第7章反饋控制電路

1、第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM1第7章 反饋控制電路 7.1 7.1 自動(dòng)增益控制電路自動(dòng)增益控制電路7.2 7.2 自動(dòng)頻率控制電路自動(dòng)頻率控制電路7.3 7.3 鎖相環(huán)的基本原理鎖相環(huán)的基本原理7.4 7.4 頻率合成器頻率合成器 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM2 在通信系統(tǒng)和電子設(shè)備中，為了提高技術(shù)性在通信系統(tǒng)和電子設(shè)備中，為了提高技術(shù)性能，或者實(shí)現(xiàn)某些特殊的高指標(biāo)要求，廣泛采用能，或者實(shí)現(xiàn)某些特殊的高指標(biāo)要求，廣泛采用各種類(lèi)型的各種類(lèi)型的反饋控制回路反饋控制回路。 特別是在航空航天電子系統(tǒng)中

2、特別是在航空航天電子系統(tǒng)中, , 由于收、發(fā)設(shè)備是由于收、發(fā)設(shè)備是裝在不同的運(yùn)載體上裝在不同的運(yùn)載體上, , 二者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)二者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng), , 必然產(chǎn)必然產(chǎn)生生多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng), , 因此引入隨機(jī)頻差。因此引入隨機(jī)頻差。 概概 述述 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM3 反饋控制方法的采用是為了準(zhǔn)確地調(diào)整某一個(gè)系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)。統(tǒng)或單元的某些狀態(tài)參數(shù)。 前面各章分別介紹了放大電路、前面各章分別介紹了放大電路、 振蕩電路、振蕩電路、 調(diào)制電路和調(diào)制電路和解調(diào)電路。由這些功能電路可以組成

3、一個(gè)完整的通信系統(tǒng)或其解調(diào)電路。由這些功能電路可以組成一個(gè)完整的通信系統(tǒng)或其它電子系統(tǒng)它電子系統(tǒng), , 但是這樣組成的系統(tǒng)其性能不一定完善但是這樣組成的系統(tǒng)其性能不一定完善。例如。例如, , 在調(diào)幅接收機(jī)中在調(diào)幅接收機(jī)中, , 天線上感生的有用信號(hào)的強(qiáng)度往往由于電波天線上感生的有用信號(hào)的強(qiáng)度往往由于電波傳播衰落等原因會(huì)有較大的起伏變化傳播衰落等原因會(huì)有較大的起伏變化, , 導(dǎo)致放大器輸出信號(hào)時(shí)導(dǎo)致放大器輸出信號(hào)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱不規(guī)則變化強(qiáng)時(shí)弱不規(guī)則變化, , 有時(shí)還會(huì)造成阻塞。又如有時(shí)還會(huì)造成阻塞。又如, , 在通信系統(tǒng)中在通信系統(tǒng)中, , 收發(fā)兩地的載頻應(yīng)保持嚴(yán)格同步收發(fā)兩地的載頻應(yīng)保持嚴(yán)格同步,

4、, 使輸出中頻穩(wěn)定使輸出中頻穩(wěn)定, , 而要做到而要做到這一點(diǎn)也比較困難。這一點(diǎn)也比較困難。問(wèn)題：在無(wú)線通信中為什么要引入自動(dòng)控制電路？問(wèn)題：在無(wú)線通信中為什么要引入自動(dòng)控制電路？第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM4 傳送信息的載波信號(hào)含有三個(gè)基本參數(shù)，即振幅、頻率傳送信息的載波信號(hào)含有三個(gè)基本參數(shù)，即振幅、頻率和相位。反饋控制電路就是對(duì)這三個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行控制。和相位。反饋控制電路就是對(duì)這三個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行控制。 自動(dòng)增益控制（自動(dòng)增益控制（AGCAGC） 自動(dòng)頻率控制（自動(dòng)頻率控制（AFCAFC） 自動(dòng)相位控制（自動(dòng)相位控制（APCAPC） 其中自動(dòng)

5、相位控制電路又稱(chēng)為其中自動(dòng)相位控制電路又稱(chēng)為鎖相環(huán)路（鎖相環(huán)路（PLLPLL）, , 是應(yīng)是應(yīng)用最廣的一種反饋控制電路。用最廣的一種反饋控制電路。通信系統(tǒng)反饋控制電路種類(lèi)通信系統(tǒng)反饋控制電路種類(lèi)第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM5 反饋控制電路的組成如圖所示反饋控制電路的組成如圖所示 由由比較器比較器、控制信號(hào)發(fā)生器控制信號(hào)發(fā)生器、可控器件可控器件和和反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)四四部分組成一個(gè)負(fù)反饋閉合環(huán)路。部分組成一個(gè)負(fù)反饋閉合環(huán)路。比較器控制信號(hào)發(fā)生器參考信號(hào)ur(t)誤差信號(hào)ue(t)可控器件控制信號(hào)uc(t)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋信號(hào)uf(t)輸入信號(hào)ui(t)

6、輸出信號(hào)uo(t)第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM6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)組成框圖電路的接收機(jī)組成框圖AGCAGC的目的的目的 當(dāng)輸入信號(hào)電壓當(dāng)輸入信號(hào)電壓變化很大變化很大時(shí)，保持接收機(jī)輸出電壓恒時(shí)，保持接收機(jī)輸出電壓恒定或定或基本不變基本不變。7.1 7.1 自動(dòng)增益控制電路自動(dòng)增益控制電路第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM 設(shè)輸入信號(hào)振幅為設(shè)輸入信號(hào)振幅為U Ux x, , 輸出信號(hào)振幅為輸出信號(hào)振幅為U Uy y, , 可控增益放

7、大可控增益放大器增益為器增益為g g（u uc c）, , 即其是控制信號(hào)即其是控制信號(hào)u uc c的函數(shù)的函數(shù), , 則有：則有： U Uy y=A=Ag g(u(uc c)U)Ux xAGCAGC電路組成框圖電路組成框圖第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM比較過(guò)程比較過(guò)程: :在電路里在電路里, , 比較參量是信號(hào)電壓比較參量是信號(hào)電壓, , 所以采用所以采用電壓比較器電壓比較器。 反反饋網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)出輸出信號(hào)振幅（平均電壓或峰值電壓）饋網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)出輸出信號(hào)振幅（平均電壓或峰值電壓）, , 濾去不需要的較高頻率分濾去不需要的較高頻率分量量, , 然后進(jìn)行

8、適當(dāng)放大后與恒定的參考電平然后進(jìn)行適當(dāng)放大后與恒定的參考電平UR比較比較, , 產(chǎn)生一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)誤差信號(hào)ue。 控控制信號(hào)發(fā)生器在這里可看作是一個(gè)比例環(huán)節(jié)制信號(hào)發(fā)生器在這里可看作是一個(gè)比例環(huán)節(jié), , 增益為增益為1 1。 若若Ux減小而使減小而使Uy減小減小時(shí)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)uc將使增益將使增益g增大增大, , 從而使從而使Uy趨于增大。若趨于增大。若Ux增大而增大而使使Uy增大時(shí)增大時(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)uc將使增益將使增益g減小減小, , 從而使從而使Uy趨于減小。無(wú)趨于減小。無(wú)論何種情況論何種情況, , 通過(guò)環(huán)路不斷地循環(huán)反饋

9、通過(guò)環(huán)路不斷地循環(huán)反饋, , 都應(yīng)該使輸出信號(hào)振幅都應(yīng)該使輸出信號(hào)振幅Uy保持基本不變保持基本不變或僅在較小范圍內(nèi)變化。或僅在較小范圍內(nèi)變化。 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM具有自動(dòng)增益控制電路的超外差式接收機(jī)方框圖如具有自動(dòng)增益控制電路的超外差式接收機(jī)方框圖如圖所示圖所示: 檢波器的輸出信號(hào)包含有直流分量和低頻交流分量，其中檢波器的輸出信號(hào)包含有直流分量和低頻交流分量，其中直流電平直流電平的高低直接說(shuō)明所接受的信號(hào)的強(qiáng)弱，的高低直接說(shuō)明所接受的信號(hào)的強(qiáng)弱，而低頻分量則反映出輸入調(diào)幅波的而低頻分量則反映出輸入調(diào)幅波的包絡(luò)，經(jīng)包絡(luò)，經(jīng)RCRC低通濾

10、波器取出的直流分量經(jīng)直流放大器放大后就是低通濾波器取出的直流分量經(jīng)直流放大器放大后就是AGCAGC電電壓，去控制混頻、高頻放大器的增益，壓，去控制混頻、高頻放大器的增益，U UAGCAGC大，說(shuō)明輸入信號(hào)強(qiáng)，大，說(shuō)明輸入信號(hào)強(qiáng)，用用U UAGCAGC其控制混頻、高頻放大器的增益使增益減??；其控制混頻、高頻放大器的增益使增益減小；U UAGCAGC小，說(shuō)明輸入信號(hào)弱，用小，說(shuō)明輸入信號(hào)弱，用U UAGCAGC其控制混頻、高頻放大器的增益使其控制混頻、高頻放大器的增益使增益增大，達(dá)到自動(dòng)增益控制的目的。增益增大，達(dá)到自動(dòng)增益控制的目的。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022

11、 9:07 AM+UAGCAGCAGC電壓的產(chǎn)生方法：電壓的產(chǎn)生方法：1.1.兩種基本的兩種基本的AGCAGC電壓產(chǎn)生電路：電壓產(chǎn)生電路：平均值式平均值式AGCAGC電壓產(chǎn)生電路電壓產(chǎn)生電路二極管二極管D D、C C1 1、C C2 2、R RL1L1、R RL2L2、CcCc、R Ri2i2構(gòu)成檢波器（避免負(fù)峰構(gòu)成檢波器（避免負(fù)峰切割）。切割）。R R2 2、C C3 3構(gòu)成低通濾波器取走檢波器輸出的直流平均分量，構(gòu)成低通濾波器取走檢波器輸出的直流平均分量，得到得到+U+UAGCAGC電壓，因?yàn)榇穗妷旱拇笮≈慌c載波的振幅有關(guān)，而與電壓，因?yàn)榇穗妷旱拇笮≈慌c載波的振幅有關(guān)，而與調(diào)幅度無(wú)關(guān)，因此

12、它能反映輸入信號(hào)的強(qiáng)弱。調(diào)幅度無(wú)關(guān)，因此它能反映輸入信號(hào)的強(qiáng)弱。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM 平均值平均值無(wú)無(wú)AGC電電路路有有AGC電電路路第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM平均值式平均值式AGCAGC電壓產(chǎn)生電路的缺點(diǎn)：電壓產(chǎn)生電路的缺點(diǎn)： 一有外來(lái)信號(hào)，一有外來(lái)信號(hào)，AGCAGC就立刻起作用，接收機(jī)的增益就因就立刻起作用，接收機(jī)的增益就因受控而減小，這對(duì)提高接收機(jī)的靈敏度是不利的，這一點(diǎn)對(duì)微受控而減小，這對(duì)提高接收機(jī)的靈敏度是不利的，這一點(diǎn)對(duì)微弱信號(hào)的接受尤其不利。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可采用延遲式

13、弱信號(hào)的接受尤其不利。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可采用延遲式AGCAGC電路。電路。延遲式延遲式AGCAGC電壓產(chǎn)生電路（電壓產(chǎn)生電路（了解內(nèi)容了解內(nèi)容）Uo0UiUominUomaxUiminUimax在延遲在延遲AGCAGC電路里有一個(gè)電路里有一個(gè)起控門(mén)限起控門(mén)限, ,即比較器參考電壓即比較器參考電壓Ur, ,它對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)振幅它對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)振幅Uimin, ,如圖所示。如圖所示。動(dòng)態(tài)范動(dòng)態(tài)范圍圍第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM至信號(hào)檢波延遲電壓VCCC1R1RCAGC 電壓VD改變“延遲電壓”可改變門(mén)限的大小低通濾波器VD、C1、R1組成AGC檢

14、波器圖86 延遲AGC電路 可見(jiàn)，只有放大器的輸出大于延遲電壓后，即輸入信號(hào)可見(jiàn)，只有放大器的輸出大于延遲電壓后，即輸入信號(hào)幅度大于門(mén)限電壓時(shí)，幅度大于門(mén)限電壓時(shí)，AGCAGC檢波器才工作。檢波器才工作。這種電路由于需要延遲到這種電路由于需要延遲到x xxminxmin之后才開(kāi)始控制之后才開(kāi)始控制作用作用, , 故稱(chēng)為延遲。故稱(chēng)為延遲。 “延遲延遲”二字不是指時(shí)間上的延遲。二字不是指時(shí)間上的延遲。 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)AGCAGC的方法的方法(1) (1) 改變發(fā)射極電流改變發(fā)射極電流I IE E 正向正向AGCAGC 反向反向

15、AGCAGC(2) (2) 改變放大器負(fù)載改變放大器負(fù)載由于放大器的增益與負(fù)載密切相關(guān)，因此通過(guò)改由于放大器的增益與負(fù)載密切相關(guān)，因此通過(guò)改變負(fù)載就可以控制放大器的增益變負(fù)載就可以控制放大器的增益 。通過(guò)控制負(fù)反饋的深度來(lái)控制放大器的增益。通過(guò)控制負(fù)反饋的深度來(lái)控制放大器的增益。(3) (3) 改變放大器的負(fù)反饋深度改變放大器的負(fù)反饋深度120feup p YAg 普通晶體管AGC電路反向AGC 正向AGCofeYEIEQI第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM AGCAGC控制電壓既可以從發(fā)射極送入，也可以從基極控制電壓既可以從發(fā)射極送入，也可以從基極

16、送入，如圖所示。送入，如圖所示。 改變改變 EI的增益控制電路的增益控制電路 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM16 自動(dòng)頻率控制自動(dòng)頻率控制（AFC）電路由電路由頻率比較器頻率比較器、低通濾波器低通濾波器和和可控頻率器件可控頻率器件三部分組成，如圖所示。三部分組成，如圖所示。 7.2 7.2 自動(dòng)頻率控制電路自動(dòng)頻率控制電路第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM17 當(dāng)當(dāng)f0 = fr（標(biāo)稱(chēng)頻率）時(shí)，鑒頻器輸出（標(biāo)稱(chēng)頻率）時(shí)，鑒頻器輸出uc=0，壓控振蕩器振蕩，壓控振蕩器振蕩頻率頻率不變不變； 鎖定狀態(tài)的鎖定

17、狀態(tài)的f 稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)頻率誤差（稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)頻率誤差（剩余頻率誤差剩余頻率誤差）。）。 當(dāng)當(dāng)f0 fr 時(shí)，鑒頻器就有誤差電壓時(shí)，鑒頻器就有誤差電壓ue輸出，經(jīng)過(guò)輸出，經(jīng)過(guò)LP得到得到uc，uc控控制制VCO的振蕩頻率，使的振蕩頻率，使VCO的頻率的頻率f0發(fā)生變化。發(fā)生變化。 變化的結(jié)果使頻率誤差變化的結(jié)果使頻率誤差 |f0 - fr| 減小到一定值減小到一定值f，自動(dòng)控制過(guò)程，自動(dòng)控制過(guò)程即停止，即停止，VCO即穩(wěn)定于即穩(wěn)定于f0=fr f 的頻率上，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。的頻率上，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM187.3 7.3 鎖相

18、環(huán)的基本原理鎖相環(huán)的基本原理 鎖相環(huán)也是以鎖相環(huán)也是以消除頻率誤差為目的消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，的反饋控制電路，但是它是但是它是利用相位誤差去消除頻率誤差利用相位誤差去消除頻率誤差，因此當(dāng)電路達(dá)到，因此當(dāng)電路達(dá)到平衡狀態(tài)后，盡管存在平衡狀態(tài)后，盡管存在剩余相位誤差存在剩余相位誤差存在，但頻率誤差可，但頻率誤差可以降低到零，從而以降低到零，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)頻率誤差實(shí)現(xiàn)無(wú)頻率誤差的頻率跟蹤和相位跟的頻率跟蹤和相位跟蹤。蹤。 AFC AFC電路是以電路是以消除頻率誤差為目的消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，基的反饋控制電路，基本思想是利用頻率誤差電壓去消除頻率誤差，因此當(dāng)電路本思想是利用頻率誤差

19、電壓去消除頻率誤差，因此當(dāng)電路達(dá)到平衡狀態(tài)后，必然達(dá)到平衡狀態(tài)后，必然會(huì)有剩余頻率誤差存在會(huì)有剩余頻率誤差存在，即頻率誤，即頻率誤差不可能為零。差不可能為零。這是這是AFCAFC的固有缺點(diǎn)。的固有缺點(diǎn)。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM19 鎖相環(huán)是一個(gè)鎖相環(huán)是一個(gè)相位負(fù)反饋控制相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)。它由三個(gè)基本部系統(tǒng)。它由三個(gè)基本部件組成。件組成。 鑒鑒 相相 器器(PD): 產(chǎn)生誤差電壓產(chǎn)生誤差電壓 Ud(t) 環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器(LF): 產(chǎn)生控制電壓產(chǎn)生控制電壓 Uc(t) 電壓控制振蕩器電壓控制振蕩器(VCO):輸出瞬時(shí)頻率輸出瞬時(shí)頻率 v

20、當(dāng)vr時(shí)， (t) Ud(t) Uc(t) v ，直到直到 (t) = ，v = r ，環(huán)路鎖定。，環(huán)路鎖定。 參 考 信 號(hào)PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)輸 出 信 號(hào)vr0第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM20舉例說(shuō)明舉例說(shuō)明 （以一階鎖相環(huán)為例）（以一階鎖相環(huán)為例）未鎖定未鎖定鎖定鎖定 可見(jiàn)，環(huán)路鎖定過(guò)程中可見(jiàn)，環(huán)路鎖定過(guò)程中 e(t) 是從是從 02周期的變化，周期的變化，若干周期后使若干周期后使 e= e，則環(huán)路被鎖定。，則環(huán)路被鎖定。ee( ) t0i環(huán)路鎖定的充分必要條件環(huán)路鎖定的充分必要條件第7章 反饋控制電路

21、 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM21 各種反饋控制電路，由于它們均是利用誤差產(chǎn)生控制各種反饋控制電路，由于它們均是利用誤差產(chǎn)生控制電壓，去控制受控對(duì)象，當(dāng)電路達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡以后，必然電壓，去控制受控對(duì)象，當(dāng)電路達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡以后，必然存在一定的誤差存在一定的誤差稱(chēng)之為稱(chēng)之為穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差。 AGC：電平誤差電平誤差A(yù) (U)AFC：頻率誤差頻率誤差f APC（PLL）: 相位誤差相位誤差 結(jié)論結(jié)論： PLL也是一種實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤的自動(dòng)控制電路，它與也是一種實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤的自動(dòng)控制電路，它與AFC電路的區(qū)別在于可以實(shí)現(xiàn)電路的區(qū)別在于可以實(shí)現(xiàn)無(wú)誤差的頻率跟蹤，即無(wú)誤差的頻率跟蹤

22、，即fv = fr 而其它頻率控制系統(tǒng)總是會(huì)存在頻率差。而其它頻率控制系統(tǒng)總是會(huì)存在頻率差。Demo: the Phenomenon of PLL in the Fourth Experiment . 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM22 鑒相器輸出電壓鑒相器輸出電壓ud(t)為一上下不對(duì)稱(chēng)的穩(wěn)定差拍波，其為一上下不對(duì)稱(chēng)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(guò)環(huán)路濾平均分量為一恒定的直流。這一恒定的直流電壓通過(guò)環(huán)路濾波器的作用使波器的作用使VCO的平均頻率的平均頻率v偏離偏離0向向r靠攏，這就是環(huán)靠攏，這就是環(huán)路的路的頻率牽引

23、效應(yīng)頻率牽引效應(yīng)。ud( t ) Ud0 Udtr( t )r00TfTtud(t)Ud0Udtr(t)r00TfTt第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM23 鎖定正是在由穩(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產(chǎn)生的直流控制電壓作用下，強(qiáng)制使用下，強(qiáng)制使VCO的振蕩角頻率的振蕩角頻率v相對(duì)于相對(duì)于0偏移了偏移了0而而與參考角頻率與參考角頻率r相等的結(jié)果。相等的結(jié)果。鎖定后無(wú)頻差，這是鎖相環(huán)的一個(gè)重要特征。鎖定后無(wú)頻差，這是鎖相環(huán)的一個(gè)重要特征。0)(limtet 鎖定狀態(tài)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)，當(dāng)在環(huán)路的

24、作用下，調(diào)整控制頻差等于固有頻差時(shí)，瞬時(shí)相差瞬時(shí)相差e(t)趨向于一個(gè)固定值，并一直保持下去，我趨向于一個(gè)固定值，并一直保持下去，我們將這種狀態(tài)稱(chēng)為鎖相環(huán)路進(jìn)入了們將這種狀態(tài)稱(chēng)為鎖相環(huán)路進(jìn)入了鎖定狀態(tài)鎖定狀態(tài)。 在鎖定狀態(tài)，瞬時(shí)頻差滿足：在鎖定狀態(tài)，瞬時(shí)頻差滿足：第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM24鎖相環(huán)的特點(diǎn) 由以上的討論已知，鎖相環(huán)路具有以下幾個(gè)重要特性: (1)環(huán)路鎖定后，沒(méi)有剩余頻差。 (2)跟蹤特性： VCO的輸出頻率可以跟蹤輸入信號(hào)的變化，表現(xiàn)出良好的跟蹤特性。在接收有多普勒頻移的動(dòng)目標(biāo)時(shí)，這種特性尤為重要。 (3)濾波特性：鎖相環(huán)具有

25、窄帶特性，當(dāng)壓控振蕩器頻率鎖定在輸入頻率上時(shí)，僅位于輸入信號(hào)頻率附近的干擾成分能以低頻干擾的形式進(jìn)入環(huán)路，而絕大多數(shù)的干擾會(huì)受到環(huán)路低通濾波器的抑制，從而減少了對(duì)壓控振蕩器的影響。 (4)低門(mén)限特性：鎖相環(huán)路用作調(diào)頻信號(hào)解調(diào)時(shí)，與普通鑒頻器相比較，有低門(mén)限信噪比特性。這是因?yàn)榄h(huán)路有反饋控制作用，跟蹤相位差小，降低了鑒相特性的非線性影響，從而改善了門(mén)限效應(yīng)。 下面介紹鎖相環(huán)的幾種應(yīng)用。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM25鎖相環(huán)的主要應(yīng)用鎖相環(huán)的主要應(yīng)用1.1.鎖相環(huán)路的調(diào)頻與解調(diào)鎖相環(huán)路的調(diào)頻與解調(diào)2.2.鎖相式鎖相式同步檢波器同步檢波器3.3.鎖相

26、倍頻器鎖相倍頻器4.4.鎖相分頻器鎖相分頻器5.5.鎖相混頻器鎖相混頻器6.6.鎖相式頻率合成器鎖相式頻率合成器第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM26(1).鎖相環(huán)路的調(diào)頻與解調(diào) A、用鎖相實(shí)現(xiàn)調(diào)頻 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)。 實(shí)現(xiàn)調(diào)制的的條件是：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。 fi(t)晶振晶振 PD PD LF LF VCOfo(t)調(diào)頻波調(diào)頻波f(t)調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)+ 當(dāng)調(diào)制信號(hào)為鋸齒波時(shí)，可輸出掃頻信號(hào)。當(dāng)調(diào)制信號(hào)為數(shù)字脈沖時(shí)，可產(chǎn)生移頻鍵控調(diào)制（FSK信號(hào)） 調(diào)制信號(hào)作為VCO控制

27、電壓的一部分使其頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化，由此在輸出端得到已調(diào)頻信號(hào)。 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM27 B、用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻率解調(diào) 如果將環(huán)路的頻帶設(shè)計(jì)的足夠?qū)挘弓h(huán)路捕捉帶大于調(diào)頻波的最大頻偏，利用鎖相環(huán)的跟蹤特性，可以使VCO的振蕩頻率跟蹤輸入調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率。 如果VCO的電壓-頻率特性是線形的，則加到VCO的控制電壓的變化規(guī)律必與調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率變化規(guī)律相同，因此在LF的輸出端可獲得不失真的解調(diào)輸出。 調(diào)頻波鎖相解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)是解調(diào)門(mén)限值比普通鑒相器低45dB。PDPDLFLFVCOVFM(t)調(diào)頻波調(diào)頻波V(t)調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)第7章 反饋控制

28、電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM28 PD PD LF LF VCOVAM(t)調(diào)幅波調(diào)幅波V(t)調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)/2同步檢波同步檢波（2 2）同步檢波器）同步檢波器 原理：原理：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)定度高的載波信號(hào)電壓，與調(diào)頻波在非線相環(huán)路提供一個(gè)穩(wěn)定度高的載波信號(hào)電壓，與調(diào)頻波在非線性器件中乘積檢波，輸出的就是原調(diào)制信號(hào)性器件中乘積檢波，輸出的就是原調(diào)制信號(hào)。 AM 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

29、用載波跟蹤環(huán)可將載波分量提取出來(lái)，再經(jīng)波分量，使用載波跟蹤環(huán)可將載波分量提取出來(lái)，再經(jīng)9090移相，移相，可用作同步檢波器的相干載波。這種同步檢波器如圖所示。可用作同步檢波器的相干載波。這種同步檢波器如圖所示。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM293 3、鎖相倍頻、鎖相倍頻 在鎖相環(huán)路的在鎖相環(huán)路的反饋通道中插入分頻器反饋通道中插入分頻器就可構(gòu)成鎖相就可構(gòu)成鎖相倍頻電路。倍頻電路。i(t) PD LFVCOvi(t)vo(t)o(t)o(t)/NN 當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，鑒相器兩輸入信號(hào)頻率相等。即有：當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，鑒相器兩輸入信號(hào)頻率相等。即有：iiNN

30、00式中式中N為分頻器的倍頻比。為分頻器的倍頻比。 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM304 4、鎖相分頻：、鎖相分頻： 在鎖相環(huán)路中在鎖相環(huán)路中插入倍頻器插入倍頻器就可構(gòu)成鎖相分頻電路。就可構(gòu)成鎖相分頻電路。 i(t)PDLFVCOvi(t)vo(t)o(t)No(t)N 當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)：當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)： NNiooi 式中式中N N為倍頻器的倍頻次數(shù)。為倍頻器的倍頻次數(shù)。 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM315 5、鎖相混頻器、鎖相混頻器 設(shè)混頻器的本振信號(hào)頻率為設(shè)混頻器的本振信號(hào)頻率為L(zhǎng) ，在，在Lo時(shí)

31、混頻器的輸時(shí)混頻器的輸出頻率為出頻率為（L-o），），經(jīng)差頻放大器后加到鑒相器上。經(jīng)差頻放大器后加到鑒相器上。 當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí) )()(iLooLi o(t)i(t)L(t)PDLFVCOvi(t)vo(t)|L(t)-o(t)|混頻混頻差頻放大差頻放大第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM326 6、鎖相式頻率合成器、鎖相式頻率合成器 頻率合成器是利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的頻率來(lái)產(chǎn)生一系頻率合成器是利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的頻率來(lái)產(chǎn)生一系列所需頻率的技術(shù)。列所需頻率的技術(shù)。鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路加上一些輔助電路后，就能加上一些輔助電路后，就能容易地對(duì)容易地對(duì)一

32、個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算而產(chǎn)生所一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算而產(chǎn)生所需的頻率信號(hào)需的頻率信號(hào)，且合成后的信號(hào)頻率與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率具有，且合成后的信號(hào)頻率與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率具有相同的相同的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度及具有及具有較好的頻率純度較好的頻率純度，如果結(jié)合，如果結(jié)合單片微機(jī)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選頻和頻率掃描。單片微機(jī)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選頻和頻率掃描。 PD PD LF LFVCOvi(t)vo(t)fi(t)fo(t)fo(t)/N晶振晶振fi(t)/MN M 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM33鎖相式單環(huán)頻率合成器基本組成如下圖所示：鎖

33、相式單環(huán)頻率合成器基本組成如下圖所示： 當(dāng)環(huán)路鎖定后，鑒相器兩路輸入頻率相等當(dāng)環(huán)路鎖定后，鑒相器兩路輸入頻率相等即：即： iooifMNfNfMf 當(dāng)當(dāng)N改變時(shí)，輸出信號(hào)頻率相應(yīng)為改變時(shí)，輸出信號(hào)頻率相應(yīng)為fi 的整數(shù)倍變化。的整數(shù)倍變化。 PD LFVCOvi(t)vo(t)fi(t)fo(t)fo(t)/N晶振晶振fi(t)/MN M 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM34 環(huán)環(huán)C例：下圖為三環(huán)式頻率合成器方框圖例：下圖為三環(huán)式頻率合成器方框圖已知：已知： 397351,399300,100 BAiNNKHzf求輸出信號(hào)頻率范圍及頻率間隔求輸出信

34、號(hào)頻率范圍及頻率間隔 環(huán)環(huán)A環(huán)環(huán)BPDLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDLFVCOfi(t)fB(t)fA(t)/NBPDLFVCO混頻混頻 帶通帶通fo(t)fc(t)fo-fBAN BN 100 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM35PDLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDLFVCOfi(t)fB(t)fA(t)/NBPDLFVCO混頻混頻 帶通帶通fo(t)fc(t)fo-fBAN BN 100 解：解：iAAfNf iBBfNf iAAcfNff100100 當(dāng)混頻環(huán)路當(dāng)混頻環(huán)路C鎖定時(shí)：鎖定時(shí)： Bcfff 0

35、有有 iBABcfNNfff)100(0 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM36而當(dāng)而當(dāng) =399， =397時(shí)輸出頻率最高。時(shí)輸出頻率最高。 ANBNKHz40099100)397100399(fmax0 所以，合成器的頻率范圍為：所以，合成器的頻率范圍為：（35.440.099）MHzKHzf35400100)351100300(min0 當(dāng)當(dāng)NA=301，NB=351時(shí)，時(shí)， KHzf35401100)351100301(0 因此頻率間隔：因此頻率間隔： kHzfff1min00當(dāng)當(dāng)NA=300，NB=351時(shí)，時(shí)， iBABcfNNfff)1

36、00(0 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM37一、頻率合成器及其技術(shù)指標(biāo)一、頻率合成器及其技術(shù)指標(biāo) 1 1頻率合成器的概念頻率合成器的概念 (1) (1) 傳統(tǒng)信號(hào)源的不足傳統(tǒng)信號(hào)源的不足：頻率準(zhǔn)確度不高、穩(wěn)定度不：頻率準(zhǔn)確度不高、穩(wěn)定度不高；晶體振蕩器盡管準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都較高，但頻率范圍小，高；晶體振蕩器盡管準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都較高，但頻率范圍小，輸出頻率不高。輸出頻率不高。 (2) (2) 頻率合成技術(shù)：頻率合成技術(shù)：是以一個(gè)或少量的高準(zhǔn)確度和高是以一個(gè)或少量的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率，由此導(dǎo)出多個(gè)或大量的輸穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考

37、頻率，由此導(dǎo)出多個(gè)或大量的輸出頻率的方法。出頻率的方法。 頻率合成器的輸出信號(hào)頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度與參考頻頻率合成器的輸出信號(hào)頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度與參考頻率是一樣的。率是一樣的。 頻 率 合 成 器第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM382頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo) (1) 頻率范圍頻率范圍 頻率范圍頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率是指頻率合成器輸出的最低頻率fomin和最高和最高頻率頻率fomax之間的變化范圍，之間的變化范圍， 也可用覆蓋系數(shù)也可用覆蓋系數(shù) k=fomax/fomin 表示表示 （k又稱(chēng)之為波段系數(shù)）。又稱(chēng)

38、之為波段系數(shù)）。(2)頻率間隔（頻率分辨率）頻率間隔（頻率分辨率） 兩個(gè)相鄰頻率之間的最小間隔，就是兩個(gè)相鄰頻率之間的最小間隔，就是頻率間隔。頻頻率間隔。頻率間隔又稱(chēng)為頻率分辨率。率間隔又稱(chēng)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不同用途的頻率合成器，對(duì)頻率間隔的要求是不相同的。的。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM39 (3) (3)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間 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。一個(gè)頻率，并達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間。 頻率轉(zhuǎn)換

39、時(shí)間一般與采用的頻率合成方法有密切的關(guān)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間一般與采用的頻率合成方法有密切的關(guān)系。系。 (4)(4)準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度 頻率準(zhǔn)確度頻率準(zhǔn)確度：頻率準(zhǔn)確度是指頻率合成器工作頻率偏：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。離規(guī)定頻率的數(shù)值，即頻率誤差。 頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度：頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，：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。頻率合成器頻率偏離規(guī)定頻率相對(duì)變化的大小。 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM40(5)(5)頻譜純度頻譜純度 頻譜純度頻譜

40、純度：頻譜純度是指輸出信號(hào)頻譜中包含其他頻譜純度是指輸出信號(hào)頻譜中包含其他頻率成分的的多少頻率成分的的多少。 影響頻率合成器頻譜純度的因素主要有兩個(gè)，一是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，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，如圖所示。呈現(xiàn)為主譜兩邊的連續(xù)噪聲，如圖所示。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM41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)22.8401

41、3 kHz6.27 dB第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM42頻率合成技術(shù)分類(lèi)1.1.直接頻率合成直接頻率合成2.2.間接式（鎖相）頻率合成間接式（鎖相）頻率合成3.3.直接數(shù)字頻率合成直接數(shù)字頻率合成整數(shù)分頻頻率合成整數(shù)分頻頻率合成 小數(shù)分頻頻率合成小數(shù)分頻頻率合成1. 1. 單環(huán)（多環(huán)）頻率合成單環(huán)（多環(huán)）頻率合成2. 2. 雙模前置分頻（吞脈沖可變分頻）頻率合成雙模前置分頻（吞脈沖可變分頻）頻率合成第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM431.1.直接頻率合成器（直接頻率合成器（DSDS） 特點(diǎn)：特點(diǎn)：直

42、接式頻率合成器是直接式頻率合成器是最先出現(xiàn)最先出現(xiàn)的一種合的一種合成器類(lèi)型的頻率信號(hào)源。這種頻率合成器原理簡(jiǎn)單，成器類(lèi)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)。易于實(shí)現(xiàn)。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：分辨率高分辨率高(10-2)、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快(100s)、工作穩(wěn)定可靠、輸出信號(hào)頻譜純度高。、工作穩(wěn)定可靠、輸出信號(hào)頻譜純度高。 不足：不足：體積大、笨重、成本高。體積大、笨重、成本高。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM442.2.間接式（鎖相）頻率合成器間接式（鎖相）頻率合成器 間接式頻率合成器又稱(chēng)為鎖相頻率合成器間接式頻率合成器又稱(chēng)為鎖相頻率

43、合成器。鎖相頻率。鎖相頻率合成器是目前合成器是目前應(yīng)用最廣的頻率合成器。應(yīng)用最廣的頻率合成器。 直接式頻率合成器中所固有的那些缺點(diǎn)，如體積大、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。就大大減少了。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM45雙模前置分頻（吞脈沖可變分頻）頻率合成器雙模前置分頻（吞脈沖可變分頻）頻率合成器在一個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)，總計(jì)脈沖數(shù)即分頻比為在一個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)，總計(jì)脈沖數(shù)即分頻比為 (1)()tNPAP NAAPN頻率合成器的輸出

44、頻率為頻率合成器的輸出頻率為 ()otiifN fAPN f與簡(jiǎn)單的頻率合成器相比與簡(jiǎn)單的頻率合成器相比f(wàn)0提高了提高了P倍，而頻率分辨率仍倍，而頻率分辨率仍保持為保持為fi。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM463.3.直接數(shù)字頻率合成器（直接數(shù)字頻率合成器（DDSDDS） 直接數(shù)字式頻率合成器直接數(shù)字式頻率合成器（Digital Direct Synthesizer，簡(jiǎn)稱(chēng)為簡(jiǎn)稱(chēng)為DDS）是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的一種器件，它以是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的一種器件，它以數(shù)數(shù)字信號(hào)處理字信號(hào)處理理論為基礎(chǔ)，理論為基礎(chǔ)，從信號(hào)的幅度相位關(guān)系出發(fā)進(jìn)行從信號(hào)的幅度相

45、位關(guān)系出發(fā)進(jìn)行頻率合成的頻率合成的。 與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDSDDS具有具有極高的分辨率極高的分辨率、快速的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、快速的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、很寬的相對(duì)帶寬很寬的相對(duì)帶寬、任意波形的輸出任意波形的輸出能力和能力和數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM47首先，首先，對(duì)一個(gè)正弦信號(hào)數(shù)字化，對(duì)一個(gè)正弦信號(hào)數(shù)字化，形成正弦函數(shù)表形成正弦函數(shù)表，儲(chǔ)存在，儲(chǔ)存在ROMROM中。中。合成時(shí)，合成時(shí)，通過(guò)改變相位累加器的頻率控制字，改變相位增量，相通過(guò)改變相位累加器的頻率控制字，改變相位增量，相位增量的不同導(dǎo)致取樣點(diǎn)不同，從而使得輸出頻率不同。位增量的不同導(dǎo)致取樣點(diǎn)不同，從而使得輸出頻率不同。D D S 的的 基基 本本 原原 理理正弦信號(hào)正弦信號(hào)的相位是