第9章信號(hào)的處理與變換

1、9.1 引言引言 本章以運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)，討論模擬信號(hào)的處理和本章以運(yùn)算放大器為基礎(chǔ)，討論模擬信號(hào)的處理和變換電路。變換電路。 在在信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路中，重點(diǎn)討論有源濾波電路和模擬中，重點(diǎn)討論有源濾波電路和模擬乘法器，簡要介紹開關(guān)電容濾波器、調(diào)制與解調(diào)電路和乘法器，簡要介紹開關(guān)電容濾波器、調(diào)制與解調(diào)電路和鎖相環(huán)的基本原理及其應(yīng)用。鎖相環(huán)的基本原理及其應(yīng)用。 信號(hào)變換信號(hào)變換是傳感器與信號(hào)處理電路之間接口電路的是傳感器與信號(hào)處理電路之間接口電路的主要功能，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行變換，例如將電荷主要功能，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行變換，例如將電荷變換為電壓、電流變換為電壓等；本章介紹了幾種典型變

2、換為電壓、電流變換為電壓等；本章介紹了幾種典型信號(hào)變換電路的工作原理及其在實(shí)際中的應(yīng)用。信號(hào)變換電路的工作原理及其在實(shí)際中的應(yīng)用。第第9章章 信號(hào)的處理與變換信號(hào)的處理與變換 非正弦信號(hào)通過傅立葉變換，可知其中包括多種頻率非正弦信號(hào)通過傅立葉變換，可知其中包括多種頻率成分的信號(hào)。濾波就是根據(jù)頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選。成分的信號(hào)。濾波就是根據(jù)頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選。濾波器濾波器的功能的功能是使輸入信號(hào)中特定范圍內(nèi)的頻率成分通過，抑制是使輸入信號(hào)中特定范圍內(nèi)的頻率成分通過，抑制信號(hào)中的其他頻率成分信號(hào)中的其他頻率成分。9.2 有源濾波器有源濾波器9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法濾波器

3、按頻率特性可分為：濾波器按頻率特性可分為：低通濾波器低通濾波器 ( LPF，Low Pass Filter )；高通濾波器高通濾波器 ( HPF，High Pass Filter )；帶通濾波器帶通濾波器 ( BPF，Band Pass Filter )；帶阻濾波器帶阻濾波器 ( BEF，Band Elimination Filter )；全通濾波器全通濾波器 ( APF，All Pass Filter )。 1. 濾波器的分類濾波器的分類全通濾波器全通濾波器濾波器的幅度頻率特性濾波器的幅度頻率特性低通濾波器低通濾波器高通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器帶阻濾波器9.2.1 濾波

4、器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法低通濾波器的幅頻特性低通濾波器的幅頻特性 以以低通濾波器的幅度頻率特性低通濾波器的幅度頻率特性為例。濾波器的為例。濾波器的通帶通帶是一是一個(gè)頻率范圍，這個(gè)范圍內(nèi)的信號(hào)能夠以最小幅度的衰減通過個(gè)頻率范圍，這個(gè)范圍內(nèi)的信號(hào)能夠以最小幅度的衰減通過濾波器；同理，濾波器；同理，阻帶阻帶范圍內(nèi)的信號(hào)被衰減到零。圖中范圍內(nèi)的信號(hào)被衰減到零。圖中A0是通是通帶增益，隨著頻率的增加，增益下降，當(dāng)增益下降到帶增益，隨著頻率的增加，增益下降，當(dāng)增益下降到0.707A0 時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率fH稱為濾波器的上限稱為濾波器的上限截止頻率截止頻率。(1) 濾波器的幅度頻率

5、特性濾波器的幅度頻率特性 在截止頻率與阻帶之間的在截止頻率與阻帶之間的頻段定義為過渡帶。這一頻段頻段定義為過渡帶。這一頻段內(nèi)的信號(hào)雖然被抑制，但是仍內(nèi)的信號(hào)雖然被抑制，但是仍然能通過濾波器；因而在設(shè)計(jì)然能通過濾波器；因而在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，要求通帶之外的增濾波器時(shí)，要求通帶之外的增益下降速度越快越好，即益下降速度越快越好，即濾波濾波器的過渡帶越窄，電路的濾波器的過渡帶越窄，電路的濾波特性越理想特性越理想。 9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法(2) 無源濾波器無源濾波器uppup11 21 1jAfRCAff空載：LupLpLupup1 2 () 1jRARRfRR CAAff

6、帶載： 無源濾波器僅由電阻及電抗性元件電容、電感組成，根無源濾波器僅由電阻及電抗性元件電容、電感組成，根據(jù)所用元件，可以承受較大功率。無源濾波器存在阻抗匹配據(jù)所用元件，可以承受較大功率。無源濾波器存在阻抗匹配問題。問題。低通濾波電路低通濾波電路9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法空載空載帶負(fù)載帶負(fù)載無源濾波電路帶負(fù)載的情況無源濾波電路帶負(fù)載的情況 無源濾波電路幅度頻率特性曲線中無源濾波電路幅度頻率特性曲線中紅色的曲線代表空紅色的曲線代表空載的情況載的情況，當(dāng)幅頻特性曲線下降，當(dāng)幅頻特性曲線下降3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率 fp (fH)稱為稱為上限截止頻率上限截止頻率

7、。圖中。圖中藍(lán)色的曲線代表有載的情況藍(lán)色的曲線代表有載的情況，當(dāng)，當(dāng)幅頻特性曲線下降幅頻特性曲線下降 3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的上限截止頻率為時(shí)，對(duì)應(yīng)的上限截止頻率為 fp。顯。顯然，然，fp fp。 當(dāng)頻率超過當(dāng)頻率超過fp( fH)以后，一階以后，一階 RC 有源有源濾波電路的幅頻特性濾波電路的幅頻特性將以將以 -20dB/十倍頻的十倍頻的速率下降。速率下降。 無源濾波電路的無源濾波電路的截止頻率受負(fù)載的影截止頻率受負(fù)載的影響較大。響較大。9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法 有源濾波器一般由集成運(yùn)放和有源濾波器一般由集成運(yùn)放和無源元件無源元件 R、C 組成組成。濾。濾波作用由波

8、作用由 R、C 完成，集成運(yùn)放提供一定的電壓增益，并在完成，集成運(yùn)放提供一定的電壓增益，并在一定程度上改善濾波電路的性能。一定程度上改善濾波電路的性能。(3) 有源濾波器有源濾波器一階有源濾波電路一階有源濾波電路電壓跟隨器電壓跟隨器(隔離無源濾波電路和負(fù)載隔離無源濾波電路和負(fù)載)9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法sRCsCRsCsUsUsUsUsA1111)()()()()(ipiou0u0upj1121 12 jjffARCfAfs一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)：一階有源濾波電路的傳遞函數(shù)：一階有源濾波電路一階有源濾波電路9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析

9、方法(4) 無源濾波器和有源濾波器的比較無源濾波器和有源濾波器的比較 有源濾波器不使用電感、體積小、重量輕；有源濾波器不使用電感、體積小、重量輕； 無源濾波器的濾波參數(shù)隨負(fù)載變化；有源濾波器使無源濾波器的濾波參數(shù)隨負(fù)載變化；有源濾波器使用了集成運(yùn)放，輸入阻抗高，輸出阻抗低，對(duì)信號(hào)具有緩用了集成運(yùn)放，輸入阻抗高，輸出阻抗低，對(duì)信號(hào)具有緩沖作用，濾波參數(shù)不隨負(fù)載變化；沖作用，濾波參數(shù)不隨負(fù)載變化； 有源濾波器在濾波的同時(shí)對(duì)信號(hào)具有放大作用，避有源濾波器在濾波的同時(shí)對(duì)信號(hào)具有放大作用，避免了信號(hào)的過度衰減；免了信號(hào)的過度衰減； 有源濾波器只適用于信號(hào)處理，不適于高電壓、大有源濾波器只適用于信號(hào)處理，

10、不適于高電壓、大電流的負(fù)載；直流電源和大功率電子設(shè)備中均采用無源濾電流的負(fù)載；直流電源和大功率電子設(shè)備中均采用無源濾波器。波器。9.2.1 濾波器的分類與分析方法濾波器的分類與分析方法2. 濾波器的分析方法濾波器的分析方法(1)濾波器的傳輸特性可以用傳遞函數(shù)來表征，其傳遞函濾波器的傳輸特性可以用傳遞函數(shù)來表征，其傳遞函數(shù)為用拉氏算子數(shù)為用拉氏算子 “s ”表示的增益表達(dá)式。表示的增益表達(dá)式。有源濾波電路中有源濾波電路中的集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，的集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，根據(jù)運(yùn)放的根據(jù)運(yùn)放的“虛短虛短”、“虛斷虛斷”特性，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)電流法或疊加定理，列出電路在頻域內(nèi)的方特性，運(yùn)用節(jié)點(diǎn)電流法或疊加定理，

11、列出電路在頻域內(nèi)的方程，求取電路的傳遞函數(shù)。程，求取電路的傳遞函數(shù)。 (2)將將s = j 代入傳遞函數(shù)中，得到頻率特性方程，進(jìn)而代入傳遞函數(shù)中，得到頻率特性方程，進(jìn)而解出解出濾波電路的通帶增益濾波電路的通帶增益 (也稱通帶電壓放大倍數(shù)也稱通帶電壓放大倍數(shù))、通帶截通帶截止頻率止頻率；畫出濾波電路的幅頻特性和相頻特性。；畫出濾波電路的幅頻特性和相頻特性。 (3)濾波器的階數(shù)取決于電路中濾波器的階數(shù)取決于電路中RC 環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)，即由傳，即由傳遞函數(shù)的分母中拉氏算子遞函數(shù)的分母中拉氏算子“s ”的最高冪數(shù)確定。一階濾波器的最高冪數(shù)確定。一階濾波器過渡帶的變化速率過渡帶的變化速率為為 20

12、dB/十倍頻，二階濾波器過渡帶的十倍頻，二階濾波器過渡帶的變化速率為變化速率為 40dB/十倍頻。若是十倍頻。若是n階濾波器則過渡帶的變化階濾波器則過渡帶的變化速率為速率為 20ndB/十倍頻。十倍頻。 Hupuj1ffAA電壓放大倍數(shù)為電壓放大倍數(shù)為同相輸入一階低通濾波器同相輸入一階低通濾波器ofui1f11( )( )(1)1( )1 (1)1UsRsCA sU sRRsCRRsRC1. 一階低通濾波器一階低通濾波器 同相一階低通濾波電路如圖所示，同相一階低通濾波電路如圖所示，RC 為一階低通環(huán)為一階低通環(huán)節(jié)，節(jié)，A為具有電壓增益的運(yùn)算放大器。它的傳遞函數(shù)為為具有電壓增益的運(yùn)算放大器。它的

13、傳遞函數(shù)為 9.2.2 有源低通濾波器有源低通濾波器 以以電壓增益與通帶電壓增益相對(duì)值的對(duì)數(shù)電壓增益與通帶電壓增益相對(duì)值的對(duì)數(shù)為為Y坐標(biāo)，坐標(biāo)，以以頻率頻率為為X坐標(biāo)可以將電壓放大倍數(shù)的幅度頻率特性曲線坐標(biāo)可以將電壓放大倍數(shù)的幅度頻率特性曲線畫出。畫出。fup11RAR 通帶放大倍數(shù)通帶放大倍數(shù)RCf21H通帶截止頻率通帶截止頻率Hupuj1ffAA式中式中RCf210也稱特征頻率也稱特征頻率1. 一階低通濾波器一階低通濾波器同相輸入一階低通濾波器的幅頻特性同相輸入一階低通濾波器的幅頻特性-20dB/十倍頻程十倍頻程1. 一階低通濾波器一階低通濾波器 波特圖波特圖是用折線化的幅頻特性去代替實(shí)際

14、的幅頻特性。是用折線化的幅頻特性去代替實(shí)際的幅頻特性。波特圖在波特圖在 fH 處的誤差最大，有處的誤差最大，有-3dB。同相輸入一階低通濾波器的幅頻特性同相輸入一階低通濾波器的幅頻特性-20dB/十倍頻程十倍頻程 一階一階RC 濾波電路的過渡帶較寬，特性曲線下降慢。采濾波電路的過渡帶較寬，特性曲線下降慢。采用多階濾波器，即增加用多階濾波器，即增加RC濾波環(huán)節(jié)，可以使過渡帶變窄。濾波環(huán)節(jié)，可以使過渡帶變窄。-3dB1. 一階低通濾波器一階低通濾波器同相輸入二階低通濾波電路同相輸入二階低通濾波電路2. 二階低通濾波器二階低通濾波器(1) 通帶增益通帶增益 為增加幅度頻率特性在過渡帶的衰減，可采用二

15、階濾為增加幅度頻率特性在過渡帶的衰減，可采用二階濾波電路。當(dāng)波電路。當(dāng) f = 0 時(shí)，電容器可視為開路，通帶增益為時(shí)，電容器可視為開路，通帶增益為1fup1RRA(2) 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)同相輸入二階低通濾波電路同相輸入二階低通濾波電路令令C1= C2 =C，聯(lián)立求解以上四式，可得濾波器的傳遞函數(shù)，聯(lián)立求解以上四式，可得濾波器的傳遞函數(shù) 2uPIOu31sCRsCRAsUsUsAOup( )( )N2( )( )1( )( )1UsA UsUsUssC R 12NI1211()( )11()RsCsCUsU sRRsCsC)()()()(sUsU2. 二階低通濾波器二階低通濾波器特征頻率特征頻

16、率截止頻率截止頻率通帶增益通帶增益(3) 通帶截止頻率通帶截止頻率2upIOS)(31)()()(sCRsCRAsUsUsA將將 s 換成換成 j ，另，另 0 = 2 f0 = 1/RC020upuj3)(1ffffAA通帶截止頻率通帶截止頻率fp對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) ，于是可求出，于是可求出2)(uppAfAf = fp = 0.37 f02. 二階低通濾波器二階低通濾波器二階二階LPF的幅頻特性的幅頻特性 二階低通有源濾波電路的幅度頻率特性曲線：二階低通有源濾波電路的幅度頻率特性曲線： 該電路的該電路的 fp與與 f0 相距較大，如果在相距較大，如果在 f = f0 處適當(dāng)提升處適當(dāng)提升電壓放大倍數(shù)

17、，即可拉近電壓放大倍數(shù)，即可拉近 fp與與 f0，減小過渡帶。，減小過渡帶。2. 二階低通濾波器二階低通濾波器3. 二階壓控二階壓控型低通濾波器型低通濾波器 為使為使 fp f0，且在，且在 f = f0 時(shí)幅頻特性按時(shí)幅頻特性按 - -40dB/十倍頻十倍頻下降。下降。將將C1的接地端改接到運(yùn)放的輸出端，的接地端改接到運(yùn)放的輸出端，引入適當(dāng)?shù)恼脒m當(dāng)?shù)恼答伔答仭?當(dāng)當(dāng) f0，或很低時(shí)，或很低時(shí)，C1 阻抗很大，正反饋基本不起作阻抗很大，正反饋基本不起作用，放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)。用，放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)。 當(dāng)當(dāng) f f0 時(shí)時(shí)，C2 阻抗減小，正反饋?zhàn)饔媒档?，放大倍阻抗減小，正反饋?zhàn)饔?/p>

18、降低，放大倍數(shù)下降數(shù)下降 。 正反饋正反饋壓控型二階低通濾波電路壓控型二階低通濾波電路upu2up( )( )13( )()AsAsAs sRCsRCup0uupup 3AffAQAA時(shí)，列節(jié)點(diǎn)電流方程，求得：列節(jié)點(diǎn)電流方程，求得：0upuup 23 ffAAA當(dāng)時(shí)，upu2up001()j 3AAffAff令令 ，up31AQ應(yīng)該仔細(xì)選擇通帶增益，應(yīng)該仔細(xì)選擇通帶增益，避免虛部為避免虛部為0，引起電路自激。，引起電路自激。3. 二階壓控二階壓控型低通濾波器型低通濾波器二階壓控型低通濾波電路的幅頻特性二階壓控型低通濾波電路的幅頻特性 一般選擇一般選擇 Q = 1，其通帶內(nèi)的增益比較平坦，又可拉

19、，其通帶內(nèi)的增益比較平坦，又可拉近近 fp ，壓縮過渡帶。，壓縮過渡帶。3. 二階壓控二階壓控型低通濾波器型低通濾波器 高通濾波器高通濾波器(HPF)允許輸入信號(hào)中高于截止頻率的信號(hào)允許輸入信號(hào)中高于截止頻率的信號(hào)分量通過，抑制低頻分量。高通濾波器分量通過，抑制低頻分量。高通濾波器 與與低通濾波器低通濾波器(LPF)有對(duì)偶性，將有對(duì)偶性，將LPF的電阻和電容互換，就可得的電阻和電容互換，就可得HPF。二階壓控型高通濾波電路二階壓控型高通濾波電路1. 電路組成電路組成9.2.3 有源高通濾波器有源高通濾波器二階壓控型高通濾波電路二階壓控型高通濾波電路 二階壓控型高通濾波電路的二階壓控型高通濾波電

20、路的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)：2. 幅頻特性幅頻特性通帶放大倍數(shù)通帶放大倍數(shù)截止頻率截止頻率品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù) 高通濾波器高通濾波器( HPF)與低通濾波器與低通濾波器(LPF)的傳遞函數(shù)和幅的傳遞函數(shù)和幅頻響應(yīng)也存在對(duì)偶關(guān)系，將頻響應(yīng)也存在對(duì)偶關(guān)系，將LPF傳遞函數(shù)中的傳遞函數(shù)中的sRC用用1/sRC代換，就可以得到高通濾波器的傳遞函數(shù)。代換，就可以得到高通濾波器的傳遞函數(shù)。 當(dāng)當(dāng)Aup3時(shí)，電路會(huì)發(fā)生自激振蕩，因而要求時(shí)，電路會(huì)發(fā)生自激振蕩，因而要求Aup fL9.2.4 有源帶通濾波器有源帶通濾波器二階壓控型帶通濾波電路二階壓控型帶通濾波電路低通低通高通高通 為獲得較窄的通頻帶，在實(shí)際電路中常采用

21、單個(gè)集成為獲得較窄的通頻帶，在實(shí)際電路中常采用單個(gè)集成運(yùn)放運(yùn)放構(gòu)成二階壓控型帶通濾波電路。構(gòu)成二階壓控型帶通濾波電路。fH fL1. 電路組成電路組成二階壓控型帶通濾波電路二階壓控型帶通濾波電路2. 幅頻特性幅頻特性列節(jié)點(diǎn)電流方程，求傳遞函數(shù)為列節(jié)點(diǎn)電流方程，求傳遞函數(shù)為 uf2ufu31AsCRsCRAsCRsA1fuf1RRAuf3A ufuuf0uf01311j3AAAffAffufupufuf3AAQAA將將 代替代替S，令令 j012fRCuf13QA)(j1100upuffffQAA二階壓控型帶通濾波電路二階壓控型帶通濾波電路2. 幅頻特性幅頻特性u(píng)p2uf0L3432AAffup

22、2uf0H3432AAff解得通帶截止頻率：解得通帶截止頻率：當(dāng)當(dāng) f = fP時(shí)，時(shí)， 通帶截止頻率通帶截止頻率upu21AA1)(31p00pufffffA通頻帶通頻帶0HLuf0BW3fffAfQ2. 幅頻特性幅頻特性二階壓控型帶通濾波電路的幅頻特性二階壓控型帶通濾波電路的幅頻特性 Q值越高，值越高，BPF的通帶寬度越窄，濾波器的選頻特性的通帶寬度越窄，濾波器的選頻特性越好越好。 一般定義一般定義Q 10為為窄帶窄帶BPF。 2. 幅頻特性幅頻特性 帶阻濾波器帶阻濾波器(BEF)的對(duì)于特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)有衰減的對(duì)于特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)有衰減或抑制作用，而在頻帶以外的信號(hào)可以順利通過，也

23、稱或抑制作用，而在頻帶以外的信號(hào)可以順利通過，也稱陷波陷波濾波器濾波器。將輸入電壓同時(shí)作用于低通濾波器和高通濾波器，將輸入電壓同時(shí)作用于低通濾波器和高通濾波器，再將兩個(gè)電路的輸出電壓求和，得到帶阻濾波器再將兩個(gè)電路的輸出電壓求和，得到帶阻濾波器。阻帶：阻帶：(fp1- -fp2)帶阻濾波電路的組成帶阻濾波電路的組成1. 電路組成電路組成9.2.5 有源帶阻濾波器有源帶阻濾波器 實(shí)際電路中常利用實(shí)際電路中常利用無源無源LPF和和 HPF并聯(lián)并聯(lián)構(gòu)成無源帶阻構(gòu)成無源帶阻濾波電路，然后接同相比例運(yùn)算電路，得到有源帶阻濾波濾波電路，然后接同相比例運(yùn)算電路，得到有源帶阻濾波電路。電路。無源帶阻濾波電路無

24、源帶阻濾波電路+同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路=有源帶阻濾波電路有源帶阻濾波電路雙雙T帶阻濾波電路帶阻濾波電路1. 電路組成電路組成 二階壓控型帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)是二階壓控型帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)是在無源雙在無源雙T 帶阻濾波帶阻濾波電路的基礎(chǔ)上，加入同相比例運(yùn)算電路電路的基礎(chǔ)上，加入同相比例運(yùn)算電路，并，并引入正反饋引入正反饋而而構(gòu)成。構(gòu)成。 二階壓控型帶阻濾波電路二階壓控型帶阻濾波電路1. 電路組成電路組成 當(dāng)輸入高頻信號(hào)時(shí)，電容的容抗值小，可近似視作當(dāng)輸入高頻信號(hào)時(shí)，電容的容抗值小，可近似視作“短路短路”，高頻信號(hào)由上方的兩個(gè)電容和一個(gè)電阻所構(gòu)成高頻信號(hào)由上方的兩個(gè)電容和一個(gè)電阻所構(gòu)成的的T

25、型網(wǎng)絡(luò)通過型網(wǎng)絡(luò)通過；當(dāng)輸入低頻信號(hào)時(shí)，電容的容抗值大，；當(dāng)輸入低頻信號(hào)時(shí)，電容的容抗值大，可近似視作可近似視作“開路開路”，低頻信號(hào)由下方的兩個(gè)電阻和一個(gè)低頻信號(hào)由下方的兩個(gè)電阻和一個(gè)電容所構(gòu)成的電容所構(gòu)成的 T 型網(wǎng)絡(luò)通過型網(wǎng)絡(luò)通過；而；而處于低頻和高頻之間的頻處于低頻和高頻之間的頻帶信號(hào)無法通過雙帶信號(hào)無法通過雙T 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)。 1. 電路組成電路組成2uup2up1()( )12 2()sCRA sAAsRCsCRfup11RAR 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：2. 幅頻特性幅頻特性u(píng)pu0up2201j2 2AAf fAff將將 代替代替S，令令 ，則得到，則得到 j012fRC0p2p1up0

26、2(2)fBWffAfQup12(2)QA阻帶寬度：阻帶寬度：2p1upup0(2)1(2)fAAf 2p2upup0(2)1(2)fAAf 通帶的截止頻率：通帶的截止頻率：2. 幅頻特性幅頻特性不同不同Q值時(shí)帶阻濾波器的幅頻特性：值時(shí)帶阻濾波器的幅頻特性：Q值大值大二階壓控型帶阻濾波電路的幅頻特性二階壓控型帶阻濾波電路的幅頻特性2. 幅頻特性幅頻特性 全通濾波器全通濾波器 (APF) 沒有阻帶，其理想濾波特性是通帶沒有阻帶，其理想濾波特性是通帶從零到無窮大，信號(hào)可以無衰減地通過濾波器，但是不同從零到無窮大，信號(hào)可以無衰減地通過濾波器，但是不同頻率的信號(hào)將產(chǎn)生不同的相移。因此，頻率的信號(hào)將產(chǎn)生

27、不同的相移。因此，APF 也被稱為也被稱為延時(shí)延時(shí)濾波器濾波器或或移相器移相器。一階全通濾波器一階全通濾波器9.2.6 全通濾波器全通濾波器圖圖(a)所示電路的傳遞函數(shù)：所示電路的傳遞函數(shù)：u1( )1sCRA ssCR 將將 代替代替S，則得到則得到 ju1j1jRCARC 9.2.6 全通濾波器全通濾波器* 全通濾波器實(shí)現(xiàn)頻率全通濾波器實(shí)現(xiàn)頻率 f - - 相角相角轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 *全通濾波器的相頻特性全通濾波器的相頻特性u(píng)1j1jRCARC u1A o01802arctanff012fRC 信號(hào)頻率從零到無窮大，全通濾波器信號(hào)頻率從零到無窮大，全通濾波器( APF )輸出電壓輸出電壓的數(shù)值與輸

28、入電壓相等。的數(shù)值與輸入電壓相等。幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性9.2.6 全通濾波器全通濾波器9.2.7 狀態(tài)變量型有源濾波器狀態(tài)變量型有源濾波器 在對(duì)濾波器性能要求較高的場(chǎng)合，一般將在對(duì)濾波器性能要求較高的場(chǎng)合，一般將比例比例、積積分分、求和求和等基本運(yùn)算電路組合在一起，構(gòu)成可以自由設(shè)等基本運(yùn)算電路組合在一起，構(gòu)成可以自由設(shè)置傳遞函數(shù)的運(yùn)算電路，并實(shí)現(xiàn)各種濾波功能，這種電置傳遞函數(shù)的運(yùn)算電路，并實(shí)現(xiàn)各種濾波功能，這種電路稱為路稱為狀態(tài)變量狀態(tài)變量(State Variable)型有源濾波器型有源濾波器，也稱，也稱可可變狀態(tài)型濾波器變狀態(tài)型濾波器。主要優(yōu)點(diǎn)：主要優(yōu)點(diǎn)： (1)功能多樣性功能

29、多樣性，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高通、帶通和低通的，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高通、帶通和低通的濾波特性，因此也被稱為通用型濾波器；濾波特性，因此也被稱為通用型濾波器； (2)濾波器性能濾波器性能參數(shù)參數(shù) (Aup、Q、f0 )互相互相獨(dú)立獨(dú)立，易調(diào)整易調(diào)整； (3)對(duì)元件參數(shù)靈敏度低，易于對(duì)元件參數(shù)靈敏度低，易于實(shí)現(xiàn)高實(shí)現(xiàn)高Q 值值。 1. 二階有源濾波器的傳遞函數(shù)二階有源濾波器的傳遞函數(shù) 二階狀態(tài)變量有源濾波器的傳遞函數(shù)二階狀態(tài)變量有源濾波器的傳遞函數(shù):2012u2012( )aa sa sA sbbsb s當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)021 aa0u2012( )aA sbbsb s表明電路實(shí)現(xiàn)表明電路實(shí)現(xiàn)二階低通濾波二階低通濾波

30、。當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)010 aa22u2012( )a sA sbbsb s表明電路實(shí)現(xiàn)表明電路實(shí)現(xiàn)二階高通濾波二階高通濾波。當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)020 aa1u2012( )a sA sbbsb s表明電路實(shí)現(xiàn)表明電路實(shí)現(xiàn)二階帶通濾波器二階帶通濾波器。當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)01a202u2012( )aa sA sbbsb s表明電路實(shí)現(xiàn)表明電路實(shí)現(xiàn)二階帶阻濾波器二階帶阻濾波器。 合理選擇合理選擇a0、a1、a2和和b0、b1、b2的數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)任的數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)任意傳遞函數(shù)。意傳遞函數(shù)。 1. 二階有源濾波器的傳遞函數(shù)二階有源濾波器的傳遞函數(shù)2. 同相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器同相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器 低通低通

31、 帶通帶通同相輸入的狀態(tài)變量型有源波器同相輸入的狀態(tài)變量型有源波器 高通高通 由由兩個(gè)積分電路兩個(gè)積分電路和和一個(gè)求和運(yùn)算一個(gè)求和運(yùn)算電路構(gòu)成的二階低電路構(gòu)成的二階低通、高通和帶通濾波電路如圖所示。通、高通和帶通濾波電路如圖所示。 2456712o1145u123152i6712722341523/( )/( )/RRs R R C CUsRRRAsRRRRU ss R R C CsR CRRRRRRR 設(shè)設(shè)R1= R2= R3= R4=R，R6= R7= R0，C1= C2= C0，化，化簡方程，求得電路的三個(gè)輸出端的傳遞函數(shù)為簡方程，求得電路的三個(gè)輸出端的傳遞函數(shù)為 200o15u125i

32、500005( )22( )212sR CUsRAsRU sRRsR CsR CRR o2005u225i500005( )22( )212UssR CRAsRU sRRsR CsR CRR o35u325i500005( )212( )212UsRAsRU sRRsR CsR CRR 高通濾波器高通濾波器 帶通濾波器帶通濾波器 低通濾波器低通濾波器2. 同相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器同相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器3. 反相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器反相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器 低通低通 高通高通 帶通帶通 帶阻帶阻反相輸入的狀態(tài)變量型有源波器反相輸入的狀態(tài)變量型有源波器2O1u12i( )

33、10()( )( )1210()UssRCAsU ssRCsRC O2u22i( )10( )( )1210()UssRCAsU ssRCsRC O3u32i( )10( )( )1210()UsAsU ssRCsRC 2O4u42i( )10 10()( )( )1210()UssRCAsU ssRCsRC 高通濾波器高通濾波器 帶通濾波器帶通濾波器 低通濾波器低通濾波器 帶阻濾波器帶阻濾波器3. 反相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器反相輸入的狀態(tài)變量型有源濾波器1. 濾波特性濾波特性 二階濾波電路比一階的濾波效果好，因此當(dāng)進(jìn)一步增二階濾波電路比一階的濾波效果好，因此當(dāng)進(jìn)一步增加濾波電路階數(shù)，其頻

34、率響應(yīng)越能接近理想特性。但是在加濾波電路階數(shù)，其頻率響應(yīng)越能接近理想特性。但是在實(shí)際應(yīng)用中，元件參數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，元件參數(shù)(R、C)的不同設(shè)置使得濾波器具有的不同設(shè)置使得濾波器具有不同的響應(yīng)特性，很難在幅頻和相頻響應(yīng)兩個(gè)方面同時(shí)接不同的響應(yīng)特性，很難在幅頻和相頻響應(yīng)兩個(gè)方面同時(shí)接近理想特性。因此，近理想特性。因此，濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是根據(jù)不同的實(shí)際是根據(jù)不同的實(shí)際要求，實(shí)現(xiàn)其最佳的近似理想特性。要求，實(shí)現(xiàn)其最佳的近似理想特性。 在各種各樣的近似特性曲線中，較為典型的是在各種各樣的近似特性曲線中，較為典型的是巴特沃巴特沃斯斯、切比雪夫切比雪夫和和貝塞爾貝塞爾特性曲線。每一種濾波器特性

35、曲線。每一種濾波器(LPF、HPF、BPF、BEF)都能通過改變與時(shí)間常數(shù)有關(guān)的元件參都能通過改變與時(shí)間常數(shù)有關(guān)的元件參數(shù)獲得與巴特沃斯、切比雪夫或貝塞爾特性曲線相對(duì)應(yīng)的數(shù)獲得與巴特沃斯、切比雪夫或貝塞爾特性曲線相對(duì)應(yīng)的濾波特性。濾波特性。 9.2.8 三種典型的濾波特性三種典型的濾波特性2. 三種頻率響應(yīng)函數(shù)的比較三種頻率響應(yīng)函數(shù)的比較 巴特沃思型低通濾波器巴特沃思型低通濾波器的幅頻響應(yīng)的幅頻響應(yīng):221()1nH 巴特沃思型低通濾波器在巴特沃思型低通濾波器在 = 0處最大平滑、無衰減，處最大平滑、無衰減，通帶內(nèi)的頻率特征是平坦無凹凸的，并且在允許條件下可得通帶內(nèi)的頻率特征是平坦無凹凸的，并

36、且在允許條件下可得到最大帶寬。因此，巴特沃思濾波器到最大帶寬。因此，巴特沃思濾波器具有最大平坦特性具有最大平坦特性，其，其階數(shù)階數(shù)n越高，濾波響應(yīng)曲線越逼近理想模型。越高，濾波響應(yīng)曲線越逼近理想模型。 c/ c是是- -3dB的截止頻率的截止頻率n是濾波器的階數(shù)是濾波器的階數(shù) 是決定最大通帶起伏量的常數(shù)是決定最大通帶起伏量的常數(shù) 切比雪夫型低通濾波器切比雪夫型低通濾波器的幅頻響應(yīng)的幅頻響應(yīng):221()1()nHC 切比雪夫型濾波器切比雪夫型濾波器以引入通帶起伏為代價(jià)，使過渡帶曲以引入通帶起伏為代價(jià)，使過渡帶曲線下降的斜率最大化線下降的斜率最大化。在給定過渡帶截止速率的情況下，切。在給定過渡帶截

37、止速率的情況下，切比雪夫?yàn)V波器雖然在通帶內(nèi)的曲線產(chǎn)生了一定幅度的振蕩，比雪夫?yàn)V波器雖然在通帶內(nèi)的曲線產(chǎn)生了一定幅度的振蕩，但是可以用低于巴特沃斯濾波器的階次來實(shí)現(xiàn)，從而降低了但是可以用低于巴特沃斯濾波器的階次來實(shí)現(xiàn)，從而降低了電路的復(fù)雜性和成本。電路的復(fù)雜性和成本。c/ c是是- -3dB的截止頻率的截止頻率切比雪夫多項(xiàng)式切比雪夫多項(xiàng)式 2 0二象限除法運(yùn)二象限除法運(yùn)算電路算電路2. 除法運(yùn)算除法運(yùn)算3. 開平方運(yùn)算開平方運(yùn)算根據(jù)圖根據(jù)圖示示電路電路為為)(1X12OuRRKu所以有所以有 顯然，顯然，uO是是- - ux平方根平方根。因此只有當(dāng)。因此只有當(dāng)ux為負(fù)值時(shí)才能為負(fù)值時(shí)才能開平方，

38、也就是說開平方，也就是說ux為負(fù)值電路才能實(shí)現(xiàn)為負(fù)值電路才能實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋負(fù)反饋的閉環(huán)。的閉環(huán)。開平方電路開平方電路2O11XRuRu2OO1Kuu9.5.1 調(diào)制與解調(diào)的基本概念調(diào)制與解調(diào)的基本概念 將低頻信息加載到作為信息載體的高頻信號(hào)上，以便將低頻信息加載到作為信息載體的高頻信號(hào)上，以便于低頻信號(hào)的傳輸，這個(gè)信號(hào)的處理過程，稱為于低頻信號(hào)的傳輸，這個(gè)信號(hào)的處理過程，稱為調(diào)制調(diào)制。 將信息加載到載波信號(hào)上去的方法很多，分為將信息加載到載波信號(hào)上去的方法很多，分為模擬調(diào)制模擬調(diào)制和和數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制中可以用調(diào)制信號(hào)分別去改變載波信。模擬調(diào)制中可以用調(diào)制信號(hào)分別去改變載波信號(hào)的號(hào)的幅度、

39、頻率、相位幅度、頻率、相位，相應(yīng)的調(diào)制方法分別稱為幅度調(diào)制，相應(yīng)的調(diào)制方法分別稱為幅度調(diào)制(簡稱簡稱調(diào)幅調(diào)幅，縮寫，縮寫AM)、頻率調(diào)制、頻率調(diào)制(簡稱簡稱調(diào)頻調(diào)頻，縮寫，縮寫FM)和相和相位調(diào)制位調(diào)制(簡稱簡稱調(diào)相調(diào)相，縮寫，縮寫PM)。 通常稱代表信息的低頻信號(hào)為通常稱代表信息的低頻信號(hào)為調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)，而作為信息，而作為信息載體的高頻信號(hào)稱為載體的高頻信號(hào)稱為載波信號(hào)載波信號(hào)，稱調(diào)制后的高頻信號(hào)為，稱調(diào)制后的高頻信號(hào)為已調(diào)已調(diào)制信號(hào)制信號(hào)。9.5 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)1. 調(diào)制的概念調(diào)制的概念2. 模擬調(diào)制的分類模擬調(diào)制的分類 9.5.2 幅度調(diào)制幅度調(diào)制(a) 調(diào)幅調(diào)幅波的時(shí)域波形波

40、的時(shí)域波形 (b)調(diào)幅波的頻譜調(diào)幅波的頻譜mmmmcoscos2uUtUFtccccccoscos2uUtUf tAMcmmccmccoscos 1coscosuUUttUmtt包絡(luò)線包絡(luò)線cmmcosUUt1. 調(diào)幅波的頻譜調(diào)幅波的頻譜AMccccmccccmccmcoscoscos coscos()cos()22uUtmUttmmUtUtUt幅度調(diào)制系數(shù)幅度調(diào)制系數(shù) mcUmUAMcmc1coscosuUmtt下邊頻下邊頻上邊頻上邊頻載頻載頻9.5.2 幅度調(diào)制幅度調(diào)制 如果調(diào)制信號(hào)不是單一頻率，而是具有頻帶寬度如果調(diào)制信號(hào)不是單一頻率，而是具有頻帶寬度(F1F2)，調(diào)幅波的頻譜如圖所示。

41、調(diào)幅波的頻譜如圖所示。調(diào)幅波的邊帶頻譜圖調(diào)幅波的邊帶頻譜圖下邊帶下邊帶上邊帶上邊帶9.5.2 幅度調(diào)制幅度調(diào)制 設(shè)調(diào)幅波的載波為單一頻率、幅度固定的正弦波，將調(diào)設(shè)調(diào)幅波的載波為單一頻率、幅度固定的正弦波，將調(diào)幅波加在負(fù)載電阻幅波加在負(fù)載電阻RL上，此時(shí)上，此時(shí)載波功率載波功率為為 2. 調(diào)幅信號(hào)中各分量的功率調(diào)幅信號(hào)中各分量的功率2ccL2UPR上邊頻功率上邊頻功率( P1 )、下邊頻功率下邊頻功率( P2 )為為2222cc12cLL1()842 2mUm UmPPPRR調(diào)幅波的功率調(diào)幅波的功率PAM是調(diào)幅波在負(fù)載上的總功率：是調(diào)幅波在負(fù)載上的總功率：22AMc12ccc2(1)42mmPP

42、PPPPP調(diào)制系數(shù)調(diào)制系數(shù)當(dāng)當(dāng)m =1 時(shí)時(shí)cAM12AM21 33PPPPP 調(diào)幅波傳輸?shù)男畔⒃谶厧е?，運(yùn)載信息的是邊頻功率，調(diào)幅波傳輸?shù)男畔⒃谶厧е?，運(yùn)載信息的是邊頻功率，載波只是運(yùn)載工具載波只是運(yùn)載工具。如果能夠去除載波，就可以用較小的功。如果能夠去除載波，就可以用較小的功率傳遞信息。為提高調(diào)幅波的功率利用率，將載波抑制掉，率傳遞信息。為提高調(diào)幅波的功率利用率，將載波抑制掉，只發(fā)送兩個(gè)邊頻或邊帶，稱為只發(fā)送兩個(gè)邊頻或邊帶，稱為雙邊帶調(diào)制雙邊帶調(diào)制，用，用DSB表示。表示。 DSB：AMccmcmcos()cos() 2muUtt只發(fā)送一個(gè)邊帶的信號(hào)，稱為只發(fā)送一個(gè)邊帶的信號(hào)，稱為單邊帶單

43、邊帶，用，用SSB表示。表示。AMccmcos()2muUt只發(fā)射上邊帶只發(fā)射上邊帶 SSB：AMccmcos()2muUt只發(fā)射下邊帶只發(fā)射下邊帶 SSB：2. 調(diào)幅信號(hào)中各分量的功率調(diào)幅信號(hào)中各分量的功率3. 調(diào)幅電路調(diào)幅電路xmmmcosu = u =UtyccccosuuUtoxyommcomcmcmcoscos1 cos()cos() 2uKu uUttUtt 若要得到若要得到標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波，保留調(diào)幅波的全部頻率成分，則，保留調(diào)幅波的全部頻率成分，則需將調(diào)制信號(hào)變換為需將調(diào)制信號(hào)變換為 雙邊帶調(diào)幅波雙邊帶調(diào)幅波xmmm1cosu =u =Umt9.5.3 調(diào)幅波的解調(diào)調(diào)幅波的解

44、調(diào) 將載波去掉，取出調(diào)制信號(hào)（包絡(luò)線）。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅將載波去掉，取出調(diào)制信號(hào)（包絡(luò)線）。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波，可采用波，可采用峰值檢波器峰值檢波器。 為了不失真地解調(diào)出調(diào)制信號(hào)，該電路的放電時(shí)間常為了不失真地解調(diào)出調(diào)制信號(hào)，該電路的放電時(shí)間常數(shù)數(shù) RLC既要大于載波信號(hào)的周期既要大于載波信號(hào)的周期Tc，又必須小于調(diào)制信號(hào)，又必須小于調(diào)制信號(hào)的周期的周期 Tm，否則電路的輸出電壓將不能跟隨包絡(luò)線變化。，否則電路的輸出電壓將不能跟隨包絡(luò)線變化。 調(diào)制的逆過程調(diào)制的逆過程 1. 峰值檢波器峰值檢波器同步檢波器同步檢波器用于解調(diào)采用邊帶發(fā)射的調(diào)幅波用于解調(diào)采用邊帶發(fā)射的調(diào)幅波(包括雙邊包括雙邊帶和單邊帶帶和單邊

45、帶) 。sssmcos()uUtREFrscosuUtosREFrsmrssm11= coscos(2)22uKu uKU UtKU Utorsm1=cos2uKU Ut2. 同步檢波器同步檢波器 鎖相環(huán)鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop, PLL）是一個(gè)自動(dòng)相位）是一個(gè)自動(dòng)相位控制系統(tǒng)，在輸入信號(hào)頻率改變或含有噪聲的情況下，產(chǎn)控制系統(tǒng)，在輸入信號(hào)頻率改變或含有噪聲的情況下，產(chǎn)生與輸入信號(hào)頻率保持同步的輸出信號(hào)。生與輸入信號(hào)頻率保持同步的輸出信號(hào)。 環(huán)路鎖定時(shí)，其輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相等，環(huán)路鎖定時(shí)，其輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相等，二者保持一個(gè)固定的相位差值。二者保持一個(gè)固定的

46、相位差值。 鎖相環(huán)在鎖相環(huán)在頻率合成頻率合成、調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)、信號(hào)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)等技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)中，它已成為域得到了廣泛應(yīng)用。在模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)中，它已成為不可缺少的基本部件。不可缺少的基本部件。 9.6.1 模擬鎖相環(huán)模擬鎖相環(huán)(APLL)的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 鎖相環(huán)分為：模擬鎖相環(huán)（鎖相環(huán)分為：模擬鎖相環(huán)（APLL） 數(shù)字鎖相環(huán)（數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL） 9.6 鎖相環(huán)鎖相環(huán) ( PLL )1. 鑒相器鑒相器PD相位比較電路相位比較電路 鎖相環(huán)由鎖相環(huán)由鑒相器鑒相器PD 、環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器LF和和壓控振蕩器壓控振蕩器VCO三大部分組成，并形成帶

47、有反饋的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。三大部分組成，并形成帶有反饋的閉環(huán)結(jié)構(gòu)。 實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)ui(t)和壓控振蕩器輸出和壓控振蕩器輸出uo(t)的相位鑒別，的相位鑒別，可以采用可以采用乘法器乘法器設(shè)計(jì)鑒相器。設(shè)計(jì)鑒相器。 輸入信號(hào)輸入信號(hào)iimii( )cosu tUtoomoo( )cosu tUtVCO的輸出的輸出Dmiomimomioioioio( )( )( )1 cos()cos()2utK u t u tK U Uttiimii( )cosu tUtoomoo( )cosu tUt差頻成分差頻成分(低頻信號(hào)分量低頻信號(hào)分量 )相差相差和頻成分和頻成分(高頻信號(hào)分量高頻信號(hào)分量 )2. 環(huán)路

48、濾波器環(huán)路濾波器LF低通濾波器低通濾波器 環(huán)路濾波器主要有兩種環(huán)路濾波器主要有兩種功能功能：一是抑制：一是抑制uD(t)中的高頻分中的高頻分量和干擾；二是決定量和干擾；二是決定PLL電路的傳輸特性。電路的傳輸特性。 將環(huán)路濾波器視作將環(huán)路濾波器視作理想低通濾波器理想低通濾波器，環(huán)路濾波器的輸出，環(huán)路濾波器的輸出 EmFimomioiodio1( )cos()2 cos()utKK U UtKt=KF為濾波器的通帶增益為濾波器的通帶增益 Kd為鑒相靈敏度為鑒相靈敏度當(dāng)當(dāng) i= o時(shí)，時(shí)，uE(t)為直流分量，為直流分量，uE(t)。 3. 壓控振蕩器壓控振蕩器VCO輸入電壓控制輸出頻率輸入電壓控

49、制輸出頻率VCO的壓控特性為的壓控特性為 )()Eo0otuKt（ 在控制信號(hào)的作用下，在控制信號(hào)的作用下， VCO的輸出頻率在的輸出頻率在 0 的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上變化，變化的大小取決于誤差電壓上變化，變化的大小取決于誤差電壓uE(t)的大小和壓控靈的大小和壓控靈敏度。由于敏度。由于 =d /dt，因此頻率的變化會(huì)引起相位角的改，因此頻率的變化會(huì)引起相位角的改變。變。VCO的輸出作為反饋信號(hào)送入鑒相器進(jìn)行相位比較，的輸出作為反饋信號(hào)送入鑒相器進(jìn)行相位比較，通過電路的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，最終使通過電路的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，最終使VCO的輸出穩(wěn)定在一個(gè)的輸出穩(wěn)定在一個(gè)固定的頻率和相位，因而固定的頻率和相位，因而P

50、LL電路采用了電路采用了負(fù)反饋技術(shù)負(fù)反饋技術(shù)。 Ko為壓控靈敏度為壓控靈敏度 0為為VCO的固有頻率的固有頻率9.6.2 模擬鎖相環(huán)模擬鎖相環(huán)(APLL)的工作原理的工作原理 設(shè)電路開始工作時(shí)，設(shè)電路開始工作時(shí)， o i，則在，則在 uE(t) 的作用下，的作用下， o逐漸向逐漸向 i 逼近，直至逼近，直至 o= i ，此時(shí)在每個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)，此時(shí)在每個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)有且僅有一個(gè)有且僅有一個(gè)VCO周期，輸出與輸入同步，相位差恒定，周期，輸出與輸入同步，相位差恒定，稱鎖相環(huán)進(jìn)入稱鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。鎖定狀態(tài)。 PLL一旦進(jìn)入到鎖定狀態(tài)，若輸入信號(hào)頻率一旦進(jìn)入到鎖定狀態(tài)，若輸入信號(hào)頻率 i 改變

51、，改變，則則 ui(t) 和和 uo(t)之間的相位差增大，之間的相位差增大，uE(t)隨之改變，再次調(diào)隨之改變，再次調(diào)整整 VCO的輸出，直至的輸出，直至 o 重新等于重新等于 i 為止。為止。反饋回路所提反饋回路所提供的調(diào)節(jié)能力使得處于鎖定狀態(tài)的供的調(diào)節(jié)能力使得處于鎖定狀態(tài)的 PLL能夠跟蹤輸入頻率能夠跟蹤輸入頻率的變化。的變化。 1. PLL的基本概念的基本概念(1) 頻率牽引頻率牽引 在在 uE(t) 的控制下，輸出信號(hào)頻率的控制下，輸出信號(hào)頻率 fo 向輸入信號(hào)頻率向輸入信號(hào)頻率 fi 趨近，鎖相環(huán)的這一作用稱為趨近，鎖相環(huán)的這一作用稱為頻率牽引頻率牽引。(2) 捕捉過程捕捉過程 若

52、鎖相環(huán)的若鎖相環(huán)的 o i ，并且差頻高于濾波器的截止頻率，并且差頻高于濾波器的截止頻率，那么鑒相器輸出的那么鑒相器輸出的差頻差頻與與和頻和頻將一起被環(huán)路濾波器抑制，使將一起被環(huán)路濾波器抑制，使回路無法鎖定，稱鎖相環(huán)處于回路無法鎖定，稱鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài)失鎖狀態(tài)。如果。如果 i與與VCO的固的固有頻率有頻率 0接近，使差頻分量接近濾波器通帶的邊緣，并能通接近，使差頻分量接近濾波器通帶的邊緣，并能通過濾波器，那么過濾波器，那么VCO的輸出的輸出 o將朝著輸入將朝著輸入 i逐漸逼近，直至逐漸逼近，直至進(jìn)入進(jìn)入鎖定狀態(tài)鎖定狀態(tài)。這種從環(huán)路失鎖到環(huán)路鎖定的過程，就是。這種從環(huán)路失鎖到環(huán)路鎖定的過程，就

53、是捕捕捉過程捉過程。(3) 捕捉帶捕捉帶 PLL捕捉輸入信號(hào)所需要的時(shí)間稱為捕捉輸入信號(hào)所需要的時(shí)間稱為捕捉時(shí)間捕捉時(shí)間(或牽引或牽引時(shí)間時(shí)間)，用，用 tc 表示。鎖相環(huán)路由失鎖進(jìn)入鎖定所允許的輸入表示。鎖相環(huán)路由失鎖進(jìn)入鎖定所允許的輸入信號(hào)的最大頻率失諧范圍稱為信號(hào)的最大頻率失諧范圍稱為捕捉帶捕捉帶或或捕捉范圍捕捉范圍 fCR。捕捉。捕捉帶是以帶是以 0 為中心的某個(gè)頻率范圍為中心的某個(gè)頻率范圍 c ，在該范圍內(nèi)環(huán)路能，在該范圍內(nèi)環(huán)路能夠獲得鎖定；它表明了為獲得鎖定，夠獲得鎖定；它表明了為獲得鎖定， i 與與 o 之間應(yīng)有的接之間應(yīng)有的接近程度。近程度。(4) 環(huán)路跟蹤及同步帶環(huán)路跟蹤及同

54、步帶 環(huán)路鎖定后，鎖相環(huán)處于動(dòng)態(tài)跟蹤狀態(tài)，使環(huán)路有能力環(huán)路鎖定后，鎖相環(huán)處于動(dòng)態(tài)跟蹤狀態(tài)，使環(huán)路有能力在輸入信號(hào)的頻率發(fā)生變化時(shí)，在新的輸入頻率下使鎖相環(huán)在輸入信號(hào)的頻率發(fā)生變化時(shí)，在新的輸入頻率下使鎖相環(huán)重新達(dá)到鎖定狀態(tài)，使輸出頻率始終同步跟蹤輸入頻率，這重新達(dá)到鎖定狀態(tài)，使輸出頻率始終同步跟蹤輸入頻率，這一現(xiàn)象稱為一現(xiàn)象稱為環(huán)路跟蹤環(huán)路跟蹤。在鎖相環(huán)保持跟蹤狀態(tài)下，環(huán)路能保。在鎖相環(huán)保持跟蹤狀態(tài)下，環(huán)路能保持鎖定的輸入信號(hào)頻率的最大變化范圍稱為持鎖定的輸入信號(hào)頻率的最大變化范圍稱為同步帶同步帶，又稱，又稱同同步范圍步范圍 fLR 。2. PLL的基本特性的基本特性(1) 鎖定狀態(tài)無頻差鎖定

55、狀態(tài)無頻差 當(dāng)環(huán)路輸入固定參考頻率的信號(hào)，鎖定以后當(dāng)環(huán)路輸入固定參考頻率的信號(hào)，鎖定以后 VCO 輸出輸出頻率與參考頻率的頻率與參考頻率的頻差為零頻差為零，只存在一個(gè)，只存在一個(gè)穩(wěn)定的相位差穩(wěn)定的相位差，成，成為一個(gè)無靜態(tài)誤差的為一個(gè)無靜態(tài)誤差的自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)。(2) 窄帶跟蹤特性窄帶跟蹤特性 當(dāng)環(huán)路的輸出頻率被鎖定于輸入頻率當(dāng)環(huán)路的輸出頻率被鎖定于輸入頻率(如載波頻率如載波頻率)時(shí)，時(shí)，若載波頻率發(fā)生若載波頻率發(fā)生緩慢變化緩慢變化，輸出中心頻率能夠自動(dòng)跟蹤輸入輸出中心頻率能夠自動(dòng)跟蹤輸入頻率的變化頻率的變化。將環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)成窄帶濾波器，此時(shí)鎖相環(huán)。將環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)成窄帶濾

56、波器，此時(shí)鎖相環(huán)特別適用于特別適用于從強(qiáng)噪聲中檢測(cè)微弱信號(hào)從強(qiáng)噪聲中檢測(cè)微弱信號(hào)。 (3) 調(diào)制跟蹤特性調(diào)制跟蹤特性 在鎖定狀態(tài)，如果輸入頻率在一定范圍內(nèi)在鎖定狀態(tài)，如果輸入頻率在一定范圍內(nèi)瞬時(shí)變化瞬時(shí)變化，如，如寬帶調(diào)頻信號(hào)，環(huán)路的輸出頻率也可自動(dòng)跟隨輸入頻率瞬時(shí)寬帶調(diào)頻信號(hào)，環(huán)路的輸出頻率也可自動(dòng)跟隨輸入頻率瞬時(shí)變化，即具有調(diào)制跟蹤特性。將變化，即具有調(diào)制跟蹤特性。將環(huán)路設(shè)計(jì)成寬帶環(huán)路設(shè)計(jì)成寬帶，寬帶跟蹤，寬帶跟蹤環(huán)通常環(huán)通常用于對(duì)寬帶已調(diào)制信號(hào)的解調(diào)用于對(duì)寬帶已調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。 9.6.3 集成鎖相環(huán)集成鎖相環(huán)1. CC4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) CMOS鎖相環(huán)鎖相環(huán)由三個(gè)基本單元構(gòu)由

57、三個(gè)基本單元構(gòu)成：成：相位比較器相位比較器、壓控振蕩器壓控振蕩器和和低通低通濾波器濾波器。 CC4046芯片芯片包含兩個(gè)相位比較包含兩個(gè)相位比較器和一個(gè)壓控振蕩器和一個(gè)壓控振蕩器，需要外接阻容器，需要外接阻容元件元件(R3、C2)構(gòu)成構(gòu)成低通濾波器。低通濾波器。2. 工作原理工作原理(1) 相位比較器相位比較器I 相位比較器相位比較器I是是異異或門或門，當(dāng)兩個(gè)輸入信，當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)電平不一致時(shí)，輸號(hào)電平不一致時(shí)，輸出為高電平出為高電平 uD=VDD；反之輸出為低電平反之輸出為低電平uD=VSS；當(dāng)輸入信號(hào)；當(dāng)輸入信號(hào)的占空比為的占空比為50%時(shí)，時(shí)，異或門輸出信號(hào)異或門輸出信號(hào) uD(t)的占

58、空比與兩輸入信的占空比與兩輸入信號(hào)的相位差號(hào)的相位差 成線成線性關(guān)系性關(guān)系。通過低通濾。通過低通濾波電路取出波電路取出 uD(t) 的均的均值，即直流分量為值，即直流分量為 DDDUDV 當(dāng)當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)同相兩個(gè)輸入信號(hào)同相時(shí)，時(shí)，uD(t)的占空比最小的占空比最小，D=0；當(dāng)；當(dāng)兩個(gè)信號(hào)反相兩個(gè)信號(hào)反相時(shí)，時(shí)，uD(t)的占空比最大的占空比最大，D=1。由此可以得到。由此可以得到隨占空比變化的直流電壓，控制隨占空比變化的直流電壓，控制VCO輸出的頻率跟蹤輸入信輸出的頻率跟蹤輸入信號(hào)頻率。號(hào)頻率。 當(dāng)當(dāng)輸入端無信號(hào)時(shí)輸入端無信號(hào)時(shí)(只有只有VCO信號(hào)信號(hào))，相位比較器相位比較器I輸出輸出電壓均

59、值為電壓均值為0.5VDD，VCO在中心頻率處振蕩在中心頻率處振蕩 o= 0。(2) 相位比較器相位比較器II 相位比較器相位比較器II由上升邊沿觸發(fā)器組成由上升邊沿觸發(fā)器組成，當(dāng)輸入，當(dāng)輸入PH11超超前前于于 PH12時(shí)，輸出高電平，由時(shí)，輸出高電平，由VDD為濾波電容為濾波電容C2充電；當(dāng)充電；當(dāng)輸入輸入 PH11 滯后于滯后于 PH12 時(shí)，輸出低電平，使濾波電容時(shí)，輸出低電平，使濾波電容C2向向VSS放電；當(dāng)放電；當(dāng)二者同頻同相二者同頻同相時(shí)，輸出為高阻態(tài)，電容時(shí)，輸出為高阻態(tài)，電容C2上上積累的電荷保持不變，積累的電荷保持不變，uD= uC= uE，電壓保持不變。，電壓保持不變。

60、(2) 相位比較器相位比較器II 相位比較器相位比較器II的的作用作用：假設(shè)電路初始：假設(shè)電路初始 i o，則在每個(gè)單，則在每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)位時(shí)間內(nèi) ui比比uo產(chǎn)生產(chǎn)生的上升沿多，因而高的上升沿多，因而高電平維持時(shí)間長，使電平維持時(shí)間長，使uC 增加，控制增加，控制 VCO 的輸出的輸出 o 上升；若上升；若 i F+，即，即負(fù)反饋占優(yōu)勢(shì)負(fù)反饋占優(yōu)勢(shì)，則此時(shí)則此時(shí)電路工作穩(wěn)定電路工作穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生振蕩。，不會(huì)產(chǎn)生振蕩。 R1、R2構(gòu)成負(fù)反饋路徑構(gòu)成負(fù)反饋路徑R3、R4構(gòu)成構(gòu)成正反饋路徑正反饋路徑在運(yùn)算放大器的在運(yùn)算放大器的反相輸入端反相輸入端和和同同相輸入端相輸入端列節(jié)點(diǎn)電流方程：列節(jié)點(diǎn)電流方