APC_AFC_AGC教材

笫8章锁相环路 PLL 及其他反馈控制电路 主要教学内容 三种反馈控制电路 PLL AGC和AFC锁相环路的构成及基本原理 环路的锁定 捕捉和跟踪 环路的同步带和捕捉带锁相环的数学模型 锁相环路的应用 教学重点 锁相环的构成及基本原理环路的锁定 捕捉和跟踪 环路的同步带和捕捉带锁相环的数学模型 教学难点 锁相环的基本原理环路的锁定 捕捉和跟踪锁相环的数学模型 课时分配 总计2学时 8 1锁相环路 一 基本概念三种反馈控制系统自动相位控制 APC AutomaticPhaseControl 电路 又叫锁相环路PLL PhaseLockedLoop 是一种相位反馈控制系统 将参考信号与输出信号间的相位进行比较 产生相位误差电压来调整输出信号的相位 以达到与参考信号同频的目的 特点 锁相环路控制的是信号的相位 即误差信号是相位 所以稳定时只有相差 自动频率控制 AFC AutomaticFrequencyControl 电路是一种频率反馈控制系统 控制的是信号的频率 特点 误差信号是频率 所以稳定时有频差 自动增益控制 AGC AutomaticGainControl 电路 在输入信号幅度变化很大的情况下 使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的一种自动控制电路 锁相环路的基本特性 锁定时无频差环路锁定时输出与输入之间只有一固定的相位差 频带差则等于零 因而可实现无误差的频率跟踪 良好的窄带跟踪特性环路锁定时可以对噪声进行过滤 完成窄带滤波器的作用 良好的调制跟踪特性可以设计成跟踪输入信号的瞬时相位变化 这时环路既可输出经过提纯的已调制信号 也可作为解调器输出解调信号 门限性能好易于集成化基本部件都易于采用模拟集成电路 二 锁相环的构成及基本原理 三 各组成部分分析 1 鉴相器 PD 常用的鉴相器有数字 模拟 抽样和鉴频鉴相器等 作为原理分析 通常使用具有正弦鉴相特性的鉴相器 1 正弦波鉴相器的数学模型 设输入信号为 式中 U1m为正弦信号的振幅 i为中心角频率 i t 是以载波相位 it为参考的瞬时相位 若输入信号为一固定的正弦波 则 i t i是一常数 即ui t 的初始相位 式中 U2m为余弦信号的振幅 o为环路VCO的自由振荡角频率 o t 是输出信号以自由振荡相位 ot为参考的瞬时相位 设输出信号为 1 正弦波鉴相器的数学模型 续 两信号经乘法器相乘后 设乘法器的增益系数为Am 单位为1 V 则输出为 ud随两信号的相位差作周期性的正弦变化 正弦波鉴相器 Kd为鉴相器的最大输出电压 在一定程度上反映了鉴相器的灵敏度 单位为 V 2 正弦波鉴相器线性化的数学模型 作拉氏变换 得到频域内的鉴相特性 2 环路滤波器 LF 线性低通滤波器锁相环路中通常采用一阶滤波器电路 有时需要较强地抑制鉴相器输出中的交流分量时 也采用高阶滤波电路 两个功能 滤除误差信号中的高频分量及噪声 为锁相环路提供一个短期的记忆 如果系统由于瞬时噪声而失锁 可确保锁相环路迅速重新捕获信号 组成 线性元件电阻 电容和电感及运算放大器 锁相环路中通常采用的滤波器电路RC积分滤波器无源比例积分滤波器有源比例积分滤波器 1 RC积分滤波器 2 无源比例积分滤波器 3 有源比例积分滤波器 3 压控振荡器 VCO 电压 频率变换器 有线性控制特性的调频振荡器 在外加控制电压的作用下 输出信号频率按一定规律变化的振荡电路 采用压控元件作为频率控制元件 作用 使振荡频率向输入信号的频率靠拢 直至两者的频率相同 使VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种关系 达到相位锁定的目的 特性 3 压控振荡器 续 在锁相环路中 压控振荡器的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位 VCO在锁相环中起了一次积分作用 也称为环路中的固有积分环节 该积分环节在环中起着相当重要的作用 改为拉氏变换形式 四 锁相环的数学模型 闭环传输函数 误差传输函数 开环传输函数 d i o c s 五 环路的锁定 捕获和跟踪 1 环路的锁定没有输入信号时 VCO以自由振荡频率 o振荡 有输入信号ui t 时 刚开始 i o 当某时刻 i和 o接近到一定程度时 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 使其输出频率变化到接近 i 且两信号的相位误差为 常数 这时环路锁定 2 环路的捕捉 从信号的加入到环路锁定以前 称环路的捕捉过程 3 环路的跟踪 环路锁定后 当输入基准信号的频率或相位发生某种变化时 由于环路的反馈控制作用 压控振荡器的频率和相位将随输入信号的变化而变化 使压控振荡器的频率与输入信号频率相同且相位差固定为 但变化范围是有限的 六 环路的同步带和捕捉带 捕捉带环路能捕捉的最大的输入信号频率变化范围 同步带在环路已进入锁定状态后 压控振荡器能跟踪输入信号频率变化的范围 又称为PLL的同步特性或非线性跟踪特性 8 3锁相环路的应用 一 在调制解调技术中的应用 1 锁相调频电路 实现锁相调频的条件 CC4046锁相调频实际电路 2 锁相鉴频电路 锁相解调电路原理框图 CD4046锁相解调电路 NE 564调相解调电路 工作电压5V 工作电压12V 二 在空间技术上的应用 窄带跟踪滤波器 锁相接收机 三 在稳频技术中的应用 1 用于振荡器的稳定与频谱提纯 振荡器的稳定与提纯 振荡器的稳定与提纯 2 频率合成器 8 4自动增益控制电路 AGC AutomaticGainControl 在输入信号幅度变化很大的情况下 用改变增益的方法 维持输出信号幅度基本不变的一种反馈控制系统 8 5自动频率控制电路 AFC AutomaticFrequencyControl 在输入信号频率变化很大的情况下