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1、第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM第8章 反馈控制电路 8.1 8.1 自动增益控制电路自动增益控制电路8.2 8.2 自动频率控制电路自动频率控制电路8.3 8.3 锁相环的基本原理锁相环的基本原理8.4 8.4 频率合成器频率合成器 新版：第4章1第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM 在通信系统和电子设备中，为了提高技术性在通信系统和电子设备中，为了提高技术性能，或者实现某些特殊的高指标要求，广泛采用能，或者实现某些特殊的高指标要求，广泛采用各种类型的各种类型的
2、反馈控制回路反馈控制回路。特别是在航空航天电子系统中特别是在航空航天电子系统中,由于收、发设备是由于收、发设备是装在不同的运载体上装在不同的运载体上,二者之间存在相对运动二者之间存在相对运动,必然产必然产生生多普勒效应多普勒效应,因此引入随机频差。因此引入随机频差。概概 述述 2第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM 传送信息的载波信号含有三个基本参数，即振幅、频率传送信息的载波信号含有三个基本参数，即振幅、频率和相位。反馈控制电路就是对这三个参数分别进行控制。和相位。反馈控制电路就是对这三个参数分别进行控制。自动增益控制（自动增益
3、控制（AGCAGC）自动频率控制（自动频率控制（AFCAFC）自动相位控制（自动相位控制（APCAPC）其中自动相位控制电路又称为其中自动相位控制电路又称为锁相环路（锁相环路（PLLPLL）,是应用是应用最广的一种反馈控制电路。最广的一种反馈控制电路。通信系统反馈控制电路种类通信系统反馈控制电路种类3第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM 反馈控制电路的组成如图所示反馈控制电路的组成如图所示 由由比比较较器器、控控制制信信号号发发生生器器、可可控控器器件件和和反反馈馈网网络络四四部分组成一个负反馈闭合环路。部分组成一个负反馈闭合环路
4、。4第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM具有具有AGCAGC电路的接收机组成框图电路的接收机组成框图AGCAGC的目的的目的 当输入信号电压当输入信号电压变化很大变化很大时，保持接收机输出电压恒定时，保持接收机输出电压恒定或或基本不变基本不变。8.1 8.1 自动增益控制电路自动增益控制电路5第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM 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、低低通通滤滤波波器器和和可控频率器件可控频率器件三部分组成，如图三部分组
5、成，如图所示。所示。8.2 8.2 自动频率控制电路自动频率控制电路6第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM 当当f0=fr（标称频率）时，鉴频器输出（标称频率）时，鉴频器输出uc=0，压控振荡器振荡，压控振荡器振荡频率不频率不变变；锁定状态的锁定状态的f 称为稳态频率误差（称为稳态频率误差（剩余频率误差剩余频率误差）。）。当当f0 fr 时，鉴频器就有误差电压时，鉴频器就有误差电压ue输出，经过输出，经过LP得到得到uc，uc控控制制VCO的振荡频率，使的振荡频率，使VCO的频率的频率f0发生变化。发生变化。变化的结果使频率误差变
6、化的结果使频率误差|f0-fr|减小到一定值减小到一定值f，自动控制过程，自动控制过程即停止，即停止，VCO即稳定于即稳定于f0=fr f 的频率上，环路进入锁定状态。的频率上，环路进入锁定状态。7第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM8.3 8.3 锁相环的基本原理锁相环的基本原理新版：第4.2节 锁锁相相环环也也是是以以消消除除频频率率误误差差为为目目的的的的反反馈馈控控制制电电路路，但但是是它它是是利利用用相相位位误误差差去去消消除除频频率率误误差差，因因此此当当电电路路达达到到平平衡衡状状态态后后，尽尽管管存存在在剩剩余余相
7、相位位误误差差存存在在，但但频频率率误误差差可可以以降降低低到到 零零，从从 而而实实 现现 无无 频频 率率 误误 差差的的 频频 率率 跟跟 踪踪 和和 相相 位位 跟跟踪。踪。A AF FC C电电路路是是以以消消除除频频率率误误差差为为目目的的的的反反馈馈控控制制电电路路，基基本本思思想想是是利利用用频频率率误误差差电电压压去去消消除除频频率率误误差差，因因此此当当电电路路达达到到平平衡衡状状态态后后，必必然然会会有有剩剩余余频频率率误误差差存存在在，即即频频率率误误差不可能为零。差不可能为零。这是这是AFCAFC的固有缺点。的固有缺点。8第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反
8、馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM 锁相环是一个锁相环是一个相位负反馈控制相位负反馈控制系统。它由三个基本部件系统。它由三个基本部件组成。组成。鉴鉴 相相 器器(PD):产生误差电压产生误差电压 Ud(t)环路滤波器环路滤波器(LF):产生控制电压产生控制电压 Uc(t)电压控制振荡器电压控制振荡器(VCO):输出瞬时频率输出瞬时频率 v当vr时，(t)Ud(t)Uc(t)v，直到直到 (t)=，v=r，环路锁定。，环路锁定。vr09第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM举例说明举例说明 （以一阶锁相环为例）（以
9、一阶锁相环为例）未锁定未锁定锁定锁定 可见，环路锁定过程中可见，环路锁定过程中 e(t)是从是从 02周期的变化，周期的变化，若干周期后使若干周期后使 e=e，则环路被锁定。，则环路被锁定。环路锁定的充分必要条件环路锁定的充分必要条件10第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM 各种反馈控制电路，由于它们均是利用误差产生控制电各种反馈控制电路，由于它们均是利用误差产生控制电压，去控制受控对象，当电路达到动态平衡以后，必然存在压，去控制受控对象，当电路达到动态平衡以后，必然存在一定的误差一定的误差称之为称之为稳态误差稳态误差。AGC：电
10、平误差电平误差A(U)AFC：频率误差频率误差f APC（PLL）:相位误差相位误差 结论结论：PLL也是一种实现频率跟踪的自动控制电路，它与也是一种实现频率跟踪的自动控制电路，它与AFC电路的区别在于可以实现电路的区别在于可以实现无误差的频率跟踪，即无误差的频率跟踪，即fv=fr 而其它频率控制系统总是会存在频率差。而其它频率控制系统总是会存在频率差。Demo:the Phenomenon of PLL in the Fourth Experiment.11第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM调制信号参数：直流分量调制信号参数：
11、直流分量V0=V，交流分量：，交流分量：1Vp-p，1KHz 调频信号参数：中心频率调频信号参数：中心频率fc=KHz，最大频偏最大频偏fm=KHz调制信号正弦波波形调制信号正弦波波形(信元信元)调频信号调频信号FM波形波形(三角波三角波)调频信号调频信号FM波形波形(方波方波)锁相环中鉴相器锁相环中鉴相器“A”端波形端波形(失锁状态失锁状态)(锁定状态锁定状态)锁相环中锁相环中“B”端波形（信宿）端波形（信宿）(失锁状态失锁状态)(锁定状态锁定状态)12第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM当两个输入信号当两个输入信号均为大信号时
12、，均为大信号时，当当=0时，相乘后的波时，相乘后的波形为上、下形为上、下等宽的双向脉冲，且等宽的双向脉冲，且频率加倍，因而相应的平均分量频率加倍，因而相应的平均分量为零为零u0=0。符合门鉴相器符合门鉴相器新版第新版第4.2.1旧版第旧版第7.5.313第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM 当当 0，相乘后的波形为相乘后的波形为上、下不等宽的双向脉冲，因而上、下不等宽的双向脉冲，因而在在|/2的范围内，经过的范围内，经过低通滤波器，取出的平均分量低通滤波器，取出的平均分量（即解调输出）为（即解调输出）为 14第8章 反馈控制电路
13、第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM三角形鉴相特性三角形鉴相特性 相应的鉴相特性曲线如图所示，在相应的鉴相特性曲线如图所示，在|/2范围范围内为一条通过原点的直线，并向两侧周期性重复。内为一条通过原点的直线，并向两侧周期性重复。这种鉴相器是比较两个开关波形的相位差而获得所这种鉴相器是比较两个开关波形的相位差而获得所需的鉴相电压，因而又将它称为符合门鉴相器。需的鉴相电压，因而又将它称为符合门鉴相器。15第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM锁相环工作过程的定性分析锁相环工作过程的定性分析 要严
14、格求解锁相环路的各项性能指标，如要严格求解锁相环路的各项性能指标，如锁定、跟踪、锁定、跟踪、捕获、失锁捕获、失锁等往往是很困难的。等往往是很困难的。下面对锁相环的工作过程进行定性分析。下面对锁相环的工作过程进行定性分析。物理意义：环路闭合后的任何时刻，物理意义：环路闭合后的任何时刻，瞬时频差瞬时频差 =固有频差固有频差 控制频差控制频差 =0 0 v v即：即：r r v v =(=(r r 0 0)(v v 0 0)16第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM（1 1）瞬时频差）瞬时频差 (Instantaneous Frequen
15、cy Difference)表示表示VCOVCO振荡角频率振荡角频率 v偏离参考角频率偏离参考角频率 r的数值。的数值。（3 3）控制频差）控制频差(Controlled Frequency Difference)表示表示VCOVCO在控制电压在控制电压Uc(t)的作用下产生的振荡角的作用下产生的振荡角频率频率 v偏离偏离VCOVCO自由振荡角频率自由振荡角频率 0的数值。的数值。（2 2）固有频差）固有频差(Original Frequency Difference)或或 初始频差初始频差 （Initial Frequency Difference）表示表示VCOVCO自由振荡角频率自由振荡
16、角频率 0偏离参考角频率偏离参考角频率 r的数值。的数值。17第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM1.1.同步带同步带 H 能够维持环路锁定的最大频差能够维持环路锁定的最大频差|m|称为环路同步带称为环路同步带，记作，记作 H。由于环路鉴频特性对零点是对称的，因此同步带相。由于环路鉴频特性对零点是对称的，因此同步带相对于对于 o也是对称的。也是对称的。2.2.捕获带捕获带 p 设设锁锁相相环环路路处处于于失失锁锁状状态态，改改变变 r使使固固有有频频差差|o|减减少少，环环路路能能够够经经牵牵引引捕捕获获而而入入锁锁的的最最大大固
17、固有有频频差差值值|om|称为环路捕获带称为环路捕获带 p。通常。通常 p 环路低通滤波器的通频带环路低通滤波器的通频带BWLF则差拍电压则差拍电压Ud(t)将被滤除，而不能形成控制电压将被滤除，而不能形成控制电压 Uc(t),压控振荡器输出角频率压控振荡器输出角频率 0不变化。即不变化。即 v=0,则则 即：即：环路的瞬时频差环路的瞬时频差=固有频差固有频差 环路此时处于失锁状态。环路此时处于失锁状态。=0 v=0 失锁状态就是瞬时频差失锁状态就是瞬时频差(r-v)总不为零的状态总不为零的状态21第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39
18、PM 这时，鉴相器输出电压这时，鉴相器输出电压ud(t)为一上下不对称的稳定差拍为一上下不对称的稳定差拍波，其平均分量为一恒定的直流。这一恒定的直流电压通过波，其平均分量为一恒定的直流。这一恒定的直流电压通过环路滤波器的作用使环路滤波器的作用使VCO的平均频率的平均频率v偏离偏离0向向r靠拢，这靠拢，这就是环路的就是环路的频率牵引效应频率牵引效应。22第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM 锁定正是在由稳态相差锁定正是在由稳态相差e()产生的直流控制电压作产生的直流控制电压作用下，强制使用下，强制使VCO的振荡角频率的振荡角频率v相
19、对于相对于0偏移了偏移了0而而与参考角频率与参考角频率r相等的结果。相等的结果。锁定后无频差，这是锁相环的一个重要特征。锁定后无频差，这是锁相环的一个重要特征。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(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，我我们将这种状态称为锁相环路进入了们将这种状态称为锁相环路进入了锁定状态锁定状态。在锁定状态，瞬时频差满足：在锁定状态，瞬时频差满足：23第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM (1)
20、(1)跟踪的概念：跟踪的概念：跟踪是在锁定的前提下，输入参考频率跟踪是在锁定的前提下，输入参考频率和相位以一定的速率发生变化时，输出信号的频率和相位以和相位以一定的速率发生变化时，输出信号的频率和相位以同样的规律跟随变化，这一过程同样的规律跟随变化，这一过程称为环路的跟踪过程。称为环路的跟踪过程。(2)(2)跟踪过程跟踪过程 假设输入信号频率假设输入信号频率r增大时，增大时，固有频差固有频差0=|r 0|也增大，这使稳态相差增大，也增大，这使稳态相差增大，从而使直流控制电压增大，这必使从而使直流控制电压增大，这必使VCOVCO产生的控制频差产生的控制频差v增增大。当大。当v 大得足以补偿固有频
21、差大得足以补偿固有频差0时，环路维持锁定。时，环路维持锁定。如果继续增大如果继续增大0，则，则环路失锁环路失锁(vr)。跟踪过程跟踪过程24第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM锁相环的特点 由以上的讨论已知，锁相环路具有以下几个重要特性:(1)环路锁定后，没有剩余频差。(2)跟踪特性：VCO的输出频率可以跟踪输入信号的变化，表现出良好的跟踪特性。在接收有多普勒频移的动目标时，这种特性尤为重要。(3)滤波特性：锁相环具有窄带特性，当压控振荡器频率锁定在输入频率上时，仅位于输入信号频率附近的干扰成分能以低频干扰的形式进入环路，而绝大多
22、数的干扰会受到环路低通滤波器的抑制，从而减少了对压控振荡器的影响。(4)低门限特性：锁相环路用作调频信号解调时，与普通鉴频器相比较，有低门限信噪比特性。这是因为环路有反馈控制作用，跟踪相位差小，降低了鉴相特性的非线性影响，从而改善了门限效应。下面介绍锁相环的几种应用。25第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM锁相环的主要应用锁相环的主要应用1.1.锁相环路的调频与解调锁相环路的调频与解调2.2.锁相式锁相式同步检波器同步检波器3.3.锁相倍频器锁相倍频器4.4.锁相分频器锁相分频器5.5.锁相混频器锁相混频器6.6.锁相式频率合成器
23、锁相式频率合成器26第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM(1).锁相环路的调频与解调 A、用锁相实现调频 用锁相环调频，能够得到中心频率高度稳定的调频信号。实现调制的的条件是：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。fi(t)晶晶振振 PD PD LF LF VCOfo(t)调调 频频波波f(t)调制信号调制信号+当调制信号为锯齿波时，可输出扫频信号。当调制信号为数字脉冲时，可产生移频键控调制（FSK信号）调制信号作为VCO控制电压的一部分使其频率产生相应的变化，由此在输出端得到已调频信号。27第8章 反馈
24、控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM B、用锁相环实现频率解调 如果将环路的频带设计的足够宽，使环路捕捉带大于调频波的最大频偏，利用锁相环的跟踪特性，可以使VCO的振荡频率跟踪输入调频波的瞬时频率。如果VCO的电压-频率特性是线形的，则加到VCO的控制电压的变化规律必与调频波的瞬时频率变化规律相同，因此在LF的输出端可获得不失真的解调输出。调频波锁相解调的优点是解调门限值比普通鉴相器低45dB。PDPDLFLFVCOVFM(t)调频波调频波V(t)调制信号调制信号28第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/2
25、7/20226:39PM PD PD LF LF VCOVAM(t)调幅波调幅波V(t)调制信号调制信号/2同步检波同步检波（2 2）同步检波器）同步检波器 原理：原理：用锁相环对调幅信号进行解调，实际上是利用锁用锁相环对调幅信号进行解调，实际上是利用锁相环路提供一个稳定度高的载波信号电压，与调频波在非线相环路提供一个稳定度高的载波信号电压，与调频波在非线性器件中乘积检波，输出的就是原调制信号性器件中乘积检波，输出的就是原调制信号。A AM M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可可将将载载波
26、波分分量量提提取取出出来来，再再经经9 90 0移移相相，可可用用作作同同步步检检波波器器的的相相干干载载波波。这这种种同同步步检检波波器器如如图图所所示示。29第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM3 3、锁相倍频、锁相倍频 在锁相环路的在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就可构成锁相就可构成锁相倍频电路。倍频电路。i(t)PD LFVCOvi(t)vo(t)o(t)o(t)/N当环路锁定时，鉴相器两输入信号频率相等。即有：当环路锁定时，鉴相器两输入信号频率相等。即有：式中式中N为分频器的倍频比。为分频器的倍频比。
27、30第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM4 4、锁相分频：、锁相分频：在锁相环路中在锁相环路中插入倍频器插入倍频器就可构成锁相分频电路。就可构成锁相分频电路。i(t)PDLFVCOvi(t)vo(t)o(t)No(t)当环路锁定时：当环路锁定时：式中式中N N为倍频器的倍频次数。为倍频器的倍频次数。31第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM5 5、锁相混频器、锁相混频器 设混频器的本振信号频率为设混频器的本振信号频率为L，在，在Lo时混频器的输时混频器的输出频率为出频率
28、为（L-o），），经差频放大器后加到鉴相器上。经差频放大器后加到鉴相器上。当环路锁定时当环路锁定时 o(t)i(t)L(t)PDLFVCOvi(t)vo(t)|L(t)-o(t)|混频混频差频放大差频放大32第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM6 6、锁相式频率合成器、锁相式频率合成器 频率合成器是利用一个标准信号源的频率来产生一系频率合成器是利用一个标准信号源的频率来产生一系列所需频率的技术。列所需频率的技术。锁相环路锁相环路加上一些辅助电路后，就能加上一些辅助电路后，就能容易地对容易地对一个标准频率进行加、减、乘、除运算而产生
29、所一个标准频率进行加、减、乘、除运算而产生所需的频率信号需的频率信号，且合成后的信号频率与标准信号频率具有，且合成后的信号频率与标准信号频率具有相同的相同的长期频率稳定度长期频率稳定度及具有及具有较好的频率纯度较好的频率纯度，如果结合，如果结合单片微机技术，可实现自动选频和频率扫描。单片微机技术，可实现自动选频和频率扫描。PD PD LF LFVCOvi(t)vo(t)fi(t)fo(t)fo(t)/N晶振晶振fi(t)/M33第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM锁相式单环频率合成器基本组成如下图所示：锁相式单环频率合成器基本组成
30、如下图所示：当环路锁定后，鉴相器两路输入频率相等当环路锁定后，鉴相器两路输入频率相等即：即：当当N改变时，输出信号频率相应为改变时，输出信号频率相应为fi 的整数倍变化。的整数倍变化。PD LFVCOvi(t)vo(t)fi(t)fo(t)fo(t)/N晶振晶振fi(t)/M34第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM 环环C例：下图为三环式频率合成器方框图例：下图为三环式频率合成器方框图已知：已知：求输出信号频率范围及频率间隔求输出信号频率范围及频率间隔 环环A环环BPDLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDLFVCOf
31、i(t)fB(t)fA(t)/NBPDLFVCO混频混频 带通带通fo(t)fc(t)fo-fB35第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PMPDLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDLFVCOfi(t)fB(t)fA(t)/NBPDLFVCO混频混频 带通带通fo(t)fc(t)fo-fB解：解：当混频环路当混频环路C锁定时：锁定时：有有 36第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM而当而当 =399，=397时输出频率最高。时输出频率最高。所以，合成器的频率范围
32、为：所以，合成器的频率范围为：（35.440.099）MHz当当NA=301，NB=351时，时，因此频率间隔：因此频率间隔：当当NA=300，NB=351时，时，37第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM一、频率合成器及其技术指标一、频率合成器及其技术指标 1 1频率合成器的概念频率合成器的概念 (1)(1)传统信号源的不足传统信号源的不足：频率准确度不高、稳定度不：频率准确度不高、稳定度不高；晶体振荡器尽管准确度和稳定度都较高，但频率范围小，高；晶体振荡器尽管准确度和稳定度都较高，但频率范围小，输出频率不高。输出频率不高。(2)
33、(2)频率合成技术：频率合成技术：是以一个或少量的高准确度和高是以一个或少量的高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率，由此导出多个或大量的输稳定度的标准频率作为参考频率，由此导出多个或大量的输出频率的方法。出频率的方法。频频率率合合成成器器的的输输出出信信号号频频率率的的准准确确度度和和稳稳定定度度与与参参考考频频率是一样的。率是一样的。频 率 合 成 器38第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM2频率合成器的主要技术指标频率合成器的主要技术指标 (1)频率范围频率范围 频率范围频率范围是指频率合成器输出的最低频率是指频率合成器输
34、出的最低频率fomin和最高和最高频率频率fomax之间的变化范围，之间的变化范围，也可用覆盖系数也可用覆盖系数 k=fomax/fomin 表示表示 （k又称之为波段系数）。又称之为波段系数）。(2)频率间隔（频率分辨率）频率间隔（频率分辨率）两个相邻频率之间的最小间隔，就是两个相邻频率之间的最小间隔，就是频率间隔。频频率间隔。频率间隔又称为频率分辨率。率间隔又称为频率分辨率。不同用途的频率合成器，对频率间隔的要求是不相同不同用途的频率合成器，对频率间隔的要求是不相同的。的。39第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM (3)(3)
35、频率转换时间频率转换时间 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个频率，并达到稳定所需要的时间。一个频率，并达到稳定所需要的时间。频频率率转转换换时时间间一一般般与与采采用用的的频频率率合合成成方方法法有有密密切切的的关关系。系。(4)(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：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规定频率的数值，即频率误差。离规定频率的数值，即频率误差。频频率率稳稳定定度度：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，频率合成器频率偏离规定频率
36、相对变化的大小。频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小。40第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM(5)(5)频谱纯度频谱纯度 频谱纯度频谱纯度：频谱纯度是指输出信号频谱中包含其他频谱纯度是指输出信号频谱中包含其他频率成分的的多少频率成分的的多少。影响频率合成器频谱纯度的因素主要有两个，一是影响频率合成器频谱纯度的因素主要有两个，一是相位噪声，二是寄生干扰。相位噪声，二是寄生干扰。相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示，在频谱上相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示，在频谱上呈现为主谱两边的连续噪声，如图所示。呈现为主谱两边的连续噪声，如
37、图所示。41第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM频率合成器的频谱 42第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM频率合成技术分类1.1.直接频率合成直接频率合成2.2.间接式（锁相）频率合成间接式（锁相）频率合成3.3.直接数字频率合成直接数字频率合成整数分频频率合成整数分频频率合成 小数分频频率合成小数分频频率合成1.1.单环（多环）频率合成单环（多环）频率合成2.2.双模前置分频（吞脉冲可变分频）频率合成双模前置分频（吞脉冲可变分频）频率合成43第8章 反馈控制电路 第
38、二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM1.1.直接频率合成器（直接频率合成器（DSDS）特点：特点：直接式频率合成器是直接式频率合成器是最先出现最先出现的一种合的一种合成器类型的频率信号源。这种频率合成器原理简单，成器类型的频率信号源。这种频率合成器原理简单，易于实现。易于实现。优点：优点：分辨率高分辨率高(10-2)、频率转换时间快、频率转换时间快(100s)、工作稳定可靠、输出信号频谱纯度高。、工作稳定可靠、输出信号频谱纯度高。不足：不足：体积大、笨重、成本高。体积大、笨重、成本高。44第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电
39、路10/27/20226:39PM2.2.间接式（锁相）频率合成器间接式（锁相）频率合成器 间接式频率合成器又称为锁相频率合成器间接式频率合成器又称为锁相频率合成器。锁相频率。锁相频率合成器是目前合成器是目前应用最广的频率合成器。应用最广的频率合成器。直接式频率合成器中所固有的那些缺点，如体积大、直接式频率合成器中所固有的那些缺点，如体积大、成本高、输出端出现寄生频率等，在锁相频率合成器中成本高、输出端出现寄生频率等，在锁相频率合成器中就大大减少了。就大大减少了。45第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM双模前置分频（吞脉冲可变分频
40、）频率合成器双模前置分频（吞脉冲可变分频）频率合成器在一个计数周期内，总计脉冲数即分频比为在一个计数周期内，总计脉冲数即分频比为 频率合成器的输出频率为频率合成器的输出频率为 与简单的频率合成器相比与简单的频率合成器相比f0提高了提高了P倍，而频率分辨率仍倍，而频率分辨率仍保持为保持为fi。46第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM3.3.直接数字频率合成器（直接数字频率合成器（DDSDDS）直接数字式频率合成器直接数字式频率合成器（Digital Direct Synthesizer，简称为简称为DDS）是近年来发展非常迅速的一种
41、器件，它是近年来发展非常迅速的一种器件，它以以数数字信号处理字信号处理理论为基础，理论为基础，从信号的幅度相位关系出发进行从信号的幅度相位关系出发进行频率合成的频率合成的。与传统的频率合成器相比，与传统的频率合成器相比，DDSDDS具有具有极高的分辨率极高的分辨率、快速的频率转换时间、快速的频率转换时间、很宽的相对带宽很宽的相对带宽、任意波形的输出任意波形的输出能力和能力和数字调制数字调制等优点。等优点。47第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM首先，首先，对一个正弦信号数字化，对一个正弦信号数字化，形成正弦函数表形成正弦函数表，储
42、存在，储存在ROMROM中。中。合成时，合成时，通过改变相位累加器的频率控制字，改变相位增量，相通过改变相位累加器的频率控制字，改变相位增量，相位增量的不同导致取样点不同，从而使得输出频率不同。位增量的不同导致取样点不同，从而使得输出频率不同。D D S 的的 基基 本本 原原 理理正弦信号正弦信号的相位是时间的线性函数。的相位是时间的线性函数。要得到幅度信息和要得到幅度信息和频率信息，只需得到相位信息。频率信息，只需得到相位信息。48第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM对正弦信号进行采样，采样周期对正弦信号进行采样，采样周期Tc
43、=1/fc,得到离散正弦序列得到离散正弦序列离散相位序列离散相位序列其中其中:它是连续两次采样之间的相位增量。它是连续两次采样之间的相位增量。将整个将整个2 相位分割成相位分割成2N等分，等分，N为二进制位数。为二进制位数。为可以选择的最小相位增量。为可以选择的最小相位增量。49第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM为可以选择的最小相位增量。为可以选择的最小相位增量。若每次的相位累加增量取若每次的相位累加增量取，此时相位增长的斜率最小，此时相位增长的斜率最小，得到最低频率输出：得到最低频率输出：若每次的相位增量选择为若每次的相位增量
44、选择为 的的K K倍，则可得到输出频率：倍，则可得到输出频率：50第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM式中，式中，N N为累加器的宽度或字长，当为累加器的宽度或字长，当N N很大时，最低输很大时，最低输出频率可达出频率可达HzHz甚至甚至mHzmHz数量级。最高频率受限于时钟频数量级。最高频率受限于时钟频率和奈奎斯特抽样定理，即每周期至少取样两次才能够率和奈奎斯特抽样定理，即每周期至少取样两次才能够重建波形，因此最大的合成频率为重建波形，因此最大的合成频率为 DDSDDS具有极宽的工作频率范围。具有极宽的工作频率范围。DDSDDS
45、输出频率的下限输出频率的下限对应于频率控制字对应于频率控制字K=1K=1，因而其最低频率为因而其最低频率为 实际应用中，实际应用中，一般取一般取 DDSDDS其特点主要表现在以下几个方面：其特点主要表现在以下几个方面：51第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM DDS具有极高的频率分辨率具有极高的频率分辨率f0，DDS的频率分辨率就的频率分辨率就是它的最低频率。是它的最低频率。例如当例如当 fc=50MHz,N=48位位，f0 可达到可达到0.18 10-6Hz，是传统的频率合成器所不及的。是传统的频率合成器所不及的。由于由于DDS
46、DDS是开环系统，无反馈环节，是开环系统，无反馈环节，DDSDDS具有极短的频率具有极短的频率转换时间。转换时间。任意波形输出能力。任意波形输出能力。DDSDDS可以合成任意波形。合成的主要方法就是找出相应可以合成任意波形。合成的主要方法就是找出相应波形幅度和相位的关系，最简单的方法是改变波形幅度和相位的关系，最简单的方法是改变ROMROM查询表中查询表中的数据，很多的数据，很多DDSDDS合成器可以输出正弦波、方波、三角波等合成器可以输出正弦波、方波、三角波等任意波形。任意波形。52第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM全讲完了！Thats all！Cest tout！53第8章 反馈控制电路 第二十三讲第二十三讲 反馈控制电路反馈控制电路10/27/20226:39PM54