鎖相環(huán)PLL原理與應(yīng)用

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1、鎖相環(huán)PLL原理與應(yīng)用第一部分：鎖相環(huán)基本原理一、鎖相環(huán)基本組成二、鑒相器（PD）三、壓控振蕩器（VCO）四、環(huán)路濾波器（LPF）五、固有頻率ωn和阻尼系數(shù)?的物理意義六、同步帶和捕捉帶第二部分：鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一、PLL參數(shù)測試一、壓控靈敏度KO的測量二、鑒相靈敏度Kd的測量三、環(huán)路開環(huán)增益（KH）的測量四、同步帶和捕捉帶的測量五、ωn、ξ的測量實(shí)驗(yàn)二、PLL應(yīng)用實(shí)驗(yàn)一、PLL頻率合成器實(shí)驗(yàn)二、PLL調(diào)頻（FM）解調(diào)三、鎖相式雙音多頻信號（DTMF）解碼器四、PLL數(shù)字調(diào)諧實(shí)驗(yàn)五、設(shè)計5/6分頻器實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^上述實(shí)驗(yàn)，使大家對由模擬電路、數(shù)字電路組

2、成的硬件系統(tǒng)的設(shè)計、電路的搭接、故障的分析判斷、故障的排除得到一次鍛煉。第一部分：鎖相環(huán)基本原理（P1）一、鎖相環(huán)基本組成一個典型的鎖相環(huán)（PLL）系統(tǒng)，是由鑒相器（PD），壓控蕩器（VCO）和低通濾波器（LPF）三個基本電路組成Ud=Kd(θi–θo)UF=UdF（s）二．鑒相器（PD）Ud=Kd*?θKd為鑒相靈敏度三．壓控振蕩器（VCO）（P2）ωo（t）=ωom+K0UF（t）K0——VCO控制特性曲線的斜率，常稱為VCO的控制靈敏度，或稱壓控靈敏度。四、環(huán)路濾波器，這里僅討論無源比例積分濾波器其傳遞函數(shù)為：式中：τ1=R1Cτ2=R2C當(dāng)

3、鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時，鑒相器（PD）的兩輸入端一定是兩個頻率完全一樣但有一定相位差的信號。如果它們的頻率不同，則在壓控振蕩器（VCO）的輸入端一定會產(chǎn)生一個控制信號使壓控振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，最終使鑒相器（PD）的兩輸入信號（一個是鎖相環(huán)的輸入信號Vi,一個是壓控振蕩器的輸出信號Vo）的頻率完全一樣，則環(huán)路系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。五、系統(tǒng)的固有頻率ωn和阻尼系數(shù)?的物理意義（P3）一個ＲＬＣ串聯(lián)電路，當(dāng)輸入端加一個階躍電壓時，輸出端電壓變化有三種可能當(dāng)鎖相環(huán)的輸入信號的相位有一個階躍跳變時，輸出信號相位的變化也有三種情況ωn、ξ就是指欠阻尼振蕩時的振

4、蕩頻率和和阻尼系數(shù)六、鎖相環(huán)的同步和捕捉同步狀態(tài)：鎖相環(huán)的輸出頻率（或VCO的頻率）ωo能跟蹤輸入頻率ωi的工作狀態(tài)，稱為同步狀態(tài)（或鎖定狀態(tài)），在同步狀態(tài)下，始終有ωo=ωi。這時如果用示波器觀察Vi與Vo,即使單路觸發(fā)，兩個波形都是清晰穩(wěn)定的。同步帶：在鎖相環(huán)保持同步的條件下，輸入頻率ωi的最大變化范圍，稱為同步帶寬，用?ωH表示。超出此范圍，環(huán)路則失鎖。捕捉帶失鎖時，ωo?ωi，如果從兩個方向設(shè)法改變ωi，使ωi向ωo靠攏，進(jìn)而使?ωo=（ωi－ωo）?，當(dāng)?ωo小到某一數(shù)值時，環(huán)路則從失鎖進(jìn)入鎖定狀態(tài)。這個使PLL經(jīng)過頻率牽引最終導(dǎo)致入鎖的

5、頻率范圍稱為捕捉帶?ωp。同步帶?ωH，捕捉帶?ωp和VCO中心頻率ωo的關(guān)系實(shí)驗(yàn)原理及步驟P（4）CD4046原理圖實(shí)驗(yàn)一、PLL參數(shù)測試（P5）一、壓控靈敏度KO的測量二、鑒相靈敏度Kd的測量。三、環(huán)路開環(huán)增益（KH）的測量當(dāng)鑒相器比較兩同相信號時，UF=0，VC0振蕩于fmin;當(dāng)鑒相器比較兩反相信號時，UF=VDD，VCO振蕩于fmax在理想情況下KH=2(fmax-fmin)同步帶的測量調(diào)信號源（圖11）頻率約為４０４６Ａ的中心頻率。示波器分別測Ui和Uo，并以Ui作為示波器的觸發(fā)同步信號，頻率計測Ui，這時示波器可顯示兩個穩(wěn)定的波形，即

6、Ui和Uo是鎖定的。在一定范圍內(nèi)緩慢改變信號源頻率，可看到兩個波形的頻率同時變化，且都保持穩(wěn)定清晰，這就是跟蹤。但當(dāng)信號源頻率遠(yuǎn)大于（高端）或遠(yuǎn)小于（低端）４０４６Ａ的中心頻率時，Ui波形還保持穩(wěn)定清晰，但Uo不能保持穩(wěn)定清晰，這就是失鎖。記下剛出現(xiàn)失鎖時的Ui頻率即高端頻率fHH和低端頻率fHL，則同步帶ΔfH＝fHH－fHL。由于我們用的是PD1，是異或門相鑒器，當(dāng)Ui和Uo為分?jǐn)?shù)倍數(shù)關(guān)系時，也可能出現(xiàn)兩個穩(wěn)定的波形，這種情況應(yīng)認(rèn)為是“失鎖”。只有出現(xiàn)兩個同頻的穩(wěn)定波形時才認(rèn)為是“鎖定捕捉帶的測量環(huán)路失鎖后，緩慢改變信號源頻率，從高端或低端向４

7、０４６Ａ的中心頻率靠近，當(dāng)信號源頻率分別為fＰH和fＰL時，環(huán)路又鎖定。則環(huán)路捕捉帶ΔfP＝fPH－fPL。ωn、ξ的測量P（8）當(dāng)信號源的頻率突然改變時（即對應(yīng)Uj方波的前后沿），UF都產(chǎn)生一次阻尼振蕩。從阻尼振蕩波形可測出A1、A2、T，并由A1、A2、T求出PLL的ωn和ξωn、ξ的實(shí)際測量波形實(shí)驗(yàn)二、PLL應(yīng)用實(shí)驗(yàn)P（9）當(dāng)PLL處于鎖定狀態(tài)時，PD兩個輸入信號的頻率一定精確相等,所以可得：f0=N*fifi為晶振標(biāo)準(zhǔn)信號通過改變分頻比N，便可獲得同樣精度的不同頻率信號輸出一、PLL頻率合成器實(shí)驗(yàn)1）1KHZ標(biāo)準(zhǔn)信號源用CMOS與非門和4M

8、晶體組成4MHz振蕩器。圖中Rf使F1工作于線性放大區(qū)。晶體的等效電感，C1、C2構(gòu)成諧振回路。C1、C2可利用器件的分布