第10章反饋控制電路

10.1自動(dòng)增益控制電路10.2自動(dòng)頻率控制電路10.3鎖相環(huán)的基本原理10.4頻率合成器第一頁，共九十八頁。一、反饋控制的概念和分類

反饋控制是現(xiàn)代系統(tǒng)工程中的一種重要技術(shù)手段。在系統(tǒng)受到擾動(dòng)的情況下，通過反饋控制作用，可使系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)達(dá)到所需的精度，或按照一定的規(guī)律變化。電子線路中也常常應(yīng)用反饋控制技術(shù)。根據(jù)控制對(duì)象參量的不同，反饋控制電路可以分為以下三類：

概述第二頁，共九十八頁。1、自動(dòng)增益控制(AutomaticGainControl，簡稱AGC)，它主要用于接收機(jī)中，控制接收機(jī)的增益，以維持整機(jī)輸出恒定，使之幾乎不隨外來信號(hào)的強(qiáng)弱變化。2、自動(dòng)頻率控制(AutomaticFrequencyControl，簡稱AFC)，它主要用于維持電子設(shè)備中工作頻率的穩(wěn)定。3、自動(dòng)相位控制(AutomaticPhaseControl，簡稱APC)，又稱為鎖相環(huán)路(PhaseLockLoop，簡稱PLL)，它用于鎖定相位，能夠?qū)崿F(xiàn)許多功能，是應(yīng)用最廣的一種反饋控制電路。第三頁，共九十八頁。二、反饋控制電路的組成

反饋控制電路的組成如圖10-1所示，由比較器、控制信號(hào)發(fā)生器、可控器件和反饋網(wǎng)絡(luò)四部分組成一個(gè)負(fù)反饋閉合環(huán)路。圖10-1反饋控制系統(tǒng)的組成

第四頁，共九十八頁。比較器的作用：是將參考信號(hào)ur(t)和反饋信號(hào)uf(t)進(jìn)行比較，輸出二者的差值即誤差信號(hào)ue(t)，然后經(jīng)過控制信號(hào)發(fā)生器送出控制信號(hào)uc(t)，對(duì)可控制器件的某一特性進(jìn)行控制。比較器可以是：電壓比較器、頻率比較器(鑒頻器)或相位比較器(鑒相器)?？煽刂破骷夯蛘呤瞧漭斎胼敵鎏匦允芸刂菩盘?hào)uc(t)的控制(如可控增益放大器)，或者是在不加輸入的情況下，本身輸出信號(hào)的某一參量受控制信號(hào)uc(t)的控制(如壓控振蕩器)。反饋網(wǎng)絡(luò)的作用：是在輸出信號(hào)uo(t)中提取所需要進(jìn)行比較的分量，送到比較器與參考信號(hào)進(jìn)行比較。第五頁，共九十八頁。10.1自動(dòng)增益控制電路一、自動(dòng)增益控制的意義圖10-2具有AGC電路的接收機(jī)組成框圖在通信、導(dǎo)航、遙測遙感等無線電系統(tǒng)中，接收機(jī)接收到的信號(hào)可能有強(qiáng)有弱，通過AGC，使接收機(jī)的增益隨信號(hào)強(qiáng)弱自動(dòng)改變，達(dá)到信號(hào)幅度均衡的目的。AGC的基本結(jié)構(gòu)如圖10-2。第六頁，共九十八頁。二、工作原理1、自動(dòng)增益控制電路的目的

自動(dòng)增益控制電路的目的：當(dāng)輸入信號(hào)電壓變化很大時(shí)，保持接收機(jī)輸出電壓基本不變。具體地說，當(dāng)輸入信號(hào)很弱時(shí)，接收機(jī)的增益大，自動(dòng)增益電路不起作用；而當(dāng)輸入信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)增益電路進(jìn)行控制，使接收機(jī)增益減小。從而達(dá)到當(dāng)接收機(jī)信號(hào)強(qiáng)度變化時(shí)，其輸出端的電壓或功率基本不變或保持恒定的目的。

第七頁，共九十八頁。

2、自動(dòng)增益控制電路框圖

自動(dòng)增益控制電路框圖如圖10-3所示。設(shè)輸入信號(hào)振幅為Ui，輸出信號(hào)振幅為Uo，可控增益放大器增益為Av(uc)，它是控制電壓uc的函數(shù)，則有(10-1)圖10-3自動(dòng)增益控制電路框圖第八頁，共九十八頁。濾波器的作用環(huán)路中的低通濾波器是非常重要的。由于發(fā)射功率變化,距離遠(yuǎn)近變化,電波傳播衰落等引起信號(hào)強(qiáng)度的變化是比較緩慢的,所以整個(gè)環(huán)路應(yīng)具有低通傳輸特性,這樣才能保證僅對(duì)信號(hào)電平的緩慢變化有控制作用。尤其當(dāng)輸入為調(diào)幅信號(hào)時(shí),為了使調(diào)幅波的有用幅值變化不會(huì)被自動(dòng)增益控制電路的控制作用所抵消（此現(xiàn)象稱為反調(diào)制）,必須恰當(dāng)選擇環(huán)路的頻率響應(yīng)特性,使對(duì)高于某一頻率的調(diào)制信號(hào)的變化無響應(yīng),而僅對(duì)低于這一頻率的緩慢變化才有控制作用。這就主要取決于低通濾波器的截止頻率。第九頁，共九十八頁。圖10.4簡單的AGC特性三、自動(dòng)增益控制電路根據(jù)輸入信號(hào)的類型、特點(diǎn)以及對(duì)控制的要求，AGC電路主要有以下幾種類型。1．簡單AGC電路

在簡單AGC電路里，參考電平Ur＝0。這樣，只要輸入信號(hào)振幅Ui增加，AGC的作用就會(huì)使增益Kv減小，從而使輸出信號(hào)振幅Uo減小。圖10-4為簡單AGC的特性曲線。特點(diǎn)：一有輸入信號(hào)，AGC就起作用，增益就減小，因而對(duì)提高靈敏度不利第十頁，共九十八頁。特點(diǎn)：電路簡單，不需專門比較器；只要有輸入信號(hào)，AGC電路就起作用，適合輸入信號(hào)很大的場合。具有自動(dòng)增益控制電路的超外差式接收機(jī)方框圖

第十一頁，共九十八頁。圖10-5延遲AGC特性曲線2．延遲AGC電路在延遲AGC電路里有一個(gè)起控門限，即比較器參考電壓Ur，它對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)振幅Uimin，如圖10-5所示。這種ＡＧＣ電路由于需要延遲到Ｕi＞Ｕimin之后才開始控制作用,故稱為延遲ＡＧＣ?！把舆t”二字不是指時(shí)間上的延遲。當(dāng)輸入信號(hào)Ｕi大于Ｕimax后,ＡＧＣ作用消失。可見,Ｕimin與Ｕimax區(qū)間即為所容許的輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍,Ｕomin與Ｕomax區(qū)間即為對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。第十二頁，共九十八頁。圖10-6延遲AGC電路改變“延遲電壓”可改變門限的大小低通濾波器VD、C1、R1組成AGC檢波器

可見，只有放大器的輸出大于延遲電壓后，即輸入信號(hào)幅度大于門限電壓時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，AGC檢波器才工作。第十三頁，共九十八頁。具有延遲AGC的接收機(jī)框圖第十四頁，共九十八頁。3．前置AGC、后置AGC與基帶AGC前置AGC是指AGC處于解調(diào)以前，由高頻（或中頻）信號(hào)中提取檢測信號(hào)，通過檢波和直流放大，控制高頻（或中頻）放大器的增益。

后置AGC是從解調(diào)后提取檢測信號(hào)來控制高頻（或中頻）放大器的增益。

基帶AGC是整個(gè)AGC電路均在解調(diào)后的基帶進(jìn)行處理。第十五頁，共九十八頁。四、AGC的性能指標(biāo)1．動(dòng)態(tài)范圍

AGC電路是利用電壓誤差信號(hào)去消除輸出信號(hào)振幅與要求輸出信號(hào)振幅之間電壓誤差的自動(dòng)控制電路。在AGC電路中，一方面希望輸出信號(hào)振幅的變化越小越好，即要求輸出電壓振幅的誤差越小越好；另一方面，也希望容許輸入信號(hào)振幅變化越大越好。

AGC的動(dòng)態(tài)范圍是指：在給定輸出信號(hào)振幅變化范圍內(nèi)，容許輸入信號(hào)的變化范圍。第十六頁，共九十八頁。2．響應(yīng)時(shí)間

AGC電路是通過對(duì)可控增益放大器增益的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)振幅變化的限制，而增益變化又取決于輸入信號(hào)振幅的變化，所以要求AGC電路的反應(yīng)既要能跟得上輸入信號(hào)振幅的變化速度，又不會(huì)出現(xiàn)反調(diào)制現(xiàn)象，這就是響應(yīng)時(shí)間特性。根據(jù)AGC的響應(yīng)時(shí)間長短可分為慢速AGC和快速AGC兩類。第十七頁，共九十八頁?？刂品糯笃髟鲆娴姆椒ㄖ饕袃煞N:一種方法是通過改變放大器本身的某些參數(shù),如發(fā)射極電流、負(fù)載、電流分配比、恒流源電流、負(fù)反饋大小等等來控制其增益;另一種方法是插入可控衰減器來改變整個(gè)放大器的增益。

下面介紹兩種常用電路。

１.晶體管增益控制電路晶體管放大器的增益取決于晶體管正向傳輸導(dǎo)納|yfe|,而|yfe|又與晶體管工作點(diǎn)有關(guān),所以,改變發(fā)射極平均電流ＩE就可以使|yfe|隨之改變,從而達(dá)到控制放大器增益的目的。10.1.3可控增益放大器第十八頁，共九十八頁。晶體管|yfe|-IE特性曲線如圖,其中實(shí)線是普通晶體管特性,虛線是ＡＧＣ管特性。如果把靜態(tài)工作點(diǎn)選在ＩEQ點(diǎn),當(dāng)ＩE＜ＩEQ時(shí),|yfe|隨ＩE減小而下降,稱為反向ＡＧＣ；當(dāng)ＩE＞ＩEQ時(shí),|yfe|隨ＩE增加而下降,稱為正向ＡＧＣ。

而對(duì)于正向ＡＧＣ,當(dāng)輸入信號(hào)增強(qiáng)時(shí),為使增益減小,ＩE應(yīng)該增大,所以ＩE的變化方向與輸入信號(hào)的變化方向應(yīng)該相同?？刂齐妷杭瓤梢詮陌l(fā)射極送入,也可以從基極送入。

對(duì)于反向ＡＧＣ,當(dāng)輸入信號(hào)增強(qiáng)時(shí),希望增益減小,即|yfe|減小,則ＩE應(yīng)該減小,所以ＩE的變化方向與輸入信號(hào)的變化方向應(yīng)該正好相反,故稱為反向ＡＧＣ。

第十九頁，共九十八頁。反向ＡＧＣ的優(yōu)點(diǎn)是工作電流較小,對(duì)晶體管安全工作有利,但工作范圍較窄,而正向ＡＧＣ正好相反。為了克服正向ＡＧＣ工作電流較大的缺點(diǎn),在制作晶體管時(shí)可以使其|yfe|-IE特性曲線的峰值點(diǎn)左移,同時(shí)使右端曲線斜率增大。專供增益控制用的ＡＧＣ管大多是正向ＡＧＣ管。這種電路的缺點(diǎn)是,當(dāng)工作電流ＩE變化時(shí),晶體管輸入輸出電阻、電容也會(huì)發(fā)生變化,因此將影響放大器的幅頻特性、相頻特性和回路Ｑ值。但由于電路簡單,在一些要求不太高的ＡＧＣ電路中仍被廣泛應(yīng)用。第二十頁，共九十八頁。AGC控制電壓既可以從發(fā)射極送入，也可以從基極送入，如圖所示。改變的增益控制電路(a)反向ＡＧＣ(b)正向ＡＧＣ(a)(b)第二十一頁，共九十八頁。10.2自動(dòng)頻率控制電路一、工作原理自動(dòng)頻率控制（AFC）電路由頻率比較器、低通濾波器和可控頻率器件三部分組成，如圖10-7所示。圖10-7自動(dòng)頻率控制電路的組成AFC電路的被控參數(shù)為頻率。低通濾波器H(s)可控頻率器件Kcueucwr頻率比較器Kpwy輸出信號(hào)wy第二十二頁，共九十八頁。1、頻率比較器

頻率比較器：將電路的輸出角頻率與參考角頻率進(jìn)行比較，輸出其誤差（電壓）。頻率比較器有兩種：鑒頻器或混頻-鑒頻器。

低通濾波器H(s)可控頻率器件Kcueucwr頻率比較器Kpwy輸出信號(hào)wy第二十三頁，共九十八頁。2、可控頻率器件

可控頻率器件通常為壓控振蕩器（VCO），將在誤差信號(hào)的控制下，產(chǎn)生輸出信號(hào)。

壓控振蕩器的輸出振蕩角頻率可寫成：(10-5)低通濾波器H(s)可控頻率器件Kcueucwr頻率比較器Kpwy輸出信號(hào)wy

可見，AFC電路是利用反饋網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生與輸出頻率與參考頻率之差成正比的誤差信號(hào)，并由誤差信號(hào)控制振蕩頻率。顯然，達(dá)到最后穩(wěn)定時(shí)，兩個(gè)頻率存在著頻差，叫剩余誤差，Δω=|ωy-ωr|。第二十四頁，共九十八頁。二、應(yīng)用自動(dòng)頻率微調(diào)電路（簡稱AFC電路）

圖10-8是一個(gè)調(diào)頻通信機(jī)的AFC系統(tǒng)的方框圖。這里是以固定中頻fI作為鑒頻器的中心頻率，亦作為AFC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率。圖10-8調(diào)頻通信機(jī)的AFC系統(tǒng)方框圖第二十五頁，共九十八頁。

10.3鎖相環(huán)的基本原理

據(jù)前面介紹可知，AFC電路是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，基本思想是利用頻率誤差電壓去消除頻率誤差，因此當(dāng)電路達(dá)到平衡狀態(tài)后，必然會(huì)有剩余頻率誤差存在，即頻率誤差不可能為零——AFC的固有缺點(diǎn)。鎖相環(huán)也是一種以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，但是它是利用相位誤差去消除頻率誤差，因此當(dāng)電路達(dá)到平衡狀態(tài)后，盡管存在剩余相位誤差存在，但頻率誤差可以降低到零。第二十六頁，共九十八頁。圖10-10鎖相環(huán)的基本構(gòu)成一、工作原理1、電路結(jié)構(gòu)

鎖相環(huán)是一個(gè)相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)。它由鑒相器(PhaseDetector，縮寫為PD)、環(huán)路濾波器(LoopFilter，縮寫為LF)和電壓控制振蕩器(VoltageControlledOscillator，縮寫為VCO)三個(gè)基本部件組成，如圖10-10所示。第二十七頁，共九十八頁。鑒相器(PD)：是相位比較器，它把輸出信號(hào)uo(t)和參考信號(hào)ur(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩信號(hào)相位差θe(t)的誤差電壓ud(t)

。環(huán)路濾波器(LF)：其作用是濾除誤差電壓ud(t)

中的高頻成分和噪聲，保證環(huán)路性能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。電壓控制振蕩器(VCO)：受控制電壓uc(t)的控制，使其振蕩頻率向參考頻率靠近，使兩者頻率誤差越來越小，直至頻差消除而被鎖定。第二十八頁，共九十八頁。

2、工作原理設(shè)參考信號(hào)為：(10-10)

設(shè)輸出信號(hào)為：(10-11)兩信號(hào)之間的瞬時(shí)相差為：（10-12）由頻率和相位之間的關(guān)系可得兩信號(hào)之間的瞬時(shí)頻差為(10-13)第二十九頁，共九十八頁。因此，鎖相環(huán)的工作原理為：首先鑒相器把輸出信號(hào)和參考信號(hào)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)反映兩信號(hào)相位差大小的誤差電壓；此電壓經(jīng)環(huán)路濾波器過濾后得到控制電壓；最后由控制電壓去控制振蕩器的振蕩頻率，使其向參考頻率靠近，直到兩者頻率相等而相位同步實(shí)現(xiàn)鎖定。第三十頁，共九十八頁。第三十一頁，共九十八頁。

1、鎖定狀態(tài)(1)定義：當(dāng)在環(huán)路的作用下，調(diào)整控制頻差等于固有頻差時(shí)，瞬時(shí)相差θe(t)趨向于一個(gè)固定值，并一直保持下去，我們將這種狀態(tài)稱為鎖相環(huán)路進(jìn)入了鎖定狀態(tài)。

在鎖定狀態(tài)，瞬時(shí)頻差滿足：環(huán)路對(duì)輸入固定頻率的信號(hào)鎖定后，由于輸入到鑒相器的兩個(gè)信號(hào)無頻差，只有一個(gè)固定相差，因此誤差電壓為直流，經(jīng)低通濾波后得控制電壓也為直流。三、鎖相環(huán)工作過程的定性分析第三十二頁，共九十八頁。

2.跟蹤過程

(1)跟蹤的概念：跟蹤是在鎖定的前提下，輸入?yún)⒖碱l率和相位在一定范圍內(nèi)，以一定的速率發(fā)生變化時(shí)，輸出信號(hào)的頻率和相位以同樣的規(guī)律跟隨變化，這一過程稱為環(huán)路的跟蹤過程。

(2)跟蹤過程假設(shè)輸入信號(hào)頻率ωr增大時(shí)，固有頻差Δω0=|ωr–ω0|也增大，這使穩(wěn)態(tài)相差增大，從而使直流控制電壓增大，這必使VCO產(chǎn)生的控制頻差Δωv增大。當(dāng)Δωv大得足以補(bǔ)償固有頻差Δω0時(shí)，環(huán)路維持鎖定。第三十三頁，共九十八頁。

3.失鎖狀態(tài)

失鎖狀態(tài)就是瞬時(shí)頻差(ωr-ωv)總不為零的狀態(tài)。這時(shí)，鑒相器輸出電壓ud(t)為一上下不對(duì)稱的穩(wěn)定差拍波，其平均分量為一恒定的直流。這一恒定的直流電壓通過環(huán)路濾波器的作用使VCO的平均頻率ωv偏離ω0向ωr靠攏，這就是環(huán)路的頻率牽引效應(yīng)。

第三十四頁，共九十八頁。4.捕獲過程

開機(jī)時(shí)，鑒相器輸入端兩信號(hào)之間存在著起始頻差(即固有頻差)Δω0，其相位差為Δω0t。因此，鑒相器輸出的是一個(gè)角頻率等于頻差Δω0的差拍信號(hào)，即：（10-42）

若Δω0很大，ud(t)差拍信號(hào)的拍頻很高，易受環(huán)路濾波器抑制，這樣加到VCO輸入端的控制電壓uc(t)很小，控制頻差建立不起來，ud(t)仍是一個(gè)上下接近對(duì)稱的穩(wěn)定差拍波，環(huán)路不能入鎖。第三十五頁，共九十八頁。圖10-20頻率捕獲鎖定示意圖第三十六頁，共九十八頁。

環(huán)路能否發(fā)生捕獲是與固有頻差的Δω0大小有關(guān)。只有當(dāng)|Δω0|小到某一頻率范圍時(shí)，環(huán)路才能捕獲入鎖，這一范圍稱為環(huán)路的捕獲帶Δωp。它定義為在失鎖狀態(tài)下能使環(huán)路經(jīng)頻率牽引，最終鎖定的最大固有頻差|Δω0|max，即：（10-43）第三十七頁，共九十八頁。2、鎖相環(huán)的主要應(yīng)用(1).鎖相環(huán)路的調(diào)頻與解調(diào)A、用鎖相實(shí)現(xiàn)調(diào)頻用鎖相環(huán)調(diào)頻，能夠得到中心頻率高度穩(wěn)定的調(diào)頻信號(hào)，圖10-27是這種方法的方框圖。

實(shí)現(xiàn)調(diào)制的的條件是：調(diào)制信號(hào)的頻譜要處于低通濾波器通頻帶之外，并且調(diào)頻指數(shù)不能太大。圖10-27調(diào)頻——鎖相環(huán)路調(diào)頻器方框圖第三十八頁，共九十八頁。B、用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻率解調(diào)

調(diào)制跟蹤鎖相環(huán)本身就是一個(gè)調(diào)頻解調(diào)器。它利用鎖相環(huán)路良好的調(diào)制跟蹤特性，使鎖相環(huán)路跟蹤輸入調(diào)頻信號(hào)瞬時(shí)相位的變化，從而使VCO控制端獲得解調(diào)輸出。鎖相環(huán)鑒頻器的組成如圖10-28所示。圖10-28解調(diào)——鎖相鑒頻器第三十九頁，共九十八頁。

設(shè)輸入的調(diào)頻信號(hào)為由上式可知，其調(diào)制信號(hào)為uΩ(t)=UΩcosΩt，mf為調(diào)頻指數(shù)。同時(shí)假設(shè)環(huán)路處于線性跟蹤狀態(tài)，且輸入載頻ωi等于VCO自由振蕩頻率ω0，則可得到調(diào)頻波的瞬時(shí)相位為：現(xiàn)以VCO控制電壓uc(t)作為解調(diào)輸出，那么可先求出環(huán)路的輸出相位θ2(t)，再根據(jù)VCO控制特性θ2(t)=K0uc(t)/p，不難求得解調(diào)輸出信號(hào)uc(t)。

（10-62）（10-63）第四十頁，共九十八頁。設(shè)鎖相環(huán)路的閉環(huán)頻率響應(yīng)為H(jΩ)，則輸出相位為(10-64)

因而解調(diào)輸出電壓為(10-65)式中：Δωm為調(diào)頻信號(hào)的最大頻偏。對(duì)于設(shè)計(jì)良好的調(diào)制跟蹤鎖相環(huán)，在調(diào)制頻率范圍內(nèi)｜H(jΩ)｜≈1，相移∠H(jΩ)也很小。因此，uc(t)確是良好的調(diào)頻解調(diào)輸出。第四十一頁，共九十八頁。各種通用鎖相環(huán)集成電路都可以構(gòu)成調(diào)頻解調(diào)器。圖10-29為用NE562集成鎖相環(huán)構(gòu)成的調(diào)頻解調(diào)器。第四十二頁，共九十八頁。圖10-29NE562調(diào)頻解調(diào)器第四十三頁，共九十八頁。（2）.同步檢波器

思路：如果鎖相環(huán)路的輸入電壓是調(diào)幅波，只有幅度變化而無相位變化，則由于鎖相環(huán)路只能跟蹤輸入信號(hào)的相位變化，所以環(huán)路輸出得不到原調(diào)制信號(hào)，而只能得到等幅波。

原理：用鎖相環(huán)對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，實(shí)際上是利用鎖相環(huán)路提供一個(gè)穩(wěn)定度高的載波信號(hào)電壓，與調(diào)頻波在非線性器件中乘積檢波，輸出的就是原調(diào)制信號(hào)。AM信號(hào)頻譜中，除包含調(diào)制信號(hào)的邊帶外，還含有較強(qiáng)的載波分量，使用載波跟蹤環(huán)可將載波分量提取出來，再經(jīng)90°移相，可用作同步檢波器的相干載波。這種同步檢波器如圖10-30所示。第四十四頁，共九十八頁。圖10-30AM信號(hào)同步檢波器同步檢波第四十五頁，共九十八頁。設(shè)輸入信號(hào)為(10-66)輸入信號(hào)中載波分量為Uicosωit，用載波跟蹤環(huán)提取后輸出為uo(t)=Uocos(ωit+θ0)，經(jīng)90°移相后，得到相干載波第四十六頁，共九十八頁。將ur(t)與ui(t)相乘，濾除2ωi分量，得到的輸出信號(hào)就是恢復(fù)出來的調(diào)制信號(hào)。鎖相環(huán)路除了以上的應(yīng)用外，還可廣泛地應(yīng)用于電視機(jī)彩色副載波提取，調(diào)頻立體聲解碼、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、微波頻率源、鎖相接收機(jī)、移相器、位同步、以及各種調(diào)制方式的調(diào)制器和解調(diào)器、頻率合成器等。第四十七頁，共九十八頁。10.4頻率合成器一、頻率合成器及其技術(shù)指標(biāo)1．頻率合成器的概念

(1)傳統(tǒng)信號(hào)源的不足：頻率準(zhǔn)確度不高、穩(wěn)定度不高；晶體振蕩器盡管準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都較高，但頻率范圍小，輸出頻率不高。(2)頻率合成技術(shù)：是以一個(gè)或少量的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率，由此導(dǎo)出多個(gè)或大量的輸出頻率的方法。

頻率合成器：使用頻率合成技術(shù)產(chǎn)生不同頻率輸出信號(hào)的部件，稱為頻率合成器或頻率綜合器。第四十八頁，共九十八頁。

頻率合成器的輸出信號(hào)頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度與參考頻率是一樣的。2．頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)(1)頻率范圍

頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率fomin和最高頻率fomax之間的變化范圍，也可用覆蓋系數(shù)k=fomax/fomin表示（k又稱之為波段系數(shù)）。一般情況下，如果覆蓋系數(shù)k>2~3時(shí)，整個(gè)頻段可以劃分為幾個(gè)分波段。在頻率合成器中，分波段的覆蓋系數(shù)一般取決于壓控振蕩器的特性。第四十九頁，共九十八頁。(2)．頻率間隔（頻率分辨率）由于頻率合成器的輸出信號(hào)頻率是不能連續(xù)變化(調(diào)節(jié))的，兩個(gè)相鄰頻率之間的最小間隔，就是頻率間隔。頻率間隔又稱為頻率分辨率。

不同用途的頻率合成器，對(duì)頻率間隔的要求是不相同的。對(duì)短波單邊帶通信來說，現(xiàn)在多取頻率間隔為100Hz，有的甚至取10Hz、1Hz乃至0.1Hz。對(duì)超短波通信來說，頻率間隔多取50kHz、25kHz等。在一些測量儀器中，其頻率間隔可達(dá)兆赫茲量級(jí)。第五十頁，共九十八頁。(3)．頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間

頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器從某一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率，并達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間。頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間一般與采用的頻率合成方法有密切的關(guān)系。(4)．準(zhǔn)確度與頻率穩(wěn)定度

頻率準(zhǔn)確度：頻率準(zhǔn)確度是指頻率合成器工作頻率偏離規(guī)定頻率的數(shù)值，即頻率誤差。

頻率穩(wěn)定度：頻率穩(wěn)定度是指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，頻率合成器頻率偏離規(guī)定頻率相對(duì)變化的大小。第五十一頁，共九十八頁。(5)．頻譜純度

頻譜純度：頻譜純度是指輸出信號(hào)頻譜中包含其他頻率成分的的多少。影響頻率合成器頻譜純度的因素主要有兩個(gè)，一是相位噪聲，二是寄生干擾。相位噪聲是瞬間頻率穩(wěn)定度的頻域表示，在頻譜上呈現(xiàn)為主譜兩邊的連續(xù)噪聲，如圖10-31所示。第五十二頁，共九十八頁。二、頻率合成器的類型頻率合成器可分三類：直接式頻率合成器，間接式（或鎖相）頻率合成器和直接式數(shù)字頻率合成器。下面分別介紹。1．直接式頻率合成器（DS）特點(diǎn)：直接式頻率合成器是最先出現(xiàn)的一種合成器類型的頻率信號(hào)源。這種頻率合成器原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：分辨率高(10-2)、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快(<100μs)、工作穩(wěn)定可靠、輸出信號(hào)頻譜純度高。

不足：體積大、笨重、成本高。第五十三頁，共九十八頁。2．間接式頻率合成器（IS）——鎖相頻率合成器

間接式頻率合成器又稱為鎖相頻率合成器。鎖相頻率合成器是目前應(yīng)用最廣的頻率合成器，也是本節(jié)主要介紹的內(nèi)容。直接式頻率合成器中所固有的那些缺點(diǎn)，如體積大、成本高、輸出端出現(xiàn)寄生頻率等，在鎖相頻率合成器中就大大減少了。此處只介紹基本原理及特點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)電路見后面。(1)基本原理基本的鎖相頻率合成器如圖10-32所示。第五十四頁，共九十八頁。圖10-32基本鎖相頻率合成器第五十五頁，共九十八頁。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后，相位檢波器兩輸入端的頻率是相同的，即：VCO輸出頻率fo經(jīng)N分頻得到：所以輸出頻率是參考頻率fr的整數(shù)倍，即這樣，通過編程改變分頻比N，即可以參考頻率作為頻率最小增量（分辨率）來改變輸出信號(hào)頻率。即輸出信號(hào)頻率是參考信號(hào)頻率的整數(shù)倍。第五十六頁，共九十八頁。(2)不足A、轉(zhuǎn)換時(shí)間較長，且不易精確得到。

轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于鎖相環(huán)的非線性性能，精確的表達(dá)式目前還難以導(dǎo)出，工程上常用的經(jīng)驗(yàn)公式為

轉(zhuǎn)換時(shí)間大約等于25個(gè)參考頻率的周期。分辨率與轉(zhuǎn)換時(shí)間成反比。例如fr=10Hz，則fs=2.5s，這顯然難以滿足系統(tǒng)的要求。第五十七頁，共九十八頁。B、輸出頻率不高由于輸出信號(hào)直接加到可變分頻器上，因而受可變分頻器的最高工作頻率的限制，故其輸出頻率不高。

提高輸出信號(hào)頻率的措施：固定分頻器的工作頻率明顯高于可變分頻比，超高速器件的上限頻率可達(dá)千兆赫茲以上。

若在可變分頻器之前串接一固定分頻器的前置分頻器，則可大大提高VCO的工作頻率，如圖10-33所示。前置分頻器的分頻比為M，則可得：第五十八頁，共九十八頁。圖10-33有前置分頻器的鎖相頻率合成器第五十九頁，共九十八頁。3．直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）直接數(shù)字式頻率合成器是近年來發(fā)展非常迅速的一種器件，它采用全數(shù)字技術(shù)，具有分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、相位噪聲低等特點(diǎn)，并具有很強(qiáng)的調(diào)制功能和其它功能。(1)基本思想：

當(dāng)最低有效位為1加到相位累加器時(shí)，產(chǎn)生最低的頻率，在時(shí)鐘fc的作用下，經(jīng)過了N位累加器的2N個(gè)狀態(tài)，輸出頻率為fc/2N。加任意的M值到累加器，則DDS的輸出頻率為：（10-74）第六十頁，共九十八頁。圖8-35DDS的組成框圖第六十一頁，共九十八頁。(2)DDS有如下特點(diǎn):1）頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，可達(dá)毫微秒級(jí)，這主要取決于累加器中數(shù)字電路的門延遲時(shí)間;2）分辨率高，可達(dá)到毫赫茲級(jí)，這取決于累加器的字長N和參考時(shí)鐘fc。3）頻率變換時(shí)相位連續(xù);4）有非常小的相位噪聲。5）輸出頻帶寬，一般其輸出頻率約為fc的40％以內(nèi);6）具有很強(qiáng)的調(diào)制功能。第六十二頁，共九十八頁。總結(jié)：

1、在PLL頻率合成器中，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素有:（1）頻率分辨率及頻率步長;（2）建立時(shí)間;（3）調(diào)諧范圍（帶寬）;（4）相位噪聲和雜散（譜純度）;（5）成本、復(fù)雜度和功能。第六十三頁，共九十八頁。2、在DDS頻率合成器中，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素有:（1）時(shí)鐘頻率（帶寬）;（2）雜散（譜純度）;（3）成本、復(fù)雜度和功能。第六十四頁，共九十八頁。

3、DDS的雜散主要是由DAC的誤差和離散抽樣值的量化近視引起的，改善DDS雜散的方法有:（1）增加DAC的位數(shù)，DAC的位數(shù)增加一位，雜散電平降低6dB;（2）增加有效相位數(shù)，每增加一位，雜散電平降低8dB;（3）設(shè)計(jì)性能良好的濾波器。第六十五頁，共九十八頁。4、DDS與PLL頻率合成器的結(jié)合：DDS和PLL這兩種頻率合成方式不同，各有其獨(dú)有的特點(diǎn)，不能相互代替，但可以相互補(bǔ)充。將這兩種技術(shù)相結(jié)合，可以達(dá)到單一技術(shù)難以達(dá)到的結(jié)果。圖10-36是DDS驅(qū)動(dòng)PLL頻率合成器，這種頻率合成器由DDS產(chǎn)生分辨率高的低頻信號(hào)，將DDS的輸出送入一倍頻—混頻PLL，其輸出頻率為（10-75）第六十六頁，共九十八頁。圖10-36DDS驅(qū)動(dòng)PLL頻率合成器第六十七頁，共九十八頁。特點(diǎn)：其輸出頻率范圍是DDS輸出頻率的N倍，因而輸出帶寬，分辨率高，可達(dá)1Hz以下。這種頻率合成器取決于DDS的分辨率和PLL的倍頻次數(shù)。

其轉(zhuǎn)換時(shí)間快，是由于PLL是固定的倍頻環(huán)，環(huán)路帶寬可以較大，因而建立時(shí)間就快，可達(dá)微秒級(jí);N不大時(shí)，相位噪聲和雜散都可以較低。第六十八頁，共九十八頁。圖10-37是AD公司生產(chǎn)的DDS芯片AD7008，其時(shí)鐘頻率有20MHz和50MHz兩種，相位累加器長度N=32。它不僅可以用于頻率合成，而且具有很強(qiáng)的調(diào)制功能，可以完成各種數(shù)字和模擬調(diào)制功能，如AM、PM、FM、ASK、PSK、FSK、MSK、QPSK、QAM等調(diào)制方式。第六十九頁，共九十八頁。圖10-37AD7008框圖第七十頁，共九十八頁。三、鎖相頻率合成器1．單環(huán)鎖相頻率合成器

（1）數(shù)學(xué)模型基本的單環(huán)鎖相頻率合成器的構(gòu)成如圖10-32所示。環(huán)中的÷N分頻器采用可編程的程序分頻器，合成器輸出頻率為式中fr為參考頻率，通常是用高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生，經(jīng)過固定分頻比的參考分頻之后獲得的。這種合成器的分辨率為fr。（10-76）第七十一頁，共九十八頁。設(shè)鑒相器的增益為Kd，環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為F（s），壓控振蕩器的增益系數(shù)為K0，則可得單環(huán)鎖相頻率合成器的線性相位模型，如圖10-38所示。圖中：(10-77)(10-78)第七十二頁，共九十八頁。圖10-38單環(huán)頻率合成器線性相位模型第七十三頁，共九十八頁。由輸出相位θ2（s）和輸入相位θ1（s）可得閉環(huán)傳遞函數(shù)是(10-79)式中K′=KdK0/N。因?yàn)橄辔皇穷l率的時(shí)間積分，故同樣的傳遞函數(shù)也可說明輸入頻率（即參考頻率）fr（s）和輸出頻率fv（s）之間的關(guān)系。

誤差傳遞函數(shù)（10-80）第七十四頁，共九十八頁。將式（10-79）和式（10-80）與式（10-48）和式（10-49）相比較，單環(huán)鎖相頻率合成器的傳遞函數(shù)與線性鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)有如下關(guān)系:(10-81)第七十五頁，共九十八頁。（2）、實(shí)用電路圖10-39（a）是通用型單片集成鎖相環(huán)L562（NE562）和國產(chǎn)T216可編程除10分頻器構(gòu)成的單環(huán)鎖相環(huán)頻率合成器，它可完成10以內(nèi)的鎖相倍頻，即可得到1～10倍的輸入信號(hào)頻率輸出，圖10-39（b）為L562的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。第七十六頁，共九十八頁。圖10-39L562的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（a）L562頻率合成器；（b）L562內(nèi)部框圖第七十七頁，共九十八頁。2．變模分頻鎖相頻率合成器在基本的單環(huán)鎖相頻率合成器中，VCO的輸出頻率是直接加到可編程分頻器上的。目前可編程分頻器還不能工作到很高的頻率上，這就限制了這種合成器的應(yīng)用。加前置分頻器后固然能提高合成器的工作頻率，但這是以降低頻率分辨率為代價(jià)的。圖10-40為采用雙模分頻器的鎖相頻率合成器的組成框圖。第七十八頁，共九十八頁。圖10-40雙模分頻鎖相頻率合成器第七十九頁，共九十八頁。模分頻器有兩個(gè)分頻模數(shù)，當(dāng)模式控制為高電平時(shí)分頻模數(shù)為V＋1，當(dāng)模式控制為低電平時(shí)分頻模式為V。雙模分頻器的輸出同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)可編程分頻器，它們分別預(yù)置在N1和N2，并進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。在一個(gè)完整的周期中，輸入的周期數(shù)為

假若V＝10，則(10-82)(10-83)第八十頁，共九十八頁。四、集成鎖相環(huán)頻率合成器集成鎖相頻率合成器是一種專用鎖相電路。它是發(fā)展很快、采用新工藝多的專用集成電路。它將參考分頻器、參考振蕩器、數(shù)字鑒相器、各種邏輯控制電路等部件集成在一個(gè)或幾個(gè)單元中，以構(gòu)成集成頻率合成器的電路系統(tǒng)。第八十一頁，共九十八頁。1．MC145146－1MC145146－1是一塊20腳陶瓷或塑料封裝的，由四位總線輸入、鎖存器選通和地址線編程的大規(guī)模單片集成鎖相雙模頻率合成器，圖10-41給出了它的方框圖。第八十二頁，共九十八頁。圖10-41MC145146－1方框第八十三頁，共九十八頁。表10-4MC145146-1地址碼與鎖存器的選通關(guān)系第八十四頁，共九十八頁。ST（12端）:數(shù)據(jù)選通控制端，當(dāng)ST是高電平時(shí)，可以輸入D0~D3輸入端的信息，ST是低電平時(shí)，則鎖存這些信息。PDout（5端）:鑒相器的三態(tài)單端輸出。當(dāng)頻率fv＞fr或fv相位超前時(shí)，PDout輸出負(fù)脈沖;當(dāng)相位滯后時(shí)，輸出正脈沖;當(dāng)fv＝fr且同相位時(shí)，輸出端為高阻抗?fàn)顟B(tài)。LD（13端）:鎖定檢測器信號(hào)輸出端。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)（fv與fr同頻同相），輸出高電平，失鎖時(shí)輸出低電平。第八十五頁，共九十八頁。ΦV、ΦR(16、17端):鑒相器的雙端輸出。可以在外部組合成環(huán)路誤差信號(hào)，與單端輸出PDout作用相同，可按需要選用。圖10-42是一個(gè)微機(jī)控制的UHF移動(dòng)電話信道的頻率合成器，工作頻率為450MHz。

第八十六頁，共九十八頁。圖10-42采用MC145146－1的UHF移動(dòng)無線電話頻率合