DDS有如下优点:
⑴ 频率分辨率高,输出频点多,可达N个频点(N为相位累加器位数);
⑵频率切换速度快,可达us量级;
⑶ 频率切换时相位连续;
⑷ 可以输出宽带正交信号;
⑸ 输出相位噪声低,对参考频率源的相位噪声有改善作用;
⑹可以产生任意波形;
⑺ 全数字化实现,便于集成,体积小,重量轻,因此八十年代以来各国都在研制和发展各自的DDS产品,如美国QUALCOMM公司的Q2334,Q2220;STANFORD公司的STEL-1175,STEL-1180;AD公司的AD7008,AD9850,AD9854等。这些DDS芯片的时钟频率从几十兆赫兹到几百兆赫兹不等,芯片从一般功能到集成有D/A转换器和正交调制器。
PLL:Phase Locked Logic 相同步逻辑
锁相环的用途是在收、发通信双方建立载波同步或位同步。因为它的工作过程是一个自动频率(相位)调整的闭合环路,所以叫环。锁相环分模拟锁相环和数字锁相环两种。
锁相环是指一种电路或者模块,它用于在通信的接收机中,其作用是对接收到的信号进行处理,并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说,对于接收到的信号,仿制一个时钟信号,使得这两个信号从某种角度来看是同步的(或者说,相干的)。由于锁定情形下(即完成捕捉后),该仿制的时钟信号相对于接收到的信号中的时钟信号具有一定的相差,所以很形象地称其为锁相器。
锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。鉴相器用来鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相位差,并输出误差电压Ud。Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除,形成压控振荡器(VCO)的控制电压Uc。Uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率fo拉向环路输入信号频率fi ,当二者相等时,环路被锁定 ,称为入锁。维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供,因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。
PLL:phase Locked Loop 相同步回路,锁相回路,用来统一整合时脉讯号,使内存能正确的存取资料。
直接数字频率合成(DDS—Digital Direct Frequency Synthesis)技术是一种新的频率合成方法,是频率合成技术的一次革命,JOSEPH TIERNEY等3人于1971年提出了直接数字频率合成的思想,但由于受当时微电子技术和数字信号处理技术的限制,DDS技术没有受到足够重视,随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展,DDS技术日益显露出它的优越性。
DDS是一种全数字化的频率合成器,由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。时钟频率给定后,输出信号的频率取决于频率控制器,频率分辨率取决于累加器位数,相位分辨率取决于ROM的地址线位数,幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。
我们刚开始学车的时候,在道路上开车,眼睛就好像一个鉴相器,负责发现车行驶的方向(反馈)和前方的路(输入)是否有差别,把差别输入大脑进行判断,然后指挥双手旋转方向盘,旋转方向盘的动作转换成车的行驶方向,如图1所示。
我们通过这么一个闭环过程不断地调节方向盘,保证车行驶在正道上。
锁相环通常由鉴相器(PD,Phase Detector)、滤波器(LF,Loop Filter)和压控振荡器(VCO,Voltage Controlled Oscillator)3部分组成前向通路,由分频器组成频率相位的反馈通路,如图2所示。
锁相环的工作原理是检测输入信号和输出信号的相位差,并将检测出的相位差信号通过鉴相器转换成电压信号输出,经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压,对振荡器输出信号的频率实施控制,再通过反馈通路把振荡器输出信号的频率、相位反馈到鉴相器。
锁相环在工作过程中,当输出信号的频率成比例地反映输入信号的频率时,输出电压与输入电压保持固定的相位差值,这样输出电压与输入电压的相位就被锁住了。
锁相环锁定频率和相位是怎样的一个过程 1,看图中,当△w为0时,鉴相器才会有直流输出,但锁相环没有
反馈控制
射频发射电路 这个系统是锁相环频率合成器 这三块电路分别是锁相式频率合成器 压控振荡 高频功放
大概说:上图,Q1等构成电容三点式振荡电路,故X1支路等效为一个电感,其中变容二极管用于改变等效电感值,从而改变振荡频率;Q2是起着缓冲与放大作用,避免输出端后级对振荡器频率的影响;中图,输入输出标注...
锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步,以提高抗干扰能力。20世纪50年代后期随着空间技术的发展,锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。60年代初随着数字通信系统的发展,锁相环应用愈广,例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起来的。在电子仪器方面,锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用.
锁相环技术目前的应用集中在以下三个方面:第一 信号的调制和解调;第二 信号的调频和解调;第三信号频率合成电路。
压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较,为了保持频率不变,就要求相位差不发生改变,如果有相位差的变化,则PLL IC的电压输出端的电压发生变化,去控制VCO,直到相位差恢复!达到锁频的目的!能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。
模拟锁相环主要由相位参考提取电路、压控振荡器、相位比较器、控制电路等组成。压控振荡器输出的是与需要频率很接近的等幅信号,把它和由相位参考提取电路从信号中提取的参考信号同时送入相位比较器,用比较形成的误差通过控制电路使压控振荡器的频率向减小误差绝对值的方向连续变化,实现锁相,从而达到同步。
数字锁相环主要由相位参考提取电路、晶体振荡器、分频器、相位比较器、脉冲补抹门等组成。分频器输出的信号频率与所需频率十分接近,把它和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器,比较结果示出本地频率高了时就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲,相当于本地振荡频率降低;相反,若示出本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入一个脉冲,相当于本地振荡频率上升,从而达到同步。
锁相同步技术是保障并网装置正常运行的一个重要因素,本文综述了当前主要的单相锁相环系统及其控制。结合三相锁相环的控制方法,对几种常见的鉴相器改进方案,如虚拟乘法器鉴相、微分法构造虚拟两相鉴相及FIR构造虚拟两相鉴相法,进行了理论分析、MATLAB建模、仿真分析,并基于DSP实验平台进行了实验验证。
针对石油化工野外生产中广泛使用的直流电动阀设计控制系统。采用光电编码器检测电机的角速度和位移,利用数字信号处理器(DSP)构成数字锁相环(DSPLL),产生控制逻辑,调节PWM开关频率和占空比,改变电动机输入电压和电流,实现电动阀门开闭控制。系统能够根据阀门开闭位置、转速快慢、转矩大小,自动调节转速快慢和电机拖动转矩,确保电机转速、转矩最佳匹配。用ZY8024-200电机进行试验,结果证明控制系统响应速度快,精度高,系统谐波和文波幅度小;在转矩不断变化时,自动适应转矩变化,实现了直流电机保护功能。基于DSP锁相环的电动阀控制方案,特别适合于石油化工生产中野外直流供电的电动阀控制。
锁相的意义是相位同步的自动控制,能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环,简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。
一个典型的锁相环(PLL)系统,是由鉴相器(PD),压控荡器(VCO)和低通滤波器(LPF)三个基本电路组成,如图1,
图1
一、鉴相器(PD)
构成鉴相器的电路形式很多,这里仅介绍实验中用到的两种鉴相器。
1.异或门鉴相器 异或门的逻辑真值表示于表1,图2是逻辑符号图。
从表1可知,如果输入端A和B分别送入占空比为50%的信号波形, 则当两者存在相位差Dθ时,输出端F的波形的占空比与Δθ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Δθ有关,这样,我们就可以利用异或门来进行相位到电压的转换,构成相位检出电路。于是经积分器积分后的平均值(直流分量)为:U = Vdd * Δ θ/π (1)
不同的Δθ,有不同的直流分量Vd。Δθ与V的关系可用图4来描述。从图中可知,两者呈简单线形关系:Ud = Kd *Δθ (2)
Kd 为鉴相灵敏度
图3
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 + K0 UF(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 = R1 C
τ2 = R2 C
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 = R1 C ,τ2 = R2 C
2x
x= , K = Kd Ko
同样可得:
He(S)=
ωn称为系统的固有频率或自然角频率;
x 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DωH 表示。超出此范围,环路则失锁。
失锁时,ωo≠ωi,如果从两个方向设法改变ωi,使ωi向ωo靠拢,进而使Δωo =(ωi-ωo)↓,当Δωo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Δωp。同步带ΔωH,捕捉带Δωp 和VCO 中心频率ωo的 关系如图7。
图7
一.锁相环的基本组成
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。
锁相环路是一种反馈控制电路,简称锁相环(PLL)。锁相环的特点是:利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。
因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪,所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中,当输出信号的频率与输入信号的频率相等时,输出电压与输入电压保持固定的相位差值,即输出电压与输入电压的相位被锁住,这就是锁相环名称的由来。
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,锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。
锁相环中的鉴相器又称为相位比较器,它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差,并将检测出的相位差信号转换成uD(t)电压信号输出,该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC(t),对振荡器输出信号的频率实施控制。
二.锁相环的工作原理
锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成,利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。
鉴相器的工作原理是:设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为:
(8-4-1)
(8-4-2)
式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率,称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压uD为:
用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉,剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC(t)。即uC(t)为:
(8-4-3)
式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率,θi(t)和θO(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相,根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为:
即
(8-4-4)
则,瞬时相位差θd为
(8-4-5)
对两边求微分,可得频差的关系式为
(8-4-6)
上式等于零,说明锁相环进入相位锁定的状态,此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态,uc(t)为恒定值。当上式不等于零时,说明锁相环的相位还未锁定,输入信号和输出信号的频率不等,uc(t)随时间而变。
因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示,该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心,随输入信号电压uc(t)的变化而变化。该特性的表达式为
(8-4-6)
上式说明当uc(t)随时间而变时,压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变,锁相环进入“频率牵引”,自动跟踪捕捉输入信号的频率,使锁相环进入锁定的状态,并保持ω0=ωi的状态不变。
三、锁相环的应用
3.1.锁相环在调制和解调中的应用
(1)调制和解调的概念
为了实现信息的远距离传输,在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制,收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。
所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uC的参数,使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相,所以,调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种。
调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等,幅度随输入信号幅度的变化而变化;调 频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,频率随输入信号幅度的变化而变化;调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,相位随输入信号幅度的变化而变化。调 幅波和调频波的示意图如图8-4-4所示。
上图的(a)是输入信号,又称为调制信号;图(b)是载波信号,图(c)是调幅波和调频波信号。
解调是调制的逆过程,它可将调制波uO还原成原信号ui。
3.2.锁相环在调频和解调电路中的应用
调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由8-4-6式可知,压控振荡 器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率ω0相等时,压控振荡器输出信号的频率将保持ω0不变。若压控振荡器的输入信 号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外,还有调制信号ui,则压控振荡器输出信号的频率就是以ω0为中心,随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。 由此可得调频电路可利用锁相环来组成,由锁相环组成的调频电路组成框图如图8-4-5所示。
根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图8-4-6所示。
3.3.锁相环在频率合成电路中的应用
在现代电子技术中,为了得到高精度的振荡频率,通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变,利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术,可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。
输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路;输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图8-4-7所示。
锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步,以提高抗干扰能力。20世纪50年代后期随着空间技术的发展,锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。60年代初随着数字通信系统的发展,锁相环应用愈广,例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起来的。在电子仪器方面,锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用.
锁相环技术目前的应用集中在以下三个方面:第一 信号的调制和解调;第二 信号的调频和解调;第三信号频率合成电路。