锁相技术知识点

第一章锁相环路的基本工作原理：1.锁相环路是一个闭环的相位控制系统；锁相环路（PLL）是一个相位跟踪系统，它建立了输出信号顺时相位与输入信号瞬时相位的控制关系。2.若输入信号是未调载波，θi(t)即为常数，是ui(t)的初始相位；若输入信号时角调制信号（包括调频调相），θi(t)即为时间的函数。3．ωo是环内被控振荡器的自由振荡角频率；θo(t)是以自由振荡的载波相位ωot为参考的顺时相位，在未受控制以前它是常数，在输入信号控制之下，θo(t)即为时间的函数。4.输入信号频率与环路自由振荡频率之差，称为环路的固有频率环路固有角频差：输入信号角频率ωi与环路自由振荡角频率ωo之差。瞬时角频差：输入信号频率ωi与受控压控振荡器的频率v之差。控制角频差：受控压控振荡器的频率v与自由振荡频率ωo之差。三者之间的关系：瞬时频差=固有频差-控制频差。5.从输入信号加到锁相环路的输入端开始，一直到环路达到锁定的全过程，称为捕获过程。6.对一定环路来说，是否能通过捕获而进入同步完全取决于起始频差。7.锁定状态又叫同步状态：①同频②相位差固定8.锁定之后无频差，这是锁相环路独特的优点。9.捕获时间Tp的大小除决定于环路参数之外，还与起始状态有关。10.若改变固有频差ωo，稳定相差θe(∞)会随之改变。11.锁相环路基本构成：由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和电压控制振荡器（VCO）组成。12.鉴相器是一个相位比较装置，鉴相器的电路总的可以分为两大类：第一类是相乘器电路，第二类是序列电路。13.环路滤波器具有低通特性。常见的环路滤波器有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种。（会推导它们的传输算子）14.电压振荡器是一个电压-频率变换装置，它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)线性的变化。15.压控振荡器应是一个具有线性控制特性的调频振荡器。要求压控振荡器的开环噪声尽可能低，设计电路时应注意提高有载品质因素和适当增加振荡器激励功率，降低激励级的内阻和振荡管的噪声系数。16.环路的动态方程：pθe(t)=pθ1(t)-KoUdF（p）sinθ1(t)17.在环路开始工作的瞬间，控制作用还未建立起来，控制频差等于零。环路锁定时环路的瞬时频差等于零。18.动态方程至少是一阶非线性微分方程19.相点是相平面上相轨迹上的一个点，表示环路在某个时刻的状态。20.一阶环的捕获过程没有周期跳跃，锁定过程是渐近的，且捕获时间的长短与初始状态有关。21.环路的起始状态处于不稳定平衡点时，环路自身没有能力摆脱这种状态，只有依靠外力（噪声或人为扰动）才能使环路偏离这个状态而进行捕获；所以一旦遇到这种情况就可能出现在不稳定平衡状态的滞留，致使捕获过程延长。这种现象称为锁相环路的延滞现象。22．保证环路只有相位捕获一个过程的最大固有频差值。23.除了一阶环之外，一般环路的同步带大于捕获带，捕获带大于快捕带。第二章环路的跟踪性能：1.系统响应的暂态过程的指标是由系统参数§和ωn决定的，其中只有最大过冲量Mp是由阻尼系数§唯一确定的。2.输入信号变化得越快，跟踪性能越差。一阶环可以无误差地跟踪相位阶跃信号；理想二阶环能无误差地跟踪相位阶跃和相位斜升信号。3.决定锁相环路稳态跟踪性能的是环路包含的理想积分环节的个数。4.对于输入相位阶跃而言，因为在暂态过程中误差电压不为零，压控振荡器的相位已得到调整，最终并不再要求压控振荡器的频率得到调整，可以允许控制电压等于零，所以环路的跟踪状态能得以维持。5.锁相环路的频率响应是研究对输入相位频谱的响应。6.理想二阶环对于输入相位来说，也相当于一个低通滤波器。7.载波跟踪：（当Ω大于ωn，即输入信号的调制频率处于闭环低通特性的通带之外时）环路输出相位不能跟踪输入的相位调制，而是跟踪了输入信号载频的漂移，这种跟踪称为载波跟踪。8.调制跟踪：（当Ω小于ωn,即处于闭环低通特性的通带之内时）,环路输出相位θ2(t)将跟踪θ1(t)的瞬时变化,压控振荡器的输出电压uo(t)也就成为一个正弦调相信号，这种跟踪状态称为调制跟踪。可作调频信号的解调器。9.载波跟踪环可用于提取输入已调信号的载波，也可提取淹没在噪声中的载波信号。10.开环增益达到0dB时的频率称为增益临界频率，用ΩT表示；开环相移达到π的频率称为相位临界频率，用符号Ωk表示。11.相位余量是指开环增益降至0dB时，开环相移量与π的差值。增益余量是指开环相移达到π时，开环增益低于0dB的dB数。12.若不考虑寄生相移，二阶环总是无条件稳定的。三阶2型以上的环路，它们是有条件稳定的。第三章环路的噪声性能：1.噪声与干扰的来源主要有两类：一类是与信号一起进入环路的输入噪声与谐波干扰。另一类环路部件产生的内部噪声与谐波干扰，以及压控振荡器控制端感应的寄生干扰。2.噪声和干扰的作用必然会增加环路捕获的困难，降低跟踪性能。3.环路噪声带宽BL的大小很好的反映了环路对输入噪声的滤除能力。BL越小，说明环路对噪声的滤波能力越强。4.环路输入信噪比(S／N)i:指的是输入信号载波功率U2i／2与通过环路前置带宽Bi的噪声功率NoBi之比。环路信噪比(S／N)L：是指输入信号载波功率U2i／2与可通过环路单边噪声带宽BL的噪声功率NoBL之比。第四章环路的捕获性能：1.通常把环路进入锁定的过程称为捕获。2.如果环路依靠自己的控制能力达到捕获锁定，称这种捕获过程为自捕获。3.若环路借助于辅助电路才能实现捕获锁定，则称这种捕获过程为辅助捕获。4.自捕获比较慢、范围小、不太可靠（即有可能产生延滞、错锁或假锁等现象）。而且在实际环路中，跟踪、过滤与捕获性能对环路参数的要求总是矛盾的。5.辅助频率捕获的基本出发点:(1)减小作用到环路上的起始频差,使之尽快的落入快捕带内，达到快捕锁定。属于这方面的有人工电调、辅助扫描、辅助鉴频和鉴频鉴相；（2）使用两种不同的环路带宽或增益，捕获时使环路具有较大的带宽和增益，锁定以后使环路带宽或增益减小。就是所谓的变带宽和变增益法。第五章集成锁相环路：1.集成鉴相器主要有两种类型：一种为模拟乘法器；另一种为数字比相器。后者又分为边沿触发式和电平比较式两种。2.T4044数字式鉴频鉴相器电路主要由数字比相器（9个与非门）、电荷泵（V1~V7）和一个作为LF用的放大器（达林顿电路）三部分组成。3.门鉴相器是一种电平触发型数字鉴相器，或门和异或门都具有三角形鉴相特性。4.常见的集成压控振荡器的电路形式有积分-施密特触发电路型、射级耦合多谐振振荡器型、变容二极管调谐LC振荡器型和数字门电路型，输出的波形一般是矩形波。5.积分-施密特触发电路型压控振荡器电路时由恒流源（Io）积分器（V1、V2、V3、VD1、VD2和CT）和施密特触发器组成。6.SL566电路属于低频宽带通用型压控多谐振荡器。其中心频率通过外接定时电容CT和定时电阻R1来决定。第六章锁相环路的应用：1.锁相环路的优良特性：（1）载波跟踪特性：无论输入锁相环路的信号是已调制的还是未调制的，只要信号中包含有载波频率成分，就可将环路设计成一个窄带跟踪滤波器，跟踪输入信号载波成分的频率与相位变化，环路输出的信号就是需要提取（或复制）的载波信号。这就是环路的载波跟踪特性。（2）调制跟踪特性（解调器）：只要让环路有适当宽度的低频通带，压控振荡器输出信号的频率与相位就能跟踪输入调频或调相信号的变化，即得到输入角调制信号的复制品，这就是调制跟踪特性。（3）低门限特性：一般环路的通频带总比环路输入端的前置通频带窄得多，因而环路信噪比明显高于输入信噪比，环路能在低输入信噪比的条件下工作，即具有低门限的优良特性。2.载波跟踪特性包含三重含义：一是窄带；二是跟踪；三是可将若输入载波信号放大为强信号输出。3.跟踪滤波器是一个带通滤波器，其中心频率能自动地跟踪输入信号载波频率的变化。当输入信号暂时消失时，环路滤波器输出的控制电压不会立即消失，压控振荡器能在一个短时间内维持振荡频率不变，因而锁相环还能跟踪衰弱信号。4.锁相环路对输入高频信号的带通特性是由环路传递函数的低通特性所决定的。它的通频带宽度等于|H（jΩ）|的3dB带宽的两倍。5.二元数据信号的移频键控信号FSK以及移相键控信号PSK。6.频率合成器是将一个高精确度和高稳定度的标准参考频率，经过混频、倍频与分频等对它进行加、减、乘、除的四则运算，最终产生大量的具有同样精确度和稳定度的频率源。7.频率合成的方法有直接频率合成、间接合成和直接数字频率合成。8.应用锁相环路的频率合成方法称为间接合成；分为双模分频和小数分频。9.小数分频实现的基本原理:N.F=m.n=[m*(10-n)+(m+1)*n]/10。（在10次分频中）10.在相干解调中，要求在接收端提供一个参考载波，它应与信号载波相同步，称相干载波。载波同步是在接收端提取相干载波的过程。11.从接收信号提取相干载波（或称载波同步）有两种基本方法：一是在发送信号的同时，辅助传送一个较弱的载波信号，称为插入导频法。另一种是直接从已调信号中提取相干载波。需要设计特殊的锁相环路，即所谓抑制载波跟踪环，才能完成载波同步的功能。12.位同步，或称为码元同步，是要在接收端确定每一个码元的起始时刻。13.相移器是使相位超前或滞后的装置，用PLL很容易做成非常精确的90o相移器。14.数字锁相环中，由于误差控制电压是离散的数字信号而不是模拟电压，因而受控的输出相位的改变是离散的而不是连续的；此外环路组成部件也全用数字电路实现，称之为全数字锁相环（DPLL）。15.全数字环一般由数字鉴相器、数字滤波器与数字压控振荡器（DCO）三个数字电路部件组成。按鉴相器的实现方式可分为（1）触发器型数字锁相环（FF-DPLL）；（2）奈奎施特型数字锁相环（NR-DPLL）；（3）过零检测式数字锁相环（ZC-DPLL）；（4）超前滞后型数字锁相环（LL-DPLL）。16.数字环路滤波器由A/D、数字计算器和D/A三部分组成。原理是A/D将输入的样值变换为二进制数字代码序列；数字计算器按照要求的滤波性能对输入数字代码进行数字计算与处理；D/A再将运算处理后的代码变换为样值输出。17.影响全数字锁相环高速应用的关键是DCO，需要设法提高DCO的逻辑速度。18.单片全数字环：74LS297。注意：CD4046为“部分数字环”。公式：（1）RC积分滤波器的二阶环无源比例积分滤波器的二阶环理想二阶环无阻尼振荡频率ωn1K1K1K阻尼系数ξ1121K)12(121KK122K（2）闭环传递函数H（s）=)(1)(sHosHo开环传递函数Ho（s）误差传递函数He（s）=)(1)(11sHsHo（3）有源比例积分滤波器的捕获带ωp=∞无源比例积分滤波器的捕获带ωp≈122KRC积分滤波器的捕获带ωp≈1.681K（4）RC积分滤波器的二阶环无源比例积分滤波器的二阶环理想二阶环F（s）111s1121ss121ss1，21=RC1=（R1+R2）C，2=R2C1=R1C，2=R2C（5）一阶环的稳定相差θe(∞)=arcsin)0(ωojKF（6）调制跟踪环设计：令最大调制角频率mc，得出1)12(1222221cnw(7)求环路信噪比（单位dB）)41(82nLwBLosLBNPNSlg10)(