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1、第八章 锁相环电路 第八章 锁相环电路 8.1 概述 8.2 锁相环电路的基本原理 8.3 集成锁相环电路 8.4 锁相环电路的应用 8.5 锁相频率合成器 8.7 章末小结 8.6 锁相环电路的选用与实例介绍 第八章 锁相环电路 8.1 概述 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后,虽然有剩余相位误差存 在
2、,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。 第八章 锁相环电路 8.2.1 数学模型 锁相环路主要由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器 三部分组成,被控参量是相位。 锁相环路的组成 8.2 锁相环电路的基本原理 锁相环路的基本原理 第八章 锁相环电路 1.鉴相器 所以, 输出误差电压为: 鉴相器模型及特性曲线 第八章 锁相环电路 2.环路滤波器 环路滤波器是一个低通滤波器,其作用是滤除鉴相器 输出电流中的无用组合频率分量及其他干扰分量,以保证 环路所要求的性能,并提高环路的稳定性。 设环路滤波器的传递函数为H(s),则有: 将H(s)中的s用微分算子p=d/dt替换,可以写出
3、对应的 微分方程: 环路滤波器数学模型及电路 第八章 锁相环电路 3.压控振荡器 线性关系: VCO输出信号uy(t)的相位: 压控振荡器调频特性及数学模型 第八章 锁相环电路 4.环路相位模型 统一方程式: 锁相环路相位模型 对两边微分: 上式称为基本环路方程。 第八章 锁相环电路 8.2.2跟踪过程与捕捉过程分析 1.环路的跟踪过程 在环路锁定之后,若输入信号频率发生变化,产生了瞬时 频差,从而使瞬时相差发生变化,则环路将及时调节误差电压 去控制VCO,使VCO输入信号频率随之变化,即产生新的控 制频差,使VCO输入频率及时跟踪输入信号频率。 当控制频差等于固有频差时,瞬时频差再次为零,继
4、续维 持锁定,这就是跟踪过程。 在锁定后能够继续维持锁定所允许的最大固有角频差 (或 ) 称为跟踪或同步带。 第八章 锁相环电路 2.环路的捕捉过程 环路由失锁状态进入锁定状态的过程称为捕捉过程。 捕捉过程中ue(t)的波形变化 锁相环路的线性化相位模型 第八章 锁相环电路 当环路处于跟踪状态时,只要|e(t)|/6,则有 sine(t)e(t),可认为环路处于线性跟踪状态。 基本环路方程可写为: 对其求拉氏变换,得到: 闭环传递函数为: 误差传递函数为: 第八章 锁相环电路 环路的捕捉、跟踪与锁定 第八章 锁相环电路 8.3 集成锁相环电路 概述 集成锁相环路的特点是不用电感线圈,依靠调节
5、环路滤波器和环路增益,可对输入信号的频率和相位 进行自动跟踪,对噪声进行窄带过滤,现以成为继运 算放大器之后第二种通用的集成器件。 集成锁相环路有两大类,一类是主要由模拟电路 组成的模拟锁相环,另一类是主要由数字电路组成的 数字锁相环。每一类按其用途又可分成通用型和专用 型。 第八章 锁相环电路 1.射极耦合多谐振荡器 射极耦合多谐振荡器电路 电路图与波形图 第八章 锁相环电路 2. L562集成锁相环电路 8.4锁相环电路的应用 概述 锁相环路主要的优良性能和应用领域如下: (1)良好的频率跟踪特性。 (2)相位锁定时无剩余频差。 (3)良好的低门限特性。 第八章 锁相环电路 1.锁相倍频、
6、分频和混频 锁相倍频电路的组成 锁相混频电路的组成 第八章 锁相环电路 2.锁相调频与鉴频 锁相直接调频电路的组成 锁相鉴频电路的组成 第八章 锁相环电路 设输入调频信号为: 调节VCO中心角频率y0,使y0=c,则有: 因为 所以 第八章 锁相环电路 uc(t)经拉氏变换为: 又可写成: 取拉氏反变换,得到: 请看例题 第八章 锁相环电路 8.5 锁相频率合成 输出角频率为: 频率转换时间的经验公式为: 单环频率合成器的组成 第八章 锁相环电路 例8.7 图示是一个双环频率合成器,由两个锁相环 和一个混频滤波电路组成。两个参考频率fr1=1kHz, fr2=100kHz。可变分频器的分频比范
7、围分别为 n1=1000011000,n2=7201000。固定分频器的分 频比n3=10。求输出频率fy的频率调节范围和步长(即频率 间隔)。 第八章 锁相环电路 解:环路是锁相倍频电路。 输出频率f01=n1fr1 f01经过n3固定分频后,输出 f02经过n3可变分频后,输出 设混频器输出端用带通滤波器取出和频信号,则有 第八章 锁相环电路 环路也是锁相倍频电路,所以输出频率 由上式可见,输出合成频率fy由两部分之和组成。前一 部分n2fr2调节范围为72MHz100MHz,频率间隔0.1MHz ,后一部分n1fr1/ n3的调节范围为1MHz1.1MHz,频率 间隔100Hz。所以,f
8、y的总调节范围为73MHz101.1MHz, 步长为100Hz,总频率数为281000个。环路的输入参考 频率为1kHz,环路的输入参考频率为101101.53kHz, 则可求的最大转换时间为25ms。 第八章 锁相环电路 锁相环电路实际应用(举例) 1、锁相环在空间技术中的应用 第八章 锁相环电路 2、锁相环在稳频技术中的应用 第八章 锁相环电路 8.6 集成锁相环路的选用与实例介绍 请参考书中:P216P218。 第八章 锁相环电路 8.7 章末小结 (1)反馈控制电路是一个闭环负反馈系统,它可以获取 输入信号动态范围的扩大(AGC),输出信号的稳定(AFC和 PLL)以及其他一些性能良好
9、的电路功能。 (2)AGC电路、AFC电路和PLL电路的被控参量分别是 信号的电平、频率和相位,在组成上分别采用电平比较器、 鉴频器和鉴相器取出误差信号,然后分别控制放大器的增 益、VCO的振荡频率和相位,分别使输出信号的电平、频 率和相位稳定在一个预先规定的参量上,或者跟踪参考信 号的变化。 第八章 锁相环电路 (3)AGC、AFC和PLL电路中环路带宽的设计是非常 重要的。 (4)在分析和设计反馈控制电路时,应选择正确的被控 参量,画出原理方框图。 (5)目前实用的反馈控制电路大都已经集成化,仅需外 接少量元件即可组成,实现比较简单。 (6)锁相环路作为一种无频差的反馈控制电路,且又易 于
10、集成,在实际应用上以日益广泛。 课后作业:习题8.1、8.3、8.4、8.7 第八章 锁相环电路 例8.1 某接收机输出信号振幅的动态范围是62dB ,输出信号振幅限定的变化范围为30%。若单级放大器 的增益控制倍数为20dB,需要多少级AGC电路才能满 足要求? 解: 第八章 锁相环电路 所以,需要三级AGC电路。 第八章 锁相环电路 例8.2 在图示AGC电路方框图中,ux和uy分别是输出 和输入信号,参考信号UR=1V,可控增益放大器的增益 Ag(uc)=1+0.3uc,即理想的要求是增益为1。若输入信号 振幅Ux变化范围为1.5dB时,要求输出信号振幅Uy变化 范围限制在0.05dB以
11、内,试求直流放大器增益k1的最小 值应是多少? 第八章 锁相环电路 解:由图示方框图可写出有关参量之间的关系式。 因为 又 所以 代入已知数据,可求得: 第八章 锁相环电路 由AGC原理可知,Uy随Ux的增大(或减小)而增大 (或减小)。所以,当Ux变化+1.5dB时,要求Uy变化不 超过+0.05dB,转换成倍数,分别为1.189和1.006。 这时: 当Ux变化-1.5dB时,要求Uy变化不超过-0.05dB, 转换成倍数,分别为0.841和0.994。这时: 如果要求同时满足以上两个条件,则要求k1101。 第八章 锁相环电路 例8.6 图示为锁相环鉴频电路。已知kb=250mV/rad
12、, kc=50103rad/sV,k1=40,有源低通滤波器的参数 R1=17.7k,R2=0.94k,C=0.03F。若环路输入调频 信号为ui(t)=Umsinct+10sin(2103t),求放大器输出 1kHz单频调制信号的电压振幅。 第八章 锁相环电路 解:图示有源低通滤波器又称为有源理想积分滤波器, 其传递函数: 其中,1=R1C,2=R2C,代入R1,R2,C的数据, 可求得: 闭环传递函数: 有 第八章 锁相环电路 将T(s)转换成T(j),取调制信号角频率2103rad ,则可求得1kHz频率处的幅频特性值:T(j2103)1。 上式说明,对于1kHz的调制信号,该锁相环闭环传递 函数的幅值近似为1,相位近似为零。 放大器输出电压uc(t)即为解调信号,有 又 所以 所求电压振幅Ucm=0.4V。