第讲高频反馈控制电路.ppt

1,在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，广泛采用各种类型的反馈控制回路。,特别是在航空航天电子系统中,由于收、发设备是装在不同的运载体上,二者之间存在相对运动,必然产生多普勒效应,因此引入随机频差。,概述,2,传送信息的载波信号含有三个基本参数，即振幅、频率和相位。反馈控制电路就是对这三个参数分别进行控制。自动增益控制（AGC）自动频率控制（AFC）自动相位控制（APC）其中自动相位控制电路又称为锁相环路（PLL）,是应用最广的一种反馈控制电路。,通信系统反馈控制电路种类,3,反馈控制电路的组成如图所示由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分组成一个负反馈闭合环路。,4,具有AGC电路的接收机组成框图,AGC的目的当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压恒定或基本不变。,8.1自动增益控制电路,5,自动频率控制（AFC）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，如图所示。,8.2自动频率控制电路,6,当f0=fr（标称频率）时，鉴频器输出uc=0，压控振荡器振荡频率不变；,锁定状态的f称为稳态频率误差（剩余频率误差）。,当f0fr时，鉴频器就有误差电压ue输出，经过LP得到uc，uc控制VCO的振荡频率，使VCO的频率f0发生变化。,变化的结果使频率误差|f0-fr|减小到一定值f，自动控制过程即停止，VCO即稳定于f0=frf的频率上，环路进入锁定状态。,7,8.3锁相环的基本原理,新版：第4.2节,锁相环也是以消除频率误差为目的的反馈控制电路，但是它是利用相位误差去消除频率误差，因此当电路达到平衡状态后，尽管存在剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频率误差的频率跟踪和相位跟踪。,AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路，基本思想是利用频率误差电压去消除频率误差，因此当电路达到平衡状态后，必然会有剩余频率误差存在，即频率误差不可能为零。这是AFC的固有缺点。,8,锁相环是一个相位负反馈控制系统。它由三个基本部件组成。鉴相器(PD):产生误差电压Ud(t)环路滤波器(LF):产生控制电压Uc(t)电压控制振荡器(VCO):输出瞬时频率v,当vr时，(t)Ud(t)Uc(t)v，,直到(t)=，,v=r，环路锁定。,v,r,0,9,举例说明（以一阶锁相环为例）,未锁定,锁定,可见，环路锁定过程中e(t)是从02周期的变化，若干周期后使e=e，则环路被锁定。,环路锁定的充分必要条件,10,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。,AGC：电平误差A(U),AFC：频率误差f,APC（PLL）:相位误差,结论：PLL也是一种实现频率跟踪的自动控制电路，它与AFC电路的区别在于可以实现无误差的频率跟踪，即fv=fr而其它频率控制系统总是会存在频率差。,Demo:thePhenomenonofPLLintheFourthExperiment.,11,12,当两个输入信号均为大信号时，,当=0时，相乘后的波形为上、下等宽的双向脉冲，且频率加倍，因而相应的平均分量为零u0=0。,符合门鉴相器,新版第4.2.1旧版第7.5.3,13,当0，相乘后的波形为上、下不等宽的双向脉冲，因而在|/2的范围内，经过低通滤波器，取出的平均分量（即解调输出）为,14,三角形鉴相特性,相应的鉴相特性曲线如图所示，在|o时混频器的输出频率为（L-o），经差频放大器后加到鉴相器上。,当环路锁定时,32,6、锁相式频率合成器,频率合成器是利用一个标准信号源的频率来产生一系列所需频率的技术。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率纯度，如果结合单片微机技术，可实现自动选频和频率扫描。,33,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,即：,当N改变时，输出信号频率相应为fi的整数倍变化。,34,环C,例：下图为三环式频率合成器方框图,已知：,求输出信号频率范围及频率间隔,环A,环B,35,解：,当混频环路C锁定时：,有,36,而当=399，=397时输出频率最高。,所以，合成器的频率范围为：（35.440.099）MHz,当NA=301，NB=351时，,因此频率间隔：,当NA=300，NB=351时，,37,一、频率合成器及其技术指标1频率合成器的概念(1)传统信号源的不足：频率准确度不高、稳定度不高；晶体振荡器尽管准确度和稳定度都较高，但频率范围小，输出频率不高。(2)频率合成技术：是以一个或少量的高准确度和高稳定度的标准频率作为参考频率，由此导出多个或大量的输出频率的方法。频率合成器的输出信号频率的准确度和稳定度与参考频率是一样的。,频率合成器,38,2频率合成器的主要技术指标(1)频率范围频率范围是指频率合成器输出的最低频率fomin和最高频率fomax之间的变化范围，也可用覆盖系数k=fomax/fomin表示（k又称之为波段系数）。(2)频率间隔（频率分辨率）两个相邻频率之间的最小间隔，就是频率间隔。频率间隔又称为频率分辨率。不同用途的频率合成器，对频率间隔的要求是不相同的。,39,(3)频率转换时间频率转换时间是指频率合成器从某一个频率转换到另一个频率，并达到稳定所需要的时间。频率转换时间一般与采用的频率合成方法有密切的关系。(4)准确度与频率稳定度频率准确度：频率准确度是指频率合成器工作频率偏离规定频率的数值，即频率误差。频率稳定度：频率稳定度是指在规定的时间间隔内，频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小。,40,(5)频谱纯度频谱纯度：频谱纯度是指输出信号频谱中包含其他频率成分的的多少。影响频率合成器频谱纯度的因素主要有两个，一是相位噪声，二是寄生干扰。相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示，在频谱上呈现为主谱两边的连续噪声，如图所示。,41,频率合成器的频谱,42,频率合成技术分类,1.直接频率合成,2.间接式（锁相）频率合成,3.直接数字频率合成,整数分频频率合成,小数分频频率合成,1.单环（多环）频率合成2.双模前置分频（吞脉冲可变分频）频率合成,43,1.直接频率合成器（DS）,特点：直接式频率合成器是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。这种频率合成器原理简单，易于实现。优点：分辨率高(10-2)、频率转换时间快(100s)、工作稳定可靠、输出信号频谱纯度高。不足：体积大、笨重、成本高。,44,2.间接式（锁相）频率合成器,间接式频率合成器又称为锁相频率合成器。锁相频率合成器是目前应用最广的频率合成器。直接式频率合成器中所固有的那些缺点，如体积大、成本高、输出端出现寄生频率等，在锁相频率合成器中就大大减少了。,45,双模前置分频（吞脉冲可变分频）频率合成器,在一个计数周期内，总计脉冲数即分频比为,频率合成器的输出频率为,与简单的频率合成器相比f0提高了P倍，而频率分辨率仍保持为fi。,46,3.直接数字频率合成器（DDS）,直接数字式频率合成器（DigitalDirectSynthesizer，简称为DDS）是近年来发展非常迅速的一种器件，它以数字信号处理理论为基础，从信号的幅度相位关系出发进行频率合成的。,与传统的频率合成器相比，DDS具有极高的分辨率、快速的频率转换时间、很宽的相对带宽、任意波形的输出能力和数字调制等优点。,47,首先，对一个正弦信号数字化，形成正弦函数表，储存在ROM中。合成时，通过改变相位累加器的频率控制字，改变相位增量，相位增量的不同导致取样点不同，从而使得输出频率不同。,DDS的基本原理,正弦信号的相位是时间的线性函数。要得到幅度信息和频率信息，只需得到相位信息。,48,对正弦信号进行采样，采样周期Tc=1/fc,得到离散正弦序列,离散相位序列,其中:,它是连续两次采样之间的相位增量。,将整个2相位分割成2N等分，N为二进制位数。,为可以选择的最小相位增量。,49,为可以选择的最小相位增量。,若每次的相位累加增量取，此时相位增长的斜率最小，得到最低频率输出：,若每次的相位增量选择为的K倍，则可得到输出频率：,50,式中，N为累加器的宽度或字长，当N很大时，最低输出频率可达Hz甚至mHz数量级。最高频率受限于时钟频率和奈奎斯特抽样定理，即每周期至少取样两次才能够重建波形，因此最大的合成频率为,DDS具有极宽的工作频率范围。DDS输出频率的下限对应于频率控制字K=1，因而其最低频率为,实际应用中，一般取,DDS其特点主要表现在以下几个方面：,51,DDS具有极高的频率分辨率f0，DDS的频率分辨率就是它的最低频率。,例如当fc=50MHz,N=