《通信电路》课件第8章 .ppt
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- 通信电路 通信电路课件第8章 通信 电路 课件
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1、第第8章章 数字电视数字电视8.1 概概 述述8.2 锁相环电路的基本原理锁相环电路的基本原理8.3 集成锁相环电路集成锁相环电路8.4 锁相环电路的应用锁相环电路的应用8.5 锁相频率合成器锁相频率合成器8.6 集成锁相环电路的选用与实例介绍集成锁相环电路的选用与实例介绍8.7 章末小结章末小结 习习 题题第第8章章 数字电视数字电视第第8章章 数字电视数字电视AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路。由于它的基本原理是利用频率误差电压去消除频率误差,因此当电路达到平衡状态之后,必然有剩余频率误差存在,即频差不可能为零。这是一个不可克服的缺点。锁相环电路也是一种以消除频率误差为目的的反
2、馈控制电路,但它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差,所以当电路达到平衡状态之后,虽然有剩余相位误差存在,但频率误差可以降低到零,从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。而且,锁相环电路还具有可以不用电感线圈、易于集成化、性能优越等许多优点,因此广泛应用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机等方面。8.1 概概 述述第第8章章 数字电视数字电视8.2.1 数学模型数学模型 锁相环电路主要由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成,如图8.2.1所示。被控参量是相位。8.2 锁相环电路的基本原理锁相环电路的基本原理第第8章章 数字电视数字电视图8.2.1 锁相环电路的组成第第8章章 数字电视数字
3、电视图8.2.2 用旋转矢量说明锁相环电路的频率跟踪原理第第8章章 数字电视数字电视 如何利用相位误差信号实现无频差的频率跟踪,可用图8.2.2所示的旋转矢量说明。设旋转矢量 和 分别表示鉴相器输入参考信号ui()和压控振荡器输出信号uy(),它们的瞬时角速度和瞬时相位分别为i()、y()和i()、y()。若i(t)固定为i,而y(t)与i不相等,比如说,y(t)i,表示 比 旋转得慢一些,这时瞬时相位差()=i()y()将随时间增大(这种情况称为失锁)。iUyUyUiU第第8章章 数字电视数字电视 于是鉴相器将产生一个误差电压。该误差电压通过环路滤波器(实际上是一个低通滤波器)后,作为控制电
4、压调整的振荡角频率,使其增大,从而使瞬时相位差减小。经过不断地循环反馈,矢量的旋转角速度逐渐加快,直到与 旋转角速度相同,实现yi,这时瞬时相位差为恒值,鉴相器输出恒定的误差电压。此误差电压通过环路滤波器后产生的控制电压使振荡器的振荡频率维持在i上。这种情况称为锁定。为了建立锁相环电路的数学模型,需要先求出鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的数学模型。yUiU第第8章章 数字电视数字电视 1.鉴相器鉴相器 设鉴相器输入参考信号ui(t)和输出信号uy(t)均为单频正弦波。一般情况下,这两个信号的频率是不同的。设y0和y0ty0分别是未加控制电压时的中心振荡角频率和相位,其中y0是初相位,又1(t)
5、和2(t)分别是ui(t)和uy(t)与未加控制电压时输出信号的相位差,即 1(t)=i(t)-(y0t+y0)2(t)=y(t)-(y0t+y0)(8.2.1)第第8章章 数字电视数字电视 所以 1(t)-2(t)=i(t)-y(t)(8.2.2)若鉴相器采用模拟乘法器组成的乘积型鉴相器,根据鉴相特性和式(8.2.2),其输出误差电压为 ue(t)=kbsin1(t)-2(t)=kbsine(t)(8.2.3)其中,kb为鉴相器增益,是一常数。第第8章章 数字电视数字电视 .环路滤波器环路滤波器 环路滤波器是一个低通滤波器,其作用是滤除鉴相器输出电流中的无用组合频率分量及其它干扰分量,以保证
6、环路所要求的性能,并提高环路的稳定性。设环路滤波器的传递函数为H(s),则有()()()ceUsH sUs()()()ceu tH pu t 将H(s)中的s用微分算子p=d/dt替换,可以写出对应的微分方程如下:(8.2.4)第第8章章 数字电视数字电视00000()()()ttyyyyccytdtkud 参照式(8.2.1)可求得 20()()dtcctku.压控振荡器压控振荡器 在有限的控制电压范围内,的振荡角频率 y(t)与其控制电压可写成线性关系,即 y(t)=y0+kcuc(t)其中,kc为压控灵敏度,是一常数。因此,输出信号uy(t)的相位为第第8章章 数字电视数字电视01 1(
7、)d tp p2()()ccu ttkp(8.2.5)来表示,则上式可写成 虽然的振荡角频率y(t)与控制电压uc(t)成线性关系,但其瞬时相位变化2(t)与uc(t)却是积分关系。因此对于锁相环电路来说,被视为一个积分器。若用积分算子 第第8章章 数字电视数字电视 .环路相位模型环路相位模型 按照式(8.2.3)、(8.2.4)和(8.2.5)所确立的鉴相器、环路滤波器和的数学模型,根据图8.2.1的方框图,可建立锁相环电路的相位模型,如图8.2.3所示,并可写出一个统一的方程式,即121()sin()()()()()cbeek k H ptttttp对上式两边微分,可得 1()()()si
8、n()ecbeptptk k H pt(8.2.6)式(8.2.6)被称为基本环路方程。第第8章章 数字电视数字电视 在式(8.2.6)中,pe(t)和p1(t)分别表示瞬时相位误差e(t)和输入信号相位差1(t)随时间的变化率,所以分别称为瞬时频差和固有频差。固有频差也就是输入信号频率与中心频率的差值。kckbH(p)sine(t)称为控制频差,因为这一项是由控制电压uc(t)产生的。第第8章章 数字电视数字电视 图8.2.3 锁相环电路的相位模型 第第8章章 数字电视数字电视基本环路方程的意义在于它从数学上描述了锁相环电路相位调节的动态过程,说明了在环路闭合以后,任何时刻的瞬时频差都等于固
9、有频差减去控制频差。当环路锁定时,瞬时频差为零,控制频差与固有频差相等,相位误差e(t)为一常数,用e表示,称为稳态相位误差。由于基本环路方程中包含了正弦函数,因此是一个非线性微分方程。因为作为积分器其阶数是1,所以微分方程的最高阶数取决于环路滤波器的阶数加1。一般情况下,环路滤波器用一阶电路实现,所以相应的基本环路方程是二阶非线性微分方程。基本环路方程是分析和设计锁相环电路的基础。第第8章章 数字电视数字电视8.2.2 跟踪过程与捕捉过程分析跟踪过程与捕捉过程分析 1.环路的跟踪过程环路的跟踪过程 在环路锁定之后,若输入信号频率发生变化,产生了瞬时频差,从而使瞬时相位差发生变化,则环路将及时
10、调节误差电压去控制,使输出信号频率随之变化,即产生新的控制频差,使输出频率及时跟踪输入信号频率。当控制频差等于固有频差时,瞬时频差再次为零,继续维持锁定。这就是跟踪过程。显然,输入信号频率变化越大,产生的瞬时频差、误差电压和控制电压越大,需要VCO产生的频率增量也越大。由于鉴相器产生的最大误差电压和VCO的频率控制范围都是有限的,因此输入信号频率的变化范围也受到限制。在锁定后能够经过跟踪过程继续维持锁定所允许的最大固有角频差1m(或21m)称为跟踪带或同步带。第第8章章 数字电视数字电视.环路的捕捉过程环路的捕捉过程 环路由失锁状态进入锁定状态的过程称为捕捉过程。捕捉过程的分析应采用非线性分析
11、方法,比较复杂。以下仅对捕捉过程作一简单的定性分析。设t时环路开始闭合,此前输入信号角频率i不等于输出振荡角频率y0(因控制电压uc=0),环路处于失锁状态。假定i是一定值,二者有一固有角频差1iy0,固有相位差1t随时间线性增长,因此鉴相器输出误差电压ue(t)kbsin1t将是一个周期为1的正弦函数,称为正弦差拍电压。所谓差拍电压,是指其角频率(此处是1)为两个角频率(此处是i与y0)的差值。角频差1的数值大小不同,环路的工作情况也不同。第第8章章 数字电视数字电视若1较小,处于环路滤波器的通频带内,则差拍误差电压ue(t)能顺利通过环路滤波器加到上,控制的振荡频率,使其随差拍电压的变化而
12、变化,所以输出是一个调频波,即y(t)将在y0上下摆动。由于1较小,因此y(t)很容易摆动到i,环路进入锁定状态,鉴相器将输出一个与稳态相位差对应的直流电压,维持环路的动态平衡。这一过程称为快捕。第第8章章 数字电视数字电视 若1数值较大,即差拍电压ue(t)的频率较高,处于环路滤波器通频带外附近,于是它的幅度在经过环路滤波器后会受到一些衰减,这样VCO的输出振荡角频率y(t)上下摆动的范围也比理想情况要减小一些,故需要多次摆动才能靠近输入角频率i,也就是说需要许多个差拍周期。此时差拍误差电压ue(t)的角频率将不再是固定的1,而是随时间变化的瞬时角频差e(t)=i-y(t),且正、负半周波形
13、也不对称,其中包含的直流分量作为控制信号使VCO的输出角频率y(t)逐渐朝i方向靠近,e(t)逐渐减小,ue(t)的振荡周期越来越长。通常将这一过程称为频率牵引过程。第第8章章 数字电视数字电视当y(t)摆动到i附近,两者之间的角频差很小时,环路进入快捕过程,然后很快到达锁定状态。因此,捕捉过程可以包括频率牵引和快捕两个过程。图8.2.4是捕捉过程中差拍误差电压ue(t)波形变化示意图。第第8章章 数字电视数字电视图8.2.4 捕捉过程中ue(t)的波形变化第第8章章 数字电视数字电视若1太大,远远超出环路滤波器通频带,则产生的控制电压趋于零,将无法捕捉到,环路一直处于失锁状态。能够由失锁经过
14、捕捉过程进入锁定所允许的最大固有角频差1m(或21m)称为环路的捕捉带。一般来说,捕捉带小于跟踪带。当环路处于跟踪状态时,只要e(t)/6,则有sine(t)e(t),可认为环路处于线性跟踪状态。这时基本环路方程可写成 pe(t)=p1(t)-kckbH(p)e(t)对上式求拉氏变换,得到 se(s)=s1(s)-kckbH(s)e(s)(8.2.7)第第8章章 数字电视数字电视图8.2.5 锁相环电路的线性化相位模型第第8章章 数字电视数字电视211()()()()()()()()()bcbcebcsk k H sT sssk k H sssT sssk k H s误差传递函数为 由式(8.
15、2.7)可求得环路闭环传递函数和误差传递函数。闭环传递函数为(8.2.8)(8.2.9)第第8章章 数字电视数字电视 【例8.1】在图例8.1所示锁相环中,已知kb25rad,kc1000rads,RC1ms。当输入角频率发生阶跃变化,i1rads,要求环路的稳态相位误差为.1rad,试确定放大器增益k1,并且求出相位误差函数e(t)和环路带宽BW。第第8章章 数字电视数字电视图 8.2.6例8.1图 第第8章章 数字电视数字电视 解解:由例7.4可知,本例题中的RC低通滤波器的传递函数为 1()1H sRCs 代入式(8.2.8)和(8.2.9),分别可求出相应的闭环传递函数和误差传递函数,
16、即222222()22()2nnnnennT sssssT sss(8.2.10)(8.2.11)第第8章章 数字电视数字电视 这是一个二阶环路,称为阻尼系数,n是时系统的无阻尼振荡角频率,亦称为自然谐振角频率。其中 12112111()2bcbcnk k kk k k(8.2.12)第第8章章 数字电视数字电视 设t时,环路锁定,且有iyy0,1(t)。在t时,输入信号角频率i产生了一个幅度为i的阶跃变化,因此在t以后的固有相位差为1012()()tiiitdtss 其拉氏变换为 第第8章章 数字电视数字电视因此 12211122222122(2)()()()(2)()()122sin(1)
17、2 cos(1)(1)nineenneetiinnnnssT sss sstLsett (8.2.13)式(8.2.13)中,等式右边第一项为稳态相位误差,即12iienbck k k(8.2.14)第第8章章 数字电视数字电视 等式右边第二项是振幅为指数衰减函数的两个正弦振荡的差值。这两个正弦振荡的角频率相同(其值与kb、kc、有关),相位差为,振幅不同。当t时,该项值趋于零,所以是暂态相位误差。图8.2.7画出了阻尼系数为不同值时,相位误差的归一化响应e(t)e。由式(8.2.14)、(8.2.12)和图8.2.6可以看到,增大kb、kc和k1的值(即增大环路直流增益)可以减小稳态相位误差
18、e,但相应的阻尼系数也会减小,从而使环路恢复到锁定状态所需要的时间延长,且会出现过冲。所以,在响应的误差与速度两者之间应折衷考虑,通常选择0.7。第第8章章 数字电视数字电视图8.2.7 相位误差信号的归一化响应 第第8章章 数字电视数字电视在式(8.2.14)中代入已知数据,可求得 1331004025 10100.1ibcekk k由式(8.2.12)可知 112233311133122311111()()22 25 101040 10225 101040()()1000rad/s11 10bcbcnk k kk k k第第8章章 数字电视数字电视根据式(8.2.13)可求得相位误差函数为
19、 5003()0.1 0.1(sin500 3cos500 3)rad3tetett 由式(8.2.10)所示闭环传递函数可求得相应的幅频特性为22221()(1)(2)nnH(8.2.15)第第8章章 数字电视数字电视所以,环路带宽为 12422BW(1 2442)n(8.2.16)代入已知条件和k1=40,=1/2,可求出相应带宽为 1215BW()1272rad/s203Hz2n第第8章章 数字电视数字电视8.3 集成锁相环电路集成锁相环电路8.3.1 射极耦合多谐振荡器射极耦合多谐振荡器 图8.3.1()是射极耦合多谐振荡器原理电路图。受电压uc控制的两个相同电流源I03和I04分别接
20、在交叉耦合的两个晶体管V1、V2的发射极上,(I03I04I0),定时电容T接在V1和V2的发射极之间。采用瞬时极性判断法,有uB1uC1(uB3)uE3(uB2)uE2uE1uBE1uC1,可见是正反馈。同理,V2、V4、V1和CT也构成一个正反馈回路。由图可见,V3、V4两管总是导通的。第第8章章 数字电视数字电视图8.3.1 射极耦合多谐振荡器电路 (a)电路图;(b)波形图第第8章章 数字电视数字电视 设两个相同二极管V5、V6的导通电压与四个晶体管的b、e极导通电压均为UD。若开始时V1管微弱导通,则由于正反馈作用,V1管很快进入导通状态,且V2管迅速截止(因uB2急速下降),V5管
21、导通(因uC1下降),V6管截止(因V2截止使uC2上升),从而有uC1UCC-UD,uE1=uB2UCC-UD,uC2UCC。1管导通后,其发射极电流给T充电,充电电流为I0,因V2管已截止,其发射极上电流源电流I0全部流过T,而V1管发射极电流是两个电流源电流之和2I0。第第8章章 数字电视数字电视充电使T上电压增大。由于V1管导通,且发射极电位uE1UCCUD已被固定,因此迫使V2管发射极电位uE2下降。当uE2下降到UCC3UD时,V2管导通,V1管截止。此时CT上的电压uT=UD。V1管截止,使得uC1UCC,从而uB2UCCUD,uE2UCCUD,即uB2和uE2分别向上跳变了一个
22、UD。由于电容T上电压不能突变,因此uE1也向上跳变了一个UD,变成UCCUD。继而又开始由V2管发射极电流给T反方向充电(或T正方向放电)。有关各点的波形变化如图8.3.1()所示。第第8章章 数字电视数字电视0d24d/2cDDuUCUICCtTT所以三角波周期为 04DCUTI由图8.3.1()可见,从V2管集电极输出为方波,其高电平为UCC,低电平为UCCUD,电容CT上充放电电压波形为三角波,高度为UD。在充电的半个周期内(t从到t1),充电电流为I0,是常数,电容电压增量为UD,根据电容电压与电流的关系第第8章章 数字电视数字电视 因为电容上三角波电压周期与V2管集电极输出方波周期
23、相同,所以输出方波的基波频率为014DIfTCU(8.3.1)可见,基波振荡频率与电流源I0成正比,只要控制I0的大小,就可以在较宽的线性范围内控制振荡频率的变化。设电流源跨导为m,则I0与控制电压uc的关系为I0=IQ+gmuc 所以04QccDIfk uffCU(8.3.2)第第8章章 数字电视数字电视其中,IQ是电流源I0中的恒流部分,gmuc为可控部分,kc=gm/(4CUD)即为用射极耦合多谐振荡器构成的C的压控灵敏度。这种电路形式简单,晶体管没有工作在饱和状态,而且正反馈强,所以导通和截止速度快,工作频率较高,可达MHz。如采用C电路,工作频率可达155MHz。第第8章章 数字电视
24、数字电视 8.3.2 L562集成锁相环电路集成锁相环电路 L562(国外型号为562)是目前广泛使用的集成锁相环电路之一,其内部电路方框图见图8.3.2()。由图可见,中鉴相器与VCO是断开的,可以插入分频器或混频器作频率合成器和移频用。电路最高工作频率为MHz,最大锁定范围为1%fy0(fy0是VCO中心频率),工作电压为1,典型工作电流为1m。主要由鉴相器、VCO、放大器三部分组成,环路滤波器中的电容元件需外接,另外还采用了一系列稳压偏置和温度补偿电路。图8.3.2()是内部电路图,现简介如下。第第8章章 数字电视数字电视(1)鉴相器。鉴相器由双差分模拟乘法器V1V6组成。输入信号ui从
25、11、12脚双端输入,VCO输出的方波经外电路后从、1 5脚双端输入,使乘法器工作在开关状态。相乘后,双端输出信号经过低通滤波器后取出误差电压ue,一路经射随器V10加 到VCO中V25、26的基极上,另一路经射随器V12和14加到VCO中V25、V26的发射极上。所以,误差电压ue是加在V25、V26的b、e极之间的。低通滤波器由R1、R2和1 3、14脚外接阻容元件组成。第第8章章 数字电视数字电视(2)压控振荡器。VCO采用射极耦合多谐振荡器。与图8.3.1原理图对照,L562中V20、V21组成交叉耦合的正反馈级,相当于原理图中的V1、V2,V19、V22相当于原理图中的V3、V4,外
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