G通信电子线路电子CH反馈控制电路.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,第7章反馈控制电路,第7章反馈控制电路,7.1自动增益控制电路,7.2自动频率控制电路,7.3锁相环的基本原理,7.4频率合成器,通信电子线路,第7章反馈控制电路,7.1,输入信号,u,i,(t),参考信号,误差信号,控制信号,输出信号,u,r,(t),u,e,(t),u,c,(t),u(t),比较器,控制信号,可控,器件,o,发生器,反馈,信号,u,f,(t),反馈,网络,图71反馈控制系统的组成,通信电子线路,第7章反馈控制电路,高频,中频,至解调器,放大器,混频器,放大器,直流,AGC,放大器,检波器,u,r,图72具有AGC电路的接收机组成框图,通信电子线路,第7章反馈控制电路,设输入信号振幅为U,i,输出信号振幅为U,o,可控增益,放大器增益为K,v,(u,c,),它是控制电压u,c,的函数,则有,UKuU,ovci,(),(71),通信电子线路,第7章反馈控制电路,u,i,U,p,电压比较器,u,e,控制信号,发生器K,1,u,c,可控增益,U,o,K,p,放大器A,K,直流放大器,低通,滤波器,电平检测器,K,2,K,2,图73自动增益控制电路框图,通信电子线路,第7章反馈控制电路,根据输入信号的类型、特点以及对控制的要,求,AGC电路主要有以下几种类型。,1,在简单AGC电路里,参考电平U,r,0。这样,只要输,简单AGC,入信号振幅U,i,增加,AGC的作用就会使增益K,v,减小,从,而使输出信号振幅U,o,减小。图74为简单AGC的特性,曲线。,U,omax,U,oimx,m,o,(72),通信电子线路,第7章反馈控制电路,m,i,为AGC电路限定的输入信号振幅最大值与最小,值之比（输入动态范围）,即,U,imax,U,iimx,m,i,(73),则有,mUUUUK,iiiioiivmaxmxmaxmxmax,/,n,v,(74),mUUUUK,oooiooavimaxmxmaxmxmx,/,通信电子线路,第7章反馈控制电路,U,o,0,U,i,图74,简单AGC特性曲线,通信电子线路,第7章反馈控制电路,U,o,U,omax,U,omin,0,U,imin,U,imax,U,i,图75延迟AGC特性曲线,通信电子线路,第7章反馈控制电路,2,延迟AGC,在延迟AGC电路里有一个起控门限,即比较器参考,电压U,r,它对应的输入信号振幅U,imin,如图75所示。,V,CC,V,D,R,AGC电压,C,延迟,电压,至信号,检波,C,R,1,1,图76延迟AGC电路,通信电子线路,第7章反馈控制电路,3,前置AGC、后置AGC与基带AGC,前置AGC是指AGC处于解调以前,由高频（或中频）,信号中提取检测信号,通过检波和直流放大,控制高频,（或中频）放大器的增益。,后置AGC是从解调后提取检测信号来控制高频,（或中频）放大器的增益。,基带AGC是整个AGC电路均在解调后的基带进行,处理。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,7.1.3AGC,1,AGC电路是利用电压误差信号去消除输出信号振,幅与要求输出信号振幅之间电压误差的自动控制电路。,2,AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制来,实现对输出信号振幅变化的限制,而增益变化又取决于,输入信号振幅的变化,所以要求AGC电路的反应既要能,跟得上输入信号振幅的变化速度,又不会出现反调制现,象,这就是响应时间特性。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,7.2,自动频率控制（AFC）电路由频率比较器、低通,滤波器和可控频率器件三部分组成,如图77所示。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,r,频率比较器,u,e,低通滤波器,u,c,可控频率器件,r,输出,信号,r,(s),K,p,U,e,(s),H(s),U,c,(s),K,c,r,(s),图77自动频率控制电路的组成,通信电子线路,第7章反馈控制电路,可控频率器件通常是压控振荡器（VCO）,其输出,振荡角频率可写成,yycc,0,ku,(75),通信电子线路,第7章反馈控制电路,对于AFC电路,其主要的性能指标是暂态和稳态响,应以及跟踪特性。,1,由图87可得AFC电路的闭环传递函数,y,()skkHs,bc,(),Ts(),(76),rbc,()1()skkHs,由此可得到输出信号角频率的拉氏变换,kkHs,bc,(),yr,()()ss,(77),1()kkHs,bc,通信电子线路,第7章反馈控制电路,2,由图77可求得AFC电路的误差传递函数T（s）,它是误差角频率,e,（s）与参考角频率,r,（s）之比,其,表达式为,Ts(),e,()1s,e,()1()skkHs,(78),rbc,从而可得AFC电路中误差角频率的时域稳定误差值,llim()lim()ssss,eerss00,1()kkHs,bc,(79),通信电子线路,第7章反馈控制电路,1自动频率微调电路（简称AFC电路）,图78是一个调频通信机的AFC系统的方框图。,这里是以固定中频f,I,作为鉴频器的中心频率,亦作为AFC,系统的标准频率。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,f,I,f|,s,f,0,|,中心频率,f,I,f,I,f,s,混频,中放,鉴频,低放,f,0,本振,低通,滤波器,(,压控振,),图78调频通信机的AFC系统方框图,通信电子线路,第7章反馈控制电路,自中放来,限幅,放大,移相,网络,u,2,u,o,u,1,图79AFT原理方框图,通信电子线路,第7章反馈控制电路,7.3,锁相环是一个相位负反馈控制系统。它由鉴相器,(PhaseDetector,缩写为PD)、环路滤波器(LoopFilter,缩,写为LF)和电压控制振荡器(VoltageControlledOscillator,缩写为VCO)三个基本部件组成,如图710所示。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,u,r,(t),u,d,(t),u,c,(t),u,o,(t),PD,LF,VCO,参考信号,输出信号,图710锁相环的基本构成,通信电子线路,第7章反馈控制电路,设参考信号为,utUtt,rrrr,()sin(),(710),若参考信号是未调载波时,则,r,(t)=,r,=常数。设,输出信号为,utUtt,oooo,()cos(),(711),两信号之间的瞬时相差为,crrrr,()()()()()tttttt,0000,（712）,由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为,dtdt,e,()(),0,(713),r0,dtdt,通信电子线路,第7章反馈控制电路,锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态,值。即,dt,e,(),（714,lim0,t,dt,此时,输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频,率,0,(控制电压u,c,(t)=0时的频率),其偏移量由式(713),和(714)得到为,dt,0,(),r0,(715),dt,这时输出信号的工作频率已变为,ddt,c,(),(716),(),00,tt,cr,dtdt,通信电子线路,第7章反馈控制电路,7.3.21.,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)。鉴相器输出的误差信号,u,d,(t)是相差,e,(t)的函数,u,i,(t),u,d,(t),LPF,u,o,(t),图711正弦鉴相器模型,通信电子线路,第7章反馈控制电路,(t),(t),U,d,sin,e,(t),1,e,U,d,sin(),2,(t),图712线性鉴相器的频域数学模型,通信电子线路,第7章反馈控制电路,若以压控振荡器的载波相位,0,t作为参考,将输出信,号u,o,(t)与参考信号u,r,u,o,(t)=U,o,cos,0,t+,2,(t),(718),u,r,(t)=U,r,sin,r,t+,r,(t)=U,r,sin,0,t+,1,(t)(819),式中，,2,(t)=,0,(t),1,(t)=(,r,-,0,)t+,r,(t)=,0,t+,r,(t),(720),将,u,o,(t)与u,r,(t)相乘,滤除2,0,分量,可得,u,d,(t)=U,d,sin,1,(t)-,2,(t)=U,d,sin,e,(t),(721),通信电子线路,第7章反馈控制电路,U,d,(t),2,3,0,2,3,2,e,(t),2,2,2,图713正弦鉴相器的鉴相特性,通信电子线路,第7章反馈控制电路,F(p),F(s),u,d,(t),u,c,(t),u,d,(s),u,c,(s),(a),(b),图714,(a)时域模型;(b)频域模型,通信电子线路,第7章反馈控制电路,2.,环路滤波器(LF)是一个线性低通滤波器,用来滤除,误差电压u,d,(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。,1),这是最简单的低通滤波器,电路如图715(a)所示,RC,其传递函数为,Fs()Us,s,()1,Uss()1,(722),d,1,通信电子线路,第7章反馈控制电路,20lg|F(j)/dB,0,3,6dB/,倍频程,R,u,d,u,c,(),0,/,(对数刻度),C,1/,(a),45,90,(b),图715RC积分滤波器的组成与频率特性,(a)组成;(b)频率特性,通信电子线路,第7章反馈控制电路,2),无源比例积分滤波器如图716(a)所示。与RC积,分滤波器相比,它附加了一个与电容C串联的电阻R,2,这,样就增加了一个可调参数。它的传递函数为,Uss,c,()1,2,Fs(),(723),Uss,d,()1,1,通信电子线路,第7章反馈控制电路,20lg|F(j)/dB,0,1,3,1,2,R,20lg,2,1,R,2,1,(),u,d,u,c,1/1/,(对数刻度),0,/,C,45,(a),90,(b),图716,(a)组成;(b)频率特性,通信电子线路,第7章反馈控制电路,3),有源比例积分滤波器由运算放大器组成,电路如图,7-17(a)所示。当运算放大器开环电压增益A为有限值时,它的传递函数为,Uss,c,()1,2,FsA(),(724),Uss,d,()1,1,式中，,1,=(R,1,+AR,1,+R,2,)C;,2,=R,2,C。若A很高,则,11sRCsRC,22,FsAA(),1()1sARRRCsARC,1121,11sRCs,22,(725),sRCs,11,通信电子线路,第7章反馈控制电路,20lg|F(j)/dB,R,2,C,0,6dB/,倍频程,2,20lg2,1,R,1,20lg,2,1,u,d,u,()/,(对数刻度),c,0,1/,(对数刻度),(a),45,90,(b),图717,(a)电路;(b)频率特性,通信电子线路,第7章反馈控制电路,3.,压控振荡器(VCO)是一个电压-频率变换器,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u,c,(t),线性地变化,即,vdc,()()tkut,0,（726）,式中，,v,(t)是VCO的瞬时角频率,K,d,是线性特性斜,率,表示单位控制电压,可使VCO角频率变化的数值。因,此又称为VCO的控制灵敏度或增益系数,单位为,rad/Vs。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,即,通信电子线路,第7章反馈控制电路,tt,00,vdc,()()tdttkud,0,（727）,将此式与式(718)比较,可知以,0,t为参考的输出,瞬时相位为,t,2,()()tkud,dc,0,（728）,通信电子线路,第7章反馈控制电路,由此可见,VCO在锁相环中起了一次积分作用,因此,也称它为环路中的固有积分环节。式(728)就是压控,振荡器相位控制特性的数学模型,若对式(728)进行拉,氏变换,可得到在复频域的表示式为,U,c,2,()sk,d,（729）,s,VCO的传递函数为,2,()sk,d,（730）,Uss,c,(),通信电子线路,第7章反馈控制电路,K,0,u(t),p,(t),c,2,(a),K,0,u(s),s,(s),c,2,(b),图718VCO的复频域模型,通信电子线路,第7章反馈控制电路,4.环路相位模型和基本方程,复时域分析时可用一个传输算子F(p)来表示,其中,p(d/dt)是微分算子。由图719,我们可以得出锁相环,路的基本方程,c,()()()ttt,12,(731),K,d,2,()sin()()tUtFp,de,(732),p,通信电子线路,第7章反馈控制电路,1,(t),e,(t),u,d,(t),u,c,(t),K,2,(t),U,d,sin,F(p),p,0,图719锁相环路的相位模型,通信电子线路,第7章反馈控制电路,将式(732)代入式(731)得,ptptKUtFpptKtFp,edee,()()sin()()()sin()(),101,（733）,设环路输入一个频率,r,和相位,r,均为常数的,信号,即,utUtUtt,rrrrrrr,()sinsin(),00,式中，,0,是控制电压u,c,(t)=0时VCO的固有振荡,频率;,r,是参考输入信号的初相位。令,10,()()tt,rr,则,pt,100,(),r,（734）,通信电子线路,第7章反馈控制电路,将式(734)代入式(733)可得固定频率输入时的,环路基本方程:,ptKUtFp,ede,()sin()(),00,（735,右边第二项是闭环后VCO受控制电压u,c,(t)作用引起,振荡频率,v,相对于固有振荡频率,0,的频差(,v,-,0,),称为控制频差。由式(735)可见,在闭环之后的任何时,刻存在如下关系:,瞬时频差=固有频差-控制频差,(),0v,（736）,rvrv,()(),00,通信电子线路,第7章反馈控制电路,1.,当在环路的作用下,调整控制频差等于固有频差,时,瞬时相差,e,(t)趋向于一个固定值,并一直保持下去,即满足,lim()0,t,pt,e,（737）,锁定时的环路方程为,KUFj,ode,sin()(0),0,（738）,从中解得稳态相差,()arcsin,0,e,KUFj,od,(0),（739）,通信电子线路,第7章反馈控制电路,锁定正是在由稳态相差,e,()产生的直流控制电压,作用下,强制使VCO的振荡角频率,v,相对于,0,偏移了,0,而与参考角频率,r,相等的结果。即,vder,0000,KUFjsin()(0),（740）,通信电子线路,第7章反馈控制电路,2.,当,v,大得足以补偿固有频差,0,时,环路维持锁定,因而有,00vde,KUFjsin()(0),故,0max0,KUFj,d,(0),如果继续增大,0,使,0,K,0,U,d,F(j0),则环路失,锁(,v,r,)。因此,我们把环路能够继续维持锁定状态的,最大固有频差定义为环路的同步带:,Hd0max0,KUFj(0),（741）,通信电子线路,第7章反馈控制电路,3.,失锁状态就是瞬时频差(,r,-,v,)总不为零的状态。,这时,鉴相器输出电压u,d,(t)为一上下不对称的稳定差拍,波,其平均分量为一恒定的直流。这一恒定的直流电压,通过环路滤波器的作用使VCO的平均频率,v,偏离,0,向,r,靠拢,这就是环路的频率牵引效应。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,4.,开机时,鉴相器输入端两信号之间存在着起始频差,(即固有频差),0,其相位差,0,t。因此,鉴相器输出的,是一个角频率等于频差,0,的差拍信号,即,utUt,dd,()sin(),0,（742）,通信电子线路,第7章反馈控制电路,若0很大,u,d,(t)差拍信号的拍频很高,易受环路滤,波器抑制,这样加到VCO输入端的控制电压u,c,(t)很小,控,制频差建立不起来,u,d,(t)仍是一个上下接近对称的稳定,差拍波,环路不能入锁。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,u,d,(t),U,d,0,t,U,d,r,(t),r,0,0,T,f,T,t,图720频率捕获锁定示意图,通信电子线路,第7章反馈控制电路,环路能否发生捕获是与固有频差的,0,大小有关。,只有当|,0,|小到某一频率范围时,环路才能捕获入锁,这,一范围称为环路的捕获带,p,。它定义为在失锁状态下,能使环路经频率牵引,最终锁定的最大固有频差|,0,|,max,即,p0max,（743）,通信电子线路,第7章反馈控制电路,锁相环路线性分析的前提是环路同步,线性分析实,际上是鉴相器的线性化。虽然压控振荡器也可能是非,线性的,但只要恰当地设计与使用就可以做到控制特性,线性化。鉴相器在具有三角波和锯齿波鉴相特性时具,有较大的线性范围。而对于正弦型鉴相特性,当,e,6时,可把原点附近的特性曲线视为斜率为Kd,的直线,如图721所示。因此,式(721)可写成,utKt,ddc,()(),(744),通信电子线路,第7章反馈控制电路,u,d,(t),K,d,U,d,2,0,2,e,(t),图721正弦鉴相器线性化特性曲线,1,(t),e,(t),K,d,e,(t),K,d,2,(t),图722线性化鉴相器的模型,通信电子线路,第7章反馈控制电路,用K,d,e,(t)取代基本方程式(735)中的,U,d,sin,e,(t)可得到环路的线性基本方程,ptptKKFpt,ede,()()()(),10,（745）,或,ptptKFt,ee,()()(),10,(746),式中，K=K,0,K,d,称为环路增益。K的量纲为频率。,式(746)相应的锁相环线性相位模型如图723所示。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,1,(t),e,(t),K,2,(t),K,d,F(p),p,0,2,(t),图723,锁相环的线性相位模型(时域),通信电子线路,第7章反馈控制电路,对式(746)两边取拉氏变换,就可以得到相应的复,频域中的线性相位模型,如图724所示。,1,(s),e,(s),K,s,2,(s),K,F(s),2,(s),图724,锁相环的线性相位模型(复频域),通信电子线路,第7章反馈控制电路,环路的相位传递函数有三种,用于研究环路不同的,响应函数。,（1）开环传递函数研究开环(,e,(t)=,1,(t)时,由输入,相位,1,(t)所引起的输出相位,2,(t)的响应,为,HsK(),2,()()sFs,0,()ss,（747）,1,开环,（2）闭环传递函数研究闭环时,由,1,(t)引起输出相,位,2,(t)的响应,为,Hs(),2,()()sKFs,()()ssKFs,（748）,1,通信电子线路,第7章反馈控制电路,（3）误差传递函数研究闭环时,由,1,(t)所引起的误差,响应,e,(t),为,Hs(),e,()()()ssss,12,e,()()()sssKFs,（749）,11,H,o,(s)、H(s)、H,e,(s)是研究锁相环路同步性能最常,用的三个传递函数,三者之间存在如下关系:,Hs()Hs,o,(),（750）,1()Hs,o,HsHs()1()1,e,（751）,1()Hs,o,通信电子线路,第7章反馈控制电路,表71列出了采用无源比例积分滤波器和理想积,分滤波器(即A很高时的有源比例积分滤波器)的环路传,递函数。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,表71,通信电子线路,第7章反馈控制电路,表72,通信电子线路,第7章反馈控制电路,1,锁相环的一个重要特点是对输入信号相位的跟踪,能力。衡量跟踪性能好坏的指标是跟踪相位误差,即相,位误差函数,e,(t)的暂态响应和稳态响应。其中暂态响应,用来描述跟踪速度的快慢及跟踪过程中相位误差波动,的大小。稳态响应是当t时的相位误差值,表征了系,统的跟踪精度。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,在给定锁相环路之后,根据式(749)可以计算出复,频域中相位误差函数,e,(s),对其进行拉氏反变换,就可以,得到时域误差函数,e,(t)。,下面我们分析理想二阶环对于频率阶跃信号的暂,态误差响应。,当输入参考信号的频率在t=0时有一阶跃变化,即,00t,t0,0,()t,（752）,其对应的输入相位,1,()tt,（753）,()s,s,12,（754）,通信电子线路,第7章反馈控制电路,则,ee,()()()ssHs,122,（755）,2,nn,s,进行拉氏反变换,当1时,n,t,sin1,n2,t,e,()te,2,（756a）,n,1,当=1时,n,t,en,()sintet,(756b),n,当01时,n,t,sin1,n,2,t,e,()te,2,(756c),n,1,通信电子线路,右边第二项是闭环后VCO受控制电压uc(t)作用引起,波器抑制,这样加到VCO输入端的控制电压uc(t)很小,控,模分频器有两个分频模数,当模式控制为高电平时,Ho(s)、H(s)、He(s)是研究锁相环路同步性能最常,HsNHs()(),ptptKFtee()()()10,PDout（5端）:鉴相器的三态单端输出。,数k23时,整个频段可以划分为几个分波段。,e()()ssKFsKKFsd0(),lim()0tpte,式中，v(t)是VCO的瞬时角频率,Kd是线性特性斜,图846采用MC1451511组成的UHF陆地移动电台频率合成器,图841MC1451461方框,NE562集成锁相环构成的调频解调器。,将式（879）和式（880）与式（848）和式,第7章反馈控制电路,式(756)相应的响应曲线如图725所示。由图,可见:,(1)暂态过程的性质由决定。当1时,暂态过程是,衰减振荡,环路处于欠阻尼状态;当1时,暂态过程按指,数衰减,尽管可能有过冲,但不会在稳态值附近多次摆动,环路处于过阻尼状态;当=1时,环路处于临界阻尼状态,其暂态过程没有振荡。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,(2)当1时,暂态过程的振荡频率为,（1-,2,),1/2,n,。若=0,则振荡频率等于,n,。所以,n,作为无,阻尼自由振荡角频率的物理意义很明确。,(3)由图可见,二阶环的暂态过程有过冲现象,过冲量的,大小与值有关。越小,过冲量越大,环路相对稳定性越差。,(4)暂态过程是逐步衰减的,至于衰减到多少才认为暂,态过程结束,完全取决于如何选择暂态结束的标准。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,图725理想二阶环对输入频率阶跃的相位误差响应曲线,通信电子线路,第7章反馈控制电路,图725理想二阶环对输入频率阶跃的相位误差响应曲线,通信电子线路,第7章反馈控制电路,(4)暂态过程是逐步衰减的,至于衰减到多少才认为,暂态过程结束,完全取决于如何选择暂态结束的标准。,稳态相位误差是用来描述环路最终能否跟踪输入,信号的相位变化及跟踪精度与环路参数之间的关系。,求解稳态相差,e,()的方法有两种:,(1)由前面求出的,e,(t),令t即可求出,ee,()lim(),t,t,(2)利用拉氏变换的终值定理,直接从,e,(s)求出,ee,()lim(),s,st,（757）,通信电子线路,第7章反馈控制电路,表73,通信电子线路,第7章反馈控制电路,(1)同环路对不同输入的跟踪能力不同,输入变化越,快,跟踪性能越差,e,()=意味着环路不能跟踪。,(2)同一输入,采用不同环路滤波器的环路的跟踪性,能不同。可见环路滤波器对改善环路跟踪性能的作用。,(3)同是二阶环,对同一信号的跟踪能力与环路的,“型”有关(即环内理想积分因子1/s的个数)。,(4)理想二阶环(二阶型)跟踪频率斜升信号的稳,态相位误差与扫瞄速率R成正比。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,图7-26闭环幅频特性,通信电子线路,第7章反馈控制电路,2.,频率响应是决定锁相环对信号和噪声过滤性能好坏,的重要特性,由此可以判断环路的稳定性,并进行校正。,采用RC积分滤波器,其传递函数如式(729)所示,则,闭环传递函数为,2,n,Hs(),22,(758),2,nn,相应的幅频特性为,1,H(),2,22,(759),(1)(2),2,nn,通信电子线路,第7章反馈控制电路,阻尼系数取不同值时画出的幅频特性曲线如图,726所示,可见具有低通滤波特性。环路带宽BW0.7可,令式(759)等于0.707后求得,1,24212,(760),BW,0.7,n,12442,2,调节阻尼系数和自然谐振角频率,n,可以改变,带宽,调节还可以改变曲线的形状。当=0.707时,曲线最平坦,相应的带宽为,nd,1KK,012,BW,0.7,(),(761),22,1,通信电子线路,第7章反馈控制电路,由以上的讨论已知,锁相环路具有以下几个重要,特性:,(1)环路锁定后,没有剩余频差。压控振荡器的输,出频率严格等于输入信号的频率。,(2)跟踪特性。环路锁定后,当输入信号频率i稍,有变化时,VCO的频率立即发生相应的变化,最终使,VCO输入频率,r,=,i,。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,(3)滤波特性。锁相环通过环路滤波器的作用,具有,窄带滤波特性,能够将混进输入信号中的噪声和杂散干,扰滤除。,(4)易于集成化。组成环路的基本部件都易于采用,模拟集成电路。环路实现数字化后,更易于采用数字集,成电路。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,下面介绍锁相环的几种应用。,1.,用锁相环调频,能够得到中心频率高度稳定的调频,信号,图727是这种方法的方框图。,调制,信号,低通,滤波,调频波输出,晶振,鉴相,VCO,图727锁相环路调频器方框图,通信电子线路,第7章反馈控制电路,调制跟踪锁相环本身就是一个调频解调器。它利,用锁相环路良好的调制跟踪特性,使锁相环路跟踪输入,调频信号瞬时相位的变化,从而使VCO控制端获得解调,输出。锁相环鉴频器的组成如图728所示。,u,i,(t),输出,u,c,(t),PD,LF,滤波器,鉴频输,出,VCO,图728锁相鉴频器,通信电子线路,第7章反馈控制电路,设输入的调频信号为,utUtmt,iiif,()sin(sin),（762）,其调制信号为u,(t)=U,cost,m,f,为调频指数。同时,假设环路处于线性跟踪状态,且输入载频,i,等于VCO自,由振荡频率,0,则可得到调频波的瞬时相位为,1,()sintmt,f,（763）,现以VCO控制电压u,c,(t)作为解调输出,那么可先求,出环路的输出相位,2,(t),再根据VCO控制特性,2,(t)=K,0,u,c,(t)/p,不难求得解调输出信号u,c,(t)。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,设锁相环路的闭环频率响应为H(j),则输出相位为,2,()()cos()tmHjtHj,f,(764),因而解调输出电压为,1()1dt,2,utmHjtHj,()()cos(),f,KdtK,00,UHjtHj,c,()cos(),(765),通信电子线路,第7章反馈控制电路,Um1,m,式中,cf,KK,00,m,为调频信号的最大频偏。对于设计良好的调制跟踪,锁相环,在调制频率范围内H(j)1,相移H(j)也,很小。因此,u,c,(t)确是良好的调频解调输出。各种通用,锁相环集成电路都可以构成调频解调器。图729为用,NE562集成锁相环构成的调频解调器。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,C,b,C,p,0.1F,R,x,R,x,1.5k,E,c,C,x,C,x,C,c,C,c,解调输出,1k,NE562,12345,6,7,8,量程控制,c,1k,C,1k,C,T,VCO输出,C,b,0.1F,0.1F1k,12k,图729,NE562调频解调器,通信电子线路,第7章反馈控制电路,2.,如果锁相环路的输入电压是调幅波,只有幅度变化,而无相位变化,则由于锁相环路只能跟踪输入信号的相,位变化,所以环路输出得不到原调制信号,而只能得到等,幅波。用锁相环对调幅信号进行解调,实际上是利用锁,相环路提供一个稳定度高的载波信号电压,与调频波在,非线性器件中乘积检波,输出的就是原调制信号。AM,信号频谱中,除包含调制信号的边带外,还含有较强的载,波分量,使用载波跟踪环可将载波分量提取出来,再经,90移相,可用作同步检波器的相干载波。这种同步检,波器如图730所示。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,PD,LF,u,o,(t),AM,信号,VCO,90,u,os,(t),输出,解调输,滤波器,出,同频检波,图730AM信号同步检波器,通信电子线路,第7章反馈控制电路,设输入信号为,utUmtt,fii,()(1cos)cos,(766),输入信号中载波分量为U,i,cos,i,t,用载波跟踪环提,取后输出为u,o,(t)=U,o,cos(,i,t+,0,),经90移相后,得到,相干载波,utUt,()sin(),oi,0,通信电子线路,第7章反馈控制电路,将u,r,(t)与u,i,(t)相乘,滤除2,i,分量,得到的输出信号就,是恢复出来的调制信号。,还可广泛地应用于电,视机彩色副载波提取,调频立体声解码、电机转速控制、,微波频率源、锁相接收机、移相器、位同步、以及各,种调制方式的调制器和解调器、频率合成器等。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,8.4,1频率范围,频率范围是指频率合成器输出的最低频率f,omin,和,最高频率f,omax,之间的变化范围,也可用覆盖系数,k=f,omax,/f,omin,表示（k又称之为波段系数）。如果覆盖系,数k23时,整个频段可以划分为几个分波段。在频率,合成器中,分波段的覆盖系数一般取决于压控振荡器的,特性。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,2,频率合成器的输出是不连续的。两个相邻频率之,频率间隔（频率分辨率）,间的最小间隔,就是频率间隔。频率间隔又称为频率分,辨率。不同用途的频率合成器,对频率间隔的要求是不,相同的。对短波单边带通信来说,现在多取频率间隔为,100Hz,有的甚至取10Hz、1Hz乃至0.1Hz。对超短波通,信来说,频率间隔多取50kHz、25kHz等。在一些测量仪,器中,其频率间隔可达兆赫兹量级。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,3,频率转换时间是指频率合成器从某一个频率转换到,另一个频率,并达到稳定所需要的时间。它与采用的频率,合成方法有密切的关系。,4,频率准确度是指频率合成器工作频率偏离规定频率,的数值,即频率误差。而频率稳定度是指在规定的时间间,隔内,频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,5,影响频率合成器频谱纯度的因素主要有两个,一是,相位噪声,二是寄生干扰。,度的频域表示,在频谱上呈现为主谱两边的连续噪声,如,图8-31所示。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,相对幅度/dB,0,22.84013kHz,主谱,6.27dB,20,40,谐波,60,寄生,80,相噪,f,0,2f,0,3f,0,f,(a)(b),图831频率合成器的频谱,通信电子线路,第7章反馈控制电路,频率合成器可分为直接式频率合成器,间接式（或,锁相）频率合成器和直接式数字频率合成器。,1,直接式频率合成器是最先出现的一种合成器类型,直接式频率合成器（DS）,的频率信号源。这种频率合成器原理简单,易于实现。,其合成方法大致可分为两种基本类型:一种是所谓非相,关合成方法;另一种称为相关合成方法。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,2,间接式频率合成器又称为锁相频率合成器。锁相,间接式频率合成器（IS）,频率合成器是目前应用最广的频率合成器,也是本节主,要介绍的内容。,直接式频率合成器中所固有的那些缺点,如体积大、,成本高、输出端出现寄生频率等,在锁相频率合成器中,就大大减少了。基本的锁相频率合成器如图832所示。,当锁相环锁定后,相位检波器两输入端的频率是相同的,即,ff,dd,(867),通信电子线路,第7章反馈控制电路,f,0,Nf,r,相位检波器,V,B,环路滤波器,V,C,压控振荡器,f,o,f,r,(PD),LF,(VCO),f,d,N,图832基本锁相频率合成器,通信电子线路,第7章反馈控制电路,VCO输出频率f,o,经N分频得到,f,o,f,d,(868),N,所以输出频率是参考频率f,r,的整数倍,即,fNf,o,(869),通信电子线路,第7章反馈控制电路,转换时间取决于锁相环的非线性性能,精确的表达,式目前还难以导出,工程上常用的经验公式为,25,t,s,(870）,f,转换时间大约等于25个参考频率的周期。分辨率,与转换时间成反比。例如f,r,=10Hz,则f,s,=2.5s,这显然难以,满足系统的要求。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,固定分频器的工作频率明显高于可变分频比,超高,速器件的上限频率可达千兆赫兹以上。若在可变分频,器之前串接一固定分频器的前置分频器,则可大大提高,VCO的工作频率,如图833所示。前置分频器的分频,比为M,则可得,fNMf,o,(),（871）,通信电子线路,第7章反馈控制电路,f,r,LF,VCO,f,o,N,M,前置分频器,图833有前置分频器的锁相频率合成器,通信电子线路,第7章反馈控制电路,f,r,相位,低通,VCO,f,检波器,滤波器,o,f,L,f,d,f,I,N,o,L,低通,滤波器,图834下变锁相频率合成器,通信电子线路,第7章反馈控制电路,混频后用低通滤波器取出差频分量,分频器输出频率为,ff,0,L,ff,d,ffNf,0,L,（872）,因此,N,（873）,通信电子线路,第7章反馈控制电路,3,直接数字式频率合成器是近年来发展非常迅速的,直接数字式频率合成器（DDS）,一种器件,它采用全数字技术,具有分辨率高、频率转换,时间短、相位噪声低等特点,并具有很强的调制功能和,其它功能。,当最低有效位为1加到相位累加器时,产生最低的频,率,在时钟f,c,的作用下,经过了N位累加器的2,N,个状态,输,出频率为f,c,/2,N,。加任意的M值到累加器,则DDS的输出,频率为,M,ff,oc,N,（874）,2,通信电子线路,第7章反馈控制电路,NCO,相位累加器,ROM,DAC,LF,频率控制字K,f,c,图835DDS的组成框图,通信电子线路,第7章反馈控制电路,DDS有如下特点:,（1）频率转换时间短,可达毫微秒级,这主要取决于,累加器中数字电路的门延迟时间;,（2）分辨率高,可达到毫赫兹级,这取决于累加器的,字长N和参考时钟f,c,。,（3）频率变换时相位连续;,（4）有非常小的相位噪声。,（5）输出频带宽,一般其输出频率约为f,c,的40以内;,（6）具有很强的调制功能。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,在PLL频率合成器中,设计时要考虑的因素有:,（1）频率分辨率及频率步长;,（2）建立时间;,（3）调谐范围（带宽）;,（4）相位噪声和杂散（谱纯度）;,（5）成本、复杂度和功能。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,在DDS频率合成器中,设计时要考虑的因素有:,（1）时钟频率（带宽）;,（2）杂散（谱纯度）;,（3）成本、复杂度和功能。,通信电子线路,第7章反馈控制电路,DDS的杂散主要是由DAC的误差和离散抽样值的,量化近视引起的,改善DDS杂散的方法有:,（1）增加DAC的位数,DAC的位数增加一位,杂散电,平降低6dB;,（2）增加有效相位数,每增加一位,杂散电平降低,8dB;,（3,通信电子线路,第7章反馈控制电路,DDS和PLL这两种频率合成方式不同,各有其独有,的特点,不能相互代替,但可以相互补充。将这两种技术,相结合,可以达到单一技术难以达到的结果。图836是,DDS驱动PLL频率合成器,这种频率合成器由DDS产生,分辨率高的低频信号,将DDS的输出送入一倍频混频,PLL,其输出频率为,ffNf,oLDDS,（875）,通信电子线路,第7章反馈控制电路,其输出频率范围是DDS输出频率的N倍,因而输出,Hz以下。这种频率合成器取决,带宽,分辨率高,可达1,于DDS的分辨率和PLL的倍频次数。其转换时间快,是,由于PLL是固定的倍频环,环路