反馈控制电路 (2)精.ppt

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1、反馈控制电路反馈控制电路第1页，本讲稿共95页第第7章章反馈控制电路反馈控制电路反馈控制是现实物理过程中的一个基本现象。反馈控反馈控制是现实物理过程中的一个基本现象。反馈控制方法的采用是为了准确地调整某一个系统或单元制方法的采用是为了准确地调整某一个系统或单元的某些状态参数。的某些状态参数。如采用反馈控制方法稳定放大器增益是反馈控制如采用反馈控制方法稳定放大器增益是反馈控制在电子线路领域最典型的应用之一。在电子线路领域最典型的应用之一。为稳定系统状态而采用的反馈控制系统是一个负反馈为稳定系统状态而采用的反馈控制系统是一个负反馈系统。它由下图所示的三部分组成。系统。它由下图所示的三部分组成。图7

2、-1 反馈控制系统的组成7章 反馈控制电路 2第2页，本讲稿共95页整个系统的功能就是使输出状态跟踪输入信号（基整个系统的功能就是使输出状态跟踪输入信号（基准）或它的平均值的变化。控制过程总是使调整后的误准）或它的平均值的变化。控制过程总是使调整后的误差以与起始误差相反的方向变化，结果逐渐减小绝对误差以与起始误差相反的方向变化，结果逐渐减小绝对误差，最终趋向于一个极限值。差，最终趋向于一个极限值。根据控制状态参数的不同，在高频电路中，反馈控制电根据控制状态参数的不同，在高频电路中，反馈控制电路可分为四类：路可分为四类：自动增益控制（自动增益控制（AGCAGC）：调整输出电压振幅）：调整输出电压

3、振幅自动功率控制（自动功率控制（APCAPC）：调整功率放大器输出功率）：调整功率放大器输出功率自动频率控制（自动频率控制（AFCAFC）：调整振荡信号的频率）：调整振荡信号的频率自动相位控制（自动相位控制（PLLPLL）：调整振荡信号的相位）：调整振荡信号的相位7章 反馈控制电路 3第3页，本讲稿共95页7.1自动增益控制电路自动增益控制电路7.2自动频率控制电路自动频率控制电路7.3锁相环路锁相环路7.4频率合成器频率合成器主要内容主要内容7章 反馈控制电路 4第4页，本讲稿共95页图72具有AGC电路的接收机组成框图具有具有AGCAGC电路的接收机组成框图如下图所示电路的接收机组成框图如

4、下图所示。7.1自动增益控制电路自动增益控制电路7章 反馈控制电路 5第5页，本讲稿共95页7.1.1工作原理工作原理自动增益控制是用负反馈控制的方法动态地调整放大自动增益控制是用负反馈控制的方法动态地调整放大器的增益，使得输入电压幅度在相当大的范围内变器的增益，使得输入电压幅度在相当大的范围内变化时，放大器输出电压振幅的平均值能基本保持恒化时，放大器输出电压振幅的平均值能基本保持恒定。定。设输入信号振幅为设输入信号振幅为U Ui i,输出信号振幅为输出信号振幅为U Uo o,可控增益放可控增益放大器增益为大器增益为K Kv v(u(uc c),),它是控制电压它是控制电压u uc c的函数的

5、函数,则有则有自动增益控制电路框图如图自动增益控制电路框图如图7-37-3所示。所示。(71)7章 反馈控制电路 6第6页，本讲稿共95页图73自动增益控制电路框图7章 反馈控制电路 7第7页，本讲稿共95页根根据据输输入入信信号号的的类类型型、特特点点以以及及对对控控制制的的要要求求，AGC电路主要有以下几种类型。电路主要有以下几种类型。1简单简单AGC电路电路在在简简单单AGCAGC电电路路里里,参参考考电电平平U Ur r0 0。这这样样,只只要要输输入入信信号号振振幅幅U Ui i增增加加,AGC,AGC的的作作用用就就会会使使增增益益K Kv v减减小小,从从而而使使输出信号振幅输出

6、信号振幅U Uo o减小。图减小。图7474为简单为简单AGCAGC的特性曲线。的特性曲线。简简单单AGCAGC电电路路的的优优点点是是线线路路简简单单，在在实实用用电电路路中中不不需需要要电电压压比比较较器器；主主要要缺缺点点是是，一一有有外外来来信信号号，AGCAGC立立即即起起作作用用，接接收收机机的的增增益益就就受受控控制制而而减减小小，这这对对提提高高接接收收机机的的灵灵敏敏度度是是不不利利的的，尤尤其其在在外外来来信信号号很很弱弱时时。故简单故简单AGCAGC电路适用于输入信号振幅较大的场合。电路适用于输入信号振幅较大的场合。7.1.2自动增益控制电路自动增益控制电路7章 反馈控制

7、电路 8第8页，本讲稿共95页图74简单AGC特性曲线7章 反馈控制电路 9第9页，本讲稿共95页2延迟延迟AGC电路电路在在延延迟迟AGCAGC电电路路里里有有一一个个起起控控门门限限,即即比比较较器器参参考考电电压压U Ur r,它它对对应应的的输输入入信信号号振振幅幅U Uiminimin,如如图图7575所示。所示。图76延迟AGC电路7章 反馈控制电路 10第10页，本讲稿共95页图75延迟AGC特性曲线7章 反馈控制电路 11第11页，本讲稿共95页7.1.3放大器的增益控制放大器的增益控制由于高频放大器的谐振增益为：由于高频放大器的谐振增益为：从上式可知放大器的增益与晶体管的正向

8、传输导纳从上式可知放大器的增益与晶体管的正向传输导纳 成正比，而成正比，而 的大小与晶体管的工作点电流的大小与晶体管的工作点电流I IQ Q有关。有关。因此，通过改变晶体管发射极电流因此，通过改变晶体管发射极电流I IE E，可以改变，可以改变 ，从而实现改变放大器的电压增益，从而实现改变放大器的电压增益A Au0u0。晶体管的特性曲线如图晶体管的特性曲线如图7-77-7所示。从曲线可知所示。从曲线可知AGCAGC分正向分正向AGCAGC和反向和反向AGCAGC，相应的电路中，相应的电路中AGCAGC控制电压应控制电压应分别加在晶体管的基极和发射极，即可实现放大器的分别加在晶体管的基极和发射极

9、，即可实现放大器的增益控制。增益控制。（7-2）7章 反馈控制电路 12第12页，本讲稿共95页图7-7 晶体管IE特性曲线7章 反馈控制电路 13第13页，本讲稿共95页7.2自动频率控制电路自动频率控制电路7.2.1工作原理工作原理自自动动频频率率控控制制（AFC）电电路路由由频频率率比比较较器器、低低通通滤滤波器和可控频率器件三部分组成波器和可控频率器件三部分组成,如图如图78所示。所示。频频率率比比较较器器通通常常是是鉴鉴频频器器，参参考考频频率率rr与与鉴鉴频频器器的的中心角频率中心角频率00相等。相等。可可控控频频率率器器件件通通常常是是压压控控振振荡荡器器（VCO）,其其输输出出

10、振振荡角频率可写成荡角频率可写成自自动动频频率率控控制制电电路路是是利利用用误误差差信信号号的的反反馈馈作作用用来来控控制制被被稳稳定定的的振振荡荡器器频频率率，使使之之稳稳定定。误误差差信信号号是是由由鉴鉴频频器器产产生生的的，它它与与鉴鉴频频器器的的两两个个输输入入信信号号频频率率差差成成正正比比，显显然然达达到到最最后后稳稳定定状状态态时时，两两个个频频率率不不可可能能完全相等，必定存在剩余频差：完全相等，必定存在剩余频差：。(73)7章 反馈控制电路 14第14页，本讲稿共95页图78自动频率控制电路的组成7章 反馈控制电路 15第15页，本讲稿共95页自动频率微调电路（简称自动频率微

11、调电路（简称AFC电路）电路）图图7979是是一一个个调调频频通通信信机机的的AFCAFC系系统统的的方方框框图图。这这里里是是以以固固定定中中频频f fI I作作为为鉴鉴频频器器的的中中心心频频率率,亦亦作作为为AFCAFC系统的标准频率。系统的标准频率。当当混混频频器器输输出出差差频频不不等等于于fI时时，鉴鉴频频器器即即有有误误差差电电压压输输出出，通通过过低低通通滤滤波波器器，得得到到直直流流电电压压输输出出，用用来来控控制制本本振振（压压控控振振荡荡器器），从从而而使使f0改改变变，直直到到减减小小到到等等于于剩剩余余频频差差为为止止。这这固固定定的的剩剩余频差叫做剩余失谐。余频差叫

12、做剩余失谐。7.2.2应用应用7章 反馈控制电路 16第16页，本讲稿共95页图79调频通信机的AFC系统方框图7章 反馈控制电路 17第17页，本讲稿共95页7.3锁相环路锁相环路7.3.1工作原理工作原理锁锁相相环环PLL(Phase-Locked PLL(Phase-Locked Loop)Loop)是是一一个个相相位位负负反反馈馈控控制制系系统统。它它由由鉴鉴相相器器(Phase(Phase Detector,Detector,缩缩写写为为PD)PD)、环环路路滤滤波波器器(Loop(Loop Filter,Filter,缩缩写写为为LF)LF)和和电电压压控控制制振振荡荡器器(Vol

13、tage(Voltage Controlled Controlled Oscillator,Oscillator,缩缩写写为为VCO)VCO)三个基本部件组成三个基本部件组成,如图如图710710所示。所示。图710锁相环的基本构成7章 反馈控制电路 18第18页，本讲稿共95页设参考信号为设参考信号为(74)若若参参考考信信号号是是未未调调载载波波时时,则则r(t)=r=常常数数。设输出信号为设输出信号为(75)两信号之间的瞬时相差为两信号之间的瞬时相差为（76）由由频频率率和和相相位位之之间间的的关关系系可可得得两两信信号号之之间间的的瞬瞬时时频频差差为为(77)7章 反馈控制电路 19第

14、19页，本讲稿共95页锁锁定定后后两两信信号号之之间间的的相相位位差差表表现现为为一一固固定定的稳态值。的稳态值。即即（78）此此时时,输输出出信信号号的的频频率率已已偏偏离离了了原原来来的的自自由由振振荡荡频频率率0(控控制制电电压压uc(t)=0时时的的频频率率),其其偏偏移移量量由由式式(77)和和(78)得到为得到为(79)这时输出信号的工作频率已变为这时输出信号的工作频率已变为(710)7章 反馈控制电路 20第20页，本讲稿共95页由上可知，锁相环路是通过对相位的控制来实现对频由上可知，锁相环路是通过对相位的控制来实现对频率的控制，可以实现率的控制，可以实现无误差无误差的频率跟踪。

15、它与自动的频率跟踪。它与自动频率控制电路一样都是实现频率跟踪的自动控制电频率控制电路一样都是实现频率跟踪的自动控制电路，但自动频率控制电路只能实现有路，但自动频率控制电路只能实现有固定频差固定频差的频的频率跟踪。率跟踪。7章 反馈控制电路 21第21页，本讲稿共95页7.3.2基本环路方程基本环路方程1.鉴相器鉴相器鉴相器（鉴相器（PDPD）又称为相位比较器）又称为相位比较器,它是用来比较两个它是用来比较两个输入信号之间的相位差输入信号之间的相位差e e(t t)。鉴相器输出的误差信。鉴相器输出的误差信号号u ud d(t t)是相差是相差e e(t t)的函数，即的函数，即u ud d(t

16、t)f f e e(t t)。鉴相器按其鉴相特性可分为正弦型、三角型和锯齿型鉴相器按其鉴相特性可分为正弦型、三角型和锯齿型等。图等。图7-117-11所示的是正弦鉴相器，它由模拟乘法器与所示的是正弦鉴相器，它由模拟乘法器与低通滤波器串接而成。低通滤波器串接而成。图711正弦鉴相器模型7章 反馈控制电路 22第22页，本讲稿共95页若若以以压压控控振振荡荡器器的的载载波波相相位位0 0t t作作为为参参考考，将将输出信号输出信号u uo o(t t)与参考信号与参考信号u ur r变形变形(711)(712)式中，式中，2(t)=0(t),(713)将将uo(t)与与ur(t)相乘相乘,经低通滤

17、除经低通滤除20分量分量,可得可得 (714)由由（7-147-14）可可得得正正弦弦鉴鉴相相器器的的数数学学模模型型如如图图7-7-1212所所示示，鉴鉴相相特特性性如如图图7-137-13所所示示。UdUd在在一一定定程程度上反映了鉴相器的灵敏度。度上反映了鉴相器的灵敏度。7章 反馈控制电路 23第23页，本讲稿共95页图712线性鉴相器的频域数学模型7章 反馈控制电路 24第24页，本讲稿共95页图713正弦鉴相器的鉴相特性7章 反馈控制电路 25第25页，本讲稿共95页2.环路滤波器环路滤波器环环路路滤滤波波器器(LF)(LF)是是一一个个线线性性低低通通滤滤波波器器,用用来来滤滤除除

18、误误差差电电压压u ud d(t)(t)中中的的高高频频分分量量和和噪噪声声,更更重重要的是它对环路参数调整起到决定性的作用。要的是它对环路参数调整起到决定性的作用。环路滤波器的模型如图环路滤波器的模型如图7-147-14所示。所示。图714环路滤波器的模型(a)时域模型;(b)频域模型7章 反馈控制电路 26第26页，本讲稿共95页1)RC积分滤波器积分滤波器这这是是最最简简单单的的低低通通滤滤波波器器,电电路路如如图图715(a)715(a)所示所示,其传递函数为其传递函数为2)无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器无无源源比比例例积积分分滤滤波波器器如如图图716(a)716(a)所所示示

19、。与与RCRC积积分分滤滤波波器器相相比比,它它附附加加了了一一个个与与电电容容C C串串联联的的电电阻阻R R2 2,这这样样就就增增加加了了一一个个可可调调参参数数。它它的的传传递递函数为函数为(716)(715)7章 反馈控制电路 27第27页，本讲稿共95页图715 RC积 分 滤 波 器 的 组 成 与 频 率 特 性 (a)组成;(b)频率特性7章 反馈控制电路 28第28页，本讲稿共95页图716无源比例积分滤波器(a)组成;(b)频率特性7章 反馈控制电路 29第29页，本讲稿共95页3)有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器有有源源比比例例积积分分滤滤波波器器由由运运算算放放大

20、大器器组组成成,电电路路如如图图7-17(a)7-17(a)所所示示。当当运运算算放放大大器器开开环环电电压压增增益益A A为有限值时为有限值时,它的传递函数为它的传递函数为(717)式中，式中，1=(R1+AR1+R2)C;2=R2C。若。若A很高很高,则则(718)7章 反馈控制电路 30第30页，本讲稿共95页图717有源比例积分滤波器(a)电路;(b)频率特性7章 反馈控制电路 31第31页，本讲稿共95页3.压控振荡器压控振荡器压压控控振振荡荡器器(VCO)(VCO)是是一一个个电电压压-频频率率变变换换器器,在在环环路路中中作作为为被被控控振振荡荡器器,它它的的振振荡荡频频率率应应

21、随随输输入入控控制电压制电压u uc c(t)(t)线性地变化线性地变化,即即式式中中，v v(t t)是是VCOVCO的的瞬瞬时时角角频频率率，k kd d是是线线性性特特性性斜斜率率，表表示示单单位位控控制制电电压压可可使使VCOVCO角角频频率率变变化化的的数数值值。因因此此又又称称为为VCOVCO的的控控制制灵灵敏敏度度或或增增益益系系数数,单单位位为为rad/Vsrad/Vs。在在锁锁相相环环路路中中，VCOVCO的的输输出出对对鉴鉴相相器器起起作作用用的的不不是是瞬瞬时时角角频频率率而而是是它的瞬时相位它的瞬时相位，即，即 （719）7章 反馈控制电路 32第32页，本讲稿共95页

22、（720）（721）将此式与式将此式与式(711)(711)比较比较,可知以可知以0 0t t为参考的为参考的输出瞬时相位为输出瞬时相位为7章 反馈控制电路 33第33页，本讲稿共95页由由此此可可见见,VCO,VCO在在锁锁相相环环中中起起了了一一次次积积分分作作用用,因因此此也也称称它它为为环环路路中中的的固固有有积积分分环环节节。式式(721)(721)就就是是压压控控振振荡荡器器相相位位控控制制特特性性的的数数学学模模型型,若若对对式式(721)(721)进进行行拉拉氏氏变变换换,可可得得到到在在复频域的表示式为复频域的表示式为VCOVCO的传递函数为的传递函数为（722）（723）7

23、章 反馈控制电路 34第34页，本讲稿共95页图718VCO的复频域模型7章 反馈控制电路 35第35页，本讲稿共95页4.环路相位模型和基本方程环路相位模型和基本方程复复时时域域分分析析时时可可用用一一个个传传输输算算子子F F(p p)来来表表示示，其其中中p p(d d/d/dt t)是是微微分分算算子子。由由图图719,719,我我们们可以得出锁相环路的基本方程可以得出锁相环路的基本方程(724)(725)7章 反馈控制电路 36第36页，本讲稿共95页图719锁相环路的相位模型7章 反馈控制电路 37第37页，本讲稿共95页将式将式(725)(725)代入式代入式(724)(724)

24、得得（726）设设环环路路输输入入一一个个频频率率rr和和相相位位rr均均为为常常数数的的信信号号,即即式式中中，00是是控控制制电电压压uc(t)=0uc(t)=0时时VCOVCO的的固固有有振振荡荡频率频率;r;r是参考输入信号的初相位。令是参考输入信号的初相位。令（727）则则 7章 反馈控制电路 38第38页，本讲稿共95页将将式式(727)代代入入式式(726)可可得得固固定定频频率率输输入入时时的的环路基本方程环路基本方程:（728）右右边边第第二二项项是是闭闭环环后后VCOVCO受受控控制制电电压压u uc c(t)(t)作作用用引引起起振振荡荡频频率率v v相相对对于于固固有有

25、振振荡荡频频率率0 0的的频频差差(v v-0 0)，称称为为控控制制频频差差。由由式式(728)(728)可可见见,在在闭闭环环之之后后的的任任何何时时刻刻存在如下关系存在如下关系:瞬时频差瞬时频差=固有频差固有频差-控制频差控制频差（729）7章 反馈控制电路 39第39页，本讲稿共95页7.3.3锁相环工作过程的定性分析锁相环工作过程的定性分析1.锁定状态锁定状态当当在在环环路路的的作作用用下下,调调整整控控制制频频差差等等于于固固有有频频差差时时,瞬瞬时时相相差差e e(t)(t)趋趋向向于于一一个个固固定定值值,并并一一直直保保持持下下去去,即即满足满足此此时时可可以以认认为为锁锁相

26、相环环路路进进入入锁锁定定状状态态。环环路路对对输输入入固固定定频频率率的的信信号号锁锁定定后后，输输入入到到鉴鉴相相器器的的两两信信号号之之间间无无频频差差，只只有有一一固固定定的的稳稳态态相相差差e e(t t)。此此时时的的误误差差电电压压U Ud dsinsine e()()为为直直流流，它它经经过过F F（j j0 0）的的过过滤滤作作用之后得到控制电压用之后得到控制电压U Ud dF F（j j0 0）sinsine e()()也是直流。也是直流。锁定时的环路方程为锁定时的环路方程为（730）（731）7章 反馈控制电路 40第40页，本讲稿共95页从中解得稳态相差从中解得稳态相差

27、锁锁定定正正是是在在由由稳稳态态相相差差e e()()产产生生的的直直流流控控制制电电压压作作用用下下,强强制制使使VCOVCO的的振振荡荡角角频频率率v v相相对对于于0 0偏偏移移了了0 0而而与与参参考考角角频频率率r r相相等等的的结结果果。即即（733）（732）7章 反馈控制电路 41第41页，本讲稿共95页2.跟踪过程跟踪过程跟跟踪踪是是在在锁锁定定的的前前提提下下，输输入入的的参参考考频频率率和和相相位位在在一一定定的的范范围围内内，以以一一定定的的速速率率发发生生变变化化时时，输输出出信信号号的的频频率率和和相相位位以以同同样样的的规规律律跟跟随随变变化化，这这一一过过程程称

28、称为为环环路的跟踪过程。如路的跟踪过程。如r0e()Uc()v。当当v v大大得得足足以以补补偿偿固固有有频频差差0 0时时，环环路路维维持持锁锁定，因而有定，因而有则则如如果果继继续续增增大大0 0,使使0 0K K0 0U Ud dF F(j0),(j0),则则环环路路失失锁锁(v vr r)。因因此此,我我们们把把环环路路能能够够继继续续维维持持锁锁定定状态的最大固有频差定义为环路的同步带状态的最大固有频差定义为环路的同步带:（734）7章 反馈控制电路 42第42页，本讲稿共95页3.失锁状态失锁状态失失锁锁状状态态就就是是瞬瞬时时频频差差(r r-v v)总总不不为为零零的的状状态态

29、。这这时时，鉴鉴相相器器输输出出电电压压u ud d(t)(t)为为一一上上下下不不对对称称的的稳稳定定差差拍拍波波，其其平平均均分分量量为为一一恒恒定定的的直直流流。正正是是这这样样的的的的直直流流电电压压通通过过环环路路滤滤波波器器的的作作用用使使VCOVCO的的平平均均频频率率v v偏偏离离0 0向向r r靠靠拢拢,这这就就是是环路的环路的频率牵引效应频率牵引效应。7章 反馈控制电路 43第43页，本讲稿共95页4.捕获过程捕获过程开开机机时时,鉴鉴相相器器输输入入端端两两信信号号之之间间存存在在着着起起始始频频差差(即即固固有有频频差差)0 0=r r-v v,其其相相位位差差0 0t

30、 t。因因此此,鉴鉴相相器器输输出出的的是是一一个个角角频频率率等等于于频差频差0 0的差拍信号的差拍信号,即即若若0很很大大,ud(t)差差拍拍信信号号的的拍拍频频很很高高,易易受受环环路路滤滤波波器器抑抑制制,这这样样加加到到VCO输输入入端端的的控控制制电电压压uc(t)很很小小,控控制制频频差差建建立立不不起起来来,ud(t)仍仍是是一一个个上上下接近对称的稳定差拍波，环路不能入锁。下接近对称的稳定差拍波，环路不能入锁。当当0减小到某一范围时，鉴相器输出的误差减小到某一范围时，鉴相器输出的误差电压电压ud(t)是上下不对称的差拍波，其平均分量是上下不对称的差拍波，其平均分量（即直流分量

31、）不为零。（即直流分量）不为零。（735）7章 反馈控制电路 44第44页，本讲稿共95页通过环路滤波器的作用，使控制电压中的直流分量增通过环路滤波器的作用，使控制电压中的直流分量增加，从而牵引着加，从而牵引着VCOVCO的频率的频率v v平均地向平均地向r r靠拢。这靠拢。这使得使得u ud d(t t)的拍频减小，增大差拍波的不对称性，即的拍频减小，增大差拍波的不对称性，即增大直流分量，这又将增大直流分量，这又将VCOVCO的频率的频率v v进一步接近进一步接近r r 。经过一段时间后，当平均频差减小到某一频率范。经过一段时间后，当平均频差减小到某一频率范围时，频率捕获过程结束。围时，频率

32、捕获过程结束。此后进入相位捕获过程，此后进入相位捕获过程，e e(t t)最终趋于稳态值最终趋于稳态值e e()()，同时，同时u ud d(t t)、u uc c(t t)也分别趋于它们的稳态也分别趋于它们的稳态值值U Ud dsin sin e e()()、U Uc()c()，压控振荡器的输出频，压控振荡器的输出频率被锁定在参考信号频率率被锁定在参考信号频率r r上，使上，使 （v v=r r ），捕获全过程即告结束，环路锁定。），捕获全过程即告结束，环路锁定。7章 反馈控制电路 45第45页，本讲稿共95页图720频率捕获锁定示意图7章 反馈控制电路 46第46页，本讲稿共95页环环路路

33、能能否否发发生生捕捕获获是是与与固固有有频频差差的的0 0大大小小有有关关。只只有有当当|0 0|小小到到某某一一频频率率范范围围时时,环环路路才才能能捕捕获获入入锁锁,这这一一范范围围称称为为环环路路的的捕捕获获带带p p。它它定定义义为为在在失失锁锁状状态态下下能能使使环环路路经经频频率率牵引牵引,最终锁定的最大固有频差最终锁定的最大固有频差|0 0|maxmax，即即（736）7章 反馈控制电路 47第47页，本讲稿共95页7.3.4锁相环路的应用锁相环路的应用由以上的讨论已知由以上的讨论已知,锁相环路具有以下几个重要特性锁相环路具有以下几个重要特性:环环路路锁锁定定后后,没没有有剩剩余

34、余频频差差。压压控控振振荡荡器器的的输输出出频频率率严格等于输入信号的频率。严格等于输入信号的频率。跟跟踪踪特特性性。环环路路锁锁定定后后,当当输输入入信信号号频频率率r r稍稍有有变变化化时时,VCO,VCO的的频频率率立立即即发发生生相相应应的的变变化化,最最终终使使VCOVCO输输出出频率频率v v=r r。滤滤波波特特性性。锁锁相相环环通通过过环环路路滤滤波波器器的的作作用用,具具有有窄窄带带滤滤波波特特性性,能能够够将将混混进进输输入入信信号号中中的的噪噪声声和和杂杂散散干干扰扰滤除。滤除。易易于于集集成成化化。组组成成环环路路的的基基本本部部件件都都易易于于采采用用模模拟拟集集成成

35、电电路路。环环路路实实现现数数字字化化后后,更更易易于于采采用用数数字字集集成成电电路。路。7章 反馈控制电路 48第48页，本讲稿共95页下面介绍锁相环的几种应用。下面介绍锁相环的几种应用。1.1.锁相调频与解调锁相调频与解调用用锁锁相相环环调调频频,能能够够得得到到中中心心频频率率高高度度稳稳定定的的调调频信号频信号,图图7 7 2121是这种方法的方框图。是这种方法的方框图。图721锁相环路调频器方框图7章 反馈控制电路 49第49页，本讲稿共95页实现调制的条件：实现调制的条件：调制信号的频谱要处于低通滤波器调制信号的频谱要处于低通滤波器通频带之外，并且调频指数不能太大。通频带之外，并

36、且调频指数不能太大。利用满足上述调制条件的调制信号去线性控制利用满足上述调制条件的调制信号去线性控制VCOVCO输出输出信号的瞬时频率，同时其中心频率通过窄带信号的瞬时频率，同时其中心频率通过窄带PLLPLL精确锁精确锁定于晶振的频率，而不受调制信号的影响，从而在定于晶振的频率，而不受调制信号的影响，从而在VCOVCO的输出端可以得到中心频率高度稳定的调频信号。的输出端可以得到中心频率高度稳定的调频信号。7章 反馈控制电路 50第50页，本讲稿共95页调调制制跟跟踪踪锁锁相相环环本本身身就就是是一一个个调调频频解解调调器器。将将环环路路滤滤波波器器带带宽宽设设计计成成调调制制信信号号带带宽宽，

37、它它利利用用锁锁相相环环路路良良好好的的调调制制跟跟踪踪特特性性,使使锁锁相相环环路路跟跟踪踪输输入入调调频频信信号号瞬瞬时时相相位位的的变变化化,即即跟跟踪踪FMFM信信号号中中反反映映调调制制规规律律变变化化的的瞬瞬时时频频偏偏，从从而而使使VCOVCO控控制制端端获获得得解解调调输输出出。锁锁相相环环鉴鉴频频器器的的组组成如图成如图722722所示。所示。图722锁相鉴频器7章 反馈控制电路 51第51页，本讲稿共95页设输入的调频信号为设输入的调频信号为其其调调制制信信号号为为u(t)=Ucost，mf为为调调频频指指数数。同同时时假假设设环环路路处处于于线线性性跟跟踪踪状状态态,且且

38、输输入入载载频频i等等于于VCO自自由由振振荡荡频频率率0,则则可可得得到到调调频频波波的的瞬时相位为瞬时相位为现现以以VCO控控制制电电压压uc(t)作作为为解解调调输输出出,那那么么可可先先求求出出环环路路的的输输出出相相位位2(t),再再根根据据VCO控控制制特特性性2(t)=K0uc(t)/p,不难求得解调输出信号不难求得解调输出信号uc(t)。（737）（738）7章 反馈控制电路 52第52页，本讲稿共95页设设锁锁相相环环路路的的闭闭环环频频率率响响应应为为H(j),则则输输出出相相位为位为因而解调输出电压为因而解调输出电压为式中式中,(739)(740)7章 反馈控制电路 53

39、第53页，本讲稿共95页m为为调调频频信信号号的的最最大大频频偏偏。对对于于设设计计良良好好的的调调制制跟跟踪踪锁锁相相环环,在在调调制制频频率率范范围围内内H(j)1,相相移移H(j)也也很很小小。因因此此，uc(t)确确是是良良好好的的调调频频解调输出。解调输出。各各种种通通用用锁锁相相环环集集成成电电路路都都可可以以构构成成调调频频解解调调器器。图图723为为用用NE562集集成成锁锁相相环环构构成成的的调调频频解解调调器。器。7章 反馈控制电路 54第54页，本讲稿共95页图723NE562调频解调器FM信号输入（同步带调节）7章 反馈控制电路 55第55页，本讲稿共95页2.同步检波

40、器同步检波器用用锁锁相相环环对对调调幅幅信信号号进进行行解解调调,实实际际上上是是利利用用锁锁相相环环路路提提供供一一个个稳稳定定度度高高的的相相干干载载波波信信号号电电压压,与与调调幅幅波波在在非非线线性性器器件件中中乘乘积积检检波波,输输出出的的就就是是原原调调制制信信号号。AMAM信信号号频频谱谱中中,除除包包含含调调制制信信号号的的边边带带外外,还还含含有有较较强强的的载载波波分分量量,使使用用载载波波跟跟踪踪环环（其其中中环环路路滤滤波波器器的的带带宽宽远远小小于于AMAM信信号号带带宽宽）可可将将载载波波分分量量提提取取出出来来,再再经经9090移移相相,可可用用作作同同步步检检波

41、波器器的的相相干干载载波波。这这种种同同步步检波器如图检波器如图724724所示。所示。7章 反馈控制电路 56第56页，本讲稿共95页图724AM信号同步检波器7章 反馈控制电路 57第57页，本讲稿共95页设输入信号为设输入信号为输输入入信信号号中中载载波波分分量量为为Uicosit,用用载载波波跟跟踪踪环环提提取取后后输输出出为为uo(t)=Uosin(it+0),经经90移移相相后后,得到相干载波得到相干载波式中式中0为稳态相差，通常为稳态相差，通常00，将将ur(t)与与ui(t)相乘相乘,经低通滤波后经低通滤波后,得到的输出信号就是恢复得到的输出信号就是恢复出来的调制信号。出来的调

42、制信号。(741)(742)7章 反馈控制电路 58第58页，本讲稿共95页3.锁相倍频、分频和混频锁相倍频、分频和混频锁相倍频锁相倍频锁相倍频电路基本组成框图如图锁相倍频电路基本组成框图如图7-257-25所示。在基本所示。在基本锁相环路的锁相环路的反馈通道中插入分频器反馈通道中插入分频器组成。当环路锁组成。当环路锁定时，有定时，有fr=f0/N，因此因此f0=N fr，从而实现倍频。从而实现倍频。图7-25 锁相倍频电路框图7章 反馈控制电路 59第59页，本讲稿共95页锁相分频锁相分频锁相分频电路基本组成框图如图锁相分频电路基本组成框图如图7-267-26所示。在基本所示。在基本锁相环路

43、的锁相环路的反馈通道中插入倍频器反馈通道中插入倍频器组成。当环路锁组成。当环路锁定时，有定时，有fr=Nf0，因此因此f0=fr/N，从而实现分频。从而实现分频。图7-26 锁相分频电路框图7章 反馈控制电路 60第60页，本讲稿共95页锁相混频锁相混频锁相混频电路基本组成框图如图锁相混频电路基本组成框图如图7-277-27所示。在基本所示。在基本锁相环路锁相环路反馈通道中插入混频器和中频放大器反馈通道中插入混频器和中频放大器组成。组成。当环路锁定时，有当环路锁定时，有，则则，从而实现从而实现混频。混频。图7-27 锁相混频电路框图7章 反馈控制电路 61第61页，本讲稿共95页锁相环路除了以

44、上的应用外锁相环路除了以上的应用外,还可广泛地应用于电视还可广泛地应用于电视机彩色副载波提取机彩色副载波提取,调频立体声解码、电机转速控制、调频立体声解码、电机转速控制、微波频率源、锁相接收机、移相器、位同步、以及微波频率源、锁相接收机、移相器、位同步、以及各种调制方式的调制器和解调器、频率合成器等。各种调制方式的调制器和解调器、频率合成器等。7章 反馈控制电路 62第62页，本讲稿共95页7.4频率合成器频率合成器7.4.1频率合成器及其技术指标频率合成器及其技术指标频频率率合合成成是是指指以以一一个个或或少少量量的的高高准准确确度度和和高高稳稳定定的的标标准准频频率率作作为为参参考考频频率

45、率，由由此此导导出出多多个个或或大大量量的的输输出出频频率，这些输出频率的准确度和稳定度与参考频率一致。率，这些输出频率的准确度和稳定度与参考频率一致。频频率率合合成成器器的的输输出出频频率率是是通通过过对对标标准准频频率率在在频频域域内内进进行行加加、减减、乘乘、除除来来实实现现的的，可可以以用用混混频频、倍倍频频和和分分频等电路来实现。频等电路来实现。频率合成器的主要技术指标有：频率合成器的主要技术指标有：1 1频率范围频率范围 频频率率范范围围是是指指频频率率合合成成器器输输出出的的最最低低频频率率f fominomin和和最最高高频频 率率f fomaxomax之之 间间 的的 变变

46、化化 范范 围围,也也 可可 用用 覆覆 盖盖 系系 数数k k=f fomaxomax/f fominomin表表示示（k k又又称称之之为为波波段段系系数数）。如如果果覆覆盖盖系系数数k2-3k2-3时时,整整个个频频段段可可以以划划分分为为几几个个分分波波段段。在在频频率率合合成成器器中中,分分波波段段的的覆覆盖盖系系数数一一般般取取决决于于压压控控振振荡荡器器的特性。的特性。7章 反馈控制电路 63第63页，本讲稿共95页2频率间隔（频率分辨率）频率间隔（频率分辨率）频频率率合合成成器器的的输输出出是是不不连连续续的的。两两个个相相邻邻频频率率之之间间的的最最小小间间隔隔,就就是是频频

47、率率间间隔隔。频频率率间间隔隔又又称称为为频频率率分分辨辨率率。不不同同用用途途的的频频率率合合成成器器,对对频频率率间间隔隔的的要要求求是是不不相相同同的的。对对短短波波单单边边带带通通信信来来说说,现现在在多多取取频频率率间间隔隔为为100Hz,100Hz,有有的的甚甚至至取取10Hz10Hz、1Hz1Hz乃乃至至0.1Hz0.1Hz。对对超超短短波波通通信信来来说说,频频率率间间隔隔多多取取50kHz50kHz、25kHz25kHz等等。在在一一些些测测量量仪仪器中器中,其频率间隔可达兆赫兹量级。其频率间隔可达兆赫兹量级。7章 反馈控制电路 64第64页，本讲稿共95页3频率转换时间频率

48、转换时间频频率率转转换换时时间间是是指指频频率率合合成成器器从从某某一一个个频频率率转转换换到到另另一一个个频频率率,并并达达到到稳稳定定所所需需要要的的时时间间。它它与采用的频率合成方法有密切的关系。与采用的频率合成方法有密切的关系。4准确度与频率稳定度准确度与频率稳定度频频率率准准确确度度是是指指频频率率合合成成器器工工作作频频率率偏偏离离规规定定频频率率的的数数值值,即即频频率率误误差差。而而频频率率稳稳定定度度是是指指在在规规定定的的时时间间间间隔隔内内,频频率率合合成成器器频频率率偏偏离离规规定定频频率相对变化的大小。率相对变化的大小。5频谱纯度频谱纯度影影响响频频率率合合成成器器频

49、频谱谱纯纯度度的的因因素素主主要要有有两两个个,一一是是相相位位噪噪声声,二二是是寄寄生生干干扰扰。相相位位噪噪声声是是瞬瞬间间频频率率稳稳定定度度的的频频域域表表示示,在在频频谱谱上上呈呈现现为为主主谱谱两两边边的的连连续续噪噪声声,如如图图7-287-28所所示示。寄寄生生干干扰扰是是非非线线性性部部件件产产生生的的，其其中中最最严严重重的的混混频频器器，它它表表现现为为一些离散的频谱。一些离散的频谱。7章 反馈控制电路 65第65页，本讲稿共95页图728频率合成器的频谱7章 反馈控制电路 66第66页，本讲稿共95页7.4.2频率合成器的类型频率合成器的类型频频率率合合成成器器可可分分

50、为为直直接接式式频频率率合合成成器器,间间接接式式（或或锁锁相）频率合成器相）频率合成器和和直接式数字频率合成器直接式数字频率合成器。1直接式频率合成器（直接式频率合成器（DS）直直接接式式频频率率合合成成器器是是最最先先出出现现的的一一种种合合成成器器类类型型的的频频率率信信号号源源。这这种种频频率率合合成成器器原原理理简简单单,易易于于实实现现。其其合合成成方方法法大大致致可可分分为为两两种种基基本本类类型型:一一种种是是非非相相干干式式合成方法合成方法;另一种是相干式合成方法。另一种是相干式合成方法。2间接式频率合成器（间接式频率合成器（IS）间间接接式式频频率率合合成成器器又又称称为为