wěn)定狀態(tài)后，據(jù)輸入信號形式的不同，有不同的相位誤差。上述由于輸入信號變化而引起的暫態(tài)相位誤差和穩(wěn)態(tài)相位誤差的大小，是衡量環(huán)路線性跟蹤性能好壞的重要標(biāo)志。它們不僅與環(huán)路本身的參數(shù)有關(guān)，還與輸入信號的變化形式有關(guān)。 根據(jù)分析可知， 對于同一種環(huán)路來說，輸入信號變化越快，跟蹤信能就越差。 同一信號加入不同的鎖相環(huán)路，其穩(wěn)態(tài)相差是不同的。 事實上，決定環(huán)路穩(wěn)態(tài)跟蹤相差的不是環(huán)路開環(huán)傳遞函數(shù)總極點的個數(shù)------“階”，而是在原點處的極點個數(shù)------“型”。 環(huán)路噪聲性能 鎖相環(huán)路無論工作在哪種應(yīng)用場合，都不可避免地受到噪聲和干擾的作用。噪聲和干擾的來源主要有兩類：一類是與信號一起進入環(huán)路的輸入噪聲與諧波干擾。輸入噪聲包括信號源或信道產(chǎn)生的白高斯噪聲、環(huán)路作載波提取用時信號調(diào)制形成的調(diào)制噪聲，另一類是環(huán)路部件產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲與諧波干擾，以及壓控振蕩器控制端感應(yīng)的寄生干擾等，其中壓控振蕩器內(nèi)部的噪聲是主要的噪聲源。 噪聲與干擾的作用必然會增加環(huán)路捕獲的困難，降低跟蹤性能，是環(huán)路輸出相位產(chǎn)生隨機的抖動。若環(huán)路用作頻率合成信號源與微波固態(tài)信號源，則輸出頻譜不純，短期頻率穩(wěn)定度變差；若環(huán)路用作調(diào)制解調(diào)器，則輸出信噪比下降，較強的干擾與噪聲還會使環(huán)路發(fā)生跳周和失鎖的概率加大，以致出現(xiàn)門限效應(yīng)。 環(huán)路捕獲性能 捕獲概念 在開機、換頻、和由開環(huán)到閉環(huán)，一開始環(huán)路總是失鎖的，因此環(huán)路需經(jīng)由失鎖進入鎖定的過程。通常把使環(huán)路進入鎖定的過程稱為捕獲。 在我們應(yīng)用的鎖相環(huán)中，存在相位捕獲和頻率捕獲兩個捕獲過程。 自捕獲和輔助捕獲 如果環(huán)路依靠自己的控制能力達到捕獲鎖定，稱這種捕獲過程為自捕獲。若環(huán)路借助于輔助電路才能實現(xiàn)捕獲鎖定，則稱這種捕獲過程為輔助捕獲。 在固定頻率輸入下，視固有頻差 的大小，二階環(huán)路有產(chǎn)生穩(wěn)定的差拍狀態(tài)和進入鎖定兩種可能性。保證環(huán)路必然進入鎖定的Z大固有頻差值，稱為捕獲帶。由于二階環(huán)的捕獲過程包含頻率捕獲和相位捕獲兩個過程，通常又把保證環(huán)路只有相位捕獲一個過程的Z大固有頻差值，稱為快捕帶。頻率捕獲所需的時間，稱為頻率捕獲時間（或頻率牽引時間）。相位捕獲所需要的時間稱為快捕時間（或相位捕獲時間）。通常頻率捕獲時間總是遠大于相位捕獲時間的，所以一般所說的捕獲時間，就是指頻率捕獲時間，而不考慮相位捕獲時間的影響。 依靠環(huán)路的自身捕獲，捕獲時間長，捕獲帶窄，另外還可能出現(xiàn)延滯、假鎖等不能可靠捕獲的現(xiàn)象。因此研究各種有效的輔助捕獲方法，是十分必要的。 為改善環(huán)路捕獲性能，總希望捕獲帶越寬越好，捕獲時間越短越好。為了加大環(huán)路的捕獲帶，應(yīng)提高環(huán)路的增益K或者增加濾波器的帶寬。為縮短環(huán)路的捕獲時間，除用與前者相同的措施以外，還可設(shè)法減小作用到環(huán)路上的起始頻差。但是加大環(huán)路增益或濾波器帶寬往往是與提高環(huán)路的跟蹤性能和濾波性能的要求相矛盾的。一般在設(shè)計還路時，總是優(yōu)先考慮環(huán)路的跟蹤性能和濾波性能，而對捕獲性能的要求，則采用一些輔助捕獲的方法來得到滿足。此外，為了有效地克服延滯與假鎖，在環(huán)路中也往往要求加入輔助捕獲裝置。 主要介紹輔助頻率捕獲方法： 它的基本出發(fā)點是：（1）減小作用到環(huán)路上的起始頻差使之快速落入快捕帶內(nèi)，達到快速鎖定。屬于這方面的有人工電調(diào)、輔助掃描、輔助鑒頻和鑒頻鑒相等幾種方法；（2）使用兩種不同的環(huán)路帶寬和增益，捕獲時使環(huán)路具有較大的帶寬和增益，鎖定以后是環(huán)路帶寬或增益減小。這就是所謂的變帶寬和變增益法。 三.電路實解 （一）．鑒相器 鑒相器是鎖相環(huán)路的關(guān)鍵部件。在頻率合成器中所采用的鑒相器主要有正弦波相位檢波器與脈沖取樣保持相位比較器兩種。 1) 正弦波相位檢波器這種鑒相器實際上是一個平衡混頻器，它的原理圖如下: 但是它是一種要求平衡度比較高的檢波電路，平衡對稱性很重要。它容易形成紋波輸出，這對數(shù)字鎖相環(huán)路特別有害，因為它將使鎖相環(huán)路輸出混有雜散信號所以數(shù)字式頻率合成器常采用下面的脈沖抽樣保持鑒相器。 2) 脈沖抽樣保持相位比較器 下圖為這種相位比較器的基本方框圖: 它有以下兩個優(yōu)點: (1) 輸出紋波電壓小。 (2) 相位比較可在360°范圍內(nèi)進行。 首先將參考標(biāo)準(zhǔn)頻率 和VCO的頻率 的電壓都形成脈沖。頻率為 的脈沖用來控制一個開關(guān)電路，使電容 產(chǎn)生周期性的充、放電，形成如下圖（a）的鋸齒形波電壓： 電 (a) 處產(chǎn)生的鋸齒波電壓（頻率= ） 壓 t 電 （b）抽樣脈沖（頻率= ） 壓 t (c) 誤差信號 電 壓 t 由于 ，顯然，抽樣脈沖周期 與鋸齒波電壓的周期 是相等的。抽樣脈沖的作用是控制抽樣開關(guān)，使它在脈沖存在時接通，因而記憶電容 上所獲得的電壓即等于這一瞬間的鋸齒波電壓 。當(dāng)抽樣脈沖為零時，抽樣開關(guān)斷路， 上既保持原充電電壓 ，如圖（c）所示。如果VCO頻率略有變化（亦即失步時），即相當(dāng)于抽樣脈沖在ZX位置略有擺動，這就引起誤差電壓值 的變化，從而控制VCO的頻率，使之恢復(fù)到準(zhǔn)確的數(shù)值（即恢復(fù)同步）。 Z大的變動范圍可從 到 ，相當(dāng)于抽樣脈沖位置變動360°。實際上，鋸齒波電壓不是如圖(a)的理想情況（ 的放電時間等于零），而是有一定的放電時間的，因而鎖相范圍小于360°。 （二）．電荷泵(Charge Pump) 如下圖所示電荷泵(Charge Pump)示意圖： 電荷泵的的作用主要是：給鎖相環(huán)路提供理想恒定的電流源，保持良好的線性關(guān)系，使得頻率范圍易于控制。圖中電容Cp的作用主要是降低雜訊干擾。增加R2主要是保證電荷泵的穩(wěn)定性。 （三）．低通濾波器 下圖是低通濾波器示意圖： 圖中C4這一階的作用是進一步降低電荷泵的相位噪聲。Cp是保證瞬時特性，使得環(huán)路更好得跟蹤輸入頻率的變化。 對VCO的要求：具有高的頻譜精度；電壓頻率具有線性傳輸特性；頻率穩(wěn)定；低功耗。 （四）．閉環(huán)傳輸函數(shù)的計算（ADI SIM PLL 軟件） 環(huán)路濾波器參數(shù)的設(shè)置 ADI Sim PLL V3.0使應(yīng)用工程師從繁雜的數(shù)學(xué)計算中解脫出來。我們只要輸入設(shè)置環(huán)路濾波器的幾個關(guān)鍵參數(shù)，ADI Sim PLL就可以自動計算出我們所需要的濾波器元器件的數(shù)值。這些參數(shù)包括，鑒相頻率PFD，電荷泵電流Icp，環(huán)路帶寬BW，相位裕度，VCO控制靈敏度Kv，濾波器的形式（有源還是無源，階數(shù)）。計算出的結(jié)果往往不是我們在市面上能夠買到的元器件數(shù)值，只要選擇一個Z接近元器件的就可以。 通常環(huán)路的帶寬設(shè)置為鑒相頻率的1/10或者1/20。 相位裕度設(shè)置為45度。 濾波器優(yōu)先選擇無源濾波器。 濾波器開環(huán)增益和閉環(huán)增益以及相位噪聲圖之間的關(guān)系。閉環(huán)增益的轉(zhuǎn)折頻率就是環(huán)路帶寬。相位噪聲圖上，該點對應(yīng)于相位噪聲曲線的轉(zhuǎn)折頻率。如果設(shè)計的鎖相環(huán)噪聲太大，就會出現(xiàn)頻譜分析儀上看到的轉(zhuǎn)折頻率大于所設(shè)定的環(huán)路帶寬。 不同的廠家會提供不同的計算方法，下邊是一個經(jīng)驗計算式。 三階：F1(s)= ( 1+C2R2)/s(C2R2Cps+C2Cp) 四階：F(s)= F1/(1+C4R4s) 設(shè)Kv為VCO的增益，Kp為鑒相器的增益，α，β均取經(jīng)驗值3-4?？捎上率接嬎悖?ωc=KvKp/N.(R2C2)/(C2+Cp) 又Cp<<C2， R2=Nωc/KvCv， C2=α/R2ωc，Cp=1/βR2ωc. （五）．下圖為鎖相環(huán)路的分頻 （六）．LBW及噪聲計算 LBW是鎖相環(huán)的的開環(huán)帶寬，一般來講，它是進入鑒相器參考頻率的十分之一。由上圖可知，13MHz除頻后為200KHz，GSM的LBW為20KHz，鎖相時間小于577µs. 噪聲計算如下圖： ΦNR ΦNθ ΦNV ΦNr是參考信號的噪聲，φNθ是鑒相器帶來的噪聲，φNv是VCO帶來的噪聲 φ=KvF(s)( φNr+φNθ)/ s(1+KvF(s)/Ns) + φNθ/(1+KvF(s)/Ns) = G(z)(φNr+φNθ) + Gr(z)φNθ G(z)是低通傳輸函數(shù)，Gr(z)是高通傳輸函數(shù)。

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