第講高頻反饋控制電路.ppt

1,在通信系統(tǒng)和電子設(shè)備中，為了提高技術(shù)性能，或者實現(xiàn)某些特殊的高指標(biāo)要求，廣泛采用各種類型的反饋控制回路。,特別是在航空航天電子系統(tǒng)中,由于收、發(fā)設(shè)備是裝在不同的運載體上,二者之間存在相對運動,必然產(chǎn)生多普勒效應(yīng),因此引入隨機頻差。,概述,2,傳送信息的載波信號含有三個基本參數(shù)，即振幅、頻率和相位。反饋控制電路就是對這三個參數(shù)分別進行控制。自動增益控制（AGC）自動頻率控制（AFC）自動相位控制（APC）其中自動相位控制電路又稱為鎖相環(huán)路（PLL）,是應(yīng)用最廣的一種反饋控制電路。,通信系統(tǒng)反饋控制電路種類,3,反饋控制電路的組成如圖所示由比較器、控制信號發(fā)生器、可控器件和反饋網(wǎng)絡(luò)四部分組成一個負反饋閉合環(huán)路。,4,具有AGC電路的接收機組成框圖,AGC的目的當(dāng)輸入信號電壓變化很大時，保持接收機輸出電壓恒定或基本不變。,8.1自動增益控制電路,5,自動頻率控制（AFC）電路由頻率比較器、低通濾波器和可控頻率器件三部分組成，如圖所示。,8.2自動頻率控制電路,6,當(dāng)f0=fr（標(biāo)稱頻率）時，鑒頻器輸出uc=0，壓控振蕩器振蕩頻率不變；,鎖定狀態(tài)的f稱為穩(wěn)態(tài)頻率誤差（剩余頻率誤差）。,當(dāng)f0fr時，鑒頻器就有誤差電壓ue輸出，經(jīng)過LP得到uc，uc控制VCO的振蕩頻率，使VCO的頻率f0發(fā)生變化。,變化的結(jié)果使頻率誤差|f0-fr|減小到一定值f，自動控制過程即停止，VCO即穩(wěn)定于f0=frf的頻率上，環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。,7,8.3鎖相環(huán)的基本原理,新版：第4.2節(jié),鎖相環(huán)也是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，但是它是利用相位誤差去消除頻率誤差，因此當(dāng)電路達到平衡狀態(tài)后，盡管存在剩余相位誤差存在，但頻率誤差可以降低到零，從而實現(xiàn)無頻率誤差的頻率跟蹤和相位跟蹤。,AFC電路是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，基本思想是利用頻率誤差電壓去消除頻率誤差，因此當(dāng)電路達到平衡狀態(tài)后，必然會有剩余頻率誤差存在，即頻率誤差不可能為零。這是AFC的固有缺點。,8,鎖相環(huán)是一個相位負反饋控制系統(tǒng)。它由三個基本部件組成。鑒相器(PD):產(chǎn)生誤差電壓Ud(t)環(huán)路濾波器(LF):產(chǎn)生控制電壓Uc(t)電壓控制振蕩器(VCO):輸出瞬時頻率v,當(dāng)vr時，(t)Ud(t)Uc(t)v，,直到(t)=，,v=r，環(huán)路鎖定。,v,r,0,9,舉例說明（以一階鎖相環(huán)為例）,未鎖定,鎖定,可見，環(huán)路鎖定過程中e(t)是從02周期的變化，若干周期后使e=e，則環(huán)路被鎖定。,環(huán)路鎖定的充分必要條件,10,各種反饋控制電路，由于它們均是利用誤差產(chǎn)生控制電壓，去控制受控對象，當(dāng)電路達到動態(tài)平衡以后，必然存在一定的誤差稱之為穩(wěn)態(tài)誤差。,AGC：電平誤差A(yù)(U),AFC：頻率誤差f,APC（PLL）:相位誤差,結(jié)論：PLL也是一種實現(xiàn)頻率跟蹤的自動控制電路，它與AFC電路的區(qū)別在于可以實現(xiàn)無誤差的頻率跟蹤，即fv=fr而其它頻率控制系統(tǒng)總是會存在頻率差。,Demo:thePhenomenonofPLLintheFourthExperiment.,11,12,當(dāng)兩個輸入信號均為大信號時，,當(dāng)=0時，相乘后的波形為上、下等寬的雙向脈沖，且頻率加倍，因而相應(yīng)的平均分量為零u0=0。,符合門鑒相器,新版第4.2.1舊版第7.5.3,13,當(dāng)0，相乘后的波形為上、下不等寬的雙向脈沖，因而在|/2的范圍內(nèi)，經(jīng)過低通濾波器，取出的平均分量（即解調(diào)輸出）為,14,三角形鑒相特性,相應(yīng)的鑒相特性曲線如圖所示，在|o時混頻器的輸出頻率為（L-o），經(jīng)差頻放大器后加到鑒相器上。,當(dāng)環(huán)路鎖定時,32,6、鎖相式頻率合成器,頻率合成器是利用一個標(biāo)準(zhǔn)信號源的頻率來產(chǎn)生一系列所需頻率的技術(shù)。鎖相環(huán)路加上一些輔助電路后，就能容易地對一個標(biāo)準(zhǔn)頻率進行加、減、乘、除運算而產(chǎn)生所需的頻率信號，且合成后的信號頻率與標(biāo)準(zhǔn)信號頻率具有相同的長期頻率穩(wěn)定度及具有較好的頻率純度，如果結(jié)合單片微機技術(shù)，可實現(xiàn)自動選頻和頻率掃描。,33,鎖相式單環(huán)頻率合成器基本組成如下圖所示：,當(dāng)環(huán)路鎖定后，鑒相器兩路輸入頻率相等,即：,當(dāng)N改變時，輸出信號頻率相應(yīng)為fi的整數(shù)倍變化。,34,環(huán)C,例：下圖為三環(huán)式頻率合成器方框圖,已知：,求輸出信號頻率范圍及頻率間隔,環(huán)A,環(huán)B,35,解：,當(dāng)混頻環(huán)路C鎖定時：,有,36,而當(dāng)=399，=397時輸出頻率最高。,所以，合成器的頻率范圍為：（35.440.099）MHz,當(dāng)NA=301，NB=351時，,因此頻率間隔：,當(dāng)NA=300，NB=351時，,37,一、頻率合成器及其技術(shù)指標(biāo)1頻率合成器的概念(1)傳統(tǒng)信號源的不足：頻率準(zhǔn)確度不高、穩(wěn)定度不高；晶體振蕩器盡管準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都較高，但頻率范圍小，輸出頻率不高。(2)頻率合成技術(shù)：是以一個或少量的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率，由此導(dǎo)出多個或大量的輸出頻率的方法。頻率合成器的輸出信號頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度與參考頻率是一樣的。,頻率合成器,38,2頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)(1)頻率范圍頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率fomin和最高頻率fomax之間的變化范圍，也可用覆蓋系數(shù)k=fomax/fomin表示（k又稱之為波段系數(shù)）。(2)頻率間隔（頻率分辨率）兩個相鄰頻率之間的最小間隔，就是頻率間隔。頻率間隔又稱為頻率分辨率。不同用途的頻率合成器，對頻率間隔的要求是不相同的。,39,(3)頻率轉(zhuǎn)換時間頻率轉(zhuǎn)換時間是指頻率合成器從某一個頻率轉(zhuǎn)換到另一個頻率，并達到穩(wěn)定所需要的時間。頻率轉(zhuǎn)換時間一般與采用的頻率合成方法有密切的關(guān)系。(4)準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度頻率準(zhǔn)確度：頻率準(zhǔn)確度是指頻率合成器工作頻率偏離規(guī)定頻率的數(shù)值，即頻率誤差。頻率穩(wěn)定度：頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時間間隔內(nèi)，頻率合成器頻率偏離規(guī)定頻率相對變化的大小。,40,(5)頻譜純度頻譜純度：頻譜純度是指輸出信號頻譜中包含其他頻率成分的的多少。影響頻率合成器頻譜純度的因素主要有兩個，一是相位噪聲，二是寄生干擾。相位噪聲是瞬間頻率穩(wěn)定度的頻域表示，在頻譜上呈現(xiàn)為主譜兩邊的連續(xù)噪聲，如圖所示。,41,頻率合成器的頻譜,42,頻率合成技術(shù)分類,1.直接頻率合成,2.間接式（鎖相）頻率合成,3.直接數(shù)字頻率合成,整數(shù)分頻頻率合成,小數(shù)分頻頻率合成,1.單環(huán)（多環(huán)）頻率合成2.雙模前置分頻（吞脈沖可變分頻）頻率合成,43,1.直接頻率合成器（DS）,特點：直接式頻率合成器是最先出現(xiàn)的一種合成器類型的頻率信號源。這種頻率合成器原理簡單，易于實現(xiàn)。優(yōu)點：分辨率高(10-2)、頻率轉(zhuǎn)換時間快(100s)、工作穩(wěn)定可靠、輸出信號頻譜純度高。不足：體積大、笨重、成本高。,44,2.間接式（鎖相）頻率合成器,間接式頻率合成器又稱為鎖相頻率合成器。鎖相頻率合成器是目前應(yīng)用最廣的頻率合成器。直接式頻率合成器中所固有的那些缺點，如體積大、成本高、輸出端出現(xiàn)寄生頻率等，在鎖相頻率合成器中就大大減少了。,45,雙模前置分頻（吞脈沖可變分頻）頻率合成器,在一個計數(shù)周期內(nèi)，總計脈沖數(shù)即分頻比為,頻率合成器的輸出頻率為,與簡單的頻率合成器相比f0提高了P倍，而頻率分辨率仍保持為fi。,46,3.直接數(shù)字頻率合成器（DDS）,直接數(shù)字式頻率合成器（DigitalDirectSynthesizer，簡稱為DDS）是近年來發(fā)展非常迅速的一種器件，它以數(shù)字信號處理理論為基礎(chǔ)，從信號的幅度相位關(guān)系出發(fā)進行頻率合成的。,與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有極高的分辨率、快速的頻率轉(zhuǎn)換時間、很寬的相對帶寬、任意波形的輸出能力和數(shù)字調(diào)制等優(yōu)點。,47,首先，對一個正弦信號數(shù)字化，形成正弦函數(shù)表，儲存在ROM中。合成時，通過改變相位累加器的頻率控制字，改變相位增量，相位增量的不同導(dǎo)致取樣點不同，從而使得輸出頻率不同。,DDS的基本原理,正弦信號的相位是時間的線性函數(shù)。要得到幅度信息和頻率信息，只需得到相位信息。,48,對正弦信號進行采樣，采樣周期Tc=1/fc,得到離散正弦序列,離散相位序列,其中:,它是連續(xù)兩次采樣之間的相位增量。,將整個2相位分割成2N等分，N為二進制位數(shù)。,為可以選擇的最小相位增量。,49,為可以選擇的最小相位增量。,若每次的相位累加增量取，此時相位增長的斜率最小，得到最低頻率輸出：,若每次的相位增量選擇為的K倍，則可得到輸出頻率：,50,式中，N為累加器的寬度或字長，當(dāng)N很大時，最低輸出頻率可達Hz甚至mHz數(shù)量級。最高頻率受限于時鐘頻率和奈奎斯特抽樣定理，即每周期至少取樣兩次才能夠重建波形，因此最大的合成頻率為,DDS具有極寬的工作頻率范圍。DDS輸出頻率的下限對應(yīng)于頻率控制字K=1，因而其最低頻率為,實際應(yīng)用中，一般取,DDS其特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：,51,DDS具有極高的頻率分辨率f0，DDS的頻率分辨率就是它的最低頻率。,例如當(dāng)fc=50MHz,N=