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1、第一节第一节 概述概述参考参考信号信号Xr(t)比较器比较器限制信号限制信号发生器发生器可控器件可控器件反馈网络反馈网络反馈反馈信号信号Xf(t)误差误差信号信号Xd(t)限制限制信号信号Xc(t)输入输入信号信号Xi(t)输出输出信号信号X0(t)由比较器、限制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分构成。由比较器、限制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分构成。（一）、反馈限制系统的构成：（一）、反馈限制系统的构成：（二）、反馈限制电路的分类（二）、反馈限制电路的分类据反馈限制的对象分为：据反馈限制的对象分为：自动增益限制（自动增益限制（AGC）用于稳定输出信号电压的幅度用于稳定输出信号电压的幅
2、度。自动频率限制（自动频率限制（AFC）用于限制目标信号的频率，使其与通用于限制目标信号的频率，使其与通道中心频率一样，以获得谐频增益。道中心频率一样，以获得谐频增益。自动相位限制（自动相位限制（APC）用于实现振荡信号与目标信号的频率用于实现振荡信号与目标信号的频率和相位的跟踪。亦称锁相环路和相位的跟踪。亦称锁相环路(PLL)。据环路内部是模拟电路还是数字电路可细分为：据环路内部是模拟电路还是数字电路可细分为：模锁相环（模锁相环（APLL）数字锁相环（数字锁相环（DPLL）。）。其次节其次节 自动增益限制电路自动增益限制电路电压电压比较器比较器可控增益可控增益放大器放大器限制信号限制信号发生
3、器发生器电平电平检测器检测器低通低通滤波器滤波器直流直流放大器放大器URuducUoui反馈网络反馈网络一、一、AGCAGC电路的组成框图：电路的组成框图：比较参量比较参量为电压为电压UOUi简单简单AGCAGC电路的控制特性电路的控制特性特点：特点：UR=0。只要输入信号。只要输入信号Ui幅幅度增加，度增加，AGC的的作用就会使增益作用就会使增益A减小。减小。优点：简洁，无需比较器。优点：简洁，无需比较器。缺点：缺点：不管幅度大小，均降低增益。致使不管幅度大小，均降低增益。致使Ui很弱时，很弱时，Uo很小，很小，接收灵敏度降低。接收灵敏度降低。其限制特性如图：其限制特性如图：（一）简洁（一）
4、简洁AGCAGC电路电路1.1.简洁简洁AGCAGC2.2.延迟延迟AGCAGC二、二、AGC电路的类型电路的类型:据输入信号的类型、特点及限制要求可分为：据输入信号的类型、特点及限制要求可分为：参考电压参考电压延迟延迟AGCAGC电路的控制特性电路的控制特性URUi很弱时：很弱时：AGC不起作用；不起作用；Ui达到门限值达到门限值UR时：时：AGC才起作用。才起作用。其限制特性如图：其限制特性如图：无无AGC有有AGC（二）延迟（二）延迟AGCAGC电路电路基本思想：基本思想：1.1.用用AGCAGC电压去调整放大器的参量：电压去调整放大器的参量：2.2.在放大级间插入受在放大级间插入受AG
5、CAGC电压限制的可控衰减器。电压限制的可控衰减器。三、限制增益的方法三、限制增益的方法由谐频增益表达式：由谐频增益表达式：Au(jAu(j o)=-n1n2gm/GTo)=-n1n2gm/GT可知：变更可知：变更gmgm或或GTGT都将使都将使AuAu变更。变更。（一）调整放大器的参量（一）调整放大器的参量1.用用UAGC 调整调整gm 调整调整Au(j)：gmIEMNgm的大小与工作点电流的大小与工作点电流IE有关，有关，其关系曲线如图：其关系曲线如图：用用UAGC 限制限制IB 调整调整IE 调整调整gm限制电路如图：限制电路如图：uiu0EC-UAGCui反向反向AGC正向正向AGC(
6、2)(1)管子为曲线管子为曲线(1)特性，工作点在特性，工作点在M左侧左侧：则则uiUAGC(负负)IE gmAu(称称反向反向AGC)。管子为曲线管子为曲线(2)特性，工作点在特性，工作点在N右侧：右侧：则则uiUAGC(正正)IE gmAu(称正称正向向AGC)。2.UAGC 调整调整GT 调整调整Au(j)：限制电路如图：（设管子为反向限制电路如图：（设管子为反向AGC）b）Ui较大时较大时:UAGC IC2 UB UA D导通导通 rd+R2并联在第一回路并联在第一回路 GT1 Au 此电路可实现增益限制。此电路可实现增益限制。1）阻尼二极管）阻尼二极管D和和R1、R2、R3用来调整用
7、来调整L1 C1回路的总电导，回路的总电导，使使D、R2并联在并联在L1 C1回路。回路。ABDR1R2R3-UAGCECT1T2C1L1a）Ui较小时：较小时：UAGC IC2 UB UA D截止截止 D、R2 支路近似开路，支路近似开路，GT1 Au(二二)电控衰减器增益限制电路电控衰减器增益限制电路前述方法前述方法(变更放大器参量变更放大器参量)的缺点的缺点:UAGC变更变更GT变更变更IE变更变更解决方法：接受电控衰减器解决方法：接受电控衰减器AGC电路。电路。变化。变化。使使B(=GT/CT）、）、同时，同时，RiRo、CiCo变更，变更，电路如图电路如图:UiUoUoUi+UAGC
8、RFCRFCRRDD(a)(b)+UAGCRFC的作用：的作用：(1)防止高频信号回串影响防止高频信号回串影响UAGC(2)对直流限制电压对直流限制电压UAGC短路短路原理：原理：利用二极管的变阻特性利用二极管的变阻特性与与R构成分压。构成分压。以以(a)为例为例,UAGCrd Au 应当指出：应当指出：衰减系数衰减系数K受下级输入阻抗限制，当频率高时二极管的电容效受下级输入阻抗限制，当频率高时二极管的电容效应会影响应会影响 K，一般选取等效电容小的，一般选取等效电容小的 二极管（二极管（PIN）。）。第四节模拟锁相环路（第四节模拟锁相环路（APLAPL）锁相环路的功能锁相环路的功能：实现频率
9、同步（频差为实现频率同步（频差为 0）和相位跟踪（相差为一很小的常数）。）和相位跟踪（相差为一很小的常数）。锁相技术：是一种从噪声中主动捕获目标信号的技术。锁相技术：是一种从噪声中主动捕获目标信号的技术。信号有确定的频率、相位变更规律；信号有确定的频率、相位变更规律；噪声虽然其频谱处于频带内，但是随机、离散、无规律的；噪声虽然其频谱处于频带内，但是随机、离散、无规律的；PLL正是依据它们这种本质区分来捕获提取信号的。正是依据它们这种本质区分来捕获提取信号的。信号和噪声有本质区分：信号和噪声有本质区分：一、模拟锁相环路的构成一、模拟锁相环路的构成PD：检测捕者与被捕者之间的相位差，以限制电压的形
10、式去：检测捕者与被捕者之间的相位差，以限制电压的形式去调整调整VCO实现频率同步和相位锁定。实现频率同步和相位锁定。LF：传递相位误差信息，滤除：传递相位误差信息，滤除PD输出的高次谐波重量和噪声，输出的高次谐波重量和噪声，输出限制电压。输出限制电压。VCO：在限制电压的的作用下，实现频率同步和相位锁定。：在限制电压的的作用下，实现频率同步和相位锁定。（一）（一）APLL的构成（如图）：的构成（如图）：鉴相器鉴相器PD环路滤波器环路滤波器LF压控振荡器压控振荡器VCO目标信号目标信号u(t)ud(t)uc(t)u0(t)输出输出各部分的功能各部分的功能：二、模拟锁相环路的工作原理二、模拟锁相环
11、路的工作原理用旋转矢量说明：用旋转矢量说明：S o e(t)(a)o=S e S(b)旋转矢量旋转矢量-目标信号目标信号；旋转矢量旋转矢量-vco信号信号。捕获前：捕获前：So两矢量间相位差两矢量间相位差e(t)随时间随时间t增长。图（增长。图（a）锁定后：锁定后：o为为 o，o=S两矢量间相位差两矢量间相位差 e 为常数。图（为常数。图（b）S o e(t)(C)锁定后锁定后:当当目标信号频率目标信号频率 S（t）变动时，）变动时，VCO频率频率 e(t)随之变随之变动，实现了跟踪。见图动，实现了跟踪。见图(C)四、模拟锁相环路的基本方程和锁定概念四、模拟锁相环路的基本方程和锁定概念（一）模
12、拟锁相环路的基本方程：（一）模拟锁相环路的基本方程：由数学模型可得：由数学模型可得：则环路输入相位和输出相位之间都存在着动态平衡关系。则环路输入相位和输出相位之间都存在着动态平衡关系。此式是此式是APLL的的动态相位动态相位平衡方程。平衡方程。即：即：Ko/PuC(t)1(t)e(t)2(t)ud(t)F(P)2(t)（三）模拟锁相环路的锁定特征（三）模拟锁相环路的锁定特征（1）锁定后：）锁定后：由于瞬时频率误差为由于瞬时频率误差为0；则则 V=S，即即VCO信号与目标信号频率同步信号与目标信号频率同步(输入与输出同步输入与输出同步)。（2）锁定后：）锁定后：常数。常数。e-APLL剩余相位误
13、差。剩余相位误差。（3）锁定后：）锁定后：由于由于 e=常数；常数；F(0)-LF的直流传输函数。的直流传输函数。即即ud(t)、uc(t)均与时间无关，即成为直流电压。均与时间无关，即成为直流电压。Ko/PuC(t)1(t)e(t)2(t)ud(t)F(P)2(t)（4）锁定后：）锁定后：KV-APPL的环路锁定增益。的环路锁定增益。显见，显见，KV 或或V e ，而而 e 越小，跟踪效果越好。越小，跟踪效果越好。固有频差固有频差为有限制为有限制五、模拟锁相环路两种调整过程五、模拟锁相环路两种调整过程（一）跟踪过程：（一）跟踪过程：（锁定锁定再次锁定）再次锁定）环路锁定后：环路锁定后：若输入
14、信号频率发生变更，而使瞬时相位变更若输入信号频率发生变更，而使瞬时相位变更产生限制电产生限制电压压限制限制VCO，跟踪输入信号频率，跟踪输入信号频率再次锁定。再次锁定。对锁定的对锁定的APLL，锁定的动态平衡有确定极限。，锁定的动态平衡有确定极限。同步带：同步带：把在环路锁定状态下，能维持锁定所允许的最大固把在环路锁定状态下，能维持锁定所允许的最大固有频差的有频差的 2 2 倍称为倍称为跟踪带或同步带。跟踪带或同步带。（用（用H H表示表示）。）。能维持锁定所允许的最大固有频差能维持锁定所允许的最大固有频差Vmax=KV；H=Vmax=KV=KdKoF(0)据跟踪带定义为：据跟踪带定义为：上式
15、无解，即环路不存在锁定的上式无解，即环路不存在锁定的 e,；（二）环路的捕获过程（二）环路的捕获过程环路失锁时：环路失锁时：VCO与目标信号频率间存在频差与目标信号频率间存在频差V=S-V，1）若）若V很小：很小：ud(t)=sine(t)频率较低简洁通过频率较低简洁通过LF，产生，产生限制电压限制电压uc(t)，VOC输出一调频波输出一调频波 V(t)在在 0(t)上下摇摆。由上下摇摆。由于于V很小，很简洁摇摆到很小，很简洁摇摆到 s，使环路进入锁定状态。，使环路进入锁定状态。-环路由失锁进入锁定的过程环路由失锁进入锁定的过程2 2）若）若V V过大：过大：ud(t)ud(t)频率较大不能通
16、过频率较大不能通过LFLF，产生不了限制电，产生不了限制电压压uc(t)uc(t)，环路无法捕获到，环路无法捕获到 S S、始终处于失锁。、始终处于失锁。存在着一个保证环路由失锁经捕获而进入锁定的最大允许值存在着一个保证环路由失锁经捕获而进入锁定的最大允许值Vmax,Vmax,称为捕获带（用称为捕获带（用p p表示）。表示）。第五节第五节 APLL电路及其应用电路及其应用一、集成锁相环路：一、集成锁相环路：将将PD、VCO、放大器等集成在一块芯片上，各部件之间不连、放大器等集成在一块芯片上，各部件之间不连接或部分连接，以便于插入环路滤波器中的阻容元件或其它电接或部分连接，以便于插入环路滤波器中
17、的阻容元件或其它电路，具有敏捷、功能强等特点。路，具有敏捷、功能强等特点。按最高工作频率不同，集成锁相环分为：按最高工作频率不同，集成锁相环分为：低频型（低频型（f30MHz)二、二、APLL 的应用的应用（一）锁相接收机（电路框图如图）（一）锁相接收机（电路框图如图）fs:接收的目标信号频率接收的目标信号频率；fd:经混频后的差频，即经混频后的差频，即中频信号中频信号fI;锁相目的：锁相目的：使使fd fI混混 频频中中 放放N倍频倍频VCO LF fsfIf0fo=Nfofd=fo-fSfd=fIuc(t)ud(t)PD原理：原理：将将fd、fI 加至加至 PD进行鉴相，利用差拍电压进行鉴
18、相，利用差拍电压uc(t)去限制去限制VCO。锁定时，输出振荡的锁定时，输出振荡的N倍频倍频 f0(=Nf0)-fs=fd=fI 完全同步。完全同步。接收机本振频率可通过变更接收机本振频率可通过变更N来调整，达到切换接收目标信号频来调整，达到切换接收目标信号频率的目的。率的目的。（五）数字频率合成系统（五）数字频率合成系统频率合成技术在雷达、通信、电视广播、遥控遥测和测量领频率合成技术在雷达、通信、电视广播、遥控遥测和测量领域已得到广泛应用。域已得到广泛应用。具其组成原理，可分为两类：具其组成原理，可分为两类：1.以滤波器为主的干脆频率合成技术以滤波器为主的干脆频率合成技术2.锁相频率合成技术
19、锁相频率合成技术数字频率合成器的优点：数字频率合成器的优点：体积小、重量轻、功耗小、便于集成等。体积小、重量轻、功耗小、便于集成等。1.单环数字频率合成器单环数字频率合成器:组成框图如图：组成框图如图：晶振晶振1/NVCO LF PD设要求移动电台频道识别实力为设要求移动电台频道识别实力为100Hz，则基准频率，则基准频率fr和鉴和鉴相器的工作频率取为相器的工作频率取为100Hz；已知已知VCO输出频率输出频率f0为为3 3.9999MHz，可求得分频系数，可求得分频系数N。所以：所以：N=f0/fr=（3 3.9999）106/100=30000 39999由由f0=Nfr可知，变更分频系数可知，变更分频系数N可变更输出频率可变更输出频率f0。frf0f0频道间隔频道间隔 f0（亦称步长）为（亦称步长）为fr=100Hz因为环路所定后：因为环路所定后：f0/N=fr本章小结本章小结1.反馈系统的构成及分类反馈系统的构成及分类2.APLL电路的构成、原理、数学模型、基本方程、锁定特征、电路的构成、原理、数学模型、基本方程、锁定特征、两种调整过程（同步带、捕获带）线性分析及其应用分析两种调整过程（同步带、捕获带）线性分析及其应用分析3.锁相环的应用锁相环的应用:如，锁相接收机、频率合成技术如，锁相接收机、频率合成技术