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1、第六章反馈控制电路本讲稿第一页，共三十九页二、.自动电平控制电路1、工作原理Automatic Level Control比较放大器 Ar直流放大器 A1可控增益放大器A2（Ve）振幅检波器d 对象反馈控制电路输入信号：输出信号：增益：受ve控制自动电平控制电路的输入量自动电平控制电路的输出量关系式为：一定0一般规定否则比较器的门限电压A本讲稿第二页，共三十九页A当满足预定关系时增益控制特性反馈控制器的比较特性环路稳定过程：当A点，环路进入稳定状态进入锁定状态Lock稳态幅差或剩余幅差可控增益越大，本讲稿第三页，共三十九页2、应用（1）.自动电平控制电路Automatic Gain Contr
2、ol，AGC高频放大器混频器中频放大器包络检波器低频放大器直流放大器AGC检波器带有AGC电路的调幅接收机最大结果中频输出电压强度的增大受压缩一定时A的控制倍数能够在A的变化范围，满足环路的输出控制在所要求范围内。通常取接收的灵敏度电压本讲稿第四页，共三十九页一定时采取的措施：(1)(2)增大直流放大器增益实际电路，采用多种方法实现可控增益放大器受控制利用直接改变放大器的静态工作点电流值，或改变受控网络的可变衰减网络的衰减量，或通过非线性器件改变受控放大器的反馈量。高频放大器混频器中频放大器包络检波器低频放大器直流放大器AGC检波器带有AGC电路的调幅接收机本讲稿第五页，共三十九页（2）、已调
3、波线性功率放大器包络检波器比较放大器包络检波器放大和滤波已调波线性功率放大器已调波输出已调波输入带有自动电平控制电路的线性功率放大器Vr：已调波输入包络电压，作为环路的输入量V+：已调波输出包络失真电压Ve：比较放大器输出因失真而引起的误差电压，该误差电压经放大和滤波后去控制线性 功率放大器的增益。当环路锁定时，输出电压的包络变化必将接近输入电压包络变化，从而有效地减少非线性失真，实现良好的线性放大。本讲稿第六页，共三十九页三、自动频率控制电路（Automatic frequecy Control，AFC）1。工作原理混频器差频放大器限幅鉴频器压控振荡器VCO放大器反馈控制对象自动频率控制电路
4、框图0压控特性0鉴频特性对象：振荡频率受误差电压控制的 压控振荡器-VCOVCO未受控制前Vc=O时的震荡频率鉴频器的中心角频率这时环路不工作AFC电路预定关系式最后进入锁定状态，其误差角频率剩余角频差将VCO不稳定而引起的较大的起始角频差减少到较少的剩余角频差。本讲稿第七页，共三十九页环路的同步和捕捉带将频差放大、限幅鉴频器、放大器频率比较电路将VCO与混频器可控频率电路频率比较电路可控频率电路Wo=Wr，We=0Wr增大 Wo=Weo可控频率电路的转换特性M是环路锁定时的平衡点，相应的频差=剩余频差在平衡点上，由Weo通过频率比较器产生的Vc，Vc通过可控频率电路产生Weo起初角频差Weo
5、较大时，（2）向右移，Weo也越大混频器差频放大器限幅鉴频器压控振荡器VCO放大器反馈控制对象自动频率控制电路框图本讲稿第八页，共三十九页（1）锁定的稳定性分析用作图法显示环路锁定时的Weo频率比较电路可控频率电路当初始角频差Weo很大时，比如到Weo1两曲线有三个交点M、N、P。1.N点：WeVcM点2.M、P点WeVcP点WeVcWeWeVcWeM点WeVcWeP点这时的剩余频差接近于起始频差，环路实际上已失去了自动调节作用，起不了减少频差的作用。效果上，它与环路不工作、即失锁的情况类似。平衡点假如环路原先是锁定的，如Mo点，因起始频差增大到Weo1，但增大速度慢，环路来得及跟着调整，就稳
6、定在M点。反之。环路原先是失锁的，后因起始频差减少到Weo1，则环路进入P点稳定下来，而不在M点。即失锁。WeVcWe本讲稿第九页，共三十九页（2）同步带和捕捉带PI用作图法显示环路锁定时的Weo1.同步带：若环路原先是锁定的，当起始增大到Weo2两线切于M/点，再增大，就没有交点了即Weo2是环路能够维持锁定的最大允许的起始频差，叫同步带或跟踪带，WH2.捕捉带若起始频差很大，环路原先是失锁的，当起始频差减小到Weo3两线切于N/点，不稳定的，环路必定转移到M/点上稳定下来，这表明Weo3是环路能从失锁进入锁定的最大允许的起始频差，叫捕捉带同步带大于捕捉带本讲稿第十页，共三十九页2.应用（1
7、）自动频率微调电路（接收与发射的频率微调、调频接收的解调、扫频电路等）混频器中频放大器包络检波器压控振荡器放大和低通滤波器限幅鉴频器调幅输入具有自动频率微调电路的调幅接收机利用鉴频将偏离额定中频的频率误差变换成电压，控制VCO的振荡频率，使偏离于额定中频的频率误差减小。当环路锁定时，接收机的输入调幅信号的载波频率和VCO振荡频率之差接近于额定中频，这样可以减少中频的带宽、提高接收机的灵敏度和选则性本讲稿第十一页，共三十九页（2）调频负反馈解调电路混频器中频放大器压控振荡器低通滤波器限幅鉴频器调频输入调频负反馈解调电路解调电压输出WiWoWe中频信号的载波角频率中频信号的最大角频偏减小到WmIW
8、mcWmI仍为不失真的调频波本讲稿第十二页，共三十九页（3）线性扫频电路固定频率振荡器混频器比较 -放大器+鉴频器宽带放大器扫频振荡器Vi（t）自动频率控制的扫频信号发生器扫频信号输出扫频信号发生器Vi是输入锯齿波，输出是信号频率按输入信号线性变化的调频波。鉴频器将解调出失真的锯齿波调制信号与输入信号比较，将两者的差值再与输入信号叠加后作为扫频振荡器的调制信号，就能补偿输出扫频信号的失真。本讲稿第十三页，共三十九页四、自动相位控制电路（琐相环路）鉴相器压控振荡器低通滤波器锁相环路反馈控制对象基本锁相环路Phase Lock Loop，PLLPLL是一种实现频率跟踪的自动控制电路，而且这种跟踪是
9、无误差的，即VCO输出频率=输入信号频率。（a）（b）（a）失锁Wo大于Wi（b）锁定Wo等于Wi鉴相器产生误差电压VCO的频率被调整环路锁定鉴相器产生固定的误差电压，保持锁定本讲稿第十四页，共三十九页第二节、锁相环路性能分析一、基本环路方程1、鉴相器锁相环路中鉴相器的输入信号：输入信号电压和VCO电压Vo鉴相器作用：检测出两信号的相位差，并产生相应的输出电压Vd（t）鉴相器鉴相器的电路模型VCO未加控制电压的固有振荡角频率：即环路的参考频率，为输入信号的角频率VCO的实际振荡角频率起始相角，一般取对于采用相乘器的乘积型和采用包络检波器的叠加型鉴相器，它的输出平均电压Ad为鉴相器的最大输出电压
10、本讲稿第十五页，共三十九页2.压控振荡器VCO0压控特性A0为Vc=0时的斜率，即称做压控灵敏度，单位rad/s。v用微分算子P=d/dtVCO为一个理想的积分环节VCO电路模型本讲稿第十六页，共三十九页3.环路低通滤波器Loop Lowpass Filter作用：滤除鉴相输出电流中的无用频率分量及其它干扰分量，达到环路所要求的性能，并保证环路的稳定性。RCVc（t）Vd（t）a简单RC滤波器R1CVc（t）Vd（t）B无源比例积分滤波器R2R1CVc（t）Vd（t）C有源比例积分滤波器R2中的复数S用微分算子p替换滤波器的激励和响应之间关系的微分方程Vd（t）Vc（t）环路滤波器的电路模型本
11、讲稿第十七页，共三十九页4.基本环路方程锁相环基本环路模型Vc（t）环路滤波器的电路模型VCO电路模型鉴相器的电路模型非线性方程，完全描述环路闭合后所发生的动态过程。VCO振荡角频率偏离输入信号角频率的数值，瞬时角频差；VCO在Vc的作用下产生振荡角频率偏离Wr的数值，控制角频差输入信号角频率偏离Wr的数值，既输入固有角频差基本环路方程0压控特性VCO瞬时角频差+VCO在Vc作用产生的控制角频差=输入固有角频差本讲稿第十八页，共三十九页锁定过程若输入固有角频差为常数，即为恒定频率的输入信号进入锁定过程中瞬时角频差控制角频差瞬时角频差=0控制角频差=输入信号和VCO的频率相等，进入锁定状态相位误
12、差表示，即剩余相位差或稳态相位误差。固定值鉴相器输出一直流电压通过滤波器VCO使其振荡频率等于输入信号频率设滤波器直流增益环路锁定时环路的直流总增益最大输入固有频差为锁相环的同步带或跟踪带用要增大锁相环路的同步带，必须提高其直流总增益。且在于VCO最大频率控制范围足够大时才成立。Vc（t）环路滤波器的电路模型VCO电路模型鉴相器的电路模型输入固有角频差VCO瞬时角频差VCO在Vc作用产生的控制角频差本讲稿第十九页，共三十九页二、捕捉过程的定性讨论1.捕捉过程若环路原先是锁定的，由于某种原因造成环路偏离，通过自身调节重新维持锁定的过程称为跟踪过程。若环路原先是失锁的，通过自身调节由失锁进入锁定的
13、过程称为捕捉过程。Vc（t）环路滤波器的电路模型VCO电路模型鉴相器的电路模型未加输入信号：Vc=0，Wo=Wr加输入信号：输入的固有频差刚接入：鉴相器出：正弦波电压A：很大时，且大于滤波器的通频带Vc=0，Wo=Wr失锁B：很小时，且小于滤波器的通频带的基波分量Vc控制VCOWo在Wr上下近似正弦规律摆动当Wi=Wo且符合相位关系时锁定鉴相器输出一个与相对应的直流电压，以维持环路锁定介于A、B两者之间时有以下两种情况：本讲稿第二十页，共三十九页（1）快捕过程A：较大时，且大于滤波器的通频带，鉴相器输出差拍电压通过环路滤波器时被较大衰减，但Vc能控制VCO的Wo摆到Wi上，环路就能锁定失锁很快
14、到锁定的过成叫做快捕过程，相应能锁定的最大快捕带Vc（t）环路滤波器的电路模型VCO电路模型鉴相器的电路模型最大VCO产生的最大角频差例：简单RC滤波器，若当本讲稿第二十一页，共三十九页（2）捕捉过程比前一种大时，鉴相器输出差拍电压通过环路滤波器时被更大衰减，但Vc很小，能控制VCO的Wo在Wr上下的幅度很小，使得Wo不能摆到Wittt00固定当慢当快鉴相器输出不再是正弦波了正半周时间比较长，负半周时间比较短其直流分量和基波分量滤波器VCO其中反馈控制向靠近直到Wo摆Wi=Wo且符合相位关系时，环路通过快捕过程锁定鉴相器输出一个与相对应的直流电压，以维持环路锁定t捕捉过程较大时，Wo的平均分量
15、向Wi靠近的过程频率牵引过程本讲稿第二十二页，共三十九页 环路用有源滤波器，对鉴相器输出电压中的直流分量有理想积分作用，无论Wi离多远，环路都能使Wo靠近Wi并锁定，说明捕捉带有无限宽，捕捉时间也无限长。实际滤波器不可能有理想的积分作用，环路的捕捉带总是有限的。捕捉带不仅取决于Ad、Ao的大小，还取决于环路滤波器的频率特性。Ad、Ao大即使较大，环路对鉴相器输出电压有较大的衰减，但还能使Wo在平均值上下有一定的摆动，因此，环路的捕捉带可加大。环路滤波器的通频带越宽，带外衰减越慢，环路的捕捉带也越大。同理，捕捉带还与VCO的频率控制范围有关。只有当VCO的频率控制范围大于捕捉带时，VCO的影响才
16、可忽略，显然，捕捉带大于快捕带。本讲稿第二十三页，共三十九页三、跟踪特性1.环路三种传递函数Vc（t）环路滤波器的电路模型VCO电路模型鉴相器的电路模型环路在跟踪过程中e值很小的，可用线性函数逼近鉴相器的鉴频特性Ad的单位v/rad环路方程：锁相环PLL的闭环传递函数：P用S代开环传递函数：误差传递函数：本讲稿第二十四页，共三十九页环路滤波器的传递函数简单RC滤波器理想积分滤波器本讲稿第二十五页，共三十九页无源比例积分滤波器本讲稿第二十六页，共三十九页2、瞬态响应及稳态相位误差瞬态响应环路原先锁定，因输入信号频率或相位变化瞬态响应：描述环路恢复到锁定状态的整个跟踪过程，在这个过程中有相位误差由
17、起始值趋向稳态值趋近是的拉氏反变换由拉氏反变换的终值定理求得简单RC滤波器若t=0时，输入信号频率变化Wi本讲稿第二十七页，共三十九页响应曲线当AdAo一定，取不同值时，1稳态相位误差且出现振荡现象，说明在环路阻尼时，在跟踪过程中，Wo不是单调向Wi靠近，而是多次通过Wi才最后趋于锁定。如果用理想积分滤波器：可以控制的瞬态特性。减少跟踪时间本讲稿第二十八页，共三十九页3.正弦稳态响应指输入相位为正弦信号时环路的输出响应均为函数其复函数正弦稳态响应是指环路对调相信号中的正弦相位的频率特性。以此作出波特图，求上限频率指标，并判断其稳定性简单RC滤波器时，环路的闭环传递函数为其幅频特性12310.1
18、50.200.250.400.600.801.02.0特性最平坦，相应的上限频率为闭环幅频特性曲线本讲稿第二十九页，共三十九页第三节 集成锁相环及其应用一、电路框图压控电流源低通滤波器施密特触发器鉴相器A1A2IoIoSVc偏置基准输出1VCO输入5输入2 3VCO控制 输出78910+Vcc4VCO输出-Vcc6SL565RC环路滤波器限幅器鉴相器A1VCO3输出 4VCO15输入2输入11 12去加重10+VccSL562A2VCO9解调输出161314C567VCO 7同步调节8地偏置 1基准直流恢复电平转换电路限幅器AVCO 9TTL输出 11ECL偏置7输入610VccNE554VC
19、O16FSK解调输出1 Vcc14解调输出C定时电容12138地环路增益控制2鉴相器施密特触发器15出发电平输出VCO输入3环路滤波4 5模拟和数字锁相两类，主要由鉴相器和VCO构成，其中鉴相器都是由差分对乘积型鉴相器。工作频率可达500MHZ，VCO采用积分-施密特触发型振荡器它由电流源轮流地对电容充电和放电，产生三角波，施密特将它转换成方波通过放大器控制开关，实现轮流充电和放电VCO射极耦合多谐振荡器，限幅器用来限制环路的直流增益，通过调节限幅电平来控制直流增益，从而控制同步带。当用来解调调频信号时，A2为解调电压输出。NE554用作调频信号和移频键控解调的器件，因此输入多了个振幅限幅器，
20、用来消除输入信号的寄生调幅，输出增加了直流恢复和施密特触发器，对FSK整形，VCO的输出有TTL和ECL兼容电平。本讲稿第三十页，共三十九页L562的内部电路 T33T32T31T30T34T19T20T23T24T25T26T21T22T27T28T29T35T36T1T2T3T4T5T6T7T8T10T12T15T14T11T13T41T42T43T44T9T39T40T37T38T16放大器A3VCO温度补偿网络鉴相器放大器A1、A2本讲稿第三十一页，共三十九页二、琐相环路在解调和锁相接收机中的应用1.锁相解调电路鉴相器环路滤波器压控振荡器输入调频信号输出解调信号调频波锁相解调电路框图调
21、频波锁相解调电路PLL FM Demodulator若VCO的频率控制特性是线性的的复数振幅输出解调电压复数振幅 在调频波锁相解调电路中，为了不失真解调，环路的捕捉带宽必须大于输入调频波的最大频偏，环路的带宽必须大于输入调频波中调制信号的频谱宽度。环路滤波器限幅器鉴相器A1VCO3输出 4VCO15输入2输入11 12去加重10+VccSL562A2VCO9解调输出161314C567VCO 7同步调节8地偏置 1基准0.1uF18VC2C1R1R2C315KVCO输出12K11KCB1K1K0.1uFCBCB0.1uF本讲稿第三十二页，共三十九页振幅调制信号的同步解调电路鉴相器环路滤波器压控
22、振荡器同步检波器移相器振幅调制信号输入解调电压输出琐相环的同步检波电路琐相环用来恢复同步信号如采用模拟鉴相器时，VCO输出电压与输入已调信号的载波电压之间有/2的想移。2。锁相接收机鉴相器环路滤波器压控振荡器输入信号限幅器解调器窄带滤波器中频放大器混频器频率捕捉电路载波信号输出至测速系统解调信号输出参考信号锁相接收机框图锁定中频的通频带可以很窄，保证鉴相器输入端有足够的信噪比VCO振荡频率中反映多卜勒频移信息测速系统用来测量卫星速度的数据锁相环路的带宽很窄，相应的环路的捕捉带也小，对中心频率有较大变化的输入信号，靠自身捕捉很困难。因此，锁相接收机都附有频率捕捉装置，用来扩大环路的捕捉范围。例如
23、，失锁时，频率捕捉装置送出锯齿波扫描电压，加到VCO上，控制VCO 振荡频率靠近输入信号频率，环路就自动将扫描电压切断，进入正常状态。本讲稿第三十三页，共三十九页三、锁相环在频率合成器中的应用1。概述频率合成器（Frequency Synthesis）：利用一个或多个高稳定晶体振荡器产生出一系列等间隔的离散频率信号的一种技术，这些频率的准确度和稳定度与晶体振荡器相同。直接合成法Direct Synthesis：用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器等电路通过对晶体振荡器频率进行四则运算而产生的一系列等间隔的离散频率信号。特点：频率转换时间短、频率数目少。间接合成法Indirect Synthes
24、is：利用锁相环的频率无误差跟踪的特性，由VCO产生一系列与晶体震荡器（作为环路输入信号）相同准确度和稳定度的离散频率信号。数字合成法Direct Digital Synthesis：利用数字直接合成一系列离散频率信号主要指标：工作频率范围：由最高最低频率决定频率间隔，又称分辨率，两个离散频率之间的最小间隔表示频率转换时间：从一个离散频率转换到另一个频率（稳定）所需的时间。频率准确度和稳定度频谱纯度：输出信号接近正弦波的程度，用输出端的有用信号电平与各种干挠（包括噪声）合成总电平之比的分贝数表示。本讲稿第三十四页，共三十九页2.锁相倍频和锁相混频电路锁相倍频电路鉴频器环路滤波器压控振荡器分频器
25、/N锁相倍频电路框图当环路锁定时若分频比用可编程的分频器（Programmable Dividers）得到一系列频率间隔为wi的标准频率的信号输出。锁相混频电路鉴频器环路滤波器压控振荡器混频器锁相倍频电路框图中频放大器本振信号频率间隔为fiFi较小时，当在频率切换时，由于环路的捕捉时间加长，切换时间也加长使得环路动态特性急剧变化不会做的很高本讲稿第三十五页，共三十九页3。锁相频率合成器设置前置分频器的频率合成器前置分频器工作频率可达千兆可变分频器的上限频率100MHZ（ECL）5MHZ（COMS）频率间隔Pfi可以得到提高设置前置混频器的频率合成器用加大频率间隔为代价来换取输出频率的提高鉴频器
26、环路滤波器压控振荡器可变分频 N前置分频器的频率合成器前置分频 P晶体鉴频器环路滤波器压控振荡器可变分频 N前置混频器的频率合成器前置混频 晶体频率间隔fi输出频率提高了由于混频器产生组合频率分量导致输出信号的频谱纯度下降将前置分频器用双模分频器取代，可以在保持频率间隔为fi下，提高输出频率。即吞脉冲频率合成器本讲稿第三十六页，共三十九页吞脉冲频率合成器鉴频器低通滤波器压控振荡器可变分频 N吞脉冲频率合成器双模分频（P+1）、P 晶体可变分频 A模式控制原理：总计数脉冲个数频率间隔fi提高了P倍尾数个位分频数本讲稿第三十七页，共三十九页MC145系列的集成频率合成器件MC145152和MC3393够成的吞脉冲型频率合成器78鉴相锁定检测参考编码模式控制6位计数器/A10位计数器/N12位计数器/R/2A2A14562627182019RA2RA1RA0VDDMC1451512VCO MC3393c2c1低通滤波器R=34096N=31024A=363锁定指示 锁定时输出一窄脉冲 失锁时输出一定宽度且不时变化的矩形脉冲本讲稿第三十八页，共三十九页三环路频率合成器相位检波环路滤波VCO A可变分频/NA固定分频/100相位检波环路滤波可变分频/NBVCO B相位检波带通滤波混频环路滤波VCO C间隔频率1KHZ本讲稿第三十九页，共三十九页