PLL原理要点Word格式文档下载.docx

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占空比与θ有关，见图3。

将F输出波

形通过积分器平滑，则积分器输出波形

的平均值，它同样与θ有关，这样，我

们就可以利用异或门来进行相位到电压θ

的转换，构成相位检出电路。

于是经积图3

分器积分后的平均值（直流分量）为：

U

U=Vdd*θ/

（1）Vcc

不同的θ，有不同的直流分量Vd。

θ与V的关系可用图4来描述。

从图中，两者呈简单线形关1/2Vcc

系：

Ud=Kd*θ

（2）

1/2ππθ

Kd为鉴相灵敏度图4

2．边沿触发鉴相器前已述及，异或门相位比较器在使用时要求两个作比较的信号必须是占空比为50%的波形，这就给应用带来了一些不便。

而边沿触发鉴相器是通过比较两输入信号的上跳边沿（或下跳边沿）来对信号进行鉴相，对输入信号的占空比不作要求。

二．压控振荡器（VCO）

压控振荡器是振荡频率ω0受控制电压UF（t）控制的振荡器，即是一种电压——频率变换器。

VCO的特性可以用瞬时频率ω0（t）与控制电压UF（t）之间的关系曲线来表示。

未加控制电压时（但不能认为就是控制直流电压为0，因控制端电压应是直流电压和控制电压的叠加），VCO的振荡频率，称为自由振荡频率ωom，或中心频率，在VCO线性控制范围内，其瞬时角频率可表示为：

ωo（t）=ωom+K0UF（t）

式中，K0——VCO控制特性曲线的斜率，常称为VCO的控制灵敏度，或称压控灵敏度。

三．环路滤波器

这里仅讨论无源比例积分滤波器如图5。

其传递函数为：

式中：

τ1=R1C

τ2=R2C

图5

四．锁相环的相位模型及传输函数

图6

图6为锁相环的相位模型。

要注意一点，锁相环是一个相位反馈系统，在环路中流通的是相位，而不是电压。

因此研究锁相环的相位模型就可得环路的完整性能。

由图6可知：

（1）当A点断开环路时，锁相环的开环相位传输函数为

KL（S）=

（2）环路闭合时的相位传输函数为

H（S）

（3）环路闭合时的相位误差传输函数为

He（S）=

当环路滤波器选用无源比例积分滤波器时，经推导可得：

H（S）=

式中，，τ1=R1C,τ2=R2C

2

=,K=KdKo

同样可得：

He（S）=

ωn称为系统的固有频率或自然角频率；

称为系统的阻尼系数。

要注意的是上面讨论中的ω指的是输入信号相位的变化角频率，而不是输入信号本身的角频率。

如输入信号是调频信号，则ω指的是调制信号的角频率而不是载波的角频率。

五．锁相环的同步与捕捉

锁相环的输出频率（或VCO的频率）ωo能跟踪输入频率ωi的工作状态，称为同步状态，在同步状态下，始终有ωo=ωi。

在锁相环保持同步的条件下，输入频率ωi的最大变化范围，称为同步带宽，用ωH表示。

超出此范围，环路则失锁。

失锁时，ωoωi，如果从两个方向设法改变ωi，使ωi向ωo靠拢，进而使ωo=（ωi－ωo），当ωo小到某一数值时，环路则从失锁进入锁定状态。

这个使PLL经过频率牵引最终导致入锁的频率范围称为捕捉带ωp。

同步带ωH，捕捉带ωp和VCO中心频率ωo的关系如图7。

图7

实验原理及步骤

利用CMOS固有的低功耗、宽工作电源、集成度高等特点，可以设计出性能良好、使用方便的锁相环单片电路。

其中CD4046是一种能工作在1MHZ以下的通用PLL产品，它广泛应用于通信计算机接口领域。

图8示出CD4046的电路方框功能图。

在这个单片集成电路中，内含两个相位比较器，其中PD1是异或门鉴相器；

PD2是边沿触发式鉴相器。

另外电路中含有一个VCO，一个前置放大器A1，一个低通滤波器输出缓冲放大器A2和一个内部5V基准稳压管。

从图8可看出，引脚（16）是正电源引入端；

（8）脚是负电源端，在用单电源时接地；

（6）脚，（7）脚外接电阻C67；

（11）脚外接电阻R11和C67决定了VCO的自由振荡频率；

（12）脚外接电阻R12，它用作确定在控制电压为零时的最低振荡频率fomin;

（5）脚为VCO禁止端，当（5）脚加上“1”电平图8CD4046原理图

（即VDD）时，VCO停止工作，当为“0”

电平（即VSS）时，VCO工作；

（14）脚是PLL参考基准输入端；

（4）脚是VCO输出；

（3）是比较输入端；

（2）和（13）脚分别是PD1和PD2的输出端；

（9）脚是VCO的控制端；

（10）是缓冲放大器的输出端；

（1）脚和

（2）脚配合可做锁定指示；

（15）脚是内设5V基准电压输出端

实验一、PLL参数测试

一、压控灵敏度KO的测量

如图9，V（9）从0~9V

每隔1伏测一点，作出f-V（9）

曲线，从曲线求KO。

（KO的单位是

rad/s.v）同时测出V（9）=

1/2VDD=4.5V时VCO的频率fo、示波器

（即中心频率）图9

二、鉴相灵敏度Kd的测量。

测量方框如图10，其中LPF

为附录3中的（b）。

由于取

值R2=100K>

>

RW和R2=

R3，则运放的同相增益：

10K

反相增益：

图10

所以运放的输出UA=KAUF+KMUM=2UF-UW

信号源为—频率连续可调的方波发生器。

实验步骤

1.用另一块4046（记为4046B，图9那块记为4046A）组装一信号源，如图11。

2.按图10接实验图，注意运放324

和RW的工作电压为9V和-5V，4046

的电压为9V和OV。

由于实验中的稳

压电源只能提供两路电源，而实际需

要三路，所以应将稳压电源输出分别

调节到+12V和-5V。

9V电压由+12V

经三端稳压器7809降压后提供。

图11

3.断开信号源和4046A的PD1的连接，调RW，使4046A的VCO的频率为中心频率fO，同时调信号源的输出频率也为4046A的中心频率fO。

4.连接信号源和4046A的PD1，用双踪示波器观察Ui、UO，可观察到两个锁定的方波信号，其相差约为π/2。

5.调RW，观察Ud波形的变化，用示波器观察Ud、Ui、UO，应能观察到它们符合图3所示的相位关系。

6.通过用示波器测Ud的占空比测θe（参考图3）用数字电压表测UF（即U），θe从π/6到5π/6，每π/6测一点，作出UF~θe曲线，并由曲线求出Kd（单位为V/Rad）。

可调节示波器X轴扫描速度，让Ud的一个周期在荧屏上显示整六格，则每格就代表π/6，这样可以提高测量速度。

三、环路开环增益的测量（KH）

图12环路开环增益测量方块图

开环增益即为环路直流总增益KH=Δω/Δθ=KdK0KF（0），式中KF（0）为频率为0时，环路低通滤波器的传递函数，显然当用比例积分滤波器时，KF（0）=1，∴KH=KdK0。

实验方块图如图12，注意不用运放，LPF为附录3中的（b）。

当鉴相器比较两同相信号时，UF=0，VC0振荡于fmin;

当鉴相器比较两反相信号时，UF=VDD，VCO振荡于fmax。

做这实验时应注意是开环。

在理想情况下

KH=Δω/Δθ=2πΔf/Δθ=2π（fmax-fmin）/π=2（fmax-fmin）

实验中信号源即为图11信号源，其Out1和Out2为倒相信号。

四、同步带、捕捉带测量

实验方块如图13（LPF为附录3中的（b））。

图13同步带、捕捉带测量方块图

1.同步带的测量：

调信号源（图11）频率约为４０４６Ａ的中心频率。

示波器分别测Ui和Uo，并以Ui作为示波器的触发同步信号，频率计测Ui，这时示波器可显示两个稳定的波形，即Ui和Uo是锁定的。

在一定范围内缓慢改变信号源频率，可看到两个波形的频率同时变化，且都保持稳定清晰，这就是跟踪。

但当信号源频率远大于（高端）或远小于（低端）４０４６Ａ的中心频率时，Ui波形还保持稳定清晰，但Uo不能保持稳定清晰，这就是失锁。

记下刚出现失锁时的Ui频率即高端频率fHH和低端频率fHL，则同步带ΔfH　＝　fHH－fHL　。

由于我们用的是PD1，是异或门相鉴器，当Ui和Uo为分数倍数关系时，也可能出现两个稳定的波形，这种情况应认为是“失锁”。

只有出现两个同频的稳定波形时才认为是“锁定。

2．捕捉带的测量：

环路失锁后，缓慢改变信号源频率，从高端或低端向４０４６Ａ的中心频率靠近，当信号源频率分别为fＰH和fＰL时，环路又锁定。

则环路捕捉带ΔfP＝fPH－fPL。

五、ωn、ξ的测量

实验如图14。

我们知道，当信号源的频率突然改变时（即对应Uj方波的前后沿），UF都产生一次阻尼振荡。

从阻尼振荡波形可测出A1、A2、T，其物理意义见图14。

并由A1、A2、T求出PLL的ωn和ξ：

实验步骤：

断开4046B（4）与4046A（14）

的连线，分别调W2、W1使4046A与4046B都振荡在4046A的中心频率上。

然后接上连线，这时应可观察到锁定波形。

再加入Ui（几百HZ，几百mVp-p的方波）。

示波器测UF和Ui，LPF为附录3中的（a），记录UF的A1、A2，T，并计算出ξ和ωn。

要注意的是，UF是叠加有高频信号的低频阻尼振荡信号。

A1、A2，T应是低频信号的振幅和周期。

图14Wn、ξ测试图

实验二、PLL应用实验

一、PLL频率合成器实验

频率合成器的基本原理如图15。

fi

从PLL原理知，当PLL处于锁定状fo

态时，PD两个输入信号的频率一定

精确相等。

所以可得：

f0=Nfi

图15

若fi为晶振标准信号，则通过改变分频比N，便可获得同样精度的不同频率信号输出。

选用不同的分频电路就可组成各种不同的频率合成器。

一）1KHZ标准信号源制作

1、用CMOS与非门和4M晶体组成

4MHz振荡器，如图16。

图中Rf使

F1工作于线性放大区。

晶体的等效

电感，C1、C2构成谐振回路。

C1、

C2可利用器件的分布电容不另接。

F1、F2、F3使用CD4069。

2、据讲义后面的CD4518管脚图，

测量并画出Q1，Q2、Q3、Q4及

CP之间的相位关系图。

CD4518图16

是CMOS器件，输入的CP信号一

定要用CMOS信号,即低电平为地，高电平接近VDD，（不能用直流电平为0的交流方波信号）其高低电平不能超过器件电源的正负电平。

测量时示波器的一个通道固定测Q4，都以Q4作示波器的同步触发源，且以Q4的下降沿作示波器的开始扫描点，另一个通道轮流测其他信号（CP、Q1、Q2、Q3）这样就能保证相位准确而且开始扫描点为计数器的“0”状态。

同时调节CP信号的频率或示波器的扫描速度让示波器标尺的每大格代表一个CP周期。

这样就可方便测量。

CD4518是BCD码计数器，其真值表不难自己写出，然后和测出的波形进行对照，理解其工作原理，尤其是Q2的波形