1、高頻電子線路高頻電子線路 第第7 7章章 反饋控制電路反饋控制電路 主要內容主要內容 ： 自動增益控制電路自動增益控制電路AGC(Automatic Gain Control )AGC(Automatic Gain Control ) 自動頻率控制電路自動頻率控制電路AFC(Automatic Frequency ControlAFC(Automatic Frequency Control ) ) 自動相位控制電路自動相位控制電路APC(Automatic Phase Control )APC(Automatic Phase Control ) 頻率合成器頻率合成器 高頻電子線路高頻電子線路

2、前面各章分別介紹了放大電路、前面各章分別介紹了放大電路、 振蕩電路、振蕩電路、 調制電路和調制電路和 解調電路。由這些功能電路可以組成一個完整的通信系統或其解調電路。由這些功能電路可以組成一個完整的通信系統或其 它電子系統它電子系統, , 但是這樣組成的系統其性能不一定完善。但是這樣組成的系統其性能不一定完善。例如例如, , 在調幅接收機中在調幅接收機中, , 天線上感應的有用信號的強度往往由于電波天線上感應的有用信號的強度往往由于電波 傳播衰落等原因會有較大的起伏變化傳播衰落等原因會有較大的起伏變化, , 導致放大器輸出信號時導致放大器輸出信號時 強時弱不規則變化強時弱不規則變化, , 有時

3、還會造成阻塞。又如有時還會造成阻塞。又如, , 在通信系統中在通信系統中, , 收發兩地的載頻應保持嚴格同步收發兩地的載頻應保持嚴格同步, , 使輸出中頻穩定使輸出中頻穩定, , 而要做到而要做到 這一點也比較困難。這一點也比較困難。 一、在無線通信中為什么要引入自動控制電路？一、在無線通信中為什么要引入自動控制電路？ 第第7 7章章 反反 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 二、反饋控制電路的組成及原理概述二、反饋控制電路的組成及原理概述 1、組成：反饋控制器、組成：反饋控制器+ 對象對象 o x電路的輸入量為電路的輸入量為 ，輸出量為，輸出量為 ；反饋控制器的輸入；反饋

4、控制器的輸入 量為量為 ，輸出量為，輸出量為 e x i x o x 第第7 7章章 反反 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 2.2.控制過程：若控制過程：若 受某種因素的影響而受某種因素的影響而遭到遭到 oi xg x 破壞，則反饋控制器就對破壞，則反饋控制器就對xo和和xi進行比較，檢測出它們進行比較，檢測出它們 與預定關系之間的偏離程度，并產生相應的誤差量與預定關系之間的偏離程度，并產生相應的誤差量xe， xe加到被控制對象上對加到被控制對象上對xo進行調節，使進行調節，使xi 和和xo 之間接近之間接近 到預定的狀態（關系），而進入穩定狀態。到預定的狀態（關系），

5、而進入穩定狀態。 第第7 7章章 反反 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 需要比較和調節的參量為需要比較和調節的參量為電壓（電流），電壓（電流）， 相應的相應的xi和和xo為電壓（電流）。為電壓（電流）。 需要比較和調節的參量為頻需要比較和調節的參量為頻 i x和和 o x為為頻率。頻率。 率則相應的率則相應的 需要比較和調節的參量為相位，需要比較和調節的參量為相位，和和為為相位相位。 則相應的則相應的 i x o x 自動增益控制自動增益控制(Automatic Gain Control(Automatic Gain Control，簡稱，簡稱AGC) AGC) 自動頻

6、率控制自動頻率控制(Automatic Frequency Control(Automatic Frequency Control，簡稱，簡稱AFC) AFC) 自動相位控制自動相位控制(Phase Locked Loop(Phase Locked Loop，簡稱，簡稱PLLPLL或鎖相環或鎖相環) ) 三、反饋控制電路的分類：三、反饋控制電路的分類： 第第7 7章章 反反 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 在通信、導航、遙測遙控系統中在通信、導航、遙測遙控系統中, , 由于受發射功率大小、由于受發射功率大小、 收發距離遠近、電波傳播衰落等各種因素的影響收發距離遠近、電波

7、傳播衰落等各種因素的影響, , 接收機所接接收機所接 收的信號強弱變化范圍很大收的信號強弱變化范圍很大, , 信號最強時與最弱時可相差幾十信號最強時與最弱時可相差幾十 分貝。如果接收機增益不變分貝。如果接收機增益不變, , 則信號太強時會造成接收機飽和則信號太強時會造成接收機飽和 或阻塞或阻塞, , 而信號太弱時又可能被丟失。因此而信號太弱時又可能被丟失。因此, , 必須采用自動增必須采用自動增 益控制電路益控制電路, , 使接收機的增益隨輸入信號強弱而變化。使接收機的增益隨輸入信號強弱而變化。 這是這是 接收機中幾乎不可缺少的輔助電路。在發射機或其它電子設備接收機中幾乎不可缺少的輔助電路。在

8、發射機或其它電子設備 中中, , 自動增益控制電路也有廣泛的應用。自動增益控制電路也有廣泛的應用。 一、在無線通信中為什么要引入自動增益控制電路？一、在無線通信中為什么要引入自動增益控制電路？ 7.17.1 自自 動動 增增 益益 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 設輸入信號振幅為設輸入信號振幅為U Ux x, , 輸出信號振幅為輸出信號振幅為U Uy y, , 可控增益放大可控增益放大 器增益為器增益為g g（u uc c）, , 即其是控制信號即其是控制信號u uc c的函數的函數, , 則有：則有： U Uy y=A=Ag g(u(uc c)U)Ux x (7.1)

9、 (7.1) 二、二、AGCAGC電路組成框圖電路組成框圖 反饋網絡反饋網絡 7.17.1 自自 動動 增增 益益 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 . . 比較過程比較過程: :在電路里在電路里, , 比較參量是信號電壓比較參量是信號電壓, , 所以采用電壓比較器。所以采用電壓比較器。 反饋網絡檢測出輸出信號振幅（平均電壓或峰值電壓）反饋網絡檢測出輸出信號振幅（平均電壓或峰值電壓）, , 濾去不需要的較高頻率濾去不需要的較高頻率 分量分量, , 然后進行適當放大后與恒定的參考電平然后進行適當放大后與恒定的參考電平UR比較比較, , 產生一個誤差信號產生一個誤差信號ue。

10、 控制信號發生器在這里可看作是一個比例環節控制信號發生器在這里可看作是一個比例環節, , 增益為增益為1 1。 若若Ux減小而使減小而使Uy減減 小時小時, , 環路產生的控制信號環路產生的控制信號uc將使增益將使增益g增大增大, , 從而使從而使Uy趨于增大。若趨于增大。若Ux增大增大 而使而使Uy增大時增大時, , 環路產生的控制信號環路產生的控制信號uc將使增益將使增益g減小減小, , 從而使從而使Uy趨于減小。趨于減小。 無論何種情況無論何種情況, , 通過環路不斷地循環反饋通過環路不斷地循環反饋, , 都應該使輸出信號振幅都應該使輸出信號振幅Uy保持基本不保持基本不 變或僅在較小范圍

11、內變化。變或僅在較小范圍內變化。 高頻電子線路高頻電子線路 具有自動增益控制電路的超外差式接收機方框圖如具有自動增益控制電路的超外差式接收機方框圖如圖所示圖所示: 檢波器的輸出信號包含有直流分量和低頻交流分量，其中檢波器的輸出信號包含有直流分量和低頻交流分量，其中直流電平直流電平 的高低直接說明所接受的信號的強弱，的高低直接說明所接受的信號的強弱，而低頻分量則反映出輸入調幅波的而低頻分量則反映出輸入調幅波的 包絡，經包絡，經RCRC低通濾波器取出的直流分量經直流放大器放大后就是低通濾波器取出的直流分量經直流放大器放大后就是AGCAGC電電 壓，去控制混頻、高頻放大器的增益，壓，去控制混頻、高頻

12、放大器的增益，U UAGC AGC 大，說明輸入信號強，大，說明輸入信號強， 用用U UAGC AGC 其控制混頻、高頻放大器的增益使增益減??；其控制混頻、高頻放大器的增益使增益減??；U UAGC AGC 小，說明輸入信號弱，用小，說明輸入信號弱，用U UAGC AGC 其控制混頻、高頻放大器的增益使其控制混頻、高頻放大器的增益使 增益增大，達到自動增益控制的目的。增益增大，達到自動增益控制的目的。 高頻電子線路高頻電子線路 +UAGC 三、三、AGCAGC電壓的產生方法：電壓的產生方法： 1.1.兩種基本的兩種基本的AGCAGC電壓產生電路：電壓產生電路： 平均值式平均值式AGCAGC電壓產

13、生電路電壓產生電路 二極管二極管D D、C C1 1、C C2 2、R RL1 L1、 、R RL2 L2、 、CcCc、R Ri2 i2構成檢波器（避免負峰 構成檢波器（避免負峰 切割）。切割）。R R2 2、C C3 3構成低通濾波器取走檢波器輸出的直流平均分量，構成低通濾波器取走檢波器輸出的直流平均分量， 得到得到+U+UAGC AGC電壓，因為此電壓的大小只與載波的振幅有關，而與 電壓，因為此電壓的大小只與載波的振幅有關，而與 調幅度無關，因此它能反映輸入信號的強弱。調幅度無關，因此它能反映輸入信號的強弱。 7.17.1 自自 動動 增增 益益 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線

14、路高頻電子線路 平均值平均值 無無AGC電路電路 有有AGC電路電路 7.17.1 自自 動動 增增 益益 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 平均值式平均值式AGCAGC電壓產生電路的缺點：電壓產生電路的缺點： 一有外來信號，一有外來信號，AGCAGC就立刻起作用，接收機的增益就因就立刻起作用，接收機的增益就因 受控而減小，這對提高接收機的靈敏度是不利的，這一點對微受控而減小，這對提高接收機的靈敏度是不利的，這一點對微 弱信號的接受尤其不利。為了克服這個缺點，可采用延遲式弱信號的接受尤其不利。為了克服這個缺點，可采用延遲式 AGCAGC電路。電路。 延遲式延遲式AGCAG

15、C電壓產生電路（電壓產生電路（了解內容了解內容） Uo 0 Ui Uomin Uomax UiminUimax 在延遲在延遲AGCAGC電路里有一個電路里有一個 起控門限起控門限, ,即比較器參考電壓即比較器參考電壓Ur, , 它對應的輸入信號振幅它對應的輸入信號振幅Uimin, , 如右圖所示。如右圖所示。 動態范圍動態范圍 7.17.1 自自 動動 增增 益益 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 至信號 檢波 延遲 電壓 VCC C1 R1 R C AGC電壓 V D 改變“延遲電壓” 可改變門限的大小 低通濾波器 VD、C1、R1組成 AGC檢波器圖86 延遲AGC電

16、路 可見，只有放大器的輸出大于延遲電壓后，即輸入信號可見，只有放大器的輸出大于延遲電壓后，即輸入信號 幅度大于門限電壓時，幅度大于門限電壓時，AGCAGC檢波器才工作。檢波器才工作。 這種電路由于需要延遲到這種電路由于需要延遲到x xxminxmin之后才開始控制之后才開始控制 作用作用, , 故稱為延遲。故稱為延遲。 “延遲延遲”二字不是指時間上的延遲。二字不是指時間上的延遲。 7.17.1 自自 動動 增增 益益 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 四、實現四、實現AGCAGC的方法的方法 (1) (1) 改變發射極電流改變發射極電流I IE E 正向正向AGCAGC

17、反向反向AGCAGC (2) (2) 改變放大器負載改變放大器負載 由于放大器的增益與負載密切相關，因此通過改由于放大器的增益與負載密切相關，因此通過改 變負載就可以控制放大器的增益變負載就可以控制放大器的增益 。 通過控制負反饋的深度來控制放大器的增益。通過控制負反饋的深度來控制放大器的增益。 7.17.1 自自 動動 增增 益益 饋饋 控控 制制 電電 路路 (3) (3) 改變放大器的負反饋深度改變放大器的負反饋深度 12 0 fe u p p Y A g 普通晶體管 AGC電路反向AGC 正向AGC o fe Y E I EQ I 高頻電子線路高頻電子線路 AGCAGC控制電壓既可以從

18、發射極送入，也可以從基極控制電壓既可以從發射極送入，也可以從基極 送入，如圖送入，如圖2所示。所示。 圖圖2 改變改變 E I的增益控制電路的增益控制電路 7.17.1 自自 動動 增增 益益 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 7.17.1 自自 動動 增增 益益 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 改變放大器負反饋深度實現改變放大器負反饋深度實現AGC:AGC: 集成電路中常用的發射極負反饋增益控制電路。集成電路中常用的發射極負反饋增益控制電路。V V1 1和和V V2 2 組成差分放大器。信號從組成差分放大器。信號從V V1 1、V V2 2的兩個

19、基極雙端輸入的兩個基極雙端輸入, , 從兩個從兩個 集電極雙端輸出集電極雙端輸出, , 控制信號控制信號u uc c從從V V3 3管基極注入。管基極注入。 7.17.1 自自 動動 增增 益益 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 兩個二極管兩個二極管V V4 4 、V V5 5和電阻和電阻e1 e1、 、e2 e2構成發射極負反饋 構成發射極負反饋, , 且有且有e1 e1 e2 e2 e e, , c1c1c2 c2 c c。 二極管二極管4 4、5 5導導 通與否取決于通與否取決于e1 e1和 和e2 e2上的壓降。 上的壓降。 當控制電壓當控制電壓u uc c很小時

20、很小時, , C3 C3很小 很小, , 流經流經e1 e1和 和e2 e2上的平均 上的平均 電流各為電流各為C3 C3。 。 如如C3 C3 e e小于二極管導通電壓小于二極管導通電壓, , 則則 二極管二極管 、 、 截止 截止, , 這時差分放大器增益最小這時差分放大器增益最小, ,在滿足深度在滿足深度 負反饋條件時，雙端輸出增益可寫成負反饋條件時，雙端輸出增益可寫成 e c ming R R A 7.17.1 自自 動動 增增 益益 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 當控制電壓當控制電壓u uc c逐漸增大逐漸增大, ,C3增加增加, , 使使C3e大于大于 二

21、極管導通電壓二極管導通電壓, , 則則 、 、 導通 導通, , 導通電阻導通電阻rd將隨著導將隨著導 通電流通電流ID的增加而減小。的增加而減小。 如如e取值較大取值較大, , 隨著隨著C3的增加的增加, , 二極管的分流作二極管的分流作 用越來越大用越來越大, , d越來越小越來越小, , 發射極等效電阻發射極等效電阻Re=rdRe也越也越 來越小來越小, , 負反饋作用越來越弱負反饋作用越來越弱, , 差分放大器增益越來越大差分放大器增益越來越大, , 控制過程為控制過程為ucIC3IDrdReAg。這時的增益。這時的增益 表達式為表達式為: : 可見可見, , 利用這種電路進行增益控制

22、時利用這種電路進行增益控制時, , 控制電壓控制電壓uc應隨著應隨著 輸入信號增大而減小。見教材輸入信號增大而減小。見教材P276P276圖圖7.1.5 7.1.5 e C R R Ag 7.17.1 自自 動動 增增 益益 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 7.2.1 7.2.1 自動頻率控制電路（自動頻率控制電路（AFCAFC）工作原理）工作原理 自動頻率控制電路的控制對象是信號的頻率。目的是使自動頻率控制電路的控制對象是信號的頻率。目的是使 輸出的輸出的振蕩頻率保持穩定振蕩頻率保持穩定,一般指維持載頻的穩定性一般指維持載頻的穩定性。圖。圖1是是 自動頻率控制電路的原

23、理方框圖。自動頻率控制電路的原理方框圖。 7.27.2 自自 動動 頻頻 率率 饋饋 控控 制制 電電 路路 圖圖1 roDc ffSu-= SD：鑒頻器的靈敏度，：鑒頻器的靈敏度，SD越大說明鑒頻器的靈敏度越高，輸出頻率越大說明鑒頻器的靈敏度越高，輸出頻率fo偏離偏離 單位單位fr時的輸出電壓越大。時的輸出電壓越大。 高頻電子線路高頻電子線路 7.27.2 自自 動動 頻頻 率率 饋饋 控控 制制 電電 路路 壓控振蕩器振蕩頻率不變壓控振蕩器振蕩頻率不變fo； 該框圖的自動頻率調整過程是：該框圖的自動頻率調整過程是：壓控振蕩器的頻率壓控振蕩器的頻率 頻器無輸出，控制電壓頻器無輸出，控制電壓u

24、c=0 ， o f 與標稱頻率與標稱頻率 r f 在鑒頻器中進行比較。在鑒頻器中進行比較。當當 時時，鑒，鑒 ro ff roDc ffSu-= 高頻電子線路高頻電子線路 控制壓控振蕩器的振蕩頻率，最終使壓控振蕩器的頻率控制壓控振蕩器的振蕩頻率，最終使壓控振蕩器的頻率 o f 發生變化；變化的結果使頻率誤差發生變化；變化的結果使頻率誤差 or ff減小到一定減小到一定 值值f，自動控制過程即停止，壓控振蕩器即穩定于，自動控制過程即停止，壓控振蕩器即穩定于 or fff 的頻率上，環路進入鎖定狀態。鎖定狀態的的頻率上，環路進入鎖定狀態。鎖定狀態的 f 稱為穩態頻率誤差（剩余頻率誤差）。稱為穩態頻

25、率誤差（剩余頻率誤差）。 當當 ro ff時時，鑒頻器就有誤差電壓，鑒頻器就有誤差電壓uD 輸出，這個誤差輸出，這個誤差 電壓電壓uD 正比于頻率誤差正比于頻率誤差 or ff，經過低通濾波器濾除，經過低通濾波器濾除 干擾及噪聲后，得到控制電壓干擾及噪聲后，得到控制電壓uc ，利用控制電壓，利用控制電壓uc roDc ffSu-= 高頻電子線路高頻電子線路 AFCAFC控制電路的缺點：控制電路的缺點： AFC AFC電路是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路是以消除頻率誤差為目的的反饋控制 電路。電路。 由于它的基本原理是利用頻率誤差電壓去消由于它的基本原理是利用頻率誤差電壓去消 除頻率誤差除頻

26、率誤差, , 所以當電路達到平衡狀態之后所以當電路達到平衡狀態之后, ,必然有必然有 剩余頻率誤差存在剩余頻率誤差存在, , 即頻差不可能為零。這是一個即頻差不可能為零。這是一個 不可克服的缺點。不可克服的缺點。 7.27.2 自自 動動 頻頻 率率 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 AFC電路應用較廣電路應用較廣, , 擇其主要簡介如下。擇其主要簡介如下。 . . 在調幅在調幅接收機接收機中用于穩定中頻頻率中用于穩定中頻頻率 超外差式接收機是一種主要的現代接收系統。超外差式接收機是一種主要的現代接收系統。 它是利用它是利用 混頻器將不同載頻的高頻已調波信號先變成載頻為固

27、定中頻的混頻器將不同載頻的高頻已調波信號先變成載頻為固定中頻的 已調波信號已調波信號, , 再進行中頻放大和解調。其整機增益和選擇性主再進行中頻放大和解調。其整機增益和選擇性主 要取決于中頻放大器的性能要取決于中頻放大器的性能, , 所以，所以， 這就要求中頻頻率穩定這就要求中頻頻率穩定 要高要高, , 為此常采用電路。為此常采用電路。 7.27.2 自自 動動 頻頻 率率 饋饋 控控 制制 電電 路路 7.2.2 AFC電路的應用：電路的應用： 高頻電子線路高頻電子線路 7.27.2 自自 動動 頻頻 率率 饋饋 控控 制制 電電 路路 鑒頻器的中鑒頻器的中 心頻率是心頻率是I IoDc S

28、u-= o L= c+ I 通過鑒頻器的控制電壓通過鑒頻器的控制電壓uc控制壓控振蕩器的輸出頻率穩定控制壓控振蕩器的輸出頻率穩定 在在L上，從而維持中頻放大器的載頻上，從而維持中頻放大器的載頻c的穩定性。的穩定性。 高頻電子線路高頻電子線路 n晶體振蕩器提供標準頻率晶體振蕩器提供標準頻率fr，調頻振蕩器的中心頻率為調頻振蕩器的中心頻率為fc；鑒頻鑒頻 器的中心頻率調在器的中心頻率調在(frfc)上。由于上。由于fr穩定度很高，當穩定度很高，當fc發生漂移時，發生漂移時， 混頻器輸出的頻差也跟隨變化，使限幅鑒頻器輸出電壓發生變化，混頻器輸出的頻差也跟隨變化，使限幅鑒頻器輸出電壓發生變化， 經濾波

29、器后的誤差電壓加到調頻振蕩器上，調節其振蕩頻率使之經濾波器后的誤差電壓加到調頻振蕩器上，調節其振蕩頻率使之 中心頻率穩定。中心頻率穩定。 AFCAFC應用應用調頻發射機調頻發射機 7.27.2 自自 動動 頻頻 率率 饋饋 控控 制制 電電 路路 高頻電子線路高頻電子線路 AFCAFC控制電路的缺點：控制電路的缺點： 電路是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路。電路是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路。 由于它由于它 的基本原理是利用頻率誤差電壓去消除頻率誤差的基本原理是利用頻率誤差電壓去消除頻率誤差, , 所以當電路達到所以當電路達到 平衡狀態之后平衡狀態之后, ,必然有剩余頻率誤差存在必然有

30、剩余頻率誤差存在, , 即頻差不可能為零。這是即頻差不可能為零。這是 一個不可克服的缺點。一個不可克服的缺點。 鎖相環路也是一種以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路。但鎖相環路也是一種以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路。但 它的基本原理是它的基本原理是利用相位誤差電壓去消除頻率誤差利用相位誤差電壓去消除頻率誤差, , 所以當電路達所以當電路達 到平衡狀態之后到平衡狀態之后, , 雖然有剩余相位誤差存在雖然有剩余相位誤差存在, , 但頻率誤差可以降低但頻率誤差可以降低 到零到零, , 從而從而實現無頻差的頻率跟蹤和相位跟蹤實現無頻差的頻率跟蹤和相位跟蹤。 而且而且, , 鎖相環還具鎖相環還具 有可

31、以不用電感線圈、易于集成化、性能優越等許多優點有可以不用電感線圈、易于集成化、性能優越等許多優點, , 因此廣因此廣 泛應用于通信、雷達、制導、導航、儀表和電機等方面。泛應用于通信、雷達、制導、導航、儀表和電機等方面。 PLL PLL (Phase locked Loop,縮寫為縮寫為PLL）控制電路的優點：控制電路的優點： 7.37.3 鎖鎖 相相 環環 路路 PLLPLL 高頻電子線路高頻電子線路 一、鎖相環的組成部件一、鎖相環的組成部件 PLLPLL是一個相位負反饋系統，可對輸入信號的頻率與相位實是一個相位負反饋系統，可對輸入信號的頻率與相位實 施跟蹤施跟蹤。 )( )( )( VCO

32、LF PD 壓壓控控振振蕩蕩器器 環環路路濾濾波波器器 鑒鑒相相器器 三個基本部分構成一個負反饋環。三個基本部分構成一個負反饋環。 PD PD LF LFVCO vr(t) vd(t) vc(t) vo(t) r(t) o(t) e(t) vo(t) PD PD LF LFVCO 7.3.1 鎖相環路基本原理鎖相環路基本原理 (Phase Detector,縮寫為縮寫為PD)； (Loop Filter,縮寫為縮寫為LF) (Voltage Controlled Oscillator,縮寫為縮寫為VCO) 參考信號或參考信號或 輸入信號輸入信號 高頻電子線路高頻電子線路 設輸入信號（參考信號）

33、：設輸入信號（參考信號）：( )cos( ) rrrr u tUtt 若參考信號是未調載波時若參考信號是未調載波時, ,則則 r(t)= r =常數。設輸出信號為常數。設輸出信號為 00 ( )cos( ) oo utUtt 兩信號之間的瞬時相差為：兩信號之間的瞬時相差為： 0000 ( )()( )()( ) errrr tttttt 由頻率和相位之間的關系可得兩信號之間的瞬時頻差為：由頻率和相位之間的關系可得兩信號之間的瞬時頻差為： 0 ( )( ) eo r dtdt dtdt 7.3.1 鎖相環路基本原理鎖相環路基本原理 高頻電子線路高頻電子線路 鎖定后兩信號之間的相位差表現為一鎖定后

34、兩信號之間的相位差表現為一 固定的穩態值。即固定的穩態值。即 ( ) lim0 e t dt dt 此時此時, ,輸出信號的頻率已偏離了原來的輸出信號的頻率已偏離了原來的自由振蕩頻率自由振蕩頻率0 0( (控控 制電壓制電壓uc(t)=0時的頻率時的頻率),),其偏移量為：其偏移量為： 這時輸出信號的工作頻率已變為這時輸出信號的工作頻率已變為: : 0 000 ( ) ( ) r dtd tt dtdt 結論：結論：通過通過PLLPLL的的相位相位跟蹤，可實現跟蹤，可實現輸出輸出與與輸入輸入頻率同步頻率同步， 頻差為頻差為0 0，只有很小的穩態相差。即輸出總是跟蹤只有很小的穩態相差。即輸出總是

35、跟蹤 輸入的頻率。輸入的頻率。 0 0 ( ) r dt dt 0 ( )( ) eo r dtdt dtdt 7.3.1 鎖相環路基本原理鎖相環路基本原理 0 ( )( ) eo r dtdt dtdt 高頻電子線路高頻電子線路 1.1.鑒相器鑒相器（PD）又稱為相位比較器又稱為相位比較器 ui(t) uo(t) LPF ud(t) 正弦鑒相器模型正弦鑒相器模型 7.3.2 鎖鎖 相相 環環 的的 數數 學學 模模 型型 一、一、 基本環路方程基本環路方程 功能：用來比較兩個輸入信號（參考信號功能：用來比較兩個輸入信號（參考信號ur(t)與與uo(t)）之）之 間的相位差間的相位差e(t)。

36、 ( )( ) de utft 目的：輸出的誤差信號目的：輸出的誤差信號ud(t)是相差是相差e(t)的函數，即的函數，即 高頻電子線路高頻電子線路 統一規定：以壓控振蕩器的載波相位統一規定：以壓控振蕩器的載波相位0t作為參考相位作為參考相位 輸出信號輸出信號uo(t)與參考信號與參考信號ur為為： uo(t)= Uocos0t+0(t) =Uocos0t+2(t) ur(t)=Ursinrt+r(t)=Ursin0t+1(t) 式中式中，2(t)=0(t) 1(t)=(r-0)t+r(t)=0t+r(t) 濾除濾除20分量分量,可得可得 ud(t)=Udsin1(t)-2(t)=Udsine

37、(t) 0201 12021 2 2 cos( )sin( ) sin( )( )sin( )( ) or or UttUtt U U ttttt 因為因為 7.3.2 鎖鎖 相相 環環 的的 數數 學學 模模 型型 高頻電子線路高頻電子線路 線性鑒相器的頻域數學模型線性鑒相器的頻域數學模型 2 2 3 2 2 03 2 2 e(t) Ud(t) 正弦鑒相器的鑒相特性正弦鑒相器的鑒相特性 1(t) 2(t) e(t) Udsin() Udsine(t) 因此，鑒相器的數學模型和鑒相特性表示如下。因此，鑒相器的數學模型和鑒相特性表示如下。 7.3.2 鎖鎖 相相 環環 的的 數數 學學 模模 型

38、型 當滿足當滿足 的條件下，的條件下，)30( 6 )t( e R2 有源比例積分濾波器有源比例積分濾波器 1 2 1 2 1 2 1 f d C s s1 csR csR1 R sc 1 R Z Z u u )s(F + = + = + = )s(V)s(F)s(V dc 有有 ud（t） uc（t） 有源比例積有源比例積 分濾波器分濾波器 R1 R2 C - + 7.3.2 鎖鎖 相相 環環 的的 數數 學學 模模 型型 高頻電子線路高頻電子線路 由上式可得環路濾波器的電路模型如右圖所示。由上式可得環路濾波器的電路模型如右圖所示。 F(p) ) t (u d)t (u)p(K)t (u d

39、c = )s(u)s(F)s(u dc =有有 dt d p 其中其中 為微分算子。為微分算子。 如果將如果將K（s）中的中的s用微分算子用微分算子p替代，可寫出濾波器的輸出替代，可寫出濾波器的輸出 電壓電壓 與輸入信號與輸入信號 之間的微分方程：之間的微分方程： ) t (vc ) t (vd)t (u)p(K)t (u dc = 7.3.2 鎖鎖 相相 環環 的的 數數 學學 模模 型型 高頻電子線路高頻電子線路 3. 壓壓 控控 振振 蕩蕩 器器（VCO） 壓控振蕩器：壓控振蕩器：是瞬時頻率是瞬時頻率 控制的振蕩器控制的振蕩器。 其控制特性可用壓控特性曲線來描述，如右圖所示。其控制特性可

40、用壓控特性曲線來描述，如右圖所示。 )t(u)t( cc 受受電電壓壓 o uc(t) c )t(uK c00c += 其中：其中： 0uVCO c0 =在在：為為 時的固有振蕩頻率時的固有振蕩頻率： S rad K0：壓控靈敏度壓控靈敏度 VS rad 由于由于VCO的輸出反饋到鑒相器，而從鎖相環的控制作用的輸出反饋到鑒相器，而從鎖相環的控制作用 來看，來看，VCOVCO對鑒相器起作用的不是其頻率而是相位對鑒相器起作用的不是其頻率而是相位，故對上式，故對上式 積分即可求出相位：積分即可求出相位： t 0 20c t 0 00c )t (tdt)t (uKtdt)t (+=+= t 0 c 0

41、 c02 )t(u p K dt)t(uK)t(= 上式中：上式中： dt p 1 t 0 為積分算子為積分算子 高頻電子線路高頻電子線路 3、壓壓 控控 振振 蕩蕩 器器（VCO） 壓控振蕩器數學模型如圖所示。壓控振蕩器數學模型如圖所示。 KO/p)t (uc )t( 2 t 0 c 0 c02 )t(u p K dt)t(uK)t(= 高頻電子線路高頻電子線路 F(p) 1(t) e(t) sinkd KO/p 2(t) )t (sinku edd = ) t (u)p(F) t (u dc = p ) t (u K) t ( c o2 = 二、鎖相環路相位模型和基本方程二、鎖相環路相位模

42、型和基本方程 1 1、相位模型、相位模型 將上述鎖相環的三個基本部件的模型按環路組成框圖聯接起將上述鎖相環的三個基本部件的模型按環路組成框圖聯接起 來，即可構成鎖相環路來，即可構成鎖相環路相位相位模型，如下圖所示：模型，如下圖所示： 2 2、基本方程、基本方程 根據鎖相環路相位模型，可得到以相位形式表示的基本根據鎖相環路相位模型，可得到以相位形式表示的基本 微分方程：微分方程： ) t () t ( 21e )t (sin)p(Fkk p 1 )t ( p )t (u k)t ( edo1 c 01 = 環路的微分方程為：環路的微分方程為： )t(p)t(sin)p(Fkk)t(p )t(si

43、n)p(Fkk)t(p)t(p 1ed0e ed01e 或或 高頻電子線路高頻電子線路 3 3、環路工作的定性分析、環路工作的定性分析 由于由于 i0i0i1 tt )()t ( 有：有： oi )t( dt d )t(p 011 固有角頻差固有角頻差: :表示輸入信號的角頻率表示輸入信號的角頻率i偏離壓控振蕩器的固偏離壓控振蕩器的固 有角頻率有角頻率o的數值。的數值。 上式左邊第一項上式左邊第一項 dt ) t (d e cie )t (=環路的環路的瞬時角頻差瞬時角頻差。 代入環路的微分方程代入環路的微分方程 )t(p)t(sin)p(Fkk)t(p 1ed0e 0ed0 e )t (si

44、n)p(Fkk dt )t (d 可得：可得： 設輸入信號為固定頻率的正弦信號（即設輸入信號為固定頻率的正弦信號（即 均為常量）均為常量） ii , 瞬時角頻差瞬時角頻差: :表示壓控振蕩器的角頻率表示壓控振蕩器的角頻率c偏離輸入信號偏離輸入信號 角頻率角頻率i 的數值。的數值。 高頻電子線路高頻電子線路 3 3、環路工作的定性分析、環路工作的定性分析 oi1 )t(p-= 固有角頻差固有角頻差 左邊第二項：左邊第二項： )t (sin)p(Fkk ed0 )t(p 2 c0cc0 )t (uk=- 0ed0 e )t (sin)p(Fkk dt )t (d 設輸入信號為固定頻率的正弦信號（即

45、設輸入信號為固定頻率的正弦信號（即 均為常量）均為常量） ii , )t(u p K )t( c 0 2 = c 控制角頻差控制角頻差：表示表示VCO受控制電壓受控制電壓uc(t)的作用后輸出的瞬時的作用后輸出的瞬時 角頻率角頻率 偏離偏離VCO固有振蕩頻率固有振蕩頻率 的數值。的數值。 o 0oioccice )t (=+=+）（）（ 結論：閉合環路中任何時刻滿足：結論：閉合環路中任何時刻滿足： 瞬時頻差瞬時頻差+ +控制頻差控制頻差= =固有頻差固有頻差。 上式左邊第一項上式左邊第一項 dt ) t (d e cie )t (=環路的環路的瞬時角頻差瞬時角頻差。 )t (uk c00c +

46、= 控制角頻差控制角頻差 瞬時角頻差瞬時角頻差 固有角頻差固有角頻差控制角頻差控制角頻差 高頻電子線路高頻電子線路 3 3、環路工作的定性分析、環路工作的定性分析 0oioccice )t (=+=+）（）（ 結論：閉合環路中任何時刻滿足：結論：閉合環路中任何時刻滿足： 瞬時頻差瞬時頻差+ +控制頻差控制頻差= =固有頻差固有頻差。 瞬時角頻差瞬時角頻差 固有角頻差固有角頻差控制角頻差控制角頻差 高頻電子線路高頻電子線路 三、鎖相環路的工作原理三、鎖相環路的工作原理 設壓控振蕩器的固有振蕩頻率為設壓控振蕩器的固有振蕩頻率為 , ,而當環路閉合瞬間，外而當環路閉合瞬間，外 輸入信號角頻率輸入信號

47、角頻率 與與 即不相同也不相干。即不相同也不相干。 0 0 i 失鎖狀態失鎖狀態 如果環路固有角頻差如果環路固有角頻差 環路低通濾波器的通頻帶環路低通濾波器的通頻帶 0 LF BW 則差拍電壓則差拍電壓 將被濾除，而不能形成控制電壓將被濾除，而不能形成控制電壓 )t(ud)t (uc 0 因為閉合瞬間控制電壓因為閉合瞬間控制電壓uc=0,故壓控振蕩器輸出角頻率故壓控振蕩器輸出角頻率 , occ 0 即：即：環路的瞬時頻差環路的瞬時頻差= =固有頻差固有頻差，VCOVCO的輸出頻率的輸出頻率 c=oi ,輸出頻率無法與輸入頻率同步，輸出頻率無法與輸入頻率同步，環路此時環路此時 處于失鎖狀態。處于

48、失鎖狀態。 0ce )t ( 則則 0e )t( 0oioccice )t (=+=+）（）（ 高頻電子線路高頻電子線路 鎖定狀態鎖定狀態 如果如果 十分接近十分接近 ，即固有頻差，即固有頻差 ，則差拍電壓，則差拍電壓 不會被環路濾波器濾除而形成控制電壓不會被環路濾波器濾除而形成控制電壓 ，去控制壓，去控制壓 控振蕩器控振蕩器，VCO產生中心頻率為產生中心頻率為 的調頻信號，頻率為的調頻信號，頻率為c c 0 )(tuc)(tud LFO BW i 0 三、鎖相環路的工作原理三、鎖相環路的工作原理 )t (uK c00c += 0oioccice )t (=+=+）（）（ 體會體會1 1：因為

49、固有角頻差因為固有角頻差o不變，在控制電壓不變，在控制電壓uc( (t) )的控的控 制下，制下，VCOVCO的角頻率的角頻率c c逐步向輸入角頻率逐步向輸入角頻率i靠近，導致瞬靠近，導致瞬 時角頻差時角頻差e減小，則控制角頻差減小，則控制角頻差c c增大，直至增大，直至VCOVCO的的 角頻率角頻率c c等于輸入角頻率等于輸入角頻率i，即瞬時角頻差，即瞬時角頻差e=0，此此 時控制角頻差達到最大時控制角頻差達到最大cmax cmax= = o o固有角頻差。環路固有角頻差。環路 進入進入鎖定狀態鎖定狀態。 高頻電子線路高頻電子線路 三、鎖相環路的工作原理三、鎖相環路的工作原理 鎖定狀態鎖定狀

50、態 體會體會2 2：當環路進入鎖定狀態時瞬時角頻差當環路進入鎖定狀態時瞬時角頻差e=0，而而 de/dt=e ,則可以判定瞬時相位差則可以判定瞬時相位差e為固定值，稱之為剩為固定值，稱之為剩 余相位誤差或穩態相位誤差余相位誤差或穩態相位誤差e，在這個穩態相位誤差，在這個穩態相位誤差 e e的作用下使得鑒相器輸出一個較小的直流控制電壓的作用下使得鑒相器輸出一個較小的直流控制電壓 Uc, ,正是這個控制電壓使得正是這個控制電壓使得VCOVCO的輸出頻率的輸出頻率c c= =輸入角頻率輸入角頻率 i，將環路鎖定在這個狀態。如此穩態的循環下去。，將環路鎖定在這個狀態。如此穩態的循環下去。 )t (uK

51、 c00c += 0oioccice )t (=+=+）（）（ 高頻電子線路高頻電子線路 四、環路進入鎖定狀態的特點（四、環路進入鎖定狀態的特點（補充補充） 1.1.壓控震蕩受到環路的控制，其振蕩頻率從最初的的固有壓控震蕩受到環路的控制，其振蕩頻率從最初的的固有 角頻率角頻率o o變為：變為：c(t)=o+kokdF(p)sine =o+o=i 即：壓控振蕩器輸出信號的角頻率能跟蹤輸入信號角頻率即：壓控振蕩器輸出信號的角頻率能跟蹤輸入信號角頻率i。 2.2.環路鎖定后，沒有剩余頻差，只有剩余相差。環路鎖定后，沒有剩余頻差，只有剩余相差。 輸入信號與壓控振蕩器之間存在一個固定的剩余相位差輸入信號

52、與壓控振蕩器之間存在一個固定的剩余相位差e 3.3.環路處于鎖定時，鑒相器輸出電壓為直流，即環路處于鎖定時，鑒相器輸出電壓為直流，即ue(t)=kdsine 4.4.環路處于鎖定時，剩余相位差可由公式環路處于鎖定時，剩余相位差可由公式 kokdF(p)sine= o 求得求得 ， )p(Fk arcsin )p(Fkk arcsin p o do o e = Kpkd= kokd叫環路的直流增益，通常稱為環路增益，單位為叫環路的直流增益，通常稱為環路增益，單位為rad/srad/s 高頻電子線路高頻電子線路 五、鎖相環路的自動調節過程五、鎖相環路的自動調節過程 原則：鎖相環路根據初始狀態的不同

53、有兩種自動調節過程原則：鎖相環路根據初始狀態的不同有兩種自動調節過程. . 1.1.若環路初始狀態為失鎖狀態，通過自身的調節，使得壓控振蕩若環路初始狀態為失鎖狀態，通過自身的調節，使得壓控振蕩 器頻率逐步向輸入信號頻率靠近，當達到一定程度后環路即能進器頻率逐步向輸入信號頻率靠近，當達到一定程度后環路即能進 入鎖定，這種由失鎖進入鎖定過程稱為入鎖定，這種由失鎖進入鎖定過程稱為“捕捉過程捕捉過程”。 2.2.若環路初始狀態為鎖定狀態，當若環路初始狀態為鎖定狀態，當輸入信號的頻率和相位發生變化輸入信號的頻率和相位發生變化時，時， 環路通過自身的調節，來維持鎖定的過程，稱為環路通過自身的調節，來維持鎖

54、定的過程，稱為“跟蹤過程跟蹤過程”。 “跟蹤過程跟蹤過程”是鎖相環路正常工作時常見的情況。是鎖相環路正常工作時常見的情況。 能夠保持跟蹤的最大輸入固有頻差范圍，稱為同步帶或跟蹤帶，能夠保持跟蹤的最大輸入固有頻差范圍，稱為同步帶或跟蹤帶， 常用常用H表示。表示。 能夠由失鎖進入鎖定的最大輸入固有頻差范圍，稱為捕捉帶帶，能夠由失鎖進入鎖定的最大輸入固有頻差范圍，稱為捕捉帶帶， 常用常用P表示。表示。 見教材見教材P285-286P285-286 高頻電子線路高頻電子線路 (1)(1)環路鎖定后環路鎖定后, ,沒有剩余頻差。壓控振蕩器的輸出頻率嚴格沒有剩余頻差。壓控振蕩器的輸出頻率嚴格 等于輸入信號

55、的頻率。等于輸入信號的頻率。 (2)(2)跟蹤特性。環路鎖定后跟蹤特性。環路鎖定后, ,當輸入信號頻率當輸入信號頻率i稍有變化稍有變化 時時,VCO,VCO的頻率立即發生相應的變化的頻率立即發生相應的變化, ,最終使最終使VCOVCO輸出頻率輸出頻率 c= =i。 (3)(3)濾波特性。鎖相環通過環路濾波器的作用濾波特性。鎖相環通過環路濾波器的作用, ,具有窄帶濾波具有窄帶濾波 特性特性, ,能夠將混進輸入信號中的噪聲和雜散干擾濾除。能夠將混進輸入信號中的噪聲和雜散干擾濾除。 (4)(4)易于集成化。組成環路的基本部件都易于采用模擬集成易于集成化。組成環路的基本部件都易于采用模擬集成 電路。環

56、路實現數字化后電路。環路實現數字化后, ,更易于采用數字集成電路。更易于采用數字集成電路。 鎖相環路具有以下幾個重要特性鎖相環路具有以下幾個重要特性: : 高頻電子線路高頻電子線路 n模擬環（模擬環（APLLAPLL） n通用型：通用型：VCOVCO，PDPD，（，（+ +放大器）放大器） n專用型專用型 n具有解調功能具有解調功能 n數字環（數字環（DPLLDPLL） n通用型：通用型：VCOVCO，PDPD，（，（+ +分頻器）分頻器） n專用型專用型 n用于頻率合成器用于頻率合成器 n模擬環模擬環 n雙極型：雙極型：0-50MHz0-50MHz n數字環數字環 n雙極型：雙極型：0-25

57、0MHz0-250MHz nCMOSCMOS：0-25MHz0-25MHz 7.3.4 集集 成成 鎖鎖 相相 環環 芯芯 片片 一、集成鎖相環的分類一、集成鎖相環的分類 集成鎖相環按其工作頻率可分為：集成鎖相環按其工作頻率可分為： 低頻（低頻（1MHz1MHz以下）、高頻（以下）、高頻（1-30MHz1-30MHz）和超高頻（）和超高頻（30MHz30MHz以上）以上） 幾種通用的集成鎖相環幾種通用的集成鎖相環 L565L565（低頻）、（低頻）、L562L562（高頻）和（高頻）和L564L564（超高頻）（超高頻） 高頻電子線路高頻電子線路 n工作頻率可達工作頻率可達30MHz30MHz

58、；VCOVCO采用射極耦合多諧振蕩器采用射極耦合多諧振蕩器 nA A2 2解調放大器解調放大器 7.3.4 集集 成成 鎖鎖 相相 環環 芯芯 片片 二、二、L562L562 高頻電子線路高頻電子線路 n工作頻率達到工作頻率達到50MHz50MHz n更適于作調頻信號和移頻鍵控信號解調器的通用器件更適于作調頻信號和移頻鍵控信號解調器的通用器件 NE564NE564 7.3.4 集集 成成 鎖鎖 相相 環環 芯芯 片片 高頻電子線路高頻電子線路 n工作頻率可達工作頻率可達500KHz500KHz nVCOVCO采用積分施密特觸發型多諧振蕩器采用積分施密特觸發型多諧振蕩器 nR,CR,C為定時電阻

59、和定時電容為定時電阻和定時電容 SL565SL565集成鎖相環集成鎖相環 7.3.4 集集 成成 鎖鎖 相相 環環 芯芯 片片 高頻電子線路高頻電子線路 7.3.5 鎖相環的典型應用鎖相環的典型應用 1 1、鎖相倍頻、鎖相倍頻( (補充補充) ) 在在鎖相環路的反饋通道中插入分頻器就可構成鎖鎖相環路的反饋通道中插入分頻器就可構成鎖 相倍頻電路相倍頻電路。如下圖所示：。如下圖所示： i(t) PD PD LF LFVCO vi(t)vo(t) o(t) o(t)/N N 當環路鎖定時，鑒相器兩輸入信號頻率相等。當環路鎖定時，鑒相器兩輸入信號頻率相等。 即有：即有： ii N N 0 0 式中式中

60、N N為分頻器的倍頻比。為分頻器的倍頻比。 高頻電子線路高頻電子線路 7.3.5 鎖相環的典型應用鎖相環的典型應用 鎖相倍頻的優點鎖相倍頻的優點( (補充補充) )： 鎖相倍頻具有良好的窄帶濾波特性，容易得到高鎖相倍頻具有良好的窄帶濾波特性，容易得到高 純度的頻率輸出；而在普通倍頻器的輸出中，經常純度的頻率輸出；而在普通倍頻器的輸出中，經常 出現諧波干擾。出現諧波干擾。 鎖相環路具有良好的跟蹤特性和濾波特性，鎖相鎖相環路具有良好的跟蹤特性和濾波特性，鎖相 倍頻器特別適用于輸入信號頻率在較大范圍內漂移，倍頻器特別適用于輸入信號頻率在較大范圍內漂移， 并同時伴有噪聲的情況，這樣的環路兼有倍頻和跟并