《高频电子线路》课件-第7章 反馈控制电路

第7章反馈控制电路

7.1自动增益控制电路

7.2自动频率控制电路

7.3锁相环路与频率合成

本章小结

根据需要控制的参量不同，反馈控制电路有：自动增益控制电路

自动频率控制电路

自动相位控制电路

简称APC，用于锁定相位，故又称锁相环路，简称PLL。简称AFC，用于维持工作频率稳定。又称自动电平控制电路，简称AGC，用于控制输出信号大小。引言7.1自动增益控制电路主要要求：

了解自动增益控制电路的组成、工作原理和应用。了解常用增益控制电路。7.1.1自动增益控制电路的作用作用：通过闭合环路的反馈控制作用，可使输入信号ui

幅度增大或减小时，输出信号幅度保持恒定或仅在很小的范围内变化一、AGC的组成、工作原理与作用具有简单AGC的调幅接收机框图

可控增益放大器反馈控制器

LPF简单AGC缺点：

只要有输入信号，AGC就起控制作用，对接收弱信号不利。二、AGC的应用是高性能接收机的重要辅助电路具有延迟式AGC的调幅接收机框图当AGC检波器输入信号幅度小于UR时，AGC检波器不工作，AGC电压为零，AGC不起控制作用。当AGC检波器输入信号幅度大于UR时，AGC电路才起控制作用。7.1.2增益控制电路控制晶体管发射极电流实现增益控制Au

gmgm＝

IE/UT当信号电压↑,使-UC↓，则IE↓,gm↓,Au↓通常将控制电压

加至基极或发射极AGC

放大电路7.2自动频率控制电路主要要求：

了解自动频率控制电路的组成、工作原理和应用。7.2.1工作原理当fr=fo时，uD(t)=0，fo不变当fr

≠fo时，uD(t)正比于

（fo

–fr

)，得uc(t)控制fo向fr

接近有剩余频差是AFC的缺点。

鉴频特性和压控振荡器压控特性的灵敏度越大，则

f越小。经若干调节周期，环路最后锁定在fo

=fr+

f

这个

f称为剩余频率误差，简称剩余频差。7.2.2应用举例广泛用作接收机和发射机中的自动频率微调电路比之普通调幅接收机多了限幅鉴频器、低通滤波和放大电路等，并将本机振荡器改为VCO

。AFC保证了混频器输出频率接近fI

，从而提高接收机灵敏度和选择性。具有AFC

的调幅接收机框图具有AFC

的调频发射机框图鉴频器的中心频率调整在（fr

－fc

）上。当调频振荡器的中心频率发生漂移时，混频器输出的频差也跟随变化，使鉴频器输出电压发生变化，经窄带LPF滤除调制频率分量后，将反映调频波中心频率漂移的缓变电压，加至调频振荡器上，调节其振荡频率使其中心频率漂移减小。由于fr

稳定度很高，因此可提高中心频率稳定度。7.3锁相环路与频率合成主要要求：

掌握PLL的作用、基本组成和工作原理。掌握频率合成器的作用。了解PLL的数学模型；了解PLL的捕捉与跟踪了解集成PLL及其应用；了解频率合成器的种类与主要性能指标。掌握简单锁相频率合成器的组成与工作原理。了解提高锁相频率合成器输出频率的方法。7.3.1锁相环路基本原理鉴相器（PD）：用以比较ui、

uo相位，输出反映相位误差的电压uD(t)。环路滤波器（LF）：用以滤除误差信号中的高频分量和噪声，提高系统稳定性。压控振荡器（VCO）：在uC(t)控制下输出相应频率fo。一、电路结构两个正弦信号的频率和相位之间的关系若能保证两个信号之间的相位差恒定，则这两个信号的频率必相等。若wi

≠wo，则ui(t)和uo(t)之间产生相位变化，鉴相器输出误差电压uD(t)，它与瞬时误差相位成正比，经过环路滤波，滤除了高频分量和噪声而取出缓慢变化的电压uc(t)，控制VCO的角频率wo

，去接近wi

。最终使wi

=wo

，相位误差为常数，环路锁定，这时的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。二、锁相环路组成部件特性1、鉴相器(PD)设压控振荡器的输出电压为ωo0是压控振荡器未加控制电压时固有振荡角频率；

o(t)是以ωo0为参考的瞬时相位。环路输入电压ui(t)为其相位可改写为则ui(t)与uo(t)之间的瞬时相位差为以ωo0为参考的输入信号瞬时相位。可见,鉴相器的输出电压uD(t)与相位差可改写为

e(t)成正比。多用于两路信号都是正弦信号的锁相环路环路滤波器的电路模型2、环路滤波器(LF)RC

积分滤波器RC

比例积分滤波器有源比例积分滤波器图（b）电路的传递函数为s=σ+jω为复频率3、压控振荡器(VCO)在uc

=0附近，控制特性近似线性：以ωo0为参考的瞬时相位

o(t)为可见就

o(t)和uc(t)之间关系来说，压控振荡器是一个理想的积分器，通常称它为锁相环路中的固有积分环节。VCO的控制特性三、锁相环路捕捉与跟踪由失锁进入锁定的过程称为捕捉过程。能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差称为环路捕捉带，用Δωp表示。捕捉过程：失锁

锁定

1、琐相环路的捕捉无输入信号ui时，VCO以固有角频率ωo0

振荡。加入信号ui时，ω不等于VCO的固有角频率而存在固有输入角频差Δωi=ωi-ωo0

振荡，锁相环路初始状态是失锁的。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，使其输出信号的角频率由ωo0逐渐向输入信号角频率ωi

靠拢，达到一定程度后，环路进入锁定，ωo=ωi。若环路初始状态是锁定的，因某种原因使频率发生变化，环路通过自身的调节来维持锁定的过程称为跟踪过程。能够保持跟踪的输入信号频率与压控振荡器频率最大频差范围称为同步带（又称跟踪带），用ΔωH表示。跟踪过程：锁定

维持锁定2、琐相环路的跟踪3、同步带和捕捉带的测量当wi

从低频至高频缓慢变化时未加控制电压(即uD(t)=0)时的VCO振荡频率失锁锁定失锁当wi

从高频至低频缓慢变化时锁定2ΔωP2ΔωH通常捕捉带小于同步带锁相环路的同步带为锁相环路的捕捉带为四、集成PLL模拟PLL：模拟PDLFVCO数字PLL：全数字：数字PD数字LF数字VCO模拟+数字：数字PD模拟LF模拟VCO按电路构成分类通用PLL专用PLL按用途分类1、通用型单片集成锁相环路L562内部结构引脚工作频率达30MHzL562内部VCO采用射极耦合多谐振荡器电路振荡频率为设起始时V1导通、V2截止，则VCC通过V3

、V1向C充电，充电电流为I02

。由于V1导通时UE1≡VCC–UBE(on)，故C充电使UE2下降，当其下降到（VCC–UD–UBE(on)）时，V2导通,使UC2由VCC下降为（VCC–UD），致使V1截止，VCC通过V4、V2向C反向充电，充电电流为I01

，使UE1下降，直到引起V1重新导通、V2又截止。如此循环2、CMOS锁相环路CD4046为数字PLL。内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。具有电源电压范围宽、功耗低、输入阻抗高等优点。工作频率达1MHz内部VCO产生50%占空比的方波。输出电平可与TTL电平或CMOS电平兼容。具有相位锁定状态指示PDⅠ由异或门构成，具有三角形鉴相特性。它要求两个输入信号均为50%占空比的方波。当无输入信号时，其输出电压为VDD/2，用以确定VCO的自由振荡频率。信号输入端：允许输入0.1V左右的小信号或方波，经A1放大和整形，提供满足PD要求的方波。

PDⅡ采用数字式鉴频鉴相器，输入信号只在上。升沿起作用，故该PD能处理非常窄的脉冲。便于快速锁定。通常输入信噪比以及固有频差较小时采用PD

，输入信噪比较高或固有频差较大时，采用PDⅡ。R1、R2、C确定VCO频率范围。R1控制最高频率，R2控制最低频率。R2=∞时，最低频率为零。无输入信号时，PDⅡ将VCO调整到最低频率。接低电平时才允许VCO工作7.3.2频率合成的基本原理为实现高质量的无线通信，抗干扰，近代通信系统往往要求通信机具有大量的、可供用户选择的、能迅速更换的频率稳定度和精度很高的载波信号频率。晶体振荡器虽然频率稳定度和精度很高，但其频率值只能在很小范围内微调。频率合成器作用：利用一个或多个基准频率，产生一系列等间隔的离散频率。这些频率的频率稳定度和精度均和基准频率的相同，且频率转换的时间很短。一、频率合成器的主要技术指标1.频率范围2.频率间隔（又称分辨率）3.频率转换时间相邻频率之间的最小间隔。从一个工作频率转换到另一个工作频率，并达到稳定工作所需要的时间。它包含电路延迟时间和PLL的捕捉时间。频率合成器的工作频率范围。5.频谱纯度指输出信号接近正弦波的程度。用有用信号电平与各寄生频率分量总电平之比的分贝值表示。频率稳定度指：在规定的观测时间内，输出频率偏离标称值的程度。一般用偏离值与输出频率的相对值来表示。频率准确度指：实际工作频率与标称频率值之差，又称频率误差。4.频率稳定度和准确度二、锁相频率合成器（一）简单锁相频率合成器环路锁定时fr

=fs

/R=fo

/N故得fo

=Nfs/R=

N

fr改变N可得不同输出频率。频率分辨率为fr。参考分频器由12级二进制计数器构成。取分频比R=28=256，则得频率间隔为：fr=1024kHz/256=4kHz。CD4046组成的频率合成器实例N分频器采用可编程分频器CC40103构成。图中N=29。改变N可获得不同频率的信号输出。（二）简单频率合成器存在的问题1.频率间隔不能很小2.锁相环路内接入分频器后，环路增益下降为原来1/N。对于输出频率高、频率覆盖范围宽的合成器，当要求频率间隔很小时，N

的变化范围将很大，这将使环路增益也大幅度变化，从而影响环路的动态性能。3.输出频率受到可编程分频器的限制，可编程分频器的工作频率比较低，无法满足大多数通信系统中工作频率高的要求。

fr

小时，环路滤波器的带宽也要小（带宽需小于fr

，以滤除PD输出信号中的参考频率及其谐波分量），这使频率转换时的环路捕捉时间或跟踪时间加长，即减小频率间隔与减小频率转换时间是矛盾的。另外，fr

小不利于降低VCO引入的噪声。减小频率间隔而不降低参考频率fr

。采用多环式锁相频率合成器。解决问题的方法如下：由于固定分频器速度远比程序分频器的高，故采用由固定分频器与程序分频器组成的吞脉冲可变分频器，可既获得小的频率间隔，又显著提高输出频率。构成吞脉冲锁相频率合成器。（三）多环式锁相频率合成器fA=(NA/100)frfB=NBfrfo

=fA

+fBfA=fo－fB

=(NA/100＋NB)fr单环单环混频环频率间隔为1kHz三、直接数字频率合成器（DDS）特点：极宽的工作频率范围、极高的频率分辨率、极快的频率切换速度以及频率切换时相位连续、任意波形输出、具有数字调制性能。DDS系统的另一特点是它的输出信号没有叠加任何电流脉冲，输出变化是一个平稳的过渡过程，相位连续变化是其他频率合成技术所不具备的。原理：根据奈奎斯特取样定理，从连续信号的相位出发，对一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表，储存于只读储存器中，合成时通过改变相位累加器的频率控制字，改变相位增量，从而使一个周期内的取样点不同，得到不同的输出频率。改变只读存储器中的数据值，可以得到不同的输出波形。比较：DDS和PLL两种不同方式的频率合成技术。DDS是一种全数字开环系统，PLL是模拟闭环系统。各有各的特点，DDS并不能完全取代传统的频率合成技术。如将DDS和PLL两种技术结合起来，可达到单一技术难以达到的效果。DDS的输出频率：DDS的输出最低频率/频率分辨率：7.3.3锁相环路的应用1、锁相环路的基本特性（1）

环路锁定时，鉴相器的两个输入信号频率相等，

没有频率误差。（2）

频率跟踪特性：环路锁定时，VCO输出频率能

在一定范围内跟踪输入信号频率的变化。（3）

窄带滤波特性：可以实现高频窄带带通滤波。2、锁相鉴频电路工作原理：输入为调频信号，当环路锁定后，压控振荡器的振荡频率就精确地跟踪输入调频信号的瞬时频率而变化，产生具有相同调制规律的调频信号。只要压控振荡器的频率控制特性是线性的，压控振荡器的控制电压uc(t)就是输入调频信号的原调制信号。环路带宽大于输入调频信号中调制信号的频谱宽度。要求：捕捉带＞输入调频信号的最大频偏3、调幅波的同步检波有p/2固定相移工作原理：输入为调幅信号或带有导频的单边带信号，LF的通频带很窄，使锁相环路锁定在调幅信号的载频上，这样压控振荡器就可以提供能跟踪调幅信号载波频率变化的同步信号。再利用同步检波器可以得到解调电压输出。注意：压控振荡器输出电压与输入已调信号的载波电压间有

/2的固定相移，因此须经过

/2的移相器加到同步检波器上，这样才能使VCO输出电压与已调信号的载波电压同相。4、锁相接收机（利用窄带跟踪特性）信号频率漂移较严重时，若采用普通接收机，就要求带宽较宽，