反饋控制電路-貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1、高頻電子線路貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系高頻電子線路高頻電子線路 反饋控制是現(xiàn)實(shí)物理過(guò)程中的一個(gè)基本現(xiàn)象。反饋控制方法的采用是為了準(zhǔn)確地調(diào)整某一個(gè)系統(tǒng)或單元的某些狀態(tài)參數(shù)。 如采用反饋控制方法穩(wěn)定放大器增益是反饋控制在電子線路領(lǐng)域最典型的應(yīng)用之一。 為穩(wěn)定系統(tǒng)狀態(tài)而采用的反饋控制系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)。它由下圖所示的三部分組成。比較器處理機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入信號(hào)誤差信號(hào)控制信號(hào)輸出信號(hào)iXoXoXeXcX圖7-1 反饋控制系統(tǒng)的組成高頻電子線路高頻電子線路 整個(gè)系統(tǒng)的功能就是使輸出狀態(tài)跟蹤輸入信號(hào)（基準(zhǔn)）或它的平均值的變化。控制過(guò)程總是使調(diào)整后的誤差以與起始誤差相反的方向變化，結(jié)果逐漸減小絕對(duì)

2、誤差，最終趨向于一個(gè)極限值。根據(jù)控制狀態(tài)參數(shù)的不同，在高頻電路中，反饋控制電路可分為四類：自動(dòng)增益控制（AGC）：調(diào)整輸出電壓振幅自動(dòng)功率控制（APC）：調(diào)整功率放大器輸出功率自動(dòng)頻率控制（AFC）：調(diào)整振蕩信號(hào)的頻率自動(dòng)相位控制（PLL）：調(diào)整振蕩信號(hào)的相位高頻電子線路高頻電子線路 7.1 自動(dòng)增益控制電路 7.2 自動(dòng)頻率控制電路 7.3 鎖相環(huán)路 7.4 頻率合成器 學(xué)習(xí)項(xiàng)目七學(xué)習(xí)項(xiàng)目七 反饋控制電路 高頻電子線路高頻電子線路圖72 具有AGC電路的接收機(jī)組成框圖高頻放大器至解調(diào)器混頻器中頻放大器直流放大器AGC檢波器ur具有具有AGCAGC電路的接收機(jī)組成框圖如下圖所示電路的接收機(jī)組成

3、框圖如下圖所示。7.1 自動(dòng)增益控制電路高頻電子線路高頻電子線路7.1.1 工作原理 自動(dòng)增益控制是用負(fù)反饋控制的方法動(dòng)態(tài)地調(diào)整放大器的增益，使得輸入電壓幅度在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化時(shí)，放大器輸出電壓振幅的平均值能基本保持恒定。 設(shè)輸入信號(hào)振幅為Ui,輸出信號(hào)振幅為Uo,可控增益放大器增益為Kv(uc),它是控制電壓uc的函數(shù),則有 自動(dòng)增益控制電路框圖如圖7-3所示。()ovciUKu U (71) 高頻電子線路高頻電子線路圖73 自動(dòng)增益控制電路框圖 高頻電子線路高頻電子線路 根據(jù)輸入信號(hào)的類型、特點(diǎn)以及對(duì)控制的要求，AGC電路主要有以下幾種類型。1簡(jiǎn)單AGC電路 在簡(jiǎn)單AGC電路里,參考電平

4、Ur0。這樣,只要輸入信號(hào)振幅Ui增加,AGC的作用就會(huì)使增益Kv減小,從而使輸出信號(hào)振幅Uo減小。圖74為簡(jiǎn)單AGC的特性曲線。簡(jiǎn)單AGC電路的優(yōu)點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單，在實(shí)用電路中不需要電壓比較器；主要缺點(diǎn)是，一有外來(lái)信號(hào)，AGC立即起作用，接收機(jī)的增益就受控制而減小，這對(duì)提高接收機(jī)的靈敏度是不利的，尤其在外來(lái)信號(hào)很弱時(shí)。故簡(jiǎn)單AGC電路適用于輸入信號(hào)振幅較大的場(chǎng)合。7.1.2 自動(dòng)增益控制電路高頻電子線路高頻電子線路 圖74 簡(jiǎn)單AGC特性曲線Uo0Ui高頻電子線路高頻電子線路 2延遲AGC電路 在延遲AGC電路里有一個(gè)起控門(mén)限,即比較器參考電壓Ur,它對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)振幅Uimin,如圖75所示。

5、圖76 延遲AGC電路 至信號(hào)檢波延遲電壓VCCC1R1RCAGC電壓VD高頻電子線路高頻電子線路圖75 延遲AGC特性曲線 Uo0UiUominUomaxUiminUimax高頻電子線路高頻電子線路7.1.3 放大器的增益控制由于高頻放大器的諧振增益為：從上式可知放大器的增益與晶體管的正向傳輸導(dǎo)納 成正比，而 的大小與晶體管的工作點(diǎn)電流IQ有關(guān)。因此，通過(guò)改變晶體管發(fā)射極電流IE，可以改變 ，從而實(shí)現(xiàn)改變放大器的電壓增益Au0。晶體管的特性曲線如圖7-7所示。從曲線可知AGC分正向AGC和反向AGC，相應(yīng)的電路中AGC控制電壓應(yīng)分別加在晶體管的基極和發(fā)射極，即可實(shí)現(xiàn)放大器的增益控制。120f

6、eup p YAg （7-2）feYfeY高頻電子線路高頻電子線路普通晶體管AGC電路反向AGC 正向AGCofeYEIEQI圖7-7 晶體管 IE特性曲線feY高頻電子線路高頻電子線路7.2 自動(dòng)頻率控制電路 7.2.1 工作原理 自動(dòng)頻率控制（AFC）電路由頻率比較器、低通濾波器和可控頻率器件三部分組成,如圖78所示。 頻率比較器通常是鑒頻器，參考頻率r與鑒頻器的中心角頻率0相等。 可控頻率器件通常是壓控振蕩器（VCO）,其輸出振蕩角頻率可寫(xiě)成 自動(dòng)頻率控制電路是利用誤差信號(hào)的反饋?zhàn)饔脕?lái)控制被穩(wěn)定的振蕩器頻率，使之穩(wěn)定。誤差信號(hào)是由鑒頻器產(chǎn)生的，它與鑒頻器的兩個(gè)輸入信號(hào)頻率差成正比，顯然達(dá)

7、到最后穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)頻率不可能完全相等，必定存在剩余頻差： 。0yycck u(73) yr高頻電子線路高頻電子線路圖78 自動(dòng)頻率控制電路的組成低通濾波器H(s)可控頻率器件Kcueucrr(s)頻率比較器KpUe(s)Uc(s)r(s)r輸出信號(hào)高頻電子線路高頻電子線路 自動(dòng)頻率微調(diào)電路（簡(jiǎn)稱AFC電路） 圖79是一個(gè)調(diào)頻通信機(jī)的AFC系統(tǒng)的方框圖。這里是以固定中頻fI作為鑒頻器的中心頻率,亦作為AFC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率。 當(dāng)混頻器輸出差頻 不等于fI時(shí)，鑒頻器即有誤差電壓輸出，通過(guò)低通濾波器，得到直流電壓輸出，用來(lái)控制本振（壓控振蕩器），從而使f0改變，直到 減小到等于剩余頻差為止。這固定

8、的剩余頻差叫做剩余失諧。7.2.2 應(yīng)用I0sfff IIff 高頻電子線路高頻電子線路圖79 調(diào)頻通信機(jī)的AFC系統(tǒng)方框圖fs混頻中放鑒頻fI| fs f0|fI中心頻率 fI本振(壓控振)低放低通濾波器f0高頻電子線路高頻電子線路7.3 鎖相環(huán)路 7.3.1 工作原理 鎖相環(huán)PLL(Phase-Locked Loop)是一個(gè)相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)。它由鑒相器(Phase Detector,縮寫(xiě)為PD)、環(huán)路濾波器(Loop Filter,縮寫(xiě)為L(zhǎng)F)和電壓控制振蕩器(Voltage Controlled Oscillator,縮寫(xiě)為VCO)三個(gè)基本部件組成,如圖710所示。圖710 鎖相環(huán)的基

9、本構(gòu)成參 考 信 號(hào)PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)輸 出 信 號(hào)高頻電子線路高頻電子線路 設(shè)參考信號(hào)為( )sin( )rrrru tUtt(74) 若參考信號(hào)是未調(diào)載波時(shí)若參考信號(hào)是未調(diào)載波時(shí),則則r(t)=r=常常數(shù)。設(shè)輸出信號(hào)為數(shù)。設(shè)輸出信號(hào)為( )cos( )oooou tUtt(75) 兩信號(hào)之間的瞬時(shí)相差為兩信號(hào)之間的瞬時(shí)相差為0000( )()( )()( )errrrtttttt（76）由頻率和相位之間的關(guān)系可得兩信號(hào)之間的瞬時(shí)由頻率和相位之間的關(guān)系可得兩信號(hào)之間的瞬時(shí)頻差為頻差為00( )( )erdtdtdtdt(77) 高頻電子線路高頻電子線路 鎖

10、定后兩信號(hào)之間的相位差表現(xiàn)為一固定的穩(wěn)態(tài)值。即0( )limetdtdt （78） 此時(shí)此時(shí),輸出信號(hào)的頻率已偏離了原來(lái)的自由輸出信號(hào)的頻率已偏離了原來(lái)的自由振蕩頻率振蕩頻率0(控制電壓控制電壓uc(t)=0時(shí)的頻率時(shí)的頻率),其偏移其偏移量由式量由式(77)和和(78)得到為得到為 00( )rdtdt (79) 這時(shí)輸出信號(hào)的工作頻率已變?yōu)檫@時(shí)輸出信號(hào)的工作頻率已變?yōu)?0000( )( )rdtdttdtdt (710)高頻電子線路高頻電子線路 由上可知，鎖相環(huán)路是通過(guò)對(duì)相位的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)誤差的頻率跟蹤。它與自動(dòng)頻率控制電路一樣都是實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤的自動(dòng)控制電路，但自動(dòng)頻

11、率控制電路只能實(shí)現(xiàn)有固定頻差的頻率跟蹤。高頻電子線路高頻電子線路7.3.2 基本環(huán)路方程1.鑒相器 鑒相器（PD）又稱為相位比較器,它是用來(lái)比較兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差e(t)。鑒相器輸出的誤差信號(hào)ud(t)是相差e(t)的函數(shù)，即ud(t)fe(t) 。 鑒相器按其鑒相特性可分為正弦型、三角型和鋸齒型等。圖7-11所示的是正弦鑒相器，它由模擬乘法器與低通濾波器串接而成。圖711 正弦鑒相器模型ui(t)uo(t)LPFud(t)高頻電子線路高頻電子線路 若以壓控振蕩器的載波相位0t作為參考，將輸出信號(hào)uo(t)與參考信號(hào)ur變形 (711) (712)式中，2(t)=0(t), (713)

12、將uo(t)與ur(t)相乘,經(jīng)低通濾除20分量,可得 (714) 由（7-14）可得正弦鑒相器的數(shù)學(xué)模型如圖7-12所示，鑒相特性如圖7-13所示。Ud在一定程度上反映了鑒相器的靈敏度。 02cosooutUtt 01sinsinrrrrrutUttUtt 100rrrttttt 12dddsinsineutUttUt高頻電子線路高頻電子線路圖712 線性鑒相器的頻域數(shù)學(xué)模型1(t)2(t)e(t)Udsin()Udsine(t)高頻電子線路高頻電子線路圖713 正弦鑒相器的鑒相特性2 23 220322e(t)Ud(t)高頻電子線路高頻電子線路2.環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器(LF)是一個(gè)線性低

13、通濾波器,用來(lái)濾除誤差電壓ud(t)中的高頻分量和噪聲,更重要的是它對(duì)環(huán)路參數(shù)調(diào)整起到?jīng)Q定性的作用。 環(huán)路濾波器的模型如圖7-14所示。 圖714 環(huán)路濾波器的模型 (a)時(shí)域模型;(b)頻域模型 F(p)uc(t)ud(t)(a)F(s)uc(s)ud(s)(b)高頻電子線路高頻電子線路1)RC積分濾波器 這是最簡(jiǎn)單的低通濾波器,電路如圖715(a)所示,其傳遞函數(shù)為 2) 無(wú)源比例積分濾波器 無(wú)源比例積分濾波器如圖716(a)所示。與RC積分濾波器相比,它附加了一個(gè)與電容C串聯(lián)的電阻R2,這樣就增加了一個(gè)可調(diào)參數(shù)。它的傳遞函數(shù)為2111( )( )( )cdUssF sUss (716)

14、111( )( )( )sdUsF sUss (715) 高頻電子線路高頻電子線路圖715 RC積分濾波器的組成與頻率特性 (a)組成;(b)頻率特性20 lg|F(j)/dB03(對(duì)數(shù)刻度)()045906 dB/倍頻程udRCuc(a)(b)/1/高頻電子線路高頻電子線路圖716 無(wú)源比例積分濾波器 (a)組成; (b)頻率特性20 lg|F(j)/dB03(對(duì)數(shù)刻度)()04590udR1Cuc(a)(b)R21211220 lg/1/1/高頻電子線路高頻電子線路3) 有源比例積分濾波器 有源比例積分濾波器由運(yùn)算放大器組成,電路如圖7-17(a)所示。當(dāng)運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)電壓增益A為有限值時(shí)

15、,它的傳遞函數(shù)為2111( )( )( )cdUssF sAUss (717) 式中，式中，1=(R1+AR1+R2)C;2=R2C。若。若A很高很高,則則2211212211111111( )()sR CsR CF sAAs ARRR CsARCsR CssRCs (718) 高頻電子線路高頻電子線路圖717 有源比例積分濾波器 (a)電路; (b)頻率特性CR1uducR220 lg|F(j)/dB0(對(duì)數(shù)刻度)()045(b)1220 lg20 lg212906 dB/倍頻程(a)/(對(duì)數(shù)刻度)1/高頻電子線路高頻電子線路3. 壓控振蕩器 壓控振蕩器(VCO)是一個(gè)電壓-頻率變換器,在環(huán)

16、路中作為被控振蕩器,它的振蕩頻率應(yīng)隨輸入控制電壓uc(t)線性地變化,即 式中，v(t)是VCO的瞬時(shí)角頻率，kd是線性特性斜率，表示單位控制電壓可使VCO角頻率變化的數(shù)值。因此又稱為VCO的控 制 靈 敏 度 或 增 益 系 數(shù) , 單 位 為rad/Vs。在鎖相環(huán)路中，VCO的輸出對(duì)鑒相器起作用的不是瞬時(shí)角頻率而是它的瞬時(shí)相位，即 0( )( )vdctk u t（719） 高頻電子線路高頻電子線路000( )( )ttvdct dttkud（720） （721） 將此式與式將此式與式(711)(711)比較比較, ,可知以可知以0 0t t為參為參考的輸出瞬時(shí)相位為考的輸出瞬時(shí)相位為 2

17、0( )( )tdctkud 高頻電子線路高頻電子線路 由此可見(jiàn),VCO在鎖相環(huán)中起了一次積分作用,因此也稱它為環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)。式(721)就是壓控振蕩器相位控制特性的數(shù)學(xué)模型,若對(duì)式(721)進(jìn)行拉氏變換,可得到在復(fù)頻域的表示式為 VCO的傳遞函數(shù)為 2( )cdUssks （722） （723） 2( )( )dcksUss 高頻電子線路高頻電子線路圖718 VCO的復(fù)頻域模型 pK0uc(t)2(t)(a)sK0uc(s)2(s)(b)高頻電子線路高頻電子線路4. 環(huán)路相位模型和基本方程 復(fù)時(shí)域分析時(shí)可用一個(gè)傳輸算子F(p)來(lái)表示，其中p(d/dt)是微分算子。由圖719,我們可以

18、得出鎖相環(huán)路的基本方程122( )( )( )( )sin( )( )eddetttKtUt F pp (724) (725) 高頻電子線路高頻電子線路圖719 鎖相環(huán)路的相位模型 1(t)e(t)Udsinud(t)F(p)uc(t)pK02(t)高頻電子線路高頻電子線路 將式(725)代入式(724)得101( )( )sin( )( )( )sin( )( )edeeptptK Ut F pptKt F p（726） 設(shè)環(huán)路輸入一個(gè)頻率設(shè)環(huán)路輸入一個(gè)頻率rr和相位和相位rr均為常數(shù)的均為常數(shù)的信號(hào)信號(hào), ,即即00( )sinsin()rrrrrrru tUtUtt 式中，式中，00是控

19、制電壓是控制電壓uc(tuc(t)=0)=0時(shí)時(shí)VCOVCO的固有振的固有振蕩頻率蕩頻率;r;r是參考輸入信號(hào)的初相位。令是參考輸入信號(hào)的初相位。令 10( )()rrtt（727） 則則 100( )rpt 高頻電子線路高頻電子線路 將式(727)代入式(726)可得固定頻率輸入時(shí)的環(huán)路基本方程:00( )sin( )( )edeptK Ut F p （728） 右邊第二項(xiàng)是閉環(huán)后右邊第二項(xiàng)是閉環(huán)后VCOVCO受控制電壓受控制電壓u uc c(t(t) )作用作用引起振蕩頻率引起振蕩頻率v v相對(duì)于固有振蕩頻率相對(duì)于固有振蕩頻率0 0的頻差的頻差( (v v- -0 0) )，稱為，稱為控制

20、頻差控制頻差。由式。由式(728)(728)可見(jiàn)可見(jiàn), ,在在閉環(huán)之后的任何時(shí)刻存在如下關(guān)系閉環(huán)之后的任何時(shí)刻存在如下關(guān)系: : 瞬時(shí)頻差瞬時(shí)頻差=固有頻差固有頻差-控制頻差控制頻差 000()()()vrvrv （729） 高頻電子線路高頻電子線路7.3.3 鎖相環(huán)工作過(guò)程的定性分析1.鎖定狀態(tài) 當(dāng)在環(huán)路的作用下,調(diào)整控制頻差等于固有頻差時(shí),瞬時(shí)相差e(t)趨向于一個(gè)固定值,并一直保持下去,即滿足 此時(shí)可以認(rèn)為鎖相環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。環(huán)路對(duì)輸入固定頻率的信號(hào)鎖定后，輸入到鑒相器的兩信號(hào)之間無(wú)頻差，只有一固定的穩(wěn)態(tài)相差e(t)。此時(shí)的誤差電壓Udsine()為直流，它經(jīng)過(guò)F（j0）的過(guò)濾作用之后

21、得到控制電壓UdF（j0）sine()也是直流。 鎖定時(shí)的環(huán)路方程為0lim( )etpt （730） 00sin( )()odeK UF j （731） 高頻電子線路高頻電子線路 從中解得穩(wěn)態(tài)相差 鎖定正是在由穩(wěn)態(tài)相差e()產(chǎn)生的直流控制電壓作用下,強(qiáng)制使VCO的振蕩角頻率v相對(duì)于0偏移了0而與參考角頻率r相等的結(jié)果。即00000sin( )()vderK UF j （733） 00( )arcsin()eodK U F j （732） 高頻電子線路高頻電子線路2. 跟蹤過(guò)程 跟蹤是在鎖定的前提下，輸入的參考頻率和相位在一定的范圍內(nèi)，以一定的速率發(fā)生變化時(shí)，輸出信號(hào)的頻率和相位以同樣的規(guī)律跟

22、隨變化，這一過(guò)程稱為環(huán)路的跟蹤過(guò)程。如r 0 e() Uc () v 。 當(dāng)v大得足以補(bǔ)償固有頻差0時(shí)，環(huán)路維持鎖定，因而有 則 如果繼續(xù)增大0,使0K0UdF(j0),則環(huán)路失鎖(vr)。因此,我們把環(huán)路能夠繼續(xù)維持鎖定狀態(tài)的最大固有頻差定義為環(huán)路的同步帶:000sin( )()vdeK UF j 0max0( 0)HdK U F j （734） 000max()dK U F j 高頻電子線路高頻電子線路3.失鎖狀態(tài) 失鎖狀態(tài)就是瞬時(shí)頻差(r-v)總不為零的狀態(tài)。這時(shí)，鑒相器輸出電壓ud(t)為一上下不對(duì)稱的穩(wěn)定差拍波，其平均分量為一恒定的直流。正是這樣的的直流電壓通過(guò)環(huán)路濾波器的作用使VC

23、O的平均頻率v偏離0向r靠攏,這就是環(huán)路的頻率牽引效應(yīng)。 高頻電子線路高頻電子線路4. 捕獲過(guò)程 開(kāi)機(jī)時(shí),鑒相器輸入端兩信號(hào)之間存在著起始頻差(即固有頻差)0= r-v,其相位差0t。因此,鑒相器輸出的是一個(gè)角頻率等于頻差0的差拍信號(hào),即 若0很大,ud(t)差拍信號(hào)的拍頻很高,易受環(huán)路濾波器抑制,這樣加到VCO輸入端的控制電壓uc(t)很小,控制頻差建立不起來(lái),ud(t)仍是一個(gè)上下接近對(duì)稱的穩(wěn)定差拍波，環(huán)路不能入鎖。 當(dāng)0減小到某一范圍時(shí)，鑒相器輸出的誤差電壓ud(t)是上下不對(duì)稱的差拍波，其平均分量（即直流分量）不為零。0( )sin()ddu tUt （735） 高頻電子線路高頻電子線

24、路 通過(guò)環(huán)路濾波器的作用，使控制電壓中的直流分量增加，從而牽引著VCO的頻率v平均地向r靠攏。這使得ud(t)的拍頻減小，增大差拍波的不對(duì)稱性，即增大直流分量，這又將VCO的頻率v進(jìn)一步接近r 。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，當(dāng)平均頻差減小到某一頻率范圍時(shí)，頻率捕獲過(guò)程結(jié)束。 此后進(jìn)入相位捕獲過(guò)程， e(t)最終趨于穩(wěn)態(tài)值e()，同時(shí)ud(t)、uc (t)也分別趨于它們的穩(wěn)態(tài)值Udsin e() 、Uc () ，壓控振蕩器的輸出頻率被鎖定在參考信號(hào)頻率r上，使 （ v = r ），捕獲全過(guò)程即告結(jié)束，環(huán)路鎖定。0lim( )etpt 高頻電子線路高頻電子線路圖720 頻率捕獲鎖定示意圖高頻電子線路高頻電子

25、線路 環(huán)路能否發(fā)生捕獲是與固有頻差的0大小有關(guān)。只有當(dāng)|0|小到某一頻率范圍時(shí),環(huán)路才能捕獲入鎖,這一范圍稱為環(huán)路的捕獲帶p。它定義為在失鎖狀態(tài)下能使環(huán)路經(jīng)頻率牽引,最終鎖定的最大固有頻差|0|max，即0maxp （736） 高頻電子線路高頻電子線路7.3.4 鎖相環(huán)路的應(yīng)用 由以上的討論已知,鎖相環(huán)路具有以下幾個(gè)重要特性: 環(huán)路鎖定后,沒(méi)有剩余頻差。壓控振蕩器的輸出頻率嚴(yán)格等于輸入信號(hào)的頻率。 跟蹤特性。環(huán)路鎖定后,當(dāng)輸入信號(hào)頻率r稍有變化時(shí),VCO的頻率立即發(fā)生相應(yīng)的變化,最終使VCO輸出頻率v=r。 濾波特性。鎖相環(huán)通過(guò)環(huán)路濾波器的作用,具有窄帶濾波特性,能夠?qū)⒒爝M(jìn)輸入信號(hào)中的噪聲和雜

26、散干擾濾除。 易于集成化。組成環(huán)路的基本部件都易于采用模擬集成電路。環(huán)路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化后,更易于采用數(shù)字集成電路。高頻電子線路高頻電子線路 下面介紹鎖相環(huán)的幾種應(yīng)用。1.鎖相調(diào)頻與解調(diào) 用鎖相環(huán)調(diào)頻,能夠得到中心頻率高度穩(wěn)定的調(diào)頻信號(hào),圖721是這種方法的方框圖。 圖721 鎖相環(huán)路調(diào)頻器方框圖晶振鑒相低通濾波VCO調(diào)制信號(hào)調(diào)頻波輸出高頻電子線路高頻電子線路 實(shí)現(xiàn)調(diào)制的條件：調(diào)制信號(hào)的頻譜要處于低通濾波器通頻帶之外，并且調(diào)頻指數(shù)不能太大。 利用滿足上述調(diào)制條件的調(diào)制信號(hào)去線性控制VCO輸出信號(hào)的瞬時(shí)頻率，同時(shí)其中心頻率通過(guò)窄帶PLL精確鎖定于晶振的頻率，而不受調(diào)制信號(hào)的影響，從而在VCO的輸出端可

27、以得到中心頻率高度穩(wěn)定的調(diào)頻信號(hào)。高頻電子線路高頻電子線路 調(diào)制跟蹤鎖相環(huán)本身就是一個(gè)調(diào)頻解調(diào)器。將環(huán)路濾波器帶寬設(shè)計(jì)成調(diào)制信號(hào)帶寬，它利用鎖相環(huán)路良好的調(diào)制跟蹤特性,使鎖相環(huán)路跟蹤輸入調(diào)頻信號(hào)瞬時(shí)相位的變化,即跟蹤FM信號(hào)中反映調(diào)制規(guī)律變化的瞬時(shí)頻偏，從而使VCO控制端獲得解調(diào)輸出。鎖相環(huán)鑒頻器的組成如圖722所示。 圖722 鎖相鑒頻器 輸出濾波器PD鑒頻輸出LFuc(t)ui(t)VCO高頻電子線路高頻電子線路 設(shè)輸入的調(diào)頻信號(hào)為 其調(diào)制信號(hào)為u(t)=Ucost，mf為調(diào)頻指數(shù)。同時(shí)假設(shè)環(huán)路處于線性跟蹤狀態(tài),且輸入載頻i等于VCO自由振蕩頻率0,則可得到調(diào)頻波的瞬時(shí)相位為 現(xiàn)以VCO控

28、制電壓uc(t)作為解調(diào)輸出,那么可先求出環(huán)路的輸出相位2(t),再根據(jù)VCO控制特性2(t)=K0uc(t)/p,不難求得解調(diào)輸出信號(hào)uc(t)。 ( )sin(sin)iiifu tUtmt （737） 1( )sinftmt （738） 高頻電子線路高頻電子線路 設(shè)鎖相環(huán)路的閉環(huán)頻率響應(yīng)為H(j),則輸出相位為 因而解調(diào)輸出電壓為 式中,2( )() sin()ftmH jtH j (739) 20011( )( )() cos()() cos()cfcdtu tmH jtH jKdtKU H jtH j (740) 001mcfUmKK 高頻電子線路高頻電子線路 m為調(diào)頻信號(hào)的最大頻偏

29、。對(duì)于設(shè)計(jì)良好的調(diào)制跟蹤鎖相環(huán),在調(diào)制頻率范圍內(nèi)H(j)1,相移H(j)也很小。因此，uc(t)確是良好的調(diào)頻解調(diào)輸出。 各種通用鎖相環(huán)集成電路都可以構(gòu)成調(diào)頻解調(diào)器。圖723為用NE562集成鎖相環(huán)構(gòu)成的調(diào)頻解調(diào)器。 高頻電子線路高頻電子線路圖723 NE562調(diào)頻解調(diào)器NE56216115Cx1413CxRxRx12CcCc11109Cp1.5 k解調(diào)輸出1 k1 kCc1 k0.1 FCb0.1 FEc0.1 FCb23456781 kCT12 k量程控制VCO輸出FM信號(hào)輸入（同步帶調(diào)節(jié)）高頻電子線路高頻電子線路2. 同步檢波器 用鎖相環(huán)對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào),實(shí)際上是利用鎖相環(huán)路提供一個(gè)穩(wěn)

30、定度高的相干載波信號(hào)電壓,與調(diào)幅波在非線性器件中乘積檢波,輸出的就是原調(diào)制信號(hào)。AM信號(hào)頻譜中,除包含調(diào)制信號(hào)的邊帶外,還含有較強(qiáng)的載波分量,使用載波跟蹤環(huán)（其中環(huán)路濾波器的帶寬遠(yuǎn)小于AM信號(hào)帶寬）可將載波分量提取出來(lái),再經(jīng)90移相,可用作同步檢波器的相干載波。這種同步檢波器如圖724所示。 高頻電子線路高頻電子線路圖724 AM信號(hào)同步檢波器 uo(t)PDVCOLF90uos(t)輸出濾波器AM信號(hào)解調(diào)輸出同頻檢波高頻電子線路高頻電子線路 設(shè)輸入信號(hào)為 輸入信號(hào)中載波分量為Uicosit,用載波跟蹤環(huán)提取后輸出為uo(t)=Uosin(it+0),經(jīng)90移相后,得到相干載波 式中0 為穩(wěn)態(tài)

31、相差，通常0 0，將ur(t)與ui(t)相乘,經(jīng)低通濾波后,得到的輸出信號(hào)就是恢復(fù)出來(lái)的調(diào)制信號(hào)。1( )(cos)cosiiiu tUmtt (741) 0( )cos()roiu tUt(742) 高頻電子線路高頻電子線路3.鎖相倍頻、分頻和混頻 鎖相倍頻 鎖相倍頻電路基本組成框圖如圖7-25所示。在基本鎖相環(huán)路的反饋通道中插入分頻器組成。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，有fr=f0/N，因此f0 =N fr，從而實(shí)現(xiàn)倍頻。圖7-25 鎖相倍頻電路框圖PDLFVCO分頻器NrfofofN高頻電子線路高頻電子線路 鎖相分頻 鎖相分頻電路基本組成框圖如圖7-26所示。在基本鎖相環(huán)路的反饋通道中插入倍頻器組成。

32、當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，有fr=Nf0，因此f0 = fr/ N ，從而實(shí)現(xiàn)分頻。圖7-26 鎖相分頻電路框圖PDLFVCO倍頻器Nrfof0Nf高頻電子線路高頻電子線路 鎖相混頻 鎖相混頻電路基本組成框圖如圖7-27所示。在基本鎖相環(huán)路反饋通道中插入混頻器和中頻放大器組成。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，有 ，則 ，從而實(shí)現(xiàn)混頻。PDLFVCO混頻器rfoLrfff中頻放大器LfLoff rLofffoLrfff圖7-27 鎖相混頻電路框圖高頻電子線路高頻電子線路 鎖相環(huán)路除了以上的應(yīng)用外,還可廣泛地應(yīng)用于電視機(jī)彩色副載波提取,調(diào)頻立體聲解碼、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、微波頻率源、鎖相接收機(jī)、移相器、位同步、以及各種調(diào)制方式的調(diào)制

33、器和解調(diào)器、頻率合成器等。高頻電子線路高頻電子線路7.4 頻率合成器 7.4.1 頻率合成器及其技術(shù)指標(biāo) 頻率合成是指以一個(gè)或少量的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率，由此導(dǎo)出多個(gè)或大量的輸出頻率，這些輸出頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度與參考頻率一致。 頻率合成器的輸出頻率是通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率在頻域內(nèi)進(jìn)行加、減、乘、除來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以用混頻、倍頻和分頻等電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)有：1頻率范圍 頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率fomin和最高頻率fomax之間的變化范圍,也可用覆蓋系數(shù)k=fomax/fomin表示（k又稱之為波段系數(shù)）。如果覆蓋系數(shù)k2-3時(shí),整個(gè)頻段可以劃分為幾個(gè)分波段

34、。在頻率合成器中,分波段的覆蓋系數(shù)一般取決于壓控振蕩器的特性。高頻電子線路高頻電子線路2頻率間隔（頻率分辨率） 頻率合成器的輸出是不連續(xù)的。兩個(gè)相鄰頻率之間的最小間隔,就是頻率間隔。頻率間隔又稱為頻率分辨率。不同用途的頻率合成器,對(duì)頻率間隔的要求是不相同的。對(duì)短波單邊帶通信來(lái)說(shuō),現(xiàn)在多取頻率間隔為100Hz,有的甚至取10Hz、1Hz乃至0.1Hz。對(duì)超短波通信來(lái)說(shuō),頻率間隔多取50kHz、25kHz等。在一些測(cè)量?jī)x器中,其頻率間隔可達(dá)兆赫茲量級(jí)。高頻電子線路高頻電子線路3頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器從某一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率,并達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間。它與采用的頻率合成方法有密切

35、的關(guān)系。4準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度 頻率準(zhǔn)確度是指頻率合成器工作頻率偏離規(guī)定頻率的數(shù)值,即頻率誤差。而頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi),頻率合成器頻率偏離規(guī)定頻率相對(duì)變化的大小。5頻譜純度 影響頻率合成器頻譜純度的因素主要有兩個(gè),一是相位噪聲,二是寄生干擾。相位噪聲是瞬間頻率穩(wěn)定度的頻域表示,在頻譜上呈現(xiàn)為主譜兩邊的連續(xù)噪聲,如圖7-28所示。寄生干擾是非線性部件產(chǎn)生的，其中最嚴(yán)重的混頻器，它表現(xiàn)為一些離散的頻譜。 高頻電子線路高頻電子線路圖728 頻率合成器的頻譜 020406080相對(duì)幅度/dB相噪寄生ff02f03f0主譜諧波(a)(b)22.84013 kHz6.27 dB高頻電子線路高頻電

36、子線路7.4.2 頻率合成器的類型 頻率合成器可分為直接式頻率合成器,間接式（或鎖相）頻率合成器和直接式數(shù)字頻率合成器。1直接式頻率合成器（DS） 直接式頻率合成器是最先出現(xiàn)的一種合成器類型的頻率信號(hào)源。這種頻率合成器原理簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。其合成方法大致可分為兩種基本類型:一種是非相干式合成方法;另一種是相干式合成方法。 2間接式頻率合成器（IS） 間接式頻率合成器又稱為鎖相頻率合成器。鎖相頻率合成器是目前應(yīng)用最廣的頻率合成器,也是本節(jié)主要介紹的內(nèi)容。高頻電子線路高頻電子線路 直接式頻率合成器中所固有的那些缺點(diǎn),如體積大、成本高、輸出端出現(xiàn)寄生頻率等,在鎖相頻率合成器中就大大減少了。基本的鎖相頻

37、率合成器如圖729所示。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后,相位檢波器兩輸入端的頻率是相同的,即 VCO輸出頻率fo經(jīng)N分頻得到 所以輸出頻率是參考頻率fr的整數(shù)倍,即drff (743) doffN (744)orfNf (745) 高頻電子線路高頻電子線路圖729 基本鎖相頻率合成器 fr環(huán)路濾波器LF壓控振蕩器(VCO)VBfoVC相位檢波器(PD)Nfdf0 Nfr高頻電子線路高頻電子線路 轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于鎖相環(huán)的非線性性能,精確的表達(dá)式目前還難以導(dǎo)出,工程上常用的經(jīng)驗(yàn)公式為 轉(zhuǎn)換時(shí)間大約等于25個(gè)參考頻率的周期。分辨率與轉(zhuǎn)換時(shí)間成反比。例如fr=10Hz,則ts=2.5s,這顯然難以滿足系統(tǒng)的要求。 固定

38、分頻器的工作頻率明顯高于可變分頻器,超高速器件的上限頻率可達(dá)千兆赫茲以上。若在可變分頻器之前串接一固定分頻器的前置分頻器,則可大大提高VCO的工作頻率,如圖730所示。前置分頻器的分頻比為M,則可得25srtf (746）()orfN Mf （7 47）高頻電子線路高頻電子線路圖730 有前置分頻器的鎖相頻率合成器 frLFfoNVCOM前置分頻器高頻電子線路高頻電子線路 有前置分頻器的鎖相頻率合成器的分辨率有所下降。降低可編程分頻器的工作頻率，也可以采用一個(gè)本地振蕩器通過(guò)混頻將頻率下移，如圖7-34所示。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，有fd=fr=(f0-fL)/N，則f0= fL+N fr。 鎖相頻率合成

39、器的頻率分辨率取決于fr，為提高分辨率應(yīng)取較低的fr；轉(zhuǎn)換時(shí)間ts也取決于fr，為使轉(zhuǎn)換時(shí)間短應(yīng)取較高的fr，這兩者是矛盾的。 可變分頻器的頻率上限與合成器的工作頻率之間也是矛盾的。上述前置分頻器和下變頻的簡(jiǎn)單方法不能從根本上解決這些矛盾，近年來(lái)出現(xiàn)的變模分頻鎖相頻率合成器、小數(shù)分頻鎖相頻率合成器以及多環(huán)鎖相頻率合成器等的性能有了明顯的改善，滿足了各類應(yīng)用的需求。高頻電子線路高頻電子線路 圖734 下變頻鎖相頻率合成器 相位檢波器fr低通濾波器VCOfdN低通濾波器fo ILfLfofLfofL高頻電子線路高頻電子線路3直接數(shù)字式頻率合成器（DDS） 直接數(shù)字式頻率合成器是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的

40、一種器件,它采用全數(shù)字技術(shù),具有分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、相位噪聲低等特點(diǎn),并具有很強(qiáng)的調(diào)制功能和其它功能。高頻電子線路高頻電子線路7.4.3 鎖相頻率合成器1單環(huán)鎖相頻率合成器 基本的單環(huán)鎖相頻率合成器的構(gòu)成如圖729所示。環(huán)中的N分頻器采用可編程的程序分頻器,合成器輸出頻率為 式中fr為參考頻率,通常是用高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生,經(jīng)過(guò)固定分頻比的參考分頻之后獲得的。這種合成器的分辨率為fr。 orfNf （748）高頻電子線路高頻電子線路 圖735（a）是通用型單片集成鎖相環(huán)L562（NE562）和國(guó)產(chǎn)T216可編程除10分頻器構(gòu)成的單環(huán)鎖相環(huán)頻率合成器,它可完成10以內(nèi)的鎖相倍頻,即可得

41、到110倍的輸入信號(hào)頻率輸出,圖735（b）為L(zhǎng)562的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。高頻電子線路高頻電子線路 圖735 L562的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（a）L562頻率合成器；（b）L562內(nèi)部框圖 121115516 16 14CrCxE0.0113L562289340.1Cc0.1參考輸入CB1 k0.10.1CcT216(N)E10.1C010 kVCO輸出12 kPD12111#2#152#信號(hào)輸入反饋2輸入 1#34VCO 1#輸出 2#E1614A3A1VCO1310Cr56偏 壓參考源限幅器78A2去加重環(huán)路濾波器LF9解調(diào)輸出 E或地(a)(b)1 k1.5 k1高頻電子線路高頻電子線路 2變模分頻鎖相頻

42、率合成器 在基本的單環(huán)鎖相頻率合成器中,VCO的輸出頻率是直接加到可編程分頻器上的。目前可編程分頻器還不能工作到很高的頻率上,這就限制了這種合成器的應(yīng)用。加前置分頻器后固然能提高合成器的工作頻率,但這是以降低頻率分辨率為代價(jià)的。 圖736為采用雙模分頻器的鎖相頻率合成器的組成框圖。 高頻電子線路高頻電子線路圖736 雙模分頻鎖相頻率合成器 晶振參考分頻f1PDN1N2雙模分頻V/(V1)LFVCOfv頻率合成器集成電路模式控制高頻電子線路高頻電子線路 雙模分頻器有兩個(gè)分頻模數(shù),當(dāng)模式控制為高電平時(shí)分頻模數(shù)為V1,當(dāng)模式控制為低電平時(shí)分頻模式為V。雙模分頻器的輸出同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)可編程分頻器,它們分

43、別預(yù)置在N1和N2,并進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。在一個(gè)完整的周期中,輸入的周期數(shù)為 則頻率合成器的輸出頻率為 假若V10,N2=09,N1=1019,則 那么，頻率合成器的輸出頻率為212121()()NVNNN VVNN(749) (750)100199N 12orfVNNf 100199orff 高頻電子線路高頻電子線路7.4.4 集成鎖相環(huán)頻率合成器 集成鎖相頻率合成器是一種專用鎖相電路。它是發(fā)展很快、采用新工藝多的專用集成電路。它將參考分頻器、參考振蕩器、數(shù)字鑒相器、各種邏輯控制電路等部件集成在一個(gè)或幾個(gè)單元中,以構(gòu)成集成頻率合成器的電路系統(tǒng)。 1MC1451461 MC1451461是一塊20腳

44、陶瓷或塑料封裝的,由四位總線輸入、鎖存器選通和地址線編程的大規(guī)模單片集成鎖相雙模頻率合成器,圖737給出了它的方框圖。高頻電子線路高頻電子線路圖737 MC1451461方框 78OSCinOSCout12位R 計(jì)數(shù)器2D0D1D2120101110912A2A1A0ST鎖存器控制電路鎖存器LL2L3L4L5 L 6 L 710位 N計(jì)數(shù)器fin37位 A計(jì)數(shù)器L0L1鎖定檢測(cè)PDAPDRLDPDoutfvFVFR控制邏輯Mod14VDD: 端6VSS: 端4D3高頻電子線路高頻電子線路表74 MC145146-1地址碼與鎖存器的選通關(guān)系 高頻電子線路高頻電子線路 S

45、T（12端）:數(shù)據(jù)選通控制端,當(dāng)ST是高電平時(shí),可以輸入D0D3輸入端的信息,ST是低電平時(shí),則鎖存這些信息。 PDout（5端）:鑒相器的三態(tài)單端輸出。當(dāng)頻率fvfr或fv相位超前時(shí),PDout輸出負(fù)脈沖;當(dāng)相位滯后時(shí),輸出正脈沖;當(dāng)fvfr且同相位時(shí),輸出端為高阻抗?fàn)顟B(tài)。 LD（13端）:鎖定檢測(cè)器信號(hào)輸出端。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)（fv與fr同頻同相）,輸出高電平,失鎖時(shí)輸出低電平。 高頻電子線路高頻電子線路 V、R(16、17端):鑒相器的雙端輸出。可以在外部組合成環(huán)路誤差信號(hào),與單端輸出PDout作用相同,可按需要選用。 圖738是一個(gè)微機(jī)控制的UHF移動(dòng)電話信 道 的 頻 率 合 成 器 ,

46、 工 作 頻 率 為450MHz。 高頻電子線路高頻電子線路圖738 采用MC1451461的UHF移動(dòng)無(wú)線電話頻率合成器 MC1451461OSCoutfR818fV15LD19失鎖控制信號(hào)用于外部鑒相器(供選用)OSCin參考振蕩器(或片內(nèi)振蕩器)76VDD4VSSPDoutFVFRModfinD3D2D1D0A2A1A0ST1920121110912到公用控制總線51716143兩種鑒相器誤差信號(hào)供選擇LFMC10154雙F/FMC 120118/9VCO接收機(jī)本振443.325443.950 MHz(25 kHz 步進(jìn))發(fā)射機(jī)調(diào)制與16.7 MHz頻偏發(fā)射機(jī)信號(hào)459.025459.6

47、50 MHz(25 kHz 步進(jìn))控制器的片選信號(hào)64/65 或128/129高頻電子線路高頻電子線路 圖739給出了一個(gè)800MHz蜂窩狀無(wú)線電系統(tǒng)用的666個(gè)信道、微機(jī)控制的移動(dòng)無(wú)線電話頻率合成器。接收機(jī)第一中頻是45MHz,第二中頻是11.7MHz,具有雙工功能,收發(fā)頻差45MHz。參考頻率fr7.5kHz,參考分頻比R1480。環(huán)路總分頻比NT32*NA 2750128188， N=859880,A=031,鎖相環(huán)VCO輸出頻率fvNTfr206.2575211.410MHz。高頻電子線路高頻電子線路圖739 采用MC1451461的800MHz移動(dòng)無(wú)線電話頻率合成器 MC1451461OSCoutfR818fV15LD13鎖定檢測(cè)信號(hào)用于外部鑒相器(供選用)OSCin參考振蕩器(或片內(nèi)振蕩器)76VDD4VSSPDoutFVFRModfinD3D2D1D0A2A1