锁相环路与其他控制电路

第8章锁相环路及其他反馈控制电路8.1锁相环路8.2集成锁相环芯片8.3锁相环路的应用8.4自动增益控制电路8.5自动频率控制电路8.1锁相环路一、反馈控制电路的基本原理反馈控制电路由误差元件和执行元件组成。根据需要比较和调节的参量不同，反馈控制电路可分为：1.自动增益控制电路（AGC）2.自动频率控制电路（AFC）3.自动相位控制电路（APC），又称锁相环路（PLL）误差元件执行元件误差信号参考信号输出信号二、基本锁相环的构成鉴相器：压控振荡器：式中，ωo为压控振荡器的中心频率。鉴相器PD环路滤波器ui(t)压控振荡器ud(t)uc(t)uo(t)ji(t)jo(t))()()()(doiddtKttKtujjj)()(cωotuKt三、锁相环的基本原理利用输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位误差去消除频率误差。当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以消除，从而实现无误差的频率跟踪。鉴相器PD环路滤波器ui(t)压控振荡器ud(t)uc(t)uo(t))(ot)(itjoUiU1.锁定：输出信号与输入信号频率相等；2.捕捉：环路原先是失锁的，通过自身调节由失锁调整到锁定的过程；相应的，能够由失锁进入锁定的最大输入固有频差，称为环路捕捉带或捕捉范围。3.跟踪：环路原先是锁定的，由于某种原因造成环路偏离锁定，通过自身调节重新维持锁定的过程。相应的，能够保持跟踪的最大输入固有频差，称为同步带或跟踪带。四、锁相环的锁定、捕捉和跟踪4.判断环路是否锁定的方法①在有双踪示波器的情况下当fi=fo时，表示环路已经进入锁定状态。②单踪──普通示波器利用李沙育图形来判断。如果环路已锁定，且在理想情况下，李沙育图形应是一个圆。5.同步带和捕捉带演示动画五、锁相环路各组成部分分析1.鉴相器（1）正弦波鉴相器及其数学模型设输入信号为,压控振荡器的输出信号为为了便于比较两者之间的相位差，现都以为参考相位。这样ui(t)瞬时相位为按上面的新定义，通过环路滤波器，则鉴相器的输出为)(sin)(ii1ittUtum)(cos)(oom2ottUtu)()()()(ioioioiitttttttjto)(sin)(iom1ittUtuj)(cos)(cos)(oo2moom2ottUttUtuj)()(sin21)(oim2m1mdttUUAtujj)(sindtKj由于ud(t)随作周期性的正弦变化，因此这种鉴相器称为正弦波鉴相器。（2）鉴相器线性化的数学模型当时，因此，。当强调对相位的贡献时，模型可以表示为：)(tj)()()()(sinoioittttjjjj6/|)()(|oijjtt)()()()(doiddtKttKtujjj2.环路滤波器环路滤波器是线性电路，由线性元件电阻、电感和电容组成，有时还包括运算放大器在内，它是低通滤波器。RC积分滤波器RCjCjRCjjujujH11/1/1)()()(dcsRCH11(s)3.压控振荡器在锁相环路中，我们关心的是相位变化，瞬时相位对相位的贡献是变化部分可以认为，压控振荡器是一个固有积分环节。)()(cωotuKttocωtoo1o)()()(dttuKtdtttjt0cωo1oo)()()(dttuKtttjj压控振荡器uc(t)uo(t))(1)(cωosusKsj六、锁相环路的相位数学模型第8章锁相环路及其他反馈控制电路8.1锁相环路8.2集成锁相环芯片8.3锁相环路的应用8.4自动增益控制电路8.5自动频率控制电路8.2集成锁相环芯片——CD4046一、CD4046逻辑框图二、异或门鉴相器的工作原理当时，由波形可求出输出电压的平均值TUTUU22/dmdmdjjj)(0)(2)(dmdttUUTt所以因为，dmU)(tjTj)(t)(dtu第8章锁相环路及其他反馈控制电路8.1锁相环路8.2集成锁相环芯片8.3锁相环路的应用8.4自动增益控制电路8.5自动频率控制电路8.3锁相环路的应用锁相环具有良好的跟踪特性，可实现无误差的频率跟踪和良好的窄带滤波特性。分为载波跟踪（窄带跟踪）和调制跟踪（宽带跟踪）当输出锁定在输入信号频率上时，位于信号频率附近的频率分量通过鉴频器变成低频信号而平移到零频率附近，环路滤波器的低通作用对输入信号而言，相当于一个高频带通滤波器。只要把环路滤波器的通带做得比较窄，整个环路就具有很窄的带通特性。鉴相器PD环路滤波器ui(t)压控振荡器ud(t)uc(t)uo(t)一、锁相调频电路实现锁相调频的条件：①调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外；②锁相环只对载波频率的慢变化起调整作用，使其中心频率锁定在晶振频率上。鉴相器环路滤波器压控振荡器FM波晶体振荡器调制信号二、锁相鉴频电路实现锁相鉴频的条件：①锁相环的捕捉带必须大于调频波的最大频偏；②环路带宽必须大于调频波中调制信号的频谱带宽。鉴相器环路滤波器压控振荡器调制信号调频波三、调幅波的同步检波利用锁相环从所接收的信号中提取出载波信号，可实现调幅波的同步检波。环路滤波器的通频带很窄，使锁相环路锁定在调幅波的载频上。鉴相器环路滤波器压控振荡器解调电压输出π/2相移器同步检波器振幅调制信号输入四、锁相接收机——窄带跟踪环路当地面接收站接收卫星发送来的无线电信号时（1）地面接收站收到的信号是极为微弱的；（2）由于多普勒效应，地面接收站收到的信号频率将偏离卫星发射的信号频率，并且其值往往在较大范围内变化。由于环路滤波器的带宽选得很窄，因此鉴相器输出中的调制信号分量不能进入环路。五、锁相环在频率合成器中的应用1.频率合成的基本概念频率合成（FrequecncySynthesis）是利用一个或多个高稳定晶体振荡器产生出一系列等间隔的离散频率信号的一种技术，这些离散频率的准确度和稳定度与晶体振荡器相同。2.频率合成的方法直接合成法、锁相环路法（间接合成法）和直接数字合成（DDS）法。3.评价频率合成器的主要技术指标①工作频率范围：由最高和最低输出频率确定；②频率间隔：两个相邻频率的最小间隔，也称分辨率；③频率转换时间：由一个频率转换到另一个频率并达到稳定所需要的时间；④频率稳定度和准确度⑤频率纯度：输出信号接近正弦波的程度。4.锁相频率合成器（1）原理框图（2）实用电路①石英晶体多谐振荡器JT4096kHz1k1G2G②CD4518B——DualBCDup-CounterTruthTableClockEnalbeResetAction10IncrementCounter00IncrementCounter×0NoChange×0NoChange00NoChange10NoChange××1Q1thruQ4=0③MC14522B——Presettable4-bitBCDDownCounter典型电路第8章锁相环路及其他反馈控制电路8.1锁相环路8.2集成锁相环芯片8.3锁相环路的应用8.4自动增益控制电路8.5自动频率控制电路8.4自动增益控制电路在一部调幅接收机中，由于无线电波传播的多径效应和衰落等原因，天线上感生的有用信号强度往往有很大的起伏变化，致使扬声器发出的声音忽强忽弱。为使接收机对大小信号都能很好的接收，即使在信号有强度变化时，也能大体维持一定的音质，需加入自动增益控制电路。一、AGC电路接收方框图利用检波器输出的直流成分加到被控级晶体管基极，来控制它的基极电流，从而改变其增益大小的方法来实现自动增益控制。