高頻電子電路第10章反饋控制電路

1、1Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved第第10章章 反饋控制電路反饋控制電路 2Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved主要內(nèi)容主要內(nèi)容v 10.0 概述概述v 10.1 自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制(AGC)原理原理v 10.2 自動(dòng)

2、頻率控制自動(dòng)頻率控制(AFC)原理原理v 10.3 自動(dòng)相位控制自動(dòng)相位控制(APC)鎖相環(huán)鎖相環(huán)(PLL)原理原理v 10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型v 10.5 PLL的線性分析的線性分析(自學(xué)自學(xué))v 10.6 PLL的非線性分析的非線性分析(自學(xué)自學(xué))v 10.7 PLL的基本特性與應(yīng)用的基本特性與應(yīng)用3Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.0 10.0 概述概述三種反饋控制系統(tǒng)分類

3、三種反饋控制系統(tǒng)分類 自動(dòng)增益控制（自動(dòng)增益控制（AGC）電路：電路：在輸入信號(hào)幅度變化很大的情況下，使輸出信號(hào)幅度保持恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化的一種自動(dòng)控制電路。 自動(dòng)頻率控制（自動(dòng)頻率控制（AFC）電路：電路：是一種頻率頻率反饋控制系統(tǒng)，AFC電路控制的是信號(hào)的頻率。 自動(dòng)相位控制（自動(dòng)相位控制（APC）電路：電路：又叫鎖相環(huán)路。鎖相環(huán)路。(Phase Locked Loop,簡(jiǎn)稱PLL)，是一種相位反饋控制系統(tǒng)，鎖相環(huán)路控制的是信號(hào)的相位。4Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of C

4、ommunication, ZJUTAll Rights Reserved10.0 10.0 概述概述( (續(xù)續(xù)1)1)反饋控制系統(tǒng)的組成反饋控制系統(tǒng)的組成 5Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.0 10.0 概述概述( (續(xù)續(xù)2)2)反饋控制系統(tǒng)的原理（與負(fù)反饋放大器比較）反饋控制系統(tǒng)的原理（與負(fù)反饋放大器比較） 相同點(diǎn)：皆是自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。相同點(diǎn)：皆是自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 不同點(diǎn)：一是調(diào)節(jié)對(duì)象不同。（有頻率不

5、同點(diǎn)：一是調(diào)節(jié)對(duì)象不同。（有頻率F與相位與相位P）二是分析方法不同。二是分析方法不同。 負(fù)反饋放大器有放大器與負(fù)反饋放大器有放大器與 線性反饋電路；線性反饋電路； 反饋控制系統(tǒng)除有放大器外，還有非線性部件，反饋控制系統(tǒng)除有放大器外，還有非線性部件，要用非線性分析方法。要用非線性分析方法。反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn) AFC的特點(diǎn)是：誤差信號(hào)是頻率，所以穩(wěn)定時(shí)有頻差。的特點(diǎn)是：誤差信號(hào)是頻率，所以穩(wěn)定時(shí)有頻差。 APC的特點(diǎn)是：誤差信號(hào)是相位，所以穩(wěn)定時(shí)只有相差。的特點(diǎn)是：誤差信號(hào)是相位，所以穩(wěn)定時(shí)只有相差。6Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子

6、線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.110.1自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制(AGC)(AGC)原理原理自動(dòng)增益控制電路的作用是，當(dāng)輸入信號(hào)電壓變化很大自動(dòng)增益控制電路的作用是，當(dāng)輸入信號(hào)電壓變化很大時(shí)，保持接收機(jī)輸出電壓幾乎不變。時(shí)，保持接收機(jī)輸出電壓幾乎不變。具有具有AGCAGC的超外差式接收機(jī)方框圖的超外差式接收機(jī)方框圖幾十幾十VV幾幾mVmV1V1V左右左右7Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, De

7、partment of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.110.1自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制(AGC)(AGC)原理原理( (續(xù)續(xù)1)1)自動(dòng)增益控制電路框圖自動(dòng)增益控制電路框圖 v 工作原理工作原理8Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.110.1自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制(AGC)(AGC)原理原理( (續(xù)續(xù)2)2)1. 比較過(guò)程比較過(guò)程反饋網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)出輸出信

8、號(hào)振幅電平（平均電平或峰值反饋網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)出輸出信號(hào)振幅電平（平均電平或峰值電平）電平）, , 濾去不需要的較高頻率分量濾去不需要的較高頻率分量, , 然后進(jìn)行適當(dāng)然后進(jìn)行適當(dāng)放大后與恒定的參考電平放大后與恒定的參考電平U Ur r比較比較, , 產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)。產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)。控制信號(hào)發(fā)生器在這里可看作是一個(gè)比例環(huán)節(jié)控制信號(hào)發(fā)生器在這里可看作是一個(gè)比例環(huán)節(jié), , 增益增益為為K K1 1。 若若u ui i減小而使減小而使u uo o減小時(shí)減小時(shí), , 環(huán)路產(chǎn)生的控制信號(hào)環(huán)路產(chǎn)生的控制信號(hào)u uc c將使增將使增益益k k增大增大, , 從而使從而使u uo o趨于增大。反之類似。無(wú)論何種趨

9、于增大。反之類似。無(wú)論何種情況情況, , 通過(guò)環(huán)路不斷地循環(huán)反饋通過(guò)環(huán)路不斷地循環(huán)反饋, , 都應(yīng)該使輸出信號(hào)都應(yīng)該使輸出信號(hào)振幅振幅u uo o保持基本不變或僅在較小范圍內(nèi)變化。保持基本不變或僅在較小范圍內(nèi)變化。9Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.110.1自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制(AGC)(AGC)原理原理( (續(xù)續(xù)3)3)2. 2. 濾波器的作用濾波器的作用環(huán)路中的低通濾波器是非常重要的。由于發(fā)射

10、功率變環(huán)路中的低通濾波器是非常重要的。由于發(fā)射功率變化化, , 距離遠(yuǎn)近變化距離遠(yuǎn)近變化, , 電波傳播衰落等引起信號(hào)強(qiáng)度的電波傳播衰落等引起信號(hào)強(qiáng)度的變化是比較緩慢的變化是比較緩慢的, , 所以整個(gè)環(huán)路應(yīng)具有低通傳輸特所以整個(gè)環(huán)路應(yīng)具有低通傳輸特性性, , 這樣才能保證僅對(duì)信號(hào)電平的緩慢變化有控制作這樣才能保證僅對(duì)信號(hào)電平的緩慢變化有控制作用。尤其當(dāng)輸入為調(diào)幅信號(hào)時(shí)用。尤其當(dāng)輸入為調(diào)幅信號(hào)時(shí), , 為了使調(diào)幅波的有用為了使調(diào)幅波的有用幅值變化不會(huì)被自動(dòng)增益控制電路的控制作用所抵消幅值變化不會(huì)被自動(dòng)增益控制電路的控制作用所抵消（此現(xiàn)象稱為反調(diào)制）（此現(xiàn)象稱為反調(diào)制）, , 必須恰當(dāng)選擇環(huán)路的頻

11、率響必須恰當(dāng)選擇環(huán)路的頻率響應(yīng)特性應(yīng)特性, , 使對(duì)高于某一頻率的調(diào)制信號(hào)的變化無(wú)響應(yīng)使對(duì)高于某一頻率的調(diào)制信號(hào)的變化無(wú)響應(yīng), , 而僅對(duì)低于這一頻率的緩慢變化才有控制作用。這就而僅對(duì)低于這一頻率的緩慢變化才有控制作用。這就主要取決于低通濾波器的截止頻率。主要取決于低通濾波器的截止頻率。10Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.110.1自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制(AGC)(AGC)原理原理( (續(xù)續(xù)4)4)

12、收音機(jī)中的收音機(jī)中的AGCAGC電路電路v 典型應(yīng)用典型應(yīng)用11Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.210.2自動(dòng)頻率控制自動(dòng)頻率控制(AFC)(AFC)原理原理AFC電路由頻率比較器電路由頻率比較器(鑒頻器鑒頻器)、低通濾波器和可控頻率、低通濾波器和可控頻率器件器件(壓控振蕩器壓控振蕩器VCO)三部分組成。三部分組成。自動(dòng)頻率控制電路的組成自動(dòng)頻率控制電路的組成低通濾波器H(s)可控頻率器件Kcueuc

13、rr(s)頻率比較器KpUe(s)Uc(s)r(s)r輸出信號(hào)v 工作原理工作原理12Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.210.2自動(dòng)頻率控制自動(dòng)頻率控制(AFC)(AFC)原理原理( (續(xù)續(xù)1)1)v 典型應(yīng)用典型應(yīng)用1.在調(diào)幅接收機(jī)中用于穩(wěn)定中頻頻率在調(diào)幅接收機(jī)中用于穩(wěn)定中頻頻率 穩(wěn)定中頻頻率。穩(wěn)定中頻頻率。調(diào)幅接收機(jī)中電路方框圖調(diào)幅接收機(jī)中電路方框圖13Zhejiang Fiber Optic C

14、omm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.3 10.3 自動(dòng)相位控制自動(dòng)相位控制(APC)(APC)鎖相環(huán)鎖相環(huán)(PLL)(PLL)原理原理PLL是一種相位反饋控制系統(tǒng)，它通過(guò)比較輸入信號(hào)和是一種相位反饋控制系統(tǒng)，它通過(guò)比較輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位，得出與這兩個(gè)信號(hào)的相位壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位，得出與這兩個(gè)信號(hào)的相位差成比例的電壓作為誤差電壓來(lái)控制壓控振蕩器的振蕩差成比例的電壓作為誤差電壓來(lái)控制壓控振蕩器的振蕩頻率，使其與輸入信號(hào)頻率相等。頻

15、率，使其與輸入信號(hào)頻率相等。PLL方框原理圖方框原理圖Phase DetectorLoop FilterVoltage Controlled Oscillator鑒相器鑒相器 （PD）環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 （LF ）壓控振蕩器壓控振蕩器 (VCO)(tvi)(tvd( )cv t)(tvo)(tvo14Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.3 10.3 自動(dòng)相位控制自動(dòng)相位控制(APC)(APC)鎖相環(huán)鎖相

16、環(huán)(PLL)(PLL)原理原理( (續(xù)續(xù)1)1)v 基本原理基本原理（1 1）三個(gè)基本部件組成：鑒相器，環(huán)路濾波器和壓控振蕩器。）三個(gè)基本部件組成：鑒相器，環(huán)路濾波器和壓控振蕩器。（2 2）基本原理：）基本原理： 鑒相器的輸出信號(hào)鑒相器的輸出信號(hào) 是輸入信號(hào)是輸入信號(hào) 和壓控振蕩器輸出信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào) 之間相位差的函數(shù)。之間相位差的函數(shù)。)(tvd)(tvi)(tvo 經(jīng)環(huán)路濾波器濾波（也可能包括放大），濾除高頻分量后，經(jīng)環(huán)路濾波器濾波（也可能包括放大），濾除高頻分量后，成為壓控振蕩器的控制電壓成為壓控振蕩器的控制電壓 。)(tvd( )cv t 在在 的作用下，壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻

17、率將發(fā)生相應(yīng)變化并的作用下，壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率將發(fā)生相應(yīng)變化并反饋到鑒相器。最后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。反饋到鑒相器。最后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。( )cv t鑒相器鑒相器 （PD）環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 （LF ）壓控振蕩器壓控振蕩器 (VCO)(tvi)(tvd( )cv t)(tvo)(tvo15Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.3 10.3 自動(dòng)相位控制自動(dòng)相位控制(APC)(APC)鎖相環(huán)鎖相環(huán)(PLL)(P

18、LL)原理原理( (續(xù)續(xù)2)2) (2)鎖定狀態(tài)鎖定狀態(tài)VCO跟蹤輸入信號(hào)跟蹤輸入信號(hào)頻率與相位的漂移或調(diào)制變化的過(guò)程。 當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，壓控振蕩器的頻率將向著接近輸入信號(hào)頻率的方向變化，這就是捕獲狀態(tài)。捕獲狀態(tài)。 當(dāng)PLL達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，若輸入信號(hào)為一固定頻率的正弦波，則壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相等，它們之間的相位差為一常值，這種狀態(tài)稱為環(huán)路的鎖定狀態(tài)鎖定狀態(tài)。 鎖相環(huán)路具有兩種工作狀態(tài)：鎖相環(huán)路具有兩種工作狀態(tài)：(1)捕獲狀態(tài)捕獲狀態(tài)環(huán)路由失鎖進(jìn)入鎖定的過(guò)程；鑒相器鑒相器 （PD）環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 （LF ）壓控振蕩器壓控振蕩器 (VCO)(tvi)(tvd( )cv

19、t)(tvo)(tvo16Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.3 10.3 自動(dòng)相位控制自動(dòng)相位控制(APC)(APC)鎖相環(huán)鎖相環(huán)(PLL)(PLL)原理原理( (續(xù)續(xù)3)3) 鎖相環(huán)通常有兩種不同的跟蹤狀態(tài)：鎖相環(huán)通常有兩種不同的跟蹤狀態(tài)： 調(diào)制跟蹤與載波跟蹤。調(diào)制跟蹤與載波跟蹤。 壓控振蕩器的輸出信號(hào)跟蹤輸入的調(diào)制信號(hào)變化。這種狀態(tài)就是調(diào)制跟蹤狀態(tài)，這種環(huán)路稱為“調(diào)制跟調(diào)制跟蹤環(huán)蹤環(huán)”。調(diào)制跟蹤環(huán)路

20、可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量調(diào)角信號(hào)的解調(diào)。 壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率只跟蹤輸入信號(hào)的載頻，那么就稱之為載波跟蹤狀態(tài)，這叫載波跟蹤環(huán)載波跟蹤環(huán)，或稱“窄帶跟蹤環(huán)”。關(guān)鍵在于關(guān)鍵在于LF的設(shè)計(jì)！的設(shè)計(jì)！鑒相器鑒相器 （PD）環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 （LF ）壓控振蕩器壓控振蕩器 (VCO)(tvi)(tvd( )cv t)(tvo)(tvo17Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.3 10.3 自動(dòng)相位控制自動(dòng)相位控制(APC

21、)(APC)鎖相環(huán)鎖相環(huán)(PLL)(PLL)原理原理( (續(xù)續(xù)4)4)v PLL的初步分析的初步分析設(shè)參考信號(hào)為設(shè)參考信號(hào)為( )sin( )iimiiv tVtt若參考信號(hào)是未調(diào)載波若參考信號(hào)是未調(diào)載波, 則則i(t)=i=常數(shù)。常數(shù)。設(shè)輸出信號(hào)為設(shè)輸出信號(hào)為兩信號(hào)之間的瞬時(shí)相差為兩信號(hào)之間的瞬時(shí)相差為( )( )( )()( )eiiooioiottttttt( )cos( )oomoov tVtt兩信號(hào)之間的瞬時(shí)頻差為兩信號(hào)之間的瞬時(shí)頻差為( )( )eoiodtdtdtdt18Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangx

22、in, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.3 10.3 自動(dòng)相位控制自動(dòng)相位控制(APC)(APC)鎖相環(huán)鎖相環(huán)(PLL)(PLL)原理原理( (續(xù)續(xù)5)5)此時(shí)此時(shí), 輸出信號(hào)的頻率已偏離了原來(lái)的自由振蕩頻率輸出信號(hào)的頻率已偏離了原來(lái)的自由振蕩頻率o(控制電壓控制電壓vc(t)=0時(shí)的頻率時(shí)的頻率), 變?yōu)樽優(yōu)閛i鎖定后兩信號(hào)之間的相位差表現(xiàn)為一固定的穩(wěn)態(tài)值。即鎖定后兩信號(hào)之間的相位差表現(xiàn)為一固定的穩(wěn)態(tài)值。即( )lim0etdtdt(1) 當(dāng)兩信號(hào)間的相位差恒定時(shí)當(dāng)兩信號(hào)間的相位差恒定時(shí), 兩者的頻率一定相同！兩者

23、的頻率一定相同！(2) 當(dāng)輸入信號(hào)頻率當(dāng)輸入信號(hào)頻率i做微小擺動(dòng)時(shí)做微小擺動(dòng)時(shí), 輸出信號(hào)頻率輸出信號(hào)頻率o也也跟隨做微小擺動(dòng)跟隨做微小擺動(dòng) (如何跟隨要看如何跟隨要看LF的特性的特性!)。19Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型v 鑒相器鑒相器(PD)正弦鑒相器模型正弦鑒相器模型鑒相器（鑒相器（PD）又稱為相位比較器）又稱為相位比較器,它是用來(lái)比

24、較兩個(gè)輸它是用來(lái)比較兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差入信號(hào)之間的相位差e(t)。鑒相器輸出的誤差信號(hào)。鑒相器輸出的誤差信號(hào)vd(t)是相差是相差e(t)的函數(shù)。的函數(shù)。作為原理分析，通常使用具有正弦鑒相特性的鑒相器。作為原理分析，通常使用具有正弦鑒相特性的鑒相器。)()()(ttftvoid)(ti)(tvi為輸入信號(hào)為輸入信號(hào) 的瞬時(shí)相位的瞬時(shí)相位( )ot( )ov t為輸出信號(hào)為輸出信號(hào) 的瞬時(shí)相位的瞬時(shí)相位20Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTA

25、ll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)1)1)(sin)(sin)(0tVttVtviimiiimi 設(shè)乘法器的相乘系數(shù)為設(shè)乘法器的相乘系數(shù)為K, 單位為單位為1/V。輸入信號(hào)為：輸入信號(hào)為：為中心角頻率0i若輸入信號(hào)為一固定的正弦波，則 是一常數(shù),即 的初始相位。0)(iit)(tvi是以載波相位 為參考的瞬時(shí)相位ti0)(ti 假設(shè)輸出信號(hào)為：假設(shè)輸出信號(hào)為：)(cos)(cos)(0tVttVtvoomooomo為環(huán)路VCO自由振蕩角頻率0o是輸出信號(hào)以其自由振蕩相位 為參考的瞬時(shí)相位。( )ot0ot21Zheji

26、ang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)2)2) 統(tǒng)一參考相位：統(tǒng)一參考相位：一般情況下，兩信號(hào)的頻率是不同的。為了便于比較，現(xiàn)統(tǒng)一以現(xiàn)統(tǒng)一以VCO 的自由振蕩相位的自由振蕩相位 為參考為參考，于是輸入信號(hào)相位需改寫(xiě)為：to0)()()()(100000tttttttoioioii)()()()(0001tttttiioi式中：式中： 改寫(xiě)輸入和輸出信

27、號(hào)表示式：改寫(xiě)輸入和輸出信號(hào)表示式：)(sin)(sin)(10tVttVtviimoimi)(cos)(cos)(200ttVttVtvoomooomo22Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)3)3) 輸入信號(hào)與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)相乘器后得到：輸入信號(hào)與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)相乘器后得到：012121( )( )sin2( )( )21sin ( )(

28、 )2ioimomoimomKv t v tKV VtttKV Vtt再經(jīng)過(guò)低通濾波濾除 成分，便得到誤差電壓：02o121( )sin ( )( )21sin( )( )2dimomimomiov tKV VttKV Vtt令 , 不難看出 為鑒相器的最大輸出電壓,它在一定程度上反映了鑒相器的靈敏度, 單位為(V)。omimdVKVK21dK23Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 P

29、LL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)4)4) 討論：討論：)()()(tttoi)(t 若用 代表相乘器兩個(gè)輸入信號(hào)的瞬時(shí)相位誤差瞬時(shí)相位誤差，即( ) t( )sin( )( )sin ( )ddiodv tKttKt正弦鑒相特性正弦鑒相特性則上式可寫(xiě)成：正弦鑒相器的鑒相特性正弦鑒相器的鑒相特性24Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型(

30、 (續(xù)續(xù)5)5) 需要指出的是，在上面的推導(dǎo)過(guò)程中，設(shè)兩個(gè)輸入信號(hào)互為正交信號(hào)形式，因而得到正弦特性。若改設(shè)兩信號(hào)同為正弦或余弦，則將會(huì)得到余弦特性。不論是那種不論是那種特性，環(huán)路的穩(wěn)態(tài)工作區(qū)域總是在特性的線性區(qū)域內(nèi)，特性，環(huán)路的穩(wěn)態(tài)工作區(qū)域總是在特性的線性區(qū)域內(nèi)，環(huán)路鎖定時(shí)相位比較器輸出電壓為零附近環(huán)路鎖定時(shí)相位比較器輸出電壓為零附近。 則可寫(xiě)成線性表示式線性表示式：)()(tKtvdd)()(sintt 假設(shè) ，有( )6t25Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communica

31、tion, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)6)6) 正弦鑒相器的數(shù)學(xué)模型正弦鑒相器的數(shù)學(xué)模型)(sin)(tKtvddsindK)(1t)(2t)()()(21ttte)(tvd)()()()(0001tttttiioi2( )( )ottdK1( ) s2( ) s( )es( )dvs( )( )ddevsKs時(shí)域模型時(shí)域模型頻域模型頻域模型26Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Commun

32、ication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)7)7)v 環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器(LF) 鎖相環(huán)路中的濾波器是線性低通濾波器線性低通濾波器，它主要有兩個(gè)功能：第一，濾除誤差信號(hào)中的高頻分量；第二，為鎖相環(huán)路提供一個(gè)短期的記憶，如果系統(tǒng)由于瞬時(shí)噪聲而失鎖，可確保鎖相環(huán)路迅速重新捕獲信號(hào)。 環(huán)路濾波器由線性元件，電阻、電容和運(yùn)算放大器組成。環(huán)路濾波器采用的電路結(jié)構(gòu)不同時(shí)，傳遞函數(shù)的階數(shù)不同。鎖相環(huán)路中，通常采用一階濾波器電路。鎖相環(huán)路中，通常采用一階濾波器電路。有時(shí)需要較強(qiáng)地抑制鑒相器輸出中的交流分量時(shí)，也采

33、用高階高階濾波電路濾波電路。 鎖相環(huán)路中，通常采用直通電路和三種濾波器電路，鎖相環(huán)路中，通常采用直通電路和三種濾波器電路，假設(shè)傳遞函數(shù)為：假設(shè)傳遞函數(shù)為：)(sHF( )FHp)(tvd( )cv t( )FHs( )dvs( )cv s時(shí)域模型時(shí)域模型頻域模型頻域模型27Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)8)8)直通電路直通電路1)(

34、sHFCRCRC積分濾波器積分濾波器)(11)(RCssHFR無(wú)源比例積分濾波器無(wú)源比例積分濾波器1)(1)(212SSsHF1R2RC121)(sssHF理想積分濾波器理想積分濾波器1R2RC28Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)9)9)v 壓控振蕩器壓控振蕩器(VCO) 在PLL中，壓控振蕩器是在外加控制電壓 的作用下，輸出信號(hào)頻率

35、按一定規(guī)律變化的振蕩電路。它的工作原理與電路和前面所講的調(diào)頻電路基本相同。( )cv t 壓控振蕩器的一般特性如下圖 所示。它的振蕩頻率與控制電壓的關(guān)系可表示為：0( )( )ooctg v tcvoO0o 稱壓控振蕩器的中心角頻率或自由振蕩頻率，即控制電壓 時(shí)的振蕩頻率。0o0cv 表示頻率隨電壓變化的函數(shù)關(guān)系。g 29Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成

36、和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)10)10) 在一定的范圍內(nèi)，壓控振蕩器壓控振蕩器的頻率變化與控制電壓呈線性關(guān)系，即：0( )( )ooctK v t 在鎖相環(huán)路中，壓控振蕩器的輸出對(duì)鑒相器起作用的不是瞬時(shí)角頻率而是它的瞬時(shí)相位瞬時(shí)相位: t002 0( )( )( )oopottKvt dttt由此可見(jiàn)，VCO在鎖相環(huán)中起了一次積分作用，因此也稱為環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)。K)(2tp1( )cv tK2( ) s1s( )cv s時(shí)域模型時(shí)域模型頻域模型頻域模型30Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, De

37、partment of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)11)11)v PLL的數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)模型相位數(shù)學(xué)模型相位數(shù)學(xué)模型Kp1( )cv tsindK)(1t)(2t)()()(21ttte)(tvd( )FHp方框原理圖方框原理圖鑒相器鑒相器 （PD）環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器 （LF ）壓控振蕩器壓控振蕩器 (VCO)(tvi)(tvd( )cv t)(tvo)(tvo31Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guan

38、gxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)12)12)2121( )sin( )( )( )dFtKttHpKp 從相位數(shù)學(xué)模型可得到：從相位數(shù)學(xué)模型可得到：11( )( )sin( )( )edeFttKtHpKp1( )( )sin( )( )0FedeHptK Kttp0)()(sin)()(1dttdtpHKdttdeFPeKKKdP令 ，為為環(huán)路增益環(huán)路增益，單位為，單位為（ ）。srad /12( )( )( )ettt這就是這就是PL

39、L環(huán)路的非線性微分方程環(huán)路的非線性微分方程。32Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)13)13)討論：討論： 方程的三項(xiàng)：方程的三項(xiàng)：0)()(sin)()(1dttdtpHKdttdeFPe 第一項(xiàng)是第一項(xiàng)是瞬時(shí)相位誤差 對(duì)時(shí)間的微分，由于 是輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)的瞬時(shí)相差，所以其微分應(yīng)為輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)的瞬時(shí)頻差瞬

40、時(shí)頻差。)(te)(te 第二項(xiàng)第二項(xiàng)是壓控振蕩器在控制電壓 的作用下，所產(chǎn)生的角頻率變化量，所以一般稱為控制頻差控制頻差。( )cv t 第三項(xiàng)第三項(xiàng)是輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)中心角頻率之差，它不隨時(shí)間變化而是決定于環(huán)路開(kāi)始工作時(shí)的狀態(tài)，稱為初始頻差初始頻差。 在閉環(huán)后的任何時(shí)刻在閉環(huán)后的任何時(shí)刻: 初始頻差初始頻差 瞬時(shí)頻差瞬時(shí)頻差 控制頻差控制頻差 在鎖定時(shí)刻，在鎖定時(shí)刻， 是常數(shù)，所以是常數(shù)，所以: 控制頻差控制頻差 初始頻差初始頻差)(te(瞬時(shí)頻差瞬時(shí)頻差 0)33Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin

41、, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)14)14) 這里需要說(shuō)明一點(diǎn)，系統(tǒng)的相位數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)的方框系統(tǒng)的相位數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)的方框原理圖是不同的。原理圖是不同的。 方框原理圖方框原理圖表示系統(tǒng)所包含的組成部分及各部分的功能，它的輸入和輸出信號(hào)都是按某種規(guī)律變化的電壓或電流電壓或電流。 相位數(shù)學(xué)模型相位數(shù)學(xué)模型則表示信息信息在系統(tǒng)內(nèi)流通的過(guò)程與關(guān)系，對(duì)PLL的模型，它描述的是輸出相位和輸入相位之間的關(guān)系。輸出相位和輸入相位之間的關(guān)系。下面討論P(yáng)LL的傳遞

42、函數(shù)，振幅頻率特性和相位頻率特性，傳遞函數(shù)，振幅頻率特性和相位頻率特性，環(huán)路帶寬都是對(duì)輸入相位環(huán)路帶寬都是對(duì)輸入相位 而言的，不是對(duì)輸入電壓而言的，不是對(duì)輸入電壓 而言的，而言的，這點(diǎn)需要特別強(qiáng)調(diào)。)(1t)(tvi 此非線性微分方程的階數(shù)取決于環(huán)路濾波器。階數(shù)取決于環(huán)路濾波器。 當(dāng)采用直通電路，就是一階當(dāng)采用直通電路，就是一階PLL。 當(dāng)采用積分濾波器（一階），就是二階當(dāng)采用積分濾波器（一階），就是二階PLL。34Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJ

43、UTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)15)15) 當(dāng)滿足當(dāng)滿足 的條件時(shí)，的條件時(shí)， 正弦鑒相特性可寫(xiě)成線性表示式正弦鑒相特性可寫(xiě)成線性表示式：)()(tKtvedd 則非線性微分方程變成線性微分方程：則非線性微分方程變成線性微分方程：0)()()()(1dttdtpHKdttdeFPe( )6t 把時(shí)域線性微分方程變成復(fù)頻域方程：把時(shí)域線性微分方程變成復(fù)頻域方程：1( )( )( )( )ePFessKHssss 鎖相環(huán)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，但是，在鎖定情況下的跟蹤在鎖定情況下的跟蹤過(guò)程可以用線性系統(tǒng)近似處理。過(guò)程可

44、以用線性系統(tǒng)近似處理。 線性性能包括：暫態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)相差、頻率特性、穩(wěn)定性、噪聲性能等。35Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)16)16)線性化相位數(shù)學(xué)模型線性化相位數(shù)學(xué)模型PK1s1( ) s2( ) s( )es( )FHsn PLL的三個(gè)傳遞函數(shù)：的三個(gè)傳遞函數(shù)：t 誤差傳遞函數(shù)誤差傳遞函數(shù)：t 閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)：t 開(kāi)環(huán)

45、傳遞函數(shù)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：1( )( )( )( )eePFssHsssK Hs21( )( )( )( )( )PFcPFsK HsHsssK Hs2( )( )( )( )PFoesK HsHsss36Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.4 PLL10.4 PLL的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型( (續(xù)續(xù)17)17)v PLL的分類和待解決的問(wèn)題的分類和待解決的問(wèn)題 由于鑒相特性的非線性，有線性由于鑒相特

46、性的非線性，有線性PLL和非線性和非線性PLL。 根據(jù)鎖相環(huán)路中的環(huán)路濾波器的階數(shù)決定根據(jù)鎖相環(huán)路中的環(huán)路濾波器的階數(shù)決定PLL的階數(shù)。的階數(shù)。 直通電路，直通電路， ，為一階，為一階PLL。1)(sHF 三種積分濾波器電路，為二階三種積分濾波器電路，為二階PLL。 有：一階線性有：一階線性PLL；一階非線性一階非線性PLL；二階線性二階線性PLL；二階非線性二階非線性PLL。 討論的問(wèn)題：討論的問(wèn)題：鎖定特性鎖定特性、跟蹤特性跟蹤特性、頻率特性頻率特性、穩(wěn)定特性穩(wěn)定特性、噪聲特性噪聲特性及及同步帶同步帶、捕捉特性捕捉特性、捕捉時(shí)間捕捉時(shí)間、捕捉帶捕捉帶。 分析的方法：分析的方法： 線性線性P

47、LL采用拉氏變換及其逆變換的方法。采用拉氏變換及其逆變換的方法。非線性非線性PLL主要采用相平面圖法。主要采用相平面圖法。使用使用MATLAB輔助分析輔助分析 。37Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reservedv 10.5 PLL的線性分析的線性分析(自學(xué)自學(xué))v 10.6 PLL的非線性分析的非線性分析(自學(xué)自學(xué))38Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu G

48、uangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.7 PLL10.7 PLL的基本特性與應(yīng)用的基本特性與應(yīng)用（2）載波跟蹤特性：）載波跟蹤特性：壓控振蕩器的輸出頻率只跟蹤輸入信號(hào)的載頻，那么就稱之為載波跟蹤狀態(tài)，這種環(huán)路叫“載波跟蹤環(huán)載波跟蹤環(huán)”，或稱“窄帶跟蹤環(huán)窄帶跟蹤環(huán)”。這種環(huán)路可用。這種環(huán)路可用于于鎖相接收機(jī)鎖相接收機(jī)。（3）調(diào)制跟蹤特性：）調(diào)制跟蹤特性：壓控振蕩器的輸出頻率跟蹤輸入的調(diào)制信號(hào)變化。這種狀態(tài)就是調(diào)制跟蹤狀態(tài)，這種環(huán)稱為“調(diào)制跟蹤環(huán)調(diào)制跟蹤環(huán)”，或稱“寬帶跟蹤環(huán)寬帶跟蹤環(huán)”。這種環(huán)路可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量

49、的高質(zhì)量的調(diào)角信號(hào)的解調(diào)調(diào)角信號(hào)的解調(diào)。（4）易于集成化。）易于集成化。（1）鎖定特性：）鎖定特性：環(huán)路鎖定狀態(tài)時(shí)，VCO跟蹤輸入信號(hào)頻率，只有很小的穩(wěn)態(tài)相差。叫叫“取樣鎖相環(huán)取樣鎖相環(huán)”。這種環(huán)路可用于頻率合成頻率合成。39Zhejiang Fiber Optic Comm. key Lab.通信電子線路XBy Zhu Guangxin, Department of Communication, ZJUTAll Rights Reserved10.7 PLL10.7 PLL的基本特性與應(yīng)用的基本特性與應(yīng)用( (續(xù)續(xù)1)1)鑒相鑒相VCO低通低通RqfrfofNP主分頻器主分頻器 前置分頻器前置分頻器參考分頻器參考分頻器PNfo晶振晶振qorfffRPNorqPNfPN ffR鎖相頻率合成原理框圖鎖相頻率合成原理框圖v 頻率合成頻率合成