第11章 反馈控制电路(本科上课用课件)

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1、高频电子线路高频电子线路首页上页下页退出第第1111章章 反馈控制电路反馈控制电路 主要内容主要内容 ：自动增益控制电路自动增益控制电路自动频率控制电路自动频率控制电路自动相位控制电路自动相位控制电路频率合成器频率合成器高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 前面各章分别介绍了放大电路、前面各章分别介绍了放大电路、 振荡电路、振荡电路、 调制电路和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它电子系统, , 但是这样组成的系统其性能不一定完善。但是这样组成的系统其性能不一定完善。例如例如, , 在调幅接收机中

2、在调幅接收机中, , 天线上感生的有用信号的强度往往由于电波天线上感生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导致放大器输出信号时强时弱不规则变化强时弱不规则变化, , 有时还会造成阻塞。又如有时还会造成阻塞。又如, , 在通信系统中在通信系统中, , 收发两地的载频应保持严格同步收发两地的载频应保持严格同步, , 使输出中频稳定使输出中频稳定, , 而要做到而要做到这一点也比较困难。这一点也比较困难。11.1 引言引言一、在无线通信中为什么要引入自动控制电路？一、在无线通信中为什么要引入自动控制电路？ 高频电子线

3、路高频电子线路退出下页上页首页二二、反、反馈控制控制电路的路的组成及原理概述组成及原理概述 1、组成：反馈控制器、组成：反馈控制器+ 对象对象电路的输入量为电路的输入量为 ，输出量为，输出量为 ；反馈控制器的输入；反馈控制器的输入量为量为 ，输出量为，输出量为 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页2.2.控制过程：若控制过程：若 受某种因素的影响而受某种因素的影响而遭到遭到破坏，则反馈控制器就对破坏，则反馈控制器就对和和进行比较，检测出它们进行比较，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与预定关系之间的偏离程度，并产生相应的误差量 ，加到被控制对象上对加到被控制对象上对 进

4、行调节，使进行调节，使 和和之间接之间接近到预定的状态（关系），而进入稳定状态。近到预定的状态（关系），而进入稳定状态。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 需要比较和调节的参量为电压（电流），需要比较和调节的参量为电压（电流），和和为电压（电流）。为电压（电流）。 相应的相应的 需要比较和调节的参量为频需要比较和调节的参量为频和和为频率。为频率。 率则相应的率则相应的 需要比较和调节的参量为相位，需要比较和调节的参量为相位，和和为相位。为相位。 则相应的则相应的自动增益控制自动增益控制(Automatic Gain Control，简称简称AGC) 自动频率控制自动频率控制(Autom

5、atic Frequency Control，简称简称AFC) 自动相位控制自动相位控制(Phase Locked Loop，简称，简称PLL或锁相环或锁相环) 三、反馈控制电路的分类：三、反馈控制电路的分类： 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页11.2 自动增益控制电路自动增益控制电路(AGC) 在在通通信信、导导航航、遥遥测测遥遥控控系系统统中中, 由由于于受受发发射射功功率率大大小小、 收收发发距距离离远远近近、电电波波传传播播衰衰落落等等各各种种因因素素的的影影响响, 接接收收机机所所接接收收的的信信号号强强弱弱变变化化范范围围很很大大, 信信号号最最强强时时与与最最弱弱时时可可

6、相相差差几几十十分分贝贝。如如果果接接收收机机增增益益不不变变, 则则信信号号太太强强时时会会造造成成接接收收机机饱饱和和或或阻阻塞塞, 而而信信号号太太弱弱时时又又可可能能被被丢丢失失。因因此此, 必必须须采采用用自自动动增增益益控控制制电电路路, 使使接接收收机机的的增增益益随随输输入入信信号号强强弱弱而而变变化化。 这这是是接接收收机机中中几几乎乎不不可可缺缺少少的的辅辅助助电电路路。在在发发射射机机或或其其它它电电子子设设备备中中, 自动增益控制电路也有广泛的应用。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？一、在无线通信中为什么要引入自动增益控制电

7、路？ 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 设设输输入入信信号号振振幅幅为为Ux, 输输出出信信号号振振幅幅为为Uy, 可可控控增增益益放放大大器增益为器增益为g（uc）, 即其是控制信号即其是控制信号uc的函数的函数, 则有：则有： Uy=Ag(uc)Ux (11.1)11.2.1自动增益控制电路概述自动增益控制电路概述.电路组成框图电路组成框图反馈网络反馈网络 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页. 比较过程比较过程: 在在电电路路里里, 比比较较参参量量是是信信号号电电压压, 所所以以采采用用电电压压比比较较器器。 反反馈馈网网络络检检测测出出输输出出信信号号振振幅幅（平平均均电

8、电压压或或峰峰值值电电压压）, 滤滤去去不不需需要要的的较较高高频频率率分分量量, 然然后后进进行行适适当当放放大大后后与与恒恒定定的的参参考考电电平平UR比比较较, 产产生生一一个个误误差差信信号号ue。 控控制制信信号号发发生生器器在在这这里里可可看看作作是是一一个个比比例例环环节节, 增增益益为为1。 若若Ux减减小小而而使使Uy减减小小时时, 环环路路产产生生的的控控制制信信号号uc将将使使增增益益g增增大大, 从从而而使使Uy趋趋于于增增大大。若若Ux增增大大而而使使Uy增增大大时时, 环环路路产产生生的的控控制制信信号号uc将将使使增增益益g减减小小, 从从而而使使Uy趋趋于于减减

9、小小。无无论论何何种种情情况况, 通通过过环环路路不不断断地地循循环环反反馈馈, 都都应应该该使使输输出信号振幅出信号振幅Uy保持基本不变或仅在保持基本不变或仅在较小范围内变化。较小范围内变化。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页具有自动增益控制电路的超外差式接收机方框图如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图所示:6.1.1 检波器的输出信号包含有直流分量和低频交流分量，其中检波器的输出信号包含有直流分量和低频交流分量，其中直流电平直流电平的高低直接所接受的信号的强弱，的高低直接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而低频分量则反映出输入调幅波的包络，经络，

10、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电电压，去控制混频、高频放大器的增益，压，去控制混频、高频放大器的增益，UAGC大，说明输入信号强，大，说明输入信号强，用用UAGC其控制混频、高频放大器的增益使增益减小；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，用小，说明输入信号弱，用UAGC其控制混频、高频放大器的增益使其控制混频、高频放大器的增益使增益增大，达到自动增益控制的目的。增益增大，达到自动增益控制的目的。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页+UAGC11.2.3 AGC电压的产生方法：电压的产

11、生方法：一、两种基本的一、两种基本的AGC电压产生电路：电压产生电路：平均值式平均值式AGC电压产生电路电压产生电路二极管二极管D、C1、C2、RL1、RL2、Cc、Ri2构成检波器（避免负峰构成检波器（避免负峰切割）。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，构成低通滤波器取走检波器输出的直流平均分量，得到得到+UAGC电压，因为此电压的大小只与载波的振幅有关，而与电压，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。调幅度无关，因此它能反映输入信号的强弱。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 平均值平均值无无AGC电路电路有有AGC

12、电路电路 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页平均值式平均值式AGC电压产生电路的缺点：电压产生电路的缺点： 一有外来信号，一有外来信号，AGC就立刻起作用，接收机的增益就因就立刻起作用，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。电路。延迟式延迟式AGC电压产生电路（电压产生电路（了解内容了解内容）在延迟在延迟AGC电路里有一个电路里有一个起控门限起控门限,即比较器参考电压即比较器参考电压Ur,

13、它对应的输入信号振幅它对应的输入信号振幅Uimin,如右图所示。如右图所示。 动态范围动态范围 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页改变“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86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。这种电路由于需要延迟到这种电路由于需要延迟到xxmin之后才开始控制之后才开始控制作用作用, 故称为延迟。故称为延迟。 “延迟延迟”二字不是指时间上的延迟。二字不是指时间上的延迟。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 控控制制放放大大器器增增益益的的方方法法主主要要有有两两种

14、种: 一一种种方方法法是是通通过过改改变变放放大大器器本本身身的的某某些些参参数数, 如如发发射射极极电电流流、负负载载、电电流流分分配配比比、 恒恒流流源源电电流流、负负反反馈馈大大小小等等等等来来控控制制其其增增益益; 另另一一种种方方法是插入可控衰减器来改变整个放大器的增益。法是插入可控衰减器来改变整个放大器的增益。 11.2.4 实现实现AGC的方法的方法下面介绍两种常用的方法实现下面介绍两种常用的方法实现AGC电路。电路。 . 改变发射极电流改变发射极电流IE 晶体管放大器的增益取决于晶体管正向传输导纳晶体管放大器的增益取决于晶体管正向传输导纳|yfe|(或者或者), 而而|yfe|

15、又与晶体管工作点有关又与晶体管工作点有关, 所以所以, 改变发射极平均电流改变发射极平均电流E就可就可以使以使|yfe|随之改变随之改变, 从而达到控制放大器增益的目的。从而达到控制放大器增益的目的。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页图图6.1.4是晶体管是晶体管 特性曲线，其中实线是普通特性曲线，其中实线是普通晶体管特性，虚线是晶体管特性，虚线是AGC管特性。管特性。 简单简单AGC有有正向正向AGC和反向和反向AGC之分：之分： 所谓反向所谓反向AGC，是指当输入信号增强时，希望增益，是指当输入信号增强时，希望增益减小，则减小，则 应该减小，所以应该减小，所以 的变化方向与的变化方

16、向与减小，即减小，即 信号的变化方向相反。信号的变化方向相反。输入输入图6.1.4 晶体管 特性曲线 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 所谓的正向所谓的正向AGC，是，是指当输入信号增强时，若指当输入信号增强时，若使增益减小，使增益减小，应该增大，应该增大，图6.1.4 晶体管 特性曲线 的变化方向与输入的变化方向与输入所以所以信号的变化信号的变化方向相同。方向相同。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 AGC控制电压既可以从发射极送入，也可以从基极控制电压既可以从发射极送入，也可以从基极送入，如图送入，如图11.1.5所示。所示。 6.1.1图11.1.5 改变 的增益控制电路

17、 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 改变放大器负反馈深度实现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。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页两个二极管V4、V5和电阻e1、e2构成发射极负反馈,且有e1e2e,c1c2c。二极管4、5导通与否取决于e1和e2上的压降。当控制电压uc很小时,C3很小,流经e1和e2上的平均电流各为C3。如C3e小于二极管导通电压,则二极管、截止,这时差分放大器增益

18、最小,在满足深度负反馈条件时，双端输出增益可写成 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页当控制电压uc逐渐增大,C3增加,使C3e大于二极管导通电压,则、导通,导通电阻rd将随着导通电流ID的增加而减小。如e取值较大,随着C3的增加,二极管的分流作用越来越大,d越来越小,发射极等效电阻Re=rdRe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ucIC3IDrdReAg。这时的增益表达式为:Ag-(8.3.10)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。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页11.3 自动频率控制电路自动频率控制电路8.4

19、.1工作原理工作原理 自动频率控制（）电路由频率比较器、低通滤波器和可控频率器件三部分组成,其方框图如图841所示。电路的控制参量是频率。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。在前一种情况,鉴频器的中心角频率0起参考信号r的作用。在后一种情况,本振信号(角频率为L)先与输出信号(角频率为y)进行混频,然后再进行鉴频。参考信号r=0+L。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页11.3 11.3 自自动频率控制率控制电路（路（AFCAFC） 自动频率控制电路的控制对象是信号的频率。自动频率控制电路的控制对象是信号的频率。AFC电路的主要作用是自动控制振荡器的振荡频率。电路的主

20、要作用是自动控制振荡器的振荡频率。图图11.2是自动频率控制电路的原理方框图。是自动频率控制电路的原理方框图。 图11.2 自动频率控制电路原理框图 6.1.2 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页该框图的自动频率调整过程是：压控振荡器的频率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，控制电压频器无输出，控制电压 ，压控振荡器振荡频率不变；，压控振荡器振荡频率不变；与标称频率与标称频率 在鉴频器中进行比较。当在鉴频器中进行比较。当 时，鉴时，鉴当当时，鉴频器就有误差电压时，鉴频器就有误差电压 输出，这个误差输出，这个误差电压电压 正比于频率误差正比于频率误差 ，经过低通滤波器

21、滤除，经过低通滤波器滤除干扰及噪声后，得到控制电压干扰及噪声后，得到控制电压 ，利用控制电压，利用控制电压 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页控制压控振荡器的振荡频率，最终使压控振荡器的频率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发生变化；变化的结果使频率误差 减小到一定减小到一定值值，自动控制过程即停止，压控振荡器即稳定于，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）。称为稳态频率误差（剩余频率误差）。 6.1.2 高频电子线路高频电子线路退

22、出下页上页首页 11.3.3应用应用 电路应用较广,择其主要简介如下。 在调幅接收机中用于稳定中频频率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,为此常采用电路。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页11.4自动相位控制电路（自动相位控制电路（PLL） 锁锁相相环环路路也也是是一一种种以以消消除除频频率率误误差差为为目目的的的的反反馈馈控控制制电电路路。

23、但但它它的的基基本本原原理理是是利利用用相相位位误误差差电电压压去去消消除除频频率率误误差差, 所所以以当当电电路路达达到到平平衡衡状状态态之之后后, 虽虽然然有有剩剩余余相相位位误误差差存存在在, 但但频频率率误误差差可可以以降降低低到到零零, 从从而而实实现现无无频频差差的的频频率率跟跟踪踪和和相相位位跟跟踪踪。 而而且且, 锁锁相相环环还还具具有有可可以以不不用用电电感感线线圈圈、易易于于集集成成化化、性性能能优优越越等等许许多多优优点点, 因因此此广广泛应用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机等方面。泛应用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机等方面。 AFC控制电路的缺点：控制电路的缺

24、点： 电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。 由于它的由于它的基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差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所以当电路达到平衡状态之后状态之后, ,必然有剩余频率误差存在必然有剩余频率误差存在, , 即频差不可能为零。这是一个不即频差不可能为零。这是一个不可克服的缺点。可克服的缺点。PLLPLL控制电路的优点：控制电路的优点： 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页锁相环锁相环(Phase locked Loop,缩写为缩写为PLL）它由三个基本部件组成它由三个基本部件组成:鉴相器鉴相器

25、(Phase Detector,缩写为缩写为PD)；环路滤波器环路滤波器(Loop Filter,缩写为缩写为LF)；电压控制振荡器：电压控制振荡器：(Voltage Controlled Oscillator,缩写为缩写为VCO)11-1锁相环的基本构成11.4.1 锁相环的组成锁相环的组成 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页锁相环锁相环(Phase locked Loop,缩写为缩写为PLL）：）：它由三个基本部件组成它由三个基本部件组成:鉴相器鉴相器(Phase Detector,缩写为缩写为PD)；环路滤波器环路滤波器(Loop Filter,缩写为缩写为LF)；电压控制振荡器：

26、电压控制振荡器：(Voltage Controlled Oscillator,缩写为缩写为VCO)11-1锁相环的基本构成11.4.2 锁相环的基本工作原理锁相环的基本工作原理 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页设参考信号（输入信号）：若参考信号是未调载波时,则 r(t)=r=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： 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页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0(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

27、过PLL的相位跟踪，可实现输入与输出频率同步，频差为0，只有很小的稳态相差。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页一、 基本环路方程 1.鉴相器（PD）又称为相位比较器 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e(t)。 目的：输出的误差信号ud(t)是相差e(t)的函数，即正弦鉴相器模型11.4.3 锁相环的相位模型和环路方程锁相环的相位模型和环路方程 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页统一规定：以压控振荡器的载波相位0t作为参考相位输出信号uo(t)与参考信号ur为： uo(t)= Uocos0t+0(t)=Uocos0t+2(t) ur(t)=

28、Ursinrt+r(t)=Ursin0t+1(t)式中，2(t)=0(t) 1(t)=(r-0)t+r(t)=0t+r(t)滤除20分量,可得ud(t)=Udsin1(t)-2(t)=Udsine(t)因为 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页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。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页2.2.环路滤波器环路滤波器 环环路路滤滤波波器器(LF)(LF)是是一一个个线线性性低低通通滤滤波波器器, ,用用来来滤滤除除误误差差电电压压u ud d(t(t) )中中的的高高频频分分量量和和噪噪声声, ,更更重重要要

29、的的是是它它对对环环路路参参数数调调整整起到决定性的作用。起到决定性的作用。 它是一种线性系统，其模型如下。它是一种线性系统，其模型如下。图817环路滤波器的模型(a)时域模型;(b)频域模型 常用电路有常用电路有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源积积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源积分滤波器分滤波器 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页（1）RC积分滤波器 这是最简单的低通滤波器,电路如图 11-2所示,11-2RC积分滤波器的组成与频率特性(a)电路组成;(b)频率特性 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页其传递函数为：显然，从它的幅频和相频特性看出，它是一个低通网络，且相

30、位滞后。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器R1CR2vd（t）vc（t）无源比例积分无源比例积分滤波器滤波器其中：其中： , 通常通常R1R2有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器 如果将如果将K（s）中的中的s用微分算子用微分算子p替代，可写出滤波器的输出替代，可写出滤波器的输出电压电压 与输入信号与输入信号 之间的微分方程：之间的微分方程： 其中其中 为微分算子，为微分算子， 由由上上式式可可得得环环路路滤滤波波器器的的电电路模型如右图所示。路模型如右图所示。F(p)vd（t）vc（t）有有源源比比例例积积分滤波器分滤波器R1R2C-+ 高频电子线

31、路高频电子线路退出下页上页首页 3、压控振荡器（压控振荡器（VCO） 压控振荡器：压控振荡器：是瞬时频率是瞬时频率 控制的振荡器控制的振荡器。其控制特性可用压控特性曲线来描述，如右图所示。其控制特性可用压控特性曲线来描述，如右图所示。 ovc(t)c其中：其中： 时的固有振荡频率：时的固有振荡频率：K0：压控灵敏度压控灵敏度 由于由于VCO的输出反馈到鉴相器，而从锁相环的控制作用的输出反馈到鉴相器，而从锁相环的控制作用来看，来看，VCO对鉴相器起作用的不是其频率而是相位对鉴相器起作用的不是其频率而是相位，故对上，故对上式积分即可求出相位：式积分即可求出相位： 上式中：上式中：为积分算子为积分算

32、子 压控振荡器数学模型如图所示。压控振荡器数学模型如图所示。 KO/p 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 F(p)1(t) e(t) KO/p2(t)二、锁相环路相位模型和基本方程二、锁相环路相位模型和基本方程1、相位模型、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：来，即可构成锁相环路相位模型，如下图所示： 2、基本方程、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：微分方程： 环路的微分方程为：环路的微

33、分方程为： 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 3、环路工作的定性分析、环路工作的定性分析 设输入信号为固定频率的正弦信号（即设输入信号为固定频率的正弦信号（即 均为常量）均为常量）由于由于 有：有： 固有角频差固有角频差 代入环路的微分方程可得：代入环路的微分方程可得：上式左边第一项上式左边第一项环路的环路的瞬时角频差瞬时角频差。 左边第二项：左边第二项： 是是VCO受控制电压受控制电压Vc(t)的作用后输出的瞬时角频率的作用后输出的瞬时角频率 与固有振荡频率与固有振荡频率 之差，称为之差，称为控制角频差控制角频差。 由以上分析可得：由以上分析可得： 结论：闭合环路中任何时刻满足：结论

34、：闭合环路中任何时刻满足： 瞬时频差瞬时频差+控制频差控制频差=固有频差固有频差。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页三、锁相环路的工作原理三、锁相环路的工作原理 设设压压控控振振荡荡器器的的固固有有振振荡荡频频率率为为 ,而而当当环环路路闭闭合合瞬瞬间间，外外输输入入信信号号角角频频率率 与与 即即不不相相同同也也不不相相干干，则则鉴鉴相相器器输输出出的的差差拍电压为：拍电压为：失锁状态失锁状态 如果环路固有角频差如果环路固有角频差 环路低通滤波器的通频带环路低通滤波器的通频带 则差拍电压则差拍电压 将被滤除，而不能形成控制电压将被滤除，而不能形成控制电压 因为闭合瞬间控制电压因为闭合

35、瞬间控制电压uc=0,故压控振荡器输出角频率故压控振荡器输出角频率即：即：环路的瞬时频差环路的瞬时频差= 固有频差固有频差环路此时处于失锁状态。环路此时处于失锁状态。则则 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页锁定状态锁定状态 由于由于 很接近很接近 ，所以，所以 很可能摆动到很可能摆动到 上，当上，当 时：相位差时：相位差 如果如果 十分接近十分接近 ，即固有频差，即固有频差 ，则差拍电压，则差拍电压 不会被环路滤波器滤除而形成控制电压不会被环路滤波器滤除而形成控制电压 ，去控制压，去控制压控振荡器，控振荡器，VCO产生中心频率为产生中心频率为 的调频信号的调频信号VCO的瞬时振荡频率的瞬

36、时振荡频率 将以将以 为中心在一定范围内来回摆为中心在一定范围内来回摆动，即环路产生了控制频差动，即环路产生了控制频差 此此时时鉴鉴相相器器输输出出电电压压是是一一个个较较小小的的直直流流电电压压，环环路路进进入入锁锁定状态。定状态。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页牵引捕捉状态牵引捕捉状态 如果令如果令: 另有另有 其中其中 显然显然 不再是一个正弦电压，而是一个上下不对称的不再是一个正弦电压，而是一个上下不对称的差拍电压；经环路滤波后有直流电压差拍电压；经环路滤波后有直流电压 加到加到VCO的的 控制端，从而使控制端，从而使 的偏移增大，使的偏移增大，使 更接更接 ,上述过程持续直

37、上述过程持续直到到 ，环路进入锁定状态。，环路进入锁定状态。 vdt当当 介于上述两者之间时，如果介于上述两者之间时，如果VCO的瞬时的瞬时频率频率 围绕围绕 为中心摆动的范围小，至使为中心摆动的范围小，至使 不可能不可能摆动到摆动到 处时，环路不能立即入锁。此时处时，环路不能立即入锁。此时VCO输出的调输出的调频波，其调制频率就是差拍频率，与输入信号频波，其调制频率就是差拍频率，与输入信号 经鉴相器经鉴相器PD鉴相，输出一个正弦波与调频波的差拍电压：鉴相，输出一个正弦波与调频波的差拍电压： 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页跟踪状态跟踪状态当环路已处于锁定状态后，如果当环路已处于锁定状

38、态后，如果 的频率和相位的频率和相位有稍变化时，有稍变化时， 例如：例如： 则则 直到直到 ，状态锁定为止。，状态锁定为止。 evd同理如果同理如果 则则 直到直到 ，状态锁定为止。，状态锁定为止。 cvc 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页由以上的讨论已知,锁相环路具有以下几个重要特性: (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r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v=r。(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

39、)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。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 11.4 锁相环的典型应用锁相环的典型应用1、锁相倍频、锁相倍频 在在锁相环路的反馈通道中插入分频器就可构成锁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相倍频电路。如下图所示：。如下图所示： i(t) PD PD LF LFVCOvi(t)vo(t)o(t)o(t)/N当环路锁定时，鉴相器两输入信号频率相等。当环路锁定时，鉴相器两输入信号频率相等。即有：即有：式中式中N为分频器的倍频比。为分频器的倍频比。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页

40、 2、锁相分频：、锁相分频： 在在锁相环路中插入倍频器就可构成锁相分频电路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：如下图所示： i(t) PD PD LF LFVCOvi(t)vo(t)o(t)No(t)当环路锁定时：当环路锁定时： 式中式中N为倍频器的倍频次数。为倍频器的倍频次数。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 3、锁相混频器、锁相混频器 设混频器的本振信号频率为设混频器的本振信号频率为L ，在，在Lo时混时混频器的输出频率为（频器的输出频率为（L-o），），经差频放大器后加到经差频放大器后加到鉴相器上。鉴相器上。 当环路锁定时当环路锁定时 o(t)i(t)L(t)

41、 PDPD LF LFVCOvi(t)vo(t)|L(t)-o(t)| 混频混频差频放大差频放大 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 4、频率合成器、频率合成器 频率合成器是利用一个标准信号源的频率来产生一频率合成器是利用一个标准信号源的频率来产生一系列所需频率的技术。系列所需频率的技术。锁相环路加上一些辅助电路后，锁相环路加上一些辅助电路后，就能容易地对一个标准频率进行加、减、乘、除运算就能容易地对一个标准频率进行加、减、乘、除运算而产生所需的频率信号，且合成后的信号频率与标准而产生所需的频率信号，且合成后的信号频率与标准信号频率具有相同的长期频率稳定度及具有较好的频信号频率具有相同的

42、长期频率稳定度及具有较好的频率纯度率纯度，如果结合单片微机技术，可实现自动选频和，如果结合单片微机技术，可实现自动选频和频率扫描。频率扫描。 锁相式单环频率合成器基本组成如下图所示：锁相式单环频率合成器基本组成如下图所示： 当环路锁定后，鉴相器两路输入频率相等当环路锁定后，鉴相器两路输入频率相等即：即： 当当N改变时，输出信号频率相应为改变时，输出信号频率相应为fi 的整数倍变化。的整数倍变化。 PD PD LF LFVCOvi(t)vo(t)fi(t)fo(t)fo(t)/N晶振晶振fi(t)/M 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 环环C例：下图为三环式频率合成器方框图例：下图为三环

43、式频率合成器方框图已知：已知： 求输出信号频率范围及频率间隔求输出信号频率范围及频率间隔 环环A环环BPDPDLFLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDPDLFLFVCOfi(t)fB(t)fA(t)/NBPDPDLFLFVCO混频混频 带通带通fo(t)fc(t)fo-fB 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页解：解： 而而 而环路而环路C为混频环，为混频环，即当环路锁定时：即当环路锁定时： 有有 当当NA=300，NB=351时，时， 当当NA=301，NB=351时，时， 因此频率间隔：因此频率间隔： PDPDLFLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDPDLF

44、LFVCOfi(t)fB(t)fB(t)/NBPDPDLFLFVCO混频混频带通带通fo(t)fc(t)fo-fB而当而当 =399， =397时输出频率最高。时输出频率最高。 所以，合成器的频率范围为：（所以，合成器的频率范围为：（35.440.099）MHz 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 5、锁相环调频电路、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,锁相环调锁相环调频电路如下图所示。环路滤波器的带宽必须很窄，

45、截至频率应小频电路如下图所示。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。于调制信号的频率。 fi(t)晶晶振振 PD PD LF LF VCOfo(t)调调 频频波波f(t)调制信号调制信号+ 当调制信号为锯齿波时，可输出扫频信号。当调制信号为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（数字脉冲时，可产生移频键控调制（FSK信号）信号） 调制信号作为调制信号作为VCO控制电压的一部分使其频率产生相应的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。变化，由此在输出端得到已调频信号。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页

46、 6、锁相解调电路、锁相解调电路 (1)、调频波解调、调频波解调下图是用锁相环实现调频波解调的原理框图。下图是用锁相环实现调频波解调的原理框图。 如如果果将将环环路路的的频频带带设设计计的的足足够够宽宽，使使环环路路捕捕捉捉带带大大于于调调频频波波的的最最大大频频偏偏，利利用用锁锁相相环环的的跟跟踪踪特特性性，可可以以使使VCO的的振振荡荡频频率率跟跟踪踪输输入入调调频频波波的的瞬瞬时时频频率率。如如果果VCO的的电电压压-频频率率特特性性是是线线形形的的，则则加加到到VCO的的控控制制电电压压的的变变化化规规律律必必与与调调频频波波的的瞬瞬时时频频率率变变化化规规律律相相同同，因因此此在在L

47、F的的输输出出端端可可获获得得不不失失真真的的解解调调输输出出。调调频频波波锁锁相相解解调调的的优优点点是是解解调调门门限限值值比比普普通通鉴鉴相器低相器低45dB。PDPDLFLFVCOVFM(t)调频波调频波V(t)调制信号调制信号 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 (2)、AM信号的同步检波信号的同步检波 下图是用锁相环实现下图是用锁相环实现AM信号同步检波的原理框图。信号同步检波的原理框图。 PD PD LF LF VCOVAM(t)调幅波调幅波V(t)调制信号调制信号/2移项移项同步检波同步检波 当环路工作在载波跟踪状态时，当环路工作在载波跟踪状态时，VCO输出频率与环路输出

48、频率与环路输入已调信号的载波相同，但存在输入已调信号的载波相同，但存在/2的固定相移。的固定相移。 因此，经过因此，经过/2移项后变成与输入已调信号的载频相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。能得到解调信号输出。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页BG322、X38、CD4046、MC1404b。 5.3单片集成锁相环电路单片集成锁相环电路模拟锁相环路：模拟锁相环路： NE560、NE561、562、565 L562、L564、SL565、KD801、KD802、KD8041等

49、。等。数字锁相环路：数字锁相环路： 一、一、NE562 NE562（国国内内同同类类产产品品L562、KD801、KD8041）是是目目前前广广泛应用的一种多功能单片锁相环路。泛应用的一种多功能单片锁相环路。 1NE562组成框图组成框图 NE562是最高工作频率可达是最高工作频率可达30MHz的通用型集成锁相环。的通用型集成锁相环。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页定时电容定时电容CrPDLF限幅限幅VCOA1A2A312111523415678910131416Vcc外接环路滤波外接环路滤波器器RC元件元件去加重去加重-VEE跟踪跟踪范围范围偏压偏压输出输出FM解调解调输出输出VC

50、O输出输出 反馈反馈信号输入信号输入信号输入信号输入 NE562123456789101112131415 16PD（鉴相器）：采用双平衡模拟乘法器鉴相器）：采用双平衡模拟乘法器 LF：13、14脚可外接脚可外接RC元件构成环路滤波器。元件构成环路滤波器。 VCO：是射极定时的压控多谐振荡器，定时电容由是射极定时的压控多谐振荡器，定时电容由5、6脚外脚外接电容。接电容。限限幅幅器器：是是与与VCO串串接接的的一一级级控控制制电电路路，7脚脚注注入入电电流流的的大大 小可以控制环路的跟踪范围。小可以控制环路的跟踪范围。 放放大大器器A1、A2、A3：作作为为隔隔离离，缓缓冲冲放放大大器器，10脚

51、脚用用于于外外接接去去加加重重电电容容 。当当环环路路用用于于解解调调时时，A1，A2的的放放大大作作用用可可以以提提高高9脚脚输输出出的的解解调调信信号号的的电电平平值值。既既可可以以保保证证VCO的的频频稳稳度度，又又放放大大了了VCO的的输输出出电电压压，使使3、4脚脚输输出出的的电电压压幅幅度度增增大大到到约约4.5V，以满足以满足PD对对VCO信号电压幅度的要求。信号电压幅度的要求。 11，12脚：外接输入信号。脚：外接输入信号。 VCO输输出出3、4脚脚与与PD的的反反馈馈信信号号输输入入端端2、15脚脚之之间间，可可外外接其它部件以发挥多功能作用。接其它部件以发挥多功能作用。 高

52、频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 2NE562的使用说明的使用说明 (1) 输输入入信信号号从从11、12脚脚输输入入时时，应应采采用用电电容容耦耦合合，以以避避免影响输入端的直流电位，要求容抗免影响输入端的直流电位，要求容抗 输入电阻（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，以提高交流接地，以提高PD增益。增益。 (2)环路滤波的设计环路滤波的设计 NE562常用的环路滤波器有下图所示的四种形式：常用的环路滤波器有下图所示的四种形式： NE562RCRCCfCf1314NE562RCRCCf13

53、14CfNE562RCRCCf1314RfRfNE562RCRCCf1314RfPDLF限幅限幅VCOA1A2A312111523415678910131416Vcc外接环路滤波外接环路滤波器器RC元件元件去加重去加重-VEE跟踪跟踪范围范围偏压偏压输出输出FM解调解调输出输出VCO输出输出 反馈反馈信号输入信号输入信号输入信号输入 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页13、14脚的外接电路与脚的外接电路与NE562内部的内部的PD负载电阻负载电阻Rc共同构共同构成积分滤波器。成积分滤波器。 一般已知一般已知Rc=6 K , 通常选在通常选在50200 之间，根据所要之间，根据所要求设计的

54、环路滤波器截至频率求设计的环路滤波器截至频率 可计算出可计算出 值：值：对图对图(a): 对图对图(b): 对图对图(c): 对图对图(d): NE562RCRCCfCf1314NE562RCRCCf1314CfNE562RCRCCf1314RfRfNE562RCRCCf1314Rf 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 (3)VCO的输出方式与频率调整的输出方式与频率调整1VOC信信号号输输出出端端3、4脚脚与与地地之之间间应应当当接接上上数数值值相相等等的的射射极极电电阻阻，阻阻值值一一般般为为212 K ,使使内内部部射射极极输输出出器器的的平平均均电电流流不不超过超过4mA. 2当

55、当VCO输输出出需需与与逻逻辑辑电电路路连连接接时时，必必须须外外接接电电平平移移动动电电路路，使使VCO输输出出端端12V的的直直流流电电平平移移到到某某一一低低电电平平值值上上，并并使输出方波符合逻辑电平要求，工作频率可达到使输出方波符合逻辑电平要求，工作频率可达到20MHz。 图（图（a）为实用的单端输出，为实用的单端输出，图图（b）为为实实用用的的双双端端驱驱动的电平移动电路，动的电平移动电路，NE56234图（图（a）5v输出到输出到逻辑电逻辑电平平NE5623416图（图（b）5v18v输出到输出到逻辑电逻辑电平平 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页3VCO的的频频率率及及其

56、其跟跟踪踪范范围围能能调调整整与与控控制制。VCO频频率率的的调调整整，除除采采用用直直接接调调节节与与定定时时电电容容并并联联的的微微变变电电容容外外，还还有有如下图所示的方法：如下图所示的方法： NE562568RRCTEA图图(a)图图(a) 电电路路的的VCO的的工工作频率为：作频率为： 其中其中 V时时VCO的的为为 固有振荡频率，改变固有振荡频率，改变值，振荡频率相对变化。值，振荡频率相对变化。 NE56256810K10KCT图图(b)NE56256810K10KCT5K图图(c)图图(b)、(c)，可可将将VCO频频率率扩扩展展到到30MHz以以上上，（c）可可用用外外接接电位

57、器电位器 微调频率。微调频率。 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 (4)PD的反馈输入与环路增益控制方式的反馈输入与环路增益控制方式 PD的的反反馈馈输输入入方方式式一一般般采采用用单单端端输输入入工工作作方方式式，如如右右图图所所示示，1脚脚的的+7.7V电电压压经经R（2 K）分分别别加加到到反反馈馈输输入入端端2、15脚脚作作为为IC内内部部电电路路基基极极的的偏偏压压，而而且且1脚脚到到地地接接旁旁路路电电容容，反反馈馈信信号号从从VCO的的3脚脚输输出出，并并经经分分压压电电阻阻取取样样后后，通通过过耦耦合合电电容加到容加到2脚构成闭环系统。脚构成闭环系统。 环环路路增增益益

58、还还普普遍遍采采用用在在13、14脚脚并并接接电电阻阻 的的方方式式，此此时的环路总增益为：时的环路总增益为： 的单位为的单位为 可以抵消因可以抵消因 上升而使上升而使 过大造成过大造成的工作不稳定性。的工作不稳定性。 NE56211523CCCB77VR2kR2kR111kR21k 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页 (5)解调输出方式解调输出方式 当当NE562用用作作FM信信号号的的解解调调时时，解解调调信信号号由由脚脚输输出出，此此时时脚脚需需外外接接一一个个电电阻阻到到地地（或或负负电电源源）作作为为NE562内内部部电电路路的的射射极极负负载载，电电阻阻数数值值要要合合适适（

59、常常取取15k）以以确确保保内内部部射射极极输出电流不超过输出电流不超过5mA，另外另外脚应外加重电容。脚应外加重电容。 PDLF限幅限幅VCOA1A2A312111523415678910131416Vcc外接环路滤波外接环路滤波器器RC元件元件去加重去加重-VEE跟踪跟踪范围范围偏压偏压输出输出FM解调解调输出输出VCO输出输出 反馈反馈信号输入信号输入信号输入信号输入 高频电子线路高频电子线路退出下页上页首页3、NE562应用实例应用实例 NE562内内部部限限幅幅器器集集电电极极电电流流受受7脚脚外外接接电电路路的的控控制制，一一般般7脚脚注注入入电电流流增增加加，则则内内部部限限幅幅器器集集电电流流减减少少，VCO跟跟踪踪范范围围小小；反反之之则则跟跟踪踪范范围围增增大大。当当脚脚注注入入电电流流大大于于0.7mA时时，内内部部限限幅幅器器截截至至，VCO的的控控制制被被截截断断，VCO处处于于失失控控自自由由振振荡荡工工作作状状态（系统失锁）。态（系统失锁）。 跟踪范围跟踪范围控制控制RfRf11K1K 16 15 14 13 12 11 10 9 NE562 1 2 3 4 5 6 7 8 CTCCCCCBCfCfRLVCC12K1K1K0.10.10.1FM输入输入解调输出解调输出