锁相环的动态跟踪特性研究

摘要

锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)作为一种标准器件,在精密仪器量测、电工计量等技术领域获得了广泛应用,以实现对信号频率及相位的同步跟踪。但人们对其赖以应用的前提条件注意不够,导致含有锁相环的系统性能往往达不到预想的设计要求。 本文在分析锁相环工作原理的基础上,利用传递函数法建立了锁相环跟踪误差的二阶等效模型,并对锁相环的动态频相跟踪特性进行了理论分析。利用MATLAB构建了锁相环的仿真模型,针对输入信号中发生频率和相位突变、谐波畸变以及频率连续瞬变等多种情形,开展了仿真研究。 理论分析与仿真结果表明,锁相环具有与二阶控制系统类似的特征,必然存在着响应时间、超调、偏差等现象,并不能实现对任意信号的锁定。对于恒频信号或信号发生单纯的相位变化,锁相环一般能够锁定原始信号;对于频率发生跃变的信号,倘频率变化超出允许阀值,则锁相环达不到锁定状态;对于某些频率瞬变信号,锁相环一般难以准确锁相,也不能正常跟踪信号频率的快速变化,还可能出现不稳定状态。锁相环的过渡时间取决于输入信号的类型和特性,有时甚至需要十几个信号周期才能达到锁定状态,不太适用于对实时性要求很高的某些电气测量与控制领域。本文研究结果为锁相环的应用条件确定、外围参数设计以及性能改进提供了参考依据。