第8章 反馈控制电路.ppt

第,8,章 反馈控制电路,第,8,章反馈控制电路,8.1,自动增益控制电路,8.2,自动频率控制电路,8.3,锁相环路,8.4,频率合成器,反馈控制是现代系统工程中的一种重要技术手段。根据控制对象参量的不同，反馈控制电路可以分为以下三类：,1),自动增益控制,(Automatic Gain Control,简称,AGC),，它主要用于接收机中，以维持整机输出恒定，几乎不随外来信号的强弱变化。,2),自动频率控制,(Automatic Frequency Control,，简称,AFC),，它用来维持电子设备中工作频率的稳定。,3),自动相位控制,(Automatic Phase Control,，简称,APC),，又称为锁相环路,(Phase Locked Loop,，简称,PLL),，它用于锁定相位，能够实现许多功能，是应用最广的一种反馈控制电路。,反馈控制电路的组成如图,8-1,所示，由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分组成一个负反馈闭合环路。,图,8-1,反馈控制系统的组成,根据输入比较信号参量的不同，图中的比较器可以是电压比较器、频率比较器,(,鉴频器,),或相位比较器,(,鉴相器,),三种，所以对应参考信号可以是电压、频率或相位参量。可控器件的可控制特性一般是增益、频率或相位。,8.1,自动增益控制电路,图,8-2,具有,AGC,电路的接收机组成框图,在接收机中，自动增益控制电路的必要性。,具有,AGC,电路的接收机组成框图。,一、工作原理,自动增益控制电路的作用,：,当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压恒定或基本不变。具体地说，当输入信号很弱时，接收机的增益大，自动增益控制电路不起作用；而当输入信号很强时，自动增益控制电路进行控制，使接收机的增益减小。这样，当接收信号强度变化时，接收机的输出端的电压或功率基本不变或保持恒定。,图,8-3,自动增益控制电路框图,自动增益控制电路的组成：,在,AGC,电路中，比较参量是信号电平，所以采用电压比较器。反馈网络由电平检测器、低通滤波器和直流放大器组成。,电平检测器检测出输出信号振幅电平,(,平均电平或峰值电平,),，滤除不需要的较高频率分量，进行适当放大后与恒定的参考电平,U,r,比较，产生一个误差信号,u,e,。这个误差信号,u,e,通过控制信号发生器去控制可控增益放大器的增益。当,U,i,减小而使输出,U,o,减小时，环路产生的控制信号,u,c,将使增益,K,v,增加，从而使,U,o,趋于增大；当,U,i,增大而使输出,U,o,增大时，环路产生的控制信号,u,c,将使增益,K,v,减小，从而使,U,o,趋于减小。无论何种情况,通过环路的不断地循环反馈，会使输出信号振幅,U,o,保持基本不变或仅在较小范围内变化。,自动增益控制电路的工作原理：,二、自动增益控制电路,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,简单,AGC,电路,在简单,AGC,电路里，参考电平,U,r,0,。这样，只要输入信号振幅,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,8-4,为简单,AGC,的特性曲线。,图,8-4,简单,AGC,特性曲线,简单,AGC,电路的优点是线路简单，在实用电路中不需要电压比较器；主要缺点是，一有外来信号，,AGC,立即起作用，接收机的增益就受控制而减小。这对提高接收机的灵敏度是不利的，尤其在外来信号很微弱时。所以简单,AGC,电路适用于输入信号振幅较大的场合。,设,m,o,是,AGC,电路限定的输出信号振幅最大值与最小值之比,(,输出动态范围,),，即,(8-2),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：,则有：,(8-3),(8-4),称为增益动态范围，通常用分贝数表示。比值,m,i,/,m,o,越大，表明,AGC,电路输入动态范围越大，而输出动态范围越小，则,AGC,性能越佳。,2,延迟,AGC,电路,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,8-5,所示。,图,8-5,延迟,AGC,特性曲线,当输入信号,U,i,小于,U,imin,时，反馈环路断开，,AGC,不起作用，放大器,K,v,不变，输出信号,U,o,与输入信号,U,i,成线性关系。当,U,i,大于,U,imin,后，反馈环路接通，,AGC,电路才开始产生误差信号和控制信号，使放大器增益,K,v,有所减小，保持输出信号,U,o,基本恒定或仅有微小变化。这种,AGC,电路由于需要延迟到,U,i,U,imin,之后才开始起控制作用，故称为延迟,AGC,。但应注意，这里“延迟”二字不是指时间上的延迟。,图,8-6,是一延迟,AGC,电路。二极管,VD,和负载,R,1,C,1,组成,AGC,检波器，检波后的电压经,RC,低通滤波器，供给,AGC,直流电压。另外，在二极管,V,D,上加有一负电压,(,由负电源分压获得,),，称为延迟电压。,图,8-6,延迟,AGC,电路,工作原理：,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。由于信号解调后信噪比较高，,AGC,就可以对信号电平进行有效的控制。,基带,AGC,是整个,AGC,电路均在解调后的基带进行处理。基带,AGC,可以用数字处理的方法完成，这将成为,AGC,电路的一种发展方向。,三、,AGC,的性能指标,1,动态范围,对,AGC,电路的实际要求是，一方面希望输出信号振幅的变化越小越好，即要求输出电压振幅的误差越小越好；另一方面也希望允许输入信号振幅的变化范围越大越好。因此，,AGC,的动态范围是在给定输出信号振幅变化范围内，允许输入信号振幅的变化范围。由此可见，,AGC,电路的动态范围越大，性能越好。例如，收音机的,AGC,指标为：输入信号强度变化,26 dB,时，输出电压的变化不超过,5 dB,。在高级通信机中，,AGC,指标为输入信号强度变化,60 dB,时，输出电压的变化不超过,6 dB,；输入信号在,10,V,以下时，,AGC,不起作用。,2,响应时间,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。,对,AGC,电路的响应时间长短的要求，取决于输入信号的类型和特点。根据响应时间长短分别有慢速,AGC,和快速,AGC,之分。而响应时间的长短的调节由环路带宽决定，主要是低通滤波器的带宽。低通滤波器带宽越宽，则响应时间越短，但容易出现反调制现象。所谓的反调制是指当输入调幅信号时，调幅波的有用幅值变化被,AGC,电路的控制作用所抵消。,8.2,自动频率控制电路,一、工作原理,自动频率控制电路的作用：,自动频率控制简称为,AFC,电路，是一种反馈控制电路。它的作用是自动调整振荡器的振荡频率，使振荡器频率稳定在某一预期的标准频率附近。,自动频率控制电路的组成：,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,8-7,所示。,图,8-7,自动频率控制电路的组成,y,自动频率控制电路的工作原理：,在频率比较器中将,y,与,r,进行比较，输出一个与,y,-,r,成正比的电压,u,e,，,u,e,称为误差电压。,将,u,e,送入低通滤波器后取出缓变控制信号,u,c,，,作为,VCO,的控制电压，使,VCO,的输出振荡频率,y,趋向,r,。,当,y,=,r,时，频率比较器无输出,(,u,c,=0),，压控振荡器不受影响，振荡频率,y,不变。当,y,r,时，频率比较器有输出电压，即,u,e,0,，压控振荡器在,u,c,的作用下使其输出频率,y,趋近于,r,。经过多次循环，最后,y,与,r,的误差减小到某一最小值,，,称为剩余频差。这时压控振荡器将稳定在,y,。,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：,y,=,y0,+,K,c,u,c,(8-5),其中,y0,是控制信号,u,c,=0,时的振荡角频率，称为,VCO,的固有振荡角频率，,K,c,是压控灵敏度。,U,c,为控制电压，调节,VCO,的振荡角频率，使之稳定在参考信号角频率,r,上。,y,二、主要性能指标（略）,三、应用,1,自动频率微调电路,(,简称,AFC,电路,),图,8-8,是一个调频通信机的,AFC,系统的方框图。,图,8-8,调频通信机的,AFC,系统方框图,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。当混频器输出差频不等于,f,I,时，鉴频器即有误差电压输出，通过低通滤波器，只允许直流电压输出，用来控制本振,(,压控振荡器,),，从而使,f,0,改变，直到,减小到等于剩余频差为止。这固定的剩余频差叫做剩余失谐，显然，剩余失谐越小越好。例如图,8-8,中，本振频率,f,0,为,46.5,56.5MHz,，信号频率,f,s,为,45,55MHz,，固定中频,f,I,为,1.5MHz,，剩余失谐不超过,9kHz,。,2,电视机中的自动频率微调,(AFT),电路,AFT,电路完成将输入信号偏离标准中频,(38 MHz),的频偏大小鉴别出来，并线性地转化成慢变化的直流误差电压，反送至调谐器本振回路的,AFT,变容二极管两端，以微调本振频率，从而保证中频准确、稳定。,AFT,电路主要由限幅放大、移相网络、双差分乘法器等组成,其原理方框图如图,8-9,所示。,图,8-9 AFT,原理方框图,8.3,锁相环的基本原理,一、工作原理,锁相环是一个相位负反馈控制系统。它由鉴相器,(Phase Detector,，缩写为,PD),、环路滤波器,(Loop Filter,，缩写为,LF),和电压控制振荡器,(Voltage Controlled Oscillator,，缩写为,VCO),三个基本部件组成，如图,8-10,所示。,图,8-10,锁相环的基本构成,鉴相器是相位比较器，它把输出信号,u,o,(,t,),和参考信号,u,r,(,t,),的相位进行比较，产生对应于两信号相位差,e,(,t,),的误差电压,u,d,(,t,),。环路滤波器的作用是滤除误差电压,u,d,(,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,u,c,(,t,),的控制，,u,c,(,t,),使压控振荡器的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。,锁相环路锁定后，可以实现输出信号与参考信号同步，两者之间不存在频差而只存在很小的稳态相差。,二、基本环路方程（略）,三、锁相环工作过程的定性分析（略）,四、锁相环路的线性分析（略）,五、锁相环路的应用,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,。它跟踪输入信号载波与相位变化，环路输出信号就是需要提取的载波信号。这就是环路的载波跟踪特性。,只要让环路有适当的低频通带，压控振荡器输出信号的频率和相位就跟踪输入调频或调相信号的频率和相位变化，即得到输入角调制信号的复制品，这就是调制跟踪特性。利用环路的调制跟踪特性，可以制成角调制信号的调制器与解调器。,(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。在设计良好时，这个通带能做到极窄。例如，可以在几十兆赫兹的频率上，实现几十赫兹甚至几赫兹的窄带滤波。这种窄带滤波特性是任何,LC,、,RC,、石英晶体、陶瓷片等滤波器所难以达到的。,(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。环路集成化为减小体积、降低成本，提高可靠性与增多用途等提供了条件。,1.,锁相环路的调频与解调,用锁相环调频，能够得到中心频率高度稳定的调频信号，图,8-27,是这种方法的方框图。,图,8-27,锁相环路调频器方框图,实现调制的条件是：调制信号的频谱要处于低通滤波器通频带之外，并且调频指数不能太大。这样，调制信号不能通过低通滤波器，因而在锁相环路内不能形成交流反馈，也就是说调制频率对锁相环路无影响。锁相环就只对,VCO,平均中心频率不稳定所引起的分量,(,处于低通滤波器通带之内,),起作用，使它的中心频率锁定在晶振频率上。因此，输出调频波的中心频率稳定度很高。这样，用锁相环路调频器能克服直接调频的中心频率稳定度不高的缺点。若将调制信号经过微分电路送入压控振荡器，环路输出的就是调相信号。,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,8-28,所示。,图,8-28,锁相鉴频器,2.,同步检波器,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,8-30,所示。,图,8-30 AM,信号同步检波器,锁相环路除了以上的应用外，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。,8.4,频 率 合 成 器,一、频率合成器及其技术指标,频率合成器的意义：,随着电子技术的发展，要求信号的频率越来越准确和越来越稳定，一般振荡器已不能满足系统设计的要求。晶体振荡器的高准确度和高稳定度早已被人们认识，成为各种电子系统的必选部件。但是晶体振荡器的频率变化范围很小，其频率值不高，很难满足通信、雷达、测控、仪器仪表等电子系统的需求，在这些应用领域，往往需要在一个频率范围内提供一系列高准确度和高稳定度的频率源，这就需要应用频率合成技术来满足这一需求。,频率合成的方法：,频率合成是指以一个或少量的高准确度和高稳定的标准频率作为参考频率，由此导出多个或大量的输出频率，这些输出频率的准确度与稳定度与参考频率是一致的。用来产生这些频率的部件就称为频率合成器或频率综合器。频率合成器通过一个或多个标准频率产生大量的输出频率，它是通过对标准频率在频域进行加、减、乘、除来实现的，可以用混频、倍频和分频等电路来实现。,频率合成器的技术指标：频率范围、频率间隔、准确度、频率稳定度、频谱纯度,(,杂散输出和相位噪声,),、频率转换时间以及体积、重量、功能与成本等。,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。,要求频率合成器在指定的频率范围和离散频率点上均能正常工作，且均能满足其它性能指标。,2,频率间隔,(,频率分辨率,),频率合成器的输出是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔，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,0.1 Hz,。对超短波通信来说，频率间隔多取,50 kHz,、,25 kHz,等。在一些测量仪器中，其频率间隔可达兆赫兹量级。,3,频率转换时间,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,准确度与频率稳定度,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。这是频率合成器的两个重要的指标，二者既有区别，又有联系。通常认为频率误差已包括在频率不稳定的偏差之内，因此一般只提频率稳定度。,5,频谱纯度,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。,相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示，在频谱上呈现为主谱两边的连续噪声，如图,8-31,所示。相位噪声的大小可用频率轴上距主谱,f,0,处的相位功率谱密度来表示。相位噪声是频率合成器质量的主要指标，锁相频率合成器相位噪声主要来源于参考振荡器和压控振荡器。此外，环路参数的设计对频率合成器的相位噪声也有重要的影响。,寄生,(,又称为杂散,),干扰是非线性部件所产生的，其中最严重的是混频器，寄生干扰表现为一些离散的频谱，如图,8-31,所示。混频器中混频比的选择以及滤波器的性能对于寄生干扰的抑制是至关重要的。,图,8-31,频率合成器的频谱,二、频率合成器的类型,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,(DS),直接式频率合成器是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。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。这两种方法之间的主要区别是所使用的参考频率源数目不同而已。,非相关合成法使用多个晶体参考频率源，所需的各种频率分别由这些参考源提供。它的缺点在于制作具有相同频率稳定性和精度的多个晶体参考频率源既复杂又困难，而且成本很高。,相关合成法只使用一个晶体参考频率源，所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到，因而合成器输出频率的准确度和稳定度与参考源一样，现在绝大多数直接式频率合成器都采用这种方法。,直接式频率合成器的显著特点是：分辨率高,(10,2,Hz),、频率转换速度快,(,小于,100,s,),、工作稳定可靠、输出信号频谱纯度高等。最大的缺点是体积大、笨重、成本高。,2,间接式频率合成器,(IS),间接式频率合成器又称为锁相频率合成器。锁相频率合成器是目前应用最广的频率合成器，基本的锁相频率合成器如图,8-32,所示。,图,8-32,基本锁相频率合成器,当锁相环锁定后，相位检波器两输入端的频率是相同的，即,f,r,=,f,d,(8-67),VCO,输出频率,f,o,经,N,分频得到,(8-68),所以输出频率是参考频率,fr,的整数倍，即,f,o,=,Nf,r,(8-69),这样，环中带有分频器的锁相环就提供了一种从单个参考频率获得大量频率的方法。如果用一可编程分频器来实现分频比,N,，就很容易按增量,f,r,来改变输出频率。带有可编程分频器的锁相环为合成大量频率提供了一种方法，合成频率都是参考频率的整倍数。,这种基本的锁相频率合成器存在以下几个问题。首先，从式,(8-69),可知，频率分辨率等于,f,r,，即输出频率只能以参考频率,f,r,为增量来改变。为了提高频率合成器频率分辨率就必须将,f,r,减小，然而这与转换时间短是相矛盾的。因为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,(,8-70),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,=2.5 s,，这显然难以满足系统的要求。,基本锁相频率合成器的另一个问题是,VCO,输出是直接加到可变分频器上的，而这种可编程分频器的最高工作频率可能比所要求的合成器工作频率低得多，因此在很多应用场合基本频率合成器是不适用的。,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,8-33,所示。前置分频器的分频比为,M,，则可得,f,o,=,N,(,Mf,r,)(8-71),图,8-33,有前置分频器的锁相频率合成器,采用了前置分频器之后，允许合成器得到较高的工作频率，但是因为,M,是固定的，输出频率只能以,Mfr,为增量变化，这样，合成器的分辨率就下降了。避免可编程分频器工作频率过高的另一个途径是，用一个本地振荡器通过混频将频率下移，如图,8-34,所示。,图,8-34,下变频锁相频率合成器,混频后用低通滤波器取出差频分量，分频器输出频率为,(8-72),因此,(8-73),总之，锁相频率合成器的频率分辨率取决于,f,r,，为提高频率分辨率应取较低的,f,r,;,而转换时间,t,s,也取决于,f,r,，为使转换时间短应取较高的,f,r,，这两者是矛盾的。另外，可变分频器的频率上限与合成器的工作频率之间也是矛盾的。上述前置分频器和下变频的简单方法并不能从根本上解决这些矛盾。近年来出现的变模分频锁相频率合成器、小数分频锁相频率合成器以及多环锁相频率合成器等的性能比基本锁相频率合成器有了明显的改善，满足了各类应用的需求。,3,直接数字式频率合成器,(DDS),直接数字式频率合成器是近年来发展非常迅速的一种器件，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。,DDS,的基本思想是在存储器存入正弦波的,L,个均匀间隔样值，然后以均匀速度把这些样值输出到数模变换器，将其变换成模拟信号。最低输出频率的波形会有,L,个不同的点。同样的数据输出速率，但存储器中的值每隔一个值输出一个，就能产生二倍频率的波形。以同样的速率，每隔,k,个点输出就得到,k,倍频率的波形。频率分辨率与最低频率一样。其上限频率由,Nyquist,速率决定，与,DDS,所用的工作频率有关。,DDS,的组成如图,8-35,所示，它由一相位累加器、只读存储器,(ROM),、数模转换器,(DAC),和低通滤波器组成，图中,f,c,为时钟频率。,相位累加器和,ROM,构成数控振荡器。相位累加器的长度为,N,，用频率控制字,K,去控制相位累加器的次数。对一个定频,，,d,d,t,为一常数，即定频率信号的相位变化与时间成线性关系，用相位累加器来实现这个线性关系。不同的,值需要不同的,d,d,t,的输出，这就可用不同的值加到相位累加器来完成。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,(8-74),图,8-35 DDS,的组成框图,在时钟,f,c,的作用下，相位累加器通过,ROM(,查表,),，得到对应于输出频率的量化振幅值，通过,D/A,变换，得到连续的量化振幅值，再经过低通滤波器滤波后，就可得到所需频率的,模拟信号。改变,ROM,中的数据值，可以得到不同的波形，如正弦波、三角波、方波、锯齿波等周期性的波形。,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,。如,N,32,，,f,c,20MHz,，则分辨率,F,f,c,/2,N,210,6,/2,32,=4.710,3,Hz;,(3),频率变换时相位连续,;,(4),有非常小的相位噪声。其相位噪声由参考时钟,fc,的纯度确定，随,20,lg(,f,o,/f,c,),改善，,f,o,为输出频率，,f,o,f,c,;,(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。,以上三种基本方法是现代频率合成的技术基础，在性能上各有其特点，相互补充。在实际应用中，可以根据系统要求，组合应用这些基本方法，从而得到性能更好的，能满足系统要求的频率合成器。,DDS,和,PLL,是两种频率合成技术，其频率合成的方式是不同的。,DDS,是一种全数字开环系统，而,PLL,是一种模拟闭环系统。由于合成的方式不同，因而都具有其特有的优点和不足，从设计,DDS,和,PLL,需考虑的因素的比较就可以看出这两种频率合成技术的差异。,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。,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、复杂度和功耗。,在,PLL,中，频率分辨率是不会很高的，其分辨率的高低还与其它的性能指标有关，而,DDS,的分辨率只取决于相位累加器长度,N,和时钟频率,f,c,，可以做到毫赫兹。从建立时间看，,DDS,是非常小的，可达纳秒级，而,PLL,由于闭环的原因建立时间较长，一般在毫秒级。在输出带宽上，,DDS,与,f,c,有关，输出频率,f,o,f,c,/2,，而,PLL,输出频率,f,o,f,c,。,DDS,输出可认为是低通信号，而,PLL,输出可认为是带通信号。频率覆盖范围是这两种技术都要考虑的问题。在频率纯度上，,DDS,由于,f,o,f,c,/2,，相对于参考频率源其相位噪声以,20,lg(,f,o,/,f,c,),改善，因此只考虑杂散信号的影响,;,而,PLL,要考虑相位噪声和杂散信号的影响，这两种影响谱纯度的因素与,PLL,的环路参数有关。复杂度、功耗和成本是这两种技术都必须考虑的问题。,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,6 dB;,(2),增加有效相位数，每增加一位，杂散电平降低,8 dB;,(3),设计性能良好的滤波器。,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,8-36,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,f,o,=,f,L,+,Nf,DDS,(8-75),其输出频率范围是,DDS,输出频率的,N,倍，因而输出带宽，分辨率高，可达,1Hz,以下。这种频率合成器取决于,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，环路带宽可以较大，因而建立时间就快，可达微秒级,;,N,不大时，相位噪声和杂散都可以较低。,图,8-36 DDS,驱动,PLL,频率合成器,在,DDS,中，输出信号波形的三个参数,:,频率,、相位,和振幅,A,都可以用数据字来定义。,的分辨率由相位累加器中比特数来确定，,的分辨率由,ROM,中的比特数确定，而,A,的分辨率由,DAC,中的分辨率确定。因此，在,DDS,中可以完成数字调制和模拟调制。频率调制可以用改变频率控制字来实现，相位调制可以用改变瞬时相位来实现，振幅调制可用在,ROM,和,DAC,之间加数字乘法器来实现。因此，许多厂商在生产,DDS,芯片时，就考虑了调制功能，可直接利用这些,DDS,芯片完成所需的调制功能，这无疑为实现各种调制方式增添了更多的选择。而且，用,DDS,完成调制带来的好处是以前许多相同调制的方法难以比拟的。图,8-37,是,AD,公司生产的,DDS,芯片,AD7008,，其时钟频率有,20 MHz,和,50MHz,两种，相位累加器长度,N=32,。它不仅可以用于频率合成，而且具有很强的调制功能，可以完成各种数字和模拟调制功能，如,AM,、,PM,、,FM,、,ASK,、,PSK,、,FSK,、,MSK,、,QPSK,、,QAM,等调制方式。,图,8-37 AD7008,框图,8.4.3,锁相频率合成器,在上面提到的频率合成器的三种基本模式中，直接式频率合成器和直接数字式频率合成器属于开环系统，因此具有频率转换时间短、分辨率较高等优点，而锁相频率合成器是一种闭环系统，其频率转换时间和分辨率均不如前两者好，但其结构简单、成本低是其优势，已成为当前频率合成的主要方式，被广泛应用于各种电子系统中。,锁相频率合成的基本方法是,:,锁相环路对高稳定度的参考振荡器锁定，环内串接可编程的程序分频器，通过编程改变程序分频器的分频比,N,，从而就得到,N,倍参考频率的稳定输出。按上述方式构成的单环锁相频率合成器是锁相频率合成器的基本单元。这种基本的锁相频率合成器在性能上存在一些问题。为了解决合成器工作频率与可编程分频器最高工作频率之间的矛盾和合成器分辨率与转换速率之间的矛盾，需对基本的构成进行改进。,1,单环锁相频率合成器,基本的单环锁相频率合成器的构成如图,8-32,所示。环中的,N,分频器采用可编程的程序分频器，合成器输出频率为,f,v,=,Nf,r,(8-76),式中,f,r,为参考频率，通常是用高稳定度的晶体振荡器产生，经过固定分频比的参考分频之后获得的。这种合成器的分辨率为,f,r,。,设鉴相器的增益为,K,d,，环路滤波器的传递函数为,F,(,s,),，压控振荡器的增益系数为,K,0,，则可得单环锁相频率合成器的线性相位模型，如图,8-38,所示。图中，,(8-77),(8-78),图,8-38,单环频率合成器线性相位模型,由输出相位,2,(,s,),和输入相位,1,(,s,),可得闭环传递函数是,(8-79),式中,K,=,K,d,K,0,/,N,。因为相位是频率的时间积分，故同样的传递函数也可说明输入频率,(,即参考频率,),f,r,(,s,),和输出频率,f,v,(,s,),之间的关系。,误差传递函数,(8-80),将式,(8-79),和式,(8-80),与式,(8-48),和式,(8-49),相比较，单环锁相频率合成器的传递函数与线性锁相环的传递函数有如下关系,:,(8-81),不同的只是,H,(,s,),和,H,e,(,s,),中的环路增益由原来的,K,变为,比,K,减小了,N,倍。从式,(8-79),和式,(8-80),不难看出，单环锁相频率合成器的线性性能、跟踪性能、噪声性能等与线性锁相环是一致的。只要将表,8-1,和表,8-2,中的环路增益,K,换成，就可得到单环锁相频率合成器采用不同的,F,(,s,),的传递函数及系统参数,n,、,的表达式。,图,8-39(,a,),是通用型单片集成锁相环,L562(NE562),和国产,T216,可编程除,10,分频器构成的单环锁相环频率合成器，它可完成,10,以内的锁相倍频，即可得到,1,10,倍的输入信号频率输出，图,8-39(,b,),为,L562,的内部结构图。,如果要合成更多的频率，可选择多级的可变分频器或程序分频器。频率合成器要求波段工作，频率数要多，频率间隔要小，因此对分频器的要求很高。目前已有专用的单片合成器,这种合成器将环路的主要部件鉴相器以及性能很好的分频器集成在一个芯片上，它可以与微机接口利于调整环路参数。,本节第三部分提到的有前置分频器的锁相环频率合成器和有下变频器的锁相环频率合成器均属于单环锁相频率合成器。,图,8-39 L562,的内部结构,(,a,)L562,频率合成器；,(,b,),L562,内部框图,2,变模分频锁相频率合成器,在基本的单环锁相频率合成器中，,VCO,的输出频率是直接加到可编程分频器上的。目前可编程分频器还不能工作到很高的频率上，这就限制了这种合成器的应用。加前置分频器后固然能提高合成器的工作频率，但这是以降低频率分辨率为代价的。采用下变频方法可以在不改变频率分辨率和转换时间的条件下提高合成器的工作频率，但它增加了电路的复杂性且由混频产生寄生信号以及滤波器引起的延迟对环路性能都有不利的影响。因此上述两种电路并不能很好地解决基本单环锁相频率合成器的固有问题。,在不改变频率分辨率的同时提高频率合成器输出频率的有效方法之一是采用变模分频器也称吞脉冲技术。它的工作速度虽不如固定模数的前置分频器那么快，但比可编程分频器要快得多。图,8-40,为采用双模分频器的锁相频率合成器的组成框图。,图,8-40,双模分频锁相频率合成器,双模分频器有两个分频模数，当模式控制为高电平时分频模数为,V,1,，当模式控制为低电平时分频模式为,V,。双模分频器的输出同时驱动两个可编程分频器，它们分别预置在,N,1,和,N,2,，并进行减法计数。在除,N,1,分频计数器未计数到零时，模式控制为高电平，双模分频器的输出频率为,f,v,(,V,1),。在输入,N,2,(,V,1),周期之后，除,N,2,分频器计数到零，将模式控制电平变为低电平，同时通过除,N,2,分频器还存有,N,1,N,2,。由于受模式控制低电平的控制,双模分频器的分频模数变为,V,，输出频率为,f,v,/V,。再经过,(,N,1,N,2,)V,个周期，除,N,2,计数器也计数到零，输出低电平，将两计数器重新赋于它们的预置值,N,1,和,N,2,，同时对相位检波器输出比相脉冲，并将模式控制信号恢复到高电平。在一个完整的周期中，输入的周期数为,N,=(,V,+1),N,2,+(,N,1,N,2,),V,=,VN,1,+,N,2,(8-82),假若,V,10,，则,N,=10,N,1,+,N,2,(8-83),从上面的原理说明中可知，,N,1,必须大于,N,2,。例如,N,2,从,0,到,9,变化，则,N,1,至少为,10,。由此得到最小分频比为,N,min,=100,。若,N,1,从,10,变化到,19,，那么可得到的最大分频比为,N,max,=199,。,其它的变模分频，例如,5,6,、,6,7,、,8,9,、,10,11,、,31,32,、,40,41,、,100,101,等也是常用的。,在采用变模分频器的方案中也要用可编程分频器，这时双模分频器的工作频率为合成器的工作频率,f,v,，而两个可编程分频器的工作频率为,f,v,/,V,或,f,v,/(,V,+1),。合成器的参考频率仍然为参考频率,f,r,，这就在保证分辨率的条件下提高了合成器的工作频率，频率的转换时间也未受到影响。,8.4.4,集成锁相环频率合成器,集成锁相频率合成器是一种专用锁相电路。它是发展很快、采用新工艺多的专用集成电路。它将参考分频器、参考振荡器、数字鉴相器、各种逻辑控制电路等部件集成在一个或几个单元中，以构成集成频率合成器的电路系统。目前，集成锁相频率合成器按集成度可分为中规模,(MSI),和大规模,(LSI),两种，按电路速度可分为低速、中速和高速三种。随着频率合成技术和集成电路技术的迅速发展，单片集成频率合成器也正向性能更好、速度更高方向发展。有些集成频率合成器系统中还引入了微机部件，使得波道转换、频率和波段的显示实现了遥控和程控，从而使集成频率合成器逐渐取代分立元件组成的频率合成器，应用范围日益广泛。但目前,VCO,还没有集成到单片合成器中，主要原因是因为,VCO,的噪声指标不易做高。,目前，集成锁相频率合成器电路的产品很多，按频率置定方式不同，可分为并行码、,4,位数据总线、串行码和,BCD,码等四种输入频率置定方式。每一种频率置定方式又可区分为单模频合或双,(,四,),模频合。实现频率置定可采用机械开关、三极管阵列、,EPROM,和微机等多种方式。这里重点介绍摩托罗拉公司出品的四位数据总线输入可编程的大规模单片集成锁相频率合成器,MC145146,