锁相环路:第1章 锁相环路的基本工作原理(8学时)教案.docx
《锁相环路:第1章 锁相环路的基本工作原理(8学时)教案.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《锁相环路:第1章 锁相环路的基本工作原理(8学时)教案.docx(17页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、武朗科於大号教案纸第1章 锁相环路的基本工作原理(8学时)【主要讲授内容及时间分配】1锁定与跟踪的概念(90分钟)1.2 环路组成(90分钟)环路动态方程(45分钟)1.3 一阶锁相环路的捕获、锁定与失锁(90分钟)总结、习题讲解(45分钟)【重点与难点】1、重点:理解锁相环的基本概念,包括基本工作原理、锁定状态、失锁状态、捕获带、 同步带。掌握锁相环的基本工作原理和组成,掌握锁相环的动态方程。2、难点:相图法分析一阶锁相环路的捕获、锁定与失锁【教学要求】1、理解锁相环的基本概念;2、掌握锁相环的基本工作原理;3、了解锁相环的应用。【实施方法】课堂讲授,PPT配合本章的主要内容:锁相环路是一个
2、闭环的相位控制系统,本章主要讲解:1 .建立完整的数学模型。2 .以模型为基础,分析它在各种工作状态下的性能与指标,如跟踪、捕获、噪声的影 响等等。3 .介绍锁相环的基本原理。锁相环路是怎样组成、如何工作的。以及锁相环要求。4 .通过分析一个最简单的锁相环:一阶环,说明锁相技术中最常用的一些概念与专用 术语,了解分析时用到的一些基本方法以及一阶环的基本性能。5 .本章所给出的概念与方法都具有普遍意义,是本课程学习的重要基础。1 . RC积分滤波器这是结构最简单的低通滤波器,电路构成如图8 (a)所示传输算子:F(p) = -!, 1 + P1是时间常数,这是这种滤波器唯一可调的参数。令P=j。
3、,并代入(1T8)式,即可得滤波器的频率特性:(4)201g|F(ja)l/dBS)图1-8 RC积分滤波器的组成与对数频率特性(a)组成(b)频率特性低通特性,相位滞后。当频率很高时,幅度趋于零,相位滞后接近于1/2。2 .无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器如图-9(a)所示,它与形积分滤波器相 比,附加了一个与电容器串联的电阻后,这样就增加了一个可调参数。传输算子:/(2)=1匹1 + P7=(4+尺2)。; J =尺2。是两个独立的可调参数。频率特性:。)=尚1据此可作出对数频率特性,如图9(b)所示。这也是一个低通滤波器,与RC积分 滤波器不同的是,当频率很高时201g|F(jQ)|
4、/dB(b)图1-9无源比例积分滤波器的组成与对数频率特性(a)组成(b)频率特性低通特性。从相频特性上看,当频率很高时有相位超前校正的作用,这是由相位超前因子1 + /QJ引起的。这个相位超前作用对改善环路的稳定性是有用的。3.有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器由运算放大器组成,电路如图-10(a)所ZpS O它的传输算子:/() = -,+ PJ,=(凡+4?|十尺2)。; r2=R2C;1 + P4A是运算放大器无反应时的电压增益假设运算放大器的增益A很高,那么传输算子可以近似为F(p) = AF(p) = A1 + P72l + p l+21 + pARC4 1 + P72 x-Ap
5、ARC负号对环路的工作没有影响,分析时可以不予考虑。故传输算子可以近似为(1-22)式中t(1-22)式传输算子的分母中只有一个p,是一个积分因子,故高增益的有源比例积分滤波器又称为理想积分滤波器。显然,A越大就越接近理想积分滤波器。此滤 波器的频率响应为F(jQ) =低通特性,比例作用。相频特性有超前校正。三、压控振荡器压控振荡器是一个电压-频率变换装置,在环中作为被控振荡器,它的振荡频率应 随输入控制电压,线性地变化,即应有变换关系av(t) = CDo + Kouc(t)式中以,是压控振荡器的瞬时角频率;Ko为控制灵敏度或称为增益系数,单位是阳d/s V o实际应用中的压控振荡器的控制特
6、性只有有限的线性控制范围,超出这个范围之后 控制灵敏度将会下降。如图1-11所示。图1-11压控振荡器的控制特性由于压控振荡器的输出反应到鉴相器上,对鉴相器输出误差电压/起作用的 不是其频率而是其相位J 0)人力dr = a)ot+ kJ uc(T)dr即改写成算子形式为为=-wr(0p压控振荡器的数学模型如图1T2所示。从模型上看,压控振荡器具有一个积分 因子1/p,这是相位与角频率之间的积分关系形成的。锁相环路中要求压控振荡器输出 的是相位,因此,这个积分作用是压控振荡器所固有的。正因为这样,通常称压控振荡 器是锁相环路中的固有积分环节。这个积分作用在环路中起着相当重要的作用。图1-12压
7、控振荡器的数学模型压控振荡器的基本要求:1、频率稳定度好2、控制灵敏度K。要高3、控制特性的线性度要好4、线性区要宽四、环路相位模型整个环路的模型如图1T3所示。图1-13锁相环路的相位模型这是一个相位负反应的误差控制系统。输入相位伍与反应的输出相位为进行 比拟,得到误差相位仇,由误差相位产生误差电压与,误差电压经过环路滤波器 b(p)的过滤得到控制电压人,控制电压加到压控振荡器上使之产生频率偏移,来跟 踪输入信号频率用。这个模型直接给出了输入相位4与输出相位为之间的关 系,故又称为环路的相位模型,它是进一步分析锁相环的基础。1.3环路的动态方程按图1-13的环路相位模型,不难导出环路的动态方
8、程。仇=4-%0 2K U F(P)公 e m n /湿=P* Q) - K.u/(p)sin 仇% 一 dsinP令环路增益K = K4(注意单位:U/W:/s,MV),得到锁相环路动 Hz = Hz/V-V态方程的一般形式4=(0 - K/()sin 6e (0p9eQ):环路的瞬时频差;pq=八?+丝迫。当输入固定频率信号时,就是固有频差八七; atKb(p)sin。=KoF(p)Ud sinQ) = KoF(p)ud(t) = Koud(t)Ud(t) = UdQ)sin优:瞬时相差作用下的误差电压瞬时值。=月(夕)勾:误差电压d经环路滤波器过滤之后加到VC0上的控制电压瞬时值W)=
9、K/c)= KF(p)sin仇:控制电压七力口至IVC0上所引起振荡频率以相对于自由振荡频率。的频差,即控制频差由此得到动态方程物理概念上的含意:瞬时频差二固有频差-控制频差。这个关系式在环路动作的始终都是成立的。环路对输入固有频率的信号锁定之后,稳态频差等于零,稳态相差。(oo)为一固定值。此时误差电压即为直流,它经过月(/0)的过滤作用之后所得到的控制电压也是直流。0 =KF(p)sm0e(t)KF(p)sin6eQ) = A。夕(oo) = arcs in 一KF(jO)据此式可计算锁相环路的稳态相差。1.4 一阶锁相环路的捕获、锁定与失锁最简单的锁相环路是没有滤波器的锁相环路,即一阶环
10、尸(p) = l。一阶环实际上很 少被采用。但是由于环路中发生的种种物理现象,如捕获、锁定和失锁等等,都可以通 过一阶环得到明确的说明,因此,为加强对锁相环路动作过程的理解,建立一些重要的 基本概念,以此作为进一步研究工程中常用的二阶环的基础,有必要对一阶环作比拟深 入的研究。一阶锁相环路动态方程的一般形式为p6e (?)=夕4(力 一 K sin a )设输入为固定频率信号,即,(/) = 处,那么pOe =6e =A% - Ksin 4这个方程建立了环路瞬时频差莉)与瞬时相差仇。)之间的简单关系,可以在平面 ?%),劣上作图。按固有频差八2与环路增益K之间的关系,有A,K、 处K、Ag=K
11、三种不同的情况,这三种情况下环路的状态是不同的。一、A 3 oK时的捕获与锁定由于 cooK,该曲线应与横轴相交,图形如图1T4。b图1-14 A o0。,意味着相差a是随时间增长的,故相点必然沿相轨迹向 右转移。下半平面频差ah)K时的失锁状态A cooK时的Q%)与0 e(t)关系曲线如图-16所示。相轨迹不与横轴相交,平衡点 消失,成为一条单方向运动的正弦曲线。不管初始状态处于相轨迹上的哪一点,状态都将 按箭头所指方向沿相轨迹一直向右转移,环路无法锁定,处于失锁状态。在失锁状态时, 环路瞬时相差无休止地增长,不断地进行周期跳越;瞬时频差那么周期性地在 3。土K的范围内摆动。图1-16 A
12、aoK时的一阶环动态方程图解问题:在失锁状态时,.鉴相器输出什么样的误差电压?1 .为什么会出现频率牵引现象?2 . “瞬时频差二固有频差-控制频差”的关系式是否还成立?图1-17 一阶环失锁状态的Oe(t)、Uc(t)、3V(t)和的时间图图1T7(C)中,3V(t)-3 0为控制频差,3 i-3 V (t)为瞬时频差,而3 i-3。为固有频差。计算说明,它们之间的关系为/(/) = coi - cov = Qa;一 K?【计算举例】一阶环Ud=lV, Ko=20kHz / V, fo=lMHzo当输入信号频率fi=1030kHz时,环路 不能锁定,处于差拍状态。试计算由于频率牵引现象,压控
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 锁相环路:第1章 锁相环路的基本工作原理8学时教案 环路 基本 工作 原理 学时 教案
限制150内