第 7 章 反馈控制电路,根据需要控制的参量不同，反馈控制电路有：,简称APC，用于锁定相位，故又称锁相环路，简称PLL简称AFC，用于维持工作频率稳定又称自动电平控制电路，简称AGC，用于控制输出信号大小引言,7.1 自动增益控制电路,主要要求：,了解自动增益控制电路的组成、工作原理和应用了解常用增益控制电路7.1.1 自动增益控制电路的作用,作用：通过闭合环路的反馈控制作用，可使输入信号ui 幅度增大或减小时，输出信号幅度保持恒定或仅在很小的范围内变化,一、AGC的组成、工作原理与作用,具有简单AGC 的调幅接收机框图,反馈控制器 LPF,简单AGC 缺点： 只要有输入信号，AGC 就起控制作用，对接收弱信号不利二、AGC的应用,是高性能接收机的重要辅助电路,具有延迟式AGC 的调幅接收机框图,当AGC检波器输入信号幅度小于UR时，AGC检波器不工作，AGC 电压为零，AGC不起控制作用当AGC检波器输入信号幅度大于UR时， AGC 电路才起控制作用7.1.2 增益控制电路,1. 控制晶体管发射极电流实现增益控制,AGC 放大电路,Au gm,gm ＝ IE / UT,当信号电压↑,使 -UC↓，则IE ↓, gm ↓, Au ↓,通常将控制电压 加至基极或发射极,2. 差分放大器增益控制电路,通过改变对管的电流分配比、负反馈深度、恒流 源电流等来实现对增益的控制。
ic1 = ic2 + ic3,Ui一定时，则 ic1 一定 若Uc↑，则 ic2↑→ ic3↓→输出电压↓，Au↓利用Uc控制ic2 和 ic3的分配比来实现增益控制,7.2 自动频率控制电路,主要要求：,了解自动频率控制电路的组成、工作原理和应用7.2.1 工作原理,当 fr = fo时， uD(t) = 0 ，fo不变,当 fr ≠ fo时，uD(t) 正比于 （ fo – fr )，得uc(t)控制 fo向 fr 接近,有剩余频差是AFC 的缺点 鉴频特性和压控振荡器压控特性的灵敏度越大，则 f 越小经若干调节周期，环路最后锁定在 fo = fr + f 这个 f 称为剩余频率误差，简称剩余频差7.2.2 应用举例,广泛用作接收机和发射机中的自动频率微调电路,比之普通调幅接收机多了限幅鉴频器、低通滤波和放大电路 等，并将本机振荡器改为VCO AFC 保证了混频器输出频率接近fI ，从而提高接收机灵敏度和选择性具有AFC 的调幅接收机框图,具有AFC 的调频发射机框图,鉴频器的中心频率调整在（ fr － fc ）上当调频振荡器的中心频率发生漂移时，混频器输出的频差也跟随变化，使鉴频器输出电压发生变化，经窄带LPF 滤除调制频率分量后，将反映调频波中心频率漂移的缓变电压，加至调频振荡器上，调节其振荡频率使其中心频率漂移减小。
由于fr 稳定度很高，因此可提高中心频率稳定度7.3 锁相环路（PLL）,主要要求：,掌握PLL的作用、基本组成和工作原理,,了解PLL的数学模型,,了解PLL的捕捉与跟踪,,了解集成PLL及其应用,,7.3.1 锁相环路基本原理,鉴相器（PD）：用以比较ui、 uo相位， 输出反映相位误差 的电压uD(t)环路滤波器（LF）：用以滤除误差信号中的高频分量和噪声，提高系统稳定性压控振荡器（VCO）：在uC(t) 控制下输出相应频率 fo两个正弦信号的频率和相位之间的关系,若能保证两个信号之间的相位差恒定，则这两个信号的频率必相等若wi ≠wo，则ui(t) 和uo(t) 之间产生相位变化 ，鉴相器输出误差电压uD(t) ，它与瞬时误差相位成正比，经过环路滤波，滤除了高频分量和噪声而取出缓慢变化的电压uc(t) ，控制VCO 的角频率 wo ，去接近wi 最终使 wi = wo ，相位误差为常数，环路锁定，这时的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差7.3.2 锁相环路组成部件特性,一、鉴相器(PD),设压控振荡器的输出电压为,ωo0 是压控振荡器未加控制电压时固有振荡角频率； o(t) 是以ωo0为参考的瞬时相位。
环路输入电压ui(t)为,其相位可改写为,则ui(t)与uo(t) 之间的瞬时相位差为,,,以ωo0为参考的输入信号瞬时相位可见,鉴相器的输出电压uD(t)与相位差可改写为e(t) 成正比鉴相器,正弦形鉴相特性,多用于两路信号都是正弦信号的锁相环路,三角形鉴相特性,多用于两路信号都是方波的数字锁相环路,边沿触发数字鉴相器的鉴相特性,对输入信号的上升沿起作用，与输出、输入的占空比无关环路滤波器的电路模型,二、环路滤波器(LF),图（b）电路的传递函数为,s =σ+jω为复频率,三、压控振荡器(VCO),在uc = 0 附近，控制特性近似线性：,以ωo0为参考的瞬时相位o(t) 为,可见就o(t) 和uc(t) 之间关系来说， 压控振荡器是一个理想的积分器，通常称它为锁相环路中的固有积分环节VCO的控制特性,VCO的相位模型,7.3.3 锁相环路捕捉与跟踪,由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程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，用Δωp表示捕捉过程：失锁 锁定,一、琐相环路的捕捉,,,无输入信号ui时，VCO以固有角频率ωo0 振荡加入信号ui时，ω不等于VCO的固有角频率而存在固有输入角频差Δωi =ωi-ωo0 振荡，锁相环路初始状态是失锁的。
鉴相器输出一误差电压，经环路滤波器变换后控制VCO的频率，使其输出信号的角频率由ωo0逐渐向输入信号角频率ωi 靠拢，达到一定程度后，环路进入锁定，ωo=ωi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同步带（又称跟踪带），用ΔωH表示跟踪过程：锁定 维持锁定,二、琐相环路的跟踪,三、同步带和捕捉带的测量,当 wi 从低频至 高频缓慢变化时,,失锁,锁 定,失锁,当 wi 从高频至 低频缓慢变化时,,锁 定,,2ΔωP,2ΔωH,通常捕捉带小于同步带,,,,锁相环路的同步带为,锁相环路的捕捉带为,7.3.4 集成锁相环路,一、通用型单片集成锁相环路L562,工作频率达30MHz,L562内部VCO 采用射极耦合多谐振荡器电路,振荡频率为,设起始时V1导通、 V2截止，则VCC通过V3 、 V1向C充电，充电电流为I02 由于V1导通时UE1≡ VCC –UBE(on) ，故 C充电使UE2下降，当其下降到（ VCC – UD–UBE(on) ）时， V2导通,使UC2由VCC下降为 （ VCC – UD），致使V1截止， VCC通过V4、 V2向C反向充电，充电电流为I01 ，使UE1下降，直到引起V1重新导通、 V2又截止。
如此循环,二、CMOS锁相环路CD4046,为数字PLL内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗 高等优点工作频率达1MHz,内部VCO 产生50% 占空比的方波输出电平可与TTL电平或CMOS 电平兼容具有相位锁定状态指示,PDⅠ由异或门构成，具有三角形鉴相特性它要求两个输入信号均为50%占空比的方波当无输入信号时，其输出电压为VDD/2，用以确定VCO的自由振荡频率信号输入端：允许输入0.1V左右的小信号或方波，经A1放大和整形，提供满足PD要求的方波PDⅡ采用数字式鉴频鉴相器，输入信号只在上升沿起作用，故该PD能处理非常窄的脉冲便于快速锁定通常输入信噪比以及固有频差较小时采用PD， 输入信噪比较高或固有频差较大时，采用PDⅡ R1 、R2、C 确定VCO 频率范围R1 控制最高频率，R2 控制最低频率 R2=∞ 时，最低频率为零无输入信号时， PDⅡ 将VCO 调整到最低频率接低电平时才允许VCO工作,7.3.5 锁相环路的应用,一、锁相环路的基本特性,（1） 环路锁定时，鉴相器的两个输入信号频率相等， 没有频率误差。
2） 频率跟踪特性：环路锁定时，VCO 输出频率能 在一定范围内跟踪输入信号频率的变化3） 窄带滤波特性：可以实现高频窄带带通滤波二、锁相鉴频电路,工作原理：输入为调频信号，当环路锁定后，压控振荡器的振荡频率就精确地跟踪输入调频信号的瞬时频率而变化，产生具有相同调制规律的调频信号只要压控振荡器的频率控制特性是线性的，压控振荡器的控制电压uc(t) 就是输入调频信号的原调制信号调频信号ui平衡方式输入,解调输出,1端输出稳定基准偏置电压,注入直流，调节环路同步带,L562作调频信号解调电路,三、调幅波的同步检波,有p/2固定相移,工作原理：输入为调幅信号或带有导频的单边带信号，LF的通频带很窄，使锁相环路锁定在调幅信号的载频上，这样压控振荡器就可以提供能跟踪调幅信号载波频率变化的同步信号再利用同步检波器可以得到解调电压输出注意：压控振荡器输出电压与输入已调信号的载波电压间有/2的固定相移，因此须经过/2的移相器加到同步检波器上，这样才能使VCO输出电压与已调信号的载波电压同相四、锁相接收机（利用窄带跟踪特性）,信号频率漂移较严重时，若采用普通接收机，就要求带宽较宽，这可能导致接收机输出信噪比严重下降而无法检出有用信号。
采用锁相接收机，利用PLL 的窄带跟踪特性，就可自动跟踪信号频率进行接收，有效提高输出信噪比7.4 频率合成器,为实现高质量的无线通信，抗干扰，近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择的、能迅速更换的频率稳定度和精度很高的载波信号频率晶体振荡器虽然频率稳定度和精度很高，但其频率值只能在很小范围内微调频率合成器作用：利用一个或多个基准频率，产生一系列等间隔的离散频率这些频率的频率稳定度和精度均和基准频率的相同，且频率转换的时间很短主要要求：,掌握频率合成器的作用了解频率合成器的种类与主要性能指标掌握简单锁相频率合成器的组成与工作原理了解提高锁相频率合成器输出频率的方法7.4 频率合成器,7.4.1 频率合成器的主要技术指标,1. 频率范围,2. 频率间隔（又称分辨率）,频率稳定度指：在规定的观测时间内，输出频率偏离标称值的程度一般用偏离值与输出频率的相对值来表示频率准确度指：实际工作频率与标称频率值之差，又称频率误差3. 频率转换时间,4. 频率稳定度和准确度,相邻频率之间的最小间隔从一个工作频率转换到另一个工作频率，并达到稳定工作所需要的时间它包含电路延迟时间和PLL的捕捉时间。
频率合成器的工作频率范围5. 频谱纯度,5. 频谱纯度,指输出信号接近正弦波的程度用有用信号电平与各寄生频率分量总电平之比的分贝值表示多数来自混频器，对称分布于有用信号两侧7.4.2 锁相频率合成器,一、简单锁相频率合成器,环路锁定时,fr = fs / R = fo / N,故得,fo = N fs/ R = N fr,改变N可得不同输出频率频率分辨率为fr参考分频器由12级二进制计数器构成取分频比 R = 28 = 256，则得频率间隔为：fr = 1024kHz/256 = 4kHzCD4046组成的频率合成器实例,N分频器采用可编程分频器CC40103构成图中N=29改变N 可获得不同频率的信号输出作业：,二、简单频率合成器存在的问题,1. 频率间隔不能很小,2. 锁相环路内接入分频器后，环路增益下降为原来1/N对于输出频率高、频率覆盖范围宽的合成器，当要求频率间隔很小时，N 的变化范围将很大，这将使环路增益也大幅度变化，从而影响环路的动态性能3. 输出频率受到可编程分频器的限制，可编程分频器的工作频率比较低，无法满足大多数通信系统中。