高频离子线路.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高频离子线路,主要内容,反馈控制电路概述,锁相环路性能分析,集成锁相环及其应用,2,6.1,反馈控制电路概述,Feedback Control Circuit,Xo,与,Xi,之间只能无限接近，而不能恢复到预定的关系，它是一种有误差的控制电路。,3,分类：,ALC,Automatic Level Control,Voltage,Current,AGCAutomatic Gain Control,Voltage,Current,AFC,Automatic Frequency Control,Frequency,APC,Automatic Phase Control(Phase Lock Loop),Phase,4,6.1.1,自动电平控制电路,工作原理,5,应用,1,：自动增益控制（,AGC,）,AGC检波器输出反映输入载波电压振幅的直流电压,包络检波器输出反映包络变化的解调电压,6,控制规律：,7,应用,2,；已调波功率放大器,8,6.1.2,自动频率控制电路,一、工作原理：,9,压控特性和鉴频特性,锁定后的误差频率称为剩余角频率误差，简称为剩余角频差。,e,10,修正后的原理电路及特性：,限幅鉴频器和放大器：频率比较器,将误差频率,e,转换为误差电压v,c,VCO和混频器：可控频率电路,实现v,c,与,e,之间的转换,11,失锁与捕捉,12,二、应用,13,2.,调频负反馈解调器,优点：解调门限值（Noise Threshold)低。输入端的信噪比高于解调门限值时，调频波解调电路解调后的输出信噪比会提高；反之，信噪比下降。,为了保证有较高的输出信噪比，输入信噪比必须高于解调门限值。,14,3.,线性扫频电路,扫频信号振荡器是一种产生扫频信号（调制信号微锯齿波的调频信号)的电路，,用途：广泛用于测量仪器和搜索接收机中，,15,6.1.3,自动相位控制电路（锁相环路）,控制原理：利用输入信号电压的角频率和VCO震荡角频率之间的瞬时相位误差实现的。,16,锁相环路的控制过程,17,6.2,锁相环路性能分析,6.2.1 基本环路方程,一、鉴相器：,作用：检测出两个输入电压之间的瞬时相位差，并产生响应的输出电压v,d,(t),18,实现电路：采用相乘器的乘积型鉴相器，采用包络检波器的叠加型鉴相器。,电路模型：,19,二、压控振荡器（,VCO),作用：产生频率随控制电压变化的震荡电压,.,20,三、环路低通滤波器,作用：虑除鉴相器输出电流中的无用组合频率分量及其它干扰分量，以达到环路要求的性能，保证环路的稳定性,常用的低通滤波器有：简单RC滤波器、无源比例积分滤波器、有源比例积分滤波器,21,LF,基本电路与传递函数,22,环路滤波器电路模型,23,四、基本环路方程,A,d,sin,A,F,(p),A,o,(1/p),24,环路方程：,环路方程表示环路中动态角频率的平衡关系，即闭环环路在任何时刻都满足,瞬时频差,=,输入固有频差,-,控制频差,在闭环后的任何时刻，输入固有频差总是等于瞬时频差与控制频差的代数和,输入固有频差,=,瞬时频差,+,控制频差,如果输入固有频差是固定的（例如参考信号源为稳定度很高的晶振），随着环路的控制过程，控制频差越来越大，瞬时频差越来越小，直至瞬时频差为,0,，进入锁定状态,在锁定状态，瞬时频差为,0,（瞬时相差是常数），所以控制频差等于输入固有频差,25,对环路方程各项的理解,第一项是瞬时相位误差对时间的微分，由于是,输入信号与压控振荡器输出信号,的瞬时相差，所以其微分应为输入信号与压控振荡器输出信号的,瞬时角频差,第二项是,压控振荡器在VCO控制电压的作用下，所产生的角频率变化量，所以一般称为,控制频差,第三项是,输入信号和压控振荡器输出信号中心角频率之差，它取决于环路开始工作时的状态，称为,输入固有频差,26,PLL,锁定时的静态特性,瞬时频差为零,:,e,=,i,-,o,=0,振荡器输出频率等于输入参考信号频率,误差相位是一个常数,称之为稳态相位误差：,e,正是这个常数误差相位产生的直流控制电压,v,p,控制,VCO,的振荡频率,o,，使之和输入参考信号频率,i,相等,27,环路是锁定的，假定存在某种原因使得输入信号的频率有极为缓慢的漂移，但环路通过跟踪过程将保持锁定，即,VCO,的输出频率跟踪输入频率的缓慢变化，使得两个频率保持相同,如果输入信号频率的变化使得输入固有频差超过某一极限时，环路将失锁，这个极限范围被称为是同步带,同步带表示环路保持锁定所允许的输入信号频率变化的最大范围,如果环路直流增益很大，同步带将受到VCO的振荡频率范围限制,同步带或跟踪带,（Tracking Range,Hold In Range),28,一、同步带和捕捉带,同步带,环路在锁定状态下，压控振荡器能够跟踪输入信号频率缓慢变化的最大范围,频率超出这个范围，环路失锁,同步带是,PLL,保持锁定所能达到的最大频差,捕捉带,环路起始处于失锁状态，如果起始频差在某一个范围内，则必可以最终进入锁定状态，如果超出这个范围，则环路不可能进入锁定状态，这个范围被称为是捕捉带,捕捉带是,PLL,能够进入锁定的最大起始频差,从失锁到锁定这个捕获过程中，如果相差的变化不超过,2,，那么称为快捕，使得相差变化不超过,2,的最大起始频差，称为快捕带,29,6.2.2,捕捉过程的定性讨论,锁定的建立过程：,当环路未加输入信号时，,VCO,上没有控制电压，其震荡频率为,r,:,锁相环路有两个基本工作状态：捕获和锁定,由于锁定时，相位误差较小，锁相环可以用线性系统模型来分析；但捕获过程需要非线性分析,30,31,起始频差很小：快捕带之内,鉴相器输出差拍信号频率很低，经过环路滤波器后，控制电压v,p,(t)仍然是差拍正弦波信号，其幅度衰减不算很大，由于VCO的频率按照控制电压v,p,(t)的规律变化，只要控制电压v,p,(t)的幅度足够大，VCO输出频率摆动也大，在正弦波摆动的一周之内，使得输出频率等于输入频率，环路即可锁定,32,快捕带近似计算公式,RC,积分滤波器,无源比例积分滤波器,理想积分滤波器,33,起始频差较大：捕捉带之内,如果起始频差在快捕带之外，环路滤波器对鉴相器输出的差拍正弦信号的衰减较大，使得,VCO,产生的控制频差的幅度小于初始频差，因此不能在一周内快捕,对于一阶环而言，如果初始频差大于快捕带，虽然鉴相器输出有直流分量，但频率牵引不足以让环路锁定,对于二阶环而言，低通滤波器相当于积分器，它将鉴相器输出中的直流分量积分，使得环路滤波器输出的控制电压幅度越来越大，平均频差越来越小，,VCO,输出频率越来越接近于输入频率，一旦频差减小到小于快捕带，则在一个周期内通过快捕过程，环路达到锁定,理想积分环路滤波器二阶环的捕捉带为无穷大，频率牵引时间可能很大,非理想积分滤波器的捕捉带是有限的，频率牵引时间有限,由于频率牵引时间较大，以频率牵引时间作为二阶环的捕捉时间,34,捕捉过程,捕捉过程分为两个阶段：一是频率牵引，二是相位锁定,V,d,(t),是个差拍信号：随着频率牵引过程，差拍频率越来越小，最终进入相位锁定过程,35,起始频差超出捕捉带：失锁状态,由于存在闭环反馈，使得鉴相器的输出信号是非正弦波形，且正负值部分不对称，因此存在着直流分量，使得压控振荡器的平均振荡频率向输入信号频率方向靠近，这种现象就是所谓的频率牵引现象,36,频率牵引,如果起始频差小于,K,P,，必然被锁定，从而没有频差,如果起始频差大于,K,P,，虽然失锁，但由于频率牵引，使得,VCO,输出频率（平均值）和输入信号的频率接近了，频差减小,37,加速捕捉的措施,扩大环路带宽,环路带宽可变，宽带捕捉，窄带锁定,减小频差,外加扫描电压，当频差较小时，扫描停止，环路快捕,外加粗调电压，使,VCO,的频率事先向输入频率方向变化,数字控制环中，可将频率电压关系制表存于,ROM,中，用于预调,VCO,振荡频率,采用鉴频鉴相器替代鉴相器,当,VCO,的频率和输入频率相差较大时，鉴频功能在反馈环中起主要作用，相当于,AFC,环，,AFC,的频率误差电压迅速驱动,VCO,的频率接近输入信号频率，当频差减小到足够小时，鉴相功能起作用，迅速实现相位锁定,采用鉴频鉴相器，环路捕捉时间可近似为快捕时间,实际制作锁相环时，一般都采用一些措施加速捕捉,38,6.2.3,跟踪特性,处于锁定状态的环路，如果输入信号频率和相位发生变化，环路通过自身调节，来维持锁定状态的过程称为跟踪,稳态相位误差是环路锁定后的静态特性，而跟踪特性是指环路达到重新锁定所经历的动态过程,这个跟踪过程中，假设相位误差很小，因而,PLL,环路方程可以线性化，因此跟踪特性也是,PLL,的线性动态特性,对于线性系统，描述其输入输出关系的是系统的传递函数,已经锁定的环路，当输入信号的频率或相位发生变化时，环路将使压控振荡器的频率和相位跟踪输入信号变化,在输入信号发生变化后的一段时间里，环路有一瞬变过程,瞬变过程结束后，环路即进入稳定状态,。,这时，压控振荡器与输入信号有相同的频率和一固定的相差，称为稳态相差,39,一、PLL的线性模型与传递函数,鉴相器（PD）,环路滤波器（LF）,压控振荡器(VCO),方框原理图,PD,LF,VCO,相位数学模型,（1）线性化相位数学模型,40,VCO,线性化相位数学模型(复频域）,PD,LF,VCO,相位数学模型,（,1,）线性化相位数学模型（续）,正弦鉴相特性可写成线性表示式,：,当满足 的条件下，,41,（,1,）线性化相位数学模型（续）,则非线性微分方程变成线性微分方程：,复频域方程:,正弦鉴相特性可写成线性表示式,：,当满足 的条件下，,42,（,2,）定义,PLL,的三个传递函数,误差传递函数：,该式表示输入信号与压控振荡器输出信号之间的,误差相位,与,输入信号相位,的关系，称为,环路的误差传递函数,。,闭环传递函数：,该式表示压控振荡器,输出信号相位 与输入信号相,位,的关系，称其为,环路的闭环传递函数,。,开环传递函数：,43,二、,PLL,的跟踪特性：瞬态响应和稳态相差。,这里提出三个问题：,输入信号 的频率或相位发生某种变化：,输入相位阶跃,输入频率阶跃,环路跟踪是一个瞬变过程，如何求解？,由 求 利用反拉氏变换求,44,由 求 利用拉氏终值定理求 。,环路跟踪过程结束后，即进入稳定状态。这时，压控振荡器与输入信号有相同的频率和一固定的相差，称为稳态相差。如何求解稳态相差？,二、,PLL,的跟踪特性：瞬态响应和稳态相差。（续）,45,简单RC滤波器,46,相位误差信号的瞬态响应：,47,1.频率特性的含义,当输入信号的相位按正弦规律变化时，PLL的输出信号相,位，即压控振荡器振荡信号的相位，也将按正弦规律变化。,相位变化的幅度和初始相位将随频率的不同而不同，称这种性质为环路的频率特性或频率响应。,2.频率特性的求法,利用闭环传递函数,PLL的频率特性可以用 ()代替闭环传递函数,中的,s,求得。,求相位传递的幅频特性和相频特性,三、正弦稳态响应（,PLL的频率特性）,48,三、正弦稳态响应（,PLL,的频率特性）,指输入相位 为正弦信号时环路的输出响应。,49,采用,RC,滤波器时：,50,51,6.3,集成锁相环及其应用,6.3.1,集成锁相环,分类,频率范围,NE565集成锁相环,数字锁相环,52,缺点：离散频率数目不能太多,集成锁相环分类/频率范围,由于锁定时，相位误差较小，锁相环可以用线性系统模型来分析；,频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度。,位 的关系，称其为环路的闭环传递函数。,振荡器输出频率等于输入参考信号频率,VCO采用射极耦合多谐振荡器,如果起始频差小于KP，必然被锁定，从而没有频差,各种周期性干扰（混频器的高次组合频率）,移动通信：要求在150、400、900、1800MHz频率附近提供上百个频率点,用途：广泛用于测量仪器和搜索接收机中，,由于存在闭环反馈，使得鉴相器的输出信号是非正弦波形，且正负值部分不对称，因此存在着直流分量，使得压控振荡器的平均振荡频率向输入信号频率方向靠近，这种现象就是所谓的频率牵引现象,AGC检波器输出反映输入载波电压振幅的直流电压,该式表示输入信号与压控振荡器输出信号之间的误差相位,环路是锁定的，假定存在某种原因使得输入信号的频率有极为缓慢的漂移，但环路通过跟踪过程将保持锁定，即VCO的输出频率跟踪输入频率的缓慢变化，使得两个频率保持相同,集成锁相环分类,/,频率范围,模拟环（,APLL,）,通用型,VCO,，,PD,，（,+,放大器）,专用型,具有解调功能,数字环（,DPLL,）,通用型,VCO,，,PD,，（,+,分频器）,专用型,用于频率合成器,模拟环,双极型：0-50MHz,数字环,双极型：0-250MHz,CMOS：0-25MHz,53,SL565,集成锁相环,工作频率可达,500KHz,VCO,采用积分施密特触发型多谐振荡器,R,C,为定时电阻和定时电容,54,L562,工作频率可达,30MHz,VCO,采用射极耦合多谐振荡器,A,2,解调放大器,55,NE564,工作频率达到,50MHz,更适于作调频信号和移频键控信号解调器的通用器件,56,L562,内部电路图：,57,6.3.2,锁相环在解调和锁相接收中的应用,锁相环路具有许多独特的优点,可实现无误差的频率跟踪,频率综合器,通过对环路滤波器带宽的控制，实现跟踪输入信号载波变化或角度调制变化,载波跟踪环,-,锁相接收机,调制跟踪环,-,高质量频率解调器,易于集成化,58,锁相环可以用来构成性能优良的角度调制波和振幅调制波的解调电路,1、调频波锁相解调电路 PLL FM Demodulation,一、锁相解调电路,59,数学分析：,环路捕捉带大于输入调频波的最大频偏，环路的带宽必须大于输入调频波中调制信号的频谱宽度。,60,例图：,61,2.,振幅调制信号的同步检波,62,二、锁相接收机,63,载波跟踪环-锁相接收机,对于二阶环而言，低通滤波器相当于积分器，它将鉴相器输出中的直流分量积分，使得环路滤波器输出的控制电压幅度越来越大，平均频差越来越小，VCO输出频率越来越接近于输入频率，一旦频差减小到小于快捕带，则在一个周期内通过快捕过程，环路达到锁定,同步带表示环路保持锁定所允许的输入信号频率变化的最大范围,频率稳定度是指在规定的观测时间内，合成器输出频率偏离标称值的程度,DDS是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域的一项新技术,环路跟踪过程结束后，即进入稳定状态。,各种周期性干扰（混频器的高次组合频率）,VCO，PD，（+放大器）,集成锁相环分类/频率范围,转换频率的时间短（几乎是即时的频率转换），成本低、控制灵活等,直接频率合成器的发展受到限制，可用锁相环间接实现频率合成,相位误差信号的瞬态响应：,双极型：0-250MHz,三、正弦稳态响应（PLL的频率特性）,一、PLL的线性模型与传递函数,这时，压控振荡器与输入信号有相同的频率和一固定的相差，称为稳态相差。,输入端的信噪比高于解调门限值时，调频波解调电路解调后的输出信噪比会提高；,6.3.3,锁相环在频率合成中的应用,一、概述,为了实现高质量的无线电通信，减少各种外界因素对传输信号的干扰，近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择和迅速更换的载频振荡信号,短波通信：要求通信机能在230MHz频段内，提供以100Hz为间隔的28万个频率点,移动通信：要求在150、400、900、1800MHz频率附近提供上百个频率点,这些频率点的载波振荡频率稳定度与精度，都应满足系统的性能要求，并能迅速变换,显然，晶体振荡器无法满足上述要求,频率合成技术是能够实现上述要求的一种新的电路技术,64,频率合成技术,通过一定的处理过程，将一个或数个基准频率变换为一系列等间隔的离散频率,这些离散频率的频率稳定度和精度与基准频率相同，而且能在很短时间内，可由其中的某一频率点变换到另一频率点,频率合成技术：一方面通过很少的频率信号源产生尽可能多的频率，另一方面使产生的每个频率都具有相同的精确度和稳定度,频率合成方法大体上可分为三类,直接频率合成法,锁相频率合成法,直接数字频率合成法,65,直接频率合成法,Direct Synthesis,利用对频率具有,加减,功能的,混频器,，,乘除,功能的,倍频器,和,分频器,，以及具有,选频,功能的,滤波器,，通过不同的组合，来实现对晶体振荡基准频率的合成,优点：频率转换时间短,缺点：离散频率数目不能太多,如果太多，则过多的滤波器使得电路十分庞大和复杂,由于采用大量的倍频器、分频器、和混频器，使得输出信号中的寄生频率分量和相位噪声显著增加,直接频率合成器的发展受到限制，可用锁相环,间接,实现频率合成,66,锁相频率合成技术,用一个或几个参考频率源，然后用锁相环将压控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出,输出频率不是由参考源经过变换直接得到，而是由,PLL,的压控振荡器间接得到,锁相环路具有良好的窄带滤波特性，故其输出信号质量得到明显的改善,主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯度高；易于得到大量的离散频率；易于集成化,主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频率间隔不能做得很小,锁相频率合成又称间接频率合成,Indirect Synthesis,67,直接数字频率合成,Direct Digital Synthesis,DDS,是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域的一项新技术,在存储器中存入合成波形的,M,个均匀间隔的样品，以均匀速率把这些样品输出到,DAC,，变换成模拟阶梯信号，经低通滤波器平滑，便得到所需波形,主要优点：相位连续；分辨力高（可达）；工作频率范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短（几乎是即时的频率转换），成本低、控制灵活等,主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时钟频率；总输出噪声电平可能很高,68,8.2,频率合成器的主要技术指标,1.,工作频率范围,频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范围，称为频率合成器的工作频率范围,2.,频率间隔,每个离散频率（或信道）之间的最小间隔称为频率间隔，又称分辨力,3.,频率转换时间,由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者达到稳定工作所需的时间,69,频率稳定度、准确度和频谱纯度,4.,频率稳定度与准确度,频率稳定度是指在规定的观测时间内，合成器输出频率偏离标称值的程度,频率准确度则表示实际工作频率与其标称值之间的偏差,事实上，稳定度与准确度有着密切的关系，因为只有频率稳定度高，频率准确度才有意义,5.,频谱纯度,频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度。可以用输出端的有用信号电平与各寄生频率总电平之比的分贝数表示,有用信号,频率成分,各寄生信号频率成分,有用信号的各次谐波成分,各种周期性干扰（混频器的高次组合频率）,随机干扰（相位噪声）,70,二、锁相倍频和锁相混频电路,锁相频率合成器中，锁相倍频和锁相混频电路是两种最基本的形式,71,锁相混频电路,锁定后，要求鉴相器两个输入端频率相等，因此有f,o,=f,L,f,i,混频器输出和频与差频，如果和频2f,L,f,i,与差频f,i,距离较远，混频器输出滤波器也就越容易实现，因此要求f,L,f,i,72,三、锁相频率合成器,存在的问题：,减小输出频率间隔和减小频率转换时间是矛盾的,N,在大范围内变化时，环路增益将大幅度变化，环路动态特性急剧变化,可变分频器是脉冲反馈系统，最高工作频率低,73,改进方案：,采用前置分频的频率合成器,采用前置混频的频率合成器,74,采用前置混频的频率合成器,75,吞脉冲频率合成器,76,MC145,系列集成频率合成器,77,多环频率合成器,78,