高频电子线路阳昌汉版第8章_反馈控制电路

1、 概述概述 锁相环路基本原理及应用锁相环路基本原理及应用 频率合成器频率合成器 自动频率控制电路自动频率控制电路 自动增益控制电路自动增益控制电路1 反馈控制电路简介反馈控制电路简介 在无线电技术中，为了改善电子设备的性能，广泛采用各种的在无线电技术中，为了改善电子设备的性能，广泛采用各种的反馈控制电路。常用的有自动相位控制（反馈控制电路。常用的有自动相位控制（APC）电路，也称为锁）电路，也称为锁相环路（相环路（PLL-Phase Locked Loop），自动增益控（），自动增益控（AGC）电路以）电路以及自动频率控制（及自动频率控制（AFC）电路。）电路。 它们所起的作用不同，电路构成也

2、不同，但它们同属于反馈控它们所起的作用不同，电路构成也不同，但它们同属于反馈控制系统，其基本工作原理和分析方法是类似的。制系统，其基本工作原理和分析方法是类似的。点击此处结束放映点击此处结束放映 8.1 8.1 概概 述述 1. 自动增益控制电路（自动增益控制电路（AGC） 自动增益控制电路是某些电子设备特别是接收设备的重自动增益控制电路是某些电子设备特别是接收设备的重要辅助电路之一，其主要作用是使设备的输出电平保持一定要辅助电路之一，其主要作用是使设备的输出电平保持一定的数值。所以也叫自动电平控制（的数值。所以也叫自动电平控制（ALC）电路。）电路。 自动增益控制电路是一种反馈控制电路，当输

3、入信号电平变自动增益控制电路是一种反馈控制电路，当输入信号电平变化时，用改变增益的方法，维持输出信号电平基本不变的一化时，用改变增益的方法，维持输出信号电平基本不变的一种反馈控制系统。种反馈控制系统。 点击此处结束放映点击此处结束放映 AGC电路接收方框图如电路接收方框图如图图8.1所示。所示。点击此处结束放映点击此处结束放映图8.1 AGC电路的接收方框图 工作原理工作原理: 它的工作过程是输入信号经放大、变频、再放大后，到中频它的工作过程是输入信号经放大、变频、再放大后，到中频输出信号，然后把此输出电压经检波和滤波，产生控制电压输出信号，然后把此输出电压经检波和滤波，产生控制电压 ，反馈回

4、到中频、高频放大器，对他们的增益进行控制。所以反馈回到中频、高频放大器，对他们的增益进行控制。所以这种增益的自动调整主要由两步来完成：第一，产生一个随这种增益的自动调整主要由两步来完成：第一，产生一个随输入信号而变化的直流控制电压输入信号而变化的直流控制电压 (叫叫AGC电压电压)；第二，利用；第二，利用AGC电压去控制某些部件的增益电压去控制某些部件的增益, 使接收机的总增益按照一定使接收机的总增益按照一定规律而变化。规律而变化。 点击此处结束放映点击此处结束放映点击此处结束放映点击此处结束放映 产生控制信号的简单的产生控制信号的简单的AGC电路如图电路如图8.2所示。所示。 图图8.2 简

5、单的简单的AGC电路电路 工作原理：工作原理：图图8.2是简单是简单AGC电路电路, 这是一种常用的电路。这是一种常用的电路。 是中频放大是中频放大管，中频输出信号经检波后，除了得到音频信号外，还有一个平管，中频输出信号经检波后，除了得到音频信号外，还有一个平均分量（直流），它的大小和中频输出载波幅度成正比，经滤波均分量（直流），它的大小和中频输出载波幅度成正比，经滤波器器 ，把检波后的音频分量滤掉，使控制电压不受音频电压的影，把检波后的音频分量滤掉，使控制电压不受音频电压的影响，然后把此电压（响，然后把此电压（AGC控制电压）加到的基极，对放大器进行控制电压）加到的基极，对放大器进行增益控制

6、。增益控制。点击此处结束放映点击此处结束放映2.自动频率控制（自动频率控制（AFC）电路）电路 AFC电路也是一种反馈控制电路。他控制的对象是信号的频电路也是一种反馈控制电路。他控制的对象是信号的频率，其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。例如，在调频发率，其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。例如，在调频发射机中如果振荡频率漂移，则利用射机中如果振荡频率漂移，则利用AFC反馈控制作用，可以适当反馈控制作用，可以适当减少频率变化，可以提高频率稳定度。又如在超外差接收机中，减少频率变化，可以提高频率稳定度。又如在超外差接收机中，依靠依靠AFC系统的反馈调整作用，可以自动控制本振频率，使其与系统的

7、反馈调整作用，可以自动控制本振频率，使其与外来信号频率之差值维持在接近中频得数值。外来信号频率之差值维持在接近中频得数值。点击此处结束放映点击此处结束放映2.自动频率控制（自动频率控制（AFC）电路）电路 AFC电路也是一种反馈控制电路。他控制的对象是信号的电路也是一种反馈控制电路。他控制的对象是信号的频率，其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。例如，在频率，其主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。例如，在调频发射机中如果振荡频率漂移，则利用调频发射机中如果振荡频率漂移，则利用AFC反馈控制作用，反馈控制作用，可以适当减少频率变化，可以提高频率稳定度。又如在超外可以适当减少频率变化，可以提高频率

8、稳定度。又如在超外差接收机中，依靠差接收机中，依靠AFC系统的反馈调整作用，可以自动控制本系统的反馈调整作用，可以自动控制本振频率，使其与外来信号频率之差值维持在接近中频得数值。振频率，使其与外来信号频率之差值维持在接近中频得数值。 点击此处结束放映点击此处结束放映点击此处结束放映点击此处结束放映自动频率控制自动频率控制(AFC)的原理框图的原理框图 图图8.3 AFC的原理方框图的原理方框图工作原理工作原理: 图8.3是AFC的原理框图。被稳定的振荡器频率f0 与标准频率fr 在频率比较器中进行比较。当f0 = fr时，频率比较器无输出，控制元件不受影响；当 f0 fr时，频率比较器有误差电

9、压输出，该电压大小与| f0 - fr | 成正比。此时，控制元件的参数即受到控制而发生变化，从而使 发生变化，直到使频率误差 减小到某一定值f ，自动频率微调过程停止，被稳定的振荡器就稳定在 f0 = f0 f 的频率上。点击此处结束放映点击此处结束放映 AFC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,由由于它的基本原理利用频率误差电压去消除频率误差于它的基本原理利用频率误差电压去消除频率误差,这样这样,当电路达到平衡时当电路达到平衡时,必然有剩余的频率误差存在必然有剩余的频率误差存在,无法达到无法达到现代通信中对高精度频率同步现代通信中对高精度频率同

10、步(频差为频差为0)和相位跟踪的广和相位跟踪的广泛要求泛要求.要实现频率和相位的跟踪要实现频率和相位的跟踪,必须采用自动相位控制必须采用自动相位控制电路电路,即锁相环即锁相环(PLL: Prase Locked Loop)点击此处结束放映点击此处结束放映 锁相环路是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号锁相环路是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目的。以达到与参考信号同频的目的。 点击此处结束放映点击此处结束放映参考参考信号信号输出信号输出信

11、号图8.4 锁相环系统框图鉴相器环路滤波器压控振荡器8.2 锁相环路基本原理及应用锁相环路基本原理及应用 1. 锁相环技术基础锁相环技术基础 在在通信系统中，产生可变的本振信号（通信系统中，产生可变的本振信号（LO:local oscillator）或电路时钟的）或电路时钟的方法有倍频方法有倍频/混频、直接数字频率合成（混频、直接数字频率合成（DDS:Direct Digital Synthesis）和锁）和锁相环技术（相环技术（PLL）。其中，倍频）。其中，倍频/混频方法杂散较大，谐波难以抑制，混频方法杂散较大，谐波难以抑制，DDS器件工作频率较低且功耗较大，而器件工作频率较低且功耗较大，而

12、PLL技术相对来说具有应用方便灵活与技术相对来说具有应用方便灵活与频率范围宽等优点，是现阶段主流的频率合成技术。频率范围宽等优点，是现阶段主流的频率合成技术。 目前，目前，PLL半导体芯片的供应商主要包括模拟器件公司（半导体芯片的供应商主要包括模拟器件公司（ADI）、美国）、美国国家半导体公司（国家半导体公司（NS）和德州仪器（）和德州仪器（TI）等，市场上的主要型号包括）等，市场上的主要型号包括ADF4111(ADI)、LMX2346(NS)和和TRF3750(TI)。点击此处结束放映点击此处结束放映点击此处结束放映点击此处结束放映 在锁相频率合成器中，锁相环路具有稳频作用，能够完成频率的加

13、、减、乘、除等运算，可以作为频率的加减器、倍频器、分频器等使用。 锁相环路应用锁相接收机微波锁相振荡源锁相调频器锁相鉴频器定时提取（滤波）锁相频率合成器点击此处结束放映点击此处结束放映锁相环的基本原理锁相环的基本原理 锁相环是一个相位负反馈控制系统。它由鉴相器(Phase Detector,缩写为PD)、环路滤波器(Loop Filter,缩写为LF)和电压控制振荡器(Voltage Controlled Oscillator,缩写为VCO)三个基本部件组成,如图所示。图8.5 锁相环的基本构成参 考 信 号PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)输 出 信 号点击此处结束放映点

14、击此处结束放映 设参考信号为( )sin( )rrrru tUtt若参考信号是未调载波时,则r(t)=r=常数。设输出信号为( )cos( )oooou tUtt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00( )( )erdtdtdtdt（1） （2） （3） （4） 点击此处结束放映点击此处结束放映锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即( )lim0etdtdt（5） 此时,输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率0(控制电压uc(t)=0时的频率),其偏移量由式(4)和(5)得到为 00( )r

15、dtdt (6) 这时输出信号的工作频率已变为0000( )( )rdtdttdtdt(7)点击此处结束放映点击此处结束放映 1.鉴相器鉴相器(Phase Detector,PD) 鉴相器（PD）又称为相位比较器,它是用来比较两个输入信号之间的相位差e(t)。鉴相器输出的误差信号ud(t)是相差e(t)的函数,即基本环路方程图8.6 乘法器作为鉴相器是正弦鉴相器模型ui(t)uo(t)LPFud(t)点击此处结束放映点击此处结束放映图8.7 线性鉴相器的频域数学模型1(t)2(t)e(t)Udsin()Udsine(t)点击此处结束放映点击此处结束放映 若以压控振荡器的载波相位0t作为参考,将

16、输出信号uo(t)与参考信号ur uo(t)=Uocos0t+2(t) (8) ur(t)=Ursinrt+r(t)=Ursin0t+1(t) (9) 式中，2(t)=0(t), 1(t)=(r-0)t+r(t)=0t+r(t) (10)将uo(t)与ur(t)相乘,滤除20分量,可得ud(t)=Udsin1(t)-2(t)=Udsine(t) (11)点击此处结束放映点击此处结束放映图8.8 正弦鉴相器的鉴相特性 2 2 3220322e(t)Ud(t)点击此处结束放映点击此处结束放映 说明：说明：在上面的推导中，将两个输入信号分别表示在上面的推导中，将两个输入信号分别表示为正弦和余弦形式，

17、目的是得到正弦鉴相特性。实际上为正弦和余弦形式，目的是得到正弦鉴相特性。实际上两者同时都用正弦或余弦表示也可以，只不过得到的将两者同时都用正弦或余弦表示也可以，只不过得到的将是余弦鉴相特性。而环路的稳定工作区不管是正弦还是是余弦鉴相特性。而环路的稳定工作区不管是正弦还是余弦特性，总是处于特性的线性区域内，显然是用正弦余弦特性，总是处于特性的线性区域内，显然是用正弦特性（线性区在坐标原点左右对称）比较方便。特性（线性区在坐标原点左右对称）比较方便。点击此处结束放映点击此处结束放映 (a)时域模型 (b)频域模型 图8.9 环路滤波器的模型F(p)uc(t)ud(t)(a)F(s)uc(s)ud(

18、s)(b)2.环路滤波器环路滤波器(Loop Filter,缩写为缩写为LF)点击此处结束放映点击此处结束放映 环路滤波器(LF)是一个线性低通滤波器,用来滤除误差电压ud(t)中的高频分量和噪声,更重要的是它对环路参数调整起到决定性的作用。 1)RC积分滤波器 这是最简单的低通滤波器,电路如图所示,其传递函数为1( )1( )( )1sdUsF sUss(12) 点击此处结束放映点击此处结束放映 (a)组成 (b)频率特性图8.10 RC积分滤波器的组成与频率特性 20 lg|F(j)/dB03(对数刻度)()045906 dB/倍频程udRCuc(a)(b)/1/点击此处结束放映点击此处结

19、束放映 2)无源比例积分滤波器 无源比例积分滤波器如图(a)所示。与RC积分滤波器相比,它附加了一个与电容C串联的电阻R2,这样就增加了一个可调参数。它的传递函数为21( )1( )( )1cdUssF sUss(13) 点击此处结束放映点击此处结束放映 (a)组成; (b)频率特性图8.11 无源比例积分滤波器 20 lg|F(j)/dB03(对数刻度)()04590udR1Cuc(a)(b)R21211220 lg/1/1/点击此处结束点击此处结束放映放映 3) 有源比例积分滤波器 有源比例积分滤波器由运算放大器组成,电路如图(a)所示。当运算放大器开环电压增益A为有限值时,它的传递函数为

20、21( )1( )( )1cdUssF sAUss (14) 式中，1=(R1+AR1+R2)C;2=R2C。若A很高,则221121221111( )1()111sR CsR CF sAAs ARRR CsARCsR CssRCs (15) 点击此处结束放映点击此处结束放映图8.12 有源比例积分滤波器 (a)电路; (b)频率特性CR1uducR220 lg| F(j)/dB0(对数刻度)()0 45(b)1220 lg20 lg212 90 6 dB/倍 频 程(a)/(对数刻度)1/点击此处结束放映点击此处结束放映 3. 压控振荡器压控振荡器(Voltage Controlled Os

21、cillator,缩写为缩写为VCO) 压控振荡器(VCO)是一个电压-频率变换器,在环路中作为被控振荡器,它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)线性地变化,即 式中，v(t)是VCO的瞬时角频率,Kd是线性特性斜率,表示单位控制电压,可使VCO角频率变化的数值。因此又称为VCO的控制灵敏度或增益系数,单位为rad/Vs。在锁相环路中,VCO的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位,即 00( )( )vctk u t（16） 点击此处结束放映点击此处结束放映0000200( )( )( )( )ttvctct dttkudtkud（17） （18） 可知以0t为参考的输出瞬时相位

22、为 由此可见,VCO在锁相环中起了一次积分作用,因此也称它为环路中的固有积分环节。式(18)就是压控振荡器相位控制特性的数学模型,若对式(18)进行拉氏变换,可得到在复频域的表示式为2002( )( )( )ccUsksksUss（19） （20） VCO的传递函数为 点击此处结束放映点击此处结束放映图8.13 VCO的复频域模型 pK0uc(t)2(t)(a)sK0uc(s)2(s)(b)点击此处结束放映点击此处结束放映 4. 环路相位模型和基本方程环路相位模型和基本方程 复时域分析时可用一个传输算子F(p)来表示,其中p(d/dt)是微分算子。由图,我们可以得出锁相环路的基本方程1202(

23、 )( )( )( )sin( ) ( )edetttKtUt F pp(21) (22) 图8.14 锁相环路的相位模型 1(t)e(t)Udsinud(t)F(p)uc(t)pK02(t)点击此处结束放映点击此处结束放映 将式(22)代入式(21)得10( )( )sin( ) ( )edeptptK Ut F p（23） 设环路输入一个频率r和相位r均为常数的信号,即00( )sinsin()rrrrrrru tUtUtt 式中，0是控制电压uc(t)=0时VCO的固有振荡频率;r是参考输入信号的初相位。 令 10100( )()( )rrrttpt （24） 则 点击此处结束放映点击此

24、处结束放映将式(24)代入式(23)可得固定频率输入时的环路基本方程:00( )sin( ) ( )edeptK Ut F p （25） 右边第二项是闭环后VCO受控制电压uc(t)作用引起振荡频率v相对于固有振荡频率0的频差(v-0),称为控制频差。由式(25)可见,在闭环之后的任何时刻存在如下关系: 瞬时频差=固有频差-控制频差 000()()()vrvrv （26） 点击此处结束放映点击此处结束放映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 当在环路的作用下,调整控制频差等于固有频差时,瞬时相差e(t)趋向于一个固定值,并一直保持下去,即满足lim( )0etpt（2

25、7） 锁定时的环路方程为00sin( ) ( 0)( )arcsin( 0)odeeodK UF jK U F j （28） （29） 从中解得稳态相差点击此处结束放映点击此处结束放映 锁定正是在由稳态相差e()产生的直流控制电压作用下,强制使VCO的振荡角频率v相对于0偏移了0而与参考角频率r相等的结果。即0000sin( ) ( 0)vderK UF j（30） 点击此处结束放映点击此处结束放映 2. 跟踪过程 当v大得足以补偿固有频差0时,环路维持锁定,因而有 如果继续增大0,使0K0UdF(j0),则环路失锁(vr)。因此,我们把环路能够继续维持锁定状态的最大固有频差定义为环路的同步带

26、:000 max0sin( ) ( 0)( 0)vdedK UF jK U F j 0max0( 0)HdK U F j （31） 点击此处结束放映点击此处结束放映 3.失锁状态 失锁状态就是瞬时频差(r-v)总不为零的状态。这时,鉴相器输出电压ud(t)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环路滤波器的作用使VCO的平均频率v偏离0向r靠拢,这就是环路的频率牵引效应。 点击此处结束放映点击此处结束放映 4. 捕获过程 开机时,鉴相器输入端两信号之间存在着起始频差(即固有频差)0,其相位差0t。因此,鉴相器输出的是一个角频率等于频差0的差拍信号,即0( )sin()ddu tUt（32） 若0很大,ud(t)差拍信号的拍频很高,易受环路滤波器抑制,这样加到VCO输入端的控制电压uc(t)很小,控制频差建立不起来,ud(t)仍是一个上下接近对称的稳定差拍波,环路不能入锁。 点击此处结束放映点击此处结束放映图8.15 频率捕获锁定示意图ud(t) Ud0 Udtr(t)r00TfTt点击此处结束放映点击此处结束放映 环路能否发生捕获是与固有