8-自动控制电路..ppt

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1、EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学第第8章章反馈控制电路反馈控制电路反馈控制电路是一种自动调节系统，反馈控制电路是一种自动调节系统，其作用：是通过环路其作用：是通过环路自身的调节，使输入与输出间保持某种预定的关系。自身的调节，使输入与输出间保持某种预定的关系。反馈控制电路的组成：反馈控制电路的组成：为系统的输出量，为系统的输出量，为系统的输入量，为系统的输入量，它们之间应满足所要求的确定关系：它们之间应满足所要求的确定关系：EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学第第8章章反馈控制电路反馈控制电路反馈控制电路分类反馈控制电路分类：自动增益控

2、制自动增益控制 (AutomaticGainControl，简称简称AGC)电路电路自动频率控制自动频率控制 (AutomaticFrequencyControl，简称简称AFC)电路电路自动相位控制自动相位控制 (AutomatiePhaseControl，简称简称APC)电路电路 自动相位控制电路又称为锁相环路自动相位控制电路又称为锁相环路(PhaseLockedLoop，简称简称PLL)，是应用最广的一种反馈控制电路。是应用最广的一种反馈控制电路。EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学第第8章章反馈控制电路反馈控制电路 自动增益控制电路自动增益控制电路 自动频率

3、控制电路自动频率控制电路自动相位控制电路自动相位控制电路（锁相环）锁相环）锁相环的应用锁相环的应用EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学自动增益控制电路（自动增益控制电路（AGC）又称自动电平）又称自动电平(振幅振幅)控制电路，控制电路，它能根据输入信号电平的大小调整系统的增益，维持整机它能根据输入信号电平的大小调整系统的增益，维持整机输出电平的恒定。输出电平的恒定。8.1自动增益控制电路自动增益控制电路一、自动增益控制电路（一、自动增益控制电路（AGC）的作用）的作用二、自动增益控制电路（二、自动增益控制电路（AGC）的组成和工作原理）的组成和工作原理8.1自动增益

4、控制电路自动增益控制电路控制对象控制对象反馈控制器反馈控制器（参考电平）（参考电平）EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学工作原理：工作原理：放大器输出的交流信号经振幅检波器变换成直流信号，放大器输出的交流信号经振幅检波器变换成直流信号，通过直流放大器的放大，在比较器中与参考电平通过直流放大器的放大，在比较器中与参考电平UR相比较而产生相比较而产生一个直流误差控制电压一个直流误差控制电压Ue。当输入电压。当输入电压ui的幅度增大而使输出电压的幅度增大而使输出电压uo幅度增加时，通过反馈控制器产生一控制电压幅度增加时，通过反馈控制器产生一控制电压Ue使使Av减小，迫减小

5、，迫使使Uo幅度的增大受到限制，同理，当幅度的增大受到限制，同理，当ui幅度减小时，将会使幅度减小时，将会使Av增大，增大，迫使迫使Uo幅度的减小受到限制。可见，通过环路不断地循环反馈控幅度的减小受到限制。可见，通过环路不断地循环反馈控制作用，可使输入信号制作用，可使输入信号ui在很大范围内变化时，保持输出电压幅度在很大范围内变化时，保持输出电压幅度恒定或仅在很小的范围内变化。恒定或仅在很小的范围内变化。自动振幅控制电路的自动振幅控制电路的被控量是电压振幅，被控量是电压振幅，被控制对象是可控增益放被控制对象是可控增益放大器。大器。在反馈控制器中必须进行振幅比较，利用误差量去对输出振在反馈控制器

6、中必须进行振幅比较，利用误差量去对输出振幅进行调整。幅进行调整。放大器的输入量放大器的输入量（不是控制环路的输入量）与输出量（不是控制环路的输入量）与输出量的关系是：的关系是：是可控增益放大器在误差电压是可控增益放大器在误差电压控制下的放大倍数。控制下的放大倍数。8.1自动增益控制电路自动增益控制电路EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学三、三、AGC的应用的应用（是高性能接收机的重要辅助电路）（是高性能接收机的重要辅助电路）1.具有简单具有简单AGC的调幅接收机的调幅接收机反馈控制器反馈控制器LPFR高频高频放大器放大器混频器混频器中频中频放大器放大器检波器检波器低

7、频低频输出输出CAGC电压电压UC简单简单AGC缺点：缺点：一有输入信号，一有输入信号，AGC就起控制作用，对接收弱信号不利就起控制作用，对接收弱信号不利8.1自动增益控制电路自动增益控制电路可控增益放大器可控增益放大器EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学2.具有延迟式具有延迟式AGC的调幅接收机的调幅接收机高频高频放大器放大器混频器混频器中频中频放大器放大器检波器检波器低频低频信号信号AGC电压电压UR中频中频放大器放大器AGC检波器检波器无无AGCOUomUim控控制制特特性性Uimmin延迟式延迟式AGC8.1自动增益控制电路自动增益控制电路三、三、AGC的应

8、用的应用EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学1.控制晶体管发射极电流实现增益控制控制晶体管发射极电流实现增益控制Au gmgmIE/26四、增益控制电路四、增益控制电路8.1自动增益控制电路自动增益控制电路当信号电压当信号电压UC+VCCV通常将控制电压加至通常将控制电压加至基极或发射极。基极或发射极。EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学经若干调节周期，环路最后锁定在经若干调节周期，环路最后锁定在上，上，8.2自动频率控制电路自动频率控制电路一、自动频率控制电路（一、自动频率控制电路（AFC）的作用）的作用自动频率控制电路自动频率控制电路

9、用于维持工作频率的稳定。用于维持工作频率的稳定。二、自动频率控制电路（二、自动频率控制电路（AFC）的组成和工作原理）的组成和工作原理frfofo频率频率比较器比较器LPF压控振荡器压控振荡器VCO标准频率标准频率输出输出uD(t)UC当当fr=fo时，时，uD(t)=0，fo不变不变当当frfo时时，uD(t)（fofr)Uc c fo o 或或 8.2自动频率控制电路自动频率控制电路控制对象控制对象反馈控制器反馈控制器这个这个 f 称为称为剩余频率误差，简称剩余频差。剩余频率误差，简称剩余频差。EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学AFC的缺点：的缺点：有剩余频差

10、有剩余频差 f。自动频率控制电路广泛用作接收机和发射机中的自动频率微自动频率控制电路广泛用作接收机和发射机中的自动频率微调电路和调频接收机中的解调电路等。调电路和调频接收机中的解调电路等。三、自动频率控制电路（三、自动频率控制电路（AFC）的应用举例）的应用举例1.调幅接收机中的调幅接收机中的AFC系统系统8.2自动频率控制电路自动频率控制电路EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学2.具有具有AFC的调频发射机框图的调频发射机框图调频调频振荡器振荡器缓冲缓冲放大器放大器晶体晶体振荡器振荡器混频器混频器限幅限幅鉴频器鉴频器窄带窄带低通低通ufcfr调制信号调制信号调频信

11、号输出调频信号输出鉴频器的中心频率调整在（鉴频器的中心频率调整在（frfc）上。当）上。当调频调频振荡器的中心频率发生漂移时，混频器输出的频差也振荡器的中心频率发生漂移时，混频器输出的频差也跟随变化，使鉴频器输出电压发生变化。经窄带跟随变化，使鉴频器输出电压发生变化。经窄带LPF滤除调整频率分量后，将反映调频波中心频率漂移的滤除调整频率分量后，将反映调频波中心频率漂移的缓变电压，加至调频振荡器上，使其中心频率漂移减小。缓变电压，加至调频振荡器上，使其中心频率漂移减小。由于由于fr稳定度很高，因此可提高中心频率稳定度。稳定度很高，因此可提高中心频率稳定度。8.2自动频率控制电路自动频率控制电路E

12、XITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学8.3锁相环路锁相环路（可以锁定相位，消除频率误差）（可以锁定相位，消除频率误差）锁相环路（锁相环路（Phaselockedloop缩写缩写PLL）：是一种）：是一种自动相自动相位控制电路，位控制电路，其作用是实现环路输出信号与输入信号之间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。无误差的频率跟踪，仅存在某一固定的相位差。PLL电路广泛应用于电路广泛应用于 8.3锁相环路锁相环路EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学8.3.1 8.3.1 锁相环的基本组成锁相环的基本组

13、成u鉴相器（相位比较器鉴相器（相位比较器PD）：将输入参考信号的相位和压控：将输入参考信号的相位和压控振荡器（振荡器（VCO）的输出信号的相位比较，输出）的输出信号的相位比较，输出反映反映ui、uo相相位误差的电压位误差的电压ud(t)。u环路滤波器（低通滤波器环路滤波器（低通滤波器LF）：滤去：滤去误差信号中误差信号中的高频分量的高频分量和噪声，得到一控制电压和噪声，得到一控制电压uc(t)。u压控振荡器（压控振荡器（VCO）：是振荡瞬时频率：是振荡瞬时频率受控制电压受控制电压uc(t)控制的振荡器，使输出频率与输入参考频率相等。控制的振荡器，使输出频率与输入参考频率相等。8.3锁相环路锁相

14、环路鉴相器鉴相器 PDPD 环路环路滤波器滤波器 LFLF压控压控振荡器振荡器VCOui(t)ud(t)uc(t)uo(t)uo(t)EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学（1）若）若w wiw wc，则则ui(t)和和uo(t)之间产生相位差之间产生相位差鉴相器输鉴相器输出出与相位误差成正比的误差电压与相位误差成正比的误差电压ud(t)经过经过LF取出缓慢变取出缓慢变化的电压化的电压uc(t)去控制压控振荡器输出信号的频率去控制压控振荡器输出信号的频率w wc，使，使它接近它接近w wi（2）直到压控振荡器输出信号的频率等于输入信号频率）直到压控振荡器输出信号的频率

15、等于输入信号频率时时(即即w wi=w wc)，相位误差等于常数，相位误差等于常数，锁相环路进入锁定锁相环路进入锁定状态。状态。这时的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。这时的相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。8.3锁相环路锁相环路8.3.2 8.3.2 锁相环的基本原理锁相环的基本原理鉴相器鉴相器 PDPD 环路环路滤波器滤波器 LFLF压控压控振荡器振荡器VCOui(t)ud(t)uc(t)uo(t)uo(t)EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学一一、鉴相器的数学模型、鉴相器的数学模型即即 PDPDui(t)uo(t)ud(t)鉴相器是一个相位比较器，

16、鉴相器是一个相位比较器，输出信号输出信号是两个输入信号是两个输入信号与与的相位差的相位差 的函数，的函数，ui(t)uo(t)正弦特性，三角波特性，锯齿波特性等正弦特性，三角波特性，锯齿波特性等，其中最基本的是其中最基本的是正弦波特性正弦波特性，它可用一个模拟乘法器与低通滤波器组成。它可用一个模拟乘法器与低通滤波器组成。鉴相特性的形式有许多种，如鉴相特性的形式有许多种，如:乘法器乘法器低通滤波低通滤波PDui(t)uo(t)ud(t)8.3.3 8.3.3 锁相环路的性能分析锁相环路的性能分析8.3锁相环路锁相环路-EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学一一、鉴相器的

17、数学模型、鉴相器的数学模型如果设环路输入信号：如果设环路输入信号：设设PLL环输出信号：环输出信号：，输入信号的相位可改写为：，输入信号的相位可改写为：8.3锁相环路锁相环路i(t)是以是以it为参考的瞬时相位。若输入信号为一固定频率的为参考的瞬时相位。若输入信号为一固定频率的正弦波，则正弦波，则i(t)=i是一常数，是一常数，即即ui(t)的初始相位。的初始相位。经过相乘，设乘法器的增益系数为经过相乘，设乘法器的增益系数为K（单位为单位为1/V），则输出为：，则输出为：EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学一一、鉴相器的数学模型、鉴相器的数学模型经低通滤波后，可得输

18、出的误差电压为：经低通滤波后，可得输出的误差电压为：由上式可得鉴相器的数学模型由上式可得鉴相器的数学模型:1(t)-o(t)8.3锁相环路锁相环路EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学二二、环路滤波器的数学模型、环路滤波器的数学模型环路滤波器具有低通特性，其环路滤波器具有低通特性，其主要作用是滤除鉴相器输出端主要作用是滤除鉴相器输出端的高频分量和噪声的高频分量和噪声，经，经LF后得到一个平均电压后得到一个平均电压用来控制用来控制VCO的的频率变化。频率变化。RCud（t）uc（t）RC滤波器滤波器ud（t）uc（t）无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器ud（t）uc（

19、t）有有源源比比例例积积分滤波器分滤波器RC滤波器滤波器传输函数：传输函数：R1CR2R1R2C-+8.3锁相环路锁相环路EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器R1CR2ud（t）uc（t）无源比例积无源比例积分滤波器分滤波器其中：其中：,通常通常R1R2有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器ud（t）uc（t）有有源源比比例例积积分滤波器分滤波器R1R2C-+当集成运放满足理想化条件时，其当集成运放满足理想化条件时，其传输函数传输函数:二二、环路滤波器的数学模型、环路滤波器的数学模型8.3锁相环路锁相环路EXITEXIT通信电子线路

20、通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学将将中的复频率中的复频率s用微分算子用微分算子p替换，则替换，则可写出可写出滤波器的输出电压与输入信号之间的微分方程：滤波器的输出电压与输入信号之间的微分方程：由上式可得由上式可得环路滤波器的电路模型环路滤波器的电路模型:2、环路滤波器的数学模型、环路滤波器的数学模型8.3锁相环路锁相环路EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学三、压控振荡器（三、压控振荡器（VCO）的数学模型）的数学模型 压控振荡器：压控振荡器：是振荡频率是振荡频率控制的振荡器控制的振荡器。ouc(t)cKV：压控灵敏度：压控灵敏度由于由于VCO的输出反馈到鉴相器，

21、而从锁的输出反馈到鉴相器，而从锁相环的控制作用来看，相环的控制作用来看，VCO对鉴相器起作用对鉴相器起作用的不是其频率而是相位的不是其频率而是相位，故对上式积分即可，故对上式积分即可求出相位：求出相位：8.3锁相环路锁相环路压控振荡器的控制特性压控振荡器的控制特性压控振荡器的频率与电压关系：压控振荡器的频率与电压关系：说明压控振荡器在锁相环路中的作用说明压控振荡器在锁相环路中的作用是积分环节是积分环节。将积分符号用微分算子将积分符号用微分算子的倒数表示，则的倒数表示，则压控振荡器数学模型：压控振荡器数学模型：EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学四、锁相环路的相位模型

22、四、锁相环路的相位模型将上述锁相环的三个基本部件的模型按环路组成框图联接起来，将上述锁相环的三个基本部件的模型按环路组成框图联接起来，即可构成锁相环路相位模型，如下图所示：即可构成锁相环路相位模型，如下图所示：根据锁相环路相位模型，可得到以相位形式表示的基本根据锁相环路相位模型，可得到以相位形式表示的基本微分方程：微分方程：1(t)e(t)0(t)8.3锁相环路锁相环路EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学它表示它表示VCO振荡角频率偏离振荡角频率偏离输入信号频率的数值，称为输入信号频率的数值，称为环路的环路的瞬时角频差瞬时角频差PLL基本方程基本方程的含义？的含义？

23、8.3锁相环路锁相环路由于由于设输入信号为固定频率的正弦信号（即设输入信号为固定频率的正弦信号（即均为常量）均为常量）结论：闭合环路中任何时刻满足：结论：闭合环路中任何时刻满足：瞬时频差瞬时频差+控制频差控制频差=固有频差固有频差。它表示输入信号的角频率偏它表示输入信号的角频率偏离离VCO固有振荡频率的数值，固有振荡频率的数值，称为称为输入固有输入固有角频差角频差它表示压控振荡器在它表示压控振荡器在的的作用下，产生的振荡频率偏作用下，产生的振荡频率偏离离固有振荡频率的数值固有振荡频率的数值,称称为环路的为环路的控制角频差控制角频差EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学

24、五、锁相环路的失锁和锁定状态五、锁相环路的失锁和锁定状态当环路闭合瞬间，输入信号角频率当环路闭合瞬间，输入信号角频率与与即不相同也不相干，则鉴相器输出的差拍电压为：即不相同也不相干，则鉴相器输出的差拍电压为：失锁状态失锁状态如果环路固有角频差如果环路固有角频差环路低通滤波器的通频带环路低通滤波器的通频带则差拍电压则差拍电压将被滤除，而不能形成控制电压将被滤除，而不能形成控制电压压控振荡器输出角频率压控振荡器输出角频率不变化即不变化即则则即：即：环路的瞬时频差环路的瞬时频差=固有频差固有频差环路此时处于失锁状态。环路此时处于失锁状态。8.3锁相环路锁相环路没有输入信号时没有输入信号时:设压控振荡

25、器的固有振荡频率为设压控振荡器的固有振荡频率为VCO以自由振荡频率以自由振荡频率振荡。振荡。有输入信号有输入信号ui(t)时时:EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学当控制角频差随着时间当控制角频差随着时间t的增加到等于输入固有角频差时，的增加到等于输入固有角频差时，瞬时角频差为零，即瞬时角频差为零，即锁定状态锁定状态如果如果十分接近十分接近，即固有频差，即固有频差，则差拍电压，则差拍电压不会被环路滤波器滤除而形成控制电压不会被环路滤波器滤除而形成控制电压，去控制压，去控制压控振荡器。控振荡器。此此时时鉴鉴相相器器输输出出电电压压是是一一个个较较小小的的直直流流电电压

26、压，环环路路进进入入锁锁定状态。定状态。8.3锁相环路锁相环路这时这时是一固定值，不随时间变化。是一固定值，不随时间变化。有控制电压产生有控制电压产生,控制角频差就产生控制角频差就产生。随着控制角频差的增。随着控制角频差的增大，瞬时角频差就减小，二者之和等于输入固有角频差。大，瞬时角频差就减小，二者之和等于输入固有角频差。EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学锁相环路由锁相环路由起始失锁状态进入锁定状态起始失锁状态进入锁定状态的过程。的过程。跟踪过程跟踪过程:环路锁定后，若输入信号频率或相位发生变化，环环路锁定后，若输入信号频率或相位发生变化，环路通过自身的闭环调节，

27、来维持锁定状态的过程。路通过自身的闭环调节，来维持锁定状态的过程。例如：当环路已处于锁定状态后，输入信号的频率发生变化，例如：当环路已处于锁定状态后，输入信号的频率发生变化，设设六、锁相环路的捕捉和跟踪过程六、锁相环路的捕捉和跟踪过程则则直到直到，状态锁定为止。，状态锁定为止。eudcuc8.3锁相环路锁相环路捕捉过程捕捉过程:捕捉过程所需的时间称捕捉过程所需的时间称捕捉时间捕捉时间。EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学同步带是指从同步带是指从PLL锁定开始，改变输入信号的频率锁定开始，改变输入信号的频率（向高或（向高或低两个方向变化），直到低两个方向变化），直到P

28、LL失锁（由锁定到失锁），这段频失锁（由锁定到失锁），这段频率范围称为同步带。率范围称为同步带。七、锁相环的主要参数七、锁相环的主要参数捕捉带捕捉带同步带同步带稳态相差稳态相差1.捕捉带捕捉带锁定锁定锁定锁定捕捉带捕捉带 w wP同步带同步带 w wHw wimaxw wimin通常通常捕捉带是指锁相环处于一定的固有振荡频率捕捉带是指锁相环处于一定的固有振荡频率,上限值上限值或下限值或下限值时，时，并当输入信号的频率并当输入信号的频率偏离偏离失锁失锁w waw wiw wo ow wb失锁失锁2.同步带同步带8.3锁相环路锁相环路环路环路还能进入锁定，则称还能进入锁定，则称为捕捉带。为捕捉带。

29、EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学3稳态相差稳态相差环路处于锁定状态时，存在着的固定相差称为稳态相位环路处于锁定状态时，存在着的固定相差称为稳态相位误差误差。由方程：由方程：环路锁定意味着瞬时频差为零，即环路锁定意味着瞬时频差为零，即此时此时式中，式中，为环路直流总增益，通常称为为环路直流总增益，通常称为环路增益环路增益，其，其值增大可使值增大可使减少。减少。环路锁定时，鉴相器输出电压环路锁定时，鉴相器输出电压是直流电压，是直流电压，对于环路滤波器来说，其传输函数为直流对于环路滤波器来说，其传输函数为直流8.3锁相环路锁相环路EXITEXIT通信电子线路通信电子线

30、路合合肥肥工工业业大大学学一、一、PLL的基本特性的基本特性(1)环路锁定后环路锁定后,没有剩余频差。没有剩余频差。压控振荡器的输出频率压控振荡器的输出频率严格等于输入信号的频率。严格等于输入信号的频率。(3)窄带窄带滤波特性。滤波特性。锁相环通过环路滤波器的作用锁相环通过环路滤波器的作用,具有窄带具有窄带滤波特性滤波特性,能够将混进输入信号中能够将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除。的噪声和杂散干扰滤除。(4)易于集成化。易于集成化。组成环路的基本部件都易于采用模拟集成组成环路的基本部件都易于采用模拟集成电路。环路实现数字化后电路。环路实现数字化后,更易更易于采用数字集成电路。于采用数字集成

31、电路。(2)良良好好的的跟跟踪踪特特性性。环环路路锁锁定定后后,当当输输入入信信号号频频率率稍稍有有变变化化时时,VCO的频率立即发生相应的频率立即发生相应的变化的变化,最终使最终使VCO输出频率输出频率8.4 8.4 锁相环路的应用锁相环路的应用8.4锁相环路的应用锁相环路的应用EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学二、二、锁相环的典型应用锁相环的典型应用1、锁相倍频、锁相倍频在在锁相环路的反馈通道中插入分频器就可构成锁相倍频电锁相环路的反馈通道中插入分频器就可构成锁相倍频电路路。如下图所示：。如下图所示：i(t)PD PD LF LFVCOvi(t)uo(t)o(

32、t)o(t)/N当环路锁定时，鉴相器两输入信号频率相等。当环路锁定时，鉴相器两输入信号频率相等。即有：即有：式中式中N为分频器的倍频比。为分频器的倍频比。8.4锁相环路的应用锁相环路的应用EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学2、锁相分频、锁相分频在在锁相环路中插入倍频器就可构成锁相分频电路锁相环路中插入倍频器就可构成锁相分频电路。如下。如下图所示：图所示：i(t)PD PD LF LFVCOvi(t)vo(t)o(t)No(t)当环路锁定时：当环路锁定时：式中式中N为倍频器的倍频次数。为倍频器的倍频次数。8.4锁相环路的应用锁相环路的应用EXITEXIT通信电子线路

33、通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学3、锁相混频器、锁相混频器设混频器的本振信号频率为设混频器的本振信号频率为L，在，在Lo时混频器的输时混频器的输出频率为（出频率为（L-o），），经差频放大器后加到鉴相器上。经差频放大器后加到鉴相器上。当环路锁定时当环路锁定时o(t)i(t)L(t)PDPD LF LFVCOvi(t)vo(t)|L(t)-o(t)|混频混频差频放大差频放大8.4锁相环路的应用锁相环路的应用EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学4、锁相环调频电路、锁相环调频电路普通的直接调频电路中，振荡器的中心频率稳定度较差，而普通的直接调频电路中，振荡器的中心频率

34、稳定度较差，而锁相调频电路能得到锁相调频电路能得到中心频率稳定度很高的调频信号中心频率稳定度很高的调频信号。fi(t)晶晶振振 PD PD LF LFVCOfo(t)调调 频频波波f(t)调制信号调制信号+调制信号作为调制信号作为VCO控制电压的一部分使其频率产生相应的变化，控制电压的一部分使其频率产生相应的变化，由此在输出端得到已调频信号。由此在输出端得到已调频信号。实现调制的的条件是：实现调制的的条件是：调制信号的频谱要处于低通滤波器调制信号的频谱要处于低通滤波器通频带之外。通频带之外。8.4锁相环路的应用锁相环路的应用EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学5、锁

35、相环鉴频电路、锁相环鉴频电路PDPDLFLFVCOVFM(t)调频波调频波V(t)调制信号调制信号捕捉带捕捉带输入调频信号的最大频偏输入调频信号的最大频偏环路带宽输入调频信号中调制信号的频谱宽度环路带宽输入调频信号中调制信号的频谱宽度为实现不失真解调，要求：为实现不失真解调，要求：如如果果将将环环路路的的频频带带设设计计的的足足够够宽宽，使使环环路路捕捕捉捉带带大大于于调调频频波波的的最最大大频频偏偏，利利用用锁锁相相环环的的跟跟踪踪特特性性，可可以以使使VCO的的振振荡荡频频率率跟跟踪踪输输入入调调频频波波的的瞬瞬时时频频率率。如如果果VCO的的电电压压-频频率率特特性性是是线线形形的的，则

36、则加加到到VCO的的控控制制电电压压的的变变化化规规律律必必与与调调频频波波的的瞬瞬时时频频率率变变化化规规律律相相同同，因因此此在在LF的的输输出出端端可可获获得得不不失失真真的的解调输出。解调输出。8.4锁相环路的应用锁相环路的应用EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学同步信号利同步信号利用用PLL提取提取ui(t)解调电压输出解调电压输出同步信号同步信号PDLFVCOp p/2移相器移相器同步同步检波器检波器6、锁相环、锁相环实现实现AM信号同步检波信号同步检波乘积型同步检波框图乘积型同步检波框图AMXYLPFur(t)ui(t)V(t)调制信号调制信号当环路工

37、作在载波跟踪状态时，当环路工作在载波跟踪状态时，VCO输出频率与环路输输出频率与环路输入已调信号的载波相同，但存在入已调信号的载波相同，但存在/2的固定相移。的固定相移。因此，经过因此，经过/2移项后变成与输入已调信号的载频相移项后变成与输入已调信号的载频相同的信号。将它与输入已调信号共同加到同步检波器就同的信号。将它与输入已调信号共同加到同步检波器就能得到解调信号输出。能得到解调信号输出。8.4锁相环路的应用锁相环路的应用EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学7、锁相频率合成器、锁相频率合成器频率合成器是利用一个标准信号源的频率来产生一系列所需频率合成器是利用一个标

38、准信号源的频率来产生一系列所需频率的技术。频率的技术。锁相环路加上一些辅助电路后，就能容易地对一锁相环路加上一些辅助电路后，就能容易地对一个标准频率进行加、减、乘、除运算而产生所需的频率信号，个标准频率进行加、减、乘、除运算而产生所需的频率信号，且合成后的信号频率与标准信号频率具有相同的长期频率稳定且合成后的信号频率与标准信号频率具有相同的长期频率稳定度及具有较好的频率纯度度及具有较好的频率纯度，如果结合单片微机技术，可实现自，如果结合单片微机技术，可实现自动选频和频率扫描。动选频和频率扫描。锁相式单环频率合成器基本组成如下图所示：锁相式单环频率合成器基本组成如下图所示：PD PD LF LF

39、VCOui(t)uo(t)fi(t)fo(t)fo(t)/N晶振晶振fi(t)/M当环路锁定后，鉴相器两路输入频率相等当环路锁定后，鉴相器两路输入频率相等即：即：8.4锁相环路的应用锁相环路的应用EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学BG322、X38、CD4046、MC1404b。模拟锁相环路：模拟锁相环路：NE560、NE561、562、564L562、L564、SL565、KD801、KD802、KD8041等。等。数字锁相环路：数字锁相环路：8.4锁相环路的应用锁相环路的应用三、集成锁相环路三、集成锁相环路EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业

40、业大大学学CMOS锁相环路锁相环路CD4046简介简介为数字为数字PLL。内有两个。内有两个PD、VCO、缓冲放大器、输、缓冲放大器、输入信号放大与整形电路、内部稳压器等。入信号放大与整形电路、内部稳压器等。具有电源电压范围宽（具有电源电压范围宽（515V）、功耗低、输入阻抗）、功耗低、输入阻抗高等优点。工作频率高等优点。工作频率01MHz内部内部VCO产生产生50%占空比的方波。输出电平可与占空比的方波。输出电平可与TTL电平或电平或CMOS电平兼容。电平兼容。具有相位锁定状态指示具有相位锁定状态指示8.4锁相环路的应用锁相环路的应用EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大

41、大学学CD4046内部结构与外引脚排列内部结构与外引脚排列8.4锁相环路的应用锁相环路的应用EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学信号输入端：允许输入信号输入端：允许输入0.1V左右的小信号或方波，经左右的小信号或方波，经A1放大和整形，提供满足放大和整形，提供满足PD要求的方波。要求的方波。由异或门构成，具有三角形由异或门构成，具有三角形鉴相特性。它要求两个输入信号鉴相特性。它要求两个输入信号均为均为50%占空比的方波。占空比的方波。当无输入信号时，其输出电当无输入信号时，其输出电压为压为VDD/2，用以确定，用以确定VCO的自的自由振荡频率。由振荡频率。8.4锁相

42、环路的应用锁相环路的应用确定确定VCO频率范围。频率范围。R1控制最高频率，控制最高频率，R2控制最低频率。控制最低频率。R2=时，频率为零。无输入信时，频率为零。无输入信号时，号时，PD将将VCO调整到最低频率。调整到最低频率。EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学工作波形工作波形VCO输入输入高阻高阻VDDPD输出输出v14v3v13 锁定指示锁定指示v1v9PD的输入信号只在上升沿起作用，故该的输入信号只在上升沿起作用，故该PDPD能处理非常窄的脉冲。能处理非常窄的脉冲。8.4锁相环路的应用锁相环路的应用EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大

43、大学学8.4锁相环路的应用锁相环路的应用应用电路举例：应用电路举例：CC4046锁相解调电路锁相解调电路EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学例例1：，VCOVCO的固有振荡频率若大于的固有振荡频率若大于2时，输出时，输出o ，若小于若小于2时，输出时，输出o 。电路如下图所示，已知：电路如下图所示，已知：EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学例例2:如如图图所示所示为为双双环频环频率合成器，由两个率合成器，由两个锁锁相相环环和一个混和一个混频滤频滤波波电电路路组组成。两个参考成。两个参考频频率率可可变变分分频频器的分器的分频频比范比范围围分分别为别为固定分固定分频频器的分器的分频频比比，求，求输输出出频频率率和和频频率率间间隔隔.的频率调节范围的频率调节范围EXITEXIT通信电子线路通信电子线路合合肥肥工工业业大大学学解：环路解：环路是锁相倍频电路是锁相倍频电路混频输出为混频输出为:环路环路也是锁相倍频电路也是锁相倍频电路可可见见，输输出合成出合成频频率率由两部分由两部分组组成，成，调节调节范范围为围为频率间隔是频率间隔是0.1MHz=100kHz；频率间隔频率间隔100Hz，所以所以总调节总调节范范围为围为70.999MHz频率间隔频率间隔100Hz。