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[经验] 关于锁相环的组成你了解多少?

2019-3-17 06:00:00  859 锁相环
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锁相环路是一种反馈控制电路,简称锁相环(PLL)。许多电子设备要正常工作,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步,利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成。
  锁相环特点是:用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。
  锁相环工作原理:相位比较器把输入信号作为标准,将它的频率和相位与从VCO输出端送来的信号进行比较。如果在它的工作范围内检测出任何相位(频率)差,就产生一个误差信号Ve(t),这个误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位差,通常是以交流分量调制的直流电平。由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量,产生信号Vd(t)去控制VCO,强制VCO朝着减小相位/频率误差的方向改变其频率,使输入基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减小直至为0,这时我们就称环路已被锁定。
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  锁相环电路主要用于分频倍频,频率合成,解码… 该电路利用VOC的锁定工作,有良好的特性及抗干扰性能。
  鉴相器是个相位比较装置。它把输入信号Si(t)和压控振荡器的输出信号So(t)的相位进行比较,产生对应于两个信号相位差的误差电压Se(t)。
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  环路滤波器的作用是滤除误差电压Se(t)中的高频成分和噪声,以保证环路所要求的性能,增加系统的稳定性。
  压控振荡器受控制电压Sd(t)的控制,使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢,直至消除频差而锁定。
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  锁相环是个相位误差控制系统。它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差,从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率,以达到与输入信号同频。在环路开始工作时,如果输入信号频率与压控振荡器频率不同,则由于两信号之间存在固有的频率差,它们之间的相位差势必一直在变化,结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下,压控振荡器的频率也在变化。若压控振荡器的频率能够
  变化到与输入信号频率相等,在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳定后,输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零,相差不再随时间变化,误差电压为一固定值,这时环路就进入“锁定”状态。这就是锁相环工作的大致过程。
  以上的分析是对频率和相位不变的输入信号而言的。如果输入信号的频率和相位在不断地变化,则有可能通过环路的作用,使压控的频率和相位不断地跟踪输入频率的变化。
  锁相环具有良好的跟踪性能。若输入FM 信号时,让环路通带足够宽,使信号的调制频谱落在带宽之内,这时压控振荡器的频率跟踪输入调制的变化。
  对于锁相环的详细分析可参阅有关锁相技术的书籍。在此仅说明锁相环鉴频原理。可以简单地认为压控振荡器频率与输入信号频率之间的跟踪误差可以忽略。因此任何瞬时,压控振荡器的频率ωv(t)与FM 波的瞬时频率ωFM(t)相等。

  FM 波的瞬时角频率可表示为
  假设VCO 具有线性控制特性,其斜率Kv (压控灵敏度)为(弧度/秒·伏),而VCO 在Sd(t)=0时的振荡频率为ωo ’,则当有控制电压时,VCO 的瞬时角频率为令上两式相等,即ωv(t)≈ωFM(t),可得其中ωo 为FM 波的载频,ωo ’为压控振荡器的固有振荡频率,两者皆为常数。因此上式第一项为直流项,可用隔直元件消除,或者开始时已经把压控振荡器的频率调整为ωo=ωo ’。因此上式还可进一步写成,可见,锁相环输出,除了常系数Kf /Kv 之外,近似等于原调制波形f(t),因而达到频率解调的目的。
  同理,锁相环也可用于解调PM 信号,此时只需在输出端接入一个积分器就可以了。
  通过合理选择环路参数(主要是环路滤波器的参数)可以在满足解调要求的条件下使闭环带宽尽可能窄,以便抑制噪声。因此锁相环具有良好的噪声性能。当接收信号电平微弱,噪声成为主要考虑因素时,采用PLL 解调器可以改善解调性能,它可用于各种移动FM 电台、微波接力系统、卫星通信系统以及电视、遥测等系统中,它与普通鉴频器相比,门限改善可达6dB,所以PLL解调器又称为门限扩张解调器或低门限解调器。
  因为近来设计800-1000MHz射频板,吃尽了苦头,一块板,在原理和器件没有变的情况下,做了4-5次电路板,才基本达到指标要求。
  以下是一些教训:
  1.晶振(TCXO)布线时,上下面板和周围都不要布地线。因为TCXO是很容易通过地线泄露的,如果你不小心布了大面积地,和和,你的周遍电路都会串过TCXO的频率。
  2.电源一定要有多次滤波,不要用开关电源,用环行隔离线形电源自己做整流滤波。不要用7805之类的烂片子,用317要比7805好一个数量级。射频的电源要求很高,否则,会死的很快,如果自己对电源没有信心,可以先用干电池手机电池试试。在每个片子电源输入端都要加一个0.1u的电容退。在重要的部分,还要有源退耦。其实就是一个三极管,一个电阻和两个电容。
  3.VCO的布线要特别讲究,否则,会有很多的串扰,FR比相频率干扰,如果在VCO的下面(器件面)布一层外圈,焊接面用大面积地,外圈地和大面积地用很过过孔,就会有很大的效果。
  4.LPF的设计也很重要。如果要频谱好,就得老实用大电容,虽然锁定时间长,但漂亮一些。如果用的是nF量级的电容,和和,不好办的。
  5.射频地和数字地一定要分的请清楚楚的。否则,查起来,不知道干扰是什么地方来的

王栋春 2019-3-17 12:54:24
了解的不多呀!感谢楼主分享
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