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专业选修课本课程基本内容：了解无线系统中常用的自动控制电路（AGC、AFC、APC），着重介绍应用最为广泛的APC（锁相）电路。基本要求：按时上课，认真听讲，认真完成布置的作业；考试：开卷考试，本课程成绩：15% 出勤 15%课后作业 10% 大作业60% 期末考试第一章 绪论一.锁相频率合成技术的重要性和必要性变换电视频道并看到清晰的图像；随心所欲的选择不同的电台，收听悦耳的立体声广播；把深埋在噪声中的有用信号提取出来，从而使地面接收设备正确接收卫星，宇宙飞船等距离地球非常遥远空间飞行体发回来的信息。锁相环已成为通信、雷达、导航，深空探测，无线通信和电子仪器不可缺少的部分，锁相技术已成为每个电子工程师必须掌握的基础知识。振荡器是电子设备的心脏。从互感耦合三点式考比兹克拉泼西勒晶体振荡器由于？原因，限制了晶体振荡器的频率。基音晶体振荡器的频率不超过？泛音晶体振荡器可提高晶振的频率，通常最高用到？次泛音四点必要性(1)在数字电路中，时钟频率不稳定会引起时序关系的混乱 (2)如果通信系统的频率不稳定，会给接受带来极大的困难 (3)测量器的基准频率不稳定，会引起测量误差(4)空间技术的发展对频率源的频率稳定度要求更为严格：例如要实现与火星通信，频率的相对误差不能大于数量级，倘若给距离地球5600万千米的卫星定位，要求频率的相对误差不能大于数量级。高稳定度、高纯度频率源现在已经成为电子产品领域的一个重要部分，在无线通信系统中，对振荡器的频率提出了越来越高的要求，高稳定度的本振源，也是由锁相技术来保证的。为了获得高纯频谱的振荡源，必须利用锁相与频率合成技术，而锁相是借助于反馈控制实现的。反馈控制电路（AGC、AFC、APC）是一种自动调节系统，其作用是在系统受到扰动的情况下，通过反馈电路控制作用的调节，使系统的某个参数达到所需的精度，或按一定的规律变化。整个反馈控制系统是一个闭环系统，通过不断地反馈、比较, 输出控制信号，从而对受控器件的特性进行修正，使系统性能优良并达到稳定状态。反馈控制是现代系统中的一种重要的技术手段。在现代通信系统和电子设备中,为了提高技术性能,或者实现某些特殊的高指标要求，广泛采用上述反馈控制回路。1）例如，对于车载接收设备来说，接收机相对于发射机的距离及周围环境时刻在改变，接收天线上感应到的信号强弱将不断地、无规则地变化。若采用自动增益控制电路，使放大器的增益能够随信号强弱变化，使输出信号电平基本稳定，可克服应用固定增益放大器输出信号时强时弱的缺点。2）对通信系统来说，传送信息的载波信号通常采用高频振荡信号，而一个高频振荡信号含有三个基本参数，即振幅、频率和相位。在传送信息时,发射信号可用振幅调制、频率调制和相位调制。对于反馈控制电路来说，也就是实现对这三个参数的分别控制，即自动振幅控制、自动频率控制和自动相位控制。一般来说，反馈控制系统通常由5部分组成，即参考部件、比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络。反馈系统的框图。图91 反馈控制电路的组成方框图参考部件用于产生标准物理量，为系统的输入信号；比较部件产生误差信号；控制部件产生控制信号；可控部件产生输出物理量；扰动代表各种使输出量变动的因素，反馈网络的作用是从受控信号中提取进行比较的分量并送比较器。反馈控制电路的基本工作原理整个反馈控制系统是一个闭环系统，系统的输入量是反馈控制器的比较标准量。根据实际工作的需要，每个反馈控制电路的和之间都具有确定的关系，假设。如果由于某种原因这一关系遭到破坏，则比较器就能够通过对和的比较，检测出输出量和输入量的关系偏离的程度，从而产生相应的误差量，由控制部件转化为 ，并将其加到受控对象上。控制对象根据对输出量进行调节，使输出量和输入量之间的关系接近或恢复到预定的关系。通过不断地反馈、比较, 输出控制信号，从而对受控器件的特性进行修正，使系统性能优良并达到稳定状态。反馈控制系统之所以能够控制参量，使之稳定，其主要原因在于它能够利用存在着的误差来减小误差。因此当扰动引起误差时，反馈控制系统只能把误差减小或者说减到很小，但不能完全消除误差。下面以空调的温控系统为例，来说明闭环自动控制系统的工作过程。我们用遥控器设置空调温度时，就在空调的控制板上形成了一个与这个温度相对应的电信号，这个电信号就是输入量。感温头（温度传感器）用来测量环境温度，形成反馈信号，只要反馈信号和输入信号表示的温度不相等时，空调就产生冷风和热风，使房间温度向预定温度方向变化。此温度控制系统中，房间温度是输出量。反馈控制系统之所以能够控制参量，使之稳定，其主要原因在于它能够利用存在着的误差来减小误差。因此当扰动引起误差时，反馈控制系统只能把误差减小或者说减到很小，但不能完全消除误差。无线系统中的反馈控制电路根据无线电技术中的反馈控制电路所控制的对象参数不同，反馈电路可以分为以下三类。自动增益控制电路（Automatic Gain Control，简称AGC）需要比较和调节的参量为电压或电流，则相应的和为电压或电流。自动频率控制电路（Automatic Frequency Control，简称AFC），需要比较和调节的参量为频率，则相应的和为频率。自动相位控制电路(Automatic Phase Control，简称APC) 需要比较和调节的参量为相位，则相应的和为相位。自动相位控制电路又称为锁相环路(Phase Locked Loop，简称PLL)，是应用最广的一种反馈控制电路，目前市场上有大量的集成组件可供选用。本课程将重点介绍它的工作原理、性能特点及主要应用。以下各节将分别介绍上述3种反馈控制电路。自动增益控制电路（AGC电路）自动增益控制电路（AGC电路）是接收机的重要辅助电路之一。其主要功能是根据输入信号电平的大小，调整接收机的增益，从而使输出信号电平保持稳定。 原因：在各种通信系统中，由于受发射机功率、收发距离远近、电波传播衰落等各种因素的影响，接收机所接收的信号强弱变化范围很大，信号最强时与最弱时可相差几十分贝。结果：如果接收机增益不变，则信号太强时会造成饱和和阻塞，而信号太弱时又可能丢失。目标：希望接收机的增益能随输入信号的强弱而变化，信号强时，则增益低；信号弱时，则增益高。对于强弱变化较大的信号采用自动增益控制，才能实现正常接收。图92 自动增益控制电路组成的方框图由图可见，自动增益控制电路由反馈控制器和控制对象两部分构成。反馈控制器由电平检测器、低通滤波器、直流放大器、电压比较器和控制信号发生器组成；控制对象就是可控增益放大器。其增益A受比较器输出误差电压的控制，控制电压是由电压比较器产生的误差电压经控制信号发生器转换后得到的，放大器的增益可写成或，它是控制电压或误差电压的函数。这种控制是通过改变受控放大器的静态工作点电流值、输出负载大小、反馈网络的反馈量或与受控放大器相连的衰减器的衰减量等方法来实现的。1） 电平检测器在自动增益控制电路中，参与比较的参量是信号电平，所以采用电压比较器。电平检测器检测出输出信号的平均值，通常由振幅检波器实现，它的输出与输入信号电平成线性关系。2） 低通滤波器滤除不需要的高频分量，取出反映振幅大小变化的缓变信号，经直流放大器适当放大后与恒定的参考电平进行比较，产生一个误差电压，去控制可控增益放大器的增益。当输入电压减小而使输出电压减小时，误差电压将使增益A增大，从而使趋于增大；当输入电压增大而使输出电压增大时，误差电压将使增益A减小，从而使趋于减小。因此，通过环路不断调节，就能使输出信号的振幅基本保持不变或仅在较小范围内变化。环路中的低通滤波器非常重要。系统的发射功率、距离远近、电波传播衰落等引起的信号强度的变化是比较缓慢的，所以整个环路应具有低通传输特性，这样才能保证电路仅对信号电平的缓慢变化有控制作用。比如输入信号为调幅信号时，调制信号为低频信号，经过电平检测可将调制信号引起的变化监测出来，但是，AGC电路不应该用此信号的变化来调控增益A，否则，调幅波需要的振幅变化将会被AGC电路的控制作用所抵消，如当调制信号的振幅增大时，AGC的增益下降；当调制信号的振幅减小时，AGC的增益增加，从而使放大器的输出保持基本不变，这种现象称为反调制。为了避免出现反调制，必须恰当选择环路频率响应特性，使其仅对（调制信号频率）缓慢变化的信号产生响应，也就是对低于调制信号频率才有控制作用，而对于那些高于或等于调制频率的信号没有控制作用。这主要取决于低通滤波滤波器的截止频率。低通滤波器将调制信号滤除，保留缓慢变化的信号送给电压比较器进行比较，从而实现对缓慢变化信号电平的控制。通常电平检测器输出的电平信号的变化频率很低，如几赫兹左右，所以一般采用直流放大器进行放大。直流放大器将低通滤波器输出的电平值进行放大后送至电压比较器。3） 电压比较器经直流放大器放大后的输出电压与给定的基准电压进行比较，输出误差电压，若比较器的增益为，则。4） 控制信号发生器控制信号发生器的功能是将误差电压转换成适合可变增益放大器需要的控制电压，这种变换可以是幅度的放大或电压极性的变换。，其中为控制信号发生器的变换系数。 6）可控增益放大器可控增益放大器的功能是在控制电压作用下改变放大器的增益。自动增益控制电路广泛应用于各种通信接收机和电子设备中需要幅度稳定的场合，图93给出一种具有自动增益控制电路的超外差接收机框图。7图93 具有自动增益控制电路的超外差接收机框图自动频率控制电路 （AFC电路）-利用频率误差电压消除频率误差自动频率控制电路被广泛地用于各种接收机和发射机。它与AGC电路的区别在于控制对象不同，AGC电路的控制对象是信号的电平，而AFC电路的控制对象则是信号的频率。其主要功能是自动调节振荡器的频率，以达到减少频率变化，提高频率稳定度的作用。所以在电路达到平衡状态后，有剩余的频率误差，无法实现无频差的频率跟踪。图99给出AFC电路的原理框图。它由频率比较器、低通滤波器和可控频率器件三部分组成一个闭环的负反馈控制系统。AFC电路的应用下面介绍具有频率控制电路的调频器，图911给出采用AFC电路稳定调频发射机中心频率的原理框图。图911 具有频率控制电路的调频器图中石英晶体振荡器的振荡频率，调频振荡器的中心频率，鉴频器中心频率调整在，由于频率稳定度很高，混频输出调频信号中心频率的偏移是由调频振荡器中心频率的偏移引起的。混频输出信号经鉴频后产生电压，它的变化规律与经调制后的调频波中心频率的变化规律相同。经低通滤波器滤波后，随调制信号而变化的分量被滤除，而其中随调频振荡器中心频率偏移规律变化的量，由于变化极其缓慢，处于低通滤波器的通带内，而成为低通滤波器的输出电压。经直流放大器放大后的电压和调制信号经加法器相加之后，送到LC振荡器的变容二极管上。当调频振荡器的中心频率产生漂移时，反馈控制系统作用就可以使偏离减小。采用混频器的目的是提高输出频率的稳定性。（1） 采用混频器的方案，频率不稳定的绝对值将大为减小。在较低频率下工作时的鉴频灵敏度较高。依靠对自动频率控制系统的调节，可以将压控振荡器振荡频率的变化减小。（2） 在频率不稳定值中，鉴频器回路谐振频率的不稳定是主要的。因此要进一步提高输出频率的稳定度，应精心选择鉴频器元件，或进一步降低混频器输出的差频频率。但是差频过低时，会增大鉴频器的体积。 自动相位控制电路（APC电路）-利用相位误差消除频率误差各种反馈控制电路，由于它们均是利用误差产生控制电压，去控制受控对象，当电路达到动态平衡以后，必然存在一定的误差称之为稳态误差。AFC电路与APC 电路的差别：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。相位是频率变化对时间积分，所以频率与相位是相关的，可以通过控制相位实现对频率精确的控制。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之后, 虽然有剩余相位误差存在, 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。 而且, 锁相环还具有可以不用电感线圈、易于集成化、性能优越等许多优点, 因此广泛应用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机等方面。可以说锁相环路的应用几乎遍及整个无线电技术领域。总结：自动相位控制电路又称为锁相环路(Phase Locked Loop，简称PLL)，是应用最广的一种反馈控制电路。所以在电路达到平衡状态后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降到0，从而实现无频差的频率跟踪图912 锁相环的基本构成对于这个问题可以做如下说明瞬时频率和瞬时相位的关系式中是初始相位加到鉴相器的链各个信号的频率差为从上面几个式子可以得到锁相环路的几个重要的概念：(1)当两个振荡频率相等时，他们之间的相位差保持不变(2)当两个信号相位差稳定时，他们的频率必然相等APC、AFC控制电路的工作过程非常相似，二者都是利用误差信号来控制电路被控振荡器的频率，但两者之间存在根本的区别AFC电路中采用的是鉴频器，它的输出误差电压与两个比较频率之间的频差成比例。鉴频器鉴频特性当达到稳定状态后（锁定后），二个频率不可能完全相等，仍有乘除频差的存在APC电路中采用的是鉴相器，它的输出误差电压与两个比较信号之间的相位差成比例鉴相器当达到稳定状态后（锁定后），被锁定频率等于标准频率只有剩余相位差存在，这表明锁相环路是通过相位控制频率，可以实现无误差的频率跟踪。这是它优于AFC电路之处。二.锁相的发展历史锁相技术是通信、导航、广播与电视通信、仪器仪表测量、数字信号处理及国防技术中得到广泛应用的一门重要的自动反馈控制技术.20世纪30年代接收设备锁相同步控制现在锁相理论界公认，1932年，贝尔赛什(Bellectze)最先发表了相位锁定的理论文章。他的文章论述了无线电信号的同步接受问题，这是无线电技术发展的初期，人们为了寻找一种有效的接受调幅信号的新方法提出来的。基本原理是在接收机中用一个与输入信号载波频率相等，相位基本一致的本地振荡器和输入信号混频，以恢复原来的调制信号，再经过音频放大器的放大，去掉高频成分和噪声干扰就可以得到质量较好的音频信号，因此，同步接收机仅由本地振荡器、混频器和音频放大器三部分组成。显然，问题的关键是如何使本振频率与输入信号频率完全一致而没有任何频差。因此本振必须与输入信号相位锁定。这就提出来必须发展锁相技术的问题。由于种种原因，这种简单的同步接收机从来没有广泛的应用过，获得广泛应用的确是提出来较早的超外差接收机，为了接受外层空间航天器上传回的深埋在噪声中的微弱信号，今天的锁相接收机已将同步接受原理与超外差接受原理结合起来，而且结构非常的复杂。领域方面同步接受原来则已新的形式用于许多通信系统中，叫做相位相干解调。图948 载波跟踪环同步检波器原理20世纪40年代电视接收同步扫描锁相原理的第一次广泛应用是在40年代开始在电视接收机中解决水平扫描和垂直扫描的同步问题，从而避免了由于噪声干扰引起的扫描随机出发而使画面抖动的现象。随后，在彩色电视接收机中也用锁相环路来同步彩色脉冲串。从此锁相技术引起了广泛的重视，发展速度也加快了。20世纪50年代锁相接收机实现卫星通信技术从50年代开始，因航天技术方面的需要，极大地推动了锁相理论技术的发展，在初期的人造卫星上只有低功率(约10mW)无线电发射机，接受距离却达到了几千公里乃至上万公里，因而地面收到的信号相当微弱，由于有多普勒频移和发射机振荡器的本身漂移，收到的信号的确切频率是很难预料的。例如在108MHz频率中，多普勒频移可以达到正负3kHz，因此使用普通调谐的接收机，带宽至少应为6kHz，但是信号本身只占据很窄的频谱，比如6Hz带宽就够了，由于噪声功率与带宽正比增加，如果使用普通接受的方法，所接收的电信号中的噪声就相对提高了1000倍(30dB)，因此信噪比就相当低。如果采用更高的信号频率，问题还要严重，所以必须使用窄带滤波器。但是如果滤波器是固定的，信号又很难落入通带范围，这就要求这个窄带滤波器最好是能够跟踪输入信号的变化。锁相环路既能跟踪输入信号频率的变化，又具有对比，必须给予足够的重视。20世纪60年代各部件制作费用昂贵，所以它的发展受限制前半期，由于锁相技术中的个别部件的制作费用仍然十分昂贵，所以在使用范围上仍然受到较大限制。由维特毕研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题，并发表了相干通信原理。 后期开始相继研制出集成锁相环部件和单片集成锁相环路。20世纪70年代成为现代通信、电子技术领域中不可缺少的重要控制技术由于半导体技术和集成电路技术的飞速发展，使锁相技术越来越广泛的应用于电子技术领域。由林特费查里斯进行了有噪声的一阶，二阶