反馈控制电路-课件.ppt

1、高频电子线路贵州电子信息职业技术学院电子工程系高频电子线路高频电子线路 反馈控制是现实物理过程中的一个基本现象。反馈控制方法的采用是为了准确地调整某一个系统或单元的某些状态参数。如采用反馈控制方法稳定放大器增益是反馈控制在电子线路领域最典型的应用之一。为稳定系统状态而采用的反馈控制系统是一个负反馈系统。它由下图所示的三部分组成。比较器处理机构执行机构输入信号误差信号控制信号输出信号iXoXoXeXcX图7-1 反馈控制系统的组成高频电子线路高频电子线路 整个系统的功能就是使输出状态跟踪输入信号（基准）或它的平均值的变化。控制过程总是使调整后的误差以与起始误差相反的方向变化，结果逐渐减小绝对误差

2、，最终趋向于一个极限值。根据控制状态参数的不同，在高频电路中，反馈控制电路可分为四类：自动增益控制（AGC）：调整输出电压振幅自动功率控制（APC）：调整功率放大器输出功率自动频率控制（AFC）：调整振荡信号的频率自动相位控制（PLL）：调整振荡信号的相位高频电子线路高频电子线路 7.1 自动增益控制电路 7.2 自动频率控制电路 7.3 锁相环路 7.4 频率合成器 学习项目七学习项目七 反馈控制电路 高频电子线路高频电子线路图72 具有AGC电路的接收机组成框图高频放大器至解调器混频器中频放大器直流放大器AGC检波器ur具有具有AGCAGC电路的接收机组成框图如下图所示电路的接收机组成框图

3、如下图所示。7.1 自动增益控制电路高频电子线路高频电子线路7.1.1 工作原理 自动增益控制是用负反馈控制的方法动态地调整放大器的增益，使得输入电压幅度在相当大的范围内变化时，放大器输出电压振幅的平均值能基本保持恒定。设输入信号振幅为Ui,输出信号振幅为Uo,可控增益放大器增益为Kv(uc),它是控制电压uc的函数,则有 自动增益控制电路框图如图7-3所示。()ovciUKu U(71)高频电子线路高频电子线路图73 自动增益控制电路框图 高频电子线路高频电子线路 根据输入信号的类型、特点以及对控制的要求，AGC电路主要有以下几种类型。1简单AGC电路 在简单AGC电路里,参考电平Ur0。这

4、样,只要输入信号振幅Ui增加,AGC的作用就会使增益Kv减小,从而使输出信号振幅Uo减小。图74为简单AGC的特性曲线。简单AGC电路的优点是线路简单，在实用电路中不需要电压比较器；主要缺点是，一有外来信号，AGC立即起作用，接收机的增益就受控制而减小，这对提高接收机的灵敏度是不利的，尤其在外来信号很弱时。故简单AGC电路适用于输入信号振幅较大的场合。7.1.2 自动增益控制电路高频电子线路高频电子线路 图74 简单AGC特性曲线Uo0Ui高频电子线路高频电子线路 2延迟AGC电路 在延迟AGC电路里有一个起控门限,即比较器参考电压Ur,它对应的输入信号振幅Uimin,如图75所示。图76 延

5、迟AGC电路 至信号检波延迟电压VCCC1R1RCAGC电压VD高频电子线路高频电子线路图75 延迟AGC特性曲线 Uo0UiUominUomaxUiminUimax高频电子线路高频电子线路7.1.3 放大器的增益控制由于高频放大器的谐振增益为：从上式可知放大器的增益与晶体管的正向传输导纳 成正比，而 的大小与晶体管的工作点电流IQ有关。因此，通过改变晶体管发射极电流IE，可以改变 ，从而实现改变放大器的电压增益Au0。晶体管的特性曲线如图7-7所示。从曲线可知AGC分正向AGC和反向AGC，相应的电路中AGC控制电压应分别加在晶体管的基极和发射极，即可实现放大器的增益控制。120feup p

6、 YAg （7-2）feYfeY高频电子线路高频电子线路普通晶体管AGC电路反向AGC 正向AGCofeYEIEQI图7-7 晶体管 IE特性曲线feY高频电子线路高频电子线路7.2 自动频率控制电路 7.2.1 工作原理 自动频率控制（AFC）电路由频率比较器、低通滤波器和可控频率器件三部分组成,如图78所示。频率比较器通常是鉴频器，参考频率r与鉴频器的中心角频率0相等。可控频率器件通常是压控振荡器（VCO）,其输出振荡角频率可写成 自动频率控制电路是利用误差信号的反馈作用来控制被稳定的振荡器频率，使之稳定。误差信号是由鉴频器产生的，它与鉴频器的两个输入信号频率差成正比，显然达到最后稳定状态

7、时，两个频率不可能完全相等，必定存在剩余频差：。0yycck u(73)yr高频电子线路高频电子线路图78 自动频率控制电路的组成低通滤波器H(s)可控频率器件Kcueucrr(s)频率比较器KpUe(s)Uc(s)r(s)r输出信号高频电子线路高频电子线路 自动频率微调电路（简称AFC电路）图79是一个调频通信机的AFC系统的方框图。这里是以固定中频fI作为鉴频器的中心频率,亦作为AFC系统的标准频率。当混频器输出差频 不等于fI时，鉴频器即有误差电压输出，通过低通滤波器，得到直流电压输出，用来控制本振（压控振荡器），从而使f0改变，直到 减小到等于剩余频差为止。这固定的剩余频差叫做剩余失谐

8、。7.2.2 应用I0sfff IIff 高频电子线路高频电子线路图79 调频通信机的AFC系统方框图fs混频中放鉴频fI|fs f0|fI中心频率 fI本振(压控振)低放低通滤波器f0高频电子线路高频电子线路7.3 锁相环路 7.3.1 工作原理 锁相环PLL(Phase-Locked Loop)是一个相位负反馈控制系统。它由鉴相器(Phase Detector,缩写为PD)、环路滤波器(Loop Filter,缩写为LF)和电压控制振荡器(Voltage Controlled Oscillator,缩写为VCO)三个基本部件组成,如图710所示。图710 锁相环的基本构成参 考 信 号PD

9、ur(t)LFud(t)VCOuc(t)uo(t)输 出 信 号高频电子线路高频电子线路 设参考信号为()sin()rrrru tUtt(74)若参考信号是未调载波时若参考信号是未调载波时,则则r(t)=r=常常数。设输出信号为数。设输出信号为()cos()oooou tUtt(75)两信号之间的瞬时相差为两信号之间的瞬时相差为0000()()()()()errrrtttttt（76）由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为频差为00()()erdtdtdtdt(77)高频电子线路高频电子线路 锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即0

10、()limetdtdt （78）此时此时,输出信号的频率已偏离了原来的自由输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率振荡频率0(控制电压控制电压uc(t)=0时的频率时的频率),其偏移其偏移量由式量由式(77)和和(78)得到为得到为 00()rdtdt (79)这时输出信号的工作频率已变为这时输出信号的工作频率已变为 0000()()rdtdttdtdt(710)高频电子线路高频电子线路 由上可知，锁相环路是通过对相位的控制来实现对频率的控制，可以实现无误差的频率跟踪。它与自动频率控制电路一样都是实现频率跟踪的自动控制电路，但自动频率控制电路只能实现有固定频差的频率跟踪。高频电子线路高频电子线

11、路7.3.2 基本环路方程1.鉴相器 鉴相器（PD）又称为相位比较器,它是用来比较两个输入信号之间的相位差e(t)。鉴相器输出的误差信号ud(t)是相差e(t)的函数，即ud(t)fe(t)。鉴相器按其鉴相特性可分为正弦型、三角型和锯齿型等。图7-11所示的是正弦鉴相器，它由模拟乘法器与低通滤波器串接而成。图711 正弦鉴相器模型ui(t)uo(t)LPFud(t)高频电子线路高频电子线路 若以压控振荡器的载波相位0t作为参考，将输出信号uo(t)与参考信号ur变形 (711)(712)式中，2(t)=0(t),(713)将uo(t)与ur(t)相乘,经低通滤除20分量,可得 (714)由（7

12、-14）可得正弦鉴相器的数学模型如图7-12所示，鉴相特性如图7-13所示。Ud在一定程度上反映了鉴相器的灵敏度。02cosooutUtt 01sinsinrrrrrutUttUtt 100rrrttttt 12dddsinsineutUttUt高频电子线路高频电子线路图712 线性鉴相器的频域数学模型1(t)2(t)e(t)Udsin()Udsine(t)高频电子线路高频电子线路图713 正弦鉴相器的鉴相特性2 23 220322e(t)Ud(t)高频电子线路高频电子线路2.环路滤波器 环路滤波器(LF)是一个线性低通滤波器,用来滤除误差电压ud(t)中的高频分量和噪声,更重要的是它对环路参

13、数调整起到决定性的作用。环路滤波器的模型如图7-14所示。图714 环路滤波器的模型 (a)时域模型;(b)频域模型 F(p)uc(t)ud(t)(a)F(s)uc(s)ud(s)(b)高频电子线路高频电子线路1)RC积分滤波器 这是最简单的低通滤波器,电路如图715(a)所示,其传递函数为 2)无源比例积分滤波器 无源比例积分滤波器如图716(a)所示。与RC积分滤波器相比,它附加了一个与电容C串联的电阻R2,这样就增加了一个可调参数。它的传递函数为2111()()()cdUssF sUss (716)111()()()sdUsF sUss (715)高频电子线路高频电子线路图715 RC积

14、分滤波器的组成与频率特性 (a)组成;(b)频率特性20 lg|F(j)/dB03(对数刻度)()045906 dB/倍频程udRCuc(a)(b)/1/高频电子线路高频电子线路图716 无源比例积分滤波器 (a)组成;(b)频率特性20 lg|F(j)/dB03(对数刻度)()04590udR1Cuc(a)(b)R21211220 lg/1/1/高频电子线路高频电子线路3)有源比例积分滤波器 有源比例积分滤波器由运算放大器组成,电路如图7-17(a)所示。当运算放大器开环电压增益A为有限值时,它的传递函数为2111()()()cdUssF sAUss (717)式中，式中，1=(R1+AR1

15、+R2)C;2=R2C。若。若A很高很高,则则2211212211111111()()sR CsR CF sAAs ARRR CsARCsR CssRCs (718)高频电子线路高频电子线路图717 有源比例积分滤波器 (a)电路;(b)频率特性CR1uducR220 lg|F(j)/dB0(对数刻度)()045(b)1220 lg20 lg212906 dB/倍频程(a)/(对数刻度)1/高频电子线路高频电子线路3.压控振荡器 压控振荡器(VCO)是一个电压-频率变换器,在环路中作为被控振荡器,它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)线性地变化,即 式中，v(t)是VCO的瞬时角频率，kd是线

16、性特性斜率，表示单位控制电压可使VCO角频率变化的数值。因此又称为VCO的控 制 灵 敏 度 或 增 益 系 数,单 位 为rad/Vs。在锁相环路中，VCO的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位，即 0()()vdctk u t（719）高频电子线路高频电子线路000()()ttvdct dttkud（720）（721）将此式与式将此式与式(711)(711)比较比较,可知以可知以0 0t t为参为参考的输出瞬时相位为考的输出瞬时相位为 20()()tdctkud 高频电子线路高频电子线路 由此可见,VCO在锁相环中起了一次积分作用,因此也称它为环路中的固有积分环节。式(721

17、)就是压控振荡器相位控制特性的数学模型,若对式(721)进行拉氏变换,可得到在复频域的表示式为 VCO的传递函数为 2()cdUssks （722）（723）2()()dcksUss 高频电子线路高频电子线路图718 VCO的复频域模型 pK0uc(t)2(t)(a)sK0uc(s)2(s)(b)高频电子线路高频电子线路4.环路相位模型和基本方程 复时域分析时可用一个传输算子F(p)来表示，其中p(d/dt)是微分算子。由图719,我们可以得出锁相环路的基本方程122()()()()sin()()eddetttKtUt F pp(724)(725)高频电子线路高频电子线路图719 锁相环路的相

18、位模型 1(t)e(t)Udsinud(t)F(p)uc(t)pK02(t)高频电子线路高频电子线路 将式(725)代入式(724)得101()()sin()()()sin()()edeeptptK Ut F pptKt F p（726）设环路输入一个频率设环路输入一个频率rr和相位和相位rr均为常数的均为常数的信号信号,即即00()sinsin()rrrrrrru tUtUtt 式中，式中，00是控制电压是控制电压uc(tuc(t)=0)=0时时VCOVCO的固有振的固有振荡频率荡频率;r;r是参考输入信号的初相位。令是参考输入信号的初相位。令 10()()rrtt（727）则则 100()

19、rpt 高频电子线路高频电子线路 将式(727)代入式(726)可得固定频率输入时的环路基本方程:00()sin()()edeptK Ut F p （728）右边第二项是闭环后右边第二项是闭环后VCOVCO受控制电压受控制电压u uc c(t(t)作用作用引起振荡频率引起振荡频率v v相对于固有振荡频率相对于固有振荡频率0 0的频差的频差(v v-0 0)，称为，称为控制频差控制频差。由式。由式(728)(728)可见可见,在在闭环之后的任何时刻存在如下关系闭环之后的任何时刻存在如下关系:瞬时频差瞬时频差=固有频差固有频差-控制频差控制频差 000()()()vrvrv （729）高频电子线路

20、高频电子线路7.3.3 锁相环工作过程的定性分析1.锁定状态 当在环路的作用下,调整控制频差等于固有频差时,瞬时相差e(t)趋向于一个固定值,并一直保持下去,即满足 此时可以认为锁相环路进入锁定状态。环路对输入固定频率的信号锁定后，输入到鉴相器的两信号之间无频差，只有一固定的稳态相差e(t)。此时的误差电压Udsine()为直流，它经过F（j0）的过滤作用之后得到控制电压UdF（j0）sine()也是直流。锁定时的环路方程为0lim()etpt （730）00sin()()odeK UF j （731）高频电子线路高频电子线路 从中解得稳态相差 锁定正是在由稳态相差e()产生的直流控制电压作用

21、下,强制使VCO的振荡角频率v相对于0偏移了0而与参考角频率r相等的结果。即00000sin()()vderK UF j （733）00()arcsin()eodK U F j （732）高频电子线路高频电子线路2.跟踪过程 跟踪是在锁定的前提下，输入的参考频率和相位在一定的范围内，以一定的速率发生变化时，输出信号的频率和相位以同样的规律跟随变化，这一过程称为环路的跟踪过程。如r 0 e()Uc()v 。当v大得足以补偿固有频差0时，环路维持锁定，因而有 则 如果继续增大0,使0K0UdF(j0),则环路失锁(vr)。因此,我们把环路能够继续维持锁定状态的最大固有频差定义为环路的同步带:000

22、sin()()vdeK UF j 0max0(0)HdK U F j（734）000max()dK U F j 高频电子线路高频电子线路3.失锁状态 失锁状态就是瞬时频差(r-v)总不为零的状态。这时，鉴相器输出电压ud(t)为一上下不对称的稳定差拍波，其平均分量为一恒定的直流。正是这样的的直流电压通过环路滤波器的作用使VCO的平均频率v偏离0向r靠拢,这就是环路的频率牵引效应。高频电子线路高频电子线路4.捕获过程 开机时,鉴相器输入端两信号之间存在着起始频差(即固有频差)0=r-v,其相位差0t。因此,鉴相器输出的是一个角频率等于频差0的差拍信号,即 若0很大,ud(t)差拍信号的拍频很高,

23、易受环路滤波器抑制,这样加到VCO输入端的控制电压uc(t)很小,控制频差建立不起来,ud(t)仍是一个上下接近对称的稳定差拍波，环路不能入锁。当0减小到某一范围时，鉴相器输出的误差电压ud(t)是上下不对称的差拍波，其平均分量（即直流分量）不为零。0()sin()ddu tUt（735）高频电子线路高频电子线路 通过环路滤波器的作用，使控制电压中的直流分量增加，从而牵引着VCO的频率v平均地向r靠拢。这使得ud(t)的拍频减小，增大差拍波的不对称性，即增大直流分量，这又将VCO的频率v进一步接近r。经过一段时间后，当平均频差减小到某一频率范围时，频率捕获过程结束。此后进入相位捕获过程，e(t

24、)最终趋于稳态值e()，同时ud(t)、uc(t)也分别趋于它们的稳态值Udsin e()、Uc()，压控振荡器的输出频率被锁定在参考信号频率r上，使 （v=r），捕获全过程即告结束，环路锁定。0lim()etpt 高频电子线路高频电子线路图720 频率捕获锁定示意图高频电子线路高频电子线路 环路能否发生捕获是与固有频差的0大小有关。只有当|0|小到某一频率范围时,环路才能捕获入锁,这一范围称为环路的捕获带p。它定义为在失锁状态下能使环路经频率牵引,最终锁定的最大固有频差|0|max，即0maxp （736）高频电子线路高频电子线路7.3.4 锁相环路的应用 由以上的讨论已知,锁相环路具有以下

25、几个重要特性:环路锁定后,没有剩余频差。压控振荡器的输出频率严格等于输入信号的频率。跟踪特性。环路锁定后,当输入信号频率r稍有变化时,VCO的频率立即发生相应的变化,最终使VCO输出频率v=r。滤波特性。锁相环通过环路滤波器的作用,具有窄带滤波特性,能够将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除。易于集成化。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,更易于采用数字集成电路。高频电子线路高频电子线路 下面介绍锁相环的几种应用。1.锁相调频与解调 用锁相环调频,能够得到中心频率高度稳定的调频信号,图721是这种方法的方框图。图721 锁相环路调频器方框图晶振鉴相低通滤波VCO调制信号调

26、频波输出高频电子线路高频电子线路 实现调制的条件：调制信号的频谱要处于低通滤波器通频带之外，并且调频指数不能太大。利用满足上述调制条件的调制信号去线性控制VCO输出信号的瞬时频率，同时其中心频率通过窄带PLL精确锁定于晶振的频率，而不受调制信号的影响，从而在VCO的输出端可以得到中心频率高度稳定的调频信号。高频电子线路高频电子线路 调制跟踪锁相环本身就是一个调频解调器。将环路滤波器带宽设计成调制信号带宽，它利用锁相环路良好的调制跟踪特性,使锁相环路跟踪输入调频信号瞬时相位的变化,即跟踪FM信号中反映调制规律变化的瞬时频偏，从而使VCO控制端获得解调输出。锁相环鉴频器的组成如图722所示。图72

27、2 锁相鉴频器 输出滤波器PD鉴频输出LFuc(t)ui(t)VCO高频电子线路高频电子线路 设输入的调频信号为 其调制信号为u(t)=Ucost，mf为调频指数。同时假设环路处于线性跟踪状态,且输入载频i等于VCO自由振荡频率0,则可得到调频波的瞬时相位为 现以VCO控制电压uc(t)作为解调输出,那么可先求出环路的输出相位2(t),再根据VCO控制特性2(t)=K0uc(t)/p,不难求得解调输出信号uc(t)。()sin(sin)iiifu tUtmt（737）1()sinftmt（738）高频电子线路高频电子线路 设锁相环路的闭环频率响应为H(j),则输出相位为 因而解调输出电压为 式

28、中,2()()sin()ftmH jtH j (739)20011()()()cos()()cos()cfcdtu tmH jtH jKdtKU H jtH j (740)001mcfUmKK 高频电子线路高频电子线路 m为调频信号的最大频偏。对于设计良好的调制跟踪锁相环,在调制频率范围内H(j)1,相移H(j)也很小。因此，uc(t)确是良好的调频解调输出。各种通用锁相环集成电路都可以构成调频解调器。图723为用NE562集成锁相环构成的调频解调器。高频电子线路高频电子线路图723 NE562调频解调器NE56216115Cx1413CxRxRx12CcCc11109Cp1.5 k解调输出1

29、 k1 kCc1 k0.1 FCb0.1 FEc0.1 FCb23456781 kCT12 k量程控制VCO输出FM信号输入（同步带调节）高频电子线路高频电子线路2.同步检波器 用锁相环对调幅信号进行解调,实际上是利用锁相环路提供一个稳定度高的相干载波信号电压,与调幅波在非线性器件中乘积检波,输出的就是原调制信号。AM信号频谱中,除包含调制信号的边带外,还含有较强的载波分量,使用载波跟踪环（其中环路滤波器的带宽远小于AM信号带宽）可将载波分量提取出来,再经90移相,可用作同步检波器的相干载波。这种同步检波器如图724所示。高频电子线路高频电子线路图724 AM信号同步检波器 uo(t)PDVC

30、OLF90uos(t)输出滤波器AM信号解调输出同频检波高频电子线路高频电子线路 设输入信号为 输入信号中载波分量为Uicosit,用载波跟踪环提取后输出为uo(t)=Uosin(it+0),经90移相后,得到相干载波 式中0 为稳态相差，通常0 0，将ur(t)与ui(t)相乘,经低通滤波后,得到的输出信号就是恢复出来的调制信号。1()(cos)cosiiiu tUmtt(741)0()cos()roiu tUt(742)高频电子线路高频电子线路3.锁相倍频、分频和混频 锁相倍频 锁相倍频电路基本组成框图如图7-25所示。在基本锁相环路的反馈通道中插入分频器组成。当环路锁定时，有fr=f0/

31、N，因此f0=N fr，从而实现倍频。图7-25 锁相倍频电路框图PDLFVCO分频器NrfofofN高频电子线路高频电子线路 锁相分频 锁相分频电路基本组成框图如图7-26所示。在基本锁相环路的反馈通道中插入倍频器组成。当环路锁定时，有fr=Nf0，因此f0=fr/N，从而实现分频。图7-26 锁相分频电路框图PDLFVCO倍频器Nrfof0Nf高频电子线路高频电子线路 锁相混频 锁相混频电路基本组成框图如图7-27所示。在基本锁相环路反馈通道中插入混频器和中频放大器组成。当环路锁定时，有 ，则 ，从而实现混频。PDLFVCO混频器rfoLrfff中频放大器LfLoff rLofffoLrf

32、ff图7-27 锁相混频电路框图高频电子线路高频电子线路 锁相环路除了以上的应用外,还可广泛地应用于电视机彩色副载波提取,调频立体声解码、电机转速控制、微波频率源、锁相接收机、移相器、位同步、以及各种调制方式的调制器和解调器、频率合成器等。高频电子线路高频电子线路7.4 频率合成器 7.4.1 频率合成器及其技术指标 频率合成是指以一个或少量的高准确度和高稳定的标准频率作为参考频率，由此导出多个或大量的输出频率，这些输出频率的准确度和稳定度与参考频率一致。频率合成器的输出频率是通过对标准频率在频域内进行加、减、乘、除来实现的，可以用混频、倍频和分频等电路来实现。频率合成器的主要技术指标有：1频

33、率范围 频率范围是指频率合成器输出的最低频率fomin和最高频率fomax之间的变化范围,也可用覆盖系数k=fomax/fomin表示（k又称之为波段系数）。如果覆盖系数k2-3时,整个频段可以划分为几个分波段。在频率合成器中,分波段的覆盖系数一般取决于压控振荡器的特性。高频电子线路高频电子线路2频率间隔（频率分辨率）频率合成器的输出是不连续的。两个相邻频率之间的最小间隔,就是频率间隔。频率间隔又称为频率分辨率。不同用途的频率合成器,对频率间隔的要求是不相同的。对短波单边带通信来说,现在多取频率间隔为100Hz,有的甚至取10Hz、1Hz乃至0.1Hz。对超短波通信来说,频率间隔多取50kHz

34、、25kHz等。在一些测量仪器中,其频率间隔可达兆赫兹量级。高频电子线路高频电子线路3频率转换时间 频率转换时间是指频率合成器从某一个频率转换到另一个频率,并达到稳定所需要的时间。它与采用的频率合成方法有密切的关系。4准确度与频率稳定度 频率准确度是指频率合成器工作频率偏离规定频率的数值,即频率误差。而频率稳定度是指在规定的时间间隔内,频率合成器频率偏离规定频率相对变化的大小。5频谱纯度 影响频率合成器频谱纯度的因素主要有两个,一是相位噪声,二是寄生干扰。相位噪声是瞬间频率稳定度的频域表示,在频谱上呈现为主谱两边的连续噪声,如图7-28所示。寄生干扰是非线性部件产生的，其中最严重的混频器，它表

35、现为一些离散的频谱。高频电子线路高频电子线路图728 频率合成器的频谱 020406080相对幅度/dB相噪寄生ff02f03f0主谱谐波(a)(b)22.84013 kHz6.27 dB高频电子线路高频电子线路7.4.2 频率合成器的类型 频率合成器可分为直接式频率合成器,间接式（或锁相）频率合成器和直接式数字频率合成器。1直接式频率合成器（DS）直接式频率合成器是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。这种频率合成器原理简单,易于实现。其合成方法大致可分为两种基本类型:一种是非相干式合成方法;另一种是相干式合成方法。2间接式频率合成器（IS）间接式频率合成器又称为锁相频率合成器。锁相频率合成

36、器是目前应用最广的频率合成器,也是本节主要介绍的内容。高频电子线路高频电子线路 直接式频率合成器中所固有的那些缺点,如体积大、成本高、输出端出现寄生频率等,在锁相频率合成器中就大大减少了。基本的锁相频率合成器如图729所示。当锁相环锁定后,相位检波器两输入端的频率是相同的,即 VCO输出频率fo经N分频得到 所以输出频率是参考频率fr的整数倍,即drff(743)doffN(744)orfNf(745)高频电子线路高频电子线路图729 基本锁相频率合成器 fr环路滤波器LF压控振荡器(VCO)VBfoVC相位检波器(PD)Nfdf0 Nfr高频电子线路高频电子线路 转换时间取决于锁相环的非线性

37、性能,精确的表达式目前还难以导出,工程上常用的经验公式为 转换时间大约等于25个参考频率的周期。分辨率与转换时间成反比。例如fr=10Hz,则ts=2.5s,这显然难以满足系统的要求。固定分频器的工作频率明显高于可变分频器,超高速器件的上限频率可达千兆赫兹以上。若在可变分频器之前串接一固定分频器的前置分频器,则可大大提高VCO的工作频率,如图730所示。前置分频器的分频比为M,则可得25srtf(746）()orfN Mf（7 47）高频电子线路高频电子线路图730 有前置分频器的锁相频率合成器 frLFfoNVCOM前置分频器高频电子线路高频电子线路 有前置分频器的锁相频率合成器的分辨率有所

38、下降。降低可编程分频器的工作频率，也可以采用一个本地振荡器通过混频将频率下移，如图7-34所示。当环路锁定时，有fd=fr=(f0-fL)/N，则f0=fL+N fr。锁相频率合成器的频率分辨率取决于fr，为提高分辨率应取较低的fr；转换时间ts也取决于fr，为使转换时间短应取较高的fr，这两者是矛盾的。可变分频器的频率上限与合成器的工作频率之间也是矛盾的。上述前置分频器和下变频的简单方法不能从根本上解决这些矛盾，近年来出现的变模分频锁相频率合成器、小数分频锁相频率合成器以及多环锁相频率合成器等的性能有了明显的改善，满足了各类应用的需求。高频电子线路高频电子线路 图734 下变频锁相频率合成器

39、 相位检波器fr低通滤波器VCOfdN低通滤波器fo ILfLfofLfofL高频电子线路高频电子线路3直接数字式频率合成器（DDS）直接数字式频率合成器是近年来发展非常迅速的一种器件,它采用全数字技术,具有分辨率高、频率转换时间短、相位噪声低等特点,并具有很强的调制功能和其它功能。高频电子线路高频电子线路7.4.3 锁相频率合成器1单环锁相频率合成器 基本的单环锁相频率合成器的构成如图729所示。环中的N分频器采用可编程的程序分频器,合成器输出频率为 式中fr为参考频率,通常是用高稳定度的晶体振荡器产生,经过固定分频比的参考分频之后获得的。这种合成器的分辨率为fr。orfNf（748）高频电

40、子线路高频电子线路 图735（a）是通用型单片集成锁相环L562（NE562）和国产T216可编程除10分频器构成的单环锁相环频率合成器,它可完成10以内的锁相倍频,即可得到110倍的输入信号频率输出,图735（b）为L562的内部结构图。高频电子线路高频电子线路 图735 L562的内部结构（a）L562频率合成器；（b）L562内部框图 121115516 16 14CrCxE0.0113L562289340.1Cc0.1参考输入CB1 k0.10.1CcT216(N)E10.1C010 kVCO输出12 kPD12111#2#152#信号输入反馈2输入 1#34VCO 1#输出 2#E1

41、614A3A1VCO1310Cr56偏 压参考源限幅器78A2去加重环路滤波器LF9解调输出 E或地(a)(b)1 k1.5 k1高频电子线路高频电子线路 2变模分频锁相频率合成器 在基本的单环锁相频率合成器中,VCO的输出频率是直接加到可编程分频器上的。目前可编程分频器还不能工作到很高的频率上,这就限制了这种合成器的应用。加前置分频器后固然能提高合成器的工作频率,但这是以降低频率分辨率为代价的。图736为采用双模分频器的锁相频率合成器的组成框图。高频电子线路高频电子线路图736 双模分频锁相频率合成器 晶振参考分频f1PDN1N2双模分频V/(V1)LFVCOfv频率合成器集成电路模式控制高

42、频电子线路高频电子线路 双模分频器有两个分频模数,当模式控制为高电平时分频模数为V1,当模式控制为低电平时分频模式为V。双模分频器的输出同时驱动两个可编程分频器,它们分别预置在N1和N2,并进行减法计数。在一个完整的周期中,输入的周期数为 则频率合成器的输出频率为 假若V10,N2=09,N1=1019,则 那么，频率合成器的输出频率为212121()()NVNNN VVNN(749)(750)100199N 12orfVNNf 100199orff 高频电子线路高频电子线路7.4.4 集成锁相环频率合成器 集成锁相频率合成器是一种专用锁相电路。它是发展很快、采用新工艺多的专用集成电路。它将参

43、考分频器、参考振荡器、数字鉴相器、各种逻辑控制电路等部件集成在一个或几个单元中,以构成集成频率合成器的电路系统。1MC1451461 MC1451461是一块20脚陶瓷或塑料封装的,由四位总线输入、锁存器选通和地址线编程的大规模单片集成锁相双模频率合成器,图737给出了它的方框图。高频电子线路高频电子线路图737 MC1451461方框 78OSCinOSCout12位R 计数器2D0D1D2120101110912A2A1A0ST锁存器控制电路锁存器LL2L3L4L5 L 6 L 710位 N计数器fin37位 A计数器L0L1锁定检测PDAPDB13515161718fRLDPDoutfv

44、FVFR控制逻辑Mod14VDD:端6VSS:端4D3高频电子线路高频电子线路表74 MC145146-1地址码与锁存器的选通关系 高频电子线路高频电子线路 ST（12端）:数据选通控制端,当ST是高电平时,可以输入D0D3输入端的信息,ST是低电平时,则锁存这些信息。PDout（5端）:鉴相器的三态单端输出。当频率fvfr或fv相位超前时,PDout输出负脉冲;当相位滞后时,输出正脉冲;当fvfr且同相位时,输出端为高阻抗状态。LD（13端）:锁定检测器信号输出端。当环路锁定时（fv与fr同频同相）,输出高电平,失锁时输出低电平。高频电子线路高频电子线路 V、R(16、17端):鉴相器的双端

45、输出。可以在外部组合成环路误差信号,与单端输出PDout作用相同,可按需要选用。图738是一个微机控制的UHF移动电话信 道 的 频 率 合 成 器,工 作 频 率 为450MHz。高频电子线路高频电子线路图738 采用MC1451461的UHF移动无线电话频率合成器 MC1451461OSCoutfR818fV15LD19失锁控制信号用于外部鉴相器(供选用)OSCin参考振荡器(或片内振荡器)76VDD4VSSPDoutFVFRModfinD3D2D1D0A2A1A0ST1920121110912到公用控制总线51716143两种鉴相器误差信号供选择LFMC10154双F/FMC 12011

46、8/9VCO接收机本振443.325443.950 MHz(25 kHz 步进)发射机调制与16.7 MHz频偏发射机信号459.025459.650 MHz(25 kHz 步进)控制器的片选信号64/65 或128/129高频电子线路高频电子线路 图739给出了一个800MHz蜂窝状无线电系统用的666个信道、微机控制的移动无线电话频率合成器。接收机第一中频是45MHz,第二中频是11.7MHz,具有双工功能,收发频差45MHz。参考频率fr7.5kHz,参考分频比R1480。环路总分频比NT32*NA 2750128188，N=859880,A=031,锁相环VCO输出频率fvNTfr20

47、6.2575211.410MHz。高频电子线路高频电子线路图739 采用MC1451461的800MHz移动无线电话频率合成器 MC1451461OSCoutfR818fV15LD13锁定检测信号用于外部鉴相器(供选用)OSCin参考振荡器(或片内振荡器)76VDD4VSSPDoutFVFRModfinD3D2D1D0A2A1A0ST1920121110912到公用控制总线51716143鉴相器误差信号供选择LFMC10154MC120118/9VCO控制器的选信号32/3311.100 MHz3接收机第二本振33.300 MHz4接收机第一中频825.030444.980 MHz(30 kH

48、z 步进)发射机调制4发射机信号825.030844.980 MHz(30 kHz 步进)高频电子线路高频电子线路2MC1451511 MC145145-1与MC145146-1结构类似,不同点在于MC145145-1是单模锁相频率合成器,其可编程N计数器为14位,则N=316388。MC1451511是一块由14位并行码输入编程的的单模CMOS、LSI单片集成锁相频率合成器,其组成方框图如图740所示。高频电子线路高频电子线路 图740 MCA1451511方框图 OSCoutOSCin128ROM 参考译码器3VDD14位N计数器锁定检测PDAPDB28PDLDfvFVFR12位R计数器7

49、8922627VSS24PDout98101fin发射频偏加法器VDD21T/R23 22 25 24 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11N13N11N9N7N6N4N2N0RA2RA1RA0高频电子线路高频电子线路 MC1451511是28脚陶瓷或塑料封装型电路,现将各引出端的作用说明如下:OSCin、OSCout（26、27端）:参考振荡器的输入和输出端。RA0、RA1、RA2（5、6、7端）:参考地址输入端。fin（1端）:N计数器的输入端。fv（10端）:N计数器的输出端。N0N13（1120及2225端）:N计数器的预置端。TR（21端）:收发控制端。高频电子

50、线路高频电子线路 PDout（4端）:PDA三态输出端。R、V（8、9端）:PDB两个输出端。LD（28端）:锁定检测输出端。图741是一个采用MC1451511的单环本振电路。图742为一个采用MC1451511组成的UHF陆地移动电台频率合成器。与MC145151-1对应的是MC145152-1,它是一块由16位并行码编程的双模CMOS、LSI单片锁相频率合成器,除程序分频器外与MC145151-1基本相同。MC145151-1是单模工作的,而MC145152-1是双模工作的。高频电子线路高频电子线路表75 MC145151-1参考地址码与参考分频比的关系 高频电子线路高频电子线路图741