自动增益控制幻灯片.ppt

自动增益控制第1页，共57页，编辑于2022年，星期二12.1 自动增益控制自动增益控制(AGC)(AGC)12.2 自动频率微调自动频率微调(AFC)(AFC)12.3 锁相环路的基本工作原理锁相环路的基本工作原理12.4 锁相环路各部件及其数学模型锁相环路各部件及其数学模型12.5 锁相环路的分析锁相环路的分析12.6 集成锁相环集成锁相环12.7 锁相环路的应用简介锁相环路的应用简介第2页，共57页，编辑于2022年，星期二学习目的学习目的了解自动增益控制原理了解自动增益控制原理熟悉自动频率微调原理熟悉自动频率微调原理掌握锁相环路的数学模型掌握锁相环路的数学模型了解锁相环路的分析了解锁相环路的分析了解锁相环路的某些应用了解锁相环路的某些应用第3页，共57页，编辑于2022年，星期二 电子设备往往需要各种类型的控制电路，来改善其性能指标。这电子设备往往需要各种类型的控制电路，来改善其性能指标。这些控制电路都是运用反馈的原理，因而可统称为反馈控制电路。些控制电路都是运用反馈的原理，因而可统称为反馈控制电路。控制电路控制电路自动频率微调电路自动频率微调电路自动增益控制电路自动增益控制电路锁相环路锁相环路第4页，共57页，编辑于2022年，星期二 自动增益控制电路主要用于接收机中，以维持整机输出恒定，几乎自动增益控制电路主要用于接收机中，以维持整机输出恒定，几乎不随外来信号的强弱而变化。不随外来信号的强弱而变化。几十V几mV1V左右第5页，共57页，编辑于2022年，星期二 自动增益控制电路的作用是，当输入信号电压变化很大时，保持接自动增益控制电路的作用是，当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压几乎不变。收机输出电压几乎不变。图图12.1.1 具有具有AGC的超外差式接收机方框图的超外差式接收机方框图几十V几mV1V左右第6页，共57页，编辑于2022年，星期二 当输入信号很弱时，接收机的增益大，控制电路不起作用。而当输当输入信号很弱时，接收机的增益大，控制电路不起作用。而当输入信号很强时，控制电路进行控制，使接收机的增益减小。入信号很强时，控制电路进行控制，使接收机的增益减小。图图12.1.2 简单的简单的AGC特性曲线特性曲线第7页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.1.3 延迟式延迟式AGC原理电路原理电路 在二极管上加有一负电压（由负电源分压获得），称为延迟电压。在二极管上加有一负电压（由负电源分压获得），称为延迟电压。第8页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.1.4 延迟式延迟式AGC特性曲线特性曲线第9页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.1.5 延迟放大式延迟放大式AGC电路方框图电路方框图第10页，共57页，编辑于2022年，星期二 振荡器的频率经常由于各种因素的影响而发生变化，偏离了振荡器的频率经常由于各种因素的影响而发生变化，偏离了预期的数值。这种不稳定对无线电设备的工作显然是不利的。用预期的数值。这种不稳定对无线电设备的工作显然是不利的。用自动频率微调可以使自激振荡器频率自动锁定到近似等于预期的自动频率微调可以使自激振荡器频率自动锁定到近似等于预期的标准频率上。标准频率上。图图12.2.1 自动频率微调的原理方框图自动频率微调的原理方框图第11页，共57页，编辑于2022年，星期二 鉴频器即有误差电压输出，通过低通滤波器，只允许直流电压鉴频器即有误差电压输出，通过低通滤波器，只允许直流电压输出，用来控制本振（压控振荡器），使输出，用来控制本振（压控振荡器），使f改变，直到改变，直到fi fi 减小减小至等于剩余频差为止。至等于剩余频差为止。图图12.2.2 调频通信机的调频通信机的AFC系统方框图示例系统方框图示例第12页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.2.3 鉴频特性曲线鉴频特性曲线第13页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.2.4 压控振荡器的调制特性曲线压控振荡器的调制特性曲线第14页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.2.5 用图解法确定用图解法确定AFC的动态平衡点的动态平衡点第15页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.2.6 捕捉带捕捉带fp的确定的确定第16页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.3.1 锁相环路的基本方框图锁相环路的基本方框图第17页，共57页，编辑于2022年，星期二 锁相环路重要概念：当两个振荡信号频率相等时，则它们之间的相锁相环路重要概念：当两个振荡信号频率相等时，则它们之间的相位差保持不变；反之，若两个振荡信号的相位差是个恒定值，则它们的位差保持不变；反之，若两个振荡信号的相位差是个恒定值，则它们的频率必然相等。频率必然相等。第18页，共57页，编辑于2022年，星期二锁相环路与自动频率微调工作过程的比较锁相环路与自动频率微调工作过程的比较第19页，共57页，编辑于2022年，星期二12.4.1 鉴相器12.4.2 低通滤波器12.4.3 压控振荡器(VCO)12.4.4 锁相环路的数学模型第20页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.4.1 基本锁相环路方框图基本锁相环路方框图 锁相环路（锁相环路（Phase locked loop缩写缩写PLL）是一种相位自动控制）是一种相位自动控制电路，其作用是实现环路输出信号与输入信号之间无误差的频率跟电路，其作用是实现环路输出信号与输入信号之间无误差的频率跟踪，仅存在某一固定的相位差。踪，仅存在某一固定的相位差。第21页，共57页，编辑于2022年，星期二 鉴相器是锁相环路中的关键部件。它的形式很多，但在频率合成器鉴相器是锁相环路中的关键部件。它的形式很多，但在频率合成器中所采用的鉴相器主要有正弦波相位检波器与脉冲取样保持相位比较器中所采用的鉴相器主要有正弦波相位检波器与脉冲取样保持相位比较器两种。分别讨论如下：两种。分别讨论如下：）正弦波相位检波器）正弦波相位检波器O(引用引用10.8节相位鉴相器的结论节相位鉴相器的结论)第22页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.4.2 正弦波相位检波器正弦波相位检波器图图12.4.3 正弦鉴相特性正弦鉴相特性第23页，共57页，编辑于2022年，星期二）脉冲抽样保持相位比较器）脉冲抽样保持相位比较器图图12.4.4 脉冲抽样保持相位比较器的基本方框图脉冲抽样保持相位比较器的基本方框图第24页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.4.5 脉冲抽样保持相位比较器的波形图脉冲抽样保持相位比较器的波形图第25页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.4.6 脉冲抽样保持相位比较器方框图脉冲抽样保持相位比较器方框图第26页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.4.7 脉冲抽样保持相位比较器电路举例脉冲抽样保持相位比较器电路举例第27页，共57页，编辑于2022年，星期二）鉴相器的数学模型）鉴相器的数学模型图图12.4.8 鉴相器的线性化数学模型（时域）鉴相器的线性化数学模型（时域）第28页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.4.9 鉴相器的线性化数学模型（频域）鉴相器的线性化数学模型（频域）第29页，共57页，编辑于2022年，星期二）RC滤波器滤波器图图12.4.10 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器取取=RC为时间常数为时间常数）无源比例积分滤波器）无源比例积分滤波器图图12.4.11 超前滞后网络超前滞后网络第30页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.4.12 有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器3）有源比例积分滤波器）有源比例积分滤波器 第一项是具有直流放大的比例系数，第二项是积分功能。第一项是具有直流放大的比例系数，第二项是积分功能。第31页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.4.13 压控振荡器特性曲线压控振荡器特性曲线 是特性曲线的斜率，是特性曲线的斜率，称为称为CO的增益或灵敏度，的增益或灵敏度，量纲为量纲为rad/(sV)，它表示单位控制电压引，它表示单位控制电压引起的振荡角频率变化的大小。起的振荡角频率变化的大小。第32页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.4.14 压控振荡器的数学模型压控振荡器的数学模型VCO的传输函数为的传输函数为第33页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.4.15 锁相环路的数学模型（时域）锁相环路的数学模型（时域）第34页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.4.15 锁相环路的数学模型（时域）锁相环路的数学模型（时域）第35页，共57页，编辑于2022年，星期二锁相环路的基本方程式的频域形式锁相环路的基本方程式的频域形式误差传输函数误差传输函数开环传递函数开环传递函数第36页，共57页，编辑于2022年，星期二12.5.1 一阶锁相环路12.5.2 二阶锁相环路第37页，共57页，编辑于2022年，星期二 传递函数的阶数取决于滤波器的传输函数传递函数的阶数取决于滤波器的传输函数F()的形式，亦即取决的形式，亦即取决于环路滤波器的形式。根据于环路滤波器的形式。根据F()的不同，可将锁相环路分为一阶、二的不同，可将锁相环路分为一阶、二阶以至更高阶的形式。阶以至更高阶的形式。第38页，共57页，编辑于2022年，星期二第39页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.5.1 一阶锁相环路频率特性一阶锁相环路频率特性1)频率特性频率特性第40页，共57页，编辑于2022年，星期二(1)环路传输函数环路传输函数(j)具有低通特性，其物理意义是：输入信号具有低通特性，其物理意义是：输入信号1(t)中的各种频率分量，经过环路传输后，只有低频成分出现中的各种频率分量，经过环路传输后，只有低频成分出现在输出信号在输出信号V(t)中。中。(2)误差传输函数误差传输函数(j)具有高通特性，其物理意义是：误差具有高通特性，其物理意义是：误差信号信号e(t)中含有中含有1(t)中的高频成分，这是因为中的高频成分，这是因为1(t)在环路之外，因此在环路之外，因此它的高频成分不能被滤除。它的高频成分不能被滤除。结结 论：论：第41页，共57页，编辑于2022年，星期二）环路的锁定）环路的锁定 现在来研究锁相环路的锁定问题，这时必须考虑环路的非线性，现在来研究锁相环路的锁定问题，这时必须考虑环路的非线性，这主要是由鉴相器的非线性所引起的。这主要是由鉴相器的非线性所引起的。以上三项分别称为环路瞬时频差、控制频差、固有频差。以上三项分别称为环路瞬时频差、控制频差、固有频差。第42页，共57页，编辑于2022年，星期二(1)环路的锁定条件是：环路的锁定条件是：(2)当环路闭合时，在任何瞬间的环路瞬时频差都等于环路的固有当环路闭合时，在任何瞬间的环路瞬时频差都等于环路的固有频差与控制频差的差值。或者说，瞬时频差与控制频差的代数和等于频差与控制频差的差值。或者说，瞬时频差与控制频差的代数和等于固有频差。固有频差。结结 论：论：第43页，共57页，编辑于2022年，星期二(3)环路锁定后，有一个固定的剩余相位差，即稳态相位差环路锁定后，有一个固定的剩余相位差，即稳态相位差图图12.5.3 一阶锁相环路的相图一阶锁相环路的相图第44页，共57页，编辑于2022年，星期二3）捕捉带与同步带）捕捉带与同步带 当锁相环路本来处于失锁状态时，由于环路的作用，使压控当锁相环路本来处于失锁状态时，由于环路的作用，使压控振频率逐渐向标准参考频率靠近，靠近到一定程度后，环路即能振频率逐渐向标准参考频率靠近，靠近到一定程度后，环路即能进入锁定。这一过程叫做捕捉过程。系统能捕捉的最大频率失谐进入锁定。这一过程叫做捕捉过程。系统能捕捉的最大频率失谐范围称为捕捉带或捕捉范围。范围称为捕捉带或捕捉范围。当环路已锁定后，如果由于某种原因引起频率变化，这种频率变当环路已锁定后，如果由于某种原因引起频率变化，这种频率变化反映为相位变化，则通过环路的作用，可使化反映为相位变化，则通过环路的作用，可使VCO的频率和相位不断的频率和相位不断跟踪变化。这时环路即处于跟踪状态。环路所能保持跟踪的最大失谐频跟踪变化。这时环路即处于跟踪状态。环路所能保持跟踪的最大失谐频带称为同步带，又称同步范围或锁定范围。带称为同步带，又称同步范围或锁定范围。第45页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.5.4 一阶环路锁定状态的建立过程一阶环路锁定状态的建立过程第46页，共57页，编辑于2022年，星期二 从闭环开始，由不同步到达同步所需的时间叫做捕捉时间。从闭环开始，由不同步到达同步所需的时间叫做捕捉时间。可以证明，在小扰动的条件下，一阶环路的捕捉时间为可以证明，在小扰动的条件下，一阶环路的捕捉时间为 由此可见，要缩短捕捉时间（锁定时间），就要提高环路的总增由此可见，要缩短捕捉时间（锁定时间），就要提高环路的总增益益。环路能够锁定的最大范围，亦即同步带为环路能够锁定的最大范围，亦即同步带为第47页，共57页，编辑于2022年，星期二）差拍状态）差拍状态图图12.5.5 一阶锁相环路的相图一阶锁相环路的相图第48页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.5.6 控制电压和瞬时频率控制电压和瞬时频率第49页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.5.7 环路平均频差与固有频差的关系曲线环路平均频差与固有频差的关系曲线第50页，共57页，编辑于2022年，星期二从以上对一阶环路的分析可知，这种环路只有一个可供调从以上对一阶环路的分析可知，这种环路只有一个可供调整的参数整的参数，而环路的各种重要特性都由它来决定。这就遇到，而环路的各种重要特性都由它来决定。这就遇到了不可克服的矛盾，因为若希望环路的同步范围大和稳态相差了不可克服的矛盾，因为若希望环路的同步范围大和稳态相差e小，则要求增益小，则要求增益大。但在增大大。但在增大值的同时，环路的截止频率值的同时，环路的截止频率也提高了，因此环路的滤波性能变坏。一阶环路不能解决这样的矛也提高了，因此环路的滤波性能变坏。一阶环路不能解决这样的矛盾，所以实际使用的锁相环路总是要有适当的滤波器，以克服上述盾，所以实际使用的锁相环路总是要有适当的滤波器，以克服上述困难，并改善环路的性能。加入滤波器后，环路即变成高阶的，其困难，并改善环路的性能。加入滤波器后，环路即变成高阶的，其中最常用的是二阶锁相环路。中最常用的是二阶锁相环路。第51页，共57页，编辑于2022年，星期二 采用不同的一阶低通滤波器，锁相环路的基本方程式的频域形式有采用不同的一阶低通滤波器，锁相环路的基本方程式的频域形式有n称为锁相环路的固有角频率；称为锁相环路的固有角频率；称为环路的阻尼系数。称为环路的阻尼系数。第52页，共57页，编辑于2022年，星期二对于不同滤波器的参数表示式见表对于不同滤波器的参数表示式见表12.。RC无源比例无源比例有源比例有源比例第53页，共57页，编辑于2022年，星期二图图12.5.8 RLC串联谐振电路串联谐振电路第54页，共57页，编辑于2022年，星期二RLC串联谐振电路振荡波形串联谐振电路振荡波形第55页，共57页，编辑于2022年，星期二图12.5.9 高增益二阶环路的频率响应第56页，共57页，编辑于2022年，星期二最后简略讨论一下二阶环路的同步带、捕捉带等问题。最后简略讨论一下二阶环路的同步带、捕捉带等问题。第57页，共57页，编辑于2022年，星期二