《高频电子技术与应用》课件第8章

8.1概述8.2自动增益控制(AGC)电路8.3自动频率控制(AFC)电路8.4锁相环路(PLL)8.5利用PLL完成无线数字广播小结习题本章要点

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·自动增益控制(AGC)电路

·自动频率控制(AFC)电路

·锁相环路(PLL)电路

本章难点

·自动增益控制(AGC)电路原理分析

·自动频率控制(AFC)电路原理分析

·利用PLL完成无线数字广播8.1概述

在电子电路中，为提高系统的性能，广泛采用具有自动调节作用的控制电路，如自动增益控制(AGC)电路、自动频率控制(AFC)电路和自动相位控制(APC)电路。在具有自动调节作用的控制电路中，最常用反馈控制电路，其电路组成如图8-1所示。其中Xi为系统的输入量，也就是反馈控制电路的比较标准量；Xo为系统输出量。根据工作的实际需要，每个反馈控制电路的Xi和Xo之间都具有确定的关系，例如满足Xi＝g(Xo)。系统在工作过程中，这一关系一旦受到破坏，反馈控制电路能够检测出输出量与输入量的偏离程度，并产生相应的误差量Xe控制被控对象对输出量Xo进行调整，使输出量与输入量之间的关系接近或恢复到预定的关系Xi＝g(Xo)。图8-1反馈控制电路的组成框图

自动增益控制(AutomaticGainControl，AGC)电路是一种反馈控制电路，是接收机的重要辅助电路，需要比较和调节的参量为电流和电压，用来控制输出信号的幅度。8.2自动增益控制(AGC)电路

8.2.1AGC电路的作用与组成

1.AGC电路的作用接收机工作时，其输入信号取决于输入信号和接收机的增益。而接收机的输入信号由于发射台功率的大小，接收机与发射台距离的远近，接收环境的迅速改变和电波在传播过程中衰落等原因而强弱相差很大，例如从几微伏到几百毫伏，如果接收机的增益恒定不变，则输出信号也相差很大。

若接收机的增益高，则弱信号时能够正常接收，但强信号时将会使接收机造成信号阻塞，甚至损坏负载；若接收机的增益低，则强信号时能够正常接收，而弱信号时却接收不到。因此，为使接收机能够正常工作，要求在弱信号接收时增益高，在强信号接收时增益低，必须增加自动增益控制电路。AGC电路的作用是：当输入信号变化很大时，保持接收机的输出信号基本稳定(变化不大)。即当输入信号弱时，接收机增益高；而当输入信号强时，接收机增益低。

2.AGC电路的组成为了实现自动增益控制，必须产生一个随输入信号而自动变化的AGC电压，利用这个电压去控制接收机某些级的增益，从而达到AGC的控制目的。图8-2为具有AGC的调幅接收机的方框图。图8-2为具有AGC的调幅接收机的方框图。

图中，天线将接收到的信号经高放、混频、中放、检波、前置放大和低功放，推动扬声器工作。当接收信号较弱时，高放AGC、中放AGC都不起作用，此时高放级、中放级增益最大，完成正常信号的接收、还原；当接收信号较强时，检波器输出信号幅度大，经低通滤波器滤波，取出反映输入信号大小的直流分量，即AGC电压，去控制中放级的增益，不致于检波输出信号幅度过大；若接收信号幅度大到一定的数值，此时中放AGC已无法控制中放级的增益，延迟AGC开始起作用，进而控制高放级的增益，使检波器输出信号幅度降低，从而保证接收机接收不同幅度的信号时，检波器输出信号基本不变。8.2.2AGC电压的产生接收机的AGC电压大都是利用它的中频输出信号经检波后产生的。按照AGC电压产生的方法不同，有平均值式AGC电路、延迟式AGC电路等。

1.平均值式AGC电路平均值式AGC电路是利用检波器输出电压中的平均直流分量作为AGC电压的，如图8-3所示为典型的平均值式AGC电路，常用于超外差收音机电路中。图8-3平均值式AGC电路

图中，由D、C1、C2、RL1、RL2构成大信号峰值包络检波器。中频信号ui(t)经检波后，在负载RL2两端得到原调制信号和直流成分，其中一路经Cc耦合送至低频放大器，得到调制信号uΩ(t)(收音机中即为音频信号)。另一路经Rp、Cp组成的低通滤波器，得到直流电压UAGC，去控制中放级的增益。由于此电路中得到的UAGC为检波输出电压中的平均值，因此称之为平均值式AGC电路。

低通滤波器的Rp、Cp值要正确地选择。若τ＝RpCp太小，则AGC电压中还含有残余的低频调制信号分量，UAGC将随外来信号的包络变化，这样会使放大器产生额外的反馈作用，从而使调幅波受到反调制；若τ＝RpCp太大，则UAGC跟不上外来信号的变化，接收机的增益得不到及时的调整，失去应有的AGC作用。一般选择RpCp＝(5～10)/Ωmin。2.延迟式AGC电路

如图8-4所示为电视机采用的峰值延迟式AGC控制框图。图8-4电视机AGC控制框图

在电视接收机中，通常由声表面波滤波器(SAWF)和IC内的中放构成集成宽带放大器，中放通常由三级双差分放大电路组成。AGC电路由AGC检波和AGC放大电路组成。AGC检波采用峰值AGC检波电路，先将视频信号中的同步脉冲切割出来加以放大，然后对同步脉冲进行平均值检波。

AGC检出电压按不同比例分送三级中放，根据信号的强度，从第三级到第二级、第一级依次控制三级中放的增益。当电视信号增强至中放增益已不能再减小时，高放AGC起控，去控制高频调谐器内高放级的增益。在电路中都设置调整高放AGC起控点的电路，从而准确完成延迟式AGC控制。延迟AGC特性曲线如图8-5所示。图8-5延迟AGC特性曲线

当接收信号电平较低(0~5μV之间)时，高放、中放AGC均不起作用，高放、中放的增益均为最大，总增益也最大；当接收电平升到5μV时，中放AGC起控，随接收电平上升，中放增益下降，且高放增益最大(不变)，总增益下降；当接收电平升到5mV时，中放AGC控制不了，中放增益降至最小，此时高放AGC起控，随接收电平上升，高放增益下降，总增益下降。

采用这种延迟AGC分段控制，自动调节中放和高放的增益，可以提高信噪比。例如，电视机接收强弱不同的电视信号时，采用延迟AGC可使检波电路输出的视频信号幅度保持稳定。8.2.3实现AGC的方法

实现AGC的方法很多，这里仅介绍两种常用的方法。

1.改变发射极电流IE

这是在分立元件电路组成的接收机中常用的实现AGC的方法。由于放大器的增益与晶体管参数β有关，而β又与管子的工作点电流IE有密切关系，因此可以通过改变IE来控制放大器的增益。

(1)AGC的控制方式。如图8-6所示为AGC管的β~IE曲线。改变IE可达到改变β之值，完成AGC作用。通常用的有两种控制方式，一种是IE增大，β减小，即为正向AGC控制；另一种是IE减小，β减小，即为反向AGC控制。图8-6AGC管的β~IE曲线(2)电路举例。在分立元件AGC控制电路中，经常采用正向、反向AGC控制方式，图8-7(a)为正向AGC控制电路，图8-7(b)为反向AGC控制电路。在图8-7(a)中，UAGC通过R5、Tr1次级绕组加至晶体管基极，可产生如下变化：UAGC↓→UBE↓→IB↓→IC↓→IE↓→β从而实现正向AGC控制。在图8-7(b)中，UAGC通过R5加至晶体管发射极，产生UAGC↑→UBE↑→IB↑→IC↑→IE↑→β控制，从而实现反向AGC控制。图8-7正向与反向AGC控制电路2.改变放大器的负载这是在集成电路组成的接收机中常用的实现AGC的方法。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。在集成电路中，受控放大器的部分负载常是三极管的射极输入电阻，若用AGC电压控制管子的偏流，则该电阻也随着改变，从而达到控制放大器增益的目的。8.3自动频率控制(AFC)电路

自动频率控制(AutomaticFrequencyControl，AFC)电路是一种反馈控制电路，它能够自动调整振荡器的工作频率，使之稳定在某一预期的标准频率附近。8.3.1AFC电路的组成

AFC电路的原理框图如图8-8所示，它由鉴频器、低通滤波器和压控振荡器组成。压控振荡器(VoltageControlledOscillator，VCO)的输出频率fo和标准频率fr在鉴频器中进行频率比较，当fo＝fr时，鉴频器输出ud(t)=0，压控振荡器不受影响；当fo≠fr，鉴频器输出ud(t)，经低通滤波器后，获取误差直流控制电压uc(t)，去控制压控振荡器，使其输出频率fo趋近于fr，经过多次循环，最后fo与fr

的误差减小到某一最小值Δf(称为剩余频差)，环路进入频率锁定状态，输出fo＝fr+Δf。

图8-8AFC电路原理框图AFC电路利用负反馈作用控制VCO，使剩余频差Δf最小。在整个自动频率控制过程中，系统频差Δf始终存在，这是AFC电路的一个重要特点。系统的自动频率控制也有一定的控制范围。8.3.2AFC电路的应用

AFC电路广泛应用于接收机和发射机中的自动频率微调电路、调频接收机中的解调电路及测量仪器中的线性扫描电路等。

1.用于超外差接收机中稳定中频频率

在超外差接收机中，选择性和灵敏度主要取决于中频放大器，而中频频率的稳定则是系统选择性与灵敏度的重要保证。为稳定中频频率，在高质量的接收机中，常采用AFC电路来实现中频频率的稳定。

(1)采用AFC的调频收音机。具有AFC的调频收音机框图如图8-9所示。高放电路把88~108MHz调频广播接收频率范围的射频信号进行放大，加到混频器，本振信号也加到混频器，完成差频(fI=fL－fc)。本振、高放二者统调，与混频器一起完成超外差接收，产生10.7MHz的中频信号，经中放、限幅放大、鉴频、去加重及前置放大和功放，推动扬声器工作。同时，鉴频后另一路信号经低通滤波器，取出误差直流，控制本振频率fL。利用负反馈回路完成AFC作用，减小fI的频率漂移，实现稳频。图8-9具有AFC的调频收音机框图(2)调幅接收机AFC系统。调幅接收机AFC电路的组成框图如图8-10所示。混频器输出中频信号fI＝fL-fc，当不加AFC电路时，若本振频率fL发生偏移，变为fL+ΔfL，中频输出也将变为fI+ΔfL。加AFC电路时，若本振频率fL发生偏移，变为fL+ΔfL，中频输出为fI+ΔfL，鉴频器输出误差电压ud经低通滤波器变为误差直流电压uc，去控制压控振荡器，使压控振荡器频率降低，从而使中频频率fI降低。反之亦然，达到稳定中频的目的。图8-10调幅接收机AFC电路组成框图2.用于稳定调频发射机的中心频率

采用AFC电路稳定调频发射机中心频率的原理框图如图8-11所示。调频振荡器的中心频率为fo，晶体振荡器输出的参考信号频率为fr，鉴频器中心频率设置在频率fr-fo上，也就是混频器输出的中心频率上。由于晶体振荡器输出的参考频率稳定度很高，因此混频器输出端产生的频率误差Δf主要是由fo的不稳定造成的，通过AFC电路的调节作用减少频率误差值，使输出调频信号的频率fo达到稳定。图8-11具有AFC的调频器框图8.4锁相环路(PLL)

锁相环(PhaseLockedLoop，PLL)是实现相位自动控制的负反馈系统，使振荡器的相位和频率与输入信号的相位和频率同步，即自动相位控制(AutomaticPhaseControl，APC)，广泛应用于通信、电视、激光和空间技术等各行业。锁相技术是相位负反馈控制技术，其特点为：①锁定时，无剩余频差；②具有良好的窄带高频跟踪性能（称载波跟踪型）；③具有良好的带通滤波性能（称调制跟踪型）；④具有良好的门限特性；⑤易于集成化、数字化。8.4.1PLL电路的组成

1.PLL的构成

PLL的构成框图如图8-12所示。图8-12PLL的构成框图图中，PD是鉴相器，把输入信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t)的相位进行比较，产生对应于相位差的误差电压ud(t)。

LPF是低通滤波器，由于处在环路中，也常称为环路滤波器。LPF用以滤除误差电压ud(t)中的高频成分和噪声，让输入信号中的低频分量或直流分量通过，以保证环路所要求的性能，增强环路的稳定性。

VCO为压控振荡器，受LPF输出的控制电压uc(t)的控制，使其频率向输入信号的频率靠拢，直至频差消失，环路锁定。

2.PLL相位模型所以，PLL的相位模型如图8－13所示。图8-13PLL相位模型

3.PLL环路方程

根据PLL构成的相位模型，可以写出环路的基本方程式，如下式：pθi(t)=pθe

(t)+KdKoF(p)sinθe(t)可见，此方程为非线性微分方程，表达了锁相环路的相位控制过程与各种基本组件的相互关系。其中，为瞬时频差，表示压控振荡器角频率ωo偏离输入信号角频率ωi的数值。

为输入固有角频差，它表示输入信号角频率ωi偏离ωo0的数值。KdKoF(p)sinθe(t)=Δωo(t)=ωo－ωo0为控制角频差，它表示压控振荡器在uc(t)=KdKoF(p)sinθe(t)的作用下，产生振荡角频率ωo偏离ωo0的数值，即Δωi(t)=Δωe(t)+Δωo(t)。

如果输入固有角频差Δωi(t)=Δωi为常数，即ui(t)为恒定频率的输入信号，则在环路进入锁定过程中，瞬时角频差Δωe(t)不断减小，而控制角频差Δωo(t)不断增大，两者之和恒等于Δωi(t)，直到瞬时角频差减小到零，即。，控制角频差增大到Δωi，压控振荡器振荡角频率ωo等于输入信号的角频率ωi时，环路便进入锁定状态。这时，相位误差θe(t)为一固定值，用θe∞表示，称为剩余相位误差或稳态相位误差。正是由于θe∞，才使鉴相器输出一直流电压，控制压控振荡器振荡的角频率等于输入信号的角频率。

4.PLL的捕捉与跟踪

PLL在锁相过程中，先是经过频率的牵引过程，再经过相位的锁定过程。锁相环路根据初始状态的不同，有两种自动调节过程。若环路初始状态是失锁的，通过自身的调节，使压控振荡器频率逐渐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的过程称为捕捉过程。相应地，能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差称为环路捕捉带，常用ΔωP表示。若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程称为跟踪过程。相应地，能够保持跟踪的输入信号频率与压控振荡器频率最大频差范围称为环路同步带(又称跟踪带)，常用ΔωH表示。8.4.2PLL电路的类型随着电子技术、微电子技术、集成技术的发展，产生了多种类型的锁相环路，有模拟锁相环(APLL)、数字锁相环(DPLL)、全数字锁相环(ADPLL)和软件锁相环(SPLL)等。

1.模拟锁相环模拟锁相环的鉴相器通常由模拟乘法器等构成，通过环路滤波器得到误差直流信号，控制压控振荡器的频率，完成相位锁定。其典型构成如图8-14所示。图8-14模拟锁相环构成框图2.数字锁相环

常用的数字锁相环路，通常有以下两种形式。①数字逻辑电路式DPLL，如图8-15所示。图8-15由异或门构成的DPLL②数字信号处理式DPLL，如图8-16所示。图8-16由模拟乘法器构成的DPLL3.全数字锁相环全数字锁相环路模式如图8-17所示。图8-17全数字锁相环路模式4.软件锁相环(TheSoftwarePLL)

软件锁相环路如图8-18所示。图8-18软件锁相环路的构成8.4.3PLL电路的应用

锁相环路是实现相位自动控制的负反馈系统，使振荡器的相位和频率与输入信号的相位和频率同步。锁相环路相位锁定时，没有剩余频差，很好地完成频率跟踪。锁相技术广泛应用于通信、广播与电视、导航、仪器仪表测量、生物医学、激光音视设备和空间技术等。1.构成单片机的系统时钟在凌阳SPCE061A等单片机中，利用PLL构成系统时钟发生器。利用软件进行参数设置，选择控制时钟源，获取不同频率的实时时钟信号。如图8-19所示，32768Hz为振荡频率，利用软件设置，如图中的b7、b6、b5、b

2、b1、b0均由系统时钟选频P_SystemClock单元的第b7、b6、b5、b2、b1、b0位决定；经过PLL倍频电路之后，会产生多个fosc，在同一个fosc下，又可选择不同的CPU时钟，方便单片机完成不同时间的延时等控制。图8-19单片机系统时钟框图2.实现电视的色度解码

电视系统中，将(B-Y)、(R-Y)色差信号分别压缩成U、V两个分量，采用频谱交错的方式，将U、V串插到亮度信号的频谱中，不再占用另外的频带传输U、V。如图8-20所示，电视机利用PLL来恢复色副载波，分别与FU、FV一起，完成同步检波，恢复U、V分量，去压缩得到(B-Y)、(R-Y)，再合成(G-Y)，最后利用基色矩阵将三个色差信号与Y一起合成R、G、B信号，完成色度解码。图8-20电视机利用PLL恢复副载波3.实现电视机行、场同步

如图8-21所示，电视机利用晶体振荡器、PLL和数字分频技术，使电视机完成行、场同步，省去原来的行、场同步调整电位器。图8-21电视机用PLL技术实现行、场同步

4.实现锁相接收

在卫星、航天器等空间技术中，由于离地面距离很远，发射功率又比较小，致使向地面发回的信号很弱，再加上多普勒效应，频漂严重，采用普通接收机无法检出有用信号。在锁相接收机，利用环路的窄带跟踪特性，可有效提高信噪比，获得满意的接收效果。如图8-22所示，利用PLL完成信号接收。图8-22利用PLL完成信号接收5.实现频率合成

如图8-23所示，利用PLL完成频率合成。频率合成器达到锁定时，将会满足所以，即改变N、R值，可完成多种频率的输出。图8-23利用PLL完成频率合成在FM立体声收音机中，利用PLL完成倍频作用，产生立体声解码器需要的与副载波同步的38kHz开关信号，如图8－24所示。PLL利用压控振荡器产生76kHz开关信号，经两次二分频得到19kHz开关信号并移相90°，从立体声复合信号中来的19kHz导频信号作为同步信号，经鉴相器相位比较后输出误差电压，从而迫使振荡频率与导频信号同步。图8-24利用PLL完成倍频

6.实现直流电机同步控制

VCD、DVD是集激光技术、光学技术、伺服控制技术和精密机械制造技术于一体的典型设备。其中主轴伺服就是保持光盘与激光头之间作恒线速运动，才能保证记录数据的正确还原。如图8－25所示，利用PLL完成主轴伺服控制。图8-25利用PLL完成主轴伺服控制在VCD、DVD的每个数据帧中，都设有同步码。若主轴电动机转速正确，则所读取的帧同步信号的频率为7.35kHz；若转速偏快，则帧同步信号的频率大于7.35kHz；若转速偏慢，则帧同步信号的频率小于7.35kHz。把EFM中所含的同步码作为速度检测信息，与标准参考频率7.35kHz进行比较，将误差信息放大、控制主轴电动机转速，完成速度伺服控制。

7.实现位时钟恢复

在VCD、DVD中，位时钟是数字信号的读/写时钟，要解调其数字信号，必须还原出正确的位时钟。如图8－26是利用PLL完成位时钟恢复的框图。图8-26利用PLL完成位时钟的恢复用输入的EFM信号通过边沿检测的方法得到EFM边沿脉冲，用此边沿脉冲与VCO振荡频率进行相位比较，得到与EFM信号同相的位时钟，波形见图8-27。图8-27产生位时钟的波形8.5利用PLL完成无线数字广播

FM无线广播采用的是模拟音频传送，存在噪声大、抗干扰能力差和音频保真度低等问题，而随数字无线电技术的发展，利用PLL，采用模块化设计，使无线数字广播越来越普及。下面简单介绍一种小型无线数字广播系统，方便用于制作无线音箱、无线耳机等。1.无线数字音频收发模块的原理发射模块如图8-28所示，当普通的立体声音频信号L、R输入后，首先由模数转换器(A/D)进行处理，产生44.1kHz/(16bit)的数据流，然后将数据流送到数字信号处理器(DSP)中进行处理，最后由2.4GHz锁相环的GFSK(高斯频移键控的简写，在调制之前通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度)调制器进行调制，射频信号通过放大后从天线发送出去。图8-28发射模块框图接收模块原理如图8-29所示，接收到的信号首先由低噪声放大器(LNA)进行放大，然后进入2.4GHz锁相环的GFSK解调器进行解调，解调输出的数据进入到数字处理器(DSP)中进行处理，处理后输出44.1kHz/(16bit)的数据流，最后通过数模转换器(D/A)将数据转换成音频信号。图8-29接收模块框图

2.数字无线广播系统设计与调试

数字无线收发系统的构成如图8-30所示。将发射机接上MP3或DVD等音源并设好频率，就可对无数台接收机进行高保真的音频广播。将AW2403R数字接收机嵌入到有源音箱或耳机中，就可构成具有无线接收的音箱或耳机。图8-30数字无线收发系统框图(1)发射机电路。发射机电路如图8-31所示，发射机进行设计时，AW2403T模块尽量垂直布局，让内置天线不受周边元件影响。SW1、SW2、SW3可采用编码开关，三个开关状态组合可设定八组频率。图8-31发射机电路(2)接收机电路。接收机电路如图8-32所示。其中AW2403R为无线数字音频接收模块，RP为双联电位器，同时完成L、R两路音频信号的音量控制。IC1(PT2308)是采用CMOS技术构成的双声道音频放大器，可以在消耗不太多功率的情况下使原音频信号做低失真放大，特别适合低输入阻抗的耳机，具有输出振幅大、信噪比高(S/N=110Db)、失真度(THD=0.001%)等优点。图8-33为PT2308的内部框图，图8-34为PT2308的管脚排列。图8-32接收机电路图8-33PT2308的内部框图图8-34PT2308的管脚排列

整个数字无线收发系统在安装时要注意，首先不要装上模块，在装完外围元件后，要对发射机稳压电源进行测试，确定为5V后，再装上发射模块。而接收机同样要检测电源的极性是否正确、功放电路是否正常工作，然后再装上模块。全部安装完成后，打开接收机电源SW1，接收机状态指示灯D1在闪烁，然后接上发射机音源、电源，电源指示灯亮，此时接收机的状态指示灯由闪烁变为常亮，耳塞中传出悠扬的音乐声。如果有几台发射机同时工作，只要轻轻按下SW2既可切换频道。

图8-35给出由WWW.FMSKY.NET网站提供的接收、发射模块，焊好的成品图。接收模块实际尺寸为22mm×37mm×8mm，发射模块实际尺寸为22mm×33mm×8mm。

图