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鎖相環(huán)技術(shù)解析(上)

發(fā)布時間:2022-11-11 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】鎖相環(huán)作為通信系統(tǒng)中提供本振信號(LO),實(shí)現(xiàn)頻率生成和相位管理單元,被廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備,測量儀器,手持終端等各式產(chǎn)品中,市場應(yīng)用極其廣泛。


鎖相環(huán)作為通信系統(tǒng)中提供本振信號(LO),實(shí)現(xiàn)頻率生成和相位管理單元,被廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備,測量儀器,手持終端等各式產(chǎn)品中,市場應(yīng)用極其廣泛。


基礎(chǔ)理論


鎖相環(huán)(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:


鎖相環(huán)技術(shù)解析(上)


當(dāng)θ1(t)θ2(t)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(dá)到鎖定的全過程,稱為捕獲過程。設(shè)系統(tǒng)最初進(jìn)入同步狀態(tài)


鎖相環(huán)技術(shù)解析(上)


的時間為ta。那么從t0的起始狀態(tài)到達(dá)進(jìn)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TP = ta - t0稱為捕獲時間。顯然,捕獲時間TP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(jìn)入同步完全取決于起始頻差。
Δω0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Δωp


捕獲狀態(tài)終了,環(huán)路的狀態(tài)穩(wěn)定在


鎖相環(huán)技術(shù)解析(上)


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,那么仍稱環(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(jìn)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


鎖相環(huán)技術(shù)解析(上)


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)路為什么能夠進(jìn)入相位跟蹤,實(shí)現(xiàn)輸出與輸入信號的同步呢?因?yàn)樗且粋€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:


鎖相環(huán)技術(shù)解析(上)


實(shí)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uc(t)線性地變化。實(shí)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K0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(jì)中要折衷考慮。


壓控振蕩器電路的形式很多,常用的有LC壓控振蕩器、晶體壓控振蕩器、負(fù)阻壓控振蕩器和RC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?shí)現(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(jì)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)。


環(huán)路的性能

1. 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Δωp,即環(huán)路能通過捕獲過程而進(jìn)入同步狀態(tài)所允許的最大固有頻差 |Δω0|max。若Δω0 > Δωp,環(huán)路就不能通過捕獲進(jìn)入同步狀態(tài)。故


鎖相環(huán)技術(shù)解析(上)


另一個指標(biāo)是捕獲時間TP,它是環(huán)路由起始時刻到進(jìn)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,TP就越大,通常以起始頻差等于Δωp,來計(jì)算最大捕獲時間,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)相差通常總是存在的。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Δω0,穩(wěn)態(tài)相差會隨之改變。當(dāng)固有頻差Δω0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)所允許的最大固有頻差稱為環(huán)路的同步帶,也是環(huán)路的一個重要參數(shù)。

2. 環(huán)路的跟蹤性能

上面提到的幾項(xiàng)指標(biāo)是對環(huán)路最基本的性能要求。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。

實(shí)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θ1(t)發(fā)生變化,被控振蕩器的輸出相位θ2(t)將進(jìn)行跟蹤,在此過程中環(huán)路相差θe(t)是變化的。假如在整個跟蹤過程中,環(huán)路相差θe(t)始終比較小。這種可以將環(huán)路近似為線性系統(tǒng)來進(jìn)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(jìn)行的,這是鎖相環(huán)路正常工作時最常見的情況,工程上有實(shí)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(shí)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(dá)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,跟蹤性能就越差,頻率越高越難。
  • 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(shí)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(diǎn)的個數(shù),而是在原點(diǎn)處的極點(diǎn)個數(shù)。
3. 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(jìn)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(jī)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(qiáng)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)。

4. 環(huán)路捕獲性能


捕獲概念在開機(jī)、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(jìn)入鎖定的過程。通常把使環(huán)路進(jìn)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(dá)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(shí)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Δω0的大小,二階環(huán)路有產(chǎn)生穩(wěn)定的差拍狀態(tài)和進(jìn)入鎖定兩種可能性。保證環(huán)路必然進(jìn)入鎖定的最大固有頻差值,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最大固有頻差值,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(yuǎn)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?yàn)V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(jì)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(diǎn)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(dá)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。

(來源:Arrow Solution )




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