高頻電子線路第章反饋控制電路

關(guān)于高頻電子線路第章反饋控制電路一、反饋控制的概念和分類

反饋控制是現(xiàn)代系統(tǒng)工程中的一種重要技術(shù)手段。在系統(tǒng)受到擾動(dòng)的情況下，通過反饋控制作用，可使系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)達(dá)到所需的精度，或按照一定的規(guī)律變化。電子線路中也常常應(yīng)用反饋控制技術(shù)。根據(jù)控制對象參量的不同，反饋控制電路可以分為以下三類：

概述第2頁,共97頁，2024年2月25日，星期天1、自動(dòng)增益控制

(AutomaticGainControl，簡稱AGC)，它主要用于接收機(jī)中，控制接收機(jī)的增益，以維持整機(jī)輸出恒定，使之幾乎不隨外來信號的強(qiáng)弱變化。

2、自動(dòng)頻率控制

(AutomaticFrequencyControl，簡稱AFC)，它主要用于維持電子設(shè)備中工作頻率的穩(wěn)定。

3、自動(dòng)相位控制

(AutomaticPhaseControl，簡稱APC)，又稱為鎖相環(huán)路(PhaseLockLoop，簡稱PLL)，它用于鎖定相位，能夠?qū)崿F(xiàn)許多功能，是應(yīng)用最廣的一種反饋控制電路。第3頁,共97頁，2024年2月25日，星期天二、反饋控制電路的組成

反饋控制電路的組成如圖10-1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(gè)負(fù)反饋閉合環(huán)路。圖10-1反饋控制系統(tǒng)的組成

第4頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

比較器的作用：是將參考信號ur(t)和反饋信號uf(t)進(jìn)行比較，輸出二者的差值即誤差信號ue(t)，然后經(jīng)過控制信號發(fā)生器送出控制信號uc(t)，對可控制器件的某一特性進(jìn)行控制。比較器可以是：電壓比較器、頻率比較器(鑒頻器)或相位比較器(鑒相器)?？煽刂破骷夯蛘呤瞧漭斎胼敵鎏匦允芸刂菩盘杣c(t)的控制

(如可控增益放大器)，或者是在不加輸入的情況下，本身輸出信號的某一參量受控制信號uc(t)的控制

(如壓控振蕩器)。反饋網(wǎng)絡(luò)的作用：是在輸出信號uo(t)中提取所需要進(jìn)行比較的分量，送到比較器與參考信號進(jìn)行比較。第5頁,共97頁，2024年2月25日，星期天10.1自動(dòng)增益控制電路一、自動(dòng)增益控制的意義圖10-2具有AGC電路的接收機(jī)組成框圖

在通信、導(dǎo)航、遙測遙感等無線電系統(tǒng)中，接收機(jī)接收到的信號可能有強(qiáng)有弱，通過AGC，使接收機(jī)的增益隨信號強(qiáng)弱自動(dòng)改變，達(dá)到信號幅度均衡的目的。AGC的基本結(jié)構(gòu)如圖10-2。第6頁,共97頁，2024年2月25日，星期天二、工作原理

1、自動(dòng)增益控制電路的目的

自動(dòng)增益控制電路的目的：當(dāng)輸入信號電壓變化很大時(shí)，保持接收機(jī)輸出電壓基本不變。具體地說，當(dāng)輸入信號很弱時(shí)，接收機(jī)的增益大，自動(dòng)增益電路不起作用；而當(dāng)輸入信號很強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)增益電路進(jìn)行控制，使接收機(jī)增益減小。從而達(dá)到當(dāng)接收機(jī)信號強(qiáng)度變化時(shí)，其輸出端的電壓或功率基本不變或保持恒定的目的。

第7頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

2、自動(dòng)增益控制電路框圖

自動(dòng)增益控制電路框圖如圖10-3所示。設(shè)輸入信號振幅為Ui，輸出信號振幅為Uo，可控增益放大器增益為Av(uc)，它是控制電壓uc的函數(shù)，則有(10-1)圖10-3自動(dòng)增益控制電路框圖第8頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

濾波器的作用

環(huán)路中的低通濾波器是非常重要的。由于發(fā)射功率變化,距離遠(yuǎn)近變化,電波傳播衰落等引起信號強(qiáng)度的變化是比較緩慢的,所以整個(gè)環(huán)路應(yīng)具有低通傳輸特性,這樣才能保證僅對信號電平的緩慢變化有控制作用。尤其當(dāng)輸入為調(diào)幅信號時(shí),為了使調(diào)幅波的有用幅值變化不會(huì)被自動(dòng)增益控制電路的控制作用所抵消（此現(xiàn)象稱為反調(diào)制）,必須恰當(dāng)選擇環(huán)路的頻率響應(yīng)特性,使對高于某一頻率的調(diào)制信號的變化無響應(yīng),而僅對低于這一頻率的緩慢變化才有控制作用。這就主要取決于低通濾波器的截止頻率。第9頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10.4簡單的AGC特性三、自動(dòng)增益控制電路

根據(jù)輸入信號的類型、特點(diǎn)以及對控制的要求，AGC電路主要有以下幾種類型。

1．簡單AGC電路

在簡單AGC電路里，參考電平Ur＝0。這樣，只要輸入信號振幅Ui增加，AGC的作用就會(huì)使增益Kv減小，從而使輸出信號振幅Uo減小。圖10-4為簡單AGC的特性曲線。特點(diǎn)：一有輸入信號，AGC就起作用，增益就減小，因而對提高靈敏度不利第10頁,共97頁，2024年2月25日，星期天特點(diǎn)：電路簡單，不需專門比較器；只要有輸入信號，AGC電路就起作用，適合輸入信號很大的場合。具有自動(dòng)增益控制電路的超外差式接收機(jī)方框圖

第11頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10-5延遲AGC特性曲線2．延遲AGC電路

在延遲AGC電路里有一個(gè)起控門限，即比較器參考電壓Ur，它對應(yīng)的輸入信號振幅Uimin，如圖10-5所示。這種ＡＧＣ電路由于需要延遲到Ｕi＞Ｕimin之后才開始控制作用,故稱為延遲ＡＧＣ?！把舆t”二字不是指時(shí)間上的延遲。當(dāng)輸入信號Ｕi大于Ｕimax后,ＡＧＣ作用消失?？梢?Ｕimin與Ｕimax區(qū)間即為所容許的輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍,Ｕomin與Ｕomax區(qū)間即為對應(yīng)的輸出信號的動(dòng)態(tài)范圍。第12頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10-6延遲AGC電路改變“延遲電壓”可改變門限的大小低通濾波器VD、C1、R1組成AGC檢波器

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(shí)，二極管VD導(dǎo)通，AGC檢波器才工作。第13頁,共97頁，2024年2月25日，星期天具有延遲AGC的接收機(jī)框圖第14頁,共97頁，2024年2月25日，星期天3．前置AGC、后置AGC與基帶AGC

前置AGC是指AGC處于解調(diào)以前，由高頻（或中頻）信號中提取檢測信號，通過檢波和直流放大，控制高頻（或中頻）放大器的增益。

后置AGC是從解調(diào)后提取檢測信號來控制高頻（或中頻）放大器的增益。

基帶AGC是整個(gè)AGC電路均在解調(diào)后的基帶進(jìn)行處理。第15頁,共97頁，2024年2月25日，星期天四、AGC的性能指標(biāo)

1．動(dòng)態(tài)范圍

AGC電路是利用電壓誤差信號去消除輸出信號振幅與要求輸出信號振幅之間電壓誤差的自動(dòng)控制電路。在AGC電路中，一方面希望輸出信號振幅的變化越小越好，即要求輸出電壓振幅的誤差越小越好；另一方面，也希望容許輸入信號振幅變化越大越好。

AGC的動(dòng)態(tài)范圍是指：在給定輸出信號振幅變化范圍內(nèi)，容許輸入信號的變化范圍。第16頁,共97頁，2024年2月25日，星期天2．響應(yīng)時(shí)間

AGC電路是通過對可控增益放大器增益的控制來實(shí)現(xiàn)對輸出信號振幅變化的限制，而增益變化又取決于輸入信號振幅的變化，所以要求AGC電路的反應(yīng)既要能跟得上輸入信號振幅的變化速度，又不會(huì)出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象，這就是響應(yīng)時(shí)間特性。根據(jù)AGC的響應(yīng)時(shí)間長短可分為慢速AGC和快速AGC兩類。第17頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

控制放大器增益的方法主要有兩種:一種方法是通過改變放大器本身的某些參數(shù),如發(fā)射極電流、負(fù)載、電流分配比、恒流源電流、負(fù)反饋大小等等來控制其增益;另一種方法是插入可控衰減器來改變整個(gè)放大器的增益。

下面介紹兩種常用電路。

１.晶體管增益控制電路晶體管放大器的增益取決于晶體管正向傳輸導(dǎo)納|yfe|,而|yfe|又與晶體管工作點(diǎn)有關(guān),所以,改變發(fā)射極平均電流ＩE就可以使|yfe|隨之改變,從而達(dá)到控制放大器增益的目的。10.1.3可控增益放大器第18頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

晶體管|yfe|-IE特性曲線如圖,其中實(shí)線是普通晶體管特性,虛線是ＡＧＣ管特性。如果把靜態(tài)工作點(diǎn)選在ＩEQ點(diǎn),當(dāng)ＩE＜ＩEQ時(shí),|yfe|隨ＩE減小而下降,稱為反向ＡＧＣ；當(dāng)ＩE＞ＩEQ時(shí),|yfe|隨ＩE增加而下降,稱為正向ＡＧＣ。

而對于正向ＡＧＣ,當(dāng)輸入信號增強(qiáng)時(shí),為使增益減小,ＩE應(yīng)該增大,所以ＩE的變化方向與輸入信號的變化方向應(yīng)該相同?？刂齐妷杭瓤梢詮陌l(fā)射極送入,也可以從基極送入。

對于反向ＡＧＣ,當(dāng)輸入信號增強(qiáng)時(shí),希望增益減小,即|yfe|減小,則ＩE應(yīng)該減小,所以ＩE的變化方向與輸入信號的變化方向應(yīng)該正好相反,故稱為反向ＡＧＣ。

第19頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

反向ＡＧＣ的優(yōu)點(diǎn)是工作電流較小,對晶體管安全工作有利,但工作范圍較窄,而正向ＡＧＣ正好相反。為了克服正向ＡＧＣ工作電流較大的缺點(diǎn),在制作晶體管時(shí)可以使其|yfe|-IE特性曲線的峰值點(diǎn)左移,同時(shí)使右端曲線斜率增大。專供增益控制用的ＡＧＣ管大多是正向ＡＧＣ管。這種電路的缺點(diǎn)是,當(dāng)工作電流ＩE變化時(shí),晶體管輸入輸出電阻、電容也會(huì)發(fā)生變化,因此將影響放大器的幅頻特性、相頻特性和回路Ｑ值。但由于電路簡單,在一些要求不太高的ＡＧＣ電路中仍被廣泛應(yīng)用。第20頁,共97頁，2024年2月25日，星期天AGC控制電壓既可以從發(fā)射極送入，也可以從基極送入，如圖所示。改變的增益控制電路(a)反向ＡＧＣ(b)正向ＡＧＣ(a)(b)第21頁,共97頁，2024年2月25日，星期天10.2自動(dòng)頻率控制電路一、工作原理

自動(dòng)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10-7所示。圖10-7自動(dòng)頻率控制電路的組成AFC電路的被控參數(shù)為頻率。低通濾波器H(s)可控頻率器件Kcueucwr頻率比較器Kpwy輸出信號wy第22頁,共97頁，2024年2月25日，星期天1、頻率比較器

頻率比較器：將電路的輸出角頻率與參考角頻率進(jìn)行比較，輸出其誤差（電壓）。頻率比較器有兩種：鑒頻器或混頻-鑒頻器。

低通濾波器H(s)可控頻率器件Kcueucwr頻率比較器Kpwy輸出信號wy第23頁,共97頁，2024年2月25日，星期天2、可控頻率器件

可控頻率器件通常為壓控振蕩器（VCO），將在誤差信號的控制下，產(chǎn)生輸出信號。

壓控振蕩器的輸出振蕩角頻率可寫成：(10-5)低通濾波器H(s)可控頻率器件Kcueucwr頻率比較器Kpwy輸出信號wy

可見，AFC電路是利用反饋網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生與輸出頻率與參考頻率之差成正比的誤差信號，并由誤差信號控制振蕩頻率。顯然，達(dá)到最后穩(wěn)定時(shí)，兩個(gè)頻率存在著頻差，叫剩余誤差，Δω=|ωy-ωr|。第24頁,共97頁，2024年2月25日，星期天二、應(yīng)用

自動(dòng)頻率微調(diào)電路（簡稱AFC電路）

圖10-8是一個(gè)調(diào)頻通信機(jī)的AFC系統(tǒng)的方框圖。這里是以固定中頻fI作為鑒頻器的中心頻率，亦作為AFC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率。圖10-8調(diào)頻通信機(jī)的AFC系統(tǒng)方框圖第25頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

10.3鎖相環(huán)的基本原理

據(jù)前面介紹可知，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(dá)到平衡狀態(tài)后，必然會(huì)有剩余頻率誤差存在，即頻率誤差不可能為零——AFC的固有缺點(diǎn)。鎖相環(huán)也是一種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(dá)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。第26頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10-10鎖相環(huán)的基本構(gòu)成一、工作原理

1、電路結(jié)構(gòu)

鎖相環(huán)是一個(gè)相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)。它由鑒相器(PhaseDetector，縮寫為PD)、環(huán)路濾波器(LoopFilter，縮寫為LF)和電壓控制振蕩器(VoltageControlledOscillator，縮寫為VCO)三個(gè)基本部件組成，如圖10-10所示。第27頁,共97頁，2024年2月25日，星期天鑒相器(PD)：是相位比較器，它把輸出信號uo(t)和參考信號ur(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對應(yīng)于兩信號相位差θe(t)

的誤差電壓ud(t)

。環(huán)路濾波器(LF)：其作用是濾除誤差電壓ud(t)

中的高頻成分和噪聲，保證環(huán)路性能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。電壓控制振蕩器(VCO)：受控制電壓uc(t)的控制，使其振蕩頻率向參考頻率靠近，使兩者頻率誤差越來越小，直至頻差消除而被鎖定。第28頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

2、工作原理設(shè)參考信號為：(10-10)

設(shè)輸出信號為：(10-11)兩信號之間的瞬時(shí)相差為：（10-12）由頻率和相位之間的關(guān)系可得兩信號之間的瞬時(shí)頻差為(10-13)第29頁,共97頁，2024年2月25日，星期天因此，鎖相環(huán)的工作原理為：首先鑒相器把輸出信號和參考信號的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)反映兩信號相位差大小的誤差電壓；此電壓經(jīng)環(huán)路濾波器過濾后得到控制電壓；最后由控制電壓去控制振蕩器的振蕩頻率，使其向參考頻率靠近，直到兩者頻率相等而相位同步實(shí)現(xiàn)鎖定。第30頁,共97頁，2024年2月25日，星期天第31頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

1、鎖定狀態(tài)

(1)定義：當(dāng)在環(huán)路的作用下，調(diào)整控制頻差等于固有頻差時(shí)，瞬時(shí)相差θe(t)趨向于一個(gè)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(jìn)入了鎖定狀態(tài)。

在鎖定狀態(tài)，瞬時(shí)頻差滿足：環(huán)路對輸入固定頻率的信號鎖定后，由于輸入到鑒相器的兩個(gè)信號無頻差，只有一個(gè)固定相差，因此誤差電壓為直流，經(jīng)低通濾波后得控制電壓也為直流。三、鎖相環(huán)工作過程的定性分析第32頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

2.跟蹤過程

(1)跟蹤的概念：跟蹤是在鎖定的前提下，輸入?yún)⒖碱l率和相位在一定范圍內(nèi)，以一定的速率發(fā)生變化時(shí)，輸出信號的頻率和相位以同樣的規(guī)律跟隨變化，這一過程稱為環(huán)路的跟蹤過程。

(2)跟蹤過程假設(shè)輸入信號頻率ωr增大時(shí)，固有頻差Δω0=|ωr–ω0|也增大，這使穩(wěn)態(tài)相差增大，從而使直流控制電壓增大，這必使VCO產(chǎn)生的控制頻差Δωv增大。當(dāng)Δωv大得足以補(bǔ)償固有頻差Δω0時(shí)，環(huán)路維持鎖定。第33頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

3.失鎖狀態(tài)

失鎖狀態(tài)就是瞬時(shí)頻差(ωr-ωv)總不為零的狀態(tài)。這時(shí)，鑒相器輸出電壓ud(t)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)路濾波器的作用使VCO的平均頻率ωv偏離ω0向ωr靠攏，這就是環(huán)路的頻率牽引效應(yīng)。

第34頁,共97頁，2024年2月25日，星期天4.捕獲過程

開機(jī)時(shí)，鑒相器輸入端兩信號之間存在著起始頻差(即固有頻差)Δω0，其相位差為Δω0t。因此，鑒相器輸出的是一個(gè)角頻率等于頻差Δω0的差拍信號，即：（10-42）

若Δω0很大，ud(t)差拍信號的拍頻很高，易受環(huán)路濾波器抑制，這樣加到VCO輸入端的控制電壓uc(t)很小，控制頻差建立不起來，ud(t)仍是一個(gè)上下接近對稱的穩(wěn)定差拍波，環(huán)路不能入鎖。第35頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10-20頻率捕獲鎖定示意圖第36頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

環(huán)路能否發(fā)生捕獲是與固有頻差的Δω0大小有關(guān)。只有當(dāng)|Δω0|小到某一頻率范圍時(shí)，環(huán)路才能捕獲入鎖，這一范圍稱為環(huán)路的捕獲帶Δωp。它定義為在失鎖狀態(tài)下能使環(huán)路經(jīng)頻率牽引，最終鎖定的最大固有頻差|Δω0|max，即：（10-43）第37頁,共97頁，2024年2月25日，星期天2、鎖相環(huán)的主要應(yīng)用

(1).鎖相環(huán)路的調(diào)頻與解調(diào)

A、用鎖相實(shí)現(xiàn)調(diào)頻用鎖相環(huán)調(diào)頻，能夠得到中心頻率高度穩(wěn)定的調(diào)頻信號，圖10-27是這種方法的方框圖。

實(shí)現(xiàn)調(diào)制的的條件是：調(diào)制信號的頻譜要處于低通濾波器通頻帶之外，并且調(diào)頻指數(shù)不能太大。圖10-27調(diào)頻——鎖相環(huán)路調(diào)頻器方框圖第38頁,共97頁，2024年2月25日，星期天B、用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻率解調(diào)

調(diào)制跟蹤鎖相環(huán)本身就是一個(gè)調(diào)頻解調(diào)器。它利用鎖相環(huán)路良好的調(diào)制跟蹤特性，使鎖相環(huán)路跟蹤輸入調(diào)頻信號瞬時(shí)相位的變化，從而使VCO控制端獲得解調(diào)輸出。鎖相環(huán)鑒頻器的組成如圖10-28所示。

圖10-28解調(diào)——鎖相鑒頻器第39頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

設(shè)輸入的調(diào)頻信號為由上式可知，其調(diào)制信號為uΩ(t)=UΩcosΩt，mf為調(diào)頻指數(shù)。同時(shí)假設(shè)環(huán)路處于線性跟蹤狀態(tài)，且輸入載頻ωi等于VCO自由振蕩頻率ω0，則可得到調(diào)頻波的瞬時(shí)相位為：現(xiàn)以VCO控制電壓uc(t)作為解調(diào)輸出，那么可先求出環(huán)路的輸出相位θ2(t)，再根據(jù)VCO控制特性θ2(t)=K0uc(t)/p，不難求得解調(diào)輸出信號uc(t)。

（10-62）（10-63）第40頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

設(shè)鎖相環(huán)路的閉環(huán)頻率響應(yīng)為H(jΩ)，則輸出相位為(10-64)

因而解調(diào)輸出電壓為(10-65)

式中：

Δωm為調(diào)頻信號的最大頻偏。對于設(shè)計(jì)良好的調(diào)制跟蹤鎖相環(huán)，在調(diào)制頻率范圍內(nèi)｜H(jΩ)｜≈1，相移∠H(jΩ)也很小。因此，uc(t)確是良好的調(diào)頻解調(diào)輸出。第41頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

各種通用鎖相環(huán)集成電路都可以構(gòu)成調(diào)頻解調(diào)器。圖10-29為用NE562集成鎖相環(huán)構(gòu)成的調(diào)頻解調(diào)器。第42頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10-29NE562調(diào)頻解調(diào)器第43頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

（2）.同步檢波器

思路：如果鎖相環(huán)路的輸入電壓是調(diào)幅波，只有幅度變化而無相位變化，則由于鎖相環(huán)路只能跟蹤輸入信號的相位變化，所以環(huán)路輸出得不到原調(diào)制信號，而只能得到等幅波。

原理：用鎖相環(huán)對調(diào)幅信號進(jìn)行解調(diào)，實(shí)際上是利用鎖相環(huán)路提供一個(gè)穩(wěn)定度高的載波信號電壓，與調(diào)頻波在非線性器件中乘積檢波，輸出的就是原調(diào)制信號。

AM信號頻譜中，除包含調(diào)制信號的邊帶外，還含有較強(qiáng)的載波分量，使用載波跟蹤環(huán)可將載波分量提取出來，再經(jīng)90°移相，可用作同步檢波器的相干載波。這種同步檢波器如圖10-30所示。第44頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10-30AM信號同步檢波器同步檢波第45頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

設(shè)輸入信號為(10-66)

輸入信號中載波分量為Uicosωit，用載波跟蹤環(huán)提取后輸出為uo(t)=Uocos(ωit+θ0)，經(jīng)90°移相后，得到相干載波第46頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

將ur(t)與ui(t)相乘，濾除2ωi分量，得到的輸出信號就是恢復(fù)出來的調(diào)制信號。鎖相環(huán)路除了以上的應(yīng)用外，還可廣泛地應(yīng)用于電視機(jī)彩色副載波提取，調(diào)頻立體聲解碼、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、微波頻率源、鎖相接收機(jī)、移相器、位同步、以及各種調(diào)制方式的調(diào)制器和解調(diào)器、頻率合成器等。第47頁,共97頁，2024年2月25日，星期天10.4頻率合成器一、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(gè)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(gè)或大量的輸出頻率的方法。

頻率合成器：使用頻率合成技術(shù)產(chǎn)生不同頻率輸出信號的部件，稱為頻率合成器或頻率綜合器。第48頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

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。

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)）。一般情況下，如果覆蓋系數(shù)k>2~3時(shí)，整個(gè)頻段可以劃分為幾個(gè)分波段。在頻率合成器中，分波段的覆蓋系數(shù)一般取決于壓控振蕩器的特性。第49頁,共97頁，2024年2月25日，星期天(2)．頻率間隔（頻率分辨率）

由于頻率合成器的輸出信號頻率是不能連續(xù)變化(調(diào)節(jié))的，兩個(gè)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。對短波單邊帶通信來說，現(xiàn)在多取頻率間隔為100Hz，有的甚至取10Hz、1Hz乃至0.1Hz。對超短波通信來說，頻率間隔多取50kHz、25kHz等。在一些測量儀器中，其頻率間隔可達(dá)兆赫茲量級。第50頁,共97頁，2024年2月25日，星期天(3)．頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間

頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器從某一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率，并達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間。頻率轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)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。第51頁,共97頁，2024年2月25日，星期天(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(gè)，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10-31所示。第52頁,共97頁，2024年2月25日，星期天二、頻率合成器的類型

頻率合成器可分三類：直接式頻率合成器，間接式（或鎖相）頻率合成器和直接式數(shù)字頻率合成器。下面分別介紹。

1．直接式頻率合成器（DS）特點(diǎn)：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(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：分辨率高(10-2)、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快(<100μs)、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。第53頁,共97頁，2024年2月25日，星期天2．間接式頻率合成器（IS）——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，也是本節(jié)主要介紹的內(nèi)容。直接式頻率合成器中所固有的那些缺點(diǎn)，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。此處只介紹基本原理及特點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)電路見后面。

(1)基本原理基本的鎖相頻率合成器如圖10-32所示。第54頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10-32基本鎖相頻率合成器第55頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后，相位檢波器兩輸入端的頻率是相同的，即：

VCO輸出頻率fo經(jīng)N分頻得到：所以輸出頻率是參考頻率fr的整數(shù)倍，即這樣，通過編程改變分頻比N，即可以參考頻率作為頻率最小增量（分辨率）來改變輸出信號頻率。即輸出信號頻率是參考信號頻率的整數(shù)倍。第56頁,共97頁，2024年2月25日，星期天(2)不足

A、轉(zhuǎn)換時(shí)間較長，且不易精確得到。

轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于鎖相環(huán)的非線性性能，精確的表達(dá)式目前還難以導(dǎo)出，工程上常用的經(jīng)驗(yàn)公式為

轉(zhuǎn)換時(shí)間大約等于25個(gè)參考頻率的周期。分辨率與轉(zhuǎn)換時(shí)間成反比。例如fr=10Hz，則fs=2.5s，這顯然難以滿足系統(tǒng)的要求。第57頁,共97頁，2024年2月25日，星期天B、輸出頻率不高由于輸出信號直接加到可變分頻器上，因而受可變分頻器的最高工作頻率的限制，故其輸出頻率不高。

提高輸出信號頻率的措施：固定分頻器的工作頻率明顯高于可變分頻比，超高速器件的上限頻率可達(dá)千兆赫茲以上。

若在可變分頻器之前串接一固定分頻器的前置分頻器，則可大大提高VCO的工作頻率，如圖10-33所示。前置分頻器的分頻比為M，則可得：第58頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10-33有前置分頻器的鎖相頻率合成器第59頁,共97頁，2024年2月25日，星期天3．直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）

直接數(shù)字式頻率合成器是近年來發(fā)展非常迅速的一種器件，它采用全數(shù)字技術(shù)，具有分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、相位噪聲低等特點(diǎn)，并具有很強(qiáng)的調(diào)制功能和其它功能。

(1)基本思想：

當(dāng)最低有效位為1加到相位累加器時(shí)，產(chǎn)生最低的頻率，在時(shí)鐘fc的作用下，經(jīng)過了N位累加器的2N個(gè)狀態(tài)，輸出頻率為fc/2N。加任意的M值到累加器，則DDS的輸出頻率為：（10-74）第60頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖8-35DDS的組成框圖第61頁,共97頁，2024年2月25日，星期天(2)DDS有如下特點(diǎn):

1）頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，可達(dá)毫微秒級，這主要取決于累加器中數(shù)字電路的門延遲時(shí)間;2）分辨率高，可達(dá)到毫赫茲級，這取決于累加器的字長N和參考時(shí)鐘fc。

3）頻率變換時(shí)相位連續(xù);4）有非常小的相位噪聲。

5）輸出頻帶寬，一般其輸出頻率約為fc的40％以內(nèi);6）具有很強(qiáng)的調(diào)制功能。第62頁,共97頁，2024年2月25日，星期天總結(jié)：

1、在PLL頻率合成器中，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素有:（1）頻率分辨率及頻率步長;（2）建立時(shí)間;（3）調(diào)諧范圍（帶寬）;（4）相位噪聲和雜散（譜純度）;（5）成本、復(fù)雜度和功能。第63頁,共97頁，2024年2月25日，星期天2、在DDS頻率合成器中，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素有:

（1）時(shí)鐘頻率（帶寬）;（2）雜散（譜純度）;（3）成本、復(fù)雜度和功能。第64頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

3、DDS的雜散主要是由DAC的誤差和離散抽樣值的量化近視引起的，改善DDS雜散的方法有:

（1）增加DAC的位數(shù)，DAC的位數(shù)增加一位，雜散電平降低6dB;

（2）增加有效相位數(shù)，每增加一位，雜散電平降低8dB;

（3）設(shè)計(jì)性能良好的濾波器。第65頁,共97頁，2024年2月25日，星期天4、DDS與PLL頻率合成器的結(jié)合：

DDS和PLL這兩種頻率合成方式不同，各有其獨(dú)有的特點(diǎn)，不能相互代替，但可以相互補(bǔ)充。將這兩種技術(shù)相結(jié)合，可以達(dá)到單一技術(shù)難以達(dá)到的結(jié)果。圖10-36是DDS驅(qū)動(dòng)PLL頻率合成器，這種頻率合成器由DDS產(chǎn)生分辨率高的低頻信號，將DDS的輸出送入一倍頻—混頻PLL，其輸出頻率為（10-75）第66頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10-36DDS驅(qū)動(dòng)PLL頻率合成器第67頁,共97頁，2024年2月25日，星期天特點(diǎn)：其輸出頻率范圍是DDS輸出頻率的N倍，因而輸出帶寬，分辨率高，可達(dá)1Hz以下。這種頻率合成器取決于DDS的分辨率和PLL的倍頻次數(shù)。

其轉(zhuǎn)換時(shí)間快，是由于PLL是固定的倍頻環(huán)，環(huán)路帶寬可以較大，因而建立時(shí)間就快，可達(dá)微秒級;N不大時(shí)，相位噪聲和雜散都可以較低。第68頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

圖10-37是AD公司生產(chǎn)的DDS芯片AD7008，其時(shí)鐘頻率有20MHz和50MHz兩種，相位累加器長度N=32。它不僅可以用于頻率合成，而且具有很強(qiáng)的調(diào)制功能，可以完成各種數(shù)字和模擬調(diào)制功能，如AM、PM、FM、ASK、PSK、FSK、MSK、QPSK、QAM等調(diào)制方式。第69頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

圖10-37AD7008框圖第70頁,共97頁，2024年2月25日，星期天三、鎖相頻率合成器

1．單環(huán)鎖相頻率合成器

（1）數(shù)學(xué)模型基本的單環(huán)鎖相頻率合成器的構(gòu)成如圖10-32所示。環(huán)中的÷N分頻器采用可編程的程序分頻器，合成器輸出頻率為式中fr為參考頻率，通常是用高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生，經(jīng)過固定分頻比的參考分頻之后獲得的。這種合成器的分辨率為fr。（10-76）第71頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

設(shè)鑒相器的增益為Kd，環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為F（s），壓控振蕩器的增益系數(shù)為K0，則可得單環(huán)鎖相頻率合成器的線性相位模型，如圖10-38所示。圖中：(10-77)(10-78)第72頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10-38單環(huán)頻率合成器線性相位模型第73頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

由輸出相位θ2（s）和輸入相位θ1（s）可得閉環(huán)傳遞函數(shù)是(10-79)

式中K′=KdK0/N。因?yàn)橄辔皇穷l率的時(shí)間積分，故同樣的傳遞函數(shù)也可說明輸入頻率（即參考頻率）fr（s）和輸出頻率fv（s）之間的關(guān)系。

誤差傳遞函數(shù)（10-80）第74頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

將式（10-79）和式（10-80）與式（10-48）和式（10-49）相比較，單環(huán)鎖相頻率合成器的傳遞函數(shù)與線性鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)有如下關(guān)系:(10-81)第75頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

（2）、實(shí)用電路圖10-39（a）是通用型單片集成鎖相環(huán)L562（NE562）和國產(chǎn)T216可編程除10分頻器構(gòu)成的單環(huán)鎖相環(huán)頻率合成器，它可完成10以內(nèi)的鎖相倍頻，即可得到1～10倍的輸入信號頻率輸出，圖10-39（b）為L562的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。第76頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

圖10-39L562的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（a）L562頻率合成器；（b）L562內(nèi)部框圖第77頁,共97頁，2024年2月25日，星期天2．變模分頻鎖相頻率合成器

在基本的單環(huán)鎖相頻率合成器中，VCO的輸出頻率是直接加到可編程分頻器上的。目前可編程分頻器還不能工作到很高的頻率上，這就限制了這種合成器的應(yīng)用。加前置分頻器后固然能提高合成器的工作頻率，但這是以降低頻率分辨率為代價(jià)的。圖10-40為采用雙模分頻器的鎖相頻率合成器的組成框圖。第78頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10-40雙模分頻鎖相頻率合成器第79頁,共97頁，2024年2月25日，星期天

模分頻器有兩個(gè)分頻模數(shù)，當(dāng)模式控制為高電平時(shí)分頻模數(shù)為V＋1，當(dāng)模式控制為低電平時(shí)分頻模式為V。雙模分頻器的輸出同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)可編程分頻器，它們分別預(yù)置在N1和N2，并進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。在一個(gè)完整的周期中，輸入的周期數(shù)為

假若V＝10，則(10-82)(10-83)第80頁,共97頁，2024年2月25日，星期天四、集成鎖相環(huán)頻率合成器

集成鎖相頻率合成器是一種專用鎖相電路。它是發(fā)展很快、采用新工藝多的專用集成電路。它將參考分頻器、參考振蕩器、數(shù)字鑒相器、各種邏輯控制電路等部件集成在一個(gè)或幾個(gè)單元中，以構(gòu)成集成頻率合成器的電路系統(tǒng)。第81頁,共97頁，2024年2月25日，星期天1．MC145146－1MC145146－1是一塊20腳陶瓷或塑料封裝的，由四位總線輸入、鎖存器選通和地址線編程的大規(guī)模單片集成鎖相雙模頻率合成器，圖10-41給出了它的方框圖。第82頁,共97頁，2024年2月25日，星期天圖10-41MC145146－1方框第83頁,共97頁，2024年2月25日，星期天表10-4MC145146-1地址碼與鎖存器的選通關(guān)系第84頁,共97頁，2024年2月25日，星期天ST（12端）:數(shù)據(jù)選通控制端，當(dāng)ST是高電平時(shí)，可以輸入D0~D3輸入端的信息，ST是低電平時(shí)，則鎖存這些信息。

PDout（5端）:鑒相器的三態(tài)單端輸出。當(dāng)頻率fv＞fr或fv相位超前時(shí)，PDout輸出負(fù)脈沖;當(dāng)相位滯后時(shí)，輸出正脈沖;當(dāng)fv＝fr且同相位時(shí)，輸出端為高阻抗?fàn)顟B(tài)。

LD（13端）:鎖定檢測器信號輸出端。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)（fv與fr同頻同相），輸出高電平，失鎖