高頻電子線路陽昌漢版第8章反饋控制電路

1、 概述概述 鎖相環(huán)路基本原理及應(yīng)用鎖相環(huán)路基本原理及應(yīng)用 頻率合成器頻率合成器 自動頻率控制電路自動頻率控制電路 自動增益控制電路自動增益控制電路1 反饋控制電路簡介反饋控制電路簡介 在無線電技術(shù)中，為了改善電子設(shè)備的性能，廣泛采用各種的在無線電技術(shù)中，為了改善電子設(shè)備的性能，廣泛采用各種的反饋控制電路。常用的有自動相位控制（反饋控制電路。常用的有自動相位控制（APC）電路，也稱為鎖）電路，也稱為鎖相環(huán)路（相環(huán)路（PLL-Phase Locked Loop），自動增益控（），自動增益控（AGC）電路以）電路以及自動頻率控制（及自動頻率控制（AFC）電路。）電路。 它們所起的作用不同，電路構(gòu)成也

2、不同，但它們同屬于反饋控它們所起的作用不同，電路構(gòu)成也不同，但它們同屬于反饋控制系統(tǒng)，其基本工作原理和分析方法是類似的。制系統(tǒng)，其基本工作原理和分析方法是類似的。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 8.1 8.1 概概 述述 1. 自動增益控制電路（自動增益控制電路（AGC） 自動增益控制電路是某些電子設(shè)備特別是接收設(shè)備的重自動增益控制電路是某些電子設(shè)備特別是接收設(shè)備的重要輔助電路之一，其主要作用是使設(shè)備的輸出電平保持一定要輔助電路之一，其主要作用是使設(shè)備的輸出電平保持一定的數(shù)值。所以也叫自動電平控制（的數(shù)值。所以也叫自動電平控制（ALC）電路。）電路。 自動增益控制電路是一種反饋控制電路，當(dāng)輸

3、入信號電平變自動增益控制電路是一種反饋控制電路，當(dāng)輸入信號電平變化時，用改變增益的方法，維持輸出信號電平基本不變的一化時，用改變增益的方法，維持輸出信號電平基本不變的一種反饋控制系統(tǒng)。種反饋控制系統(tǒng)。 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 AGC電路接收方框圖如電路接收方框圖如圖圖8.1所示。所示。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映圖8.1 AGC電路的接收方框圖 工作原理工作原理: 它的工作過程是輸入信號經(jīng)放大、變頻、再放大后，到中頻它的工作過程是輸入信號經(jīng)放大、變頻、再放大后，到中頻輸出信號，然后把此輸出電壓經(jīng)檢波和濾波，產(chǎn)生控制電壓輸出信號，然后把此輸出電壓經(jīng)檢波和濾波，產(chǎn)生控制電壓 ，反饋回

4、到中頻、高頻放大器，對他們的增益進(jìn)行控制。所以反饋回到中頻、高頻放大器，對他們的增益進(jìn)行控制。所以這種增益的自動調(diào)整主要由兩步來完成：第一，產(chǎn)生一個隨這種增益的自動調(diào)整主要由兩步來完成：第一，產(chǎn)生一個隨輸入信號而變化的直流控制電壓輸入信號而變化的直流控制電壓 (叫叫AGC電壓電壓)；第二，利用；第二，利用AGC電壓去控制某些部件的增益電壓去控制某些部件的增益, 使接收機(jī)的總增益按照一定使接收機(jī)的總增益按照一定規(guī)律而變化。規(guī)律而變化。 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 產(chǎn)生控制信號的簡單的產(chǎn)生控制信號的簡單的AGC電路如圖電路如圖8.2所示。所示。 圖圖8.2 簡

5、單的簡單的AGC電路電路 工作原理工作原理：圖圖8.2是簡單是簡單AGC電路電路, 這是一種常用的電路。這是一種常用的電路。 是中頻放大是中頻放大管，中頻輸出信號經(jīng)檢波后，除了得到音頻信號外，還有一個平管，中頻輸出信號經(jīng)檢波后，除了得到音頻信號外，還有一個平均分量（直流），它的大小和中頻輸出載波幅度成正比，經(jīng)濾波均分量（直流），它的大小和中頻輸出載波幅度成正比，經(jīng)濾波器器 ，把檢波后的音頻分量濾掉，使控制電壓不受音頻電壓的影，把檢波后的音頻分量濾掉，使控制電壓不受音頻電壓的影響，然后把此電壓（響，然后把此電壓（AGC控制電壓）加到的基極，對放大器進(jìn)行控制電壓）加到的基極，對放大器進(jìn)行增益控制。

6、增益控制。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映2.自動頻率控制（自動頻率控制（AFC）電路）電路 AFC電路也是一種反饋控制電路。他控制的對象是信號的頻電路也是一種反饋控制電路。他控制的對象是信號的頻率，其主要作用是自動控制振蕩器的振蕩頻率。例如，在調(diào)頻發(fā)率，其主要作用是自動控制振蕩器的振蕩頻率。例如，在調(diào)頻發(fā)射機(jī)中如果振蕩頻率漂移，則利用射機(jī)中如果振蕩頻率漂移，則利用AFC反饋控制作用，可以適當(dāng)反饋控制作用，可以適當(dāng)減少頻率變化，可以提高頻率穩(wěn)定度。又如在超外差接收機(jī)中，減少頻率變化，可以提高頻率穩(wěn)定度。又如在超外差接收機(jī)中，依靠依靠AFC系統(tǒng)的反饋調(diào)整作用，可以自動控制本振頻率，使其與系統(tǒng)的反

7、饋調(diào)整作用，可以自動控制本振頻率，使其與外來信號頻率之差值維持在接近中頻得數(shù)值。外來信號頻率之差值維持在接近中頻得數(shù)值。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映2.自動頻率控制（自動頻率控制（AFC）電路）電路 AFC電路也是一種反饋控制電路。他控制的對象是信號的電路也是一種反饋控制電路。他控制的對象是信號的頻率，其主要作用是自動控制振蕩器的振蕩頻率。例如，在頻率，其主要作用是自動控制振蕩器的振蕩頻率。例如，在調(diào)頻發(fā)射機(jī)中如果振蕩頻率漂移，則利用調(diào)頻發(fā)射機(jī)中如果振蕩頻率漂移，則利用AFC反饋控制作用，反饋控制作用，可以適當(dāng)減少頻率變化，可以提高頻率穩(wěn)定度。又如在超外可以適當(dāng)減少頻率變化，可以提高頻率穩(wěn)

8、定度。又如在超外差接收機(jī)中，依靠差接收機(jī)中，依靠AFC系統(tǒng)的反饋調(diào)整作用，可以自動控制本系統(tǒng)的反饋調(diào)整作用，可以自動控制本振頻率，使其與外來信號頻率之差值維持在接近中頻得數(shù)值。振頻率，使其與外來信號頻率之差值維持在接近中頻得數(shù)值。 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映自動頻率控制自動頻率控制(AFC)的原理框圖的原理框圖 圖圖8.3 AFC的原理方框圖的原理方框圖工作原理工作原理: 圖8.3是AFC的原理框圖。被穩(wěn)定的振蕩器頻率f0 與標(biāo)準(zhǔn)頻率fr 在頻率比較器中進(jìn)行比較。當(dāng)f0 = fr時，頻率比較器無輸出，控制元件不受影響；當(dāng) f0 fr時，頻率比較器有誤差電壓

9、輸出，該電壓大小與| f0 - fr | 成正比。此時，控制元件的參數(shù)即受到控制而發(fā)生變化，從而使 發(fā)生變化，直到使頻率誤差 減小到某一定值f ，自動頻率微調(diào)過程停止，被穩(wěn)定的振蕩器就穩(wěn)定在 f0 = f0 f 的頻率上。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 AFC電路是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路電路是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路,由由于它的基本原理利用頻率誤差電壓去消除頻率誤差于它的基本原理利用頻率誤差電壓去消除頻率誤差,這樣這樣,當(dāng)電路達(dá)到平衡時當(dāng)電路達(dá)到平衡時,必然有剩余的頻率誤差存在必然有剩余的頻率誤差存在,無法達(dá)到無法達(dá)到現(xiàn)代通信中對高精度頻率同步現(xiàn)代通信中對高精度頻率同步

10、(頻差為頻差為0)和相位跟蹤的廣和相位跟蹤的廣泛要求泛要求.要實現(xiàn)頻率和相位的跟蹤要實現(xiàn)頻率和相位的跟蹤,必須采用自動相位控制必須采用自動相位控制電路電路,即鎖相環(huán)即鎖相環(huán)(PLL: Prase Locked Loop)點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 鎖相環(huán)路是一個相位誤差控制系統(tǒng)，是將參考信號與輸出信號鎖相環(huán)路是一個相位誤差控制系統(tǒng)，是將參考信號與輸出信號之間的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號的相位，之間的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號的相位，以達(dá)到與參考信號同頻的目的。以達(dá)到與參考信號同頻的目的。 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映參考參考信號信號輸出信號輸出信號

11、圖8.4 鎖相環(huán)系統(tǒng)框圖鑒相器環(huán)路濾波器壓控振蕩器8.2 鎖相環(huán)路基本原理及應(yīng)用鎖相環(huán)路基本原理及應(yīng)用 1. 鎖相環(huán)技術(shù)基礎(chǔ)鎖相環(huán)技術(shù)基礎(chǔ) 在在通信系統(tǒng)中，產(chǎn)生可變的本振信號（通信系統(tǒng)中，產(chǎn)生可變的本振信號（LO:local oscillator）或電路時鐘的）或電路時鐘的方法有倍頻方法有倍頻/混頻、直接數(shù)字頻率合成（混頻、直接數(shù)字頻率合成（DDS:Direct Digital Synthesis）和鎖）和鎖相環(huán)技術(shù)（相環(huán)技術(shù)（PLL）。其中，倍頻）。其中，倍頻/混頻方法雜散較大，諧波難以抑制，混頻方法雜散較大，諧波難以抑制，DDS器件工作頻率較低且功耗較大，而器件工作頻率較低且功耗較大，而P

12、LL技術(shù)相對來說具有應(yīng)用方便靈活與技術(shù)相對來說具有應(yīng)用方便靈活與頻率范圍寬等優(yōu)點，是現(xiàn)階段主流的頻率合成技術(shù)。頻率范圍寬等優(yōu)點，是現(xiàn)階段主流的頻率合成技術(shù)。 目前，目前，PLL半導(dǎo)體芯片的供應(yīng)商主要包括模擬器件公司（半導(dǎo)體芯片的供應(yīng)商主要包括模擬器件公司（ADI）、美國）、美國國家半導(dǎo)體公司（國家半導(dǎo)體公司（NS）和德州儀器（）和德州儀器（TI）等，市場上的主要型號包括）等，市場上的主要型號包括ADF4111(ADI)、LMX2346(NS)和和TRF3750(TI)。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 在鎖相頻率合成器中，鎖相環(huán)路具有穩(wěn)頻作用，能夠完成頻率的加、

13、減、乘、除等運(yùn)算，可以作為頻率的加減器、倍頻器、分頻器等使用。 鎖相環(huán)路應(yīng)用鎖相接收機(jī)微波鎖相振蕩源鎖相調(diào)頻器鎖相鑒頻器定時提?。V波）鎖相頻率合成器點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映鎖相環(huán)的基本原理鎖相環(huán)的基本原理 鎖相環(huán)是一個相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)。它由鑒相器(Phase Detector,縮寫為PD)、環(huán)路濾波器(Loop Filter,縮寫為LF)和電壓控制振蕩器(Voltage Controlled Oscillator,縮寫為VCO)三個基本部件組成,如圖所示。圖8.5 鎖相環(huán)的基本構(gòu)成參 考 信 號PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)輸 出 信 號點擊此處結(jié)束放映點擊

14、此處結(jié)束放映 設(shè)參考信號為( )sin( )rrrru tUtt若參考信號是未調(diào)載波時,則r(t)=r=常數(shù)。設(shè)輸出信號為( )cos( )oooou tUtt兩信號之間的瞬時相差為0000( )()( )()( )errrrtttttt由頻率和相位之間的關(guān)系可得兩信號之間的瞬時頻差為00( )( )erdtdtdtdt（1） （2） （3） （4） 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映鎖定后兩信號之間的相位差表現(xiàn)為一固定的穩(wěn)態(tài)值。即( )lim0etdtdt（5） 此時,輸出信號的頻率已偏離了原來的自由振蕩頻率0(控制電壓uc(t)=0時的頻率),其偏移量由式(4)和(5)得到為 00( )rd

15、tdt (6) 這時輸出信號的工作頻率已變?yōu)?000( )( )rdtdttdtdt(7)點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 1.鑒相器鑒相器(Phase Detector,PD) 鑒相器（PD）又稱為相位比較器,它是用來比較兩個輸入信號之間的相位差e(t)。鑒相器輸出的誤差信號ud(t)是相差e(t)的函數(shù),即基本環(huán)路方程圖8.6 乘法器作為鑒相器是正弦鑒相器模型ui(t)uo(t)LPFud(t)點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映圖8.7 線性鑒相器的頻域數(shù)學(xué)模型1(t)2(t)e(t)Udsin()Udsine(t)點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 若以壓控振蕩器的載波相位0t作為參考,將輸

16、出信號uo(t)與參考信號ur uo(t)=Uocos0t+2(t) (8) ur(t)=Ursinrt+r(t)=Ursin0t+1(t) (9) 式中，2(t)=0(t), 1(t)=(r-0)t+r(t)=0t+r(t) (10)將uo(t)與ur(t)相乘,濾除20分量,可得ud(t)=Udsin1(t)-2(t)=Udsine(t) (11)點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映圖8.8 正弦鑒相器的鑒相特性2 23 220322e(t)Ud(t)點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 說明：說明：在上面的推導(dǎo)中，將兩個輸入信號分別表示在上面的推導(dǎo)中，將兩個輸入信號分別表示為正弦和余弦形式，目的

17、是得到正弦鑒相特性。實際上為正弦和余弦形式，目的是得到正弦鑒相特性。實際上兩者同時都用正弦或余弦表示也可以，只不過得到的將兩者同時都用正弦或余弦表示也可以，只不過得到的將是余弦鑒相特性。而環(huán)路的穩(wěn)定工作區(qū)不管是正弦還是是余弦鑒相特性。而環(huán)路的穩(wěn)定工作區(qū)不管是正弦還是余弦特性，總是處于特性的線性區(qū)域內(nèi)，顯然是用正弦余弦特性，總是處于特性的線性區(qū)域內(nèi)，顯然是用正弦特性（線性區(qū)在坐標(biāo)原點左右對稱）比較方便。特性（線性區(qū)在坐標(biāo)原點左右對稱）比較方便。點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 (a)時域模型 (b)頻域模型 圖8.9 環(huán)路濾波器的模型F(p)uc(t)ud(t)(a)F(s)uc(s)ud(s)

18、(b)2.環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器(Loop Filter,縮寫為縮寫為LF)點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 環(huán)路濾波器(LF)是一個線性低通濾波器,用來濾除誤差電壓ud(t)中的高頻分量和噪聲,更重要的是它對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起到?jīng)Q定性的作用。 1)RC積分濾波器 這是最簡單的低通濾波器,電路如圖所示,其傳遞函數(shù)為1( )1( )( )1sdUsF sUss(12) 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 (a)組成 (b)頻率特性圖8.10 RC積分濾波器的組成與頻率特性 20 lg|F(j)/dB03(對數(shù)刻度)()045906 dB/倍頻程udRCuc(a)(b)/1/點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放

19、映 2)無源比例積分濾波器 無源比例積分濾波器如圖(a)所示。與RC積分濾波器相比,它附加了一個與電容C串聯(lián)的電阻R2,這樣就增加了一個可調(diào)參數(shù)。它的傳遞函數(shù)為21( )1( )( )1cdUssF sUss(13) 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 (a)組成; (b)頻率特性圖8.11 無源比例積分濾波器 20 lg|F(j)/dB03(對數(shù)刻度)()04590udR1Cuc(a)(b)R21211220 lg/1/1/點擊此處結(jié)束點擊此處結(jié)束放映放映 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(a)所示。當(dāng)運(yùn)算放大器開環(huán)電壓增益A為有限值時,它的傳遞函數(shù)為21

20、( )1( )( )1cdUssF sAUss (14) 式中，1=(R1+AR1+R2)C;2=R2C。若A很高,則221121221111( )1()111sR CsR CF sAAs ARRR CsARCsR CssRCs (15) 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映圖8.12 有源比例積分濾波器 (a)電路; (b)頻率特性CR1uducR220 lg|F(j)/dB0(對數(shù)刻度)()045(b)1220 lg20 lg212906 dB/倍頻程(a)/(對數(shù)刻度)1/點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 3. 壓控振蕩器壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator

21、,縮寫為縮寫為VCO) 壓控振蕩器(VCO)是一個電壓-頻率變換器,在環(huán)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的輸出對鑒相器起作用的不是瞬時角頻率而是它的瞬時相位,即 00( )( )vctk u t（16） 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映0000200( )( )( )( )ttvctct dttkudtkud（17） （18） 可知以0t為參考的輸出瞬時相位為 由此可見,V

22、CO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(18)就是壓控振蕩器相位控制特性的數(shù)學(xué)模型,若對式(18)進(jìn)行拉氏變換,可得到在復(fù)頻域的表示式為2002( )( )( )ccUsksksUss（19） （20） VCO的傳遞函數(shù)為 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映圖8.13 VCO的復(fù)頻域模型 pK0uc(t)2(t)(a)sK0uc(s)2(s)(b)點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 4. 環(huán)路相位模型和基本方程環(huán)路相位模型和基本方程 復(fù)時域分析時可用一個傳輸算子F(p)來表示,其中p(d/dt)是微分算子。由圖,我們可以得出鎖相環(huán)路的基本方程1202( )( )( )

23、( )sin( ) ( )edetttKtUt F pp(21) (22) 圖8.14 鎖相環(huán)路的相位模型 1(t)e(t)Udsinud(t)F(p)uc(t)pK02(t)點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 將式(22)代入式(21)得10( )( )sin( ) ( )edeptptK Ut F p（23） 設(shè)環(huán)路輸入一個頻率r和相位r均為常數(shù)的信號,即00( )sinsin()rrrrrrru tUtUtt 式中，0是控制電壓uc(t)=0時VCO的固有振蕩頻率;r是參考輸入信號的初相位。 令 10100( )()( )rrrttpt （24） 則 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映將式(

24、24)代入式(23)可得固定頻率輸入時的環(huán)路基本方程:00( )sin( ) ( )edeptK Ut F p （25） 右邊第二項是閉環(huán)后VCO受控制電壓uc(t)作用引起振蕩頻率v相對于固有振蕩頻率0的頻差(v-0),稱為控制頻差。由式(25)可見,在閉環(huán)之后的任何時刻存在如下關(guān)系: 瞬時頻差=固有頻差-控制頻差 000()()()vrvrv （26） 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映鎖相環(huán)工作過程的定性分析鎖相環(huán)工作過程的定性分析 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,瞬時相差e(t)趨向于一個固定值,并一直保持下去,即滿足lim( )0etpt（27） 鎖定時的環(huán)

25、路方程為00sin( ) ( 0)( )arcsin( 0)odeeodK UF jK U F j （28） （29） 從中解得穩(wěn)態(tài)相差點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 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相對于0偏移了0而與參考角頻率r相等的結(jié)果。即0000sin( ) ( 0)vderK UF j （30） 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 2. 跟蹤過程 當(dāng)v大得足以補(bǔ)償固有頻差0時,環(huán)路維持鎖定,因而有 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:000 ma

26、x0sin( ) ( 0)( 0)vdedK UF jK U F j 0max0( 0)HdK U F j （31） 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 3.失鎖狀態(tài) 失鎖狀態(tài)就是瞬時頻差(r-v)總不為零的狀態(tài)。這時,鑒相器輸出電壓ud(t)為一上下不對稱的穩(wěn)定差拍波,其平均分量為一恒定的直流。這一恒定的直流電壓通過環(huán)路濾波器的作用使VCO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)。 點擊此處結(jié)束放映點擊此處結(jié)束放映 4. 捕獲過程 開機(jī)時,鑒相器輸入端兩信號之間存在著起始頻差(即固有頻差)0,其相位差0t。因此,鑒相器輸出的是一個角頻率等于頻差0的差拍信號,即0( )sin()ddutUt（32） 若0很大,ud(t)差拍信號的拍頻很高,易受環(huán)路濾波器抑制