1、通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成 6.1 AGC和和AFC 6.2 鎖相環(huán)鎖相環(huán)PLL 6.3 鎖相頻率合成器鎖相頻率合成器 6.4直接數(shù)字頻率合成器（直接數(shù)字頻率合成器（DDS） North China Electric Power UniversityNorth China Electric Power University 通信電子電路 第6章 反饋控制電路與頻率合成基本概念基本概念常用的反饋控制電路可分為以下三類：自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）自動頻率控制（Automatic Frequency Control，AFC）自動相位控制（Au

2、tomatic Phase Control，APC）其中自動相位控制電路又稱為鎖相環(huán)路（Phase Locked Loop，PLL），是應(yīng)用最廣的一種反饋控制電路。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成6.1 AGC和和AFC6.1.1自動增益控制自動增益控制AGC一、一、AGC電路的組成電路的組成AGC電路使接收通道中的高放和中放電路在接收信號較弱時，保持高增益；而接收信號較強時，使高放和中放的增益自動降低，以保持輸出信號強度基本不變。AGC電路的組成框圖如下圖： 設(shè)可控增益放大器在UAGC =0時（即不需控制

3、時）的輸出電壓幅度為Uo，則當(dāng)實際輸出電壓振幅偏離Uo時，UAGC 0，就可控制可控放大器的增益，使輸出電壓向Uo靠近。North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成通過不斷反饋調(diào)節(jié)使AGC控制過程穩(wěn)定下來，得到穩(wěn)定的UAGC，最終得到穩(wěn)定的接收通道輸出電壓Uo ，該值只能接近Uo，而不等于Uo。也就是說，無論何種情況，通過環(huán)路不斷地循環(huán)反饋，使輸出信號振幅保持基本不變或僅在較小范圍內(nèi)變化，AGC控制電路是有誤差的控制電路。下圖為帶有AGC電路的接收通道框圖：圖中的AGC檢波器不同于包絡(luò)檢波器，AGC檢波器的輸出反映的是載

4、波電壓（直流）的變化，而不是包絡(luò)的變化。直流放大器輸出的AGC控制電壓控制接收通道中的高頻放大器和中頻放大器，使其增益在強信號時下降而弱信號時增加，達到AGC的目的。 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urNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成二、二、AGC電路的主要性能指標電路的主要性能指標1、動態(tài)范圍在給定輸出信號幅值變化范圍內(nèi)，容許輸入信號振幅的變化越大，則表明AGC電路的動態(tài)范圍越寬，性能越好。輸出動態(tài)范圍：AGC電路限定的輸出信號振幅最大值與最小值之比，即mo=Uomax/Uomin

5、；輸入動態(tài)范圍：AGC電路容許的輸入信號振幅最大值與最小值之比 ，即mi=Uimax/Uimin 則nAGC是可控增益放大器的增益控制倍數(shù)： AGCvvioioooiioinKKUUUUUUUUmmminmaxmaxmaxminminminmaxminmaxNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成上式中，Kvmax是輸入信號振幅最小時可控增益放大器的增益，它表示AGC電路的最大增益；Kvmin是輸入信號振幅最大時可控增益放大器的增益，它表示AGC電路的最小增益。顯然，nAGC =mi/mo越大，表明AGC電路輸入動態(tài)

6、范圍越大，而輸出動態(tài)范圍越小，則AGC性能越佳，這就要求可控增益放大器的增益控制倍數(shù)nAGC盡可能大。nAGC也可稱為增益動態(tài)范圍，通常用分貝數(shù)表示。2、響應(yīng)時間要求AGC電路的反應(yīng)既要能跟得上輸入信號振幅的變化速度，又不會出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象，這就是響應(yīng)時間特性。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成【例】某接收機輸入信號振幅的動態(tài)范圍是62dB，輸出信號振幅限定的變化范圍為30%。若單級放大器的增益控制倍數(shù)為20dB，問需要多少級AGC電路才能滿足要求？【解】由題意可得：則接收機AGC系統(tǒng)的增益控制倍數(shù)為：nAGC

7、 =20lg(mi/mo)=20lg mi -20lg mo =62-2.28=59.72(dB)所需AGC電路的級數(shù)為：N=59.72/203)(28. 2) 3 . 01lg(201lg20lg20lg20minminmaxminmaxdBUUUUUmooooooNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成三、三、AGC控制電路類型控制電路類型1、簡單AGC電路在簡單AGC電路里，參考電平Ur0，無論輸入信號振幅Ui大小如何，AGC的作用都會使增益K減小，從而使輸出信號振幅Uo減小。簡單AGC電路特性曲線及框圖如右圖

8、：簡單AGC電路的優(yōu)點是線路簡單，在實用電路里不需要電壓比較器；缺點是對微弱信號的接收很不利，因為只要輸入電壓不為0，AGC就會起控制作用，所以只適用于輸入信號振幅較大的場合。 Uo0UiNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成2、延遲AGC電路在延遲AGC電路里有一個起控門限，即比較器參考電平Ur 。它對應(yīng)的輸入信號振幅就是延遲AGC特性曲線中的Uimin。當(dāng)輸入信號Ui小于Uimin時， 反饋環(huán)路斷開，AGC不起作用，當(dāng)輸入信號Ui大于Uimax后，AGC作用消失。可見， Uimin與Uimax區(qū)間即為所容許的輸

9、入信號的動態(tài)范圍，Uomin與Uomax區(qū)間即為對應(yīng)的輸出信號的動態(tài)范圍。這種AGC電路由于需要延遲到Ui Uimin之后才開始控制作用，故稱為延遲AGC，“延遲”二字不是指時間上的延遲。 Uo0UiUominUomaxUiminUimaxNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成下圖是延遲AGC的局部應(yīng)用電路，圖中VD、R1和C1為AGC檢波器，R和C為低通濾波器，作為門限的延遲電壓由Vcc經(jīng)電阻分壓后獲得，晶體管集電極信號作為輸入電壓與延遲電壓疊加后送到AGC檢波器。當(dāng)輸入電壓小于延遲電壓時，二極管VD不導(dǎo)通，AG

10、C電壓為零，AGC電路不起作用；當(dāng)輸入電壓大于延遲電壓時，二極管VD開始導(dǎo)通，產(chǎn)生AGC電壓，AGC電路起作用。 至信號檢波延遲電壓VCCC1R1RCAGC電壓VDNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成四、可控增益放大器四、可控增益放大器可控增益放大器電路是在控制信號作用下改變增益，從而改變輸出信號的電平，達到穩(wěn)定輸出電平的目的。控制放大器增益的方法主要有兩種：一是通過改變放大器本身的某些參數(shù)，如發(fā)射極電流、負載、電流分配比、恒流源電流、負反饋大小等來控制其增益；二是插入可控衰減器來改變整個放大器的增益。1、三極管

11、增益控制電路、三極管增益控制電路具有AGC功能的三極管通常是特制的三極管，管子的正向傳輸導(dǎo)納yfe隨靜態(tài)發(fā)射極電流IE的改變而迅速變化，三極管yfeIE特性曲線 如右圖：North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成反向AGC：如果把靜態(tài)工作點選在IEQ點，當(dāng)IEIEQ時，yfe隨IE減小而下降；正向AGC：當(dāng)IEIEQ時，|yfe|隨IE增加而下降。 反向AGC的優(yōu)點是工作電流較小，對晶體管安全工作有利，但工作范圍較窄，而正向AGC正好相反。 正向AGC電路的缺點是，當(dāng)工作電流IE變化時，晶體管輸入輸出電阻、電容也會發(fā)生

12、變化，因此將影響放大器的幅頻特性、相頻特性和回路Q值。但由于電路簡單，在一些要求不太高的AGC電路中仍被廣泛應(yīng)用。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成三極管增益控制的典型電路（a） ：圖中的AGC控制電壓UAGC從發(fā)射極注入，為正電壓，與輸入電壓振幅Ui的變化方向相同，是一種反向AGC。控制過程為：UiUoUAGCUbeIEyfeKvUo North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成三極管增益控制的典型電路（b） ：圖（b）中的AGC控制

13、電壓UAGC從基極注入，也為正電壓，與輸入電壓振幅Ui的變化方向相同，是正向AGC。控制過程為： UiUoUAGCUbeIEyfeKvUoNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成2、差分放大器發(fā)射極負反饋增益控制電路、差分放大器發(fā)射極負反饋增益控制電路右圖為集成電路中常用的發(fā)射極負反饋增益控制電路，三極管T1和T2組成差分放大器。信號從T1和T2的兩個基極雙端輸入，從兩個集電極雙端輸出。控制信號UAGC從T3基極注入，二極管VD1、VD2和電阻Re1、Re2構(gòu)成發(fā)射極負反饋電路，且電路對稱。二極管VD1、VD2導(dǎo)通與

14、否取決于Re1和Re2上的電壓。 控制過程為：UAGCIc3IDRDReKv 利用這種電路進行增益控制時，UAGC應(yīng)該隨Ui的增大而減小。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成3、可控衰減器增益控制電路、可控衰減器增益控制電路可控衰減器是由二極管和電阻組成的分壓電路，利用AGC電壓控制二極管導(dǎo)通電阻RD，從而改變分壓比，達到對信號衰減量的控制。下圖是用VD1、VD2和電阻R1組成的可控衰減器，控制電壓UAGC應(yīng)隨輸入信號Ui的增大而減小，才能實現(xiàn)控制。 North China Electric Power Uni

15、versity 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成4、實用、實用AGC系統(tǒng)系統(tǒng)下圖是電視機中的AGC系統(tǒng)：由高頻放大、三級中頻放大、視頻檢波、AGC檢波和AGC放大等電路組成。第一級延遲：當(dāng)Ui超過某一定值Ui1后, 先對中放進行增益控制，而高放增益不變；第二級延遲：當(dāng)Ui超過另一定值Ui2后，中放增益不再降低，而高放增益開始起控。采用兩級延遲AGC的優(yōu)勢在于當(dāng)輸入信號不是很大時，保持高放級處于最大增益，可使高放級輸出信噪比不降低，有利于降低接收機的總噪聲系數(shù)。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成6.1

16、.2 自動頻率控制自動頻率控制AFCAFC電路的控制對象則是信號的頻率，其主要作用是自動控制振蕩器的振蕩頻率。 一、一、AFC的工作原理的工作原理AFC電路由混頻器-鑒頻器（頻率比較器）、低通濾波器和壓控振蕩器VCO（可控頻率器件）組成，其方框圖如下圖。這是一個閉環(huán)的負反饋系統(tǒng)，由于AFC電路的控制參量是頻率，所以其中的關(guān)鍵部分是VCO。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成將輸入信號頻率i與VCO的頻率o送入混頻器，混頻器的輸出是i與o的差頻 。當(dāng)0時，鑒頻器將輸出一個電壓ud，ud經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后

17、得到一個緩慢變化的電壓uc作為VCO的控制電壓。在uc的控制下，VCO的振蕩頻率o發(fā)生變化，使得o逐漸接近i，這個過程稱為頻率跟蹤過程。當(dāng)調(diào)節(jié)至很小時，電路就趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這時的稱為剩余頻差，記為。 AFC電路的鑒頻和壓控特性如下圖：鑒頻和壓控靈敏度越大，兩條曲線越陡峭，AFC的控制能力越強。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成二、二、AFC在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用調(diào)幅接收機中AFC電路方框圖：當(dāng)本振角頻率發(fā)生偏移L而變成L +L，則混頻后的中頻將變成I +I。此中頻信號經(jīng)中放后送入鑒頻器，鑒頻器將

18、產(chǎn)生相應(yīng)的誤差電壓，經(jīng)低通濾波后控制本振的角頻率L，使其向相反方向變化，從而使混頻后的中頻也向相反方向變化，實際中頻與I的偏離值將遠小于I,，從而實現(xiàn)了穩(wěn)定中頻的目的。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成調(diào)頻通信機的AFC系統(tǒng)方框圖：這是以固定中頻fI作為鑒頻器的中心頻率，亦作為AFC系統(tǒng)的標準頻率，其調(diào)節(jié)過程同基本原理類似。AFC電路是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，由于它的基本原理是利用頻率誤差電壓去消除頻率誤差，所以當(dāng)電路達到平衡狀態(tài)之后，必然有剩余頻率誤差存在，即頻差不可能為零，這是一個不可克服的缺

19、點。 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f0North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成6.2 鎖相環(huán)鎖相環(huán)PLLPLL是一個自動相位誤差控制（APC）系統(tǒng)，是將參考信號與輸出信號的相位進行比較，產(chǎn)生相位誤差來調(diào)整輸出信號的相位，以消除頻率誤差，達到與參考信號同頻的目的。6.2.1鎖相環(huán)的基本組成及環(huán)路方程鎖相環(huán)的基本組成及環(huán)路方程一、鎖相環(huán)的組成一、鎖相環(huán)的組成 鎖相環(huán)路由鑒相器（Phase Detector，PD）、環(huán)路濾波器（Loop Filter，LF

20、）和壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）三個基本部分組成，如下圖： 參 考 信 號PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)輸 出 信 號North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成鑒相器（PD）：是相位比較器，用來比較參考信號ur(t)與壓控振蕩器輸出信號uo(t)的相位，產(chǎn)生對應(yīng)于這兩個信號的相位差的誤差電壓ud(t)；環(huán)路濾波器（LF）：是低通濾波器，用來濾除ud(t)中的高頻分量及噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器（VCO）：受環(huán)路濾

21、波器輸出電壓uc(t)的控制，使振蕩頻率向參考信號的頻率接近，使兩者的頻差越來越小，直到兩者的頻率相等，頻差為零，并保持一個較小的剩余相位差為止。鎖相環(huán)就是壓控振蕩器被一個外來基準參考信號控制，使得壓控振蕩器輸出信號的相位和參考信號的相位保持某種特定關(guān)系，達到相位同步或相位鎖定的目的。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成二、鎖相環(huán)的相位模型和環(huán)路方程二、鎖相環(huán)的相位模型和環(huán)路方程1、鑒相器設(shè)鑒相器的輸入?yún)⒖夹盘栯妷簎r(t)和壓控振蕩器輸出信號電壓uo(t)分別為：上式中，r為輸入?yún)⒖夹盘柕慕穷l率；r(t)為輸

22、入信號以其載波相位rt為參考的瞬時相位；o為壓控振蕩器輸出信號的中心角頻率；o(t)為壓控振蕩器輸出信號以其相位ot為參考的瞬時相位。 兩個信號之間的瞬時相差e(t)為：( )sin( )rrrru tUtt( )cos( )oooou tUtt)()()()()()()()(tttttttttttorororoorreNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成當(dāng)o是VCO的固有振蕩頻率時，則為環(huán)路的固有頻差。令1(t)= t +r(t)，2(t)= o(t)，則 e(t)= 1(t)- 2(t)常用的乘積型鑒相器或疊

23、加型鑒相器都具有正弦特性，即 ud(t)=Kd sine(t)式中Kd是鑒相器的鑒相靈敏度，單位是V/rad。正弦鑒相器的相位模型及鑒相特性曲線如下圖： 1(t)2(t)e(t)Udsin()Udsine(t) 2 2 3220322e(t)Ud(t)North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成2、環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器通常采用一階RC低通濾波器，由線性元件組成，用于濾除鑒相器中無用的頻率分量、噪聲和干擾等，它對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。下圖是環(huán)路濾波器的頻域模型，其中F為傳遞函數(shù)。3、壓控振蕩器壓控振蕩器的瞬時振蕩頻

24、率o(t)受電壓uc(t)的控制，下圖的壓控特性曲線如同調(diào)頻電路的調(diào)制特性曲線。F(p)uc(t)ud(t)(a)F(s)uc(s)ud(s)(b)North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成壓控特性曲線中，o是uc(t)=0時VCO的振蕩頻率，稱為VCO的固有振蕩頻率。壓控特性曲線從整體上看，o(t)與uc(t)是非線性的控制關(guān)系，但在一定范圍內(nèi)，o(t)與uc(t)可以近似為線性的，對于線性部分的控制關(guān)系為 o(t) =o +Kouc(t) 上式中Ko為壓控靈敏度，單位為rad/Vs或Hz/V。由于鑒相器比較的是兩個

25、輸入信號的瞬時相位，即則VCO的輸出瞬時變化相位2(t)= o(t)為dttuKtdtttcooto)()(00dttuKttco)()(02North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成可見，VCO在鎖相環(huán)路中起著理想積分作用，也稱它為環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)，用微分算子表示的數(shù)學(xué)模型如下圖：三、鎖相環(huán)的環(huán)路方程三、鎖相環(huán)的環(huán)路方程鎖相環(huán)路相位模型如下圖： pK0uc( t )2( t )( a )sK0uc( s )2( s )( b )North China Electric Power University 通信電子電

26、路第6章 反饋控制電路與頻率合成由相位模型框圖可得：整理后可得環(huán)路基本方程為：環(huán)路基本方程物理解釋：瞬時角頻差Se(t)：瞬時相差隨時間變化率。表示VCO瞬時振蕩角頻率偏離輸入信號角頻率的數(shù)值，即r-o(t)。控制角頻差Kd K0F(S)sine(t)：表示VCO在控制電壓uc(t)的作用下，產(chǎn)生的瞬時振蕩角頻率o(t)偏離o的數(shù)值，即o(t)- o。輸入固有角頻差S1(t)：輸入信號相位隨時間的變化率。表示輸入信號角頻率偏離VCO的o的數(shù)值，即=r-o，當(dāng)輸入信號角頻率和相位不變的條件下，為一個固定值。 )(sin)()()()()()()()()()(01010121tKSFSKttuSF

27、SKttuSKtttteddce)()(sin)()(10tStSFKKtSedeNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成環(huán)路方程表明，環(huán)路閉合后的任何時刻，瞬時角頻差和控制角頻差之和恒等于輸入固有角頻差，即：瞬時角頻差控制角頻差輸入固有角頻差。鎖相環(huán)路方程反映了鎖相環(huán)瞬時頻率的變化規(guī)律，但由于方程中含有sine(t)項，所以它是非線性微分方程，這是由鑒相特性的非線性決定的。方程的階數(shù)取決于環(huán)路濾波器的階數(shù)，如果不使用環(huán)路濾波器，則基本方程為一階微分方程，這種鎖相環(huán)稱為一階鎖相環(huán)，也就是F(S)等于1的環(huán)路；如果環(huán)路

28、濾波器是一階低通，環(huán)路方程為二階微分方程，此時鎖相環(huán)稱為二階鎖相。總之，環(huán)路基本方程的階數(shù)高于濾波器一階。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成6.2.2鎖相環(huán)的鎖定、捕捉與同步鎖相環(huán)的鎖定、捕捉與同步一、環(huán)路鎖定的基本概念一、環(huán)路鎖定的基本概念環(huán)路的輸出及輸入信號可用矢量分別表示為 uo(t)和ur(t)，它們分別以o 和r速度繞原點反時針旋轉(zhuǎn)，如圖。若環(huán)路閉合前，r(t)o(t)（反之亦然），則ur比uo旋轉(zhuǎn)快，存在相位差e(t)，且是時間的增長函數(shù)。環(huán)路閉合后，有控制電壓uc(t)產(chǎn)生，在uc(t)的作用下

29、，控制角頻差就存在，使uo的旋轉(zhuǎn)速度加快，以趕上輸入矢量ur的旋轉(zhuǎn)。UiUoNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成當(dāng)控制角頻差增大到等于輸入固有角頻差時，瞬時角頻差為零，二個矢量達到等速旋轉(zhuǎn)，即二個信號頻率相等，則相位誤差的變化必滿足：上式是環(huán)路相位鎖定的數(shù)學(xué)含義，此時e(t)為常數(shù)，一般用e()或e表示。在實際中，并不需要時間取無窮大，只要滿足工程上允許的頻差或相差，就可認為環(huán)路鎖定。若不滿足以上關(guān)系式，稱環(huán)路處于失鎖狀態(tài)。0)(lim)(limdttdtSetetNorth China Electric Pow

30、er University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成環(huán)路進入鎖定狀態(tài)后的特點：壓控振蕩器受環(huán)路控制，VCO輸出信號的角頻率能跟蹤輸入信號角頻率，即o(t)= r(t)。環(huán)路鎖定后，沒有剩余頻差，即Se()=0，e()為固定值。即輸入信號與壓控振蕩器輸出信號之間只存在一個固定的穩(wěn)態(tài)相位差，稱為剩余相差或穩(wěn)態(tài)相差。環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，鑒相器輸出電壓為直流，即 ud(t)=Kd sine環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，由環(huán)路方程可得： Kd K0F(S)sine= North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成由于鎖定時，

31、鑒相器輸出電壓ud(t)為直流，因此環(huán)路濾波器的濾波系數(shù)為F(0)，則有Kd K0F(0)sine=，所以剩余相差為：上式中，K = Kd K0F(0)為環(huán)路的直流總增益，通常稱為環(huán)路增益，單位為rad/s。可見，穩(wěn)態(tài)相差e的作用是使環(huán)路所產(chǎn)生的控制角頻差等于環(huán)路固有角頻差，此時環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。KFKKdearcsin)0(arcsin0North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成二、二、PLL的捕捉與同步（跟蹤）的捕捉與同步（跟蹤）（1）捕捉過程設(shè)起始 tto時是失鎖的，從to時刻開始，到ta 時刻，滿足工程上允許的

32、頻差或相差，環(huán)路鎖定，則由to到ta的相位調(diào)節(jié)過程是環(huán)路的捕捉過程。評價捕捉過程的性能指標：環(huán)路的捕捉時間：Tp=ta-to，捕捉時間Tp與環(huán)路初始狀態(tài)及環(huán)路自身的調(diào)節(jié)能力有關(guān)。捕捉帶p：是環(huán)路能獲得鎖定的最大起始固有頻差。當(dāng)起始固有頻差大于捕捉帶時，環(huán)路不可能進入鎖定。即輸入頻率與VCO的o之間相差太大，超出捕捉帶范圍，環(huán)路就失鎖。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成（2）同步（跟蹤）過程設(shè)起始tto時，環(huán)路已處于鎖定狀態(tài)，而從to時刻開始，出現(xiàn)PD的二個輸入信號頻率不相等（失鎖）的情況。只要二個頻率之間偏離

33、變化不超過一定范圍，環(huán)路就有維持鎖定的能力，即VCO的輸出頻率可跟蹤環(huán)路輸入頻率變化，這種跟蹤變化的過程稱為環(huán)路的同步（跟蹤）過程。評價同步過程的性能指標：環(huán)路的同步帶：環(huán)路能維持鎖定或跟蹤狀態(tài)的最大固有頻差，用H表示。同步過程可以認為環(huán)路始終是鎖定的，而r(t)的改變意味著固有頻差也要改變，穩(wěn)態(tài)相差e也在改變。當(dāng)e達到/2時，固有頻差達到最大，即 = K，也就是說，固有頻差的最大值為K，即 H = K North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成PLL概念小結(jié)概念小結(jié)：1、環(huán)路閉合后的任何時刻，瞬時角頻差與控制角頻差之

34、和恒等于輸入固有角頻差。2、環(huán)路鎖定后，無剩余頻差，但存在剩余（穩(wěn)態(tài)）相差。3、當(dāng)輸入固有頻差大于捕捉帶（或同步帶）時，將使環(huán)路失去捕捉和跟蹤能力，導(dǎo)致失鎖。4、當(dāng)固定時，環(huán)路增益K越大，維持鎖定所需的e越小，捕捉時間越短，同步帶越大；5、當(dāng)K固定時，越大，相應(yīng)的e越大。6、當(dāng)在大于K時，剩余相差表達式將無解不成立，兩個信號的頻率不再相等，出現(xiàn)了瞬時頻差，環(huán)路失鎖。顯然， H = K North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成6.2.3鎖相環(huán)的各部分電路鎖相環(huán)的各部分電路一、鑒相器一、鑒相器PD理想鑒相器的輸出電壓與二

35、個輸入信號的相位差成正比。 模擬鑒相器：輸入可以是各種模擬信號，適用于模擬鎖相 環(huán)。較多用于鎖相解調(diào)。數(shù)字鑒相器：輸入必須是數(shù)字信號，適用于數(shù)字鎖相環(huán)，鑒 相靈敏度比模擬 PD高，較多用于頻率合成器。1、模擬鑒相器模擬鑒相器由模擬乘法器和低通電路構(gòu)成： ui(t)uo(t)LPFud(t)North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成設(shè)鑒相器輸入信號ui就是參考信號ur，VCO的輸出信號頻率為o， 則： uo(t)=Uocosot+2(t) ui(t)=ur(t)=Urcosrt+ 1(t) 將uo(t)與ui(t)相乘可

36、得u(t)，環(huán)路鎖定（ r = o）時可得： u(t)=（1/2)KUoUrcos(1(t)2(t)+cos(2ot +1(t) +2(t)經(jīng)低通濾波器濾除2o分量，并將最大輸出電壓幅度用鑒相靈敏 Kd表示，可得 ud(t)= Kdcos1(t)- 2(t)=Kdcose(t)顯然，模擬鑒相器的鑒相特性是余弦特性，而且有一定相乘增益，因而鑒相增益也較大。North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成模擬鑒相器的余弦特性：當(dāng)兩個輸入信號同相位或反相位時，即e=-、0、時，鑒相器輸出最大值Kd；當(dāng)兩個輸入信號正交時，即e=-/

37、2、/2、3/2、時，鑒相器輸出為零；在-0或0期間，鑒相器呈現(xiàn)余弦特性。 如果鑒相器兩個輸入信號的幅度足夠大，由于相乘器中雙差分電路的限幅作用，將兩輸入信號等效為兩個同頻矩形脈沖輸入，這時鑒相特性 等效為三角波特性，如下圖中虛線所示，這種三角波特性在-0或0期間，ud(t)隨e是線性變化關(guān)系。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成2、數(shù)字鑒相器數(shù)字鑒相器常用異或門邏輯電路、R-S觸發(fā)器、雙D觸發(fā)器和四D觸發(fā)器等組成。下圖是MC14046片內(nèi)鑒相器電路圖：電路包含了兩個相位比較器，相位比較器是一個異或門邏輯電路，

38、相位比較器是一個四D觸發(fā)器，輸出部分由兩個MOS場效應(yīng)管T1和T2組成電荷泵。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成相位比較器波形和輸出鑒相特性： （a）比較器 （b）比較器 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成二、環(huán)路濾波器二、環(huán)路濾波器LF環(huán)路濾波器是一個線性濾波器，用來濾除誤差電壓ud中的高頻分量和噪聲，對VCO的控制電壓uc起著平滑的作用，因而對鎖相環(huán)的性能，包括捕捉范圍、鎖定時間等都有較大影響。所以，環(huán)路濾波器的設(shè)計優(yōu)劣將

39、直接影響環(huán)路性能。常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器（圖a）、RC無源比例積分濾波器（圖b）、RC有源比例積分濾波器（圖c）和理想積分濾波器等。 圖a 圖b 圖cNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成三、壓控振蕩器三、壓控振蕩器VCO壓控振蕩器VCO是一個電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路，它在PLL中作為受控振蕩器完成環(huán)路的頻率輸出。實際中，VCO就是一個調(diào)頻器，可以由含有變?nèi)莨艿姆至⒃M成，也可以是集成壓控振蕩器。VCO的主要性能指標：頻率范圍。VCO的頻率范圍是指受控可變的最高頻率fmax與最低頻率fmin之差，希望這個范圍

40、越寬越好。線性度。實際控制特性相對于理想線性控制的偏移，理想的VCO特性應(yīng)是線性的。壓控靈敏度。壓控靈敏度指單位控制電壓所產(chǎn)生的頻率變化量，相當(dāng)于調(diào)頻電路的調(diào)制靈敏度SF。調(diào)制帶寬，就是允許控制電壓的最大速率。工作電壓。VCO的控制電壓和工作電壓都應(yīng)在系統(tǒng)所提供的電源電壓范圍內(nèi)。噪聲，VCO的噪聲將影響頻譜純度。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成6.2.4鎖相環(huán)路的應(yīng)用鎖相環(huán)路的應(yīng)用一、鎖相混頻電路一、鎖相混頻電路鎖相混頻電路的基本組成方框圖如下圖，這是在鎖相環(huán)路的反饋通道中插入混頻器和中頻放大器組成的。設(shè)輸

41、入鑒相器的外來信號頻率為s(t)，混頻器的本振頻率為L(t)，VCO的輸出頻率為o(t)， VCO的輸出頻率是和頻還是差頻僅取決于oL或oL。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成【例】現(xiàn)有兩個頻率分別為10MHz和1000Hz的標準信號，需要得到一個頻率為10.001MHz的信號，應(yīng)如何實現(xiàn)？二、鎖相調(diào)頻電路二、鎖相調(diào)頻電路鎖相調(diào)頻電路組成方框如下圖。圖中，VCO不僅是鎖相環(huán)中實現(xiàn)相位積分環(huán)節(jié)的部件，也是一個調(diào)頻器，調(diào)制信號作用于VCO，VCO的輸出即為調(diào)頻波。鎖相調(diào)頻中的環(huán)路濾波器為窄帶濾波器，鎖相環(huán)僅僅對載

42、頻進行跟蹤鎖定，使輸出調(diào)頻波的中心頻率穩(wěn)定度很高，而調(diào)制信號對VCO直接調(diào)頻，使輸出FM波頻偏寬且載波頻穩(wěn)度高。這種鎖相環(huán)路稱為載波跟蹤型PLL。 晶振鑒相低通濾波VCO調(diào)制信號調(diào)頻波輸出North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成三、鎖相調(diào)頻解調(diào)電路三、鎖相調(diào)頻解調(diào)電路鎖相調(diào)頻解調(diào)電路的組成方框如下圖，調(diào)頻信號作為鑒相器PD的一個輸入，解調(diào)信號從環(huán)路濾波器LF和壓控振蕩器VCO之間輸出。在調(diào)頻鎖相解調(diào)電路中，為了實現(xiàn)不失真解調(diào)，環(huán)路的捕捉帶必須大于輸入調(diào)頻波的最大頻偏，環(huán)路濾波的帶寬必須大于輸入調(diào)頻波中調(diào)制信號的頻譜寬

43、度。 PDLFVCOFM解調(diào)輸出解調(diào)輸出North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成四、鎖相同步檢波器四、鎖相同步檢波器用鎖相環(huán)路對調(diào)幅波進行解調(diào)，實質(zhì)上就是利用鎖相環(huán)路恢復(fù)出與輸入調(diào)幅信號同頻同相的同步信號，完成同步檢波。鎖相同步檢波電路的組成方框圖如下圖：由于壓控振蕩器輸出信號與輸入?yún)⒖夹盘枺ㄒ颜{(diào)幅波）的載波分量之間有固定的90相移，因此，必須經(jīng)過相移器將其變成與已調(diào)幅波載波分量同相的信號，并與已調(diào)幅波共同加到同步檢波器（如相乘器）上，才能得到所需的解調(diào)信號。 North China Electric Power U

44、niversity 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成五、鎖相接收機（窄帶跟蹤接收機）五、鎖相接收機（窄帶跟蹤接收機）鎖相接收機（窄帶跟蹤接收機）的帶寬很窄，又能跟蹤信號，因此能大大提高接收機的信噪比。混頻器輸出的中頻信號經(jīng)中頻放大后，與本地晶振產(chǎn)生的中頻標準參考信號同時加到鑒相器上，如果兩者的頻率有偏差，鑒相器的輸出電壓經(jīng)環(huán)路濾波后就去控制壓控振蕩器的頻率，使混頻器輸出的中頻被鎖定在本地標準中頻上。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成六、鎖相倍頻電路六、鎖相倍頻電路鎖相倍頻電路是在基本鎖相環(huán)路的基礎(chǔ)上

45、增加了一個N分頻器。鎖相倍頻器比普通倍頻器更優(yōu)越，主要表現(xiàn)在：鎖相倍頻器具有良好的窄帶濾波特性，容易得到高純度的頻率輸出；而在普通倍頻器的輸出中，經(jīng)常出現(xiàn)諧波干擾。鎖相倍頻器具有良好的跟蹤特性和濾波特性，鎖相倍頻器特別適用于輸入信號頻率在較大范圍內(nèi)漂移，并同時伴有噪聲的情況，這樣的環(huán)路兼有倍頻和跟蹤濾波的雙重作用。 fr環(huán)路濾波器LF壓控振蕩器(VCO)VdfoVC相位檢波器(PD) Nfdf0 NfrNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成七、鎖相分頻電路七、鎖相分頻電路鎖相分頻電路與鎖相倍頻電路相似，區(qū)別在于鎖相

46、環(huán)路的反饋通道中用N倍頻器代替鎖相倍頻電路中的N分頻器。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成6.2.5鎖相環(huán)的典型產(chǎn)品及應(yīng)用鎖相環(huán)的典型產(chǎn)品及應(yīng)用模擬鎖相環(huán)：大多是雙極型的，如56系列的模擬鎖相環(huán)，國外：LM565、NE560、NE561、NE562及NE565等，國產(chǎn)：L562、L564、SL565、KD802、KD8041、BG322及X38等。數(shù)字鎖相環(huán)：大部分采用TTL邏輯電路或ECL邏輯電路，且發(fā)展了CMOS鎖相環(huán)路，國外：CD4046及MC14046等，片內(nèi)電路及管腳排列均相同，國產(chǎn)：CC4046、

47、5G4046及J691等。一、數(shù)字鎖相環(huán)一、數(shù)字鎖相環(huán)MC14046（CD4046、F4046、SCL4046、CC4046等等 ）4046是低功耗CMOS多功能單片數(shù)字鎖相環(huán)，低通濾波器需外接。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成MC14046主要由二個鑒相器、一個VCO、一個射極跟隨器組成，其管腳排列與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖： 5腳為禁止端：腳為禁止端：“1”：VCO停振停振“0”：PLL工作工作VCO頻率由頻率由C1、R1、R2（可省）確定（可省）確定R3、C2構(gòu)成低通濾波構(gòu)成低通濾波R1輸入輸入2A1PD1PD

48、2+ A2 VCO14162131910346711125815輸入輸入1C1R2R3C2解調(diào)輸出解調(diào)輸出North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成二、低頻模擬鎖相環(huán)二、低頻模擬鎖相環(huán)LM565最高頻率500KHz，fo=0.3/R1C1，一般R1取4K，CF是濾波電容，需外接； 電源電壓：6V-12VPD放大器放大器VCO123548976VCCIN+INVCO出出R1VccC1VEECF解調(diào)輸出解調(diào)輸出基準輸出基準輸出North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反

49、饋控制電路與頻率合成三、高頻模擬鎖相環(huán)三、高頻模擬鎖相環(huán)NE562 （LM562、L562、SE562等）等）最高頻率：30MHZ，16-30V單電源供電，外接元件少手冊中可查到Cr與fo的關(guān)系曲線，Crfo，如Cr=10pF時，fo30MHz；Cr=0.03uF時，fo10kHz。 121115516 1614CrCxE0.0113L5622 89340.1Cc0.1參考輸入CB1 k 0.10.1 CcT216(N )E10.1C010 k VCO輸出12 k PD12111#2#152#信號輸入反饋2輸入 1#34VCO 1#輸出 2#E1614A3A1VCO1310Cr56偏 壓參考源

50、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 k 1.5 k 1North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成NE562構(gòu)成FM解調(diào)電路：FM信號從11、12腳輸入，定時電容CT應(yīng)確保VCO的中心頻率fo等于FM信號的載頻，Rx、Cx組成比例積分式環(huán)路濾波器， Cp為去加重電容，解調(diào)信號從9腳輸出。 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

51、 輸出North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成 L562構(gòu)成的鎖相倍頻器：Cr為定時電容，決定L562的固有振蕩頻率；Cx與芯片內(nèi)部電阻構(gòu)成環(huán)路濾波器；參考信號送入12腳單端輸入，VCO信號由4腳經(jīng)電阻（10 k、1.5 k）、電容C0耦合電路送到分頻器T216的輸入端，經(jīng)N分頻后單端輸入到15腳，與參考信號進行相位比較，當(dāng)環(huán)路鎖定時，VCO輸出頻率是參考輸入信號頻率的N倍，實現(xiàn)了N倍頻。 121115516 1614CrCxE0.0113L5622 89340.1Cc0.1參考輸入CB1 k 0.10.1 CcT2

52、16(N )E10.1C010 k VCO輸出12 k PD12111#2#152#信號輸入反饋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 k 1.5 k 1North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成6.3鎖相頻率合成器鎖相頻率合成器頻率合成就是利用一個高穩(wěn)定度、高精度的標準參考頻率，產(chǎn)生出一系列與參考頻率同樣穩(wěn)定度的等間隔的離散頻率。6.3.1頻率合成的基本方法及技術(shù)指標頻率合成的基本方法及技術(shù)指標直接

53、合成法：模擬直接合成法和直接數(shù)字式頻率合成DDS；間接合成法：鎖相頻率合成。目前最常用的是鎖相環(huán)頻率合成和直接數(shù)字式頻率合成。一、直接頻率合成一、直接頻率合成模擬直接頻率合成是最早的頻率合成方法，它是由諧波發(fā)生器、濾波器、倍頻器、分頻器和混頻器等組合成的一組或多組電路，由一個或多個參考頻率來合成一系列所需的實用頻率。North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成采用一個參考頻率合成出6個頻率的直接頻率合成框圖：由1MHz參考頻率產(chǎn)生20MHz、21.5MHz、22.0MHz、23.5MHz、24.0MHz、25.5MHz六

54、個頻率，頻率間隔為分別為1.5MHz和0.5MHz，且可以同時輸出。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成二、鎖相頻率合成二、鎖相頻率合成鎖相頻率合成器的性能主要取決于鎖相環(huán)的性能，目前應(yīng)用廣泛的是數(shù)字鎖相合成器，主要有單環(huán)鎖相頻率合成器、多環(huán)鎖相頻率合成器和小數(shù)分頻頻率合成器等。三、直接數(shù)字頻率合成三、直接數(shù)字頻率合成DDS “存儲器”是一個正弦波波形只讀存儲器，在“時鐘”控制下，“標定頻率” 控制“累加器”輸出循環(huán)掃描地址的次數(shù)，即控制“存儲器”送出正弦波數(shù)據(jù)的周期數(shù)，再由“D/A變換器”變換成一系列正弦波形

55、，經(jīng)“低通濾波器”濾除雜散頻率，就輸出純凈的設(shè)定頻率的正弦波信號。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成鎖相與鎖相與DDS頻率合成法的特點：頻率合成法的特點：鎖相頻率合成法：鎖相頻率合成法：成本低，控制靈敏，切換方便，波段覆蓋成本低，控制靈敏，切換方便，波段覆蓋范圍寬，可廣泛應(yīng)用。但是換頻時間長，分辨率低。范圍寬，可廣泛應(yīng)用。但是換頻時間長，分辨率低。DDS合成法：合成法：分辨率高，控制頻率切換方便，換頻速度快。分辨率高，控制頻率切換方便，換頻速度快。但是輸?shù)禽?出頻率低，輸出噪聲高，且依賴于高速集成電路的出頻

56、率低，輸出噪聲高，且依賴于高速集成電路的發(fā)展。發(fā)展。 四、組合式頻率合成四、組合式頻率合成組合式頻率合成主要有：模擬直接合成+DDS，PLL+DDS，模擬直接合成+PLL+DDS等。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成下圖是組合式頻率合成框圖，這屬于模擬直接合成+PLL+DDS的模式：晶振fi、諧波發(fā)生器和帶通濾波器構(gòu)成模擬直接合成產(chǎn)生頻率fL，PLL為混頻相加環(huán)，它把DDS輸出的高分辨率頻率（fr +NF）與fL相加后輸出fo，即 fo = fL + fr + NF F為DDS頻率分辨率，DDS可以產(chǎn)生F在1

57、Hz以下的高分辨率。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成五、頻率合成器的主要技術(shù)指標五、頻率合成器的主要技術(shù)指標1、頻率范圍指頻率合成器輸出最低頻率fomin和最高頻率fomax之間的范圍，也可以用頻率覆蓋系數(shù)k表示，即2、頻率分辨率fo（頻率間隔）指兩個相鄰頻率（或信道）之間的最小間隔，又稱為分辨率或頻道步進間隔。不同用途的頻率合成器，對頻率間隔的要求是不相同的。3、頻率轉(zhuǎn)換時間ts （越小越好）頻率轉(zhuǎn)換時間也稱換頻時間，是指頻率合成器輸出頻率由一個頻率點轉(zhuǎn)換到另一個頻率點并達到穩(wěn)定所需要的時間。minmax

58、ooffk North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成對于模擬直接合成法ts最低可達到微秒（us），而對于DDS合成法，可以做到納秒（10-9S）級，而PLL合成法的ts主要取決于環(huán)路的鎖定時間，目前PLL頻率合成的換頻時間ts大約為參考頻率周期的25倍左右，即ts25/ fr 4、頻率穩(wěn)定度與準確度頻率穩(wěn)定度：規(guī)定時間內(nèi)頻率合成器輸出頻率偏離標稱值的程度。頻率準確度：實際工作頻率與其標稱值之間的偏差。頻率合成器的頻穩(wěn)度取決于參考頻率的頻穩(wěn)度。5、頻譜純度 指頻率合成器輸出信號接近正弦波的程度。用輸出有用信號電平與各種

59、干擾（噪聲）合成總電平之比表示，單位為分貝。 North China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成頻率合成器的輸出頻譜：頻率合成器中，輸出信號中的寄生干擾和相位噪聲影響了合成器輸出的頻譜純度。寄生干擾主要是諧波和雜散干擾頻率，由放大器的非線性特性和混頻組合頻率干擾產(chǎn)生。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。集成DDS電路的相位噪聲在fo =1kHz時，可達到-80dB。 020406080相對幅度/dB相噪寄生ff02f03f0主譜諧波(a)(b)22.84013 kHz6.27 dBNorth

60、China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋控制電路與頻率合成6.3.2單環(huán)鎖相頻率合成器單環(huán)鎖相頻率合成器一、基本型單環(huán)鎖相頻率合成器一、基本型單環(huán)鎖相頻率合成器基本型單環(huán)鎖相頻率合成器方框圖如下圖：環(huán)路鎖定時，VCO輸出頻率fo=Nfr ，選擇不同的分頻比N可以得到不同頻率的輸出信號，顯然，合成輸出頻率的最小頻率間隔fo=fr ，即頻率分辨率等于參考頻率fr 。fr環(huán)路濾波器LF壓控振蕩器(VCO)VBfoVC相位檢波器(PD) Nfdf0 NfrNorth China Electric Power University 通信電子電路第6章 反饋