反馈控制电路与频率合成课件.ppt

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1、通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,6.1 AGC和AFC 6.2 锁相环PLL6.3 锁相频率合成器6.4直接数字频率合成器（DDS）,North China Electric Power University,North China Electric Power University,通信电子电路 第6章 反馈控制电路与频率合成,基本概念,常用的反馈控制电路可分为以下三类：自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）自动频率控制（Automatic Frequency Control，AFC）自动相位控制（Automatic Phase Control，AP

2、C）其中自动相位控制电路又称为锁相环路（Phase Locked Loop，PLL），是应用最广的一种反馈控制电路。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,6.1 AGC和AFC6.1.1自动增益控制AGC一、AGC电路的组成AGC电路使接收通道中的高放和中放电路在接收信号较弱时，保持高增益；而接收信号较强时，使高放和中放的增益自动降低，以保持输出信号强度基本不变。AGC电路的组成框图如下图：设可控增益放大器在UAGC=0时（即不需控制时）的输出电压幅度为Uo，则当实际输出电压振幅偏离Uo时，UAGC 0，就可控

3、制可控放大器的增益，使输出电压向Uo靠近。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,通过不断反馈调节使AGC控制过程稳定下来，得到稳定的UAGC，最终得到稳定的接收通道输出电压Uo，该值只能接近Uo，而不等于Uo。也就是说，无论何种情况，通过环路不断地循环反馈，使输出信号振幅保持基本不变或仅在较小范围内变化，AGC控制电路是有误差的控制电路。下图为带有AGC电路的接收通道框图：图中的AGC检波器不同于包络检波器，AGC检波器的输出反映的是载波电压（直流）的变化，而不是包络的变化。直流放大器输出的AGC控制电压控制接

4、收通道中的高频放大器和中频放大器，使其增益在强信号时下降而弱信号时增加，达到AGC的目的。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,二、AGC电路的主要性能指标1、动态范围在给定输出信号幅值变化范围内，容许输入信号振幅的变化越大，则表明AGC电路的动态范围越宽，性能越好。输出动态范围：AGC电路限定的输出信号振幅最大值与最小值之比，即mo=Uomax/Uomin；输入动态范围：AGC电路容许的输入信号振幅最大值与最小值之比，即mi=Uimax/Uimin 则nAGC是可控增益放大器的增益控制倍数：,North Ch

5、ina Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,上式中，Kvmax是输入信号振幅最小时可控增益放大器的增益，它表示AGC电路的最大增益；Kvmin是输入信号振幅最大时可控增益放大器的增益，它表示AGC电路的最小增益。显然，nAGC=mi/mo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，这就要求可控增益放大器的增益控制倍数nAGC尽可能大。nAGC也可称为增益动态范围，通常用分贝数表示。2、响应时间要求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。,North

6、China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,【例】某接收机输入信号振幅的动态范围是62dB，输出信号振幅限定的变化范围为30%。若单级放大器的增益控制倍数为20dB，问需要多少级AGC电路才能满足要求？【解】由题意可得：则接收机AGC系统的增益控制倍数为：nAGC=20lg(mi/mo)=20lg mi-20lg mo=62-2.28=59.72(dB)所需AGC电路的级数为：N=59.72/203,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,三、AGC控

7、制电路类型1、简单AGC电路在简单AGC电路里，参考电平Ur0，无论输入信号振幅Ui大小如何，AGC的作用都会使增益K减小，从而使输出信号振幅Uo减小。简单AGC电路特性曲线及框图如右图：简单AGC电路的优点是线路简单，在实用电路里不需要电压比较器；缺点是对微弱信号的接收很不利，因为只要输入电压不为0，AGC就会起控制作用，所以只适用于输入信号振幅较大的场合。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,2、延迟AGC电路在延迟AGC电路里有一个起控门限，即比较器参考电平Ur。它对应的输入信号振幅就是延迟AGC特性曲线

8、中的Uimin。当输入信号Ui小于Uimin时，反馈环路断开，AGC不起作用，当输入信号Ui大于Uimax后，AGC作用消失。可见，Uimin与Uimax区间即为所容许的输入信号的动态范围，Uomin与Uomax区间即为对应的输出信号的动态范围。这种AGC电路由于需要延迟到Ui Uimin之后才开始控制作用，故称为延迟AGC，“延迟”二字不是指时间上的延迟。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,下图是延迟AGC的局部应用电路，图中VD、R1和C1为AGC检波器，R和C为低通滤波器，作为门限的延迟电压由Vcc经电

9、阻分压后获得，晶体管集电极信号作为输入电压与延迟电压叠加后送到AGC检波器。当输入电压小于延迟电压时，二极管VD不导通，AGC电压为零，AGC电路不起作用；当输入电压大于延迟电压时，二极管VD开始导通，产生AGC电压，AGC电路起作用。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,四、可控增益放大器可控增益放大器电路是在控制信号作用下改变增益，从而改变输出信号的电平，达到稳定输出电平的目的。控制放大器增益的方法主要有两种：一是通过改变放大器本身的某些参数，如发射极电流、负载、电流分配比、恒流源电流、负反馈大小等来控制其

10、增益；二是插入可控衰减器来改变整个放大器的增益。1、三极管增益控制电路具有AGC功能的三极管通常是特制的三极管，管子的正向传输导纳yfe随静态发射极电流IE的改变而迅速变化，三极管yfeIE特性曲线 如右图：,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,反向AGC：如果把静态工作点选在IEQ点，当IEIEQ时，yfe随IE减小而下降；正向AGC：当IEIEQ时，|yfe|随IE增加而下降。反向AGC的优点是工作电流较小，对晶体管安全工作有利，但工作范围较窄，而正向AGC正好相反。正向AGC电路的缺点是，当工作电流IE变

11、化时，晶体管输入输出电阻、电容也会发生变化，因此将影响放大器的幅频特性、相频特性和回路Q值。但由于电路简单，在一些要求不太高的AGC电路中仍被广泛应用。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,三极管增益控制的典型电路（a）：图中的AGC控制电压UAGC从发射极注入，为正电压，与输入电压振幅Ui的变化方向相同，是一种反向AGC。控制过程为：UiUoUAGCUbeIEyfeKvUo,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,三极管增益控制的

12、典型电路（b）：图（b）中的AGC控制电压UAGC从基极注入，也为正电压，与输入电压振幅Ui的变化方向相同，是正向AGC。控制过程为：UiUoUAGCUbeIEyfeKvUo,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,2、差分放大器发射极负反馈增益控制电路右图为集成电路中常用的发射极负反馈增益控制电路，三极管T1和T2组成差分放大器。信号从T1和T2的两个基极双端输入，从两个集电极双端输出。控制信号UAGC从T3基极注入，二极管VD1、VD2和电阻Re1、Re2构成发射极负反馈电路，且电路对称。二极管VD1、VD2导

13、通与否取决于Re1和Re2上的电压。控制过程为：UAGCIc3IDRDReKv 利用这种电路进行增益控制时，UAGC应该随Ui的增大而减小。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,3、可控衰减器增益控制电路可控衰减器是由二极管和电阻组成的分压电路，利用AGC电压控制二极管导通电阻RD，从而改变分压比，达到对信号衰减量的控制。下图是用VD1、VD2和电阻R1组成的可控衰减器，控制电压UAGC应随输入信号Ui的增大而减小，才能实现控制。,North China Electric Power University,通信

14、电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,4、实用AGC系统下图是电视机中的AGC系统：由高频放大、三级中频放大、视频检波、AGC检波和AGC放大等电路组成。第一级延迟：当Ui超过某一定值Ui1后,先对中放进行增益控制，而高放增益不变；第二级延迟：当Ui超过另一定值Ui2后，中放增益不再降低，而高放增益开始起控。采用两级延迟AGC的优势在于当输入信号不是很大时，保持高放级处于最大增益，可使高放级输出信噪比不降低，有利于降低接收机的总噪声系数。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,6.1.2 自动频率控制AFCAF

15、C电路的控制对象则是信号的频率，其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。一、AFC的工作原理AFC电路由混频器-鉴频器（频率比较器）、低通滤波器和压控振荡器VCO（可控频率器件）组成，其方框图如下图。这是一个闭环的负反馈系统，由于AFC电路的控制参量是频率，所以其中的关键部分是VCO。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,将输入信号频率i与VCO的频率o送入混频器，混频器的输出是i与o的差频。当0时，鉴频器将输出一个电压ud，ud经过低通滤波器滤除高频分量后得到一个缓慢变化的电压uc作为VCO的控制电压。在uc的

16、控制下，VCO的振荡频率o发生变化，使得o逐渐接近i，这个过程称为频率跟踪过程。当调节至很小时，电路就趋于稳定状态，这时的称为剩余频差，记为。AFC电路的鉴频和压控特性如下图：鉴频和压控灵敏度越大，两条曲线越陡峭，AFC的控制能力越强。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,二、AFC在通信系统中的应用调幅接收机中AFC电路方框图：当本振角频率发生偏移L而变成L+L，则混频后的中频将变成I+I。此中频信号经中放后送入鉴频器，鉴频器将产生相应的误差电压，经低通滤波后控制本振的角频率L，使其向相反方向变化，从而使混频

17、后的中频也向相反方向变化，实际中频与I的偏离值将远小于I,，从而实现了稳定中频的目的。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,调频通信机的AFC系统方框图：这是以固定中频fI作为鉴频器的中心频率，亦作为AFC系统的标准频率，其调节过程同基本原理类似。AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路，由于它的基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，必然有剩余频率误差存在，即频差不可能为零，这是一个不可克服的缺点。,North China Electric Power University

18、,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,6.2 锁相环PLLPLL是一个自动相位误差控制（APC）系统，是将参考信号与输出信号的相位进行比较，产生相位误差来调整输出信号的相位，以消除频率误差，达到与参考信号同频的目的。6.2.1锁相环的基本组成及环路方程一、锁相环的组成 锁相环路由鉴相器（Phase Detector，PD）、环路滤波器（Loop Filter，LF）和压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）三个基本部分组成，如下图：,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率

19、合成,鉴相器（PD）：是相位比较器，用来比较参考信号ur(t)与压控振荡器输出信号uo(t)的相位，产生对应于这两个信号的相位差的误差电压ud(t)；环路滤波器（LF）：是低通滤波器，用来滤除ud(t)中的高频分量及噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器（VCO）：受环路滤波器输出电压uc(t)的控制，使振荡频率向参考信号的频率接近，使两者的频差越来越小，直到两者的频率相等，频差为零，并保持一个较小的剩余相位差为止。锁相环就是压控振荡器被一个外来基准参考信号控制，使得压控振荡器输出信号的相位和参考信号的相位保持某种特定关系，达到相位同步或相位锁定的目的。,North Chi

20、na Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,二、锁相环的相位模型和环路方程1、鉴相器设鉴相器的输入参考信号电压ur(t)和压控振荡器输出信号电压uo(t)分别为：上式中，r为输入参考信号的角频率；r(t)为输入信号以其载波相位rt为参考的瞬时相位；o为压控振荡器输出信号的中心角频率；o(t)为压控振荡器输出信号以其相位ot为参考的瞬时相位。两个信号之间的瞬时相差e(t)为：,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,当o是VCO的固有振荡频率时，则为环路的固有

21、频差。令1(t)=t+r(t)，2(t)=o(t)，则 e(t)=1(t)-2(t)常用的乘积型鉴相器或叠加型鉴相器都具有正弦特性，即 ud(t)=Kd sine(t)式中Kd是鉴相器的鉴相灵敏度，单位是V/rad。正弦鉴相器的相位模型及鉴相特性曲线如下图：,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,2、环路滤波器环路滤波器通常采用一阶RC低通滤波器，由线性元件组成，用于滤除鉴相器中无用的频率分量、噪声和干扰等，它对环路参数调整起着决定性的作用。下图是环路滤波器的频域模型，其中F为传递函数。3、压控振荡器压控振荡器的

22、瞬时振荡频率o(t)受电压uc(t)的控制，下图的压控特性曲线如同调频电路的调制特性曲线。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,压控特性曲线中，o是uc(t)=0时VCO的振荡频率，称为VCO的固有振荡频率。压控特性曲线从整体上看，o(t)与uc(t)是非线性的控制关系，但在一定范围内，o(t)与uc(t)可以近似为线性的，对于线性部分的控制关系为 o(t)=o+Kouc(t)上式中Ko为压控灵敏度，单位为rad/Vs或Hz/V。由于鉴相器比较的是两个输入信号的瞬时相位，即则VCO的输出瞬时变化相位2(t)=o

23、(t)为,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,可见，VCO在锁相环路中起着理想积分作用，也称它为环路中的固有积分环节，用微分算子表示的数学模型如下图：三、锁相环的环路方程锁相环路相位模型如下图：,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,由相位模型框图可得：整理后可得环路基本方程为：环路基本方程物理解释：瞬时角频差Se(t)：瞬时相差随时间变化率。表示VCO瞬时振荡角频率偏离输入信号角频率的数值，即r-o(t)。控制角频差Kd K0F

24、(S)sine(t)：表示VCO在控制电压uc(t)的作用下，产生的瞬时振荡角频率o(t)偏离o的数值，即o(t)-o。输入固有角频差S1(t)：输入信号相位随时间的变化率。表示输入信号角频率偏离VCO的o的数值，即=r-o，当输入信号角频率和相位不变的条件下，为一个固定值。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,环路方程表明，环路闭合后的任何时刻，瞬时角频差和控制角频差之和恒等于输入固有角频差，即：瞬时角频差控制角频差输入固有角频差。锁相环路方程反映了锁相环瞬时频率的变化规律，但由于方程中含有sine(t)项，

25、所以它是非线性微分方程，这是由鉴相特性的非线性决定的。方程的阶数取决于环路滤波器的阶数，如果不使用环路滤波器，则基本方程为一阶微分方程，这种锁相环称为一阶锁相环，也就是F(S)等于1的环路；如果环路滤波器是一阶低通，环路方程为二阶微分方程，此时锁相环称为二阶锁相。总之，环路基本方程的阶数高于滤波器一阶。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,6.2.2锁相环的锁定、捕捉与同步一、环路锁定的基本概念环路的输出及输入信号可用矢量分别表示为 uo(t)和ur(t)，它们分别以o 和r速度绕原点反时针旋转，如图。若环路闭

26、合前，r(t)o(t)（反之亦然），则ur比uo旋转快，存在相位差e(t)，且是时间的增长函数。环路闭合后，有控制电压uc(t)产生，在uc(t)的作用下，控制角频差就存在，使uo的旋转速度加快，以赶上输入矢量ur的旋转。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,当控制角频差增大到等于输入固有角频差时，瞬时角频差为零，二个矢量达到等速旋转，即二个信号频率相等，则相位误差的变化必满足：上式是环路相位锁定的数学含义，此时e(t)为常数，一般用e()或e表示。在实际中，并不需要时间取无穷大，只要满足工程上允许的频差或相差

27、，就可认为环路锁定。若不满足以上关系式，称环路处于失锁状态。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,环路进入锁定状态后的特点：压控振荡器受环路控制，VCO输出信号的角频率能跟踪输入信号角频率，即o(t)=r(t)。环路锁定后，没有剩余频差，即Se()=0，e()为固定值。即输入信号与压控振荡器输出信号之间只存在一个固定的稳态相位差，称为剩余相差或稳态相差。环路处于锁定状态时，鉴相器输出电压为直流，即 ud(t)=Kd sine环路处于锁定状态时，由环路方程可得：Kd K0F(S)sine=,North China

28、 Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,由于锁定时，鉴相器输出电压ud(t)为直流，因此环路滤波器的滤波系数为F(0)，则有Kd K0F(0)sine=，所以剩余相差为：上式中，K=Kd K0F(0)为环路的直流总增益，通常称为环路增益，单位为rad/s。可见，稳态相差e的作用是使环路所产生的控制角频差等于环路固有角频差，此时环路处于锁定状态。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,二、PLL的捕捉与同步（跟踪）（1）捕捉过程设起始 tto时是失锁的，从t

29、o时刻开始，到ta 时刻，满足工程上允许的频差或相差，环路锁定，则由to到ta的相位调节过程是环路的捕捉过程。评价捕捉过程的性能指标：环路的捕捉时间：Tp=ta-to，捕捉时间Tp与环路初始状态及环路自身的调节能力有关。捕捉带p：是环路能获得锁定的最大起始固有频差。当起始固有频差大于捕捉带时，环路不可能进入锁定。即输入频率与VCO的o之间相差太大，超出捕捉带范围，环路就失锁。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,（2）同步（跟踪）过程设起始tto时，环路已处于锁定状态，而从to时刻开始，出现PD的二个输入信号频

30、率不相等（失锁）的情况。只要二个频率之间偏离变化不超过一定范围，环路就有维持锁定的能力，即VCO的输出频率可跟踪环路输入频率变化，这种跟踪变化的过程称为环路的同步（跟踪）过程。评价同步过程的性能指标：环路的同步带：环路能维持锁定或跟踪状态的最大固有频差，用H表示。同步过程可以认为环路始终是锁定的，而r(t)的改变意味着固有频差也要改变，稳态相差e也在改变。当e达到/2时，固有频差达到最大，即=K，也就是说，固有频差的最大值为K，即 H=K,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,PLL概念小结：1、环路闭合后的任何

31、时刻，瞬时角频差与控制角频差之和恒等于输入固有角频差。2、环路锁定后，无剩余频差，但存在剩余（稳态）相差。3、当输入固有频差大于捕捉带（或同步带）时，将使环路失去捕捉和跟踪能力，导致失锁。4、当固定时，环路增益K越大，维持锁定所需的e越小，捕捉时间越短，同步带越大；5、当K固定时，越大，相应的e越大。6、当在大于K时，剩余相差表达式将无解不成立，两个信号的频率不再相等，出现了瞬时频差，环路失锁。显然，H=K,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,6.2.3锁相环的各部分电路一、鉴相器PD理想鉴相器的输出电压与二个

32、输入信号的相位差成正比。模拟鉴相器：输入可以是各种模拟信号，适用于模拟锁相 环。较多用于锁相解调。数字鉴相器：输入必须是数字信号，适用于数字锁相环，鉴 相灵敏度比模拟 PD高，较多用于频率合成器。1、模拟鉴相器模拟鉴相器由模拟乘法器和低通电路构成：,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,设鉴相器输入信号ui就是参考信号ur，VCO的输出信号频率为o，则：uo(t)=Uocosot+2(t)ui(t)=ur(t)=Urcosrt+1(t)将uo(t)与ui(t)相乘可得u(t)，环路锁定（r=o）时可得：u(t)=

33、（1/2)KUoUrcos(1(t)2(t)+cos(2ot+1(t)+2(t)经低通滤波器滤除2o分量，并将最大输出电压幅度用鉴相灵敏 Kd表示，可得 ud(t)=Kdcos1(t)-2(t)=Kdcose(t)显然，模拟鉴相器的鉴相特性是余弦特性，而且有一定相乘增益，因而鉴相增益也较大。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,模拟鉴相器的余弦特性：当两个输入信号同相位或反相位时，即e=-、0、时，鉴相器输出最大值Kd；当两个输入信号正交时，即e=-/2、/2、3/2、时，鉴相器输出为零；在-0或0期间，鉴相器

34、呈现余弦特性。如果鉴相器两个输入信号的幅度足够大，由于相乘器中双差分电路的限幅作用，将两输入信号等效为两个同频矩形脉冲输入，这时鉴相特性 等效为三角波特性，如下图中虚线所示，这种三角波特性在-0或0期间，ud(t)随e是线性变化关系。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,2、数字鉴相器数字鉴相器常用异或门逻辑电路、R-S触发器、双D触发器和四D触发器等组成。下图是MC14046片内鉴相器电路图：电路包含了两个相位比较器，相位比较器是一个异或门逻辑电路，相位比较器是一个四D触发器，输出部分由两个MOS场效应管T1

35、和T2组成电荷泵。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,相位比较器波形和输出鉴相特性：（a）比较器（b）比较器,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,二、环路滤波器LF环路滤波器是一个线性滤波器，用来滤除误差电压ud中的高频分量和噪声，对VCO的控制电压uc起着平滑的作用，因而对锁相环的性能，包括捕捉范围、锁定时间等都有较大影响。所以，环路滤波器的设计优劣将直接影响环路性能。常用的环路滤波器有RC积分滤波器（图a）、RC无源比例积

36、分滤波器（图b）、RC有源比例积分滤波器（图c）和理想积分滤波器等。图a 图b 图c,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,三、压控振荡器VCO压控振荡器VCO是一个电压-频率转换电路，它在PLL中作为受控振荡器完成环路的频率输出。实际中，VCO就是一个调频器，可以由含有变容管的分立元件组成，也可以是集成压控振荡器。VCO的主要性能指标：频率范围。VCO的频率范围是指受控可变的最高频率fmax与最低频率fmin之差，希望这个范围越宽越好。线性度。实际控制特性相对于理想线性控制的偏移，理想的VCO特性应是线性的。压

37、控灵敏度。压控灵敏度指单位控制电压所产生的频率变化量，相当于调频电路的调制灵敏度SF。调制带宽，就是允许控制电压的最大速率。工作电压。VCO的控制电压和工作电压都应在系统所提供的电源电压范围内。噪声，VCO的噪声将影响频谱纯度。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,6.2.4锁相环路的应用一、锁相混频电路锁相混频电路的基本组成方框图如下图，这是在锁相环路的反馈通道中插入混频器和中频放大器组成的。设输入鉴相器的外来信号频率为s(t)，混频器的本振频率为L(t)，VCO的输出频率为o(t)，VCO的输出频率是和频还

38、是差频仅取决于oL或oL。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,【例】现有两个频率分别为10MHz和1000Hz的标准信号，需要得到一个频率为10.001MHz的信号，应如何实现？二、锁相调频电路锁相调频电路组成方框如下图。图中，VCO不仅是锁相环中实现相位积分环节的部件，也是一个调频器，调制信号作用于VCO，VCO的输出即为调频波。锁相调频中的环路滤波器为窄带滤波器，锁相环仅仅对载频进行跟踪锁定，使输出调频波的中心频率稳定度很高，而调制信号对VCO直接调频，使输出FM波频偏宽且载波频稳度高。这种锁相环路称为载

39、波跟踪型PLL。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,三、锁相调频解调电路锁相调频解调电路的组成方框如下图，调频信号作为鉴相器PD的一个输入，解调信号从环路滤波器LF和压控振荡器VCO之间输出。在调频锁相解调电路中，为了实现不失真解调，环路的捕捉带必须大于输入调频波的最大频偏，环路滤波的带宽必须大于输入调频波中调制信号的频谱宽度。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,四、锁相同步检波器用锁相环路对调幅波进行解调，实质上就是利用锁

40、相环路恢复出与输入调幅信号同频同相的同步信号，完成同步检波。锁相同步检波电路的组成方框图如下图：由于压控振荡器输出信号与输入参考信号（已调幅波）的载波分量之间有固定的90相移，因此，必须经过相移器将其变成与已调幅波载波分量同相的信号，并与已调幅波共同加到同步检波器（如相乘器）上，才能得到所需的解调信号。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,五、锁相接收机（窄带跟踪接收机）锁相接收机（窄带跟踪接收机）的带宽很窄，又能跟踪信号，因此能大大提高接收机的信噪比。混频器输出的中频信号经中频放大后，与本地晶振产生的中频标准

41、参考信号同时加到鉴相器上，如果两者的频率有偏差，鉴相器的输出电压经环路滤波后就去控制压控振荡器的频率，使混频器输出的中频被锁定在本地标准中频上。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,六、锁相倍频电路锁相倍频电路是在基本锁相环路的基础上增加了一个N分频器。锁相倍频器比普通倍频器更优越，主要表现在：锁相倍频器具有良好的窄带滤波特性，容易得到高纯度的频率输出；而在普通倍频器的输出中，经常出现谐波干扰。锁相倍频器具有良好的跟踪特性和滤波特性，锁相倍频器特别适用于输入信号频率在较大范围内漂移，并同时伴有噪声的情况，这样的

42、环路兼有倍频和跟踪滤波的双重作用。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,七、锁相分频电路锁相分频电路与锁相倍频电路相似，区别在于锁相环路的反馈通道中用N倍频器代替锁相倍频电路中的N分频器。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,6.2.5锁相环的典型产品及应用模拟锁相环：大多是双极型的，如56系列的模拟锁相环，国外：LM565、NE560、NE561、NE562及NE565等，国产：L562、L564、SL565、KD802、KD

43、8041、BG322及X38等。数字锁相环：大部分采用TTL逻辑电路或ECL逻辑电路，且发展了CMOS锁相环路，国外：CD4046及MC14046等，片内电路及管脚排列均相同，国产：CC4046、5G4046及J691等。一、数字锁相环MC14046（CD4046、F4046、SCL4046、CC4046等）4046是低功耗CMOS多功能单片数字锁相环，低通滤波器需外接。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,MC14046主要由二个鉴相器、一个VCO、一个射极跟随器组成，其管脚排列与内部结构如下图：5脚为禁止端

44、：“1”：VCO停振“0”：PLL工作VCO频率由C1、R1、R2（可省）确定R3、C2构成低通滤波,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,二、低频模拟锁相环LM565最高频率500KHz，fo=0.3/R1C1，一般R1取4K，CF是滤波电容，需外接；电源电压：6V-12V,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,三、高频模拟锁相环NE562（LM562、L562、SE562等）最高频率：30MHZ，16-30V单电源供电，外接元件

45、少手册中可查到Cr与fo的关系曲线，Crfo，如Cr=10pF时，fo30MHz；Cr=0.03uF时，fo10kHz。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,NE562构成FM解调电路：FM信号从11、12脚输入，定时电容CT应确保VCO的中心频率fo等于FM信号的载频，Rx、Cx组成比例积分式环路滤波器，Cp为去加重电容，解调信号从9脚输出。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,L562构成的锁相倍频器：Cr为定时电容，决定L

46、562的固有振荡频率；Cx与芯片内部电阻构成环路滤波器；参考信号送入12脚单端输入，VCO信号由4脚经电阻（10 k、1.5 k）、电容C0耦合电路送到分频器T216的输入端，经N分频后单端输入到15脚，与参考信号进行相位比较，当环路锁定时，VCO输出频率是参考输入信号频率的N倍，实现了N倍频。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,6.3锁相频率合成器频率合成就是利用一个高稳定度、高精度的标准参考频率，产生出一系列与参考频率同样稳定度的等间隔的离散频率。6.3.1频率合成的基本方法及技术指标直接合成法：模拟直接

47、合成法和直接数字式频率合成DDS；间接合成法：锁相频率合成。目前最常用的是锁相环频率合成和直接数字式频率合成。一、直接频率合成模拟直接频率合成是最早的频率合成方法，它是由谐波发生器、滤波器、倍频器、分频器和混频器等组合成的一组或多组电路，由一个或多个参考频率来合成一系列所需的实用频率。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,采用一个参考频率合成出6个频率的直接频率合成框图：由1MHz参考频率产生20MHz、21.5MHz、22.0MHz、23.5MHz、24.0MHz、25.5MHz六个频率，频率间隔为分别为1.

48、5MHz和0.5MHz，且可以同时输出。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,二、锁相频率合成锁相频率合成器的性能主要取决于锁相环的性能，目前应用广泛的是数字锁相合成器，主要有单环锁相频率合成器、多环锁相频率合成器和小数分频频率合成器等。三、直接数字频率合成DDS“存储器”是一个正弦波波形只读存储器，在“时钟”控制下，“标定频率”控制“累加器”输出循环扫描地址的次数，即控制“存储器”送出正弦波数据的周期数，再由“D/A变换器”变换成一系列正弦波形，经“低通滤波器”滤除杂散频率，就输出纯净的设定频率的正弦波信号。

49、,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,锁相与DDS频率合成法的特点：锁相频率合成法：成本低，控制灵敏，切换方便，波段覆盖范围宽，可广泛应用。但是换频时间长，分辨率低。DDS合成法：分辨率高，控制频率切换方便，换频速度快。但是输 出频率低，输出噪声高，且依赖于高速集成电路的发展。四、组合式频率合成组合式频率合成主要有：模拟直接合成+DDS，PLL+DDS，模拟直接合成+PLL+DDS等。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,下图是

50、组合式频率合成框图，这属于模拟直接合成+PLL+DDS的模式：晶振fi、谐波发生器和带通滤波器构成模拟直接合成产生频率fL，PLL为混频相加环，它把DDS输出的高分辨率频率（fr+NF）与fL相加后输出fo，即 fo=fL+fr+NF F为DDS频率分辨率，DDS可以产生F在1Hz以下的高分辨率。,North China Electric Power University,通信电子电路第6章 反馈控制电路与频率合成,五、频率合成器的主要技术指标1、频率范围指频率合成器输出最低频率fomin和最高频率fomax之间的范围，也可以用频率覆盖系数k表示，即2、频率分辨率fo（频率间隔）指两个相邻频率