高频离子线路

1、高频离子线路第1页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四主要内容反馈控制电路概述锁相环路性能分析集成锁相环及其应用2第2页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四6.1 反馈控制电路概述 Feedback Control CircuitXo与Xi之间只能无限接近，而不能恢复到预定的关系，它是一种有误差的控制电路。3第3页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四分类：ALCAutomatic Level Control Voltage, CurrentAGCAutomatic Gain ControlVoltage, CurrentAFCAuto

2、matic Frequency ControlFrequencyAPCAutomatic Phase Control ( Phase Lock Loop ) Phase4第4页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四6.1.1 自动电平控制电路工作原理5第5页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四应用1：自动增益控制（AGC）AGC检波器输出反映输入载波电压振幅的直流电压包络检波器输出反映包络变化的解调电压6第6页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四控制规律：7第7页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四应用2；已调波功率

3、放大器8第8页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四6.1.2 自动频率控制电路一、工作原理：9第9页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四压控特性和鉴频特性锁定后的误差频率称为剩余角频率误差，简称为剩余角频差。 e10第10页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四修正后的原理电路及特性：限幅鉴频器和放大器：频率比较器将误差频率e转换为误差电压vcVCO和混频器：可控频率电路实现vc与e之间的转换11第11页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四失锁与捕捉12第12页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四

4、二、应用1.自动频率微调电路13第13页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四2.调频负反馈解调器优点：解调门限值（Noise Threshold)低。输入端的信噪比高于解调门限值时，调频波解调电路解调后的输出信噪比会提高；反之，信噪比下降。为了保证有较高的输出信噪比，输入信噪比必须高于解调门限值。14第14页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四3.线性扫频电路扫频信号振荡器是一种产生扫频信号（调制信号微锯齿波的调频信号)的电路，用途：广泛用于测量仪器和搜索接收机中，15第15页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四6.1.3 自动相位控

5、制电路（锁相环路）控制原理：利用输入信号电压的角频率和VCO震荡角频率之间的瞬时相位误差实现的。16第16页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四锁相环路的控制过程17第17页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四6.2 锁相环路性能分析6.2.1 基本环路方程一、鉴相器：作用：检测出两个输入电压之间的瞬时相位差，并产生响应的输出电压vd(t)18第18页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四实现电路：采用相乘器的乘积型鉴相器，采用包络检波器的叠加型鉴相器。电路模型：19第19页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四二、压

6、控振荡器（VCO)作用：产生频率随控制电压变化的震荡电压.20第20页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四三、环路低通滤波器作用：虑除鉴相器输出电流中的无用组合频率分量及其它干扰分量，以达到环路要求的性能，保证环路的稳定性常用的低通滤波器有：简单RC滤波器、无源比例积分滤波器、有源比例积分滤波器21第21页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四LF基本电路与传递函数22第22页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四环路滤波器电路模型 23第23页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四四、基本环路方程Adsin AF(p)

7、Ao(1/p)24第24页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四环路方程：环路方程表示环路中动态角频率的平衡关系，即闭环环路在任何时刻都满足瞬时频差=输入固有频差-控制频差在闭环后的任何时刻，输入固有频差总是等于瞬时频差与控制频差的代数和输入固有频差=瞬时频差+控制频差如果输入固有频差是固定的（例如参考信号源为稳定度很高的晶振），随着环路的控制过程，控制频差越来越大，瞬时频差越来越小，直至瞬时频差为0，进入锁定状态在锁定状态，瞬时频差为0（瞬时相差是常数），所以控制频差等于输入固有频差25第25页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四对环路方程各项的理解第一

8、项是瞬时相位误差对时间的微分，由于是输入信号与压控振荡器输出信号的瞬时相差，所以其微分应为输入信号与压控振荡器输出信号的瞬时角频差第二项是压控振荡器在VCO控制电压的作用下，所产生的角频率变化量，所以一般称为控制频差第三项是输入信号和压控振荡器输出信号中心角频率之差，它取决于环路开始工作时的状态，称为输入固有频差26第26页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四PLL锁定时的静态特性瞬时频差为零: e=i-o=0振荡器输出频率等于输入参考信号频率误差相位是一个常数称之为稳态相位误差：e正是这个常数误差相位产生的直流控制电压vp控制VCO的振荡频率o，使之和输入参考信号频率i相

9、等27第27页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四环路是锁定的，假定存在某种原因使得输入信号的频率有极为缓慢的漂移，但环路通过跟踪过程将保持锁定，即VCO的输出频率跟踪输入频率的缓慢变化，使得两个频率保持相同如果输入信号频率的变化使得输入固有频差超过某一极限时，环路将失锁，这个极限范围被称为是同步带 同步带表示环路保持锁定所允许的输入信号频率变化的最大范围 如果环路直流增益很大，同步带将受到VCO的振荡频率范围限制同步带或跟踪带（Tracking Range,Hold In Range)28第28页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四一、同步带和捕捉带同

10、步带环路在锁定状态下，压控振荡器能够跟踪输入信号频率缓慢变化的最大范围频率超出这个范围，环路失锁同步带是PLL保持锁定所能达到的最大频差捕捉带环路起始处于失锁状态，如果起始频差在某一个范围内，则必可以最终进入锁定状态，如果超出这个范围，则环路不可能进入锁定状态，这个范围被称为是捕捉带捕捉带是PLL能够进入锁定的最大起始频差从失锁到锁定这个捕获过程中，如果相差的变化不超过2，那么称为快捕，使得相差变化不超过2的最大起始频差，称为快捕带29第29页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四6.2.2 捕捉过程的定性讨论锁定的建立过程：当环路未加输入信号时，VCO上没有控制电压，其震荡

11、频率为r:锁相环路有两个基本工作状态：捕获和锁定由于锁定时，相位误差较小，锁相环可以用线性系统模型来分析；但捕获过程需要非线性分析30第30页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四31第31页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四起始频差很小：快捕带之内鉴相器输出差拍信号频率很低，经过环路滤波器后，控制电压vp(t)仍然是差拍正弦波信号，其幅度衰减不算很大，由于VCO的频率按照控制电压vp(t)的规律变化，只要控制电压vp(t)的幅度足够大，VCO输出频率摆动也大，在正弦波摆动的一周之内，使得输出频率等于输入频率，环路即可锁定32第32页，共78页，2022

12、年，5月20日，18点33分，星期四快捕带近似计算公式RC积分滤波器无源比例积分滤波器理想积分滤波器33第33页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四起始频差较大：捕捉带之内如果起始频差在快捕带之外，环路滤波器对鉴相器输出的差拍正弦信号的衰减较大，使得VCO产生的控制频差的幅度小于初始频差，因此不能在一周内快捕对于一阶环而言，如果初始频差大于快捕带，虽然鉴相器输出有直流分量，但频率牵引不足以让环路锁定对于二阶环而言，低通滤波器相当于积分器，它将鉴相器输出中的直流分量积分，使得环路滤波器输出的控制电压幅度越来越大，平均频差越来越小，VCO输出频率越来越接近于输入频率，一旦频差减

13、小到小于快捕带，则在一个周期内通过快捕过程，环路达到锁定理想积分环路滤波器二阶环的捕捉带为无穷大，频率牵引时间可能很大非理想积分滤波器的捕捉带是有限的，频率牵引时间有限由于频率牵引时间较大，以频率牵引时间作为二阶环的捕捉时间34第34页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四捕捉过程捕捉过程分为两个阶段：一是频率牵引，二是相位锁定Vd(t)是个差拍信号：随着频率牵引过程，差拍频率越来越小，最终进入相位锁定过程35第35页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四起始频差超出捕捉带：失锁状态由于存在闭环反馈，使得鉴相器的输出信号是非正弦波形，且正负值部分不对称，因此

14、存在着直流分量，使得压控振荡器的平均振荡频率向输入信号频率方向靠近，这种现象就是所谓的频率牵引现象36第36页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四频率牵引如果起始频差小于KP，必然被锁定，从而没有频差如果起始频差大于KP，虽然失锁，但由于频率牵引，使得VCO输出频率（平均值）和输入信号的频率接近了，频差减小37第37页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四加速捕捉的措施扩大环路带宽环路带宽可变，宽带捕捉，窄带锁定减小频差外加扫描电压，当频差较小时，扫描停止，环路快捕外加粗调电压，使VCO的频率事先向输入频率方向变化数字控制环中，可将频率电压关系制表存于RO

15、M中，用于预调VCO振荡频率采用鉴频鉴相器替代鉴相器当VCO的频率和输入频率相差较大时，鉴频功能在反馈环中起主要作用，相当于AFC环，AFC的频率误差电压迅速驱动VCO的频率接近输入信号频率，当频差减小到足够小时，鉴相功能起作用，迅速实现相位锁定采用鉴频鉴相器，环路捕捉时间可近似为快捕时间实际制作锁相环时，一般都采用一些措施加速捕捉38第38页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四6.2.3 跟踪特性处于锁定状态的环路，如果输入信号频率和相位发生变化，环路通过自身调节，来维持锁定状态的过程称为跟踪稳态相位误差是环路锁定后的静态特性，而跟踪特性是指环路达到重新锁定所经历的动态过

16、程这个跟踪过程中，假设相位误差很小，因而PLL环路方程可以线性化，因此跟踪特性也是PLL的线性动态特性对于线性系统，描述其输入输出关系的是系统的传递函数已经锁定的环路，当输入信号的频率或相位发生变化时，环路将使压控振荡器的频率和相位跟踪输入信号变化在输入信号发生变化后的一段时间里，环路有一瞬变过程瞬变过程结束后，环路即进入稳定状态。这时，压控振荡器与输入信号有相同的频率和一固定的相差，称为稳态相差 39第39页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四一、 PLL的线性模型与传递函数鉴相器 （PD）环路滤波器 （LF ）压控振荡器 (VCO)方框原理图PDLFVCO相位数学模型（

17、1）线性化相位数学模型40第40页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四VCO线性化相位数学模型(复频域）PDLFVCO相位数学模型（1）线性化相位数学模型（续）正弦鉴相特性可写成线性表示式：当满足 的条件下，41第41页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四（1）线性化相位数学模型（续） 则非线性微分方程变成线性微分方程：复频域方程:正弦鉴相特性可写成线性表示式：当满足 的条件下，42第42页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四（2） 定义PLL的三个传递函数 误差传递函数：该式表示输入信号与压控振荡器输出信号之间的误差相位 与输入信号

18、相位 的关系，称为环路的误差传递函数。 闭环传递函数：该式表示压控振荡器输出信号相位 与输入信号相位 的关系，称其为环路的闭环传递函数。 开环传递函数：43第43页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四二、PLL的跟踪特性：瞬态响应和稳态相差。 这里提出三个问题： 输入信号 的频率或相位发生某种变化： 输入相位阶跃 输入频率阶跃 环路跟踪是一个瞬变过程，如何求解？由 求 利用反拉氏变换求44第44页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四由 求 利用拉氏终值定理求 。 环路跟踪过程结束后，即进入稳定状态。这时，压控振荡器与输入信号有相同的频率和一固定的相差，称

19、为稳态相差。如何求解稳态相差 ？二、PLL的跟踪特性：瞬态响应和稳态相差。（续）45第45页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四简单RC滤波器46第46页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四相位误差信号的瞬态响应：47第47页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四1 .频率特性的含义 当输入信号的相位按正弦规律变化时，PLL的输出信号相位，即压控振荡器振荡信号的相位，也将按正弦规律变化。 相位变化的幅度和初始相位将随频率的不同而不同，称这种性质为环路的频率特性或频率响应。2 .频率特性的求法 利用闭环传递函数 PLL的频率特性可以用 (

20、 ) 代替闭环传递函数中的 s 求得。 求相位传递的幅频特性和相频特性三、正弦稳态响应（PLL的频率特性）48第48页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四三、正弦稳态响应（PLL的频率特性）指输入相位 为正弦信号时环路的输出响应。49第49页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四采用RC滤波器时：50第50页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四51第51页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四6.3 集成锁相环及其应用6.3.1 集成锁相环分类频率范围NE565集成锁相环数字锁相环52第52页，共78页，2022年，5

21、月20日，18点33分，星期四集成锁相环分类/频率范围模拟环（APLL）通用型VCO，PD，（+放大器）专用型具有解调功能数字环（DPLL）通用型VCO，PD，（+分频器）专用型用于频率合成器模拟环双极型：0-50MHz数字环双极型：0-250MHzCMOS：0-25MHz53第53页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四SL565集成锁相环工作频率可达500KHzVCO采用积分施密特触发型多谐振荡器R,C为定时电阻和定时电容54第54页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四L562工作频率可达30MHzVCO采用射极耦合多谐振荡器A2解调放大器55第55页

22、，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四NE564工作频率达到50MHz更适于作调频信号和移频键控信号解调器的通用器件56第56页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四L562内部电路图：57第57页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四6.3.2 锁相环在解调和锁相接收中的应用锁相环路具有许多独特的优点可实现无误差的频率跟踪频率综合器通过对环路滤波器带宽的控制，实现跟踪输入信号载波变化或角度调制变化载波跟踪环-锁相接收机调制跟踪环-高质量频率解调器易于集成化58第58页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四锁相环可以用来构

23、成性能优良的角度调制波和振幅调制波的解调电路1、调频波锁相解调电路 PLL FM Demodulation一、锁相解调电路59第59页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四数学分析：环路捕捉带大于输入调频波的最大频偏，环路的带宽必须大于输入调频波中调制信号的频谱宽度。60第60页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四例图：61第61页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四2.振幅调制信号的同步检波62第62页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四二、锁相接收机63第63页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星

24、期四6.3.3 锁相环在频率合成中的应用一、概述为了实现高质量的无线电通信，减少各种外界因素对传输信号的干扰，近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择和迅速更换的载频振荡信号短波通信：要求通信机能在230MHz频段内，提供以100Hz为间隔的28万个频率点移动通信：要求在150、400、900、1800MHz频率附近提供上百个频率点这些频率点的载波振荡频率稳定度与精度，都应满足系统的性能要求，并能迅速变换显然，晶体振荡器无法满足上述要求频率合成技术是能够实现上述要求的一种新的电路技术64第64页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四频率合成技术通过一定的处理过程，将

25、一个或数个基准频率变换为一系列等间隔的离散频率这些离散频率的频率稳定度和精度与基准频率相同，而且能在很短时间内，可由其中的某一频率点变换到另一频率点频率合成技术：一方面通过很少的频率信号源产生尽可能多的频率，另一方面使产生的每个频率都具有相同的精确度和稳定度频率合成方法大体上可分为三类直接频率合成法锁相频率合成法直接数字频率合成法65第65页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四直接频率合成法 Direct Synthesis利用对频率具有加减功能的混频器，乘除功能的倍频器和分频器，以及具有选频功能的滤波器，通过不同的组合，来实现对晶体振荡基准频率的合成优点：频率转换时间短缺

26、点：离散频率数目不能太多如果太多，则过多的滤波器使得电路十分庞大和复杂由于采用大量的倍频器、分频器、和混频器，使得输出信号中的寄生频率分量和相位噪声显著增加直接频率合成器的发展受到限制，可用锁相环间接实现频率合成66第66页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四锁相频率合成技术用一个或几个参考频率源，然后用锁相环将压控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出输出频率不是由参考源经过变换直接得到，而是由PLL的压控振荡器间接得到锁相环路具有良好的窄带滤波特性，故其输出信号质量得到明显的改善主要优点：系统结构简单；输出频率成分的频谱纯度高；易于

27、得到大量的离散频率；易于集成化主要缺点：频率转换时间长；单环频率合成器的频率间隔不能做得很小锁相频率合成又称间接频率合成 Indirect Synthesis67第67页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四直接数字频率合成Direct Digital SynthesisDDS是近年来发展起来的一种将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域的一项新技术在存储器中存入合成波形的M个均匀间隔的样品，以均匀速率把这些样品输出到DAC，变换成模拟阶梯信号，经低通滤波器平滑，便得到所需波形主要优点：相位连续；分辨力高（可达0.001Hz）；工作频率范围宽，容易做到极低的频率；转换频率的时间短（几乎是即时的频率转换），成本低、控制灵活等主要缺点：输出频率上限不太高，受限于器件可用的最高时钟频率；总输出噪声电平可能很高68第68页，共78页，2022年，5月20日，18点33分，星期四8.2 频率合成器的主要技术指标1. 工作频率范围频率合成器最高与最低输出频率所确定的频率范围，称为频率合成器的工作频率范围2. 频率间隔每个离散频率（或信道）之间的最小间隔称为频