§8-3 §8-3 锁相环路锁相环路 §8-3 §8-3 锁相环路锁相环路

学习要点：•PLL 的基本工作原理

•PLL 的捕捉与跟踪过程•锁相环路的基本特性

自动增益、频率控制电路自动增益、频率控制电路自动增益、频率控制电路自动增益、频率控制电路

8-3-1 PLL8-3-1 PLL 基本工作原理基本工作原理

8-3-2 PLL8-3-2 PLL 基本组成电路分析基本组成电路分析

8-3-6 8-3-6 集成锁相环集成锁相环

8-3-3 PLL8-3-3 PLL 锁相模型锁相模型

8-3-4 PLL8-3-4 PLL 的捕捉与跟踪过程的捕捉与跟踪过程

8-3-5 PLL8-3-5 PLL 的基本特性的基本特性

8-3-7 8-3-7 锁相环的应用锁相环的应用

uC(t)uD(t)

ωo

uo(t)

输出信号

ωi

ui(t)

输入参考信号

PD LF VCO

8-3-1 PLL基本工作原理

—— 通过相位自动控制来精确的实现频率自动控制 AFC 系统的缺点——存在固有频率误差，达不到所需频率精度 PLL 系统（锁相环路）——通过控制相位来控制频率。利用相位 反馈控制技术，只存在剩余相位差， 消除了剩余频差，即通过相位自动控 制系统可实现精确的频率自动控制。

锁相环路（ PLL ）组成框图如图所示：

包括三个主要的部分： 1) 鉴相器（ PD ）； 2) 环路滤波器（ LF ）； 3) 压控振荡器（ VCO ）。工作原理——锁相环是利用两个信号之间的相位误差来控制压

控振荡器输出信号的频率，最终使两个信号之间

的相位差保持恒定，从而达到使两个信号频率相

等的目的。失锁状态——锁相环路中，如果压控振荡器的角频率 o 与输

入信号角频率 ωi 不相同时，则称锁相环路处于

失锁状态

此时输入到鉴相器的电压 ui(t) 和 uo(t) 之间相位差变动 , 并输出一与相位差成比例的误差电压 uD(t) → 该电压经环路滤波器（实际为低通滤波器）取出直流或低频分量 uC(t) 作为控制电压（ uC(t) 随

相位差而变化）加到压控振荡器上→压控振荡器频率不断改变→ ui(t)

和 uo(t) 之间的相位差减小，最终二者相位被“锁定”且频率相等，此时我们称环路处于锁定状态。捕捉过程——锁相环路刚开始处于失锁状态．由失锁→锁定的 过程称为。跟踪过程——当环路锁定后，由于某种原因引起 ωi 与 o 发生变 化时（只要变化不很大），环路通过自身的调节 作用，可使 o 跟踪 ωi 而变化，从而维持环路的锁 定。捕捉与跟踪是锁相环路的两种不同的自动调节过程。

—— 锁相环路的性能主要取决于鉴相器、压控振荡器和环路 滤波器三个基本组成部分

8-3-2 PLL基本组成分析

设环路输入参考信号电压为 ui(t)=Uimsinωi t

压控振荡器的输出电压为 uo(t)=Uomcos[ωr t+φo(t)]

输入、输出信号间的瞬时相差为 φe(t) ＝ [ωrt+φi(t)] － [ωrt+φo(t)]= φi(t) － φo(t) 　　

鉴相器将此相位差转换成相应的电压，然后再利用该电压去控制压控振荡器。

1. 鉴相器

鉴相器的电路很多。当采用模拟乘法器作鉴相器时，其输出为

uD(t)=KmUimUomsin[2ωrt+φi(t)+φo(t)]+KmUimUomsin[φi(t) － φo(t)] 　　　　 讨论： 1 ）第一项为高频分量，被环路滤波器所滤除。 2 ）第二项为鉴相器的输出电压 uD(t)= KmUimUomsin[φi(t) － φo(t)] 　 令：　 Kd=KmUimUom —— 鉴相灵敏度，表示鉴相器的最大输出 电压 又已知　　 φe(t) ＝ φi(t) － φo(t)

所以上式可化为 uD(t)= Kdsinφe(t) 　 2. 环路滤波器 —— 滤除鉴相器输出电压中的高频分量，起平滑滤波的作用， 提高环路的稳定性

环路滤波器分类—— 1 ）简单 RC 积分滤波器； 2 ）无源 RC 比例积分滤波器； 3 ）有源比例积分滤波器，

3. 压控振荡器 —— 是一种瞬时振荡角频率受控制电压 uC(t) 控制的振荡器， 也就是一种电压—频率变换器。VCO 特性曲线——振荡角频率随控制电压 uC(t) 变化的曲线。一般 为非线性曲线， 压控振荡器的控制特性及其电 路模型如图所示。

O uC

ωo

(a)

ωr

压控振荡器的控制特性及其电路模型(a) VCO 特性曲线 (b) VCO 电路模型

uC(t) φo (t)

(b)

p

K o

锁相环路的相位模型如下图所示。它明确地表示了锁相环路的相位反馈调节关系

8-3-3 PLL相位模型

φo(t)uD(t)φe(t)＋

－

φi(t)

φo(t)

Kdsinφe(t)

uC(t)

F(p) Ko/p

锁相环路相位模型

φo(t)uD(t)φe(t)＋

－

φi(t)

φo(t)

Kdsinφe(t)uC(t)

F(p) Ko/p

锁相环路相位模型

8-3-4 PLL的捕捉与跟踪过程

1. 捕捉过程 —— 是锁相环路由起始的失锁状态进入锁定状态的过程。 捕捉带（ ΔωP ）——能够由失锁进入锁定所允许的输入信号角频 率 ωi 偏离 r 的最大值 |Δωi|( 最大固有角频 差 )

捕捉时间（ τP ）——捕捉过程所需要的时间。 当未加 ui(t) 时， VCO 上没有控制电压，振荡角频率为 r 。 当加入恒定 ωi 的输入时→产生固有角频差 Δωi= ωi-r ，同时形 成瞬时相差 φe(t) = =Δωi t→ 鉴相器输出误差电压 uD(t) = KdsinΔωi t 。 显然， uD(t) 是频率为 Δωi 的差拍电压。

t

i dt0

(1) Δωi较小：这时由于 Δωi 在环路滤波器的通频带内， uD(t) 的 基波分量能够顺利通过环路滤波器加到 VCO 上，控制 VCO 的振荡频率向输入信号频率的方向 偏移，直到 o=ωi ，环路进入锁定状态。(2) Δωi较大：这时 Δωi超出环路滤波器的通频带，但仍在捕捉 频带内。这时 uD(t) 通过环路滤波器有较大衰减， 使控制电压 uC(t) 很小， o(t) 不能立即变化到 ωi 。 经过多个差拍 (ωi-o)周期， VCO 振荡频率 o(t)

的 平均值逐步靠近 ωi ，最终 o(t) =ωi ，环路锁定。 频率牵引：通常将 o(t) 的平均值逐步靠近 ωi 的现象。它是 使捕捉时间变长的主要原因。(3) Δωi 很大： Δωi远远大于环路滤波器的通频带和捕捉频带。 这时鉴相器输出的电压 uD(t) 不能通过环路滤波 器，滤波器的输出为零或保持不变， VCO 的输出 频率也保持不变，环路处于失锁状态。

2. 跟踪过程 跟踪过程——已锁定的环路，若 ωi （或 o ）发生变化时，则 VCO 振荡角频率 o 跟踪 ωi 而变化，维持 o=ωi

的锁定状态，这个过程就是跟踪过程。 跟踪带（ ΔωH ）——维持环路锁定所允许的最大固有角频差 |Δωi| 称为锁相环路的同步带或跟踪带。 跟踪的基本原理与捕捉类似，跟踪范围也是有限的，它取决 于环路的控制频差。 捕捉带小于跟踪带——因为在捕捉过程中，由于环路滤波器的 存在，当固有角频差 |Δωi|较大时，误 差电压 uD(t) 将受到较大衰减，此时环路 的控制能力较差。

0

0

ΔωH

ΔωP

ωd ωc

ωbωa

o

o

ωi

ωi

uD(t)

uD(t)

( 跟踪带 )

( 捕捉带 )

(a)

(b)

捕捉带与跟踪带

8-3-5 PLL的基本特性

1. 锁定特性2. 跟踪特性3. 窄带滤波特性

特点——成本降低，可靠性提高，使用方便，应用广泛。分类——按电路组成分 1 ）模拟锁相环路：本组成部件以模拟电 路为主 2 ）数字锁相环路：本组成部件以数字电 路为主 按按其用途分 1 ）通用型：通常使用的皆属通用型 2 ）专用型：用于调频立体声解码电路及电 视机中的正交色差信号同步检 波环路等专用场合的锁相环路 属于专用型。

8-3-6 集成锁相环

8-3-7 锁相环的应用

——具有许多独特优点，所以在通信、电视、广播、空间技 术等方面得到广泛的应用。1. 锁相鉴频电路

φo(t)输入调频信号 输出解调信号

uC(t)φi(t)PD LF

VCO

调频信号的锁相解调电路

2. 调幅信号的同步检波

解调电压输出

ur(t)

ui(t)PD LF VCO π/2移相器

同步检波器 LPF

3. 锁相接收机

中频信号

本地标准

ωi

输入信号混频器 中频放大器 PD

VCO LF

o

中频信号输出

作业题： P192 1 、 4 、 5 预习：个人完成总复习

课后小结——见黑板