锁相环的原理及应用；一、基本工作原理；1、环路的基本构成；2、建立鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的数学模型；二、工作过程的定性分析；1、锁定；2、跟踪；3、捕获；4、失锁；三、锁相环路的应用；1、器件选型；锁相频率合成器的分类；HYT常用锁相频率合成芯片性能比较；2、关键性指标分析；相位噪声；锁定时间；环路带宽；压控灵敏度；一、基本工作原理；锁相环是一种以消
锁相环的原理及应用
一、基本工作原理
1、环路的基本构成
2、建立鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的数学模型
二、工作过程的定性分析
三、锁相环路的应用
1、器件选型
锁相频率合成器的分类
HYT常用锁相频率合成芯片性能比较
2、关键性指标分析
压控灵敏度
一、基本工作原理
锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。它的基本原理是利用相位误差去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态时，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频率误差的频率跟踪和相位跟踪。
1、环路的基本构成
锁相环是一个相位负反馈控制系统。主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和电压控制振荡器（VCO）三个基本部件组成，如下图所示：
图1 锁相环的基本组成 鉴相器是相位比较器，它把输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，产生对应于两信号相位差的误差电压ud(t)。环路滤波器的作用是滤除误差电压ud(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。压控振荡器受控制电压uc(t)控制，频率向参考信号的频率靠近，于是两者频率之差越来越小，直至频差消除而被锁定。
2、建立鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的数学模型
鉴相器（PD）又称为相位比较器，它是用来比较两个输入信号之间的相位差?e(t)。
按鉴相特性来分，鉴相器可分为正弦型、三角型和锯齿型等，常用来分析的是正弦鉴相器，可用模拟乘法器与低通滤波器构成。
图2 正弦鉴相其模型
其数学模型为：
图3 鉴相器的数学模型
? 环路滤波器
环路滤波器（LF）是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电压ud(t)中的高频分量和噪声，更重要的是它对环路参数调整起到决定性的作用。
常用的有：RC积分滤波器
无源比例积分滤波器*
有源比例积分滤波器
? 压控振荡器
压控振荡器（VCO）是一个电压－频率的变换器，在环路中作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)线性的变化，即 ?v(t)??0?K0uc(t)
其中，?v(t)是VCO的瞬时角频率，K0是线性特性斜率，又称压控灵敏度或增益系数。在锁相环路中，VCO的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率，而是它的瞬时相位。
二、锁相环工作过程的定性分析
当瞬时相差?e(t)趋向于一个固定值，并一直保持下去，此时我们认为锁相环路进入锁定状态，输入到鉴相器的两信号之间无频差。
? 跟踪过程
跟踪是在锁定的前提下，输入的参考频率和相位在一定的范围内，以一定的速率发生变化时，输出信号的频率和相位以同样的规律跟随变化，这一过程成为环路的跟踪过程。
? 失锁状态
失锁状态就是瞬时频差(?r??v)总不为零的状态。这时，虽然VCO的平均频率?v已向?r的方向牵引，但其瞬时角频率始终不能等于参考信号频率，即环路不能锁定。
? 捕获过程
跟踪过程是在环路已锁定的前提下讨论的，但在实际情况中，环路从一开始总是失锁的，例如开机，换频等。环路需要经理一个由失锁进入锁定的过程，这一过程称为捕获过程。
三、锁相环路的应用
1、器件选型
在参考源和鉴相器之间以及VCO和鉴相器间的反馈回路上置入分频器，与鉴相器集成就形成了频率合成器。目前，我们常用的频率合成器是间接式频率合成器，又称锁相频率合成器。它分为模拟和数字两种，而数字锁相频率合成器又分为整数分频合成器和小数分频合成器。
分频比为整数，输出信号的频率是参考信号频率的整数倍，整数频率合成器的名字由此而来。小数频率合成器的输出信号频率不必是参考信号频率的整数倍，而可以是参考信号频率的小数倍，小数频率合成器在支持较高频率的参考信号的同时可以获得很高的输出频率精度。它有多种实现方式，其中Delta-Sigma小数频率合成器是最成功的实现方式。
小数频率合成器相对于整数频率合成器有精度高，相位噪声低，调整时间短并且参考信号泄漏小等优点。到目前为止，Delta-Sigma小数频率合成器是最成功的频率合成器实现方式，它可以同时实现上述的优点。下面列出了一些小数频率合成器的选择标准：
● 小数频率合成器是否是Delta-Sigma小数频率合成器。
● 小数频率合成器的杂散噪声以及可用频段和非可用频段的比例。
● 频率合成的精度，比例因子M的大小是否足以提供所需的频率间隔。 ● 小数频率合成器的功耗。
● 小数频率合成器所支持的最高参考信号频率。
常用频率合成器芯片性能比较
2、关键性指标分析
? 相位噪声
相位噪声通常定义为某一给定偏移频率处1Hz带宽内的功率与载波功率的比值。
相位噪声对于锁相环路来说，是一个很关键的指标。在发射部分，线性功放是最难设计的部分，但是一个低相位噪声的本振信号就会给设计者一个很大的空间处理功放的非线性问题。
由表中数据可以看出，锁相环路相位噪声降低时，功放的相位误差有很大程度上的提高。
在接收部分，低相位噪声对于提高接收灵敏度很关键。
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搞过相位检测的进来讨论下
有什么好的方法可以实现大动态范围的相位检测，动态范围要求在90dB左右，相位识别范围0～180度
用AD8302对数放大器倒是方便，但只有60dB的动态范围。数字的方法不考虑了，成本太高。
我目前用的方法是把信号分别和两路正交信号送到乘法器，得到的结果做除法，得到正切或余切，然后反三角函数运算得到相位（AD采样后到计算机计算的），但误差是个麻烦，本来误差可以通过算法校正抵消掉，但一直没有找到校正的算法（信号处理俺是门外汉），老外有做出来的，但没有源代码，也没提供算法。
目前正在调试用MC1496乘法器鉴相，灵敏度很高，可以做到几个uV的信号检测，但是非线性和平衡很头疼（比如－45度和45度相位差时输出应该一样大，但实际输出差别大，就需要平衡调节），但在某个信号强度下调平，信号强度改变后又会变的不平。
求达人相助。
被检测的信号是普通周期信号还是理想的正弦信号?
理想正弦，并且频率相同，目前已经能够检测了，就是没有误差校正的算法，不知道怎么把误差给校正掉，或者有其他方法也可以。
不过貌似鉴相就那么几种方式。
我用的方法如下，两路正交信号分别是A*sin(wt)和A*cos(wt)，信号是B*sin(wt+n)，n为信号的相位，把信号和两路正交信号分别相乘，滤除合频，得到1/2*A*B*cos(n)和1/2*A*B*sin(n)，这两个结果是从乘法器输出端用AD采样得到，通过程序做除法，可以得到tan(n)，再取反正切，得到相位n。
但现在的问题是，对于一个45度相位的信号，用两路正交信号相乘后得到的积不同（理论上应该相等），主要是乘法器的平衡和线性误差造成的，对于某个固定强度的信号，可以通过调整乘法器的工作点把这两个积调平，此时其他的积都满足三角函数关系，但是信号强度大幅度改变后，这两个积又不相等了，而且误差超出了容忍范围（我的设计是相位误差在1度以内），我看了老外做的东西，他们通过校正算法把些误差给抵消掉了，就是不知道怎么校正的。
是否用肖特基二极管做比较好呢?
所谓鉴相器是一个混频器或者模拟乘法器，它的输出是输入电压信号的乘积，其中包含了两个输入信号的相差信息。检相器是锁相环电路的一个关键部件。 相差检测在多种应用中均具有重要的作用，如电机控制，雷达与通信系统，伺服系统以及解调器等。
[ 本帖最后由 e3po 于
19:33 编辑 ]
楼主说的MC1496就是双平衡调制解调器，或者叫乘法器。
晓特基二极管做的话最好是那种四元件集成的，否则配对挑选比较不易。此外就是肖特基的乘法器要求较大的驱动功率，混频增益是负的。
原帖由 longshort 于
08:13 发表
楼主说的MC1496就是双平衡调制解调器，或者叫乘法器。
晓特基二极管做的话最好是那种四元件集成的，否则配对挑选比较不易。此外就是肖特基的乘法器要求较大的驱动功率，混频增益是负的。
对，主要就是无源混频对驱动功率有要求，而我这个设计中信号电压最小可以到－80dBm@50欧负载，大概30多uV，用无源的肯定不考谱
90dB的动态范围，业余条件下似乎不太现实！！！真做得出来的话，至少是万元以上的数字电桥里才会用得上也能用得起！
原帖由 金枪鱼 于
08:44 发表
90dB的动态范围，业余条件下似乎不太现实！！！真做得出来的话，至少是万元以上的数字电桥里才会用得上也能用得起！
用四象限乘法器是可以实现的，比如MC1496，灵敏度可以达到几个uV，我的信号峰值在20uV~600mV之间，完全满足MC1496的输入范围，动态范围89.54dB（需要20位以上的ADC去测量），在20uV和600mV峰值下我都进行过测试，都可以正确鉴别相位，但需要分别调整乘法器的平衡，所以我现在的难题是如何找到在整个动态范围内都适用的软件校正算法，而不是去调乘法器，动态范围已经不是问题了
又看了一遍，楼上要求的是被测对象的幅度是动态不固定的，故有乘法器校正的问题。不过我不太理解，这种情况下为什么要弃用对数放大器？必要的话，应该还可以使用限幅器，以保证到达鉴频器的信号有一致的幅度，从而不必考虑乘法器的修正问题．．．
被测信号频率在什么范围？有否参考信号（也就是相位一定的信号，比如说相位等于0的信号）？
原帖由 qzlbwang 于
15:00 发表
被测信号频率在什么范围？有否参考信号（也就是相位一定的信号，比如说相位等于0的信号）？
当然有参考啦，两路正交信号就是参考，如果只用一路，只能测量180度范围（三角函数只在半周期存在单调性）
被测信号频率比较高，而且不固定，100多M的范围吧，肯定不能采用过零检测法。
[ 本帖最后由 MF35_ 于
19:38 编辑 ]
原帖由 longshort 于
14:15 发表
又看了一遍，楼上要求的是被测对象的幅度是动态不固定的，故有乘法器校正的问题。不过我不太理解，这种情况下为什么要弃用对数放大器？必要的话，应该还可以使用限幅器，以保证到达鉴频器的信号有一致的幅度，从而不 ...
对，被测信号的幅度不是固定的，是在一个很宽的动态范围变动。
1.现有的对数放大器动态范围太小（比如ADI的AD8302，可以直接测量相位，但动态范围只有60dB）
2.如果要使用限幅器，就要先放大，而放大器本身就会引入相位误差（其实也可以通过校正抵消），而且增加了设计复杂性和成本（高频高增益的放大器不太好整），不过这个方法可以作为考虑，实在不行可以试试，就是不知道限幅后的大量谐波会不会对8302的测量造成较大的影响，还需要研究一下。
8302的输入范围只能是－60dBm～0dBm，如果要通过放大限幅增加动态范围，按我的要求至少需要30dB的放大器，而被测信号的频率是不固定的，阻抗匹配是个麻烦（我的设计中尽量少在测试通路中使用有源器件，就是因为宽频带内的阻抗不好匹配），呵呵，其实我是再搞VNA，这下明白了吧。
原来是VNA啊，这可有技术含金量了！
限幅放大确实会产生大量谐波，肯定对测量精度造成影响，而且可能需要两个通道精确匹配的限幅放大器，业余条件下这似乎也是不太现实的。
退一步的话，将全动态范围分成两档是否可行？衰减器通常不容易引入相移和失真。好处是动态范围扩大到120dB，不方便的地方则是对于全动态范围的信号需要分两次测量了，不过这应该是单片机领域的强项了。对！不妨试试两档制方案？
[ 本帖最后由 longshort 于
21:08 编辑 ]
原帖由 longshort 于
21:07 发表
原来是VNA啊，这可有技术含金量了！
限幅放大确实会产生大量谐波，肯定对测量精度造成影响，而且可能需要两个通道精确匹配的限幅放大器，业余条件下这似乎也是不太现实的。
退一步的话，将全动态范围分成 ...
呵呵，谢谢建议，我昨天研究了一下8302，问了一下别人，说8302内部是把信号经过对数放大器放大到近似方波，然后进行鉴相，使用的是零点比较法，这种方法对波形要求不高。但是我没见过有人这样搞的，所以心里很打鼓，以前肯定有很多人想到这样搞，但没搞是有原因的。
动态范围分段更麻烦，如果是做一个输出设备，比如信号发生器，是可以这么搞的，输入设备就不行了，还要有判别信号属于哪个范围的功能，这就需要额外的判别电路，绕远了。如果不进行判别，直接进行两个范围的测试，然后进行算法拟合也是不可行的，因为无法从测量结果上得到精确的拟合焦点，这样得到的测试曲线是假的。
另外如果用限幅的话，不需要两路啊，一路就够了，两路参考信号可以切换的，分时测量就可以了。
今天找到了个VNA校准的理论文档，正在研究，也在考虑使用变频法，把信号变到一个很低的频率，然后使用零点检测，这样相位精度会比较高，而且不需要正交信号做为参考，但是用过零比较鉴相有个问题就是对于相位差是0度的时候很不准确，因为0度和360度在相位上是等同的，但对于鉴相器来说，0度和360度对应最大和最小输出，因此造成的结果是相位差为0度时鉴相器就不知道该怎么输出了，这会产生一个很大的噪声，另外由于比较电路的非线性，在0度相位差附近存在一个死区，这样一来还是需要正交信号进行对比修正。
[ 本帖最后由 MF35_ 于
14:51 编辑 ]
关于 Vector Network Analyzer (VNA),
这里有个 PDF,& &里面是 DIY 自做 VNA 的案例
网上还有:& &N2PK VNA, written by the author, Paul N2PK
google 一下还能找的 Wu Zhipeng 教授写的 “Software VNA and Microwave Network Design and Characterisation” published by Wiley in 2007.
Professor Zhipeng Wu is the Head of Microwave and Communication Systems Group in the School of Electrical and Electronic Engineering, University of Manchester.
[ 本帖最后由 e3po 于
15:04 编辑 ]
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