1、第九章反馈与控制第九章反 馈 与 控 制9.1自动增益控制自动增益控制9.2自动频率控制自动频率控制9.3锁相环锁相环9.4集成器件与应用电路举例集成器件与应用电路举例本章小结本章小结思考题和习题思考题和习题第九章反馈与控制9.1 自动增益控制自动增益控制自动增益控制简记为AGC。接收机中，高频小信号放大器和中频放大器的输出电压振幅随着天线上无线电信号场强的大小而变化。信号场强大时，输出电压振幅大；场强小时，输出电压振幅小。在不同的使用条件下，无线电信号场强的变化可以达到1000倍甚至更高。第九章反馈与控制信号场强较大时，接收机应该对其抑制，避免各级电压振幅过大，导致各个单元电路中的有源器件和
2、输出变换器过载损坏。信号场强较小时，接收机应该对其有较大的增益，使各个单元电路得到有效的电压驱动。AGC可以达到以上目的，保证信号场强变化很大时，接收机各级电压的振幅仅在一个允许的小范围内变化。第九章反馈与控制9.1.1 工作原理工作原理放大器的输出电压振幅等于输入电压振幅与放大器增益的乘积。根据这一关系，当要求输入电压振幅变化而输出电压振幅基本不变时，放大器的增益需要根据输入电压振幅作相应变化，即输入电压振幅较大时增益减小，输入电压振幅较小时增益增大。第九章反馈与控制具有AGC功能的超外差式调幅接收机的原理如图9.1.1所示。与第一章介绍的无线电远程通信接收机不同的是，在高频放大器、混频器和
3、中频放大器这一通路的基础上增加了一个反馈环路，由AGC检波器和直流放大器构成反馈支路。接收普通调幅信号时，AGC检波器对中频放大器输出的中频已调波ui检波，取出载波振幅，与预先设定的参考电压UR比较。第九章反馈与控制图9.1.1 超外差式AGC调幅接收机第九章反馈与控制当天线上的无线电信号较强，使得载波振幅大于UR时，AGC检波器输出一反映载波振幅的微小电压，经直流放大器生成控制电压，用 以减小高频放大器和中频放大器的增益。天线上的无线电信号较弱，使得载波振幅小于UR时，AGC检波器输出为零，高频放大器和中频放大器以最大增益放大信号。第九章反馈与控制AGC检波器与解调普通调幅信号的包络检波器不
4、同，对包络检波输出的上包络线电压，需要滤除其中的调制信号，只取出反映载波振幅的直流电压；否则，控制信号中有调制信号，AGC电路会把普通调幅信号的包络变化抑制掉，造成信息丢失。直流放大器的放大倍数越大，则高频放大器和中频放大器的增益控制越显著，中频已调波的振幅变化越小。第九章反馈与控制9.1.2 传输特性传输特性没有AGC功能的接收机中，中频已调波ui的振幅Uim随天线上无线电信号场强E的增大而增大，Uim与E之间的传输特性如图9.1.2中的曲线所示。具有AGC功能的接收机，其增益随E的增大而减小，传输特性如曲线所示。当E位于EA和EB之间时，AGC电路发挥功能，用于限制Uim的变化，在这个范围
5、内，Uim仍随着E的增大而略有增大，以产生必要的控制电压。第九章反馈与控制图9.1.2 AGC的传输特性第九章反馈与控制当EA为零时，即使对很弱的无线电信号，AGC电路也发挥功能，如曲线所示。这样得到的Uim很小，不利于提高接收机的灵敏度。因此，接收机一般通过UR设置非零的EA，使无线电信号的场强较大时AGC电路才起作用，又称为延迟AGC。E变化范围一定时，Uim的变化越小，则AGC的性能越好，通常就以此作为AGC的质量指标。第九章反馈与控制9.1.3 电路实现电路实现图9.1.3所示为一个延迟式AGC的实现电路，包括包络检波器和低通滤波器。二极管VD和电阻R1、电容C1构成二极管峰值包络检波
6、器，输出电压经过电阻R2和电容C2构成的低通滤波器，得到反映载波振幅的微小电压，输入直流放大器产生控制电压。电阻R3和R4对直流电压UDD分压，获得参考电压UR，调节R4可以改变UR。第九章反馈与控制当天线上的无线电信号场强E很小时，中频已调波的振幅Uim也很小，由于UR的存在，VD一直不导通，包络检波的输出电压为零，没有AGC功能。只有E大到一定程度，使UimUR后，AGC电路才工作。第九章反馈与控制图9.1.3 延迟式AGC的实现电路第九章反馈与控制 9.2 自动频率控制自动频率控制除了采用克拉拨振荡器、席勒振荡器或石英晶体振荡器提高频率稳定度外，接收机经常采用反馈环路稳定频率，即自动频率
7、控制（AFC），使本地振荡器的振荡频率自动稳定在预期的标准频率，这种方法也可以在调频接收机中用作对调频信号的解调。第九章反馈与控制9.2.1 工作原理工作原理AFC的工作原理如图9.2.1所示。图中，本地振荡器采用压控振荡器，根据控制电压确定本振信号的频率fl，当高频已调波的频率fs或本振信号的频率fl发生漂移时，控制电压随之变化，改变压控振荡器的振荡频率，即fl，使下混频输出的中频已调波的频率fi=flfs基本不变。fi和标准值之间的误差称为剩余频差。在本地振荡器频率控制和调频负反馈解调的AFC实现中，控制电压的产生方式不同。第九章反馈与控制图9.2.1 AFC的工作原理第九章反馈与控制9.
8、2.2 电路实现电路实现本地振荡器频率控制本地振荡器频率控制实际工作中，高频已调波的频率fs漂移，或本振信号的频率fl不稳定，都会使混频后的中频频率fi偏离标准值，导致中频放大器工作在失谐状态，引起增益下降和信号失真等现象。采用AFC可以实现中频频率基本不变，提高中频放大器输出的中频已调波的质量。图9.2.2所示为添加AFC功能的超外差式调幅接收机。第九章反馈与控制图9.2.2 超外差式AFC调幅接收机第九章反馈与控制图中，限幅鉴频器、放大器和低通滤波器构成控制电压发生器。限幅鉴频器根据fi的变化产生误差电压，经过放大器和低通滤波器后，生成控制电压。如果fi增大，则降低压控振荡器的振荡频率fl
9、，如果fi减小，则升高fl，通过这样的负反馈，fi可以最终接近预期的标准频率。第九章反馈与控制9.2.3 电路实现电路实现调频负反馈解调调频负反馈解调调频负反馈解调如图9.2.3所示。图9.2.3 调频负反馈解调第九章反馈与控制图中，限幅鉴频器和低通滤波器构成控制电压发生器，不但恢复调制信号，送入输出变换器，而且还把该调制信号作为控制电压，以改变压控振荡器的振荡频率fl(t)，于是压控振荡器也输出一个振荡频率按调制信号规律变化的调频信号。因此，混频器输入了两个载波频率不同，但调制信号相同的调频信号。第九章反馈与控制设高频调频信号的频率为fs(t)=fc+fm cost，压控振荡器输出的调频信号
10、的瞬时频率为fl(t)=fl0+flm cost，混频器输出的中频调频信号的瞬时频率:tfftfffftftftfcoscos)()()()()(imi0lmmcl0csi式中，fi0和fim分别为中频已调波的载频和最大频偏。第九章反馈与控制 9.3 锁锁 相相 环环9.3.1 工作原理工作原理锁相环包括三个基本部分：鉴相器、环路低通滤波器和压控振荡器，如图9.3.1所示。锁相环的输入电压为ui(t)，输出电压为uo(t)，以压控振荡器的固有振荡频率为参考，ui(t)和uo(t)的相位分别为j1(t)和j2(t)。ui(t)和uo(t)输入鉴相器，在其内部，j1(t)和j2(t)相减得到相位差
11、je(t)=j1(t)j2(t)，鉴相器的输出电压ud(t)为je(t)的函数。第九章反馈与控制ud(t)输入环路低通滤波器，去除可能引起非线性失真的频率分量和其他干扰，输出控制电压uc（t），uc（t）调节压控振荡器，使其瞬时振荡频率即uo（t）的频率o向ui（t）的频率i靠拢。系统运行一段时间后将达到稳定，je（t）不再变化，成为一恒定值，o和i相等，此时锁相环进入锁定状态。第九章反馈与控制图9.3.1 锁相环的结构第九章反馈与控制9.3.2 基本电路部分基本电路部分 1 鉴相器如第六章所讲，鉴相器是相位比较电路，输出电压表示了两个输入电压之间的相位差，在锁相环中，这两个输入电压分别是锁相
12、环的输入电压ui（t）和输出电压uo（t）。以压控振荡器的固有振荡频率0作为参考，ui（t）和uo（t）可以分别写为第九章反馈与控制)(cos)(cos)cos()(10imi0i0imiiimittUttUtUtujjj)(cos)(cos)cos()(20imo0o0imooomottUttUtUtujjj鉴相器的输出电压：)(sin)()(sin)(edm21dmdtUttUtujjj第九章反馈与控制根据上式，鉴相器的鉴相特性和数学模型分别如图9.3.2(a)和(b)所示。图9.3.2 鉴相器(a)鉴相特性；(b)数学模型第九章反馈与控制2 环路低通滤波器环路低通滤波器对鉴相器的输出电压
13、ud（t）滤波，输出控制电压uc（t）。锁相环的环路低通滤波器通常是形式简单的模拟电路。在一些特殊情况下，也采用微处理器的设计。图9.3.3所示为三种常见的环路低通滤波器。第九章反馈与控制图9.3.3 环路低通滤波器(a)简单RC滤波器；(b)有源比例积分滤波器；(c)无源比例积分滤波器第九章反馈与控制它们的滤波性能可以用复频域上的传递函数描述，分别为：ssF11)(121)(1)(sssF)(11)(212sssF(9.3.1)其中，=RC，1=R1C，2=R2C。第九章反馈与控制环路低通滤波器的数学模型如图9.3.4所示。图9.3.4 环路低通滤波器的数学模型第九章反馈与控制3 压控振荡器
14、压控振荡器的瞬时振荡频率o和控制电压uc(t)之间近似为线性关系，是一种调频电路，o可以写为)(cf0otuk其中，0是uc(t)=0时压控振荡器的固有振荡频率；kf是调频比例常数。对上式积分，得：)(d)(dd)(d20cf0cf0ottttuktttuktttttj第九章反馈与控制其中，j2（t）为锁相环的输出电压uo（t）的相位：ttttukttuktd)(d)()(cfcf2j利用积分算子1/s，上式可以改写为)()(cf2tuskt j压控振荡器的压控特性和数学模型分别如图9.3.5(a)和(b)所示。第九章反馈与控制图9.3.5 压控振荡器(a)压控特性；(b)数学模型 第九章反馈
15、与控制9.3.3 基本方程基本方程将鉴相器、低通滤波器和压控振荡器的数学模型连接起来，就得到了锁相环的数学模型，如图9.3.6所示。图9.3.6 锁相环的数学模型第九章反馈与控制在时域上，锁相环的信号相位满足相位基本方程)(sin)()()()()(edmf121etUsFskttttjjjjj例如，在环路低通滤波器是如图9.3.3(b)所示的有源比例积分滤波器的情况下，将式（9.3.1）代入相位基本方程，得：第九章反馈与控制)(sin)(1)()(sin)(1)()()()(edm121f2edm121f121etUssskttUssskttttjjjjjjj)(sin)()(sin)(si
16、n)(1)(e21edmfe21dmf221tstUktsUktsjjjj第九章反馈与控制算子s代表微分运算，所以将s换为ddt，s2换为d2/dt2，就得到了信号相位满足的微分方程：ttttUktttttUkttd)(d)(cos)()(sind)(d)(sindd)()(sind)(dee21edmf2221e21edmf2221jjjjjjj第九章反馈与控制将相位基本方程两边微分，即乘以微分算子s，得到锁相环的频率基本方程：)(sin)()()()()(edmf121etUsFktstststsjjjjj上式也可以写为)()()(21ettt第九章反馈与控制频率基本方程表明，在任何时刻，
17、锁相环都满足：瞬时频差=固有频差控制频差开始工作的瞬间，控制频差为零,固有频差等于瞬时频差。随着锁相环控制作用的增强，控制频差逐渐增加，瞬时频差逐渐减小。第九章反馈与控制9.3.4 主要特性主要特性锁相环有两个基本状态：锁定状态和失锁状态。输入电压频率和相位不变时，锁相环在锁定状态下表现出静态特性；输入电压频率或相位变化时，锁相环通过跟踪过程保持锁定状态，通过捕捉过程从刚接入输入电压时的失锁状态进入锁定状态。跟踪过程和捕捉过程中，锁相环分别表现出跟踪特性与捕捉特性。第九章反馈与控制1 静态特性输入电压频率和相位不变时，锁相环在锁定状态下的静态特性可以从以下三个方面来说明。（1）瞬时频差为零。锁
18、定状态下，锁相环的输入电压ui(t)和输出电压uo(t)的频率差e(t)=io=0，即ui(t)和uo(t)的频率相等。第九章反馈与控制（2）相位差恒定。锁定状态下，ui(t)和uo(t)的相位差je(t)=j1(t)j2(t)为一常数，但不一定为零,称为稳态相位差，记为je。此时，鉴相器的输出电压ud(t)=Udmsinje，是直流电压，对其而言，环路低通滤波器的传递函数为F(0)。又因为锁定时瞬时频差为零，所以根据锁相环的频率基本方程，有：edmf21sin)0()()(jUFktt第九章反馈与控制由此可以得到稳态相位差：011dmf11e)(sin)0()(sinAtUFktj(9.3.
19、2)其中，A0=kfF（0）Udm为锁相环的直流增益。|A0|越大或|1（t）|越小，则|je|越小。当|A0|不够大时，可以在环路低通滤波器和压控振荡器之间添加放大器。为了实现正确的鉴相，由式（9.3.2)可知,/2je/2。第九章反馈与控制（3）同步带。锁相环在锁定状态下，维持瞬时频差为零和相位差恒定的1(t)的最大取值范围称为同步带，记为H。如果压控振荡器的振荡频率范围和环路低通滤波器的通频带足够宽，则同步带仅由鉴相器决定，根据式(9.3.2)，应有|1（t）|A0|，所以同步带为|20HA第九章反馈与控制2 跟踪特性1）锁相环的线性数学模型和传递函数跟踪过程中，输入电压ui(t)和输出
20、电压uo(t)的相位差je(t)=j1（t）j2（t）一般满足|je(t)|/6。此时，鉴相器的输出电压可以作如下近似：)()(sin)(edmedmdtUtUtujj第九章反馈与控制将以上近似结果代入锁相环的频率基本方程，用拉氏变换后的j1(s)、j2(s)和je(s)代替j1(t)、j2(t)和je(t)，并设k=kfUdm，则得到锁相环的线性频率基本方程：)()()()(e1esskFssssjjj即)()()()(e1essskFssjjj该方程对应的数学模型如图9.3.7所示。第九章反馈与控制图9.3.7 锁相环的线性数学模型第九章反馈与控制当图9.3.7所示的反馈支路打开时，有：)
21、s(s)s()(12jjkFs 则锁相环的开环传递函数：s)s()s()s()s(12okFHjj当反馈支路闭合时，根据图9.3.7，有：)s()s(s)s()(s)s()s(21e2jjjjkFskF第九章反馈与控制由此得到锁相环的闭环传递函数：)s(s)s()s()s()s(12kFkFHjj研究锁相环闭环时，j1（t）引起je（t），应该使用误差传递函数He(s)，根据锁相环的线性频率基本方程，不难得到：)s(ss)s()s()s(1eekFHjj第九章反馈与控制以上给出了锁相环三种传递函数的一般形式。锁相环传递函数的具体结果与环路低通滤波器的传递函数F(s)有关。表9.3.1给出了三种
22、环路低通滤波器对应的锁相环传递函数。第九章反馈与控制第九章反馈与控制表中，n称为无阻尼自由振荡频率；称为阻尼系数。锁相环的跟踪特性主要表现为两种响应：一种是输入信号频率或相位发生阶跃变化时系统的输出响应，称为系统的瞬态响应，适用于数字调制和解调中的频移键控信号与相移键控信号的频率及相位跟踪；另一种是输入信号频率或相位发生正弦变化时系统的输出响应，称为系统的正弦稳态响应，适用于模拟调制和解调中调频与调相信号的频率及相位跟踪。第九章反馈与控制2）跟踪特性瞬态响应对于输入信号的频率突变或相位突变的跟踪过程，锁相环经历从突变前的相位差调整到突变后新的稳态相位差的变化过程。瞬态响应研究相位差变化过程中的
23、三个量，包括相位差的最大瞬时跳变值、新的稳态相位差的取值以及稳定的时间。新的稳态相位差越小，趋于稳定的时间越短，表示锁相环的跟踪特性越好。第九章反馈与控制新的稳态相位差可以借助锁相环的误差传递函数求解。首先，求突变前相位差的拉氏变换je（s）。根据输入电压的相位j1（t），求出j1（s），再根据误差传递函数He(s)，得：(s)(s)(s)e1eHjj其次，求je(t)随时间的变化特性。经过拉氏反变换，得：)s()s()s()(e11e1eHLLtjjj第九章反馈与控制最后，求突变后新的稳态相位差je。根据拉氏变换的终值定理，得：)s(lim)(lime0eejjjstst根据je的结果可以评
24、估锁相环的跟踪性能，je越小，则锁相环的跟踪性能越好。第九章反馈与控制3）跟踪特性正弦稳态响应用有源比例积分滤波器作为锁相环的环路低通滤波器，将其闭环传递函数和误差传递函数中的s换为j，则得到频域上的闭环频率响应和误差频率响应：jHn22nn2nj2)(2)j(Hn22n2ej2)()j(H(j）和He(j）的频率特性分别如图9.3.8(a)和(b)所示。第九章反馈与控制图9.3.8 H(j）和He(j）的频率特性(a)H(j）的幅频特性和相频特性；(b)He(j）的幅频特性和相频特性第九章反馈与控制H(j）和He(j）分别具有低通和高通特性。根据H(j），可以求出锁相环的3 dB带宽：n21
25、222PLL)21(121BWn和越大，则BWPLL也越大。第九章反馈与控制研究锁相环的正弦稳态响应时，输入电压的频率或相位按正弦规律变化。以压控振荡器的固有振荡频率0为参考，输入电压可以写为)sincos()(0imitmtUtu输入电压相位：tmtsin)(1j第九章反馈与控制锁相环的输出电压相位j2(t)和相位差je(t)可以根据H(j）和He(j）计算，表示为)j(argsin|)j(|)(2HtHmtj)j(argsin|)j(|)(eeeHtHmtj第九章反馈与控制3 捕捉特性刚接入输入电压时，锁相环处于失锁状态，其后，锁相环通过自身的调节作用，从失锁状态进入锁定状态,这个过程称为
26、捕捉。与跟踪不同，失锁状态下，压控振荡器的振荡频率不等于输入电压的频率，也不再满足相位差很小的条件，锁相环是非线性系统。第九章反馈与控制捕捉过程主要研究三个问题：锁相环如何从失锁状态进入锁定状态？锁相环能够实现捕捉的最大固有频差，即捕捉带为多大？锁相环从失锁状态进入锁定状态需要的捕捉时间为多大？捕捉带越大，捕捉时间越短，说明锁相环的捕捉特性越好。第九章反馈与控制刚接入输入电压ui(t)时，锁相环输出电压的频率为压控振荡器的固有振荡频率0，固有频差1(t)=i0，鉴相器的输出电压:第九章反馈与控制)(sind)(sind)(sindsin)()(sin)(sin)(1dm1dm0idm0idm2
27、1dmedmdttUttUtUtdtUttUtUtuttttjjjud(t)是振荡频率为固有频差1(t)的正弦信号。第九章反馈与控制以下根据1(t)的不同取值分析锁相环的捕捉过程、捕捉带和捕捉 时间。(1)当|1(t)|很大，远在环路低通滤波器的通频带之外时，ud(t)不能通过环路低通滤波器，环路低通滤波器输出的控制电压uc(t)0，压控振荡器不受控制，振荡频率就是固有振荡频率，即o=0，此时不能实现捕捉。第九章反馈与控制(2)当|1(t)|很小，在环路低通滤波器的通频带之内时，ud(t)可以通过环路低通滤波器，控制电压uc(t)=Fj1(t)Udm sin1(t)tuc(t)控制压控振荡器，
28、使o在0附近按正弦规律变化:)(sin)()(1dm1f0cf0ottUtjFktuk第九章反馈与控制由于|kfFj1(t)|Udm足够大，因此o的变化范围包括ui(t)的频率i。o按正弦规律变化的一个周期内，一旦等于i，锁相环即进入锁定状态，o不再变化，就实现了捕捉。这种在控制电压正弦变化一个周期内就实现捕捉的过程称为快捕过程。o的最大变化幅度|kfFj1(t)|Udm是能够实现快捕的最大固有频差，称为快捕带，记为c。c满足:c=|kfFjc(t)|Udm第九章反馈与控制快捕的捕捉时间tc近似为瞬态响应时间，如图9.3.9所示。图9.3.9 快捕的捕捉过程第九章反馈与控制(3)当|1(t)|
29、介于上述(1)、(2)两种情况之间时，即|1(t)|位于环路低通滤波器的通频带附近,且|1(t)|c时，环路低通滤波器对ud(t)有较大衰减，但没有完全衰减到uc(t)=0，锁相环也不能实现快速捕获。第九章反馈与控制不妨假设i0,使得1(t)c，此时，uc(t)控制压控振荡器，使o在0附近变化，经过反馈，瞬时频差e(t)=io也将随时间变化，uc(t)0时，o增大，e(t)减小，作为e(t)的时间积分，相位差je(t)随时间增加较慢，而uc(t)0和uc(t)0时je(t)随时间增加的速度差别更明显，ud(t)包含了更大的直流分量，oav也进一步接近i。第九章反馈与控制随着这一过程的循环进行，
30、最终因为oav不断接近i以及o变化幅度不断增大，o可以变化到i，锁相环进入快捕过程。一旦o=i，锁相环即进入锁定状态，o不再变化，就实现了捕捉，如图9.3.11所示。第九章反馈与控制图9.3.11 有频率牵引的捕捉过程第九章反馈与控制对有频率牵引的捕捉过程而言，因为频率牵引的时间比快捕过程的时间长得多，所以捕捉时间主要是指频率牵引的时间。起始时刻的固有频差绝对值越大，锁相环就需要越多的反馈完成频率牵引，捕捉时间就越长。实现捕捉的最大固有频差称为捕捉带。显然，因为频率牵引的作用，捕捉带大于快捕带，环路低通滤波器的带外衰减和通频带对捕捉带的影响很大，带外衰减越小，频率牵引就越明显，通频带越宽，快捕
31、带就越宽，这都拓宽了捕捉带。第九章反馈与控制9.3.5 锁相环的典型应用锁相环的典型应用在锁定状态下，锁相环输出电压的频率准确地等于输入电压的频率，所以利用锁相环能够实现对信号无误差的频率跟踪，实现窄带跟踪接收，把淹没在噪声中的信号提取出来。用载波作为输入电压，锁相环可以实现载频稳定的调频；用调频信号作为输入电压，锁相环可以实现对微弱调频信号的解调。锁相环也可以通过添加分频器、倍频器和混频器实现频率合成，得到一系列输出频率。第九章反馈与控制1 窄带跟踪接收窄带跟踪接收主要应用于空间通信技术。从人造卫星和宇宙飞船上向地面发射信号时，飞行器的高速运动会使信号产生明显的多普勒频移，另外，发射机振荡器
32、自身也有频率稳定度不佳带来的频率漂移，这会导致接收信号可能产生较大的频率误差。例如，信号频率在110 MHz时，多普勒频移可能在3 kHz左右，接收这样的信号时，如果用普通的调谐，则接收带宽至少应为6 kHz，才能保证收到信号。但信号本身的带宽很窄，只有6 Hz 左右。第九章反馈与控制这样，接收带宽就是信号带宽的1000倍。因为噪声功率与接收带宽成正比，所以比起接收带宽等于信号带宽的情况，调谐接收需要接收1000倍的噪声功率，才能收到同样的信号功率。空间通信中，因为能量有限，飞行器上使用低功率发射机，地面接收的信号功率很微弱，为了提高信噪比，不允许采用调谐接收。如果使用锁相环通过频率跟踪，实现
33、窄带跟踪接收，就可以解决这一问题。窄带跟踪接收机能跟踪信号频率进行接收，而且带宽很窄，这样就大大提高了信噪比，比调谐接收的信噪比提高了3040 dB。第九章反馈与控制图9.3.12是窄带跟踪接收的原理框图，包含一个窄带跟踪锁相环，用来解调信噪比很低的单频调制信号生成的调频信号。频率为fs的高频调频信号与压控振荡器产生的频率为fl的本振信号经过混频器，输出频率为fi的中频调频信号，经过带通滤波器和中频放大器后，鉴相器将其与一个来自晶体振荡器的频率为fr的参考信号比较相位，实现解调。第九章反馈与控制图9.3.12 窄带跟踪接收第九章反馈与控制解调出来的单频调制信号通过窄带滤波器输出。环路低通滤波器
34、的带宽很窄，调制信号不能进入反馈支路。当fs发生漂移时，鉴相器输出一个直流电压，进入反馈支路，控制压控振荡器，改变fl，使混频后的中频调频信号的频偏逐渐减小，锁相环进入锁定状态后，频偏为零。因此，窄带跟踪锁相环实现了本振信号的频率和高频调频信号的频率产生同样的变化，保证中频调频信号的频率不变。第九章反馈与控制AFC也可以实现窄带跟踪接收，但是与锁相环窄带跟踪接收不同。AFC通过鉴频器，最终根据中频调频信号的剩余频差产生压控振荡器的控制电压，所以中频调频信号的频率与标准值之间不能实现严格相等；锁相环通过鉴相器，最终根据中频调频信号和参考信号的稳态相位差产生压控振荡器的控制电压，中频调频信号的频率
35、与参考信号的标准频率之间的瞬时频差为零。所以，锁相环可以实现更为理想的窄带跟踪接收。第九章反馈与控制2 调频与鉴频图9.3.13所示为锁相环调频的原理。鉴相器的输出电压与调制信号u相加，得到控制电压，改变压控振荡器的振荡频率，使其按调制信号规律变化，得到调频信号uFM。环路低通滤波器的带宽很窄，调制信号不能得到反馈，锁相环只对压控振荡器的振荡频率起作用，使uFM的载频稳定在晶体振荡器的振荡频率上，从而克服了直接调频的频率稳定度不高的缺点。第九章反馈与控制图9.3.13 锁相环调频原理第九章反馈与控制图9.3.14所示为锁相环鉴频的原理。图9.3.14 锁相环鉴频原理第九章反馈与控制将锁相环的误
36、差传递函数作为复合算子，根据其定义，有：)()s(ss)()s()(11eetkFtHtjjj第九章反馈与控制其中，j1(t)是uFM的相位，算子s对其微分，得到uFM的频率(t);算子s+kF(s)1代表锁相环的滤波作用，当(t)变化不大时，s+kF(s)1基本不变，于是je(t)和(t)近似成正比，当|je(t)|/6时，鉴相器的输出电压 ud(t)=Udm sinje(t)Udmje(t)所以ud(t)也与(t)成正比，即与u呈线性关系，经过环路低通滤波器后可得到恢复的调制信号u。第九章反馈与控制3 频率合成1)倍频锁相环频率合成图9.3.15所示为倍频锁相环频率合成的原理。其中，锁相环
37、的反馈支路上添加了一个分频器，分频数为N，fr为参考频率，fo为输出频率。当锁相环进入锁定状态时，鉴相器的两个输入频率应该相等，即fr=fo/N，则fo=Nfr 从而实现了输出频率是参考频率的N倍，即N倍频率合成。第九章反馈与控制图9.3.15 倍频锁相环频率合成第九章反馈与控制2)分频锁相环频率合成图9.3.16所示为分频锁相环频率合成的原理。其中，锁相环的反馈支路上添加了一个倍频器。当锁相环进入锁定状态时，fr=Nfo，则此时，输出频率是参考频率的1/N。Nffro第九章反馈与控制图9.3.16 分频锁相环频率合成第九章反馈与控制3)混频锁相环频率合成图9.3.17所示为混频锁相环频率合成
38、的原理。其中，锁相环的反馈支路上添加了一个混频器，本振信号的频率为fl,混频后的频率为fofl。当锁相环进入锁定状态时，fr=fofl，则 从而实现了输出频率是参考频率与本振频率的相减或相加的结果。利用锁相环实现的频率合成称为间接频率合成。1rofff第九章反馈与控制图9.3.17 混频锁相环频率合成第九章反馈与控制9.4 集成器件与应用电路举例集成器件与应用电路举例模拟集成锁相环的典型型号有高频频段的NE561、NE562和NE564，以及超高频频段的PC1477C等。其中，NE562是目前广泛使用的模拟集成锁相环，可用于调频信号的调制与解调、载波提取、数据同步、倍频和移频等。第九章反馈与控
39、制NE562的最高工作频率为30MHz，最大同步带为0.15f0(f0是压控振荡器的固有振荡频率)，工作电压为1630 V，典型工作电流为12 mA。NE562的内部电路如图9.4.1所示，主要包括鉴相单元、环路滤波单元、限幅单元和压控振荡单元。可以在压控振荡单元和鉴相单元之间插入分频器或混频器来实现频率合成。第九章反馈与控制图9.4.1中，引脚2、15输入相位比较信号；外围电路产生偏置参考电压，输入引脚1，为内部吉尔伯特乘法单元提供偏置电流；引脚13、14外接电容和电阻网络，与引脚之间的6 k输入电阻构成环路低通滤波器；引脚11、12经过电容交流耦合输入参考信号，如果对调频信号解调，则引脚1
40、1、12输入调频信号；引脚9获得音频输出，并通过引脚10外接的电容实现去加重；引脚5、6外接电容，确定压控振荡器的固有振荡频率；压控振荡器从引脚3、4输出一对反相方波；引脚7的外接电压可以调整锁相环的同步带；引脚16外接电压源；引脚8接地。第九章反馈与控制图9.4.1 NE562的内部电路第九章反馈与控制图9.4.2为NE562倍频锁相环频率合成电路。参考信号ur的频率为200 kHz，调节可调电容C1确定压控振荡单元的固有振荡频率为2 MHz，电容C2与6 k输入电阻构成环路低通滤波器。压控振荡单元的两路输出中：一路作为2 MHz的输出电压uo；另一路进入反馈支路，经过1/10分频后产生相位
41、比较信号，并经过电阻R1、R2和电容C3构成的网络产生偏置参考电压。第九章反馈与控制图9.4.2 NE562的应用电路第九章反馈与控制本本 章章 小小 结结（1）自动增益控制、自动频率控制和锁相环分别通过电压比较、频率比较和相位比较产生误差信号，经过低通滤波，必要时还可以放大误差信号，生成控制电压，控制放大器的增益或压控振荡器的振荡频率，使输出电压的振幅、频率或相位稳定在预先设置的范围，或者跟踪输入电压的参数。第九章反馈与控制（2）接收不同场强的无线电信号时，自动增益控制通过反馈环路，根据信号场强控制接收机前端放大器的增益，保证中频已调波的振幅基本不随信号场强变化或者仅在一个允许的小范围内变化
42、。（3）高频已调波的频率漂移和本振信号的频率漂移会造成中频已调波发生频率偏移。接收机的自动频率控制通过反馈环路，根据频率变化的方向做反向修正，保证中频已调波的频率基本不变。第九章反馈与控制（4）锁相环包括鉴相器、环路低通滤波器和压控振荡器三个基本组成部分。在接入输入电压后，锁相环通过捕捉特性从失锁状态进入锁定状态。在锁定状态下，输出电压和输入电压的频率相等，相位差恒定。输入电压频率和相位不变时，锁相环表现为静态特性；输入电压频率或相位变化时，锁相环表现为跟踪特性。第九章反馈与控制相位基本方程和频率基本方程描述了锁相环各级电压的相位和频率关系，据此可以分析静态特性、跟踪特性和捕捉特性，确定同步带
43、、快捕带和捕捉带。跟踪过程中，相位差较小，锁相环近似为线性系统；捕捉过程中，锁相环是非线性系统。利用频率跟踪能力，锁相环可以实现提高信噪比的窄带跟踪接收、高频率稳定度的调频、微弱调频信号的解调以及频率合成等。第九章反馈与控制思考题和习题思考题和习题9-1 接收机为什么要采用AGC和AFC?9-2 超外差式AGC调幅接收机怎样减小中频已调波振幅随信号场强的变化？其中的AGC检波器有什么特点？9-3 本地振荡器频率控制中，AFC怎样减小中频已调波频率的变化？调频负反馈解调中，AFC怎样改善解调质量？第九章反馈与控制9-4 锁相环跟踪过程和捕捉过程的区别是什么？同步带和捕捉带的区别是什么?9-5 为
44、什么在窄带跟踪接收时，锁相环优于AFC？9-6 已知锁相环的鉴相器输出电压振幅Udm=0.8 V，压控振荡器的调频比例常数kf=30 kHz/V，固有振荡频率f0=3MHz,环路低通滤波器的传递函数F(0)=1。进入锁定状态后，控制频差fof0=15 kHz。计算锁相环的输入电压频率fi、稳态相位差je和控制电压uc(t)。第九章反馈与控制9-7 刚接入输入电压ui(t)=Uim cos(1.0021062t)时，锁相环的输出电压为uo(t)=Uom cos(1062t)，锁相环进入锁定状态后，测得稳态相位差je=/6 rad。写出锁定状态下uo(t)的表达式，并计算同步带H。第九章反馈与控制9-8 已知锁相环的参数为Udm=1 V，kf=5104 rad/(sV)。环路低通滤波器采用图9.3.3(b)所示的有源比例积分滤波器，其中的电阻R1=125 k，R2=1 k，电容C=10 F，锁相环的输入电压ui(t)=Uim cos（1062t），压控振荡器的固有振荡频率0=1.0051062 rad/s。写出进入锁定状态后锁相环的输出电压uo(t)的表达式并计算快捕带c。第九章反馈与控制9-9 图P9-1所示为倍频锁相环构成的频率合成器，参考频率fr=13.56 MHz，如果要求输出频率fo=108.48 MHz，则分频数N为多少？图P9-1
