第7章_反馈控制电路

1、高频电子线路高频电子线路第第7 7章章 反馈控制电路反馈控制电路 主要内容主要内容 ：自动增益控制电路自动增益控制电路AGC(Automatic Gain Control )AGC(Automatic Gain Control )自动频率控制电路自动频率控制电路AFC(Automatic Frequency ControlAFC(Automatic Frequency Control ) )自动相位控制电路自动相位控制电路APC(Automatic Phase Control )APC(Automatic Phase Control )频率合成器频率合成器高频电子线路高频电子线路 前面各章分别

2、介绍了放大电路、前面各章分别介绍了放大电路、 振荡电路、振荡电路、 调制电路和调制电路和解调电路。由这些功能电路可以组成一个完整的通信系统或其解调电路。由这些功能电路可以组成一个完整的通信系统或其它电子系统它电子系统, , 但是这样组成的系统其性能不一定完善。但是这样组成的系统其性能不一定完善。例如例如, , 在调幅接收机中在调幅接收机中, , 天线上感应的有用信号的强度往往由于电波天线上感应的有用信号的强度往往由于电波传播衰落等原因会有较大的起伏变化传播衰落等原因会有较大的起伏变化, , 导致放大器输出信号时导致放大器输出信号时强时弱不规则变化强时弱不规则变化, , 有时还会造成阻塞。又如有

3、时还会造成阻塞。又如, , 在通信系统中在通信系统中, , 收发两地的载频应保持严格同步收发两地的载频应保持严格同步, , 使输出中频稳定使输出中频稳定, , 而要做到而要做到这一点也比较困难。这一点也比较困难。一、在无线通信中为什么要引入自动控制电路？一、在无线通信中为什么要引入自动控制电路？第第7 7章章 反反 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路二、反馈控制电路的组成及原理概述二、反馈控制电路的组成及原理概述1、组成：反馈控制器、组成：反馈控制器+ 对象对象ox电路的输入量为电路的输入量为 ，输出量为，输出量为 ；反馈控制器的输入；反馈控制器的输入量为量为 ，输出量为，输

4、出量为 exixox第第7 7章章 反反 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路2.2.控制过程：若控制过程：若 受某种因素的影响而受某种因素的影响而遭到遭到 oixg x破坏，则反馈控制器就对破坏，则反馈控制器就对xo和和xi进行比较，检测出它们进行比较，检测出它们与预定关系之间的偏离程度，并产生相应的误差量与预定关系之间的偏离程度，并产生相应的误差量xe， xe加到被控制对象上对加到被控制对象上对xo进行调节，使进行调节，使xi 和和xo 之间接近之间接近到预定的状态（关系），而进入稳定状态。到预定的状态（关系），而进入稳定状态。 第第7 7章章 反反 馈馈 控控 制制 电电

5、 路路高频电子线路高频电子线路 需要比较和调节的参量为需要比较和调节的参量为电压（电流），电压（电流），相应的相应的xi和和xo为电压（电流）。为电压（电流）。 需要比较和调节的参量为频需要比较和调节的参量为频ix和和ox为为频率。频率。 率则相应的率则相应的 需要比较和调节的参量为相位，需要比较和调节的参量为相位，和和为为相位相位。 则相应的则相应的ixox自动增益控制自动增益控制(Automatic Gain Control(Automatic Gain Control，简称，简称AGC) AGC) 自动频率控制自动频率控制(Automatic Frequency Control(Auto

6、matic Frequency Control，简称，简称AFC) AFC) 自动相位控制自动相位控制(Phase Locked Loop(Phase Locked Loop，简称，简称PLLPLL或锁相环或锁相环) ) 三、反馈控制电路的分类：三、反馈控制电路的分类： 第第7 7章章 反反 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路 在通信、导航、遥测遥控系统中在通信、导航、遥测遥控系统中, , 由于受发射功率大小、由于受发射功率大小、 收发距离远近、电波传播衰落等各种因素的影响收发距离远近、电波传播衰落等各种因素的影响, , 接收机所接接收机所接收的信号强弱变化范围很大收的信号强

7、弱变化范围很大, , 信号最强时与最弱时可相差几十信号最强时与最弱时可相差几十分贝。如果接收机增益不变分贝。如果接收机增益不变, , 则信号太强时会造成接收机饱和则信号太强时会造成接收机饱和或阻塞或阻塞, , 而信号太弱时又可能被丢失。因此而信号太弱时又可能被丢失。因此, , 必须采用自动增必须采用自动增益控制电路益控制电路, , 使接收机的增益随输入信号强弱而变化。使接收机的增益随输入信号强弱而变化。 这是这是接收机中几乎不可缺少的辅助电路。在发射机或其它电子设备接收机中几乎不可缺少的辅助电路。在发射机或其它电子设备中中, , 自动增益控制电路也有广泛的应用。自动增益控制电路也有广泛的应用。

8、 一、在无线通信中为什么要引入自动增益控制电路？一、在无线通信中为什么要引入自动增益控制电路？7.17.1 自自 动动 增增 益益 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路 设输入信号振幅为设输入信号振幅为U Ux x, , 输出信号振幅为输出信号振幅为U Uy y, , 可控增益放大可控增益放大器增益为器增益为g g（u uc c）, , 即其是控制信号即其是控制信号u uc c的函数的函数, , 则有：则有： U Uy y=A=Ag g(u(uc c)U)Ux x (7.1) (7.1)二、二、AGCAGC电路组成框图电路组成框图反馈网络反馈网络7.17.1 自自 动动 增增

9、益益 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路. . 比较过程比较过程: :在电路里在电路里, , 比较参量是信号电压比较参量是信号电压, , 所以采用电压比较器。所以采用电压比较器。 反馈网络检测出输出信号振幅（平均电压或峰值电压）反馈网络检测出输出信号振幅（平均电压或峰值电压）, , 滤去不需要的较高频率滤去不需要的较高频率分量分量, , 然后进行适当放大后与恒定的参考电平然后进行适当放大后与恒定的参考电平UR比较比较, , 产生一个误差信号产生一个误差信号ue。 控制信号发生器在这里可看作是一个比例环节控制信号发生器在这里可看作是一个比例环节, , 增益为增益为1 1。 若若

10、Ux减小而使减小而使Uy减减小时小时, , 环路产生的控制信号环路产生的控制信号uc将使增益将使增益g增大增大, , 从而使从而使Uy趋于增大。若趋于增大。若Ux增大增大而使而使Uy增大时增大时, , 环路产生的控制信号环路产生的控制信号uc将使增益将使增益g减小减小, , 从而使从而使Uy趋于减小。趋于减小。无论何种情况无论何种情况, , 通过环路不断地循环反馈通过环路不断地循环反馈, , 都应该使输出信号振幅都应该使输出信号振幅Uy保持基本不保持基本不变或仅在较小范围内变化。变或仅在较小范围内变化。 高频电子线路高频电子线路具有自动增益控制电路的超外差式接收机方框图如具有自动增益控制电路的

11、超外差式接收机方框图如图所示图所示: 检波器的输出信号包含有直流分量和低频交流分量，其中检波器的输出信号包含有直流分量和低频交流分量，其中直流电平直流电平的高低直接说明所接受的信号的强弱，的高低直接说明所接受的信号的强弱，而低频分量则反映出输入调幅波的而低频分量则反映出输入调幅波的包络，经包络，经RCRC低通滤波器取出的直流分量经直流放大器放大后就是低通滤波器取出的直流分量经直流放大器放大后就是AGCAGC电电压，去控制混频、高频放大器的增益，压，去控制混频、高频放大器的增益，U UAGCAGC大，说明输入信号强，大，说明输入信号强，用用U UAGCAGC其控制混频、高频放大器的增益使增益减小

12、；其控制混频、高频放大器的增益使增益减小；U UAGCAGC小，说明输入信号弱，用小，说明输入信号弱，用U UAGCAGC其控制混频、高频放大器的增益使其控制混频、高频放大器的增益使增益增大，达到自动增益控制的目的。增益增大，达到自动增益控制的目的。高频电子线路高频电子线路+UAGC三、三、AGCAGC电压的产生方法：电压的产生方法：1.1.两种基本的两种基本的AGCAGC电压产生电路：电压产生电路：平均值式平均值式AGCAGC电压产生电路电压产生电路二极管二极管D D、C C1 1、C C2 2、R RL1L1、R RL2L2、CcCc、R Ri2i2构成检波器（避免负峰构成检波器（避免负峰

13、切割）。切割）。R R2 2、C C3 3构成低通滤波器取走检波器输出的直流平均分量，构成低通滤波器取走检波器输出的直流平均分量，得到得到+U+UAGCAGC电压，因为此电压的大小只与载波的振幅有关，而与电压，因为此电压的大小只与载波的振幅有关，而与调幅度无关，因此它能反映输入信号的强弱。调幅度无关，因此它能反映输入信号的强弱。7.17.1 自自 动动 增增 益益 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路 平均值平均值无无AGC电路电路有有AGC电路电路7.17.1 自自 动动 增增 益益 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路平均值式平均值式AGCAGC电压产生电路

14、的缺点：电压产生电路的缺点： 一有外来信号，一有外来信号，AGCAGC就立刻起作用，接收机的增益就因就立刻起作用，接收机的增益就因受控而减小，这对提高接收机的灵敏度是不利的，这一点对微受控而减小，这对提高接收机的灵敏度是不利的，这一点对微弱信号的接受尤其不利。为了克服这个缺点，可采用延迟式弱信号的接受尤其不利。为了克服这个缺点，可采用延迟式AGCAGC电路。电路。延迟式延迟式AGCAGC电压产生电路（电压产生电路（了解内容了解内容）Uo0UiUominUomaxUiminUimax在延迟在延迟AGCAGC电路里有一个电路里有一个起控门限起控门限, ,即比较器参考电压即比较器参考电压Ur, ,它

15、对应的输入信号振幅它对应的输入信号振幅Uimin, ,如右图所示。如右图所示。动态范围动态范围7.17.1 自自 动动 增增 益益 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路至信号检波延迟电压VCCC1R1RCAGC电压VD改变“延迟电压”可改变门限的大小低通滤波器VD、C1、R1组成AGC检波器图86 延迟AGC电路 可见，只有放大器的输出大于延迟电压后，即输入信号可见，只有放大器的输出大于延迟电压后，即输入信号幅度大于门限电压时，幅度大于门限电压时，AGCAGC检波器才工作。检波器才工作。这种电路由于需要延迟到这种电路由于需要延迟到x xxminxmin之后才开始控制之后才开始控

16、制作用作用, , 故称为延迟。故称为延迟。 “延迟延迟”二字不是指时间上的延迟。二字不是指时间上的延迟。 7.17.1 自自 动动 增增 益益 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路四、实现四、实现AGCAGC的方法的方法(1) (1) 改变发射极电流改变发射极电流I IE E 正向正向AGCAGC 反向反向AGCAGC(2) (2) 改变放大器负载改变放大器负载由于放大器的增益与负载密切相关，因此通过改由于放大器的增益与负载密切相关，因此通过改变负载就可以控制放大器的增益变负载就可以控制放大器的增益 。通过控制负反馈的深度来控制放大器的增益。通过控制负反馈的深度来控制放大器的增

17、益。7.17.1 自自 动动 增增 益益 馈馈 控控 制制 电电 路路(3) (3) 改变放大器的负反馈深度改变放大器的负反馈深度120feup p YAg 普通晶体管AGC电路反向AGC 正向AGCofeYEIEQI高频电子线路高频电子线路 AGCAGC控制电压既可以从发射极送入，也可以从基极控制电压既可以从发射极送入，也可以从基极送入，如图送入，如图2所示。所示。 图图2 改变改变 EI的增益控制电路的增益控制电路 7.17.1 自自 动动 增增 益益 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路7.17.1 自自 动动 增增 益益 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子

18、线路 改变放大器负反馈深度实现改变放大器负反馈深度实现AGC:AGC: 集成电路中常用的发射极负反馈增益控制电路。集成电路中常用的发射极负反馈增益控制电路。V V1 1和和V V2 2组成差分放大器。信号从组成差分放大器。信号从V V1 1、V V2 2的两个基极双端输入的两个基极双端输入, , 从两个从两个集电极双端输出集电极双端输出, , 控制信号控制信号u uc c从从V V3 3管基极注入。管基极注入。 7.17.1 自自 动动 增增 益益 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路 两个二极管两个二极管V V4 4 、V V5 5和电阻和电阻e1e1、e2e2构成发射极负反

19、馈构成发射极负反馈, , 且有且有e1e1e2e2e e, , c1c1c2c2c c。 二极管二极管4 4、5 5导导通与否取决于通与否取决于e1e1和和e2e2上的压降。上的压降。 当控制电压当控制电压u uc c很小时很小时, , C3C3很小很小, , 流经流经e1e1和和e2e2上的平均上的平均电流各为电流各为C3C3。 如如C3C3e e小于二极管导通电压小于二极管导通电压, , 则则二极管二极管、截止截止, , 这时差分放大器增益最小这时差分放大器增益最小, ,在满足深度在满足深度负反馈条件时，双端输出增益可写成负反馈条件时，双端输出增益可写成ecmingRRA7.17.1 自自

20、 动动 增增 益益 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路 当控制电压当控制电压u uc c逐渐增大逐渐增大, ,C3增加增加, , 使使C3e大于大于二极管导通电压二极管导通电压, , 则则、导通导通, , 导通电阻导通电阻rd将随着导将随着导通电流通电流ID的增加而减小。的增加而减小。 如如e取值较大取值较大, , 随着随着C3的增加的增加, , 二极管的分流作二极管的分流作用越来越大用越来越大, , d越来越小越来越小, , 发射极等效电阻发射极等效电阻Re=rdRe也越也越来越小来越小, , 负反馈作用越来越弱负反馈作用越来越弱, , 差分放大器增益越来越大差分放大器增益

21、越来越大, , 控制过程为控制过程为ucIC3IDrdReAg。这时的增益。这时的增益表达式为表达式为: : 可见可见, , 利用这种电路进行增益控制时利用这种电路进行增益控制时, , 控制电压控制电压uc应随着应随着输入信号增大而减小。见教材输入信号增大而减小。见教材P276P276图图7.1.5 7.1.5 eCRR Ag7.17.1 自自 动动 增增 益益 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路7.2.1 7.2.1 自动频率控制电路（自动频率控制电路（AFCAFC）工作原理）工作原理 自动频率控制电路的控制对象是信号的频率。目的是使自动频率控制电路的控制对象是信号的频率。

22、目的是使输出的输出的振荡频率保持稳定振荡频率保持稳定,一般指维持载频的稳定性一般指维持载频的稳定性。图。图1是是自动频率控制电路的原理方框图。自动频率控制电路的原理方框图。 7.27.2 自自 动动 频频 率率 馈馈 控控 制制 电电 路路图图1roDcffSu-=SD：鉴频器的灵敏度，：鉴频器的灵敏度，SD越大说明鉴频器的灵敏度越高，输出频率越大说明鉴频器的灵敏度越高，输出频率fo偏离偏离 单位单位fr时的输出电压越大。时的输出电压越大。高频电子线路高频电子线路7.27.2 自自 动动 频频 率率 馈馈 控控 制制 电电 路路压控振荡器振荡频率不变压控振荡器振荡频率不变fo；该框图的自动频率

23、调整过程是：该框图的自动频率调整过程是：压控振荡器的频率压控振荡器的频率 频器无输出，控制电压频器无输出，控制电压uc=0 ，of与标称频率与标称频率 rf在鉴频器中进行比较。在鉴频器中进行比较。当当 时时，鉴，鉴roffroDcffSu-=高频电子线路高频电子线路控制压控振荡器的振荡频率，最终使压控振荡器的频率控制压控振荡器的振荡频率，最终使压控振荡器的频率 of发生变化；变化的结果使频率误差发生变化；变化的结果使频率误差 orff减小到一定减小到一定值值f，自动控制过程即停止，压控振荡器即稳定于，自动控制过程即停止，压控振荡器即稳定于 orfff的频率上，环路进入锁定状态。锁定状态的的频率

24、上，环路进入锁定状态。锁定状态的 f称为稳态频率误差（剩余频率误差）。称为稳态频率误差（剩余频率误差）。 当当roff时时，鉴频器就有误差电压，鉴频器就有误差电压uD 输出，这个误差输出，这个误差电压电压uD 正比于频率误差正比于频率误差 orff，经过低通滤波器滤除，经过低通滤波器滤除干扰及噪声后，得到控制电压干扰及噪声后，得到控制电压uc ，利用控制电压，利用控制电压uc roDcffSu-=高频电子线路高频电子线路AFCAFC控制电路的缺点：控制电路的缺点： AFC AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。电路。 由于它的基本原理是利用频率误差

25、电压去消由于它的基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差除频率误差, , 所以当电路达到平衡状态之后所以当电路达到平衡状态之后, ,必然有必然有剩余频率误差存在剩余频率误差存在, , 即频差不可能为零。这是一个即频差不可能为零。这是一个不可克服的缺点。不可克服的缺点。7.27.2 自自 动动 频频 率率 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路AFC电路应用较广电路应用较广, , 择其主要简介如下。择其主要简介如下。 . . 在调幅在调幅接收机接收机中用于稳定中频频率中用于稳定中频频率 超外差式接收机是一种主要的现代接收系统。超外差式接收机是一种主要的现代接收系统。 它是利用它是利

26、用混频器将不同载频的高频已调波信号先变成载频为固定中频的混频器将不同载频的高频已调波信号先变成载频为固定中频的已调波信号已调波信号, , 再进行中频放大和解调。其整机增益和选择性主再进行中频放大和解调。其整机增益和选择性主要取决于中频放大器的性能要取决于中频放大器的性能, , 所以，所以， 这就要求中频频率稳定这就要求中频频率稳定要高要高, , 为此常采用电路。为此常采用电路。 7.27.2 自自 动动 频频 率率 馈馈 控控 制制 电电 路路7.2.2 AFC电路的应用：电路的应用：高频电子线路高频电子线路7.27.2 自自 动动 频频 率率 馈馈 控控 制制 电电 路路鉴频器的中鉴频器的中

27、心频率是心频率是IIoDcSu-=oL= c+ I 通过鉴频器的控制电压通过鉴频器的控制电压uc控制压控振荡器的输出频率稳定控制压控振荡器的输出频率稳定在在L上，从而维持中频放大器的载频上，从而维持中频放大器的载频c的稳定性。的稳定性。高频电子线路高频电子线路n晶体振荡器提供标准频率晶体振荡器提供标准频率fr，调频振荡器的中心频率为调频振荡器的中心频率为fc；鉴频鉴频器的中心频率调在器的中心频率调在(frfc)上。由于上。由于fr稳定度很高，当稳定度很高，当fc发生漂移时，发生漂移时，混频器输出的频差也跟随变化，使限幅鉴频器输出电压发生变化，混频器输出的频差也跟随变化，使限幅鉴频器输出电压发生

28、变化，经滤波器后的误差电压加到调频振荡器上，调节其振荡频率使之经滤波器后的误差电压加到调频振荡器上，调节其振荡频率使之中心频率稳定。中心频率稳定。AFCAFC应用应用调频发射机调频发射机7.27.2 自自 动动 频频 率率 馈馈 控控 制制 电电 路路高频电子线路高频电子线路AFCAFC控制电路的缺点：控制电路的缺点： 电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。 由于它由于它的基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差的基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差, , 所以当电路达到所以当电路达到平衡状态之后平衡状态之后, ,必然有剩余频率误差存在必然有剩

29、余频率误差存在, , 即频差不可能为零。这是即频差不可能为零。这是一个不可克服的缺点。一个不可克服的缺点。 锁相环路也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。但锁相环路也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。但它的基本原理是它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差利用相位误差电压去消除频率误差, , 所以当电路达所以当电路达到平衡状态之后到平衡状态之后, , 虽然有剩余相位误差存在虽然有剩余相位误差存在, , 但频率误差可以降低但频率误差可以降低到零到零, , 从而从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。 而且而且, , 锁相环还具锁相环还具有可以不用电感线

30、圈、易于集成化、性能优越等许多优点有可以不用电感线圈、易于集成化、性能优越等许多优点, , 因此广因此广泛应用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机等方面。泛应用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机等方面。 PLL PLL (Phase locked Loop,缩写为缩写为PLL）控制电路的优点：控制电路的优点：7.37.3 锁锁 相相 环环 路路 PLLPLL高频电子线路高频电子线路一、锁相环的组成部件一、锁相环的组成部件 PLLPLL是一个相位负反馈系统，可对输入信号的频率与相位实是一个相位负反馈系统，可对输入信号的频率与相位实施跟踪施跟踪。 )()()(VCOLFPD压压控控振振荡荡器器环

31、环路路滤滤波波器器鉴鉴相相器器三个基本部分构成一个负反馈环。三个基本部分构成一个负反馈环。 PD PD LF LFVCOvr(t)vd(t)vc(t)vo(t)r(t)o(t)e(t)vo(t) PD PD LF LFVCO7.3.1 锁相环路基本原理锁相环路基本原理(Phase Detector,缩写为缩写为PD)；(Loop Filter,缩写为缩写为LF)(Voltage Controlled Oscillator,缩写为缩写为VCO)参考信号或参考信号或输入信号输入信号高频电子线路高频电子线路 设输入信号（参考信号）：设输入信号（参考信号）：( )cos( )rrrru tUtt若参考

32、信号是未调载波时若参考信号是未调载波时, ,则则 r(t)= r =常数。设输出信号为常数。设输出信号为00( )cos( )ooutUtt 两信号之间的瞬时相差为：两信号之间的瞬时相差为：0000( )()( )()( )errrrtttttt由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为：由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为：0( )( )eordtdtdtdt7.3.1 锁相环路基本原理锁相环路基本原理高频电子线路高频电子线路锁定后两信号之间的相位差表现为一锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即固定的稳态值。即( )lim0etdtdt 此时此时, ,输出信号的频

33、率已偏离了原来的输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率自由振荡频率0 0( (控控制电压制电压uc(t)=0时的频率时的频率),),其偏移量为：其偏移量为：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: :0000( )( )rdtdttdtdt 结论：结论：通过通过PLLPLL的的相位相位跟踪，可实现跟踪，可实现输出输出与与输入输入频率同步频率同步， 频差为频差为0 0，只有很小的稳态相差。即输出总是跟踪只有很小的稳态相差。即输出总是跟踪 输入的频率。输入的频率。00( )rdtdt 0( )( )eordtdtdtdt 7.3.1 锁相环路基本原理锁相环路基本原理0( )(

34、)eordtdtdtdt高频电子线路高频电子线路1.1.鉴相器鉴相器（PD）又称为相位比较器又称为相位比较器ui(t)uo(t)LPFud(t)正弦鉴相器模型正弦鉴相器模型7.3.2 锁锁 相相 环环 的的 数数 学学 模模 型型一、一、 基本环路方程基本环路方程功能：用来比较两个输入信号（参考信号功能：用来比较两个输入信号（参考信号ur(t)与与uo(t)）之）之 间的相位差间的相位差e(t)。( )( )deutft 目的：输出的误差信号目的：输出的误差信号ud(t)是相差是相差e(t)的函数，即的函数，即高频电子线路高频电子线路统一规定：以压控振荡器的载波相位统一规定：以压控振荡器的载波

35、相位0t作为参考相位作为参考相位输出信号输出信号uo(t)与参考信号与参考信号ur为为： uo(t)= Uocos0t+0(t) =Uocos0t+2(t) ur(t)=Ursinrt+r(t)=Ursin0t+1(t) 式中式中，2(t)=0(t) 1(t)=(r-0)t+r(t)=0t+r(t) 滤除滤除20分量分量,可得可得 ud(t)=Udsin1(t)-2(t)=Udsine(t) 02011202122cos( )sin( )sin( )( )sin( )( )ororUttUttU Uttttt因为因为7.3.2 锁锁 相相 环环 的的 数数 学学 模模 型型高频电子线路高频电子

36、线路线性鉴相器的频域数学模型线性鉴相器的频域数学模型 2 2 3220322e(t)Ud(t)正弦鉴相器的鉴相特性正弦鉴相器的鉴相特性1(t)2(t)e(t)Udsin()Udsine(t)因此，鉴相器的数学模型和鉴相特性表示如下。因此，鉴相器的数学模型和鉴相特性表示如下。7.3.2 锁锁 相相 环环 的的 数数 学学 模模 型型当满足当满足 的条件下，的条件下，)30(6)t(eR2有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器1212121fdC s s1csRcsR1Rsc1RZZuu)s(F+=+=+=)s(V)s(F)s(Vdc 有有ud（t）uc（t）有源比例积有源比例积分滤波器分滤波器R1

37、R2C-+7.3.2 锁锁 相相 环环 的的 数数 学学 模模 型型高频电子线路高频电子线路由上式可得环路滤波器的电路模型如右图所示。由上式可得环路滤波器的电路模型如右图所示。F(p) t (ud)t (u)p(K)t (udc=)s(u)s(F)s(udc=有有dtdp 其中其中 为微分算子。为微分算子。 如果将如果将K（s）中的中的s用微分算子用微分算子p替代，可写出滤波器的输出替代，可写出滤波器的输出电压电压 与输入信号与输入信号 之间的微分方程：之间的微分方程： ) t (vc) t (vd)t (u)p(K)t (udc=7.3.2 锁锁 相相 环环 的的 数数 学学 模模 型型高频

38、电子线路高频电子线路 3. 压压 控控 振振 荡荡 器器（VCO） 压控振荡器：压控振荡器：是瞬时频率是瞬时频率 控制的振荡器控制的振荡器。其控制特性可用压控特性曲线来描述，如右图所示。其控制特性可用压控特性曲线来描述，如右图所示。 )t(u)t(cc受受电电压压ouc(t)c)t(uKc00c+=其中：其中： 0uVCOc0=在在：为为时的固有振荡频率时的固有振荡频率： SradK0：压控灵敏度压控灵敏度 VSrad 由于由于VCO的输出反馈到鉴相器，而从锁相环的控制作用的输出反馈到鉴相器，而从锁相环的控制作用来看，来看，VCOVCO对鉴相器起作用的不是其频率而是相位对鉴相器起作用的不是其频

39、率而是相位，故对上式，故对上式积分即可求出相位：积分即可求出相位： t020ct000c)t (tdt)t (uKtdt)t (+=+=t0c0c02)t(upKdt)t(uK)t(=上式中：上式中： dtp1t0 为积分算子为积分算子 高频电子线路高频电子线路 3、压压 控控 振振 荡荡 器器（VCO） 压控振荡器数学模型如图所示。压控振荡器数学模型如图所示。 KO/p)t (uc)t(2 t0c0c02)t(upKdt)t(uK)t(=高频电子线路高频电子线路 F(p)1(t) e(t) sinkd KO/p2(t)t (sinkuedd=) t (u)p(F) t (udc=p) t (

40、uK) t (co2=二、锁相环路相位模型和基本方程二、锁相环路相位模型和基本方程1 1、相位模型、相位模型 将上述锁相环的三个基本部件的模型按环路组成框图联接起将上述锁相环的三个基本部件的模型按环路组成框图联接起来，即可构成锁相环路来，即可构成锁相环路相位相位模型，如下图所示：模型，如下图所示： 2 2、基本方程、基本方程 根据锁相环路相位模型，可得到以相位形式表示的基本根据锁相环路相位模型，可得到以相位形式表示的基本微分方程：微分方程： ) t () t (21e )t (sin)p(Fkkp1)t (p)t (uk)t (edo1c01=环路的微分方程为：环路的微分方程为：)t(p)t(

41、sin)p(Fkk)t(p)t(sin)p(Fkk)t(p)t(p1ed0eed01e 或或高频电子线路高频电子线路 3 3、环路工作的定性分析、环路工作的定性分析 由于由于 i0i0i1tt )()t ( 有：有： oi)t(dtd)t(p 011固有角频差固有角频差: :表示输入信号的角频率表示输入信号的角频率i偏离压控振荡器的固偏离压控振荡器的固 有角频率有角频率o的数值。的数值。上式左边第一项上式左边第一项 dt) t (de cie)t (=环路的环路的瞬时角频差瞬时角频差。 代入环路的微分方程代入环路的微分方程)t(p)t(sin)p(Fkk)t(p1ed0e 0ed0e)t (s

42、in)p(Fkkdt)t (d 可得：可得：设输入信号为固定频率的正弦信号（即设输入信号为固定频率的正弦信号（即 均为常量）均为常量）ii, 瞬时角频差瞬时角频差: :表示压控振荡器的角频率表示压控振荡器的角频率c偏离输入信号偏离输入信号 角频率角频率i 的数值。的数值。高频电子线路高频电子线路 3 3、环路工作的定性分析、环路工作的定性分析 oi1)t(p-=固有角频差固有角频差 左边第二项：左边第二项： )t (sin)p(Fkked0 )t(p2 c0cc0)t (uk=-0ed0e)t (sin)p(Fkkdt)t (d 设输入信号为固定频率的正弦信号（即设输入信号为固定频率的正弦信号

43、（即 均为常量）均为常量）ii, )t(upK)t(c02=c 控制角频差控制角频差：表示表示VCO受控制电压受控制电压uc(t)的作用后输出的瞬时的作用后输出的瞬时 角频率角频率 偏离偏离VCO固有振荡频率固有振荡频率 的数值。的数值。 o 0oioccice)t (=+=+）（）（结论：闭合环路中任何时刻满足：结论：闭合环路中任何时刻满足： 瞬时频差瞬时频差+ +控制频差控制频差= =固有频差固有频差。 上式左边第一项上式左边第一项 dt) t (de cie)t (=环路的环路的瞬时角频差瞬时角频差。 )t (ukc00c+=控制角频差控制角频差瞬时角频差瞬时角频差固有角频差固有角频差控

44、制角频差控制角频差高频电子线路高频电子线路 3 3、环路工作的定性分析、环路工作的定性分析 0oioccice)t (=+=+）（）（结论：闭合环路中任何时刻满足：结论：闭合环路中任何时刻满足： 瞬时频差瞬时频差+ +控制频差控制频差= =固有频差固有频差。 瞬时角频差瞬时角频差固有角频差固有角频差控制角频差控制角频差高频电子线路高频电子线路三、锁相环路的工作原理三、锁相环路的工作原理 设压控振荡器的固有振荡频率为设压控振荡器的固有振荡频率为 , ,而当环路闭合瞬间，外而当环路闭合瞬间，外输入信号角频率输入信号角频率 与与 即不相同也不相干。即不相同也不相干。0 0i 失锁状态失锁状态 如果环

45、路固有角频差如果环路固有角频差 环路低通滤波器的通频带环路低通滤波器的通频带 0 LFBW则差拍电压则差拍电压 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 )t(ud)t (uc0 因为闭合瞬间控制电压因为闭合瞬间控制电压uc=0,故压控振荡器输出角频率故压控振荡器输出角频率,occ0 即：即：环路的瞬时频差环路的瞬时频差= =固有频差固有频差，VCOVCO的输出频率的输出频率c=oi ,输出频率无法与输入频率同步，输出频率无法与输入频率同步，环路此时环路此时处于失锁状态。处于失锁状态。0ce)t ( 则则 0e)t( 0oioccice)t (=+=+）（）（高频电子线路高频电

46、子线路锁定状态锁定状态 如果如果 十分接近十分接近 ，即固有频差，即固有频差 ，则差拍电压，则差拍电压 不会被环路滤波器滤除而形成控制电压不会被环路滤波器滤除而形成控制电压 ，去控制压，去控制压控振荡器控振荡器，VCO产生中心频率为产生中心频率为 的调频信号，频率为的调频信号，频率为c c0 )(tuc)(tudLFOBW i 0 三、锁相环路的工作原理三、锁相环路的工作原理)t (uKc00c+=0oioccice)t (=+=+）（）（体会体会1 1：因为固有角频差因为固有角频差o不变，在控制电压不变，在控制电压uc( (t) )的控的控制下，制下，VCOVCO的角频率的角频率c c逐步向

47、输入角频率逐步向输入角频率i靠近，导致瞬靠近，导致瞬时角频差时角频差e减小，则控制角频差减小，则控制角频差c c增大，直至增大，直至VCOVCO的的角频率角频率c c等于输入角频率等于输入角频率i，即瞬时角频差，即瞬时角频差e=0，此此时控制角频差达到最大时控制角频差达到最大cmaxcmax= = o o固有角频差。环路固有角频差。环路进入进入锁定状态锁定状态。高频电子线路高频电子线路三、锁相环路的工作原理三、锁相环路的工作原理锁定状态锁定状态 体会体会2 2：当环路进入锁定状态时瞬时角频差当环路进入锁定状态时瞬时角频差e=0，而而de/dt=e ,则可以判定瞬时相位差则可以判定瞬时相位差e为

48、固定值，称之为剩为固定值，称之为剩余相位误差或稳态相位误差余相位误差或稳态相位误差e，在这个稳态相位误差，在这个稳态相位误差e e的作用下使得鉴相器输出一个较小的直流控制电压的作用下使得鉴相器输出一个较小的直流控制电压Uc, ,正是这个控制电压使得正是这个控制电压使得VCOVCO的输出频率的输出频率c c= =输入角频率输入角频率i，将环路锁定在这个状态。如此稳态的循环下去。，将环路锁定在这个状态。如此稳态的循环下去。)t (uKc00c+=0oioccice)t (=+=+）（）（高频电子线路高频电子线路四、环路进入锁定状态的特点（四、环路进入锁定状态的特点（补充补充）1.1.压控震荡受到环

49、路的控制，其振荡频率从最初的的固有压控震荡受到环路的控制，其振荡频率从最初的的固有 角频率角频率o o变为：变为：c(t)=o+kokdF(p)sine =o+o=i 即：压控振荡器输出信号的角频率能跟踪输入信号角频率即：压控振荡器输出信号的角频率能跟踪输入信号角频率i。2.2.环路锁定后，没有剩余频差，只有剩余相差。环路锁定后，没有剩余频差，只有剩余相差。 输入信号与压控振荡器之间存在一个固定的剩余相位差输入信号与压控振荡器之间存在一个固定的剩余相位差e3.3.环路处于锁定时，鉴相器输出电压为直流，即环路处于锁定时，鉴相器输出电压为直流，即ue(t)=kdsine4.4.环路处于锁定时，剩余

50、相位差可由公式环路处于锁定时，剩余相位差可由公式 kokdF(p)sine= o 求得求得 ，)p(Fkarcsin)p(Fkkarcsinpodooe=Kpkd= kokd叫环路的直流增益，通常称为环路增益，单位为叫环路的直流增益，通常称为环路增益，单位为rad/srad/s高频电子线路高频电子线路五、锁相环路的自动调节过程五、锁相环路的自动调节过程原则：锁相环路根据初始状态的不同有两种自动调节过程原则：锁相环路根据初始状态的不同有两种自动调节过程. .1.1.若环路初始状态为失锁状态，通过自身的调节，使得压控振荡若环路初始状态为失锁状态，通过自身的调节，使得压控振荡器频率逐步向输入信号频率

51、靠近，当达到一定程度后环路即能进器频率逐步向输入信号频率靠近，当达到一定程度后环路即能进入锁定，这种由失锁进入锁定过程称为入锁定，这种由失锁进入锁定过程称为“捕捉过程捕捉过程”。2.2.若环路初始状态为锁定状态，当若环路初始状态为锁定状态，当输入信号的频率和相位发生变化输入信号的频率和相位发生变化时，时，环路通过自身的调节，来维持锁定的过程，称为环路通过自身的调节，来维持锁定的过程，称为“跟踪过程跟踪过程”。“跟踪过程跟踪过程”是锁相环路正常工作时常见的情况。是锁相环路正常工作时常见的情况。能够保持跟踪的最大输入固有频差范围，称为同步带或跟踪带，能够保持跟踪的最大输入固有频差范围，称为同步带或

52、跟踪带，常用常用H表示。表示。能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差范围，称为捕捉带带，能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差范围，称为捕捉带带，常用常用P表示。表示。见教材见教材P285-286P285-286高频电子线路高频电子线路(1)(1)环路锁定后环路锁定后, ,没有剩余频差。压控振荡器的输出频率严格没有剩余频差。压控振荡器的输出频率严格等于输入信号的频率。等于输入信号的频率。(2)(2)跟踪特性。环路锁定后跟踪特性。环路锁定后, ,当输入信号频率当输入信号频率i稍有变化稍有变化时时,VCO,VCO的频率立即发生相应的变化的频率立即发生相应的变化, ,最终使最终使VCOVCO输出频率输出

53、频率c= =i。(3)(3)滤波特性。锁相环通过环路滤波器的作用滤波特性。锁相环通过环路滤波器的作用, ,具有窄带滤波具有窄带滤波特性特性, ,能够将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除。能够将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除。 (4)(4)易于集成化。组成环路的基本部件都易于采用模拟集成易于集成化。组成环路的基本部件都易于采用模拟集成电路。环路实现数字化后电路。环路实现数字化后, ,更易于采用数字集成电路。更易于采用数字集成电路。 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: :高频电子线路高频电子线路n模拟环（模拟环（APLLAPLL）n通用型：通用型：VCOVCO，PDPD

54、，（，（+ +放大器）放大器）n专用型专用型n具有解调功能具有解调功能n数字环（数字环（DPLLDPLL）n通用型：通用型：VCOVCO，PDPD，（，（+ +分频器）分频器）n专用型专用型n用于频率合成器用于频率合成器n模拟环模拟环n双极型：双极型：0-50MHz0-50MHzn数字环数字环n双极型：双极型：0-250MHz0-250MHznCMOSCMOS：0-25MHz0-25MHz7.3.4 集集 成成 锁锁 相相 环环 芯芯 片片一、集成锁相环的分类一、集成锁相环的分类集成锁相环按其工作频率可分为：集成锁相环按其工作频率可分为：低频（低频（1MHz1MHz以下）、高频（以下）、高频（

55、1-30MHz1-30MHz）和超高频（）和超高频（30MHz30MHz以上）以上）几种通用的集成锁相环几种通用的集成锁相环 L565L565（低频）、（低频）、L562L562（高频）和（高频）和L564L564（超高频）（超高频）高频电子线路高频电子线路n工作频率可达工作频率可达30MHz30MHz；VCOVCO采用射极耦合多谐振荡器采用射极耦合多谐振荡器nA A2 2解调放大器解调放大器7.3.4 集集 成成 锁锁 相相 环环 芯芯 片片二、二、L562L562高频电子线路高频电子线路n工作频率达到工作频率达到50MHz50MHzn更适于作调频信号和移频键控信号解调器的通用器件更适于作调

56、频信号和移频键控信号解调器的通用器件NE564NE5647.3.4 集集 成成 锁锁 相相 环环 芯芯 片片高频电子线路高频电子线路n工作频率可达工作频率可达500KHz500KHznVCOVCO采用积分施密特触发型多谐振荡器采用积分施密特触发型多谐振荡器nR,CR,C为定时电阻和定时电容为定时电阻和定时电容SL565SL565集成锁相环集成锁相环7.3.4 集集 成成 锁锁 相相 环环 芯芯 片片高频电子线路高频电子线路 7.3.5 锁相环的典型应用锁相环的典型应用1 1、锁相倍频、锁相倍频( (补充补充) ) 在在锁相环路的反馈通道中插入分频器就可构成锁锁相环路的反馈通道中插入分频器就可构

57、成锁相倍频电路相倍频电路。如下图所示：。如下图所示： i(t) PD PD LF LFVCOvi(t)vo(t)o(t)o(t)/NN 当环路锁定时，鉴相器两输入信号频率相等。当环路锁定时，鉴相器两输入信号频率相等。即有：即有：iiNN 00式中式中N N为分频器的倍频比。为分频器的倍频比。 高频电子线路高频电子线路 7.3.5 锁相环的典型应用锁相环的典型应用锁相倍频的优点锁相倍频的优点( (补充补充) )： 锁相倍频具有良好的窄带滤波特性，容易得到高锁相倍频具有良好的窄带滤波特性，容易得到高纯度的频率输出；而在普通倍频器的输出中，经常纯度的频率输出；而在普通倍频器的输出中，经常出现谐波干扰

58、。出现谐波干扰。锁相环路具有良好的跟踪特性和滤波特性，锁相锁相环路具有良好的跟踪特性和滤波特性，锁相倍频器特别适用于输入信号频率在较大范围内漂移，倍频器特别适用于输入信号频率在较大范围内漂移，并同时伴有噪声的情况，这样的环路兼有倍频和跟并同时伴有噪声的情况，这样的环路兼有倍频和跟踪滤波的双重作用。踪滤波的双重作用。高频电子线路高频电子线路应用之四：应用之四：彩色电视色副载波的提取彩色电视色副载波的提取n原理框图工作原理在彩色电视中，为了重现彩色，接收端必须要有与发送端完全相同的色副载波。而其中的色同步信号是其产生的基准。图中利用锁相环使VCO产生的色副载波，根据锁相环的工作特点，该信号的频率和

59、相位受输入端色同步信号的控制。高频电子线路高频电子线路 2 2、锁相分频（、锁相分频（补充补充）：）： 在锁相环路中插入倍频器就可构成锁相分频电路。在锁相环路中插入倍频器就可构成锁相分频电路。如下图所示：如下图所示： i(t) PD PD LF LFVCOvi(t)vo(t)o(t)No(t)N 当环路锁定时：当环路锁定时： NNiooi 式中式中N N为倍频器的倍频次数。为倍频器的倍频次数。 7.3.5 锁相环的典型应用锁相环的典型应用高频电子线路高频电子线路3 3、锁相混频器（、锁相混频器（补充补充） 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 L ，在，在L L o o时混时混频

60、器的输出频率为（频器的输出频率为（L L-o o），经差频放大器后加），经差频放大器后加到鉴相器上。到鉴相器上。 当环路锁定时当环路锁定时 )()(iLooLi-=o(t)i(t)L(t) PDPD LF LFVCOvi(t)vo(t)|L(t)-o(t)| 混频器混频器差频放大差频放大高频电子线路高频电子线路 7.3.5 锁相环的典型应用锁相环的典型应用例：现有两个频率分别为例：现有两个频率分别为10MHZ10MHZ和和1000HZ 1000HZ 的标准信号，的标准信号， 需要得到一个频率为需要得到一个频率为10.001MHZ10.001MHZ的信号。如何实现？的信号。如何实现？解：这个问题