《通信电子线路》演示幻灯片

1、1 第第6 6章章 反馈控制电路反馈控制电路 2 本章讨论的主要问题本章讨论的主要问题 反馈控制电路的作用；反馈控制电路的作用； 反馈控制电路的分类；反馈控制电路的分类； 自动幅度控制电路的工作原理自动幅度控制电路的工作原理特点及应用；特点及应用； 自动频率控制电路的工作原理自动频率控制电路的工作原理特点及应用；特点及应用； 自动相位控制电路（琐相环）的构成及各部件自动相位控制电路（琐相环）的构成及各部件 的作用；的作用； 锁相环的基本工作原理；锁相环的基本工作原理； 锁相环的基本环路方程；锁相环的基本环路方程； 锁相环的扑捉及同步过程；锁相环的扑捉及同步过程； 锁相环的特性及基本应用。锁相环

2、的特性及基本应用。 3 前前 言言 自动反馈控制电路的自动反馈控制电路的用途用途 自动反馈控制电路的作用是为了提高通信质量。自动反馈控制电路的作用是为了提高通信质量。 使通信系统和电子设备在不同的工作条件下某个性使通信系统和电子设备在不同的工作条件下某个性 能指标满足需要的精度或特定的要求。能指标满足需要的精度或特定的要求。 分类分类 自动幅度控制自动幅度控制当当要求当输入信号变化时，要求当输入信号变化时， 输出信号幅度能自动保持恒定。输出信号幅度能自动保持恒定。 自动频率控制自动频率控制保持频率的稳定。保持频率的稳定。 自动相位控制自动相位控制 控制两个信号的相位差在控制两个信号的相位差在

3、一定范围。一定范围。 4 当当 与与 之间的关系受到破坏时，反馈控制之间的关系受到破坏时，反馈控制 器能在对器能在对 与与 的比较中，测出原预定关系偏离的比较中，测出原预定关系偏离 的程度，产生相位的误差量的程度，产生相位的误差量 ，将它加到对象上，将它加到对象上 ，对象根据，对象根据 对输出量对输出量 进行调节，使进行调节，使 与与 的的 关系接近原来的关系。关系接近原来的关系。 e X 反馈控制器反馈控制器对象对象 i X e X o X o X o X i X i X i X 方框图方框图 以上各类反馈控制系统，就其作用而言均可看以上各类反馈控制系统，就其作用而言均可看 成反馈控制器和控

4、制对象两部分组成的自动调节系成反馈控制器和控制对象两部分组成的自动调节系 统，可以用以下统一的方框图表示：统，可以用以下统一的方框图表示： e X o X o X 5 6.1 6.1 自动幅度控制电路自动幅度控制电路 6.1.1 6.1.1 工作原理工作原理 自动幅度控制电路是在输出电压幅度因为某种自动幅度控制电路是在输出电压幅度因为某种 原因超过某一定值时，输出电压经振幅检波原因超过某一定值时，输出电压经振幅检波直流直流 放大并与基准电压进行比较，产生误差电压去控制放大并与基准电压进行比较，产生误差电压去控制 放大器的增益放大器的增益, ,使之降低使之降低, ,从而使输出电压基本保持从而使输

5、出电压基本保持 不变。其框图如下不变。其框图如下: : 可控增益放大器可控增益放大器 比较器比较器 直流放大器直流放大器 振幅检波器振幅检波器 UO 输出信号 Ui UR 输入信号 基准电压 Ue 6 6.1.2 6.1.2 应用应用 1.1.接收机中的自动增益控制接收机中的自动增益控制(AGC)(AGC)电路电路 带有带有AGCAGC电路的调幅接收机电路框图电路的调幅接收机电路框图 直流放大器直流放大器 高频放大器高频放大器混频器混频器 中频放大器中频放大器包迹检波器包迹检波器低频放大器低频放大器 比较器比较器包迹检波器包迹检波器 UR UAGC fL AGCAGC电路的作用电路的作用 使接

6、收机的增益随输入信号的强弱而变化，克使接收机的增益随输入信号的强弱而变化，克 服由于输入信号的起伏造成扬声器声音的忽高忽低服由于输入信号的起伏造成扬声器声音的忽高忽低. . 7 增益控制的增益控制的工作原理工作原理 某种原因使输出电压振幅增大时，环路开始工某种原因使输出电压振幅增大时，环路开始工 作。中频放大器的输出，一路经包迹检波器解调出作。中频放大器的输出，一路经包迹检波器解调出 低频信号，另一路经另一个包迹检波器解调出正比低频信号，另一路经另一个包迹检波器解调出正比 于载波电压幅度的直流电压，并与基准电压比较，于载波电压幅度的直流电压，并与基准电压比较， 再由直流放大器放大，得到再由直流

7、放大器放大，得到AGC控制电压去控制高控制电压去控制高 频和中频放大器的增益，使之降低，从而使输出信频和中频放大器的增益，使之降低，从而使输出信 号减小。号减小。 控制增益的方法控制增益的方法 反向控制法：反向控制法： 输出信号幅度增大时，输出信号幅度增大时，AGC电压控制主放大器电压控制主放大器 8 的直流工作点，使之降低，从而降低增益（缺点是的直流工作点，使之降低，从而降低增益（缺点是 动态范围很小，容易产生失真）。动态范围很小，容易产生失真）。 正向控制法：正向控制法： 正向控制法是利用特制器件的电流放大系数正向控制法是利用特制器件的电流放大系数 值随工作点电流的增大而降低的特点，当输出

8、信号值随工作点电流的增大而降低的特点，当输出信号 幅度增大时，幅度增大时，AGC电压控制放大器的工作点电流，电压控制放大器的工作点电流， 使之增大，使使之增大，使值减小，放大器增益下降，达到稳值减小，放大器增益下降，达到稳 定输出信号电压的目的。这种方法器件工作于大电定输出信号电压的目的。这种方法器件工作于大电 流区域，动态运用范围较大。流区域，动态运用范围较大。 9 采用采用PIN二极管二极管 利用利用PIN二极管对交流信号可等效为一可变电二极管对交流信号可等效为一可变电 阻，而且等效电阻随偏置电流的增大而减小的特性阻，而且等效电阻随偏置电流的增大而减小的特性 ，将其接入放大器的级间耦合回路

9、中，当输出信号，将其接入放大器的级间耦合回路中，当输出信号 增大时，增大时，PIN二极管的等效电阻减小，降低放大器二极管的等效电阻减小，降低放大器 的总增益。的总增益。PIN二极管用在并联回路时，随着输出二极管用在并联回路时，随着输出 信号的增大，信号的增大，PIN二极管偏置电流应增大；当用在二极管偏置电流应增大；当用在 串联回路时，随着输出信号的增大，串联回路时，随着输出信号的增大，PIN二极管的二极管的 偏置电流应减小，才能达到稳定输出电压的目的。偏置电流应减小，才能达到稳定输出电压的目的。 10 2.2.可控增益集成放大器可控增益集成放大器MC1590MC1590 11 增益可控的原理增

10、益可控的原理 MC1590增益可控集成放大器增益可控电路由增益可控集成放大器增益可控电路由 晶体管晶体管VT4、VT5和相关的电阻所构成。可控端子和相关的电阻所构成。可控端子 “2”接接“增益控制电压增益控制电压”。集成放大器的输入级是。集成放大器的输入级是 由由 VT1、VT2和和VT3、 VT6构成共射构成共射共基混合连接共基混合连接 差分放大器。同时差分放大器。同时VT4和和VT5的发射极分别与的发射极分别与VT3 和和VT6的发射极相连，并接在的发射极相连，并接在VT1和和VT2的集电极的集电极 上，使上，使VT3和和VT4的输入电阻并联作为的输入电阻并联作为VT1的集电的集电 极负载

11、，极负载，VT5和和VT6的输入电阻并联作为的输入电阻并联作为VT2的集的集 电极负载。当增益控制电压增大时，电极负载。当增益控制电压增大时，VT4和和VT5的的 静态工作点电流增大，等效输入电阻减小，分流增静态工作点电流增大，等效输入电阻减小，分流增 大，而大，而VT3和和VT6的信号电流减小，使放大器增益的信号电流减小，使放大器增益 下降。下降。 12 MC1590作中频放大器的作中频放大器的自动增益控制系统电自动增益控制系统电 路路 6-5 13 电路：电路： 反馈控制器：检波反馈控制器：检波比较比较直流直流放大。放大。 对象：对象：MC1590 工作原理：工作原理： 输出信号超过一定的

12、幅度时，检波器输出电压输出信号超过一定的幅度时，检波器输出电压 增大，当超过基准电压增大，当超过基准电压UR时，环路闭合。检波输出时，环路闭合。检波输出 电压经直流放大，得到电压经直流放大，得到AGC控制电压加到控制电压加到MC1590 的的 “2”输入端，使放大器的增益减小，从而使输出输入端，使放大器的增益减小，从而使输出 电压幅度稳定。电压幅度稳定。 14 3.3.具有自动控制稳幅电路的具有自动控制稳幅电路的文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器 电路电路 具有自动控制稳幅电路的文氏电桥振荡器电路具有自动控制稳幅电路的文氏电桥振荡器电路 示于图示于图6-6。其中。其中 反馈控制电路：反馈控制电路：

13、由二极管由二极管VD和电阻和电阻R4、 电容电容C3、电位器、电位器RP构成的二构成的二 极管峰值包迹检波器及稳压管极管峰值包迹检波器及稳压管 VDW所构成。所构成。 控制控制对象对象: 场效应管漏源电阻。场效应管漏源电阻。 6-6 15 控制原理控制原理 当振荡电压幅度增大到大于稳压管的击穿电压当振荡电压幅度增大到大于稳压管的击穿电压 时，控制环路闭合，负极性的检波电压加到时，控制环路闭合，负极性的检波电压加到N N沟道沟道 结型场效应管的栅极，使漏源等效沟道电阻随负栅结型场效应管的栅极，使漏源等效沟道电阻随负栅 压的增大而增大，从而使放大器的负反馈增大，增压的增大而增大，从而使放大器的负反

14、馈增大，增 益下降，振荡幅度减小，达到稳幅的目的。益下降，振荡幅度减小，达到稳幅的目的。 注意注意 （1 1）稳压管的击穿电压不能大于输出电压的幅度；）稳压管的击穿电压不能大于输出电压的幅度； （2 2）检波负载的时间常数应远大于振荡周期。）检波负载的时间常数应远大于振荡周期。 16 6.1.3 6.1.3 自动幅度控制的特点：自动幅度控制的特点： 1. 有剩余电压差有剩余电压差 使用自动幅度控制电路稳幅，不可能做到使输使用自动幅度控制电路稳幅，不可能做到使输 出电压与基准电压完全相同，其差为剩余电压。正出电压与基准电压完全相同，其差为剩余电压。正 是因为有剩余电压差，反馈控制回路才会闭合，起

15、是因为有剩余电压差，反馈控制回路才会闭合，起 到控制放大器增益的作用。到控制放大器增益的作用。 2. 实现输出信号幅度的稳定，不应影响信号的实现输出信号幅度的稳定，不应影响信号的 瞬时变化，否则会产生输出波形的非线性失真。瞬时变化，否则会产生输出波形的非线性失真。 17 6.2 6.2 自动频率控制自动频率控制 用途：用途： 用于稳频。使一个频率不够稳定的振荡器，受用于稳频。使一个频率不够稳定的振荡器，受 控于一个高稳定度的晶体振荡器。控于一个高稳定度的晶体振荡器。 6.2.1 6.2.1 工作原理工作原理 当输出信号频率偏离所需工作频率时，与标准当输出信号频率偏离所需工作频率时，与标准 频率

16、振荡器相比较（鉴频），产生一个正比于频率频率振荡器相比较（鉴频），产生一个正比于频率 偏移的电压，即误差电压，该电压作于压控振荡器偏移的电压，即误差电压，该电压作于压控振荡器 ，改变其振荡频率，使之趋向于所需的振荡频率。，改变其振荡频率，使之趋向于所需的振荡频率。 18 6.2.2 6.2.2 应用应用 1. 1. 具有自动频率控制的调频电路具有自动频率控制的调频电路 目的目的 稳定调频振荡器的中心工作频率。稳定调频振荡器的中心工作频率。 电路框图电路框图 相加器相加器 直流直流 放大器放大器 变容变容 二极管二极管 LC 振荡器振荡器 低通低通 滤波器滤波器 鉴频器鉴频器混频器混频器 石英晶

17、体石英晶体 振荡器振荡器 调制调制 信号信号 输出调频信号输出调频信号 )( 4 tu )(tuo )( 3 tu )( 2 tu)( 1 tu )(tui u(t) 19 反馈控制电路：混频器、鉴频器、低通滤波反馈控制电路：混频器、鉴频器、低通滤波 器器直流直流放大器放大器 对象：调频振荡器对象：调频振荡器 工作原理工作原理 输出调频信号的中心工作频率产生偏离，调频输出调频信号的中心工作频率产生偏离，调频 信号与晶振输出信号混频并取差频，得到一中心频信号与晶振输出信号混频并取差频，得到一中心频 率较低，而中心频率的偏移与调频振荡器中心频率率较低，而中心频率的偏移与调频振荡器中心频率 偏移相同

18、的调频波。经鉴频取出加有调制信号的误偏移相同的调频波。经鉴频取出加有调制信号的误 差电压，再经低通滤波器滤除调制信号，经放大再差电压，再经低通滤波器滤除调制信号，经放大再 与原调制信号相加控制调频振荡器，使其中心工作与原调制信号相加控制调频振荡器，使其中心工作 频率往偏离相反的方向变化，从而趋于稳定。频率往偏离相反的方向变化，从而趋于稳定。 20 6.2.36.2.3自动频率控制的特点自动频率控制的特点 1.1.有剩余频差有剩余频差 正是由于有剩余频差正是由于有剩余频差,控制回路才会闭合。但是控制回路才会闭合。但是 也是因为有剩余频差，用于稳频时不可能做到频率也是因为有剩余频差，用于稳频时不可

19、能做到频率 绝对稳定。绝对稳定。 2.鉴频器的作用是用于检测混频器差频的变化鉴频器的作用是用于检测混频器差频的变化, 若鉴频器中心工作频率不稳会造成其输出电压的变若鉴频器中心工作频率不稳会造成其输出电压的变 化，使输出中心工作频率更加不稳。电路中加混频化，使输出中心工作频率更加不稳。电路中加混频 器可以提高输出频率的稳定性。器可以提高输出频率的稳定性。 21 6.36.3自动相位控制自动相位控制锁相锁相 自动相位控制的特点是，有剩余相差，而无自动相位控制的特点是，有剩余相差，而无 剩余频差，故用于稳频优于自动频率控制。剩余频差，故用于稳频优于自动频率控制。 6.3.16.3.1锁相环的构成及工

20、作原理锁相环的构成及工作原理 1. 1.构成框图构成框图 2. 2. 各部件的作用各部件的作用 鉴相器鉴相器低通滤波器低通滤波器压控振荡器压控振荡器 输入信号输入信号 )(tui )(tud )(tuc )(tuo 22 鉴相器鉴相器（Phase Detector 简称简称PD） 用于比较输入信号用于比较输入信号 与输出信号与输出信号 的相的相 位，实现相位差位，实现相位差电压差的变换。电压差的变换。 低通滤波器低通滤波器（环路滤波器（环路滤波器 Lowpass Filter 简简 称称LPF） 其作用是滤出鉴相器输出电压中无用的组合频其作用是滤出鉴相器输出电压中无用的组合频 率分量及干扰，产

21、生压控振荡器的控制电压。率分量及干扰，产生压控振荡器的控制电压。 压控振荡器压控振荡器（Voltage Control Oscillator 简称简称 VCO） 使输出电压使输出电压 的频率随控制电压的变化而的频率随控制电压的变化而 变化，使其趋于输入信号的频率。变化，使其趋于输入信号的频率。 )(tui )(tuo )(tuo 23 2. 2. 工作原理工作原理 利用输入信号与输出信号在频率不同时之间存利用输入信号与输出信号在频率不同时之间存 在的相位差，通过鉴相器变换为电压差，此电压控在的相位差，通过鉴相器变换为电压差，此电压控 制制VCO的振荡频率，使其不断靠近输入信号的频率的振荡频率，

22、使其不断靠近输入信号的频率 ，直到完全相等，环路进入锁定状态。此时，直到完全相等，环路进入锁定状态。此时 与与 之间相位差为常数，鉴相器输出为直流电之间相位差为常数，鉴相器输出为直流电 压。压。 6.3.26.3.2锁相环路的性能分析锁相环路的性能分析 1. 1. 分析方法分析方法 锁相环中传递的物理量是相位，锁相环中传递的物理量是相位，PD将相位的变将相位的变 化变为电压的变化；化变为电压的变化；VCO将电压的变化变为频率的将电压的变化变为频率的 变化；而相位是频率的积分，使锁相环的分析归结变化；而相位是频率的积分，使锁相环的分析归结 )(tui )(tuo 24 为非线性微分方程的求解。故

23、下面首先导出描述琐为非线性微分方程的求解。故下面首先导出描述琐 相环路动态过程的基本方程，再据此分析环路的性相环路动态过程的基本方程，再据此分析环路的性 能。能。 2. 2. 环路基本传输函数环路基本传输函数 （1）各部件的传输函数）各部件的传输函数 鉴相器鉴相器 鉴相器一般是模拟相乘器或异或门。鉴相器一般是模拟相乘器或异或门。 设设VCO自由振荡角频率为自由振荡角频率为 ， 输入信号角频率输入信号角频率 VCO实际角频率实际角频率 o dt td i oi )( dt td o oo )( 25 则则 取取 ，就有，就有 鉴相器输出为鉴相器输出为 )(cos()( ttUtu ioii )(

24、cos()( ooooo ttUtu 2 o )(sin()( ttUtu oooo )()()(tutuKtu oimd )2sin( 2 1 oiooim tUUK)(sin oi 26 经低通滤波器滤除和频经低通滤波器滤除和频 定义定义 瞬时相位差瞬时相位差 鉴相灵敏度鉴相灵敏度 则鉴相器输出则鉴相器输出 可见，鉴相特性为正弦特性，其鉴相特性曲线如图可见，鉴相特性为正弦特性，其鉴相特性曲线如图 6-11所示。所示。 )()(sin 2 1 )(ttUUKtu oioimd oimd UUKK 2 1 )(sin)(tKtu edd )()()(ttt oie 27 鉴相器的鉴相特性曲线鉴

25、相器的鉴相特性曲线 e(t) ud 1/2KmUiUO 0 /2 -/2 6-11 由鉴相特性曲线可见，当由鉴相特性曲线可见，当 时，时， 与与 之间有单值对应关系。之间有单值对应关系。 2 )( t e d u e 28 鉴相器数学模型鉴相器数学模型 当当 时时, ，则，则 即得到线性鉴相特性。即得到线性鉴相特性。 注意：注意： （1）若）若 均为余弦函数，则得到余弦均为余弦函数，则得到余弦 鉴相特性。鉴相特性。 （2）两个输入信号为方波，得到三角波鉴相特性）两个输入信号为方波，得到三角波鉴相特性. - )(t i )(t e )(t o )(tud 6 )( t e )()(sintt e

26、e )()(tKtu edd )(tui)(tuo )(sintK ed 29 低通滤波器低通滤波器 常用的低通滤波器有常用的低通滤波器有RC积分滤波器积分滤波器RC比例比例 积分滤波器积分滤波器有源有源RC积分滤波器。积分滤波器。 RC低通一阶网络低通一阶网络 电路图电路图 传输函数传输函数 ssu su sF d c 1 1 )( )( )(RC uduc 30 RCRC比例积分器（台阶一阶网络）比例积分器（台阶一阶网络） 电路图电路图 传输函数传输函数 其中其中 相移大小可以通过调节相移大小可以通过调节 和和 调节。调节。 1 2 1 1 )( )( )( s s su su sF d

27、c CR2 2 CRR)( 211 1 R 2 R ud uc 31 有源比例积分器有源比例积分器 电路图电路图 传输函数传输函数 若运放的开环增益若运放的开环增益AO趋于无穷大，则传输函数趋于无穷大，则传输函数 为为理想的积分特性。理想的积分特性。 RC 2 CRRAo 211 )1 ( ud uc 1 2 1 1 )( s s AsF o 1 2 1 )( s s sFCR1 1 32 将以上各式中的复频率将以上各式中的复频率s用微分算符用微分算符p表示，低通滤表示，低通滤 波器激励和响应之间的关系式为波器激励和响应之间的关系式为 设滤波器的冲击响应为设滤波器的冲击响应为 ，则滤波器的输出

28、电压，则滤波器的输出电压 可写为可写为 上式说明滤波器的输出是鉴相器输出电压与滤波器上式说明滤波器的输出是鉴相器输出电压与滤波器 冲击响应的卷积。冲击响应的卷积。 压控振荡器压控振荡器 压控振荡器即电压压控振荡器即电压-频率转换器。频率转换器。 )()()(tupFtu dc )(tf )()()(tftUtu dc dsesFtf jst )( 2 1 )( 33 设设VCO的压控灵敏度为的压控灵敏度为 ，则，则 产生角产生角 频率的变化为频率的变化为 瞬时角频率为瞬时角频率为 瞬时相位为瞬时相位为 其中其中 用积分算符表示用积分算符表示 f S)(tuc )()(tuSt cf )()()

29、( tuStt cfooo )()()( ttdttuStt oocfo dttuSt cfo )()( S suS s cf o )( )( 34 3.3.锁相环的相位模型和基本方程锁相环的相位模型和基本方程 （1 1）环路相位模型环路相位模型 - )(t i )( t o )(t e )( t o )(tud)(tuc sin d K)()(tftud dtS f )(sin)(tKtu edd )()()(ttt oie )()()(tftutu dc dttuSt cfo )()( dtesFtf jst )( 2 1 )( 35 （2）环路基本方程）环路基本方程 由由 等式两端求导，

30、得等式两端求导，得 )()()(ttt oie oi i edf o edfo dt td tfKS dt td dttftKSt )( )(sin )( )()(sin)( 又 dt td dt td dt td oie )()()( )()(sin )( tftKS dt td edfoi e 36 其物理意义是：其物理意义是：剩余频差剩余频差=起始频差起始频差-控制频差控制频差 当当 时，剩余频差等于零，环路进入锁定时，剩余频差等于零，环路进入锁定 状态状态。此时，输出信号频率与输入信号频率相等，。此时，输出信号频率与输入信号频率相等， 即即 ，剩余相位差等于常数，即，剩余相位差等于常数

31、，即 。 鉴相器输出为一直流电压，起始频差鉴相器输出为一直流电压，起始频差=控制频差。控制频差。 环路直流增益环路直流增益 0 )( dt td e io ee t)( eFdfo KKSsin)0( e Ksin 0 0 K )()(sin )( tftKS dt td edfo e 得到环路基本方程为得到环路基本方程为 37 得到环路锁定时的剩余相差得到环路锁定时的剩余相差 表明：表明： 越大，越大， 越小。越小。 。 4. 4.一阶环路的图解分析一阶环路的图解分析 无环路滤波器时，锁相环为一阶环。一阶环无环路滤波器时，锁相环为一阶环。一阶环 并不能实际应用，但其基本方程为一阶非线性微并不

32、能实际应用，但其基本方程为一阶非线性微 分方程，使分析简化。而分析一阶环得出的结论分方程，使分析简化。而分析一阶环得出的结论 是分析复杂环路的基础。是分析复杂环路的基础。 无环路滤波器时，无环路滤波器时， 。 0 1 sin K o e 0 K e oe )(sin)()(sinttft ee 38 则环路基本方程变为一阶非线性微分方程则环路基本方程变为一阶非线性微分方程 表示锁相环为一阶环路。表示锁相环为一阶环路。 （1）相图法分析）相图法分析 图相分析法是以时间图相分析法是以时间 t 为参变量，研究为参变量，研究 与与 的关系。在任一时刻的关系。在任一时刻 t ，存在对应的，存在对应的 和

33、和 ，在相平面上有一点与该时间对应，此点，在相平面上有一点与该时间对应，此点 为相点。时间为相点。时间t 变化，相平面上描绘出一条相点移动变化，相平面上描绘出一条相点移动 的轨迹曲线，它反应系统状态的变化过程，为相轨的轨迹曲线，它反应系统状态的变化过程，为相轨 迹，用相轨迹描述系统的运动状态为相图分析法。迹，用相轨迹描述系统的运动状态为相图分析法。 )(sin )( tKS dt td edfo e )(t e dt td e )( )(t e dt td e )( 39 注意：注意： 此处的此处的“相相”指的是状态，不是电信号的相位。指的是状态，不是电信号的相位。 时的一阶环相图分析。时的一

34、阶环相图分析。 相图相图 由一阶环路方程由一阶环路方程 可以可以 画出其相图如下图所示：画出其相图如下图所示： )(sin )( tKS dt td edfo e dfo KS 0 dt td e )( )(t e 40 状态的平衡与稳定状态的平衡与稳定 平衡点：平衡点： 的点。的点。 如图中的如图中的A1、B1、A2、B2、A3和和B3点均为平点均为平 衡点。衡点。 稳点平衡点：如稳点平衡点：如A1和和B1点。点。 在稳定平衡点，因某种原因，环路的状态离开在稳定平衡点，因某种原因，环路的状态离开 此点，环路自行调整，能力图恢复到此点。此点，环路自行调整，能力图恢复到此点。 平衡点对应的误差相

35、移为：平衡点对应的误差相移为： 这就是环路锁定时的剩余相位差。这就是环路锁定时的剩余相位差。 （2）捕捉过程与捕捉带）捕捉过程与捕捉带 0 )( dt td e df o eA KS 1 sin 41 捕捉过程捕捉过程 定义：定义： 环路由失锁状态通过自身调整进入锁定状态的环路由失锁状态通过自身调整进入锁定状态的 过程，称为捕捉过程。过程，称为捕捉过程。 捕捉时间捕捉时间 ： 环路由失锁进入锁定状态所需要的时间。一般环路由失锁进入锁定状态所需要的时间。一般 情况下，情况下， ，即起始频差越大，环，即起始频差越大，环 路由失所进入锁定所需要的时间越长；环路总增益路由失所进入锁定所需要的时间越长；

36、环路总增益 越大，环路越快入锁。越大，环路越快入锁。 捕捉带捕捉带 ： 环路实现捕捉，最终能锁定，所允许的最大起环路实现捕捉，最终能锁定，所允许的最大起 始频差。始频差。 p op ( ) 1 df KS p df KS 42 对于一阶环路：对于一阶环路： 锁定时锁定时 一阶环捕捉带一阶环捕捉带 若若 环路将永远不能入锁。环路将永远不能入锁。 高阶环的捕捉带取决于以下因素：高阶环的捕捉带取决于以下因素： （1）环路总增益）环路总增益 ， 。 （2）环路滤波器的频率特性）环路滤波器的频率特性 LPF的频带越宽，带内衰减越小，的频带越宽，带内衰减越小， 越大。越大。 Fdf KKS 0 )( dt

37、 td e edfo KSsin dfp KS dfo KS Fdfp KKS p 43 （3）同步过程与同步带）同步过程与同步带 同步过程同步过程 定义：定义： 锁相环处于锁定状态，由于某种原因，锁相环处于锁定状态，由于某种原因，VCO 的振荡频率偏离输入信号频率。环路经自身调整的振荡频率偏离输入信号频率。环路经自身调整 仍维持锁定的过程。仍维持锁定的过程。 同步带同步带 同步带是环路维持同步允许的最大频差。同步带是环路维持同步允许的最大频差。 一阶环的同步带：一阶环的同步带： H 44 当环路锁定时，当环路锁定时， =常数，常数， =直流。某种原直流。某种原 因使因使 产生变化，产生变化，

38、 发生相应的变化，发生相应的变化， 偏离偏离 ， 产生相位差，使鉴相器输出电压产生相位差，使鉴相器输出电压 变化，它控制变化，它控制 VCO，使，使 最终使环路锁定。环路允许的最最终使环路锁定。环路允许的最 大频差大频差 为为 。一阶环的同步带一阶环的同步带 二阶以上锁相环，因为低通滤波器的惰性，一二阶以上锁相环，因为低通滤波器的惰性，一 般同步带大于捕捉带，即般同步带大于捕捉带，即 。 环路要能处于同步状态，压控振荡器的振荡频环路要能处于同步状态，压控振荡器的振荡频 率变化范围应大于同步带，即率变化范围应大于同步带，即 e o )(tud o o i )(tud io o df KS pdf

39、H KS pH Hoo )( minmax 45 00 K 00 K 5.5.高阶环捕捉过程的定性分析高阶环捕捉过程的定性分析 起始频差大于环路总增益。起始频差大于环路总增益。 即即 ，此时环路永远不能如锁。，此时环路永远不能如锁。 起始频差很小。起始频差很小。 起始频差很小，鉴相器输出电压通过环路滤波起始频差很小，鉴相器输出电压通过环路滤波 器并加在器并加在VCOVCO上，使上，使VCOVCO输出电压的频率很快摆动到输出电压的频率很快摆动到 输入信号的频率，使环路锁定。输入信号的频率，使环路锁定。 ，但是起始频差较大。，但是起始频差较大。 因为起始频差较大，鉴相器输出电压通过环路因为起始频差

40、较大，鉴相器输出电压通过环路 滤波器将受到较大的衰减，因此，加到滤波器将受到较大的衰减，因此，加到VCOVCO上的电上的电 压很小，使压很小，使VCOVCO的振荡频率的振荡频率 不能很快摆到输入信不能很快摆到输入信 O 46 号的频率上，须经多次循环，环路才能锁定。此时，号的频率上，须经多次循环，环路才能锁定。此时， 鉴相器输出电压鉴相器输出电压 是一个幅度为是一个幅度为 的交变电压，此电压加在的交变电压，此电压加在VCO上，则上，则VCO输出电压输出电压 为调频波。使为调频波。使 在在 上下摆动。上下摆动。 也在也在 上下摆动。经鉴相，因上下摆动。经鉴相，因 随时间变化速度不随时间变化速度不

41、 同，使同，使 为非简谐波。当为非简谐波。当 时，时， ， 随时间随时间 t 增长的慢，当增长的慢，当 时，时， ， 随随 t 增长快，增长快， 随时间变化斜率是变化的，故随时间变化斜率是变化的，故 为非简为非简 谐波。且正半周长负半周短，平均分量不为零谐波。且正半周长负半周短，平均分量不为零, )(sin)(tKtu edd d K )(t o )(t e o )(t oi o )(tud )( oo t )(t oi )(t e )( oo t )(t oi )(t e )(t e )(tud 47 即即 含有一直流分量。含有一直流分量。 经低通滤波器加到经低通滤波器加到VCO上，上， 使

42、振荡频率使振荡频率 的平均值的平均值 由由 向向 靠拢。经一靠拢。经一 次反馈，次反馈， 向输入信号向输入信号 频率靠近一点。这种现象亦频率靠近一点。这种现象亦 称为频率牵引现象。右图示称为频率牵引现象。右图示 出描述这种过程的鉴相器输出描述这种过程的鉴相器输 出电压、出电压、vco振荡波形和误振荡波形和误 差相移的波形示意图。差相移的波形示意图。 )(tud )(t o )(t o i o 48 以上过程，每经过一次反馈，以上过程，每经过一次反馈， 向输入信号频率靠近向输入信号频率靠近 一点，而一点，而 VCO 新的振荡频率再与输入信号频率差拍，得到新的振荡频率再与输入信号频率差拍，得到 角

43、频率更低、同时误差相移随时间变化更慢的鉴相器输出电角频率更低、同时误差相移随时间变化更慢的鉴相器输出电 压，即鉴相器输出电压不仅正负半周不对称，而且压，即鉴相器输出电压不仅正负半周不对称，而且 频率越来频率越来 越低，所含直流分量越来越大，越低，所含直流分量越来越大，VCO的振荡频率与输入信号的振荡频率与输入信号 频率越来越靠近，最终频率越来越靠近，最终 ，环路锁定，此时，鉴相，环路锁定，此时，鉴相 器的输出为一直流电压，误差相移为一常数。图器的输出为一直流电压，误差相移为一常数。图6-20示出了示出了 描述此过程的鉴相器输出电压波形。描述此过程的鉴相器输出电压波形。 )(t O iO t)(

44、 6-20 49 6. 6.锁相环的线性化分析（跟踪状态分析）锁相环的线性化分析（跟踪状态分析） 必要性必要性 因为描述锁相环状态的基本方程是非线性微分因为描述锁相环状态的基本方程是非线性微分 方程，求解十分困难。若将非线性微分方程线性化方程，求解十分困难。若将非线性微分方程线性化 , ,则可用拉氏变换的方法求解，使分析大为简化。则可用拉氏变换的方法求解，使分析大为简化。 可能性可能性 锁相环在跟踪状态下，剩余频差很小，鉴相器锁相环在跟踪状态下，剩余频差很小，鉴相器 的剩余相差也很小，当的剩余相差也很小，当 时，可以进行线性化时，可以进行线性化 处理。此时，锁相环处于跟踪张态。处理。此时，锁相

45、环处于跟踪张态。 跟踪状态跟踪状态 锁相环输入信号频率变化时，锁相环输入信号频率变化时，VCO振荡频率能振荡频率能 始终跟随其变化，表示环路处于跟踪状态。始终跟随其变化，表示环路处于跟踪状态。 6 )( t e 50 （1）锁相环的线性化分析）锁相环的线性化分析 鉴相器输出电压鉴相器输出电压: 当当 时时, ，则，则 表示鉴相特性为线性特性。表示鉴相特性为线性特性。 鉴相器线性化以后，整个环路的传输特性变为鉴相器线性化以后，整个环路的传输特性变为 线线 性系统，数学上就可以用线性微分方程描述这性系统，数学上就可以用线性微分方程描述这 个个 系统，而拉氏变换是分析线性系统最有效方法。系统，而拉氏

46、变换是分析线性系统最有效方法。 )(sin)(tKtu edd 6 )( t e )()(sintt ee )()(tKtu edd 51 （2）环路传递函数）环路传递函数 环路的传递函数是指锁相环输出信号瞬时相环路的传递函数是指锁相环输出信号瞬时相 位的象函数与输入信号瞬时相位的象函数之比。即位的象函数与输入信号瞬时相位的象函数之比。即 线性化锁相环的相位模型线性化锁相环的相位模型 线性化锁相环的相位模型如下图所示：线性化锁相环的相位模型如下图所示： )( )( )( s s sH i o Kd F(s) i(S) O(s) e(s)o(s) s S f 52 )()()(sss oie )

47、( )( )(s S SsFK s e fd o )()( )( ss S SsFK oi fd 环路的传递函数环路的传递函数 由线性化锁相环的相位模型可得：由线性化锁相环的相位模型可得： )( )( )( sFSKS sFSK sH fd fd 则环路的传递函数为：则环路的传递函数为： 53 不同形式的低通滤波器有不同的传输数不同形式的低通滤波器有不同的传输数 ， 则则 也就相应的有不同的形式。也就相应的有不同的形式。 无环路滤波器无环路滤波器 一阶环一阶环 一般一般RC低通滤波器低通滤波器 二阶环二阶环 )(sH )(sF 1)(sF df df KSS KS sH )( S sF 1 1

48、 )( / / )( 2 df df KSSS KS sH 54 RC比例积分滤波器比例积分滤波器 （略）（略） 有源理想积分滤波器有源理想积分滤波器 （略）（略） 有了环路的传输函数，就可以研究环路处于跟有了环路的传输函数，就可以研究环路处于跟 踪状态时的瞬态响应和正弦稳态响应，了解锁相环踪状态时的瞬态响应和正弦稳态响应，了解锁相环 的特性。的特性。 实用中，也经常使用误差传递函数分析环路的实用中，也经常使用误差传递函数分析环路的 跟踪特性。跟踪特性。 定义误差传递函数为：定义误差传递函数为： 则则 )( )( )( s s sH i e e )(1)(sHsH e 55 6.3.4 6.3

49、.4 锁相环的典型应用锁相环的典型应用 锁相环的特点：锁相环的特点： （1）锁定特性锁定特性： 环路锁定后，只有剩余相差无剩余频差。环路锁定后，只有剩余相差无剩余频差。 （2）跟踪特性跟踪特性 输出信号频率跟随输入基准频率的变化，实输出信号频率跟随输入基准频率的变化，实 现无误差的频率跟踪。现无误差的频率跟踪。 1.1.锁相频率合成器锁相频率合成器 锁相环在频率合成器中的应用是利用锁相环的锁相环在频率合成器中的应用是利用锁相环的 锁定特性。锁定特性。 56 频率合成的定频率合成的定义：义： 频率合成是将给定的基准信号频率，通过一系频率合成是将给定的基准信号频率，通过一系 列的频率代数运算，在一

50、定频率范围内获得频率间列的频率代数运算，在一定频率范围内获得频率间 隔一定隔一定稳定度和基准频率相同稳定度和基准频率相同数值上与输入频数值上与输入频 率成有理数比例关系的一系列的新频率。率成有理数比例关系的一系列的新频率。 框图框图 I f 鉴相器鉴相器 M 分频器分频器 环路环路 滤波器滤波器 N 分频器分频器 晶晶 体体 振荡器振荡器 压压 控控 振荡器振荡器 输出输出 r f o f N fo 57 I or f N f M f 环路锁定时有环路锁定时有 （最小间隔），（最小间隔）， 输出输出 信号频率为：信号频率为： 改变分频比改变分频比M和和N，即可以改变输出频率。，即可以改变输出频

51、率。N 可以可以 是可编程分频器，就可以得到频率间隔为是可编程分频器，就可以得到频率间隔为 fI频率频率 在一定范围内变化的若干个频率点。在一定范围内变化的若干个频率点。 多环频率合成器多环频率合成器 欲减小频率间隔，且要求输出大量离散频率点欲减小频率间隔，且要求输出大量离散频率点 时，环路滤波器通频带必须压缩，造成环路捕捉时时，环路滤波器通频带必须压缩，造成环路捕捉时 间加长，从而导致从一个频率点到另一个频率点转间加长，从而导致从一个频率点到另一个频率点转 ro f M N f 58 换时间加长。这时可以采用多环频率合成器，即由换时间加长。这时可以采用多环频率合成器，即由 多个单环频率合成器

52、组合而成。如图多个单环频率合成器组合而成。如图6-27所示多环所示多环 频率合成器，其中基准频率为频率合成器，其中基准频率为2MHz，要求输出频，要求输出频 率范围为率范围为(3.0003.999)MHz，频率间隔为，频率间隔为1kHz。 6-27 59 由图可见，由图可见，2MHz2MHz的基准频率首先经的基准频率首先经2020分频，得分频，得 到到100kHz100kHz的频率作为每一个环的输入信号频率。第的频率作为每一个环的输入信号频率。第 一个环的可变分频比为一个环的可变分频比为30303939，所以第一个环的输，所以第一个环的输 出频率范围为出频率范围为(3.0(3.03.9)MHz

53、3.9)MHz，频率间隔为，频率间隔为100kHz.100kHz. 此信号经此信号经1010分频与分频与2MHz2MHz信号混频，并取差频，得到信号混频，并取差频，得到 频率变化范围为频率变化范围为(1.70(1.701.61)MHz1.61)MHz的信号，它与第的信号，它与第 二个环的输出信号混频，取和频，再经分频比为二个环的输出信号混频，取和频，再经分频比为4747 5656的可变分频，与的可变分频，与100kHz100kHz的信号鉴相，其输出信的信号鉴相，其输出信 号频率满足：号频率满足： MHzfo fo )99. 300. 3(10)61. 170. 1 (10100)5647( 1

54、0100 )5647( 10)61. 170. 1 ( 63 3 6 60 即输出信号频率变化范围为即输出信号频率变化范围为(3.00(3.003.99)MHz3.99)MHz，频率，频率 间隔为间隔为10kHz10kHz。同样，第二个环的输出信号送到第三。同样，第二个环的输出信号送到第三 个环，按同样的方法可以得到第三个环的输出信号个环，按同样的方法可以得到第三个环的输出信号 频率为频率为(3.000(3.0003.999)MHz3.999)MHz，频率间隔为，频率间隔为1kHz1kHz，满足，满足 设计要求。设计要求。 2. 2.锁相混频锁相混频 框图框图 如由图所示。如由图所示。 oL

55、ff L f o f i f 61 锁相混频实用于本振频率锁相混频实用于本振频率 输入信号频输入信号频 率率 时，其和频和差频十分靠近，滤除其中任一边时，其和频和差频十分靠近，滤除其中任一边 频，对滤波器的要求都十分苛刻。锁相混频是将混频，对滤波器的要求都十分苛刻。锁相混频是将混 频器置于锁相环路中，若混频器取差频，在环路锁频器置于锁相环路中，若混频器取差频，在环路锁 定时，有定时，有 ， 。避免了。避免了 用普通滤波器滤出一个边频的困难。用普通滤波器滤出一个边频的困难。 3.3.调频波的产生与解调调频波的产生与解调 （1）调频波的产生）调频波的产生 电路及工作原理电路及工作原理 L f oL

56、i fff iLo fff i f 62 晶体晶体 振荡器振荡器 鉴相器鉴相器 低通低通 滤波器滤波器 压控压控 振荡器振荡器 相加器相加器 uo(t) 调频信号调频信号 调制信号调制信号 u(t) 工作原理工作原理 在锁相环路中串入相加器，调制信号与环路在锁相环路中串入相加器，调制信号与环路 滤波器的输出电压相加，控制滤波器的输出电压相加，控制VCO的振荡频率，的振荡频率， 则输出信号就是频率随调制信号变化而频率稳定则输出信号就是频率随调制信号变化而频率稳定 性由晶体振荡器控制的调频波。性由晶体振荡器控制的调频波。 电路框图电路框图 63 优点：优点： 中心工作频率稳定。中心工作频率稳定。

57、这是因为当输出调频波中心工作频率飘移时，这是因为当输出调频波中心工作频率飘移时， 鉴相器输出电压能反映出中心工作频率飘移和随调鉴相器输出电压能反映出中心工作频率飘移和随调 制信号的变化所产生的频偏，若设计制信号的变化所产生的频偏，若设计LPF的频带足的频带足 够窄，能滤除调制信号，只让随中心频率飘移而变够窄，能滤除调制信号，只让随中心频率飘移而变 化的分量通过，此电压控制化的分量通过，此电压控制VCO，使中心频率，使中心频率 的变化减小，达到稳定中心工作频率的目的的变化减小，达到稳定中心工作频率的目的. 64 （2）鉴频）鉴频 电路框图电路框图 调频信号作为锁相环的输入信号，低通滤波调频信号作

58、为锁相环的输入信号，低通滤波 器输出即为低频调制信号。器输出即为低频调制信号。 工作原理工作原理 由锁相环的跟踪特性，锁相环处于跟踪状态由锁相环的跟踪特性，锁相环处于跟踪状态 时，时，VCO的振荡频率能跟踪调频波输入信号频率的振荡频率能跟踪调频波输入信号频率 鉴相器鉴相器 低低 通通 滤波器滤波器 缓缓 冲冲 放大器放大器 压压 控控 振荡器振荡器 调频信号调频信号解调信号解调信号 )(tui)(tu 65 的变化。而的变化。而 VCO 频率变化受控于频率变化受控于 LPF 输出电压输出电压 ，它反映输入信号频率的变化，即调制信号，它反映输入信号频率的变化，即调制信号. 条件条件 （1）LPF

59、 的上截止频率应大于调制信号的最高的上截止频率应大于调制信号的最高 频率即频率即 。 （2）VCO 的振荡频率范围（同步带）应大于调的振荡频率范围（同步带）应大于调 频波的最大频偏。频波的最大频偏。 （3）若调频波的载波频率在一定范围内变化，）若调频波的载波频率在一定范围内变化， 则则VCO的振荡频率应满足：的振荡频率应满足： )(tuc max Ffh 66 或或 锁相鉴频的窄带滤波功能锁相鉴频的窄带滤波功能 举例说明：举例说明： 某调频波，载波频率某调频波，载波频率 ，调制信号，调制信号 频率频率 ，调频系数，调频系数 。某干扰信。某干扰信 号频率号频率 ，比较用，比较用LC单振荡回路和锁单振荡回路和锁 相环鉴频对干扰的抑制。相环鉴频对干扰的抑制。 解：用锁相环鉴频：解：用锁相环鉴频： oooo oo