第7章-反馈控制电路

第7章反馈控制电路

主要内容：自动增益控制电路AGC(AutomaticGainControl)自动频率控制电路AFC(AutomaticFrequencyControl

)自动相位控制电路APC(AutomaticPhaseControl)频率合成器

前面各章分别介绍了放大电路、振荡电路、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它电子系统,但是这样组成的系统其性能不一定完善。例如,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强时弱不规则变化,有时还会造成阻塞。又如,在通信系统中,收发两地的载频应保持严格同步,使输出中频稳定,而要做到这一点也比较困难。一、在无线通信中为什么要引入自动控制电路？第7章反馈控制电路二、反馈控制电路的组成及原理概述1、组成：反馈控制器+对象电路的输入量为，输出量为；反馈控制器的输入量为，输出量为第7章反馈控制电路2.控制过程：若

受某种因素的影响而遭到破坏，则反馈控制器就对xo和xi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xe，

xe加到被控制对象上对xo进行调节，使xi

和xo

之间接近到预定的状态（关系），而进入稳定状态。

第7章反馈控制电路

需要比较和调节的参量为电压（电流），相应的xi和xo为电压（电流）。

需要比较和调节的参量为频和为频率。率则相应的需要比较和调节的参量为相位，和为相位。

则相应的①自动增益控制(AutomaticGainControl，简称AGC)②自动频率控制(AutomaticFrequencyControl，简称AFC)③自动相位控制(PhaseLockedLoop，简称PLL或锁相环)三、反馈控制电路的分类：第7章反馈控制电路

在通信、导航、遥测遥控系统中,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,接收机所接收的信号强弱变化范围很大,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,则信号太强时会造成接收机饱和或阻塞,而信号太弱时又可能被丢失。因此,必须采用自动增益控制电路,使接收机的增益随输入信号强弱而变化。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中,自动增益控制电路也有广泛的应用。一、在无线通信中为什么要引入自动增益控制电路？7.1

自动增益馈控制电路

设输入信号振幅为Ux,输出信号振幅为Uy,可控增益放大器增益为Ａg（uc）,即其是控制信号uc的函数,则有：Uy=Ag(uc)Ux(7.1)二、AGC电路组成框图反馈网络7.1

自动增益馈控制电路２.比较过程:在ＡＧＣ电路里,比较参量是信号电压,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）,滤去不需要的较高频率分量,然后进行适当放大后与恒定的参考电平UR比较,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,增益为ｋ1。若Ux减小而使Uy减小时,环路产生的控制信号uc将使增益Ａg增大,从而使Uy趋于增大。若Ux增大而使Uy增大时,环路产生的控制信号uc将使增益Ａg减小,从而使Uy趋于减小。无论何种情况,通过环路不断地循环反馈,都应该使输出信号振幅Uy保持基本不变或仅在较小范围内变化。具有自动增益控制电路的超外差式接收机方框图如图所示:

检波器的输出信号包含有直流分量和低频交流分量，其中直流电平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包络，经RC低通滤波器取出的直流分量经直流放大器放大后就是AGC电压，去控制混频、高频放大器的增益，︱UAGC︱大，说明输入信号强，用︱UAGC︱其控制混频、高频放大器的增益使增益减小；︱UAGC︱小，说明输入信号弱，用︱UAGC︱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。+UAGC三、AGC电压的产生方法：1.两种基本的AGC电压产生电路：①平均值式AGC电压产生电路二极管D、C1、C2、RL1、RL2、Cc、Ri2构成检波器（避免负峰切割）。R2、C3构成低通滤波器取走检波器输出的直流平均分量，得到+UAGC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。7.1

自动增益馈控制电路

平均值无AGC电路有AGC电路7.1

自动增益馈控制电路平均值式AGC电压产生电路的缺点：

一有外来信号，AGC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，这一点对微弱信号的接受尤其不利。为了克服这个缺点，可采用延迟式AGC电路。②延迟式AGC电压产生电路（了解内容）在延迟AGC电路里有一个起控门限,即比较器参考电压Ur,它对应的输入信号振幅Uimin,如右图所示。动态范围7.1

自动增益馈控制电路改变“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8―6延迟AGC电路

可见，只有放大器的输出大于延迟电压后，即输入信号幅度大于门限电压时，AGC检波器才工作。这种ＡＧＣ电路由于需要延迟到Ｕx＞Ｕxmin之后才开始控制作用,故称为延迟ＡＧＣ。“延迟”二字不是指时间上的延迟。7.1

自动增益馈控制电路四、实现AGC的方法(1)改变发射极电流IE

正向AGC

反向AGC(2)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。7.1

自动增益馈控制电路(3)改变放大器的负反馈深度

AGC控制电压既可以从发射极送入，也可以从基极送入，如图2所示。

图2改变的增益控制电路

7.1

自动增益馈控制电路7.1

自动增益馈控制电路２改变放大器负反馈深度实现AGC:

集成电路中常用的发射极负反馈增益控制电路。V1和V2组成差分放大器。信号从V1、V2的两个基极双端输入,从两个集电极双端输出,控制信号uc从V3管基极注入。7.1

自动增益馈控制电路

两个二极管V4

、V5和电阻Ｒe1、Ｒe2构成发射极负反馈,且有Ｒe1＝Ｒe2＝Ｒe,Ｒc1＝Ｒc2＝Ｒc。二极管Ｖ4、Ｖ5导通与否取决于Ｒe1和Ｒe2上的压降。当控制电压uc很小时,ＩC3很小,流经Ｒe1和Ｒe2上的平均电流各为ＩC3／２。如ＩC3Ｒe／２小于二极管导通电压,则二极管Ｖ４、Ｖ５截止,这时差分放大器增益最小,在满足深度负反馈条件时，双端输出增益可写成7.1

自动增益馈控制电路

当控制电压uc逐渐增大,ＩC3增加,使ＩC3Ｒe／２大于二极管导通电压,则Ｖ４、Ｖ５导通,导通电阻rd将随着导通电流ID的增加而减小。如Ｒe取值较大,随着ＩC3的增加,二极管的分流作用越来越大,ｒd越来越小,发射极等效电阻R’e=rd‖Re也越来越小,负反馈作用越来越弱,差分放大器增益越来越大,控制过程为uc↑→IC3↑→ID↑→rd↓→R’e↓→Ag↑。这时的增益表达式为:可见,利用这种电路进行增益控制时,控制电压uc应随着输入信号增大而减小。见教材P276图7.1.5

7.1

自动增益馈控制电路7.2.1自动频率控制电路（AFC）工作原理

自动频率控制电路的控制对象是信号的频率。目的是使输出的振荡频率保持稳定,一般指维持载频的稳定性。图1是自动频率控制电路的原理方框图。7.2

自动频率馈控制电路图1SD：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fo偏离单位fr时的输出电压越大。7.2

自动频率馈控制电路压控振荡器振荡频率不变fo；该框图的自动频率调整过程是：压控振荡器的频率频器无输出，控制电压uc=0

，与标称频率在鉴频器中进行比较。当

时，鉴控制压控振荡器的振荡频率，最终使压控振荡器的频率发生变化；变化的结果使频率误差减小到一定值，自动控制过程即停止，压控振荡器即稳定于的频率上，环路进入锁定状态。锁定状态的称为稳态频率误差（剩余频率误差）。当时，鉴频器就有误差电压uD

输出，这个误差电压uD

正比于频率误差，经过低通滤波器滤除干扰及噪声后，得到控制电压uc

，利用控制电压uc

☆AFC控制电路的缺点：AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。由于它的基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差,所以当电路达到平衡状态之后,必然有剩余频率误差存在,

即频差不可能为零。这是一个不可克服的缺点。7.2

自动频率馈控制电路AFC电路应用较广,择其主要简介如下。１.在调幅接收机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。它是利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要取决于中频放大器的性能,所以，这就要求中频频率稳定要高,为此常采用ＡＦＣ电路。

7.2

自动频率馈控制电路7.2.2AFC电路的应用：7.2

自动频率馈控制电路鉴频器的中心频率是ωIωoωL=ωc+ωI

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在ωL上，从而维持中频放大器的载频ωc的稳定性。晶体振荡器提供标准频率fr，调频振荡器的中心频率为fc；鉴频器的中心频率调在(fr－fc)上。由于fr稳定度很高，当fc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，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。AFC应用—调频发射机7.2

自动频率馈控制电路☆AFC控制电路的缺点：

ＡＦＣ电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。由于它的基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差,所以当电路达到平衡状态之后,必然有剩余频率误差存在,即频差不可能为零。这是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。但它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差,所以当电路达到平衡状态之后,虽然有剩余相位误差存在,但频率误差可以降低到零,从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。而且,锁相环还具有可以不用电感线圈、易于集成化、性能优越等许多优点,因此广泛应用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机等方面。☆PLL(PhaselockedLoop,缩写为PLL）控制电路的优点：7.3

锁相环路PLL一、锁相环的组成部件

PLL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。

三个基本部分构成一个负反馈环。PDLFVCOvr(t)vd(t)vc(t)vo(t)θr(t)θo(t)θe(t)vo(t)PDLFVCO7.3.1锁相环路基本原理(PhaseDetector,缩写为PD)；(LoopFilter,缩写为LF)(VoltageControlledOscillator,缩写为VCO)参考信号或输入信号

设输入信号（参考信号）：若参考信号是未调载波时,则θr(t)=θr=常数。设输出信号为两信号之间的瞬时相差为：由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为：7.3.1锁相环路基本原理锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即

此时,输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率ω0(控制电压uc(t)=0时的频率),其偏移量为：这时输出信号的工作频率已变为:结论：通过PLL的相位跟踪，可实现输出与输入频率同步，频差为0，只有很小的稳态相差。即输出总是跟踪输入的频率。7.3.1锁相环路基本原理1.鉴相器（PD）又称为相位比较器正弦鉴相器模型7.3.2锁相环的数学模型一、基本环路方程功能：用来比较两个输入信号（参考信号ur(t)与uo(t)）之间的相位差θe(t)。目的：输出的误差信号ud(t)是相差θe(t)的函数，即统一规定：以压控振荡器的载波相位ω0t作为参考相位输出信号uo(t)与参考信号ur为：uo(t)=Uocos［ω0t+θ0(t)］

=Uocos［ω0t+θ2(t)］

ur(t)=Ursin［ωrt+θr(t)］=Ursin［ω0t+θ1(t)］

式中，θ2(t)=θ0(t)

θ1(t)=(ωr-ω0)t+θr(t)=Δω0t+θr(t)

滤除2ω0分量,可得ud(t)=Udsin［θ1(t)-θ2(t)］=Udsinθe(t)因为7.3.2锁相环的数学模型线性鉴相器的频域数学模型正弦鉴相器的鉴相特性因此，鉴相器的数学模型和鉴相特性表示如下。7.3.2锁相环的数学模型当满足的条件下，2.环路滤波器

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。它是一种线性系统，其模型如下。环路滤波器的模型

(a)时域模型;(b)频域模型

常用电路有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源积分滤波器7.3.2锁相环的数学模型RC积分滤波器的组成与频率特性（b)频率特性7.3.2锁相环的数学模型

显然，从它的幅频和相频特性看出，它是一个低通网络，且相位滞后。（1）RC积分滤波器这是最简单的低通滤波器,电路如图(a)电路组成②无源比例积分滤波器R1CR2vd（t）vc（t）无源比例积分滤波器其中：

,通常R1>R2③有源比例积分滤波器ud（t）uc（t）有源比例积分滤波器R1R2C-+7.3.2锁相环的数学模型由上式可得环路滤波器的电路模型如右图所示。F(p)其中

为微分算子。

如果将K（s）中的s用微分算子p替代，可写出滤波器的输出电压与输入信号之间的微分方程：7.3.2锁相环的数学模型

3.压控振荡器（VCO）

压控振荡器：是瞬时频率

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。

ωouc(t)ωc其中：

时的固有振荡频率：K0：压控灵敏度

由于VCO的输出反馈到鉴相器，而从锁相环的控制作用来看，VCO对鉴相器起作用的不是其频率而是相位，故对上式积分即可求出相位：上式中：为积分算子

3、压控振荡器（VCO）压控振荡器数学模型如图所示。KO/pF(p)θ1(t)

θe(t)

KO/pθ2(t)二、锁相环路相位模型和基本方程1、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来，即可构成锁相环路相位模型，如下图所示：2、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微分方程：

∴环路的微分方程为：3、环路工作的定性分析由于

∴有：

固有角频差:表示输入信号的角频率ωi偏离压控振荡器的固有角频率ωo的数值。上式左边第一项环路的瞬时角频差。

代入环路的微分方程)t(p)t(sin)p(Fkk)t(p1ed0eqqq=+可得：设输入信号为固定频率的正弦信号（即均为常量）瞬时角频差:表示压控振荡器的角频率ωc偏离输入信号角频率ωi

的数值。3、环路工作的定性分析固有角频差

左边第二项：

设输入信号为固定频率的正弦信号（即均为常量）控制角频差：表示VCO受控制电压uc(t)的作用后输出的瞬时角频率偏离VCO固有振荡频率的数值。结论：闭合环路中任何时刻满足：

瞬时频差+控制频差=固有频差。上式左边第一项环路的瞬时角频差。

控制角频差瞬时角频差固有角频差控制角频差3、环路工作的定性分析结论：闭合环路中任何时刻满足：

瞬时频差+控制频差=固有频差。瞬时角频差固有角频差控制角频差三、锁相环路的工作原理

设压控振荡器的固有振荡频率为,而当环路闭合瞬间，外输入信号角频率与即不相同也不相干。①失锁状态如果环路固有角频差>环路低通滤波器的通频带则差拍电压将被滤除，而不能形成控制电压

因为闭合瞬间控制电压uc=0,故压控振荡器输出角频率即：环路的瞬时频差=固有频差，VCO的输出频率ωc=ωo≠ωi,输出频率无法与输入频率同步，环路此时处于失锁状态。则

②锁定状态如果十分接近，即固有频差，则差拍电压

不会被环路滤波器滤除而形成控制电压，去控制压控振荡器，VCO产生中心频率为的调频信号，频率为ωc三、锁相环路的工作原理体会1：因为固有角频差△ωo不变，在控制电压uc(t)的控制下，VCO的角频率ωc逐步向输入角频率ωi靠近，导致瞬时角频差△ωe减小，则控制角频差△ωc增大，直至VCO的角频率ωc等于输入角频率ωi，即瞬时角频差△ωe=0，此时控制角频差达到最大△ωcmax=△ωo固有角频差。环路进入锁定状态。三、锁相环路的工作原理②锁定状态体会2：当环路进入锁定状态时瞬时角频差△ωe=0，而dφe/dt=△ωe,则可以判定瞬时相位差φe为固定值，称之为剩余相位误差或稳态相位误差φe∞，在这个稳态相位误差φe∞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VCO的输出频率ωc=输入角频率ωi，将环路锁定在这个状态。如此稳态的循环下去。四、环路进入锁定状态的特点（补充）1.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ωo变为：ωc(t)=ωo+kokdF(p)sinθe∞=ωo+△ωo=ωi

即：压控振荡器输出信号的角频率能跟踪输入信号角频率ωi。2.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θe∞3.环路处于锁定时，鉴相器输出电压为直流，即ue(t)=kdsinθe∞4.环路处于锁定时，剩余相位差可由公式

kokdF(p)sinθe∞=△ωo求得，Kpkd=kokd叫环路的直流增益，通常称为环路增益，单位为rad/s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.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“捕捉过程”。2.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时，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”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，常用△ωH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，常用△ωP表示。见教材P285-286(1)环路锁定后,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。(2)跟踪特性。环路锁定后,当输入信号频率ωi稍有变化时,VCO的频率立即发生相应的变化,最终使VCO输出频率ωc=ωi。(3)滤波特性。锁相环通过环路滤波器的作用,具有窄带滤波特性,能够将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除。(4)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,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: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：0-25MHz7.3.4集成锁相环芯片一、集成锁相环的分类集成锁相环按其工作频率可分为：低频（1MHz以下）、高频（1-30MHz）和超高频（30MHz以上）几种通用的集成锁相环

→

L565（低频）、L562（高频）和L564（超高频）工作频率可达30MHz；VCO采用射极耦合多谐振荡器A2解调放大器7.3.4集成锁相环芯片二、L562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NE5647.3.4集成锁相环芯片工作频率可达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SL565集成锁相环7.3.4集成锁相环芯片7.3.5锁相环的典型应用1、锁相倍频(补充)

在锁相环路的反馈通道中插入分频器就可构成锁相倍频电路。如下图所示：ωi(t)PDLFVCOvi(t)vo(t)ωo(t)ωo(t)/N当环路锁定时，鉴相器两输入信号频率相等。即有：式中N为分频器的倍频比。7.3.5锁相环的典型应用锁相倍频的优点(补充)：①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，经常出现谐波干扰。②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，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。应用之四：彩色电视色副载波的提取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，该信号的频率和相位受输入端色同步信号的控制。2、锁相分频（补充）：

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：ωi(t)PDLFVCOvi(t)vo(t)ωo(t)Nωo(t)当环路锁定时：式中N为倍频器的倍频次数。7.3.5锁相环的典型应用3、锁相混频器（补充）

设混频器的本振信号频率为ωL

，在ωL>ωo时混频器的输出频率为（ωL-ωo），经差频放大器后加到鉴相器上。当环路锁定时ωo(t)ωi(t)ωL(t)

PDLFVCOvi(t)vo(t)|ωL(t)-ωo(t)|

混频器差频放大7.3.5锁相环的典型应用例：现有两个频率分别为10MHZ和1000HZ的标准信号，需要得到一个频率为10.001MHZ的信号。如何实现？解：这个问题好像采用一般的混频器就可以实现。只要取出其中的和频分量10MHZ+1000HZ=10.001MHZ，滤去其中的差频分量10MHZ=1000HZ=9.999MHZ，但这样对于滤波器的通频带和矩形系数要求较高，特别是通频带的下限截止处的陡峭度要求很高，因此在理论上是很难取得理想的效果。但是若采用锁相混频电路就是切实可行的。将10MHZ的信号作为锁相混频器的fL，而1000HZ的信号送给鉴频器的fi，则fi=fo-fL→fo=fi+fL=10.001MHZ，只要压控振荡器的固有频率fo>fL即可。7.3.5锁相环的典型应用体会：由上述例子可见，因为fL+fi

与fL-fi相距很近，用普通的混频器取出其中任何一个分量都十分困难。而用锁相混频电路却易于实现。特别是当需要fL与

fi在一定范围内变化时，更加显示出锁相混频的优点。即输出信号的频率能跟踪输入信号的频率的变化。因此锁相混频电路在锁相接收机和频率合成中得到广泛应用。4、锁相环调频电路

普通的直接调频电路中，振荡器的中心频率稳定度较差，而锁相调频电路能得到中心频率稳定度很高的调频信号,锁相环调频电路如下图所示。环路滤波器的带宽必须很窄，截至频率应小于调制信号的频率。

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。fi(t)PDLFVCOfΩ(t)调制信号

晶振fo(t)调频波L562构成的调频解调器4、锁相环调频电路

5、锁相解调电路(1)、调频波解调

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4-5dB。锁相环实现调频波解调的原理框图。PDLFVCOuFM(t)调频波uΩ(t)调制信号(2)、AM信号的同步检波

下图是用锁相环实现AM信号同步检波的原理框图。PDLFVCOuAM(t)调幅波uΩ(t)调制信号π/2移项同步检波

当环路工作在载波跟踪状态时，VCO输出频率与环路输入已调信号的载波相同，但存在π/2的固定相移。

因此，经过π/2移项后变成与输入已调信号的载频相同的信号。将它与输入已调信号共同加到同步检波器就能得到解调信号输出。设输入信号为

输入信号中载波分量为Uicosωit,用载波跟踪环提取后输出为uo(t)=Uosin(ωit+θ0),经90°移相后,得到相干载波式中θ0

为稳态相差，通常θ0≈0，将ur(t)与ui(t)相乘,经低通滤波后,得到的输出信号就是恢复出来的调制信号。(2)、AM信号的同步检波

一、概述短波通信：要求通信机能在2～30MHz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。7.4频率合成器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

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7.4频率合成技术通过一定的处理过程，将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（Direct-frequencySynthesize,DS

）间接频率合成法(Indirect-frequencySyntheesize,IS)直接数字频率合成法(Direct-DigitalfrequencySyntheesize,DDS)1.直接频率合成法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7.4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。2.间接频率合成又称锁相频率合成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7.4频率合成技术7.4.2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率间隔，又称分辨力3.频率转换时间由一个工作频率转换到另一个工作频率并使后者达到稳定工作所需的时间。转换时间取决于锁相环的非线性性能,精确的表达式目前还难以导出,工程上常用的经验公式为：7.4频率合成技术7.4频率合成技术锁相频率合成器的频率分辨率取决于fr，为提高分辨率应取较低的fr；转换时间ts也取决于fr，为使转换时间短应取较高的fr，这两者是矛盾的。频率转换时间:固定分频器的工作频率明显高于可变分频器,超高速器件的上限频率可达千兆赫兹以上。为了大大提高VCO的工作频率，可在可变分频器之前串接一固定分频器的前置分频器。

有前置分频器的锁相频率合成器7.4频率合成技术频率稳定度、准确度和频谱纯度4.频率稳定度与准确度频率稳定度是指在规定的观测时间内，合成器输出频率偏离标称值的程度频率准确度则表示实际工作频率与其标称值之间的偏差事实上，稳定度与准确度有着密切的关系，因为只有频率稳定度高，频率准确度才有意义5.频谱纯度频谱纯度是指输出信号接近正弦波的程度。可以用输出端的有用信号电平与各寄生频率总电平之比的分贝数表示有用信号频率成分各寄生信号频率成分有用信号的各次谐波成分各种周期性干扰（混频器的高次组合频率）随机干扰（相位噪声）7.4频率合成技术频率合成器的频谱7.4频率合成技术7.4频率合成器7.4.3锁相式单环频率合成器PDLFVCOvi(t)vo(t)fi(t)fo(t)fo(t)/N晶振fi(t)/M当环路锁定后，鉴相器两路输入频率相等即：当N改变时，输出信号频率相应为fi

的整数倍变化。CD4046频率合成器实例由CD4046组成的频率合成器：见教材P296（a）L562频率合成器；（b）L562内部框图L562频率合成器实例式中fr为参考频率,通常是用高稳定度的晶体振荡器产生,经过固定分频比的参考分频之后获得的。这种合成器的分辨率为fr。单环锁相频率合成器存在的问题：见教材P297-298存在的问题：减小输出频率间隔和减小频率转换时间是矛盾的N在大范围内变化时，环路增益将大幅度变化，环路动态特性急剧变化可变分频器是脉冲反馈系统，最高工作频率低。7.4频率合成器通用型单片集成锁相环L562（NE562）和国产T216可编程除10分频器构成的单环锁相环频率合成器,它可完成10以内的锁相倍频,即可得到1～10倍的输入信号频率输出。双模分频锁相频率合成器（补充）7.4频率合成器7.4频率合成器双模分频器有两个分频模数,当模式控制为高电平时分频模数为V＋1,当模式控制为低电平时分频模式为V。双模分频器的输出同时驱动两个可编程分频器,它们分别预置在N1和N2,并进行减法计数。在一个完整的周期中,输入的周期数为则频率合成器的输出频率为假若V＝10,N2=0-9,N1=10-19,则那么，频率合成器的输出频率为

环C三环式频率合成器方框图已知：

求输出信号频率范围及频率间隔

环A环BPDLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDLFVCOfi(t)fB(t)fA(t)/NBPDLFVCO混频

带通fo(t)fc(t)fo-fB解：∵

而而环路C为混频环，即当环路锁定时：∴有

∴当NA=300，NB=351时，当NA=301，NB=351时，因此频率间隔：

PDLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDLFVCOfi(t)fB(t)fB(t)/NBPDLFVCO混频带通fo(t)fc(t)fo-fB而当

=399，=397时输出频率最高。

所以，合成器的频率范围为：（35.4—40.099）MHzPDLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDLFVCOfi(t)fB(t)fB(t)/NBPDLFVCO混频带通fo(t)fc(t)fo-fB∴有

三环式频率合成器四、吞脉冲锁相频率合成器优点：固定分频器的速度远比程序分频器高，在频率合成器中采用固定分频器与程序分频器组成的吞脉式可变分频器可在不加大频率间隔的条件下显著提高输出频率。N>A四、吞脉冲锁相频率合成器工作原理：设计数开始时模式控制输出1，双模前置分频器和两计数器在输入脉冲作用下同时计数，当辅助计数器计满A个脉冲后模式控制电路输出低电平0，辅助计数器停止计数，同时使双模前置分频器分频比变为P然后继续工作，主计数器也继续计数满N个脉冲后，使模式控制电路重新恢复高电平、双模前置分频器恢复(P+1)分频比，各部件进入第二个计数周期。N>A上图是用吞脉冲程序分频器构成的吞脉冲频率合成器，其输出信号频率为：f0=(PN+A)fr

可见：fo提高了P倍，而频率间隔仍保持为fr

。四、吞脉冲锁相频率合成器2.集成锁相环频率合成器集成锁相频率合成器是一种专用锁相电路。它是发展很快、采用新工艺多的专用集成电路。它将参考分频器、参考振荡器、数字鉴相器、各种逻辑控制电路等部件集成在一个或几个单元中,以构成集成频率合成器的电路系统。1．MC145146－1MC145146－1是一块20脚陶瓷或塑料封装的,由四位总线输入、锁存器选通和地址线编程的大规模单片集成锁相双模频率合成器。四、吞脉冲锁相频率合成器MC145146－1方框

78OSCinOSCout12位÷R

计数器2D0D1D2120101110912A2A1A0ST锁存器控制电路锁存器LL2L3L4L5L6L710位÷N计数器fin37位÷A计数器L0L1锁定检测PDAPDRLDPDoutfvFVFR控制逻辑Mod14VDD:端6VSS:

端4D3四、吞脉冲锁相频率合成器MC145146-1地址码与锁存器的选通关系

四、吞脉冲锁相频率合成器ST（12端）:数据选通控制端,当ST是高电平时,可以输入D0~D3输入端的信息,ST是低电平时,则锁存这些信息。

PDout（5端）:鉴相器的三态单端输出。当频率fv＞fr或fv相位超前时,PDout输出负脉冲;当相位滞后时,输出正脉冲;当fv＝fr且同相位时,输出端为高阻抗状态。LD（13端）:锁定检测器信号输出端。当环路锁定时（fv与fr同频同相）,输出高电平,失锁时输出低电平。四、吞脉冲锁相频率合成器ST（12端）:数据选通控制端,当ST是高电平时,可以输入D0-D3输入端的信息,ST是低电平时,则锁存这些信息。

PDout（5端）:鉴相器的三态单端输出。当频率fv＞fr或fv相位超前时,PDout输出负脉冲;当相位滞后时,输出正脉冲;当fv＝fr且同相位时,输出端为高阻抗状态。LD（13端）:锁定检测器信号输出端。当环路锁定时（fv与fr同频同相）,输出高电平,失锁时输出低电平。四、吞脉冲锁相频率合成器ΦV、ΦR(16、17端):鉴相器的双端输出。可以在外部组合成环路误差信号,与单端输出PDout作用相同,可按需要选用。图7―38是一个微机控制的UHF移动电话信道的频率合成器,工作频率为450MHz。

四、吞脉冲锁相频率合成器采用MC145146－1的UHF移动无线电话频率合成器四、吞脉冲锁相频率合成器图7―39给出了一个800MHz蜂窝状无线电系统用的666个信道、微机控制的移动无线电话频率合成器。接收机第一中频是45MHz,第二中频是11.7MHz,具有双工功能,收发频差45MHz。参考频率fr＝7.5kHz,参考分频比R＝1480。环路总分频比NT＝32*N＋A＝27501~28188，

N=859~880,A=0~31,锁相环VCO输出频率fv＝NTfr＝206.2575~211.410MHz。四、吞脉冲锁相频率合成器采用MC145146－1的800MHz移动无线电话频率合成器

四、吞脉冲锁相频率合成器

本章小结AGC电路是接收机的重要辅助电路之一，它使接收机的输出信号在输入信号变化时能基本稳定，故得到广泛的应用。

自动频率控制(AFC)也称自动频率微调，是用来控制振荡器的振荡频率以提高频率稳定度。锁相环路是利用相位的调节，以消除频率误差的自动控制系统，它由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等组成。在锁相环路中，由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程；环路通过自身的调节来维持锁定的，称为跟踪过程。捕捉特性可用捕捉带来描述，跟踪特性可用同步带来描述。锁相频率合成是用锁相技术间接合成高稳定度频率的合成方法，它由基准频率产生器和锁相环路两部分构成。课堂练习：P3027.1-7.6第7章反馈控制电路结束BG322、X38、CD4046、MC1404b。§5.3单片集成锁相环电路模拟锁相环路：NE560、NE561、562、565L562、L564、SL565、KD801、KD802、KD8041等。数字锁相环路：一、NE562NE562（国内同类产品L562、KD801、KD8041）是目前广泛应用的一种多功能单片锁相环路。1．NE562组成框图NE562是最高工作频率可达30MHz的通用型集成锁相环。定时电容CrPDLF限幅VCOA1A2A312111523415678910131416Vcc外接环路滤波器RC元件去加重-VEE跟踪范围偏压输出FM解调输出VCO输出

反馈信号输入信号输入NE56212345678910111213141516PD（鉴相器）：采用双平衡模拟乘法器LF：13、14脚可外接RC元件构成环路滤波器。VCO：是射极定时的压控多谐振荡器，定时电容由5、6脚外接电容。限幅器：是与VCO串接的一级控制电路，7脚注入电流的大小可以控制环路的跟踪范围。放大器A1、A2、A3：作为隔离，缓冲放大器，10脚用于外接去加重电容。当环路用于解调时，A1，A2的放大作用可以提高9脚输出的解调信号的电平值。既可以保证VCO的频稳度，又放大了VCO的输出电压，使3、4脚输出的电压幅度增大到约4.5V，以满足PD对VCO信号电压幅度的要求。11，12脚：外接输入信号。VCO输出3、4脚与PD的反馈信号输入端2、15脚之间，可外接其它部件以发挥多功能作用。2．NE562的使用说明(1)输入信号从11、12脚输入时，应采用电容耦合，以避免影响输入端的直流电位，要求容抗<<输入电阻（2K）。

可以双端输入，也可单端输入，单端输入时，另一端应交流接地，以提高PD增益。