高频电子教案(第三版)第7章课件.ppt

1、通信电子设备中，为了提高性能满足某些特殊要求广通信电子设备中，为了提高性能满足某些特殊要求广泛采用各类型反馈控制电路。泛采用各类型反馈控制电路。引言：引言：反馈控制反馈控制对象对象XiXeXoXo自动增益控制自动增益控制(AGCAutomatic Gain Control)自动频率控制自动频率控制 (AFCAutomatic Frequency Control)自动相位控制自动相位控制(APCAutomatic Phase Control)又称自动电平控制电路，用于控制输出信号大小。又称自动电平控制电路，用于控制输出信号大小。用于维持工作频率稳定用于维持工作频率稳定用于锁定相位，故又称锁相环路

2、，简称用于锁定相位，故又称锁相环路，简称PLL。主要要求：主要要求：了解自动增益控制电路的组成模型和工作原理了解自动增益控制电路的组成模型和工作原理了解自动增益控制电路的应用了解自动增益控制电路的应用7.1 自动增益与频率控制电路自动增益与频率控制电路了解常用增益控制电路了解常用增益控制电路了解自动频率控制电路的组成模型和工作原理了解自动频率控制电路的组成模型和工作原理了解自动增益控制电路的应用了解自动增益控制电路的应用一、一、AGC的组成的组成反馈控制器反馈控制器可控增益放大器可控增益放大器Au比较器比较器直流放大器直流放大器振幅振幅检波器检波器UCuiuo当输入信号变化较大时，可使输出信号

3、变化较小。当输入信号变化较大时，可使输出信号变化较小。反馈控制器反馈控制器 LPF 可控增益放大器可控增益放大器二、二、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输出输出RCAGC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，不利接收弱信号就起控制作用，不利接收弱信号2.具有延迟式具有延迟式AGC的调幅接收机的调幅接收机无无AGCOUomUim控控制制特特性性UR延迟式延迟式AGC高频高频放大器放大器

4、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检波器检波器二、增益控制电路举例二、增益控制电路举例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 UC+VCCVAu gmgm IE/UT当信号电压当信号电压,使使 -UC，则则IE,gm,Au 通常将控制电压通常将控制电压加至基极或发射极。加至基极或发射极。2.差分放大器增益控制电路差分放大器增益控制电路 其增益通过改变对管的电流分配比、负反其增益通过改变对管的电流分配比、负反馈深度、恒流源电流等来实现。馈深度、恒流源电流等来实现。2.差分放大器增益控制电路差分放大

5、器增益控制电路0.01FuiUC0.01F1.5k3605.1kV1V2V3iC1iC2iC31 k100V4V51k0.01F0.01F+6V 6Vuo差分差分电路电路射极射极跟随跟随V1、V3构成构成共射共射=共基形式共基形式ic1=ic2+ic3ui一定时，则一定时，则 ic1一定。一定。若若Uc ic2 ic3|uo|Au利用利用Uc控制控制ic2 和和 ic3的分配比来实现增益控制。的分配比来实现增益控制。7.1.2 自动频率控制电路自动频率控制电路一、工作原理一、工作原理 鉴频器鉴频器LPFVCOuD(t)uC(t)frfo标准频率标准频率fo输出输出压控振荡器压控振荡器当当 fr

6、=fo时，时，uD(t)=0，fo不变不变当当 fr fo时，时，uD(t)（fo fr)uC C(t t)fo o 或或 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 fo=fr+f。f 称为称为剩余频率剩余频率误误差差，有剩余频差是，有剩余频差是AFC的缺点。的缺点。鉴频特性和压控振荡器压控特性的灵敏度越大，鉴频特性和压控振荡器压控特性的灵敏度越大，f越小。越小。Voltage Control Oscillater二、应用举例二、应用举例1.调幅收音机中的调幅收音机中的AFC系统系统调幅波调幅波输入输入混频器混频器中频中频放大器放大器包络包络检波器检波器限幅限幅鉴频器鉴频器

7、低通低通和放大和放大压控压控振荡器振荡器至低放至低放鉴频器中鉴频器中心频率心频率fI 比普通调幅接收机多了比普通调幅接收机多了限幅鉴频器、低通限幅鉴频器、低通滤波和放大电路等，并将本机振荡器改为滤波和放大电路等，并将本机振荡器改为VCO。AFC保证了混频器输出频率接近保证了混频器输出频率接近fI，带宽减少，带宽减少，从而提高接收机灵敏度和选择性。从而提高接收机灵敏度和选择性。2.具有具有AFC电路的调频发射机框图电路的调频发射机框图fc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u调制信号调制信号调频信号输出调频信号输出frfr

8、fc 鉴频器的中心频率调整在（鉴频器的中心频率调整在（fr fc）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缓变电压，加至调频振荡器上，使其中心频率漂移减小。由于小。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。主要主要要求：要求：掌握掌握PLLPLL的基本组

9、成和工作原理的基本组成和工作原理了解了解PLLPLL的数学模型的数学模型了解了解PLLPLL的捕捉与跟踪的捕捉与跟踪了解了解PLLPLL的应用的应用7.2 锁相环路锁相环路了解集成了解集成PLLPLL7.2.1 PLL的基本原理的基本原理 利用相位误差信号去消除频率误差。利用相位误差信号去消除频率误差。1.相位和频率的关系相位和频率的关系正弦信号：频率相等正弦信号：频率相等相位差恒定相位差恒定频率不等频率不等相位差随时间变化相位差随时间变化UiUoi io UiUoi io UiUoi io UiUoUiUoi o UiUoi o UiUoi o UiUo2.锁相环路的组成锁相环路的组成PDL

10、FVCOuD(t)uC(t)输出输出uo(t)输入信号输入信号uo(t)o oui(t)iPhase Detector 鉴相器鉴相器用以比较用以比较ui、uo相位相位，输出反映相位误差输出反映相位误差 的电压的电压uD(t)。Loop Filter 环路滤波器环路滤波器滤除误差信号中高频分量和噪声，提高系统稳定性。滤除误差信号中高频分量和噪声，提高系统稳定性。Voltage Control Oscillate 压控振荡器压控振荡器在在uC(t)控制下输出相应频率控制下输出相应频率 fo o。3.锁相环路的工作原理锁相环路的工作原理PDLFVCOuD(t)uC(t)输出输出uo(t)输入信号输入

11、信号uo(t)o oui(t)i稳定频率过程：稳定频率过程：若若 i o，则则ui(t)和和uo(t)之间产生相位变化之间产生相位变化 uD(t)，与瞬时误差相位成正比与瞬时误差相位成正比uc(t)，滤除了高频分量和，滤除了高频分量和噪声噪声 o，去接近，去接近 i 最终使最终使 i=o，相位误差为常数，环路锁定，这时，相位误差为常数，环路锁定，这时相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。相位误差称为剩余相位误差或稳态相位误差。7.2.2 锁相环路的数学模型锁相环路的数学模型一、一、鉴相器的相位模型鉴相器的相位模型设：设：uo(t)=Uomcos o0 t+o(t)VCO未加控制电压时未加控制

12、电压时的固有振荡角频率的固有振荡角频率以以 o0t为参考的为参考的瞬时相位瞬时相位设：设：ui(t)=Uimsin(it)其相位可改写为：其相位可改写为：it=o0 t+(i o0)t=o0 t+i(t)i(t)=(i o0)t则则ui(t)和和uo(t)之间的瞬时相位差为：之间的瞬时相位差为：c(t)=i(t)o(t)设鉴相器具有正弦鉴相特性：设鉴相器具有正弦鉴相特性：uD(t)=Adsin c(t)正弦振荡器的相位模型正弦振荡器的相位模型+Adsin e(t)o(t)i(t)e(t)uD(t)+二、压控振荡器的相位模型二、压控振荡器的相位模型控制灵敏度控制灵敏度(增益系数增益系数)rad/

13、sV o0 ouCOVCO的控制特性的控制特性 o(t)=o0 +Ao uC(t)dttuAtdttttt 0Coo00o)()()(dttuAtt 0Co)()(为理想积分器为理想积分器积分用微分算子积分用微分算子 p=d/dt 的倒数表示：的倒数表示：)()(CotupAt VCO的相位模型的相位模型AopuC(t)o(t)三三.环路滤波器环路滤波器LF的电路模型的电路模型RCuC(t)uD(t)uC(t)R1CuD(t)R2CuC(t)uD(t)R2R1RC积分滤波器积分滤波器无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器)()()(DCFsUsUsA sCRR

14、sCR/1/1212 )(11212 ss 1=R1C1，2=R2C2将将s 用微分算子用微分算子 p=d/dt 替换：替换：uC(t)=AF(p)uD(t)AF(p)uD(t)uC(t)LF的电路模型的电路模型四、四、PLL的相位模型和基本方程的相位模型和基本方程PLL的相位模型的相位模型+Adsin e(t)o(t)i(t)e(t)uD(t)+AF(p)AopuC(t)o(t)环路基本方程：环路基本方程：)()()(iettt )(sin)()(eoFditpApAAt 对对 t 求导并移项：求导并移项：)()(sin)()(ieFodetptpAAAtp PLL基本方程的含义：基本方程的

15、含义：)()(sin)()(ieFodetptpAAAtp )()()(iettt dttdtp)()(ee )(et oi 瞬时角频差瞬时角频差，为为VCO输输出出 o偏离输入偏离输入 i的值的值)(sin)(eFodtpAAA o(t)=o o0 控制角频差控制角频差，为为VCO在在uc(t)=AdAF(p)sin e(t)作用下，作用下，产生产生 o偏离输入偏离输入 o0的数值。的数值。dttdtp)()(ii )(it o0i 输入固有角频差输入固有角频差，为为 i 偏离偏离 o0的值的值 e(t)+o(t)=i(t)说明说明PLL闭合后的任何时刻，瞬时角频差闭合后的任何时刻，瞬时角频

16、差 e(t)与控制角频率与控制角频率 o(t)之和恒等于输入之和恒等于输入固有角频差，固有角频差，i(t)7.2.3 锁相环路的捕捉与跟踪过程锁相环路的捕捉与跟踪过程两种自动两种自动调节过程调节过程捕捉过程捕捉过程：失锁失锁 锁定锁定 跟踪过程：跟踪过程：锁定锁定 维持锁定维持锁定环路捕捉带环路捕捉带 P：失锁失锁 锁定锁定 的最大输入固有频率差的最大输入固有频率差同步同步(跟踪跟踪)带带 H：保持跟踪的输入信号频率与保持跟踪的输入信号频率与VCO 最大频差范围最大频差范围当当 i从低频从低频至高频缓慢至高频缓慢变化时变化时PDLFVCOuD(t)uC(t)uo(t)o oui(t)i未加控制

17、电压未加控制电压(即即uD(t)=0)时的时的VCO振荡频率振荡频率uD(t)O o0o0 a i失锁失锁锁锁定定 b失锁失锁当当 i 从高频从高频至低频缓慢至低频缓慢变化时变化时 c锁锁定定 d捕捉带捕捉带同步带同步带 P H捕捉过程捕捉过程：失锁失锁 锁定锁定 跟踪过程：跟踪过程：锁定锁定 维持锁定维持锁定7.2.4 集成锁相环路集成锁相环路集成集成PLL分类：分类：电路构成电路构成全模拟：模拟全模拟：模拟PD LF VCO全数字：数字全数字：数字PD LF VCO模拟模拟+数字：数字数字：数字PD 模拟模拟 LF VCO用途用途通用通用 PLL专用专用 PLLVCO电压控制变容二极管电压

18、控制变容二极管 电容电容振荡频率振荡频率射极耦合多谐振荡器射极耦合多谐振荡器 频率高频率高积分积分施密特触发器多谐振荡施密特触发器多谐振荡 频率低频率低一、通用型单片集成锁相环路一、通用型单片集成锁相环路L562最高工作频率最高工作频率30MHzA1A3A2VCO限幅器限幅器鉴相器鉴相器VCO输出输出VCO输入输入偏压基准偏压基准同步带调节同步带调节地地输入输入环路滤波器环路滤波器去加重去加重解调输出解调输出CVCOVCCPD0.01F解调输出解调输出PDA1A2A3VCO限幅器限幅器0.01F0.01F0.1F0.01F0.01F515115k11k12k1k1k(10.7MHz)1kC4V

19、DD(+18V)C3ui(t)VCO输出输出30pFC530pF同步带同步带调节调节偏压偏压外接电路外接电路（调频解调）（调频解调）提高解调电路提高解调电路抗干扰性抗干扰性二、二、CMOS锁相环锁相环CD4046A1A2VCOPD IIPD I+VDD(5 15V)禁止禁止R1R2VSSCR8R5R4VDDC2VZ+-1213346711125891015N14信号输入信号输入特点：特点：1.两个鉴相器（选其一工作）两个鉴相器（选其一工作）PD I：有三角形鉴相特性：有三角形鉴相特性要求：两输入信号占空比为要求：两输入信号占空比为50%方波方波无输入时，输出电压无输入时，输出电压VDD/2o鉴

20、相特性鉴相特性输入信噪比及输入信噪比及固有频差较小固有频差较小时采用时采用PD II:数字式鉴频鉴相器数字式鉴频鉴相器只对上升沿起作用只对上升沿起作用ouD(t)(te鉴相区鉴相区鉴频区鉴频区鉴频区鉴频区Udm-Udm22fi fofi=fo 输出与输出与uD(t)无关无关鉴相特性鉴相特性输入信噪比大输入信噪比大或捕捉固有频或捕捉固有频差较大时采用差较大时采用7.2.5 PLL 的应用的应用一、锁相鉴频电路一、锁相鉴频电路PDLFVCO输入调频信号输入调频信号输出解调信号输出解调信号u(t)(to 要求：要求：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

21、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)(it 二、调幅波的同步检波二、调幅波的同步检波AMXYLPFuO(t)ur(t)us(t)复习同复习同步检波步检波解调电压输出解调电压输出同步同步信号信号ui(t)PDLFVCO/2移相器移相器同步同步检波器检波器同步信号提取电路同步信号提取电路有有/2/2固定相移固定相移三、锁相接收机（窄带跟踪环路）三、锁相接收机（窄带跟踪环路）本地标准本地标准中频信号中频信号混频器混频器中频中频放大器放大器PD输入信号输入信号VCOLF中频信号输出中频信号输出PLL+混频器混频器+中频放大中频放大i o 频率合成目的：频率合成目的：利用一个或多个高

22、稳定晶体振荡器利用一个或多个高稳定晶体振荡器 产生出一系列间隔的离散频率信号产生出一系列间隔的离散频率信号用途：用途：通信系统的载波，步一供应关系实现频道转换通信系统的载波，步一供应关系实现频道转换频率频率合成合成方式方式直接合成直接合成间接合成间接合成（锁相环路法）（锁相环路法）混混 频频f1f2f1+f2优点：转换时间短优点：转换时间短缺点：离散频率不能缺点：离散频率不能太多，电路复杂太多，电路复杂7.3.1 评价频率合成性能的主要技术指标评价频率合成性能的主要技术指标1.频率范围频率范围2.频率间隔（分辩力）频率间隔（分辩力）最低最低 最高输出频率最高输出频率相邻频率之间的最小间隔相邻频

23、率之间的最小间隔3.频率转换时间频率转换时间从一个（离散频率）转换到另一个从一个（离散频率）转换到另一个 频率达到稳定工作所需时间频率达到稳定工作所需时间4.频率准确度和稳定度频率准确度和稳定度5.频谱纯度频谱纯度输出信号接近正弦波的程度输出信号接近正弦波的程度f0选定选定频率频率理想：理想：120 100 80 60 10020选定频率选定频率寄生寄生频率频率相位相位噪声噪声谐波谐波ff02fo3fo0实际：实际：来自混频器的来自混频器的高次组合频率高次组合频率相对幅度（相对幅度（dB)7.3.2 锁相频率合成器锁相频率合成器一、简单锁相频率合成器一、简单锁相频率合成器晶体振荡器晶体振荡器参

24、考分频器参考分频器RPDLFVCO分频器分频器 Nfsfrfofo/Nfs/Rfr=fs/R锁定时锁定时fr=fs/R=fo/N所以所以fo=N fs/R=N frCD4046应用实例：应用实例：1024kCC4040 CD4046CC40103N4kHzfo可编程分频器可编程分频器N=2912级二进制计数器级二进制计数器取取 R=28=256fr=1024k/256=4kHz频率间隔频率间隔fo=N fr13二、简单频率合成器存在的问题二、简单频率合成器存在的问题1.减小频率间隔与提高频率转换速度相矛盾减小频率间隔与提高频率转换速度相矛盾解释：解释：减小减小fr，因因(BW A1计数计数计数计数计满计满A0 停止停止计数计数计满计满N1在一个计数周期内，总脉冲计数量为在一个计数周期内，总脉冲计数量为:n=(P+1)A+P(NA)=PN+A吞脉冲可变分频器的分频比为吞脉冲可变分频器的分频比为 f0/f0=1/(PN+A)N、A均为整数均为整数0、1、22.吞脉冲锁相频率合成器的组成与工作原理吞脉冲锁相频率合成器的组成与工作原理 吞脉冲可变分频器吞脉冲可变分频器f0=(PN+A)fr PDLFVCOMNAPDNB混频()LFBPFVCOLFVCOPDfOfr