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1、第一讲 锁相环路的基本工作原理,一、绪言二、自动增益控制原理三、自动频率控制原理四、锁相环的组成部件及其数学模型五、环路工作过程的定性分析六、锁相环部件特性测量七、总结,一、绪言,反馈控制电路：在系统受到扰动的情况下，通过反馈控制作用，可使系统的某个参数达到所需的精度，或按照一定的规律变化。根据控制对象参量的不同，反馈控制电路可以分为自动增益控制（Automatic Gain Control-AGC）、自动频率控制（Automatic Frequency Control-AFC）和自动相位控制（Automatic Phase Control-APC）,又称为锁相环路（Phase Locked
2、Loop-PLL）。,反馈控制电路的组成如图1-1所示，由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分组成一个负反馈闭合环路。其中比较器的作用是将参考信号 ur(t) 和反馈信号 uf (t) 进行比较，输出二者的差值既误差信号 ue(t)，然后经过控制信号发生器送出控制信号 uc(t)，对可控制器件的某一特性进行控制。对于可控制器件，或者是其输入输出特性受控制信号 uc(t) 的控制（如可控增益放大器），或者是在不加输入的情况下，本身输出信号的某一参量受控制信号 uc(t) 的控制（如压控振荡器）。而反馈网络的作用是在输出信号u0(t)中提取所需要进行比较的分量，送到比较器与参考信号进行
3、比较。,图1-1 反馈控制系统的组成,根据输入比较信号参量的不同，图中的比较器可以是电压比较器、频率比较器（鉴频器）或相位比较器（鉴相器）三种，所以对应的 ur(t) 和 uf(t) 可以是电压、频率或相位参量。可控器件的可控制特性一般是增益、频率或相位。,一、自动增益控制（AGC）电路自动增益控制电路广泛用于各种电子设备中。主要用来减小各种原因引起的系统输出信号电平的变化范围。例如，减小接收机因传播衰落引起信号强度的变化范围，防止因强信号而引起的阻塞失真和弱信号被丢失；在发射机中，末级功放的激励电平可能由于话务量不均而起伏较大，采用自动增益控制电路有助于减小这种波动，从而稳定输出功率；对调制
4、信号电平使用自动音量控制有助于减小调制失真；在信号发生器中为保证在较宽的频率范围内振幅平稳。,1工作原理自动增益控制电路是利用电压误差信号来消除输出信号振幅与要求信号振幅之间误差的电路。它的组成如图1-2所示。,图1-2 自动增益控制电路组成,图1-2中可控增益放大器是环路的核心部件，其增益Ak受控制电压 uc 的控制；电平检测器的功能是将输出信号 u0 幅度缓慢变化转变为直流慢变化；电压比较器的功能是将反馈信号 uf 与要求信 号ur 进行比较，输出误差信号；低通滤波器的功能是对慢变化的误差信号进一步过滤；直流放大器是为了加大直流增益，提高可控增益放大器的控制灵敏度。,当输入信号ur的幅度增
5、大时，可控增益放大器的输出信号u0幅度也趋于增大，经反馈网络的控制、滤波、直流放大，由电压比较器将反馈网络的输出信号uf 和参考信号ur 进行比较，并将该增量进一步放大，于是控制电压uc 显著增大，此时控制电压 uc 应使可控增益放大器的增益 Ak 减小，使输出信号幅度保持平稳。相反，当输入信号 ur 的幅度减小时，控制电压 uc 又使可控增益放大器的增益 Ak 加大，从而使幅度保持平稳。,2方式与特性自动增益控制电路有多种形式，包括：（1）简单AGC电路：只要输入信号振幅Ui增加，AGC的作用就会使增益Kv减小，从而使输出信号振幅U0减小。这种AGC电路简单，实用电路中不需要电压比较器；主要
6、缺点是，一有外来信号，AGC立即起作用，接收机的增益就受控制而减小。这对提高接收机的灵敏度是不利的，尤其在外来信号很微弱时。,（2）延迟AGC电路：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。当输入信号Ui小于Uimin时，反馈环路断开，AGC不起作用，放大器Kv不变，输出信号U0与输入信号Ui成线性关系。当Ui大于Uimin后，反馈环路接通，AGC电路才开始产生误差信号和控制信号，使放大器增益Kv有所减小，保持输出信号U0基本恒定或仅有微小变化。这种AGC电路由于需要延迟到UiUimin之后才开始起控制作用，故称为延迟AGC。图1-3给出了简单AGC
7、和延迟AGC的增益控制特性。,图1-3 AGC 特性曲线,（3）前置AGC：前置AGC是指AGC处于解调以前，由高频（或中频）信号中提取检测信号，通过检波和直流放大，控制高频（或中频）放大器的增益。（4）后置AGC：后置AGC是从解调后提取检测信号来控制高频（或中频）放大器的增益。（5）基带AGC：基带AGC是整个AGC电路均在解调后的基带信号上进行处理。基带AGC可以用数字处理的方法完成，这将成为AGC电路的一种发展方向。除此之外，还有利用对数放大、限幅放大-带通滤波等方式完成系统的AGC。,3主要性能指标AGC电路的主要性能指标有两个，一是动态范围，二是响应时间。(1)动态范围AGC 电路
8、是利用电压误差信号 ue 去消除输出信号U0 振幅与理想电压振幅 Ur 之间电压误差的自动控制电路。所以，当电路达到平衡状态后，仍会有电压误差存在。从对 AGC 电路的实际要求考虑，一方面希望输出信号振幅 U0的变化越小越好。即与理想电压振幅 Ur 的误差越小越好；另一方面也希望容许输入信号振幅 Ui 的变化越大越好。也就是说，在给定输出信号幅值变化范围内，容许输入信号振幅的变化越大，则表明 AGC 电路的动态范围越宽，性能越好。,(2)响应时间AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制来实现对输出信号振幅变化的限制，而增益的变化又取决于输入信号振幅的变化。所以，要求AGC电路的反应既要能跟得
9、上输入信号振幅 Ui 的变化速度，又不会出现反调制现象，这就是响应时间特性。对AGC电路的响应时间长短的要求取决于输入信号的类型和特点。根据响应时间长短分别有慢速AGC和快速AGC之分。而响应时间长短的调节由环路带宽决定，主要是低通滤波器的带宽。低通滤波器带宽越宽，则响应时间越短，但容易出现反调制现象。,二、 频率反馈控制(AFC)系统频率反馈控制系统也是无线电设备中常用的反馈控制系统。它利用输入量（给定值）与输出量之间的频率误差来调节输出信号的频率，使之在尽可能小的频率误差下，保持输出量与输入量之间的频率跟踪。1、 环路组成：频率反馈环路的基本组成如图1-4所示。它由混频器、中频放大器、限幅
10、鉴频器（LD）、低通滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）等电路组成。,输入信号ui(t)与VCO输出信号 uv(t)经混频形成中频信号uI(t) ，该信号中包含着VCO与 ui(t) 之间指定的中频误差0 ，经中频放大并滤除噪声和寄生频率成份后加至限幅鉴频器。限幅鉴频器检测出频率误差，再经低通过滤形成误差控制电压 uc(t) ，以 uc(t) 控制VCO的频率变化，使中频信号的频率误差减小，这种反馈作用使VCO的频率有效地跟踪输入信号的频率。,图1-4 频率反馈环的组成框图,VCO,LD,LPF,混频,中放,ui(t),ue(t),uI(t),uc(t),uv(t),y,r,2环路各种部件的
11、作用：（1）混频器：混频器是一个频率比较装置，用来实现输入信号 ui(t) 和VCO输出信号uv(t) 频率之间的相减运算，其输出差频电压为 (1-1)式中，e=i-v 为规定的中频值，它等于限幅鉴频器的中心频率；是以为参考的瞬时相位误差。,（2）限幅鉴频器限幅鉴频器的功能是将上述的频率误差转换成误差电压 ud，鉴频特性如图1-5所示。 (1-2)通常鉴频特性为 “S ” 形曲线。显然，它围绕零频率点有一段线性鉴频区域，设鉴频特性原点处斜率为Kd，则在原点附近近似直线段鉴频器输出的误差电压为：(1-3)式中称 Kd鉴频灵敏度，单位为（V/rad/S）,鉴相器前面的限幅器是为了除去中频信号的幅度
12、变化，这样有利于提高鉴频输出的信噪比。,图1-5 鉴频特性曲线,（3）环路滤波器频率反馈控制电路中一般有两处设置滤波器，其一是在中频部分设置中频带通滤波器，另一处是在鉴频器输出端设置基带滤波器，若中频滤波器频率响应为FI(j)，则通常可设FI(j)=1,而对上下边带成分的振幅响应为：(1-4)式中 FLI(j)为中频滤波器等效低通响应。,通常中频等效低通滤波器带宽远大于基带滤波器，可将其对环路性能的影响放到基带低通滤波器综合考虑，因此，环路滤波器应主要考虑鉴频输出端所接的低通滤波器。（4）压控振荡器压控振荡器的作用是将控制电压 uc(t) 转变成频率的变化,典型特性如图 1-6 所示，设其控制
13、特性直线段的斜率为 Kv，则有式中称压控灵敏度，单位为（rad/S.V）,AFC 电路的被控参量是频率。AFC 电路输出的角频率y 与参考角频率r 在频率比较器中进行比较，频率比较器通常有两种，一种是鉴频器，另一种是混频鉴频器。,图1-6 压控振荡器控制特性曲线,在鉴频器中的中心角频率v0 就起参考信号角频率r的作用, 而在混频鉴频器中，本振信号角频率L与输出信号y混频，然后再进行鉴频，参考信号角频率r=0+L,当y=r时，频率比较器无输出，可控频率器件输出频率不变，环路锁定；当yr时，频率比较器输出误差电压ue，它正比于y-r ，将ue送入低通滤波器后取出缓变控制信号uc 。可控频率器件通常
14、是压控振荡器（VCO），其输出振荡角频率可写成,式中 y0 是控制信号uc = 0时的振荡角频率，称为VCO 的固有振荡角频率，Kc是压控灵敏度。 Uc 控制VCO，调节VCO 的振荡角频率，使之稳定在鉴频器中心角频率上0。自动频率控制电路是利用误差信号的反馈作用来控制振荡器频率，使之稳定。误差信号是由鉴频器产生的，它与两个比较频率源之间的频率差成正比。显然达到最后稳定状态时，两个频率不可能完全相等，必定存在剩余频差 。,3主要性能指标AFC电路主要性能指标有暂态和稳态响应以及跟踪特性。 暂态和稳态响应AFC电路的闭环传递函数（1-6）由此得到输出频率信号的拉氏变换式（1-7）对上式求逆变换，
15、即可得到AFC电路的时域响应，包括暂态和稳态响应。,（2）跟踪特性AFC电路的误差传递函数 （1-8）AFC电路中误差角频率的时域稳态误差值 （1-9）,三、相位控制(PLL)系统,锁相环路（Phase Locked Loop,缩写为PLL）是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。它是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，但它是利用相位误差来消除频率误差的，即锁相环是一个相位跟踪系统。根据电路的设计要求，锁相环可以跟踪输入信号的瞬时相位，也可以跟踪其平均相位。同时环路对噪声还有良好的过滤作用。锁相环的基本特性是：,（1）锁定时无频差 假如环路输入固定频率的载波信号，环路入锁之后，输出与
16、输入之间只有某一个固定的相位差，频差则为零。这是锁相环区别于其他反馈控制电路的一大特点，用它可实现无误差的频率跟踪。（2）良好的窄带跟踪特性 环路在锁定输入载波信号的同时，可以对噪声进行过滤，完成窄带滤波器的作用。假如输入的载波信号的频率因某些因素发生了漂移，通过合理的设计，环路可以跟踪输入信号的频率漂移，同时仍维持窄带滤波的作用，即变成了一个窄带跟踪滤波器。例如，在几十兆赫兹的载频上可以实现几十赫兹的窄带滤波。这是应用其他技术难以实现的。,（3）良好的调制跟踪特性。在输入角调制信号时，通过合理的设计，可使环路的通频带足够宽，使信号的调制频谱全都落入环路带宽之内，这时环路既可以输出经过提纯的已调信号，使得信噪比比输入显著提高，也可以作为解调器输出解调信号，且解调性能明显优于常规的解调器。（4）门限性能好。锁相环本质上是一个非线性系统，在较强噪声的作用下，同样存在着门限效应。但是它用做调频解调器时，与一般的限幅-鉴频器相比，门限改善可达5dB左右。,
