第7章反饋控制電路

1、第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM1第7章 反饋控制電路 7.1 7.1 自動增益控制電路自動增益控制電路7.2 7.2 自動頻率控制電路自動頻率控制電路7.3 7.3 鎖相環(huán)的基本原理鎖相環(huán)的基本原理7.4 7.4 頻率合成器頻率合成器 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM2 在通信系統(tǒng)和電子設備中，為了提高技術性在通信系統(tǒng)和電子設備中，為了提高技術性能，或者實現(xiàn)某些特殊的高指標要求，廣泛采用能，或者實現(xiàn)某些特殊的高指標要求，廣泛采用各種類型的各種類型的反饋控制回路反饋控制回路。 特別是在航空航天電子系統(tǒng)中

2、特別是在航空航天電子系統(tǒng)中, , 由于收、發(fā)設備是由于收、發(fā)設備是裝在不同的運載體上裝在不同的運載體上, , 二者之間存在相對運動二者之間存在相對運動, , 必然產必然產生生多普勒效應多普勒效應, , 因此引入隨機頻差。因此引入隨機頻差。 概概 述述 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM3 反饋控制方法的采用是為了準確地調整某一個系反饋控制方法的采用是為了準確地調整某一個系統(tǒng)或單元的某些狀態(tài)參數(shù)。統(tǒng)或單元的某些狀態(tài)參數(shù)。 前面各章分別介紹了放大電路、前面各章分別介紹了放大電路、 振蕩電路、振蕩電路、 調制電路和調制電路和解調電路。由這些功能電路可以組成

3、一個完整的通信系統(tǒng)或其解調電路。由這些功能電路可以組成一個完整的通信系統(tǒng)或其它電子系統(tǒng)它電子系統(tǒng), , 但是這樣組成的系統(tǒng)其性能不一定完善但是這樣組成的系統(tǒng)其性能不一定完善。例如。例如, , 在調幅接收機中在調幅接收機中, , 天線上感生的有用信號的強度往往由于電波天線上感生的有用信號的強度往往由于電波傳播衰落等原因會有較大的起伏變化傳播衰落等原因會有較大的起伏變化, , 導致放大器輸出信號時導致放大器輸出信號時強時弱不規(guī)則變化強時弱不規(guī)則變化, , 有時還會造成阻塞。又如有時還會造成阻塞。又如, , 在通信系統(tǒng)中在通信系統(tǒng)中, , 收發(fā)兩地的載頻應保持嚴格同步收發(fā)兩地的載頻應保持嚴格同步,

4、, 使輸出中頻穩(wěn)定使輸出中頻穩(wěn)定, , 而要做到而要做到這一點也比較困難。這一點也比較困難。問題：在無線通信中為什么要引入自動控制電路？問題：在無線通信中為什么要引入自動控制電路？第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM4 傳送信息的載波信號含有三個基本參數(shù)，即振幅、頻率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。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（自動增益控制（AGCAGC） 自動頻率控制（自動頻率控制（AFCAFC） 自動相位控制（自動相位控制（APCAPC） 其中自動

5、相位控制電路又稱為其中自動相位控制電路又稱為鎖相環(huán)路（鎖相環(huán)路（PLLPLL）, , 是應是應用最廣的一種反饋控制電路。用最廣的一種反饋控制電路。通信系統(tǒng)反饋控制電路種類通信系統(tǒng)反饋控制電路種類第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM5 反饋控制電路的組成如圖所示反饋控制電路的組成如圖所示 由由比較器比較器、控制信號發(fā)生器控制信號發(fā)生器、可控器件可控器件和和反饋網絡反饋網絡四四部分組成一個負反饋閉合環(huán)路。部分組成一個負反饋閉合環(huán)路。比較器控制信號發(fā)生器參考信號ur(t)誤差信號ue(t)可控器件控制信號uc(t)反饋網絡反饋信號uf(t)輸入信號ui(t)

6、輸出信號uo(t)第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM6高頻放大器至解調器混頻器中頻放大器直流放大器AGC檢波器ur具有具有AGCAGC電路的接收機組成框圖電路的接收機組成框圖AGCAGC的目的的目的 當輸入信號電壓當輸入信號電壓變化很大變化很大時，保持接收機輸出電壓恒時，保持接收機輸出電壓恒定或定或基本不變基本不變。7.1 7.1 自動增益控制電路自動增益控制電路第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM 設輸入信號振幅為設輸入信號振幅為U Ux x, , 輸出信號振幅為輸出信號振幅為U Uy y, , 可控增益放

7、大可控增益放大器增益為器增益為g g（u uc c）, , 即其是控制信號即其是控制信號u uc c的函數(shù)的函數(shù), , 則有：則有： U Uy y=A=Ag g(u(uc c)U)Ux xAGCAGC電路組成框圖電路組成框圖第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM比較過程比較過程: :在電路里在電路里, , 比較參量是信號電壓比較參量是信號電壓, , 所以采用所以采用電壓比較器電壓比較器。 反反饋網絡檢測出輸出信號振幅（平均電壓或峰值電壓）饋網絡檢測出輸出信號振幅（平均電壓或峰值電壓）, , 濾去不需要的較高頻率分濾去不需要的較高頻率分量量, , 然后進行

8、適當放大后與恒定的參考電平然后進行適當放大后與恒定的參考電平UR比較比較, , 產生一個產生一個誤差信號誤差信號ue。 控控制信號發(fā)生器在這里可看作是一個比例環(huán)節(jié)制信號發(fā)生器在這里可看作是一個比例環(huán)節(jié), , 增益為增益為1 1。 若若Ux減小而使減小而使Uy減小減小時時, , 環(huán)路產生的控制信號環(huán)路產生的控制信號uc將使增益將使增益g增大增大, , 從而使從而使Uy趨于增大。若趨于增大。若Ux增大而增大而使使Uy增大時增大時, , 環(huán)路產生的控制信號環(huán)路產生的控制信號uc將使增益將使增益g減小減小, , 從而使從而使Uy趨于減小。無趨于減小。無論何種情況論何種情況, , 通過環(huán)路不斷地循環(huán)反饋

9、通過環(huán)路不斷地循環(huán)反饋, , 都應該使輸出信號振幅都應該使輸出信號振幅Uy保持基本不變保持基本不變或僅在較小范圍內變化?；騼H在較小范圍內變化。 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM具有自動增益控制電路的超外差式接收機方框圖如具有自動增益控制電路的超外差式接收機方框圖如圖所示圖所示: 檢波器的輸出信號包含有直流分量和低頻交流分量，其中檢波器的輸出信號包含有直流分量和低頻交流分量，其中直流電平直流電平的高低直接說明所接受的信號的強弱，的高低直接說明所接受的信號的強弱，而低頻分量則反映出輸入調幅波的而低頻分量則反映出輸入調幅波的包絡，經包絡，經RCRC低通濾

10、波器取出的直流分量經直流放大器放大后就是低通濾波器取出的直流分量經直流放大器放大后就是AGCAGC電電壓，去控制混頻、高頻放大器的增益，壓，去控制混頻、高頻放大器的增益，U UAGCAGC大，說明輸入信號強，大，說明輸入信號強，用用U UAGCAGC其控制混頻、高頻放大器的增益使增益減??；其控制混頻、高頻放大器的增益使增益減??；U UAGCAGC小，說明輸入信號弱，用小，說明輸入信號弱，用U UAGCAGC其控制混頻、高頻放大器的增益使其控制混頻、高頻放大器的增益使增益增大，達到自動增益控制的目的。增益增大，達到自動增益控制的目的。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022

11、 9:07 AM+UAGCAGCAGC電壓的產生方法：電壓的產生方法：1.1.兩種基本的兩種基本的AGCAGC電壓產生電路：電壓產生電路：平均值式平均值式AGCAGC電壓產生電路電壓產生電路二極管二極管D D、C C1 1、C C2 2、R RL1L1、R RL2L2、CcCc、R Ri2i2構成檢波器（避免負峰構成檢波器（避免負峰切割）。切割）。R R2 2、C C3 3構成低通濾波器取走檢波器輸出的直流平均分量，構成低通濾波器取走檢波器輸出的直流平均分量，得到得到+U+UAGCAGC電壓，因為此電壓的大小只與載波的振幅有關，而與電壓，因為此電壓的大小只與載波的振幅有關，而與調幅度無關，因此

12、它能反映輸入信號的強弱。調幅度無關，因此它能反映輸入信號的強弱。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM 平均值平均值無無AGC電電路路有有AGC電電路路第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM平均值式平均值式AGCAGC電壓產生電路的缺點：電壓產生電路的缺點： 一有外來信號，一有外來信號，AGCAGC就立刻起作用，接收機的增益就因就立刻起作用，接收機的增益就因受控而減小，這對提高接收機的靈敏度是不利的，這一點對微受控而減小，這對提高接收機的靈敏度是不利的，這一點對微弱信號的接受尤其不利。為了克服這個缺點，可采用延遲式

13、弱信號的接受尤其不利。為了克服這個缺點，可采用延遲式AGCAGC電路。電路。延遲式延遲式AGCAGC電壓產生電路（電壓產生電路（了解內容了解內容）Uo0UiUominUomaxUiminUimax在延遲在延遲AGCAGC電路里有一個電路里有一個起控門限起控門限, ,即比較器參考電壓即比較器參考電壓Ur, ,它對應的輸入信號振幅它對應的輸入信號振幅Uimin, ,如圖所示。如圖所示。動態(tài)范動態(tài)范圍圍第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM至信號檢波延遲電壓VCCC1R1RCAGC 電壓VD改變“延遲電壓”可改變門限的大小低通濾波器VD、C1、R1組成AGC檢

14、波器圖86 延遲AGC電路 可見，只有放大器的輸出大于延遲電壓后，即輸入信號可見，只有放大器的輸出大于延遲電壓后，即輸入信號幅度大于門限電壓時，幅度大于門限電壓時，AGCAGC檢波器才工作。檢波器才工作。這種電路由于需要延遲到這種電路由于需要延遲到x xxminxmin之后才開始控制之后才開始控制作用作用, , 故稱為延遲。故稱為延遲。 “延遲延遲”二字不是指時間上的延遲。二字不是指時間上的延遲。 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM實現(xiàn)實現(xiàn)AGCAGC的方法的方法(1) (1) 改變發(fā)射極電流改變發(fā)射極電流I IE E 正向正向AGCAGC 反向反向

15、AGCAGC(2) (2) 改變放大器負載改變放大器負載由于放大器的增益與負載密切相關，因此通過改由于放大器的增益與負載密切相關，因此通過改變負載就可以控制放大器的增益變負載就可以控制放大器的增益 。通過控制負反饋的深度來控制放大器的增益。通過控制負反饋的深度來控制放大器的增益。(3) (3) 改變放大器的負反饋深度改變放大器的負反饋深度120feup p YAg 普通晶體管AGC電路反向AGC 正向AGCofeYEIEQI第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM AGCAGC控制電壓既可以從發(fā)射極送入，也可以從基極控制電壓既可以從發(fā)射極送入，也可以從基極

16、送入，如圖所示。送入，如圖所示。 改變改變 EI的增益控制電路的增益控制電路 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM16 自動頻率控制自動頻率控制（AFC）電路由電路由頻率比較器頻率比較器、低通濾波器低通濾波器和和可控頻率器件可控頻率器件三部分組成，如圖所示。三部分組成，如圖所示。 7.2 7.2 自動頻率控制電路自動頻率控制電路第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM17 當當f0 = fr（標稱頻率）時，鑒頻器輸出（標稱頻率）時，鑒頻器輸出uc=0，壓控振蕩器振蕩，壓控振蕩器振蕩頻率頻率不變不變； 鎖定狀態(tài)的鎖定

17、狀態(tài)的f 稱為穩(wěn)態(tài)頻率誤差（稱為穩(wěn)態(tài)頻率誤差（剩余頻率誤差剩余頻率誤差）。）。 當當f0 fr 時，鑒頻器就有誤差電壓時，鑒頻器就有誤差電壓ue輸出，經過輸出，經過LP得到得到uc，uc控控制制VCO的振蕩頻率，使的振蕩頻率，使VCO的頻率的頻率f0發(fā)生變化。發(fā)生變化。 變化的結果使頻率誤差變化的結果使頻率誤差 |f0 - fr| 減小到一定值減小到一定值f，自動控制過程，自動控制過程即停止，即停止，VCO即穩(wěn)定于即穩(wěn)定于f0=fr f 的頻率上，環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。的頻率上，環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM187.3 7.3 鎖相

18、環(huán)的基本原理鎖相環(huán)的基本原理 鎖相環(huán)也是以鎖相環(huán)也是以消除頻率誤差為目的消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，的反饋控制電路，但是它是但是它是利用相位誤差去消除頻率誤差利用相位誤差去消除頻率誤差，因此當電路達到，因此當電路達到平衡狀態(tài)后，盡管存在平衡狀態(tài)后，盡管存在剩余相位誤差存在剩余相位誤差存在，但頻率誤差可，但頻率誤差可以降低到零，從而以降低到零，從而實現(xiàn)無頻率誤差實現(xiàn)無頻率誤差的頻率跟蹤和相位跟的頻率跟蹤和相位跟蹤。蹤。 AFC AFC電路是以電路是以消除頻率誤差為目的消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，基的反饋控制電路，基本思想是利用頻率誤差電壓去消除頻率誤差，因此當電路本思想是利用頻率誤差

19、電壓去消除頻率誤差，因此當電路達到平衡狀態(tài)后，必然達到平衡狀態(tài)后，必然會有剩余頻率誤差存在會有剩余頻率誤差存在，即頻率誤，即頻率誤差不可能為零。差不可能為零。這是這是AFCAFC的固有缺點。的固有缺點。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM19 鎖相環(huán)是一個鎖相環(huán)是一個相位負反饋控制相位負反饋控制系統(tǒng)。它由三個基本部系統(tǒng)。它由三個基本部件組成。件組成。 鑒鑒 相相 器器(PD): 產生誤差電壓產生誤差電壓 Ud(t) 環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器(LF): 產生控制電壓產生控制電壓 Uc(t) 電壓控制振蕩器電壓控制振蕩器(VCO):輸出瞬時頻率輸出瞬時頻率 v

20、當vr時， (t) Ud(t) Uc(t) v ，直到直到 (t) = ，v = r ，環(huán)路鎖定。，環(huán)路鎖定。 參 考 信 號PDur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)輸 出 信 號vr0第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM20舉例說明舉例說明 （以一階鎖相環(huán)為例）（以一階鎖相環(huán)為例）未鎖定未鎖定鎖定鎖定 可見，環(huán)路鎖定過程中可見，環(huán)路鎖定過程中 e(t) 是從是從 02周期的變化，周期的變化，若干周期后使若干周期后使 e= e，則環(huán)路被鎖定。，則環(huán)路被鎖定。ee( ) t0i環(huán)路鎖定的充分必要條件環(huán)路鎖定的充分必要條件第7章 反饋控制電路

21、 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM21 各種反饋控制電路，由于它們均是利用誤差產生控制各種反饋控制電路，由于它們均是利用誤差產生控制電壓，去控制受控對象，當電路達到動態(tài)平衡以后，必然電壓，去控制受控對象，當電路達到動態(tài)平衡以后，必然存在一定的誤差存在一定的誤差稱之為稱之為穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差。 AGC：電平誤差電平誤差A (U)AFC：頻率誤差頻率誤差f APC（PLL）: 相位誤差相位誤差 結論結論： PLL也是一種實現(xiàn)頻率跟蹤的自動控制電路，它與也是一種實現(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)電路的區(qū)別在于可以實現(xiàn)無誤差的頻率跟蹤，即無誤差的頻率跟蹤

22、，即fv = fr 而其它頻率控制系統(tǒng)總是會存在頻率差。而其它頻率控制系統(tǒng)總是會存在頻率差。Demo: the Phenomenon of PLL in the Fourth Experiment . 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM22 鑒相器輸出電壓鑒相器輸出電壓ud(t)為一上下不對稱的穩(wěn)定差拍波，其為一上下不對稱的穩(wěn)定差拍波，其平均分量為一恒定的直流。這一恒定的直流電壓通過環(huán)路濾平均分量為一恒定的直流。這一恒定的直流電壓通過環(huán)路濾波器的作用使波器的作用使VCO的平均頻率的平均頻率v偏離偏離0向向r靠攏，這就是環(huán)靠攏，這就是環(huán)路的路的頻率牽引

23、效應頻率牽引效應。ud( t ) Ud0 Udtr( t )r00TfTtud(t)Ud0Udtr(t)r00TfTt第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM23 鎖定正是在由穩(wěn)態(tài)相差鎖定正是在由穩(wěn)態(tài)相差e()產生的直流控制電壓作產生的直流控制電壓作用下，強制使用下，強制使VCO的振蕩角頻率的振蕩角頻率v相對于相對于0偏移了偏移了0而而與參考角頻率與參考角頻率r相等的結果。相等的結果。鎖定后無頻差，這是鎖相環(huán)的一個重要特征。鎖定后無頻差，這是鎖相環(huán)的一個重要特征。0)(limtet 鎖定狀態(tài)鎖定狀態(tài) 當在環(huán)路的作用下，調整控制頻差等于固有頻差時，當在環(huán)路的

24、作用下，調整控制頻差等于固有頻差時，瞬時相差瞬時相差e(t)趨向于一個固定值，并一直保持下去，我趨向于一個固定值，并一直保持下去，我們將這種狀態(tài)稱為鎖相環(huán)路進入了們將這種狀態(tài)稱為鎖相環(huán)路進入了鎖定狀態(tài)鎖定狀態(tài)。 在鎖定狀態(tài)，瞬時頻差滿足：在鎖定狀態(tài)，瞬時頻差滿足：第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM24鎖相環(huán)的特點 由以上的討論已知，鎖相環(huán)路具有以下幾個重要特性: (1)環(huán)路鎖定后，沒有剩余頻差。 (2)跟蹤特性： VCO的輸出頻率可以跟蹤輸入信號的變化，表現(xiàn)出良好的跟蹤特性。在接收有多普勒頻移的動目標時，這種特性尤為重要。 (3)濾波特性：鎖相環(huán)具有

25、窄帶特性，當壓控振蕩器頻率鎖定在輸入頻率上時，僅位于輸入信號頻率附近的干擾成分能以低頻干擾的形式進入環(huán)路，而絕大多數(shù)的干擾會受到環(huán)路低通濾波器的抑制，從而減少了對壓控振蕩器的影響。 (4)低門限特性：鎖相環(huán)路用作調頻信號解調時，與普通鑒頻器相比較，有低門限信噪比特性。這是因為環(huán)路有反饋控制作用，跟蹤相位差小，降低了鑒相特性的非線性影響，從而改善了門限效應。 下面介紹鎖相環(huán)的幾種應用。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM25鎖相環(huán)的主要應用鎖相環(huán)的主要應用1.1.鎖相環(huán)路的調頻與解調鎖相環(huán)路的調頻與解調2.2.鎖相式鎖相式同步檢波器同步檢波器3.3.鎖相

26、倍頻器鎖相倍頻器4.4.鎖相分頻器鎖相分頻器5.5.鎖相混頻器鎖相混頻器6.6.鎖相式頻率合成器鎖相式頻率合成器第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM26(1).鎖相環(huán)路的調頻與解調 A、用鎖相實現(xiàn)調頻 用鎖相環(huán)調頻，能夠得到中心頻率高度穩(wěn)定的調頻信號。 實現(xiàn)調制的的條件是：調制信號的頻譜要處于低通濾波器通頻帶之外，并且調頻指數(shù)不能太大。 fi(t)晶振晶振 PD PD LF LF VCOfo(t)調頻波調頻波f(t)調制信號調制信號+ 當調制信號為鋸齒波時，可輸出掃頻信號。當調制信號為數(shù)字脈沖時，可產生移頻鍵控調制（FSK信號） 調制信號作為VCO控制

27、電壓的一部分使其頻率產生相應的變化，由此在輸出端得到已調頻信號。 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM27 B、用鎖相環(huán)實現(xiàn)頻率解調 如果將環(huán)路的頻帶設計的足夠寬，使環(huán)路捕捉帶大于調頻波的最大頻偏，利用鎖相環(huán)的跟蹤特性，可以使VCO的振蕩頻率跟蹤輸入調頻波的瞬時頻率。 如果VCO的電壓-頻率特性是線形的，則加到VCO的控制電壓的變化規(guī)律必與調頻波的瞬時頻率變化規(guī)律相同，因此在LF的輸出端可獲得不失真的解調輸出。 調頻波鎖相解調的優(yōu)點是解調門限值比普通鑒相器低45dB。PDPDLFLFVCOVFM(t)調頻波調頻波V(t)調制信號調制信號第7章 反饋控制

28、電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM28 PD PD LF LF VCOVAM(t)調幅波調幅波V(t)調制信號調制信號/2同步檢波同步檢波（2 2）同步檢波器）同步檢波器 原理：原理：用鎖相環(huán)對調幅信號進行解調，實際上是利用鎖用鎖相環(huán)對調幅信號進行解調，實際上是利用鎖相環(huán)路提供一個穩(wěn)定度高的載波信號電壓，與調頻波在非線相環(huán)路提供一個穩(wěn)定度高的載波信號電壓，與調頻波在非線性器件中乘積檢波，輸出的就是原調制信號性器件中乘積檢波，輸出的就是原調制信號。 AM AM信號頻譜中，除包含調制信號的邊帶外，還含有較強的載信號頻譜中，除包含調制信號的邊帶外，還含有較強的載波分量，使

29、用載波跟蹤環(huán)可將載波分量提取出來，再經波分量，使用載波跟蹤環(huán)可將載波分量提取出來，再經9090移相，移相，可用作同步檢波器的相干載波。這種同步檢波器如圖所示?？捎米魍綑z波器的相干載波。這種同步檢波器如圖所示。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM293 3、鎖相倍頻、鎖相倍頻 在鎖相環(huán)路的在鎖相環(huán)路的反饋通道中插入分頻器反饋通道中插入分頻器就可構成鎖相就可構成鎖相倍頻電路。倍頻電路。i(t) PD LFVCOvi(t)vo(t)o(t)o(t)/NN 當環(huán)路鎖定時，鑒相器兩輸入信號頻率相等。即有：當環(huán)路鎖定時，鑒相器兩輸入信號頻率相等。即有：iiNN

30、00式中式中N為分頻器的倍頻比。為分頻器的倍頻比。 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM304 4、鎖相分頻：、鎖相分頻： 在鎖相環(huán)路中在鎖相環(huán)路中插入倍頻器插入倍頻器就可構成鎖相分頻電路。就可構成鎖相分頻電路。 i(t)PDLFVCOvi(t)vo(t)o(t)No(t)N 當環(huán)路鎖定時：當環(huán)路鎖定時： NNiooi 式中式中N N為倍頻器的倍頻次數(shù)。為倍頻器的倍頻次數(shù)。 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM315 5、鎖相混頻器、鎖相混頻器 設混頻器的本振信號頻率為設混頻器的本振信號頻率為L ，在，在Lo時

31、混頻器的輸時混頻器的輸出頻率為出頻率為（L-o），），經差頻放大器后加到鑒相器上。經差頻放大器后加到鑒相器上。 當環(huán)路鎖定時當環(huán)路鎖定時 )()(iLooLi o(t)i(t)L(t)PDLFVCOvi(t)vo(t)|L(t)-o(t)|混頻混頻差頻放大差頻放大第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM326 6、鎖相式頻率合成器、鎖相式頻率合成器 頻率合成器是利用一個標準信號源的頻率來產生一系頻率合成器是利用一個標準信號源的頻率來產生一系列所需頻率的技術。列所需頻率的技術。鎖相環(huán)路鎖相環(huán)路加上一些輔助電路后，就能加上一些輔助電路后，就能容易地對容易地對一

32、個標準頻率進行加、減、乘、除運算而產生所一個標準頻率進行加、減、乘、除運算而產生所需的頻率信號需的頻率信號，且合成后的信號頻率與標準信號頻率具有，且合成后的信號頻率與標準信號頻率具有相同的相同的長期頻率穩(wěn)定度長期頻率穩(wěn)定度及具有及具有較好的頻率純度較好的頻率純度，如果結合，如果結合單片微機技術，可實現(xiàn)自動選頻和頻率掃描。單片微機技術，可實現(xiàn)自動選頻和頻率掃描。 PD PD LF LFVCOvi(t)vo(t)fi(t)fo(t)fo(t)/N晶振晶振fi(t)/MN M 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM33鎖相式單環(huán)頻率合成器基本組成如下圖所示：鎖

33、相式單環(huán)頻率合成器基本組成如下圖所示： 當環(huán)路鎖定后，鑒相器兩路輸入頻率相等當環(huán)路鎖定后，鑒相器兩路輸入頻率相等即：即： iooifMNfNfMf 當當N改變時，輸出信號頻率相應為改變時，輸出信號頻率相應為fi 的整數(shù)倍變化。的整數(shù)倍變化。 PD LFVCOvi(t)vo(t)fi(t)fo(t)fo(t)/N晶振晶振fi(t)/MN M 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM34 環(huán)環(huán)C例：下圖為三環(huán)式頻率合成器方框圖例：下圖為三環(huán)式頻率合成器方框圖已知：已知： 397351,399300,100 BAiNNKHzf求輸出信號頻率范圍及頻率間隔求輸出信

34、號頻率范圍及頻率間隔 環(huán)環(huán)A環(huán)環(huán)BPDLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDLFVCOfi(t)fB(t)fA(t)/NBPDLFVCO混頻混頻 帶通帶通fo(t)fc(t)fo-fBAN BN 100 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM35PDLFVCOfi(t)fA(t)fA(t)/NAPDLFVCOfi(t)fB(t)fA(t)/NBPDLFVCO混頻混頻 帶通帶通fo(t)fc(t)fo-fBAN BN 100 解：解：iAAfNf iBBfNf iAAcfNff100100 當混頻環(huán)路當混頻環(huán)路C鎖定時：鎖定時： Bcfff 0

35、有有 iBABcfNNfff)100(0 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM36而當而當 =399， =397時輸出頻率最高。時輸出頻率最高。 ANBNKHz40099100)397100399(fmax0 所以，合成器的頻率范圍為：所以，合成器的頻率范圍為：（35.440.099）MHzKHzf35400100)351100300(min0 當當NA=301，NB=351時，時， KHzf35401100)351100301(0 因此頻率間隔：因此頻率間隔： kHzfff1min00當當NA=300，NB=351時，時， iBABcfNNfff)1

36、00(0 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM37一、頻率合成器及其技術指標一、頻率合成器及其技術指標 1 1頻率合成器的概念頻率合成器的概念 (1) (1) 傳統(tǒng)信號源的不足傳統(tǒng)信號源的不足：頻率準確度不高、穩(wěn)定度不：頻率準確度不高、穩(wěn)定度不高；晶體振蕩器盡管準確度和穩(wěn)定度都較高，但頻率范圍小，高；晶體振蕩器盡管準確度和穩(wěn)定度都較高，但頻率范圍小，輸出頻率不高。輸出頻率不高。 (2) (2) 頻率合成技術：頻率合成技術：是以一個或少量的高準確度和高是以一個或少量的高準確度和高穩(wěn)定度的標準頻率作為參考頻率，由此導出多個或大量的輸穩(wěn)定度的標準頻率作為參考

37、頻率，由此導出多個或大量的輸出頻率的方法。出頻率的方法。 頻率合成器的輸出信號頻率的準確度和穩(wěn)定度與參考頻頻率合成器的輸出信號頻率的準確度和穩(wěn)定度與參考頻率是一樣的。率是一樣的。 頻 率 合 成 器第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM382頻率合成器的主要技術指標頻率合成器的主要技術指標 (1) 頻率范圍頻率范圍 頻率范圍頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率是指頻率合成器輸出的最低頻率fomin和最高和最高頻率頻率fomax之間的變化范圍，之間的變化范圍， 也可用覆蓋系數(shù)也可用覆蓋系數(shù) k=fomax/fomin 表示表示 （k又稱之為波段系數(shù)）。又稱

38、之為波段系數(shù)）。(2)頻率間隔（頻率分辨率）頻率間隔（頻率分辨率） 兩個相鄰頻率之間的最小間隔，就是兩個相鄰頻率之間的最小間隔，就是頻率間隔。頻頻率間隔。頻率間隔又稱為頻率分辨率。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不同用途的頻率合成器，對頻率間隔的要求是不相同的。的。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM39 (3) (3)頻率轉換時間頻率轉換時間 頻率轉換時間頻率轉換時間是指頻率合成器從某一個頻率轉換到另是指頻率合成器從某一個頻率轉換到另一個頻率，并達到穩(wěn)定所需要的時間。一個頻率，并達到穩(wěn)定所需要的時間。 頻率轉換

39、時間一般與采用的頻率合成方法有密切的關頻率轉換時間一般與采用的頻率合成方法有密切的關系。系。 (4)(4)準確度與頻率穩(wěn)定度準確度與頻率穩(wěn)定度 頻率準確度頻率準確度：頻率準確度是指頻率合成器工作頻率偏：頻率準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。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：頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時間間隔內，：頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時間間隔內，頻率合成器頻率偏離規(guī)定頻率相對變化的大小。頻率合成器頻率偏離規(guī)定頻率相對變化的大小。 第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM40(5)(5)頻譜純度頻譜純度 頻譜純度頻譜

40、純度：頻譜純度是指輸出信號頻譜中包含其他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，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。呈現(xiàn)為主譜兩邊的連續(xù)噪聲，如圖所示。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM41頻率合成器的頻譜 020406080相對幅度/dB相噪寄生ff02f03f0主譜諧波(a)(b)22.8401

41、3 kHz6.27 dB第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM42頻率合成技術分類1.1.直接頻率合成直接頻率合成2.2.間接式（鎖相）頻率合成間接式（鎖相）頻率合成3.3.直接數(shù)字頻率合成直接數(shù)字頻率合成整數(shù)分頻頻率合成整數(shù)分頻頻率合成 小數(shù)分頻頻率合成小數(shù)分頻頻率合成1. 1. 單環(huán)（多環(huán)）頻率合成單環(huán)（多環(huán)）頻率合成2. 2. 雙模前置分頻（吞脈沖可變分頻）頻率合成雙模前置分頻（吞脈沖可變分頻）頻率合成第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM431.1.直接頻率合成器（直接頻率合成器（DSDS） 特點：特點：直

42、接式頻率合成器是直接式頻率合成器是最先出現(xiàn)最先出現(xiàn)的一種合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，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)。易于實現(xiàn)。 優(yōu)點：優(yōu)點：分辨率高分辨率高(10-2)、頻率轉換時間快、頻率轉換時間快(100s)、工作穩(wěn)定可靠、輸出信號頻譜純度高。、工作穩(wěn)定可靠、輸出信號頻譜純度高。 不足：不足：體積大、笨重、成本高。體積大、笨重、成本高。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM442.2.間接式（鎖相）頻率合成器間接式（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間接式頻率合成器又稱為鎖相頻率

43、合成器。鎖相頻率。鎖相頻率合成器是目前合成器是目前應用最廣的頻率合成器。應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、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。就大大減少了。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM45雙模前置分頻（吞脈沖可變分頻）頻率合成器雙模前置分頻（吞脈沖可變分頻）頻率合成器在一個計數(shù)周期內，總計脈沖數(shù)即分頻比為在一個計數(shù)周期內，總計脈沖數(shù)即分頻比為 (1)()tNPAP NAAPN頻率合成器的輸出

44、頻率為頻率合成器的輸出頻率為 ()otiifN fAPN f與簡單的頻率合成器相比與簡單的頻率合成器相比f0提高了提高了P倍，而頻率分辨率仍倍，而頻率分辨率仍保持為保持為fi。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM463.3.直接數(shù)字頻率合成器（直接數(shù)字頻率合成器（DDSDDS） 直接數(shù)字式頻率合成器直接數(shù)字式頻率合成器（Digital Direct Synthesizer，簡稱為簡稱為DDS）是近年來發(fā)展非常迅速的一種器件，它以是近年來發(fā)展非常迅速的一種器件，它以數(shù)數(shù)字信號處理字信號處理理論為基礎，理論為基礎，從信號的幅度相位關系出發(fā)進行從信號的幅度相

45、位關系出發(fā)進行頻率合成的頻率合成的。 與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDSDDS具有具有極高的分辨率極高的分辨率、快速的頻率轉換時間、快速的頻率轉換時間、很寬的相對帶寬很寬的相對帶寬、任意波形的輸出任意波形的輸出能力和能力和數(shù)字調制數(shù)字調制等優(yōu)點。等優(yōu)點。第7章 反饋控制電路 反饋控制電路反饋控制電路7/2/2022 9:07 AM47首先，首先，對一個正弦信號數(shù)字化，對一個正弦信號數(shù)字化，形成正弦函數(shù)表形成正弦函數(shù)表，儲存在，儲存在ROMROM中。中。合成時，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，相位增量的不同導致取樣點不同，從而使得輸出頻率不同。位增量的不同導致取樣點不同，從而使得輸出頻率不同。D D S 的的 基基 本本 原原 理理正弦信號正弦信號的相位是